Modeling High-Dimensional Audio Sequences with Recurrent Neural Networks

Cette thèse étudie des modèles de séquences de haute dimension basés sur des réseaux de neurones récurrents (RNN) et leur application à la musique et à la parole. Bien qu'en principe les RNN puissent représenter les dépendances à long terme et la dynamique temporelle complexe propres aux séquences d'intérêt comme la vidéo, l'audio et la langue naturelle, ceux-ci n'ont pas été utilisés à leur plein potentiel depuis leur introduction par Rumelhart et al. (1986a) en raison de la difficulté de les entraîner efficacement par descente de gradient. Récemment, l'application fructueuse de l'optimisation Hessian-free et d'autres techniques d'entraînement avancées ont entraîné la recrudescence de leur utilisation dans plusieurs systèmes de l'état de l'art. Le travail de cette thèse prend part à ce développement. L'idée centrale consiste à exploiter la flexibilité des RNN pour apprendre une description probabiliste de séquences de symboles, c'est-à-dire une information de haut niveau associée aux signaux observés, qui en retour pourra servir d'à priori pour améliorer la précision de la recherche d'information. Par exemple, en modélisant l'évolution de groupes de notes dans la musique polyphonique, d'accords dans une progression harmonique, de phonèmes dans un énoncé oral ou encore de sources individuelles dans un mélange audio, nous pouvons améliorer significativement les méthodes de transcription polyphonique, de reconnaissance d'accords, de reconnaissance de la parole et de séparation de sources audio respectivement. L'application pratique de nos modèles à ces tâches est détaillée dans les quatre derniers articles présentés dans cette thèse. Dans le premier article, nous remplaçons la couche de sortie d'un RNN par des machines de Boltzmann restreintes conditionnelles pour décrire des distributions de sortie multimodales beaucoup plus riches. Dans le deuxième article, nous évaluons et proposons des méthodes avancées pour entraîner les RNN. Dans les quatre derniers articles, nous examinons différentes façons de combiner nos modèles symboliques à des réseaux profonds et à la factorisation matricielle non-négative, notamment par des produits d'experts, des architectures entrée/sortie et des cadres génératifs généralisant les modèles de Markov cachés. Nous proposons et analysons également des méthodes d'inférence efficaces pour ces modèles, telles la recherche vorace chronologique, la recherche en faisceau à haute dimension, la recherche en faisceau élagué et la descente de gradient. Finalement, nous abordons les questions de l'étiquette biaisée, du maître imposant, du lissage temporel, de la régularisation et du pré-entraînement.

Diversified query expansion

La diversification des résultats de recherche (DRR) vise à sélectionner divers documents à partir des résultats de recherche afin de couvrir autant d’intentions que possible. Dans les approches existantes, on suppose que les résultats initiaux sont suffisamment diversifiés et couvrent bien les aspects de la requête. Or, on observe souvent que les résultats initiaux n’arrivent pas à couvrir certains aspects. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche de DRR qui consiste à diversifier l’expansion de requête (DER) afin d’avoir une meilleure couverture des aspects. Les termes d’expansion sont sélectionnés à partir d’une ou de plusieurs ressource(s) suivant le principe de pertinence marginale maximale. Dans notre première contribution, nous proposons une méthode pour DER au niveau des termes où la similarité entre les termes est mesurée superficiellement à l’aide des ressources. Quand plusieurs ressources sont utilisées pour DER, elles ont été uniformément combinées dans la littérature, ce qui permet d’ignorer la contribution individuelle de chaque ressource par rapport à la requête. Dans la seconde contribution de cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode de pondération de ressources selon la requête. Notre méthode utilise un ensemble de caractéristiques qui sont intégrées à un modèle de régression linéaire, et génère à partir de chaque ressource un nombre de termes d’expansion proportionnellement au poids de cette ressource. Les méthodes proposées pour DER se concentrent sur l’élimination de la redondance entre les termes d’expansion sans se soucier si les termes sélectionnés couvrent effectivement les différents aspects de la requête. Pour pallier à cet inconvénient, nous introduisons dans la troisième contribution de cette thèse une nouvelle méthode pour DER au niveau des aspects. Notre méthode est entraînée de façon supervisée selon le principe que les termes reliés doivent correspondre au même aspect. Cette méthode permet de sélectionner des termes d’expansion à un niveau sémantique latent afin de couvrir autant que possible différents aspects de la requête. De plus, cette méthode autorise l’intégration de plusieurs ressources afin de suggérer des termes d’expansion, et supporte l’intégration de plusieurs contraintes telles que la contrainte de dispersion. Nous évaluons nos méthodes à l’aide des données de ClueWeb09B et de trois collections de requêtes de TRECWeb track et montrons l’utilité de nos approches par rapport aux méthodes existantes.

Neural changes associated with semantic processing in healthy aging despite intact behavioral performance

Semantic memory recruits an extensive neural network including the left inferior prefrontal cortex (IPC) and the left temporoparietal region, which are involved in semantic control processes, as well as the anterior temporal lobe region (ATL) which is considered to be involved in processing semantic information at a central level. However, little is known about the underlying neuronal integrity of the semantic network in normal aging. Young and older healthy adults carried out a semantic judgment task while their cortical activity was recorded using magnetoencephalography (MEG). Despite equivalent behavioral performance, young adults activated the left IPC to a greater extent than older adults, while the latter group recruited the temporoparietal region bilaterally and the left ATL to a greater extent than younger adults. Results indicate that significant neuronal changes occur in normal aging, mainly in regions underlying semantic control processes, despite an apparent stability in performance at the behavioral level.

Analyse de maillages surfaciques par construction et comparaison de modèles moyens et par décomposition par graphes s’appuyant sur les courbures discrètes : application à l’étude de la cornée humaine

Réalisé en cotutelle avec Aix Marseille Université.

A physically based trunk soft tissue modeling for scoliosis surgery planning systems

One of the major concerns of scoliotic patients undergoing spinal correction surgery is the trunk's external appearance after the surgery. This paper presents a novel incremental approach for simulating postoperative trunk shape in scoliosis surgery. Preoperative and postoperative trunk shapes data were obtained using three-dimensional medical imaging techniques for seven patients with adolescent idiopathic scoliosis. Results of qualitative and quantitative evaluations, based on the comparison of the simulated and actual postoperative trunk surfaces, showed an adequate accuracy of the method. Our approach provides a candidate simulation tool to be used in a clinical environment for the surgery planning process.