Espaces profonds de répresentation

Deep representation spaces

• Auteur / Autrice : Micael Carvalho
• Direction : Matthieu Cord
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 11/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Gaussier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Le Borgne, Nicolas Thome, Laure Soulier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Lefèvre, Frédéric Precioso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Intelligence artificielle

Apprentissage profond

Mots clés libres

Apprentissage profond

Intelligence artificielle

Espaces de représentation

Réseaux de neurones

Compression

Apprentissage de métrique

Deep learning

Artificial intelligence

Representation spaces

Neural networks

Compression

Metric learning

Résumé

Ces dernières années, les techniques d’apprentissage profond ont fondamentalement transformé l'état de l'art de nombreuses applications de l'apprentissage automatique, devenant la nouvelle approche standard pour plusieurs d’entre elles. Les architectures provenant de ces techniques ont été utilisées pour l'apprentissage par transfert, ce qui a élargi la puissance des modèles profonds à des tâches qui ne disposaient pas de suffisamment de données pour les entraîner à partir de zéro. Le sujet d'étude de cette thèse couvre les espaces de représentation créés par les architectures profondes. Dans un premier temps, nous étudions les propriétés de leurs espaces, en prêtant un intérêt particulier à la redondance des dimensions et la précision numérique de leurs représentations. Nos résultats démontrent un fort degré de robustesse, pointant vers des schémas de compression simples et puissants. Ensuite, nous nous concentrons sur le l'affinement de ces représentations. Nous choisissons d'adopter un problème multi-tâches intermodal et de concevoir une fonction de coût capable de tirer parti des données de plusieurs modalités, tout en tenant compte des différentes tâches associées au même ensemble de données. Afin d'équilibrer correctement ces coûts, nous développons également un nouveau processus d'échantillonnage qui ne prend en compte que des exemples contribuant à la phase d'apprentissage, c'est-à-dire ceux ayant un coût positif. Enfin, nous testons notre approche sur un ensemble de données à grande échelle de recettes de cuisine et d'images associées. Notre méthode améliore de 5 fois l'état de l'art sur cette tâche, et nous montrons que l'aspect multitâche de notre approche favorise l'organisation sémantique de l'espace de représentation, lui permettant d'effectuer des sous-tâches jamais vues pendant l'entraînement, comme l'exclusion et la sélection d’ingrédients. Les résultats que nous présentons dans cette thèse ouvrent de nombreuses possibilités, y compris la compression de caractéristiques pour les applications distantes, l'apprentissage multi-modal et multitâche robuste et l'affinement de l'espace des caractéristiques. Pour l'application dans le contexte de la cuisine, beaucoup de nos résultats sont directement applicables dans une situation réelle, en particulier pour la détection d'allergènes, la recherche de recettes alternatives en raison de restrictions alimentaires et la planification de menus.

In recent years, Deep Learning techniques have swept the state-of-the-art of many applications of Machine Learning, becoming the new standard approach for them. The architectures issued from these techniques have been used for transfer learning, which extended the power of deep models to tasks that did not have enough data to fully train them from scratch. This thesis' subject of study is the representation spaces created by deep architectures. First, we study properties inherent to them, with particular interest in dimensionality redundancy and precision of their features. Our findings reveal a strong degree of robustness, pointing the path to simple and powerful compression schemes. Then, we focus on refining these representations. We choose to adopt a cross-modal multi-task problem, and design a loss function capable of taking advantage of data coming from multiple modalities, while also taking into account different tasks associated to the same dataset. In order to correctly balance these losses, we also we develop a new sampling scheme that only takes into account examples contributing to the learning phase, i.e. those having a positive loss. Finally, we test our approach in a large-scale dataset of cooking recipes and associated pictures. Our method achieves a 5-fold improvement over the state-of-the-art, and we show that the multi-task aspect of our approach promotes a semantically meaningful organization of the representation space, allowing it to perform subtasks never seen during training, like ingredient exclusion and selection. The results we present in this thesis open many possibilities, including feature compression for remote applications, robust multi-modal and multi-task learning, and feature space refinement. For the cooking application, in particular, many of our findings are directly applicable in a real-world context, especially for the detection of allergens, finding alternative recipes due to dietary restrictions, and menu planning.