Les algorithmes de haute résolution en tomographie d'émission par positrons : développement et accélération sur les cartes graphiques

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.

Advances in scaling deep learning algorithms

Les algorithmes d'apprentissage profond forment un nouvel ensemble de méthodes puissantes pour l'apprentissage automatique. L'idée est de combiner des couches de facteurs latents en hierarchies. Cela requiert souvent un coût computationel plus elevé et augmente aussi le nombre de paramètres du modèle. Ainsi, l'utilisation de ces méthodes sur des problèmes à plus grande échelle demande de réduire leur coût et aussi d'améliorer leur régularisation et leur optimization. Cette thèse adresse cette question sur ces trois perspectives. Nous étudions tout d'abord le problème de réduire le coût de certains algorithmes profonds. Nous proposons deux méthodes pour entrainer des machines de Boltzmann restreintes et des auto-encodeurs débruitants sur des distributions sparses à haute dimension. Ceci est important pour l'application de ces algorithmes pour le traitement de langues naturelles. Ces deux méthodes (Dauphin et al., 2011; Dauphin and Bengio, 2013) utilisent l'échantillonage par importance pour échantilloner l'objectif de ces modèles. Nous observons que cela réduit significativement le temps d'entrainement. L'accéleration atteint 2 ordres de magnitude sur plusieurs bancs d'essai. Deuxièmement, nous introduisont un puissant régularisateur pour les méthodes profondes. Les résultats expérimentaux démontrent qu'un bon régularisateur est crucial pour obtenir de bonnes performances avec des gros réseaux (Hinton et al., 2012). Dans Rifai et al. (2011), nous proposons un nouveau régularisateur qui combine l'apprentissage non-supervisé et la propagation de tangente (Simard et al., 1992). Cette méthode exploite des principes géometriques et permit au moment de la publication d'atteindre des résultats à l'état de l'art. Finalement, nous considérons le problème d'optimiser des surfaces non-convexes à haute dimensionalité comme celle des réseaux de neurones. Tradionellement, l'abondance de minimum locaux était considéré comme la principale difficulté dans ces problèmes. Dans Dauphin et al. (2014a) nous argumentons à partir de résultats en statistique physique, de la théorie des matrices aléatoires, de la théorie des réseaux de neurones et à partir de résultats expérimentaux qu'une difficulté plus profonde provient de la prolifération de points-selle. Dans ce papier nous proposons aussi une nouvelle méthode pour l'optimisation non-convexe.

Apprentissage d'espaces sémantiques

Dans cette dissertation, nous présentons plusieurs techniques d’apprentissage d’espaces sémantiques pour plusieurs domaines, par exemple des mots et des images, mais aussi à l’intersection de différents domaines. Un espace de représentation est appelé sémantique si des entités jugées similaires par un être humain, ont leur similarité préservée dans cet espace. La première publication présente un enchaînement de méthodes d’apprentissage incluant plusieurs techniques d’apprentissage non supervisé qui nous a permis de remporter la compétition “Unsupervised and Transfer Learning Challenge” en 2011. Le deuxième article présente une manière d’extraire de l’information à partir d’un contexte structuré (177 détecteurs d’objets à différentes positions et échelles). On montrera que l’utilisation de la structure des données combinée à un apprentissage non supervisé permet de réduire la dimensionnalité de 97% tout en améliorant les performances de reconnaissance de scènes de +5% à +11% selon l’ensemble de données. Dans le troisième travail, on s’intéresse à la structure apprise par les réseaux de neurones profonds utilisés dans les deux précédentes publications. Plusieurs hypothèses sont présentées et testées expérimentalement montrant que l’espace appris a de meilleures propriétés de mixage (facilitant l’exploration de différentes classes durant le processus d’échantillonnage). Pour la quatrième publication, on s’intéresse à résoudre un problème d’analyse syntaxique et sémantique avec des réseaux de neurones récurrents appris sur des fenêtres de contexte de mots. Dans notre cinquième travail, nous proposons une façon d’effectuer de la recherche d’image ”augmentée” en apprenant un espace sémantique joint où une recherche d’image contenant un objet retournerait aussi des images des parties de l’objet, par exemple une recherche retournant des images de ”voiture” retournerait aussi des images de ”pare-brises”, ”coffres”, ”roues” en plus des images initiales.

FPGA-based object detection using classification circuits

Dans l'apprentissage machine, la classification est le processus d’assigner une nouvelle observation à une certaine catégorie. Les classifieurs qui mettent en œuvre des algorithmes de classification ont été largement étudié au cours des dernières décennies. Les classifieurs traditionnels sont basés sur des algorithmes tels que le SVM et les réseaux de neurones, et sont généralement exécutés par des logiciels sur CPUs qui fait que le système souffre d’un manque de performance et d’une forte consommation d'énergie. Bien que les GPUs puissent être utilisés pour accélérer le calcul de certains classifieurs, leur grande consommation de puissance empêche la technologie d'être mise en œuvre sur des appareils portables tels que les systèmes embarqués. Pour rendre le système de classification plus léger, les classifieurs devraient être capable de fonctionner sur un système matériel plus compact au lieu d'un groupe de CPUs ou GPUs, et les classifieurs eux-mêmes devraient être optimisés pour ce matériel. Dans ce mémoire, nous explorons la mise en œuvre d'un classifieur novateur sur une plate-forme matérielle à base de FPGA. Le classifieur, conçu par Alain Tapp (Université de Montréal), est basé sur une grande quantité de tables de recherche qui forment des circuits arborescents qui effectuent les tâches de classification. Le FPGA semble être un élément fait sur mesure pour mettre en œuvre ce classifieur avec ses riches ressources de tables de recherche et l'architecture à parallélisme élevé. Notre travail montre que les FPGAs peuvent implémenter plusieurs classifieurs et faire les classification sur des images haute définition à une vitesse très élevée.

From Word Embeddings to Large Vocabulary Neural Machine Translation

Dans ce mémoire, nous examinons certaines propriétés des représentations distribuées de mots et nous proposons une technique pour élargir le vocabulaire des systèmes de traduction automatique neurale. En premier lieu, nous considérons un problème de résolution d'analogies bien connu et examinons l'effet de poids adaptés à la position, le choix de la fonction de combinaison et l'impact de l'apprentissage supervisé. Nous enchaînons en montrant que des représentations distribuées simples basées sur la traduction peuvent atteindre ou dépasser l'état de l'art sur le test de détection de synonymes TOEFL et sur le récent étalon-or SimLex-999. Finalament, motivé par d'impressionnants résultats obtenus avec des représentations distribuées issues de systèmes de traduction neurale à petit vocabulaire (30 000 mots), nous présentons une approche compatible à l'utilisation de cartes graphiques pour augmenter la taille du vocabulaire par plus d'un ordre de magnitude. Bien qu'originalement développée seulement pour obtenir les représentations distribuées, nous montrons que cette technique fonctionne plutôt bien sur des tâches de traduction, en particulier de l'anglais vers le français (WMT'14).

Les algorithmes de l’amour

Online dating systems (ODS) have had a central role in our social practices for many years. How can we analyze this phenomenon? How can we understand it? The point is not to know whether or not these services are actually able to facilitate relationship formation, but rather to understand what kinds of values the ODS are based upon and what kinds of values they produce. In other words, it is crucial to understand what ideas of love these platforms are proposing. This paper will focus on the ODS that explicitly have the goal of giving their clients the possibility of meeting someone with whom they can have a love affair or a durable romance. This paper aims to analyze how love is defined according to the ODS algorithms’ rules.

"À quoi rêvent les algorithmes?" Le dernier ouvrage de Dominique Cardon

Pour ceux qui suivent les pistes de la recherche menée depuis plusieurs années autour des enjeux sociaux-politiques de la technologie par Dominique Cardon, ce dernier ouvrage était très attendu et marque l'achèvement temporaire d’une réflexion visant à déchiffrer la logique des algorithmes (en interprétant les rêves) qui s’annonçait dans les travaux précédents. [...]

Statistical Machine Learning Techniques for the Prediction of Learning Disabilities in School-Age Children

Learning Disability (LD) is a general term that describes specific kinds of learning problems. It is a neurological condition that affects a child's brain and impairs his ability to carry out one or many specific tasks. The learning disabled children are neither slow nor mentally retarded. This disorder can make it problematic for a child to learn as quickly or in the same way as some child who isn't affected by a learning disability. An affected child can have normal or above average intelligence. They may have difficulty paying attention, with reading or letter recognition, or with mathematics. It does not mean that children who have learning disabilities are less intelligent. In fact, many children who have learning disabilities are more intelligent than an average child. Learning disabilities vary from child to child. One child with LD may not have the same kind of learning problems as another child with LD. There is no cure for learning disabilities and they are life-long. However, children with LD can be high achievers and can be taught ways to get around the learning disability. In this research work, data mining using machine learning techniques are used to analyze the symptoms of LD, establish interrelationships between them and evaluate the relative importance of these symptoms. To increase the diagnostic accuracy of learning disability prediction, a knowledge based tool based on statistical machine learning or data mining techniques, with high accuracy,according to the knowledge obtained from the clinical information, is proposed. The basic idea of the developed knowledge based tool is to increase the accuracy of the learning disability assessment and reduce the time used for the same. Different statistical machine learning techniques in data mining are used in the study. Identifying the important parameters of LD prediction using the data mining techniques, identifying the hidden relationship between the symptoms of LD and estimating the relative significance of each symptoms of LD are also the parts of the objectives of this research work. The developed tool has many advantages compared to the traditional methods of using check lists in determination of learning disabilities. For improving the performance of various classifiers, we developed some preprocessing methods for the LD prediction system. A new system based on fuzzy and rough set models are also developed for LD prediction. Here also the importance of pre-processing is studied. A Graphical User Interface (GUI) is designed for developing an integrated knowledge based tool for prediction of LD as well as its degree. The designed tool stores the details of the children in the student database and retrieves their LD report as and when required. The present study undoubtedly proves the effectiveness of the tool developed based on various machine learning techniques. It also identifies the important parameters of LD and accurately predicts the learning disability in school age children. This thesis makes several major contributions in technical, general and social areas. The results are found very beneficial to the parents, teachers and the institutions. They are able to diagnose the child’s problem at an early stage and can go for the proper treatments/counseling at the correct time so as to avoid the academic and social losses.

Syntactic Based Machine Translation from English to Malayalam

Due to the emergence of multiple language support on the Internet, machine translation (MT) technologies are indispensable to the communication between speakers using different languages. Recent research works have started to explore tree-based machine translation systems with syntactical and morphological information. This work aims the development of Syntactic Based Machine Translation from English to Malayalam by adding different case information during translation. The system identifies general rules for various sentence patterns in English. These rules are generated using the Parts Of Speech (POS) tag information of the texts. Word Reordering based on the Syntax Tree is used to improve the translation quality of the system. The system used Bilingual English –Malayalam dictionary for translation.

A Framework of Statistical Machine Translator from English to Malayalam

In this paper we describe the methodology and the structural design of a system that translates English into Malayalam using statistical models. A monolingual Malayalam corpus and a bilingual English/Malayalam corpus are the main resource in building this Statistical Machine Translator. Training strategy adopted has been enhanced by PoS tagging which helps to get rid of the insignificant alignments. Moreover, incorporating units like suffix separator and the stop word eliminator has proven to be effective in bringing about better training results. In the decoder, order conversion rules are applied to reduce the structural difference between the language pair. The quality of statistical outcome of the decoder is further improved by applying mending rules. Experiments conducted on a sample corpus have generated reasonably good Malayalam translations and the results are verified with F measure, BLEU and WER evaluation metrics

Handling OOV Words in Phrase-Based Statistical Machine Translation for Malayalam

Statistical Machine Translation (SMT) is one of the potential applications in the field of Natural Language Processing. The translation process in SMT is carried out by acquiring translation rules automatically from the parallel corpora. However, for many language pairs (e.g. Malayalam- English), they are available only in very limited quantities. Therefore, for these language pairs a huge portion of phrases encountered at run-time will be unknown. This paper focuses on methods for handling such out-of-vocabulary (OOV) words in Malayalam that cannot be translated to English using conventional phrase-based statistical machine translation systems. The OOV words in the source sentence are pre-processed to obtain the root word and its suffix. Different inflected forms of the OOV root are generated and a match is looked up for the word variants in the phrase translation table of the translation model. A Vocabulary filter is used to choose the best among the translations of these word variants by finding the unigram count. A match for the OOV suffix is also looked up in the phrase entries and the target translations are filtered out. Structuring of the filtered phrases is done and SMT translation model is extended by adding OOV with its new phrase translations. By the results of the manual evaluation done it is observed that amount of OOV words in the input has been reduced considerably

Extension schemes for the Alignment Model of English-Malayalam Statistical Machine Translator

In Statistical Machine Translation from English to Malayalam, an unseen English sentence is translated into its equivalent Malayalam sentence using statistical models. A parallel corpus of English-Malayalam is used in the training phase. Word to word alignments has to be set among the sentence pairs of the source and target language before subjecting them for training. This paper deals with certain techniques which can be adopted for improving the alignment model of SMT. Methods to incorporate the parts of speech information into the bilingual corpus has resulted in eliminating many of the insignificant alignments. Also identifying the name entities and cognates present in the sentence pairs has proved to be advantageous while setting up the alignments. Presence of Malayalam words with predictable translations has also contributed in reducing the insignificant alignments. Moreover, reduction of the unwanted alignments has brought in better training results. Experiments conducted on a sample corpus have generated reasonably good Malayalam translations and the results are verified with F measure, BLEU and WER evaluation metrics.

Techniques to Improve the word alignments in Statistical Machine Translation from English to Malayalam

In Statistical Machine Translation from English to Malayalam, an unseen English sentence is translated into its equivalent Malayalam translation using statistical models like translation model, language model and a decoder. A parallel corpus of English-Malayalam is used in the training phase. Word to word alignments has to be set up among the sentence pairs of the source and target language before subjecting them for training. This paper is deals with the techniques which can be adopted for improving the alignment model of SMT. Incorporating the parts of speech information into the bilingual corpus has eliminated many of the insignificant alignments. Also identifying the name entities and cognates present in the sentence pairs has proved to be advantageous while setting up the alignments. Moreover, reduction of the unwanted alignments has brought in better training results. Experiments conducted on a sample corpus have generated reasonably good Malayalam translations and the results are verified with F measure, BLEU and WER evaluation metrics

Unconstrained Handwritten Malayalam Character Recognition using Wavelet Transform and Support vector Machine Classifier

This paper presents the application of wavelet processing in the domain of handwritten character recognition. To attain high recognition rate, robust feature extractors and powerful classifiers that are invariant to degree of variability of human writing are needed. The proposed scheme consists of two stages: a feature extraction stage, which is based on Haar wavelet transform and a classification stage that uses support vector machine classifier. Experimental results show that the proposed method is effective

Using Neural Network Classifier Support Vector Machine Regression for the prediction of Melting Point of Drug – like compounds

In our study we use a kernel based classification technique, Support Vector Machine Regression for predicting the Melting Point of Drug – like compounds in terms of Topological Descriptors, Topological Charge Indices, Connectivity Indices and 2D Auto Correlations. The Machine Learning model was designed, trained and tested using a dataset of 100 compounds and it was found that an SVMReg model with RBF Kernel could predict the Melting Point with a mean absolute error 15.5854 and Root Mean Squared Error 19.7576