Contributions à l'apprentissage grande échelle pour la classification d'images

Contributions to large-scale learning for image classification

• Auteur / Autrice : Zeynep Akata
• Direction : Cordelia Schmid
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et informatique
• Date : Soutenance le 06/01/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Georges Quénot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vittorio Ferrari, Florent Perronnin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Cord, Christoph Lampert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes parallèles

Mots clés libres

Classification d'image à grande échelle

Séparatrices à Vastes Marges linéaires

Descente de gradient stochastique

Incorporation d'étiquettes

Apprentissage

Large Scale Image Classification

Linear SVMs

Stochastic Gradient Descent

Zero-Shot Learning

Few-Shots Learning

Résumé

La construction d'algorithmes classifiant des images à grande échelle est devenue une t^ache essentielle du fait de la difficulté d'effectuer des recherches dans les immenses collections de données visuelles non-etiquetées présentes sur Internet. L'objetif est de classifier des images en fonction de leur contenu pour simplifier la gestion de telles bases de données. La classification d'images à grande échelle est un problème complexe, de par l'importance de la taille des ensembles de données, tant en nombre d'images qu'en nombre de classes. Certaines de ces classes sont dites "fine-grained" (sémantiquement proches les unes des autres) et peuvent même ne contenir aucun représentant étiqueté. Dans cette thèse, nous utilisons des représentations à l'état de l'art d'images et nous concentrons sur des méthodes d'apprentissage efficaces. Nos contributions sont (1) un banc d'essai d'algorithmes d'apprentissage pour la classification à grande échelle et (2) un nouvel algorithme basé sur l'incorporation d'étiquettes pour apprendre sur des données peu abondantes. En premier lieu, nous introduisons un banc d'essai d'algorithmes d'apprentissage pour la classification à grande échelle, dans un cadre entièrement supervisé. Il compare plusieurs fonctions objectifs pour apprendre des classifieurs linéaires, tels que "un contre tous", "multiclasse", "classement", "classement avec pondération" par descente de gradient stochastique. Ce banc d'essai se conclut en un ensemble de recommandations pour la classification à grande échelle. Avec une simple repondération des données, la stratégie "un contre tous" donne des performances meilleures que toutes les autres. Par ailleurs, en apprentissage en ligne, un pas d'apprentissage assez petit s'avère suffisant pour obtenir des résultats au niveau de l'état de l'art. Enfin, l'arrêt prématuré de la descente de gradient stochastique introduit une régularisation qui améliore la vitesse d'entraînement ainsi que la capacité de régularisation. Deuxièmement, face à des milliers de classes, il est parfois difficile de rassembler suffisamment de données d'entraînement pour chacune des classes. En particulier, certaines classes peuvent être entièrement dénuées d'exemples. En conséquence, nous proposons un nouvel algorithme adapté à ce scénario d'apprentissage dit "zero-shot". Notre algorithme utilise des données parallèles, comme les attributs, pour incorporer les classes dans un espace euclidien. Nous introduisons par ailleurs une fonction pour mesurer la compatibilité entre image et étiquette. Les paramètres de cette fonction sont appris en utilisant un objectif de type "ranking". Notre algorithme dépasse l'état de l'art pour l'apprentissage "zero-shot", et fait preuve d'une grande flexibilité en permettant d'incorporer d'autres sources d'information parallèle, comme des hiérarchies. Il permet en outre une transition sans heurt du cas "zero-shot" au cas où peu d'exemples sont disponibles.

Building algorithms that classify images on a large scale is an essential task due to the difficulty in searching massive amount of unlabeled visual data available on the Internet. We aim at classifying images based on their content to simplify the manageability of such large-scale collections. Large-scale image classification is a difficult problem as datasets are large with respect to both the number of images and the number of classes. Some of these classes are fine grained and they may not contain any labeled representatives. In this thesis, we use state-of-the-art image representations and focus on efficient learning methods. Our contributions are (1) a benchmark of learning algorithms for large scale image classification, and (2) a novel learning algorithm based on label embedding for learning with scarce training data. Firstly, we propose a benchmark of learning algorithms for large scale image classification in the fully supervised setting. It compares several objective functions for learning linear classifiers such as one-vs-rest, multiclass, ranking and weighted average ranking using the stochastic gradient descent optimization. The output of this benchmark is a set of recommendations for large-scale learning. We experimentally show that, online learning is well suited for large-scale image classification. With simple data rebalancing, One-vs-Rest performs better than all other methods. Moreover, in online learning, using a small enough step size with respect to the learning rate is sufficient for state-of-the-art performance. Finally, regularization through early stopping results in fast training and a good generalization performance. Secondly, when dealing with thousands of classes, it is difficult to collect sufficient labeled training data for each class. For some classes we might not even have a single training example. We propose a novel algorithm for this zero-shot learning scenario. Our algorithm uses side information, such as attributes to embed classes in a Euclidean space. We also introduce a function to measure the compatibility between an image and a label. The parameters of this function are learned using a ranking objective. Our algorithm outperforms the state-of-the-art for zero-shot learning. It is flexible and can accommodate other sources of side information such as hierarchies. It also allows for a smooth transition from zero-shot to few-shots learning.