Leveraging noisy side information for disentangling of factors of variation in a supervised setting

Ce mémoire est composé de trois articles et présente les résultats de travaux de recherche effectués dans le but d'améliorer les techniques actuelles permettant d'utiliser des données associées à certaines tâches dans le but d'aider à l'entraînement de réseaux de neurones sur une tâche différente. Les deux premiers articles présentent de nouveaux ensembles de données créés pour permettre une meilleure évaluation de ce type de techniques d'apprentissage machine. Le premier article introduit une suite d'ensembles de données pour la tâche de reconnaissance automatique de chiffres écrits à la main. Ces ensembles de données ont été générés à partir d'un ensemble de données déjà existant, MNIST, auquel des nouveaux facteurs de variation ont été ajoutés. Le deuxième article introduit un ensemble de données pour la tâche de reconnaissance automatique d'expressions faciales. Cet ensemble de données est composé d'images de visages qui ont été collectées automatiquement à partir du Web et ensuite étiquetées. Le troisième et dernier article présente deux nouvelles approches, dans le contexte de l'apprentissage multi-tâches, pour tirer avantage de données pour une tâche donnée afin d'améliorer les performances d'un modèle sur une tâche différente. La première approche est une généralisation des neurones Maxout récemment proposées alors que la deuxième consiste en l'application dans un contexte supervisé d'une technique permettant d'inciter des neurones à apprendre des fonctions orthogonales, à l'origine proposée pour utilisation dans un contexte semi-supervisé.

Video-based analysis of Gait pathologies

L’analyse de la marche a émergé comme l’un des domaines médicaux le plus im- portants récemment. Les systèmes à base de marqueurs sont les méthodes les plus fa- vorisées par l’évaluation du mouvement humain et l’analyse de la marche, cependant, ces systèmes nécessitent des équipements et de l’expertise spécifiques et sont lourds, coûteux et difficiles à utiliser. De nombreuses approches récentes basées sur la vision par ordinateur ont été développées pour réduire le coût des systèmes de capture de mou- vement tout en assurant un résultat de haute précision. Dans cette thèse, nous présentons notre nouveau système d’analyse de la démarche à faible coût, qui est composé de deux caméras vidéo monoculaire placées sur le côté gauche et droit d’un tapis roulant. Chaque modèle 2D de la moitié du squelette humain est reconstruit à partir de chaque vue sur la base de la segmentation dynamique de la couleur, l’analyse de la marche est alors effectuée sur ces deux modèles. La validation avec l’état de l’art basée sur la vision du système de capture de mouvement (en utilisant le Microsoft Kinect) et la réalité du ter- rain (avec des marqueurs) a été faite pour démontrer la robustesse et l’efficacité de notre système. L’erreur moyenne de l’estimation du modèle de squelette humain par rapport à la réalité du terrain entre notre méthode vs Kinect est très prometteur: les joints des angles de cuisses (6,29◦ contre 9,68◦), jambes (7,68◦ contre 11,47◦), pieds (6,14◦ contre 13,63◦), la longueur de la foulée (6.14cm rapport de 13.63cm) sont meilleurs et plus stables que ceux de la Kinect, alors que le système peut maintenir une précision assez proche de la Kinect pour les bras (7,29◦ contre 6,12◦), les bras inférieurs (8,33◦ contre 8,04◦), et le torse (8,69◦contre 6,47◦). Basé sur le modèle de squelette obtenu par chaque méthode, nous avons réalisé une étude de symétrie sur différentes articulations (coude, genou et cheville) en utilisant chaque méthode sur trois sujets différents pour voir quelle méthode permet de distinguer plus efficacement la caractéristique symétrie / asymétrie de la marche. Dans notre test, notre système a un angle de genou au maximum de 8,97◦ et 13,86◦ pour des promenades normale et asymétrique respectivement, tandis que la Kinect a donné 10,58◦et 11,94◦. Par rapport à la réalité de terrain, 7,64◦et 14,34◦, notre système a montré une plus grande précision et pouvoir discriminant entre les deux cas.

Apprentissage des réseaux de neurones profonds et applications en traitement automatique de la langue naturelle

En apprentissage automatique, domaine qui consiste à utiliser des données pour apprendre une solution aux problèmes que nous voulons confier à la machine, le modèle des Réseaux de Neurones Artificiels (ANN) est un outil précieux. Il a été inventé voilà maintenant près de soixante ans, et pourtant, il est encore de nos jours le sujet d'une recherche active. Récemment, avec l'apprentissage profond, il a en effet permis d'améliorer l'état de l'art dans de nombreux champs d'applications comme la vision par ordinateur, le traitement de la parole et le traitement des langues naturelles. La quantité toujours grandissante de données disponibles et les améliorations du matériel informatique ont permis de faciliter l'apprentissage de modèles à haute capacité comme les ANNs profonds. Cependant, des difficultés inhérentes à l'entraînement de tels modèles, comme les minima locaux, ont encore un impact important. L'apprentissage profond vise donc à trouver des solutions, en régularisant ou en facilitant l'optimisation. Le pré-entraînnement non-supervisé, ou la technique du ``Dropout'', en sont des exemples. Les deux premiers travaux présentés dans cette thèse suivent cette ligne de recherche. Le premier étudie les problèmes de gradients diminuants/explosants dans les architectures profondes. Il montre que des choix simples, comme la fonction d'activation ou l'initialisation des poids du réseaux, ont une grande influence. Nous proposons l'initialisation normalisée pour faciliter l'apprentissage. Le second se focalise sur le choix de la fonction d'activation et présente le rectifieur, ou unité rectificatrice linéaire. Cette étude a été la première à mettre l'accent sur les fonctions d'activations linéaires par morceaux pour les réseaux de neurones profonds en apprentissage supervisé. Aujourd'hui, ce type de fonction d'activation est une composante essentielle des réseaux de neurones profonds. Les deux derniers travaux présentés se concentrent sur les applications des ANNs en traitement des langues naturelles. Le premier aborde le sujet de l'adaptation de domaine pour l'analyse de sentiment, en utilisant des Auto-Encodeurs Débruitants. Celui-ci est encore l'état de l'art de nos jours. Le second traite de l'apprentissage de données multi-relationnelles avec un modèle à base d'énergie, pouvant être utilisé pour la tâche de désambiguation de sens.

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.

Design and fabrication of a photothermal spectrometer and investigations of multilayer thin films"

In this work we present the results of our attempt to build a compact photothermal spectrometer capable of both manual and automated mode of operation.The salient features of the system include the ability to analyse thin film, powder and polymer samples. The tool has been in use to investigate thermal, optical and transport properties. Binary and ternary semiconducting thin films were analysed for their thermal diffusivities. The system could perform thickness measurements nondestructively. Ion implanted semiconductors are widely studied for the effect of radiation induced defects. We could perform nondestructive imaging of defects using our spectrometer.The results reported in his thesis on the above in addition to studies on In2S3 and transparent conducting oxide ZnO have been achieved with this spectrometer. Various polymer samples have been easily analysed for their thermal diffusivities. The technique provided ease of analysis not achieved with conventional techniques like TGA and DSC. Industrial application of the tool has also been proved by analyzing defects of welded joints and adhesion of paints. Indigenization of the expensive lock-in-amplifier and automation has been the significant achievement in the course of this dissertation. We are on our way to prove the noise rejection capabilities of our PC LIA.

A Beacon based Localization System for Autonomous Mobile Robots and its Applications in Traffic and Transport Control

ACCURATE sensing of vehicle position and attitude is still a very challenging problem in many mobile robot applications. The mobile robot vehicle applications must have some means of estimating where they are and in which direction they are heading. Many existing indoor positioning systems are limited in workspace and robustness because they require clear lines-of-sight or do not provide absolute, driftfree measurements.The research work presented in this dissertation provides a new approach to position and attitude sensing system designed specifically to meet the challenges of operation in a realistic, cluttered indoor environment, such as that of an office building, hospital, industrial or warehouse. This is accomplished by an innovative assembly of infrared LED source that restricts the spreading of the light intensity distribution confined to a sheet of light and is encoded with localization and traffic information. This Digital Infrared Sheet of Light Beacon (DISLiB) developed for mobile robot is a high resolution absolute localization system which is simple, fast, accurate and robust, without much of computational burden or significant processing. Most of the available beacon's performance in corridors and narrow passages are not satisfactory, whereas the performance of DISLiB is very encouraging in such situations. This research overcomes most of the inherent limitations of existing systems.The work further examines the odometric localization errors caused by over count readings of an optical encoder based odometric system in a mobile robot due to wheel-slippage and terrain irregularities. A simple and efficient method is investigated and realized using an FPGA for reducing the errors. The detection and correction is based on redundant encoder measurements. The method suggested relies on the fact that the wheel slippage or terrain irregularities cause more count readings from the encoder than what corresponds to the actual distance travelled by the vehicle.The application of encoded Digital Infrared Sheet of Light Beacon (DISLiB) system can be extended to intelligent control of the public transportation system. The system is capable of receiving traffic status input through a GSM (Global System Mobile) modem. The vehicles have infrared receivers and processors capable of decoding the information, and generating the audio and video messages to assist the driver. The thesis further examines the usefulness of the technique to assist the movement of differently-able (blind) persons in indoor or outdoor premises of his residence.The work addressed in this thesis suggests a new way forward in the development of autonomous robotics and guidance systems. However, this work can be easily extended to many other challenging domains, as well.

Studies,Design and Development of Network Security Enhancement Services Using Novel Cryptographic Algorithms

Internet today has become a vital part of day to day life, owing to the revolutionary changes it has brought about in various fields. Dependence on the Internet as an information highway and knowledge bank is exponentially increasing so that a going back is beyond imagination. Transfer of critical information is also being carried out through the Internet. This widespread use of the Internet coupled with the tremendous growth in e-commerce and m-commerce has created a vital need for infonnation security.Internet has also become an active field of crackers and intruders. The whole development in this area can become null and void if fool-proof security of the data is not ensured without a chance of being adulterated. It is, hence a challenge before the professional community to develop systems to ensure security of the data sent through the Internet.Stream ciphers, hash functions and message authentication codes play vital roles in providing security services like confidentiality, integrity and authentication of the data sent through the Internet. There are several ·such popular and dependable techniques, which have been in use widely, for quite a long time. This long term exposure makes them vulnerable to successful or near successful attempts for attacks. Hence it is the need of the hour to develop new algorithms with better security.Hence studies were conducted on various types of algorithms being used in this area. Focus was given to identify the properties imparting security at this stage. By making use of a perception derived from these studies, new algorithms were designed. Performances of these algorithms were then studied followed by necessary modifications to yield an improved system consisting of a new stream cipher algorithm MAJE4, a new hash code JERIM- 320 and a new message authentication code MACJER-320. Detailed analysis and comparison with the existing popular schemes were also carried out to establish the security levels.The Secure Socket Layer (SSL) I Transport Layer Security (TLS) protocol is one of the most widely used security protocols in Internet. The cryptographic algorithms RC4 and HMAC have been in use for achieving security services like confidentiality and authentication in the SSL I TLS. But recent attacks on RC4 and HMAC have raised questions about the reliability of these algorithms. Hence MAJE4 and MACJER-320 have been proposed as substitutes for them. Detailed studies on the performance of these new algorithms were carried out; it has been observed that they are dependable alternatives.

Content Based Image Retrieval System for Malayalam Handwritten Characters

Content Based Image Retrieval is one of the prominent areas in Computer Vision and Image Processing. Recognition of handwritten characters has been a popular area of research for many years and still remains an open problem. The proposed system uses visual image queries for retrieving similar images from database of Malayalam handwritten characters. Local Binary Pattern (LBP) descriptors of the query images are extracted and those features are compared with the features of the images in database for retrieving desired characters. This system with local binary pattern gives excellent retrieval performance

State-of-the-Art: Transformation Invariant Descriptors

As the popularity of digital videos increases, a large number illegal videos are being generated and getting published. Video copies are generated by performing various sorts of transformations on the original video data. For effectively identifying such illegal videos, the image features that are invariant to various transformations must be extracted for performing similarity matching. An image feature can be its local feature or global feature. Among them, local features are powerful and have been applied in a wide variety of computer vision aplications .This paper focuses on various recently proposed local detectors and descriptors that are invariant to a number of image transformations.

An introduction to ordinary differential equations by computer algebra-systems

We report on an elementary course in ordinary differential equations (odes) for students in engineering sciences. The course is also intended to become a self-study package for odes and is is based on several interactive computer lessons using REDUCE and MATHEMATICA . The aim of the course is not to do Computer Algebra (CA) by example or to use it for doing classroom examples. The aim ist to teach and to learn mathematics by using CA-systems.

Segmentation of Brain Tissue from Magnetic Resonance Images

Segmentation of medical imagery is a challenging problem due to the complexity of the images, as well as to the absence of models of the anatomy that fully capture the possible deformations in each structure. Brain tissue is a particularly complex structure, and its segmentation is an important step for studies in temporal change detection of morphology, as well as for 3D visualization in surgical planning. In this paper, we present a method for segmentation of brain tissue from magnetic resonance images that is a combination of three existing techniques from the Computer Vision literature: EM segmentation, binary morphology, and active contour models. Each of these techniques has been customized for the problem of brain tissue segmentation in a way that the resultant method is more robust than its components. Finally, we present the results of a parallel implementation of this method on IBM's supercomputer Power Visualization System for a database of 20 brain scans each with 256x256x124 voxels and validate those against segmentations generated by neuroanatomy experts.

Model-Based Matching by Linear Combinations of Prototypes

We describe a method for modeling object classes (such as faces) using 2D example images and an algorithm for matching a model to a novel image. The object class models are "learned'' from example images that we call prototypes. In addition to the images, the pixelwise correspondences between a reference prototype and each of the other prototypes must also be provided. Thus a model consists of a linear combination of prototypical shapes and textures. A stochastic gradient descent algorithm is used to match a model to a novel image by minimizing the error between the model and the novel image. Example models are shown as well as example matches to novel images. The robustness of the matching algorithm is also evaluated. The technique can be used for a number of applications including the computation of correspondence between novel images of a certain known class, object recognition, image synthesis and image compression.

Model-Based Matching of Line Drawings by Linear Combinations of Prototypes

We describe a technique for finding pixelwise correspondences between two images by using models of objects of the same class to guide the search. The object models are 'learned' from example images (also called prototypes) of an object class. The models consist of a linear combination ofsprototypes. The flow fields giving pixelwise correspondences between a base prototype and each of the other prototypes must be given. A novel image of an object of the same class is matched to a model by minimizing an error between the novel image and the current guess for the closest modelsimage. Currently, the algorithm applies to line drawings of objects. An extension to real grey level images is discussed.

Statistical Models for Co-occurrence Data

Modeling and predicting co-occurrences of events is a fundamental problem of unsupervised learning. In this contribution we develop a statistical framework for analyzing co-occurrence data in a general setting where elementary observations are joint occurrences of pairs of abstract objects from two finite sets. The main challenge for statistical models in this context is to overcome the inherent data sparseness and to estimate the probabilities for pairs which were rarely observed or even unobserved in a given sample set. Moreover, it is often of considerable interest to extract grouping structure or to find a hierarchical data organization. A novel family of mixture models is proposed which explain the observed data by a finite number of shared aspects or clusters. This provides a common framework for statistical inference and structure discovery and also includes several recently proposed models as special cases. Adopting the maximum likelihood principle, EM algorithms are derived to fit the model parameters. We develop improved versions of EM which largely avoid overfitting problems and overcome the inherent locality of EM--based optimization. Among the broad variety of possible applications, e.g., in information retrieval, natural language processing, data mining, and computer vision, we have chosen document retrieval, the statistical analysis of noun/adjective co-occurrence and the unsupervised segmentation of textured images to test and evaluate the proposed algorithms.

Component based recognition of objects in an office environment

We present a component-based approach for recognizing objects under large pose changes. From a set of training images of a given object we extract a large number of components which are clustered based on the similarity of their image features and their locations within the object image. The cluster centers build an initial set of component templates from which we select a subset for the final recognizer. In experiments we evaluate different sizes and types of components and three standard techniques for component selection. The component classifiers are finally compared to global classifiers on a database of four objects.