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.

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.

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

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.

Learning in neural networks and stochastic approximation methods with averaging

The problem of adjusting the weights (learning) in multilayer feedforward neural networks (NN) is known to be of a high importance when utilizing NN techniques in various practical applications. The learning procedure is to be performed as fast as possible and in a simple computational fashion, the two requirements which are usually not satisfied practically by the methods developed so far. Moreover, the presence of random inaccuracies are usually not taken into account. In view of these three issues, an alternative stochastic approximation approach discussed in the paper, seems to be very promising.

Visual feedback control of a robot in an unknown environment (learning control using neural networks)

In this paper, a visual feedback control approach based on neural networks is presented for a robot with a camera installed on its end-effector to trace an object in an unknown environment. First, the one-to-one mapping relations between the image feature domain of the object to the joint angle domain of the robot are derived. Second, a method is proposed to generate a desired trajectory of the robot by measuring the image feature parameters of the object. Third, a multilayer neural network is used for off-line learning of the mapping relations so as to produce on-line the reference inputs for the robot. Fourth, a learning controller based on a multilayer neural network is designed for realizing the visual feedback control of the robot. Last, the effectiveness of the present approach is verified by tracing a curved line using a 6-degrees-of-freedom robot with a CCD camera installed on its end-effector. The present approach does not necessitate the tedious calibration of the CCD camera and the complicated coordinate transformations.

A neural networks learning algorithm for minor component analysis and its convergence analysis

The eigenvector associated with the smallest eigenvalue of the autocorrelation matrix of input signals is called minor component. Minor component analysis (MCA) is a statistical approach for extracting minor component from input signals and has been applied in many fields of signal processing and data analysis. In this letter, we propose a neural networks learning algorithm for estimating adaptively minor component from input signals. Dynamics of the proposed algorithm are analyzed via a deterministic discrete time (DDT) method. Some sufficient conditions are obtained to guarantee convergence of the proposed algorithm.

A Learning Function for Parameter Reduction in Spiking Neural Networks with Radial Basis Function

Spiking neural networks - networks that encode information in the timing of spikes - are arising as a new approach in the artificial neural networks paradigm, emergent from cognitive science. One of these new models is the pulsed neural network with radial basis function, a network able to store information in the axonal propagation delay of neurons. Learning algorithms have been proposed to this model looking for mapping input pulses into output pulses. Recently, a new method was proposed to encode constant data into a temporal sequence of spikes, stimulating deeper studies in order to establish abilities and frontiers of this new approach. However, a well known problem of this kind of network is the high number of free parameters - more that 15 - to be properly configured or tuned in order to allow network convergence. This work presents for the first time a new learning function for this network training that allow the automatic configuration of one of the key network parameters: the synaptic weight decreasing factor.

Segmentazione e categorizzazione di oggetti mediante immagini depth e deep learning

Questo lavoro è iniziato con uno studio teorico delle principali tecniche di classificazione di immagini note in letteratura, con particolare attenzione ai più diffusi modelli di rappresentazione dell’immagine, quali il modello Bag of Visual Words, e ai principali strumenti di Apprendimento Automatico (Machine Learning). In seguito si è focalizzata l’attenzione sulla analisi di ciò che costituisce lo stato dell’arte per la classificazione delle immagini, ovvero il Deep Learning. Per sperimentare i vantaggi dell’insieme di metodologie di Image Classification, si è fatto uso di Torch7, un framework di calcolo numerico, utilizzabile mediante il linguaggio di scripting Lua, open source, con ampio supporto alle metodologie allo stato dell’arte di Deep Learning. Tramite Torch7 è stata implementata la vera e propria classificazione di immagini poiché questo framework, grazie anche al lavoro di analisi portato avanti da alcuni miei colleghi in precedenza, è risultato essere molto efficace nel categorizzare oggetti in immagini. Le immagini su cui si sono basati i test sperimentali, appartengono a un dataset creato ad hoc per il sistema di visione 3D con la finalità di sperimentare il sistema per individui ipovedenti e non vedenti; in esso sono presenti alcuni tra i principali ostacoli che un ipovedente può incontrare nella propria quotidianità. In particolare il dataset si compone di potenziali ostacoli relativi a una ipotetica situazione di utilizzo all’aperto. Dopo avere stabilito dunque che Torch7 fosse il supporto da usare per la classificazione, l’attenzione si è concentrata sulla possibilità di sfruttare la Visione Stereo per aumentare l’accuratezza della classificazione stessa. Infatti, le immagini appartenenti al dataset sopra citato sono state acquisite mediante una Stereo Camera con elaborazione su FPGA sviluppata dal gruppo di ricerca presso il quale è stato svolto questo lavoro. Ciò ha permesso di utilizzare informazioni di tipo 3D, quali il livello di depth (profondità) di ogni oggetto appartenente all’immagine, per segmentare, attraverso un algoritmo realizzato in C++, gli oggetti di interesse, escludendo il resto della scena. L’ultima fase del lavoro è stata quella di testare Torch7 sul dataset di immagini, preventivamente segmentate attraverso l’algoritmo di segmentazione appena delineato, al fine di eseguire il riconoscimento della tipologia di ostacolo individuato dal sistema.

Matching Recall and Storage in Sequence Learning with Spiking Neural Networks

Storing and recalling spiking sequences is a general problem the brain needs to solve. It is, however, unclear what type of biologically plausible learning rule is suited to learn a wide class of spatiotemporal activity patterns in a robust way. Here we consider a recurrent network of stochastic spiking neurons composed of both visible and hidden neurons. We derive a generic learning rule that is matched to the neural dynamics by minimizing an upper bound on the Kullback–Leibler divergence from the target distribution to the model distribution. The derived learning rule is consistent with spike-timing dependent plasticity in that a presynaptic spike preceding a postsynaptic spike elicits potentiation while otherwise depression emerges. Furthermore, the learning rule for synapses that target visible neurons can be matched to the recently proposed voltage-triplet rule. The learning rule for synapses that target hidden neurons is modulated by a global factor, which shares properties with astrocytes and gives rise to testable predictions.