Recognition of Facial Expressions with Autoencoders and Convolutional-Nets

Les humains communiquent via différents types de canaux: les mots, la voix, les gestes du corps, des émotions, etc. Pour cette raison, un ordinateur doit percevoir ces divers canaux de communication pour pouvoir interagir intelligemment avec les humains, par exemple en faisant usage de microphones et de webcams. Dans cette thèse, nous nous intéressons à déterminer les émotions humaines à partir d’images ou de vidéo de visages afin d’ensuite utiliser ces informations dans différents domaines d’applications. Ce mémoire débute par une brève introduction à l'apprentissage machine en s’attardant aux modèles et algorithmes que nous avons utilisés tels que les perceptrons multicouches, réseaux de neurones à convolution et autoencodeurs. Elle présente ensuite les résultats de l'application de ces modèles sur plusieurs ensembles de données d'expressions et émotions faciales. Nous nous concentrons sur l'étude des différents types d’autoencodeurs (autoencodeur débruitant, autoencodeur contractant, etc) afin de révéler certaines de leurs limitations, comme la possibilité d'obtenir de la coadaptation entre les filtres ou encore d’obtenir une courbe spectrale trop lisse, et étudions de nouvelles idées pour répondre à ces problèmes. Nous proposons également une nouvelle approche pour surmonter une limite des autoencodeurs traditionnellement entrainés de façon purement non-supervisée, c'est-à-dire sans utiliser aucune connaissance de la tâche que nous voulons finalement résoudre (comme la prévision des étiquettes de classe) en développant un nouveau critère d'apprentissage semi-supervisé qui exploite un faible nombre de données étiquetées en combinaison avec une grande quantité de données non-étiquetées afin d'apprendre une représentation adaptée à la tâche de classification, et d'obtenir une meilleure performance de classification. Finalement, nous décrivons le fonctionnement général de notre système de détection d'émotions et proposons de nouvelles idées pouvant mener à de futurs travaux.

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.

Algorithmes heuristiques et exacts pour le problème de l’ensemble dominant connexe minimum.

Dans ce mémoire, nous abordons le problème de l’ensemble dominant connexe de cardinalité minimale. Nous nous penchons, en particulier, sur le développement de méthodes pour sa résolution basées sur la programmation par contraintes et la programmation en nombres entiers. Nous présentons, en l’occurrence, une heuristique et quelques méthodes exactes pouvant être utilisées comme heuristiques si on limite leur temps d’exécution. Nous décrivons notamment un algorithme basé sur l’approche de décomposition de Benders, un autre combinant cette dernière avec une stratégie d’investigation itérative, une variante de celle-ci utilisant la programmation par contraintes, et enfin une méthode utilisant uniquement la programmation par contraintes. Des résultats expérimentaux montrent que ces méthodes sont efficaces puisqu’elles améliorent les méthodes connues dans la littérature. En particulier, la méthode de décomposition de Benders avec une stratégie d’investigation itérative fournit les résultats les plus performants.

The berth allocation problem at port terminals : a column generation framework

Le problème d'allocation de postes d'amarrage (PAPA) est l'un des principaux problèmes de décision aux terminaux portuaires qui a été largement étudié. Dans des recherches antérieures, le PAPA a été reformulé comme étant un problème de partitionnement généralisé (PPG) et résolu en utilisant un solveur standard. Les affectations (colonnes) ont été générées a priori de manière statique et fournies comme entrée au modèle %d'optimisation. Cette méthode est capable de fournir une solution optimale au problème pour des instances de tailles moyennes. Cependant, son inconvénient principal est l'explosion du nombre d'affectations avec l'augmentation de la taille du problème, qui fait en sorte que le solveur d'optimisation se trouve à court de mémoire. Dans ce mémoire, nous nous intéressons aux limites de la reformulation PPG. Nous présentons un cadre de génération de colonnes où les affectations sont générées de manière dynamique pour résoudre les grandes instances du PAPA. Nous proposons un algorithme de génération de colonnes qui peut être facilement adapté pour résoudre toutes les variantes du PAPA en se basant sur différents attributs spatiaux et temporels. Nous avons testé notre méthode sur un modèle d'allocation dans lequel les postes d'amarrage sont considérés discrets, l'arrivée des navires est dynamique et finalement les temps de manutention dépendent des postes d'amarrage où les bateaux vont être amarrés. Les résultats expérimentaux des tests sur un ensemble d'instances artificielles indiquent que la méthode proposée permet de fournir une solution optimale ou proche de l'optimalité même pour des problème de très grandes tailles en seulement quelques minutes.

Non invasive classification system of scoliosis curve types using least-squares support vector machines

Objective To determine scoliosis curve types using non invasive surface acquisition, without prior knowledge from X-ray data. Methods Classification of scoliosis deformities according to curve type is used in the clinical management of scoliotic patients. In this work, we propose a robust system that can determine the scoliosis curve type from non invasive acquisition of the 3D back surface of the patients. The 3D image of the surface of the trunk is divided into patches and local geometric descriptors characterizing the back surface are computed from each patch and constitute the features. We reduce the dimensionality by using principal component analysis and retain 53 components using an overlap criterion combined with the total variance in the observed variables. In this work, a multi-class classifier is built with least-squares support vector machines (LS-SVM). The original LS-SVM formulation was modified by weighting the positive and negative samples differently and a new kernel was designed in order to achieve a robust classifier. The proposed system is validated using data from 165 patients with different scoliosis curve types. The results of our non invasive classification were compared with those obtained by an expert using X-ray images. Results The average rate of successful classification was computed using a leave-one-out cross-validation procedure. The overall accuracy of the system was 95%. As for the correct classification rates per class, we obtained 96%, 84% and 97% for the thoracic, double major and lumbar/thoracolumbar curve types, respectively. Conclusion This study shows that it is possible to find a relationship between the internal deformity and the back surface deformity in scoliosis with machine learning methods. The proposed system uses non invasive surface acquisition, which is safe for the patient as it involves no radiation. Also, the design of a specific kernel improved classification performance.

Single Frame Image Super Resolution Using Learned Directionlets

In this paper, a new directionally adaptive, learning based, single image super resolution method using multiple direction wavelet transform, called Directionlets is presented. This method uses directionlets to effectively capture directional features and to extract edge information along different directions of a set of available high resolution images .This information is used as the training set for super resolving a low resolution input image and the Directionlet coefficients at finer scales of its high-resolution image are learned locally from this training set and the inverse Directionlet transform recovers the super-resolved high resolution image. The simulation results showed that the proposed approach outperforms standard interpolation techniques like Cubic spline interpolation as well as standard Wavelet-based learning, both visually and in terms of the mean squared error (mse) values. This method gives good result with aliased images also.

Adaptive Real-time Anomaly-based Intrusion Detection using Data Mining and Machine Learning Techniques

Die zunehmende Vernetzung der Informations- und Kommunikationssysteme führt zu einer weiteren Erhöhung der Komplexität und damit auch zu einer weiteren Zunahme von Sicherheitslücken. Klassische Schutzmechanismen wie Firewall-Systeme und Anti-Malware-Lösungen bieten schon lange keinen Schutz mehr vor Eindringversuchen in IT-Infrastrukturen. Als ein sehr wirkungsvolles Instrument zum Schutz gegenüber Cyber-Attacken haben sich hierbei die Intrusion Detection Systeme (IDS) etabliert. Solche Systeme sammeln und analysieren Informationen von Netzwerkkomponenten und Rechnern, um ungewöhnliches Verhalten und Sicherheitsverletzungen automatisiert festzustellen. Während signatur-basierte Ansätze nur bereits bekannte Angriffsmuster detektieren können, sind anomalie-basierte IDS auch in der Lage, neue bisher unbekannte Angriffe (Zero-Day-Attacks) frühzeitig zu erkennen. Das Kernproblem von Intrusion Detection Systeme besteht jedoch in der optimalen Verarbeitung der gewaltigen Netzdaten und der Entwicklung eines in Echtzeit arbeitenden adaptiven Erkennungsmodells. Um diese Herausforderungen lösen zu können, stellt diese Dissertation ein Framework bereit, das aus zwei Hauptteilen besteht. Der erste Teil, OptiFilter genannt, verwendet ein dynamisches "Queuing Concept", um die zahlreich anfallenden Netzdaten weiter zu verarbeiten, baut fortlaufend Netzverbindungen auf, und exportiert strukturierte Input-Daten für das IDS. Den zweiten Teil stellt ein adaptiver Klassifikator dar, der ein Klassifikator-Modell basierend auf "Enhanced Growing Hierarchical Self Organizing Map" (EGHSOM), ein Modell für Netzwerk Normalzustand (NNB) und ein "Update Model" umfasst. In dem OptiFilter werden Tcpdump und SNMP traps benutzt, um die Netzwerkpakete und Hostereignisse fortlaufend zu aggregieren. Diese aggregierten Netzwerkpackete und Hostereignisse werden weiter analysiert und in Verbindungsvektoren umgewandelt. Zur Verbesserung der Erkennungsrate des adaptiven Klassifikators wird das künstliche neuronale Netz GHSOM intensiv untersucht und wesentlich weiterentwickelt. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen und diskutiert. So wird eine classification-confidence margin threshold definiert, um die unbekannten bösartigen Verbindungen aufzudecken, die Stabilität der Wachstumstopologie durch neuartige Ansätze für die Initialisierung der Gewichtvektoren und durch die Stärkung der Winner Neuronen erhöht, und ein selbst-adaptives Verfahren eingeführt, um das Modell ständig aktualisieren zu können. Darüber hinaus besteht die Hauptaufgabe des NNB-Modells in der weiteren Untersuchung der erkannten unbekannten Verbindungen von der EGHSOM und der Überprüfung, ob sie normal sind. Jedoch, ändern sich die Netzverkehrsdaten wegen des Concept drif Phänomens ständig, was in Echtzeit zur Erzeugung nicht stationärer Netzdaten führt. Dieses Phänomen wird von dem Update-Modell besser kontrolliert. Das EGHSOM-Modell kann die neuen Anomalien effektiv erkennen und das NNB-Model passt die Änderungen in Netzdaten optimal an. Bei den experimentellen Untersuchungen hat das Framework erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt. Im ersten Experiment wurde das Framework in Offline-Betriebsmodus evaluiert. Der OptiFilter wurde mit offline-, synthetischen- und realistischen Daten ausgewertet. Der adaptive Klassifikator wurde mit dem 10-Fold Cross Validation Verfahren evaluiert, um dessen Genauigkeit abzuschätzen. Im zweiten Experiment wurde das Framework auf einer 1 bis 10 GB Netzwerkstrecke installiert und im Online-Betriebsmodus in Echtzeit ausgewertet. Der OptiFilter hat erfolgreich die gewaltige Menge von Netzdaten in die strukturierten Verbindungsvektoren umgewandelt und der adaptive Klassifikator hat sie präzise klassifiziert. Die Vergleichsstudie zwischen dem entwickelten Framework und anderen bekannten IDS-Ansätzen zeigt, dass der vorgeschlagene IDSFramework alle anderen Ansätze übertrifft. Dies lässt sich auf folgende Kernpunkte zurückführen: Bearbeitung der gesammelten Netzdaten, Erreichung der besten Performanz (wie die Gesamtgenauigkeit), Detektieren unbekannter Verbindungen und Entwicklung des in Echtzeit arbeitenden Erkennungsmodells von Eindringversuchen.

Automatic Analysis and Synthesis of Controllers for Dynamical Systems Based On P

I present a novel design methodology for the synthesis of automatic controllers, together with a computational environment---the Control Engineer's Workbench---integrating a suite of programs that automatically analyze and design controllers for high-performance, global control of nonlinear systems. This work demonstrates that difficult control synthesis tasks can be automated, using programs that actively exploit and efficiently represent knowledge of nonlinear dynamics and phase space and effectively use the representation to guide and perform the control design. The Control Engineer's Workbench combines powerful numerical and symbolic computations with artificial intelligence reasoning techniques. As a demonstration, the Workbench automatically designed a high-quality maglev controller that outperforms a previous linear design by a factor of 20.

Automated Reasoning About Classical Mechanics

In recent years, researchers in artificial intelligence have become interested in replicating human physical reasoning talents in computers. One of the most important skills in this area is predicting how physical systems will behave. This thesis discusses an implemented program that generates algebraic descriptions of how systems of rigid bodies evolve over time. Discussion about the design of this program identifies a physical reasoning paradigm and knowledge representation approach based on mathematical model construction and algebraic reasoning. This paradigm offers several advantages over methods that have become popular in the field, and seems promising for reasoning about a wide variety of classical mechanics problems.

Reinforcement Learning by Policy Search

One objective of artificial intelligence is to model the behavior of an intelligent agent interacting with its environment. The environment's transformations can be modeled as a Markov chain, whose state is partially observable to the agent and affected by its actions; such processes are known as partially observable Markov decision processes (POMDPs). While the environment's dynamics are assumed to obey certain rules, the agent does not know them and must learn. In this dissertation we focus on the agent's adaptation as captured by the reinforcement learning framework. This means learning a policy---a mapping of observations into actions---based on feedback from the environment. The learning can be viewed as browsing a set of policies while evaluating them by trial through interaction with the environment. The set of policies is constrained by the architecture of the agent's controller. POMDPs require a controller to have a memory. We investigate controllers with memory, including controllers with external memory, finite state controllers and distributed controllers for multi-agent systems. For these various controllers we work out the details of the algorithms which learn by ascending the gradient of expected cumulative reinforcement. Building on statistical learning theory and experiment design theory, a policy evaluation algorithm is developed for the case of experience re-use. We address the question of sufficient experience for uniform convergence of policy evaluation and obtain sample complexity bounds for various estimators. Finally, we demonstrate the performance of the proposed algorithms on several domains, the most complex of which is simulated adaptive packet routing in a telecommunication network.

A Note on the Generalization Performance of Kernel Classifiers with Margin

We present distribution independent bounds on the generalization misclassification performance of a family of kernel classifiers with margin. Support Vector Machine classifiers (SVM) stem out of this class of machines. The bounds are derived through computations of the $V_gamma$ dimension of a family of loss functions where the SVM one belongs to. Bounds that use functions of margin distributions (i.e. functions of the slack variables of SVM) are derived.

Learning-Based Approach to Real Time Tracking and Analysis of Faces

This paper describes a trainable system capable of tracking faces and facialsfeatures like eyes and nostrils and estimating basic mouth features such as sdegrees of openness and smile in real time. In developing this system, we have addressed the twin issues of image representation and algorithms for learning. We have used the invariance properties of image representations based on Haar wavelets to robustly capture various facial features. Similarly, unlike previous approaches this system is entirely trained using examples and does not rely on a priori (hand-crafted) models of facial features based on optical flow or facial musculature. The system works in several stages that begin with face detection, followed by localization of facial features and estimation of mouth parameters. Each of these stages is formulated as a problem in supervised learning from examples. We apply the new and robust technique of support vector machines (SVM) for classification in the stage of skin segmentation, face detection and eye detection. Estimation of mouth parameters is modeled as a regression from a sparse subset of coefficients (basis functions) of an overcomplete dictionary of Haar wavelets.

Probabilistic Independence Networks for Hidden Markov Probability Models

Graphical techniques for modeling the dependencies of randomvariables have been explored in a variety of different areas includingstatistics, statistical physics, artificial intelligence, speech recognition, image processing, and genetics.Formalisms for manipulating these models have been developedrelatively independently in these research communities. In this paper weexplore hidden Markov models (HMMs) and related structures within the general framework of probabilistic independencenetworks (PINs). The paper contains a self-contained review of the basic principles of PINs.It is shown that the well-known forward-backward (F-B) and Viterbialgorithms for HMMs are special cases of more general inference algorithms forarbitrary PINs. Furthermore, the existence of inference and estimationalgorithms for more general graphical models provides a set of analysistools for HMM practitioners who wish to explore a richer class of HMMstructures.Examples of relatively complex models to handle sensorfusion and coarticulationin speech recognitionare introduced and treated within the graphical model framework toillustrate the advantages of the general approach.

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.

The Unsupervised Acquisition of a Lexicon from Continuous Speech

We present an unsupervised learning algorithm that acquires a natural-language lexicon from raw speech. The algorithm is based on the optimal encoding of symbol sequences in an MDL framework, and uses a hierarchical representation of language that overcomes many of the problems that have stymied previous grammar-induction procedures. The forward mapping from symbol sequences to the speech stream is modeled using features based on articulatory gestures. We present results on the acquisition of lexicons and language models from raw speech, text, and phonetic transcripts, and demonstrate that our algorithm compares very favorably to other reported results with respect to segmentation performance and statistical efficiency.