Incorporating complex cells into neural networks for pattern classification

Dans le domaine des neurosciences computationnelles, l'hypothèse a été émise que le système visuel, depuis la rétine et jusqu'au cortex visuel primaire au moins, ajuste continuellement un modèle probabiliste avec des variables latentes, à son flux de perceptions. Ni le modèle exact, ni la méthode exacte utilisée pour l'ajustement ne sont connus, mais les algorithmes existants qui permettent l'ajustement de tels modèles ont besoin de faire une estimation conditionnelle des variables latentes. Cela nous peut nous aider à comprendre pourquoi le système visuel pourrait ajuster un tel modèle; si le modèle est approprié, ces estimé conditionnels peuvent aussi former une excellente représentation, qui permettent d'analyser le contenu sémantique des images perçues. Le travail présenté ici utilise la performance en classification d'images (discrimination entre des types d'objets communs) comme base pour comparer des modèles du système visuel, et des algorithmes pour ajuster ces modèles (vus comme des densités de probabilité) à des images. Cette thèse (a) montre que des modèles basés sur les cellules complexes de l'aire visuelle V1 généralisent mieux à partir d'exemples d'entraînement étiquetés que les réseaux de neurones conventionnels, dont les unités cachées sont plus semblables aux cellules simples de V1; (b) présente une nouvelle interprétation des modèles du système visuels basés sur des cellules complexes, comme distributions de probabilités, ainsi que de nouveaux algorithmes pour les ajuster à des données; et (c) montre que ces modèles forment des représentations qui sont meilleures pour la classification d'images, après avoir été entraînés comme des modèles de probabilités. Deux innovations techniques additionnelles, qui ont rendu ce travail possible, sont également décrites : un algorithme de recherche aléatoire pour sélectionner des hyper-paramètres, et un compilateur pour des expressions mathématiques matricielles, qui peut optimiser ces expressions pour processeur central (CPU) et graphique (GPU).

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.

On Recurrent and Deep Neural Networks

L'apprentissage profond est un domaine de recherche en forte croissance en apprentissage automatique qui est parvenu à des résultats impressionnants dans différentes tâches allant de la classification d'images à la parole, en passant par la modélisation du langage. Les réseaux de neurones récurrents, une sous-classe d'architecture profonde, s'avèrent particulièrement prometteurs. Les réseaux récurrents peuvent capter la structure temporelle dans les données. Ils ont potentiellement la capacité d'apprendre des corrélations entre des événements éloignés dans le temps et d'emmagasiner indéfiniment des informations dans leur mémoire interne. Dans ce travail, nous tentons d'abord de comprendre pourquoi la profondeur est utile. Similairement à d'autres travaux de la littérature, nos résultats démontrent que les modèles profonds peuvent être plus efficaces pour représenter certaines familles de fonctions comparativement aux modèles peu profonds. Contrairement à ces travaux, nous effectuons notre analyse théorique sur des réseaux profonds acycliques munis de fonctions d'activation linéaires par parties, puisque ce type de modèle est actuellement l'état de l'art dans différentes tâches de classification. La deuxième partie de cette thèse porte sur le processus d'apprentissage. Nous analysons quelques techniques d'optimisation proposées récemment, telles l'optimisation Hessian free, la descente de gradient naturel et la descente des sous-espaces de Krylov. Nous proposons le cadre théorique des méthodes à région de confiance généralisées et nous montrons que plusieurs de ces algorithmes développés récemment peuvent être vus dans cette perspective. Nous argumentons que certains membres de cette famille d'approches peuvent être mieux adaptés que d'autres à l'optimisation non convexe. La dernière partie de ce document se concentre sur les réseaux de neurones récurrents. Nous étudions d'abord le concept de mémoire et tentons de répondre aux questions suivantes: Les réseaux récurrents peuvent-ils démontrer une mémoire sans limite? Ce comportement peut-il être appris? Nous montrons que cela est possible si des indices sont fournis durant l'apprentissage. Ensuite, nous explorons deux problèmes spécifiques à l'entraînement des réseaux récurrents, à savoir la dissipation et l'explosion du gradient. Notre analyse se termine par une solution au problème d'explosion du gradient qui implique de borner la norme du gradient. Nous proposons également un terme de régularisation conçu spécifiquement pour réduire le problème de dissipation du gradient. Sur un ensemble de données synthétique, nous montrons empiriquement que ces mécanismes peuvent permettre aux réseaux récurrents d'apprendre de façon autonome à mémoriser des informations pour une période de temps indéfinie. Finalement, nous explorons la notion de profondeur dans les réseaux de neurones récurrents. Comparativement aux réseaux acycliques, la définition de profondeur dans les réseaux récurrents est souvent ambiguë. Nous proposons différentes façons d'ajouter de la profondeur dans les réseaux récurrents et nous évaluons empiriquement ces propositions.

Comparison Study of Pattern Synthesis Techniques Using Neural Networks

In this paper, a comparison study among three neuralnetwork algorithms for the synthesis of array patterns is presented. The neural networks are used to estimate the array elements' excitations for an arbitrary pattern. The architecture of the neural networks is discussed and simulation results are presented. Two new neural networks, based on radial basis functions (RBFs) and wavelet neural networks (WNNs), are introduced. The proposed networks offer a more efficient synthesis procedure, as compared to other available techniques

Identification of spectral lines of elements using artificial neural networks

Artificial neural networks (ANNs) are relatively new computational tools that have found extensive utilization in solving many complex real-world problems. This paper describes how an ANN can be used to identify the spectral lines of elements. The spectral lines of Cadmium (Cd), Calcium (Ca), Iron (Fe), Lithium (Li), Mercury (Hg), Potassium (K) and Strontium (Sr) in the visible range are chosen for the investigation. One of the unique features of this technique is that it uses the whole spectrum in the visible range instead of individual spectral lines. The spectrum of a sample taken with a spectrometer contains both original peaks and spurious peaks. It is a tedious task to identify these peaks to determine the elements present in the sample. ANNs capability of retrieving original data from noisy spectrum is also explored in this paper. The importance of the need of sufficient data for training ANNs to get accurate results is also emphasized. Two networks are examined: one trained in all spectral lines and other with the persistent lines only. The network trained in all spectral lines is found to be superior in analyzing the spectrum even in a noisy environment.

Document Image Segmentation and Compression using Artificial Neural Networks and Evolutionary Methods

The work is intended to study the following important aspects of document image processing and develop new methods. (1) Segmentation ofdocument images using adaptive interval valued neuro-fuzzy method. (2) Improving the segmentation procedure using Simulated Annealing technique. (3) Development of optimized compression algorithms using Genetic Algorithm and parallel Genetic Algorithm (4) Feature extraction of document images (5) Development of IV fuzzy rules. This work also helps for feature extraction and foreground and background identification. The proposed work incorporates Evolutionary and hybrid methods for segmentation and compression of document images. A study of different neural networks used in image processing, the study of developments in the area of fuzzy logic etc is carried out in this work

Face Recognition using Probabilistic Neural Networks

In this paper we address the problem of face detection and recognition of grey scale frontal view images. We propose a face recognition system based on probabilistic neural networks (PNN) architecture. The system is implemented using voronoi/ delaunay tessellations and template matching. Images are segmented successfully into homogeneous regions by virtue of voronoi diagram properties. Face verification is achieved using matching scores computed by correlating edge gradients of reference images. The advantage of classification using PNN models is its short training time. The correlation based template matching guarantees good classification results

Face Recognition using Probabilistic Neural Networks

n this paper we address the problem of face detection and recognition of grey scale frontal view images. We propose a face recognition system based on probabilistic neural networks (PNN) architecture. The system is implemented using voronoi/ delaunay tessellations and template matching. Images are segmented successfully into homogeneous regions by virtue of voronoi diagram properties. Face verification is achieved using matching scores computed by correlating edge gradients of reference images. The advantage of classification using PNN models is its short training time. The correlation based template matching guarantees good classification results.

A Reinforcement Learning Approach to Economic Dispatch using Neural Networks

This paper presents a Reinforcement Learning (RL) approach to economic dispatch (ED) using Radial Basis Function neural network. We formulate the ED as an N stage decision making problem. We propose a novel architecture to store Qvalues and present a learning algorithm to learn the weights of the neural network. Even though many stochastic search techniques like simulated annealing, genetic algorithm and evolutionary programming have been applied to ED, they require searching for the optimal solution for each load demand. Also they find limitation in handling stochastic cost functions. In our approach once we learn the Q-values, we can find the dispatch for any load demand. We have recently proposed a RL approach to ED. In that approach, we could find only the optimum dispatch for a set of specified discrete values of power demand. The performance of the proposed algorithm is validated by taking IEEE 6 bus system, considering transmission losses

Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Optimal Unsupervised Learning in Feedforward Neural Networks

We investigate the properties of feedforward neural networks trained with Hebbian learning algorithms. A new unsupervised algorithm is proposed which produces statistically uncorrelated outputs. The algorithm causes the weights of the network to converge to the eigenvectors of the input correlation with largest eigenvalues. The algorithm is closely related to the technique of Self-supervised Backpropagation, as well as other algorithms for unsupervised learning. Applications of the algorithm to texture processing, image coding, and stereo depth edge detection are given. We show that the algorithm can lead to the development of filters qualitatively similar to those found in primate visual cortex.

Neural Networks

We present an overview of current research on artificial neural networks, emphasizing a statistical perspective. We view neural networks as parameterized graphs that make probabilistic assumptions about data, and view learning algorithms as methods for finding parameter values that look probable in the light of the data. We discuss basic issues in representation and learning, and treat some of the practical issues that arise in fitting networks to data. We also discuss links between neural networks and the general formalism of graphical models.

Forecasting Global Temperature Variations by Neural Networks

Global temperature variations between 1861 and 1984 are forecast usingsregularization networks, multilayer perceptrons and linearsautoregression. The regularization network, optimized by stochasticsgradient descent associated with colored noise, gives the bestsforecasts. For all the models, prediction errors noticeably increasesafter 1965. These results are consistent with the hypothesis that thesclimate dynamics is characterized by low-dimensional chaos and thatsthe it may have changed at some point after 1965, which is alsosconsistent with the recent idea of climate change.s