Apprentissage de métrique temporelle multi-modale et multi-échelle pour la classification robuste de séries temporelles par plus proches voisins

Multi-modal and multi-scale temporal metric learning for robust nearest neighbors classification

• Auteur / Autrice : Cao Tri Do
• Direction : Ahlame Douzal-Chouakria, Michèle Rombaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Informatique
• Date : Soutenance le 06/05/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Patrick Gallinari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gustavo Camps-Valls, Sylvain Marié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Canu, Marc Sebban

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séries chronologiques

Modélisation des données (informatique)

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Apprentissage statistique

Séries temporelles

Apprentissage de métrique

Classification

Svm

Knn

Machine Learning

Time Series

Metric learning

Classification

Svm

Knn

Résumé

La définition d'une métrique entre des séries temporelles est un élément important pour de nombreuses tâches en analyse ou en fouille de données, tel que le clustering, la classification ou la prédiction. Les séries temporelles présentent naturellement différentes caractéristiques, que nous appelons modalités, sur lesquelles elles peuvent être comparées, comme leurs valeurs, leurs formes ou leurs contenus fréquentielles. Ces caractéristiques peuvent être exprimées avec des délais variables et à différentes granularités ou localisations temporelles - exprimées globalement ou localement. Combiner plusieurs modalités à plusieurs échelles pour apprendre une métrique adaptée est un challenge clé pour de nombreuses applications réelles impliquant des données temporelles. Cette thèse propose une approche pour l'Apprentissage d'une Métrique Multi-modal et Multi-scale (M2TML) en vue d'une classification robuste par plus proches voisins. La solution est basée sur la projection des paires de séries temporelles dans un espace de dissimilarités, dans lequel un processus d'optimisation à vaste marge est opéré pour apprendre la métrique. La solution M2TML est proposée à la fois dans le contexte linéaire et non-linéaire, et est étudiée pour différents types de régularisation. Une variante parcimonieuse et interprétable de la solution montre le potentiel de la métrique temporelle apprise à pouvoir localiser finement les modalités discriminantes, ainsi que leurs échelles temporelles en vue de la tâche d'analyse considérée. L'approche est testée sur un vaste nombre de 30 bases de données publiques et challenging, couvrant des images, traces, données ECG, qui sont linéairement ou non-linéairement séparables. Les expériences montrent l'efficacité et le potentiel de la méthode M2TML pour la classification de séries temporelles par plus proches voisins.

The definition of a metric between time series is inherent to several data analysis and mining tasks, including clustering, classification or forecasting. Time series data present naturally several characteristics, called modalities, covering their amplitude, behavior or frequential spectrum, that may be expressed with varying delays and at different temporal granularity and localization - exhibited globally or locally. Combining several modalities at multiple temporal scales to learn a holistic metric is a key challenge for many real temporal data applications. This PhD proposes a Multi-modal and Multi-scale Temporal Metric Learning (M2TML) approach for robust time series nearest neighbors classification. The solution is based on the embedding of pairs of time series into a pairwise dissimilarity space, in which a large margin optimization process is performed to learn the metric. The M2TML solution is proposed for both linear and non linear contexts, and is studied for different regularizers. A sparse and interpretable variant of the solution shows the ability of the learned temporal metric to localize accurately discriminative modalities as well as their temporal scales.A wide range of 30 public and challenging datasets, encompassing images, traces and ECG data, that are linearly or non linearly separable, are used to show the efficiency and the potential of M2TML for time series nearest neighbors classification.