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.

Multi-view 3D reconstruction using virtual cameras

Ce mémoire s'intéresse à la reconstruction d'un modèle 3D à partir de plusieurs images. Le modèle 3D est élaboré avec une représentation hiérarchique de voxels sous la forme d'un octree. Un cube englobant le modèle 3D est calculé à partir de la position des caméras. Ce cube contient les voxels et il définit la position de caméras virtuelles. Le modèle 3D est initialisé par une enveloppe convexe basée sur la couleur uniforme du fond des images. Cette enveloppe permet de creuser la périphérie du modèle 3D. Ensuite un coût pondéré est calculé pour évaluer la qualité de chaque voxel à faire partie de la surface de l'objet. Ce coût tient compte de la similarité des pixels provenant de chaque image associée à la caméra virtuelle. Finalement et pour chacune des caméras virtuelles, une surface est calculée basée sur le coût en utilisant la méthode de SGM. La méthode SGM tient compte du voisinage lors du calcul de profondeur et ce mémoire présente une variation de la méthode pour tenir compte des voxels précédemment exclus du modèle par l'étape d'initialisation ou de creusage par une autre surface. Par la suite, les surfaces calculées sont utilisées pour creuser et finaliser le modèle 3D. Ce mémoire présente une combinaison innovante d'étapes permettant de créer un modèle 3D basé sur un ensemble d'images existant ou encore sur une suite d'images capturées en série pouvant mener à la création d'un modèle 3D en temps réel.

Theory and numerical integration of subsurface light transport

En synthèse d’images, reproduire les effets complexes de la lumière sur des matériaux transluminescents, tels que la cire, le marbre ou la peau, contribue grandement au réalisme d’une image. Malheureusement, ce réalisme supplémentaire est couteux en temps de calcul. Les modèles basés sur la théorie de la diffusion visent à réduire ce coût en simulant le comportement physique du transport de la lumière sous surfacique tout en imposant des contraintes de variation sur la lumière incidente et sortante. Une composante importante de ces modèles est leur application à évaluer hiérarchiquement l’intégrale numérique de l’illumination sur la surface d’un objet. Cette thèse révise en premier lieu la littérature actuelle sur la simulation réaliste de la transluminescence, avant d’investiguer plus en profondeur leur application et les extensions des modèles de diffusion en synthèse d’images. Ainsi, nous proposons et évaluons une nouvelle technique d’intégration numérique hiérarchique utilisant une nouvelle analyse fréquentielle de la lumière sortante et incidente pour adapter efficacement le taux d’échantillonnage pendant l’intégration. Nous appliquons cette théorie à plusieurs modèles qui correspondent à l’état de l’art en diffusion, octroyant une amélioration possible à leur efficacité et précision.

Détection de mouvement par modèle biologique de fusion de donnée inspiré de la rétine humaine

Ce mémoire s'intéresse à la détection de mouvement dans une séquence d'images acquises à l'aide d'une caméra fixe. Dans ce problème, la difficulté vient du fait que les mouvements récurrents ou non significatifs de la scène tels que les oscillations d'une branche, l'ombre d'un objet ou les remous d'une surface d'eau doivent être ignorés et classés comme appartenant aux régions statiques de la scène. La plupart des méthodes de détection de mouvement utilisées à ce jour reposent en fait sur le principe bas-niveau de la modélisation puis la soustraction de l'arrière-plan. Ces méthodes sont simples et rapides mais aussi limitées dans les cas où l'arrière-plan est complexe ou bruité (neige, pluie, ombres, etc.). Cette recherche consiste à proposer une technique d'amélioration de ces algorithmes dont l'idée principale est d'exploiter et mimer deux caractéristiques essentielles du système de vision humain. Pour assurer une vision nette de l’objet (qu’il soit fixe ou mobile) puis l'analyser et l'identifier, l'œil ne parcourt pas la scène de façon continue, mais opère par une série de ``balayages'' ou de saccades autour (des points caractéristiques) de l'objet en question. Pour chaque fixation pendant laquelle l'œil reste relativement immobile, l'image est projetée au niveau de la rétine puis interprétée en coordonnées log polaires dont le centre est l'endroit fixé par l'oeil. Les traitements bas-niveau de détection de mouvement doivent donc s'opérer sur cette image transformée qui est centrée pour un point (de vue) particulier de la scène. L'étape suivante (intégration trans-saccadique du Système Visuel Humain (SVH)) consiste ensuite à combiner ces détections de mouvement obtenues pour les différents centres de cette transformée pour fusionner les différentes interprétations visuelles obtenues selon ses différents points de vue.

Relating Dependent Terms in Information Retrieval

Les moteurs de recherche font partie de notre vie quotidienne. Actuellement, plus d’un tiers de la population mondiale utilise l’Internet. Les moteurs de recherche leur permettent de trouver rapidement les informations ou les produits qu'ils veulent. La recherche d'information (IR) est le fondement de moteurs de recherche modernes. Les approches traditionnelles de recherche d'information supposent que les termes d'indexation sont indépendants. Pourtant, les termes qui apparaissent dans le même contexte sont souvent dépendants. L’absence de la prise en compte de ces dépendances est une des causes de l’introduction de bruit dans le résultat (résultat non pertinents). Certaines études ont proposé d’intégrer certains types de dépendance, tels que la proximité, la cooccurrence, la contiguïté et de la dépendance grammaticale. Dans la plupart des cas, les modèles de dépendance sont construits séparément et ensuite combinés avec le modèle traditionnel de mots avec une importance constante. Par conséquent, ils ne peuvent pas capturer correctement la dépendance variable et la force de dépendance. Par exemple, la dépendance entre les mots adjacents "Black Friday" est plus importante que celle entre les mots "road constructions". Dans cette thèse, nous étudions différentes approches pour capturer les relations des termes et de leurs forces de dépendance. Nous avons proposé des méthodes suivantes: ─ Nous réexaminons l'approche de combinaison en utilisant différentes unités d'indexation pour la RI monolingue en chinois et la RI translinguistique entre anglais et chinois. En plus d’utiliser des mots, nous étudions la possibilité d'utiliser bi-gramme et uni-gramme comme unité de traduction pour le chinois. Plusieurs modèles de traduction sont construits pour traduire des mots anglais en uni-grammes, bi-grammes et mots chinois avec un corpus parallèle. Une requête en anglais est ensuite traduite de plusieurs façons, et un score classement est produit avec chaque traduction. Le score final de classement combine tous ces types de traduction. Nous considérons la dépendance entre les termes en utilisant la théorie d’évidence de Dempster-Shafer. Une occurrence d'un fragment de texte (de plusieurs mots) dans un document est considérée comme représentant l'ensemble de tous les termes constituants. La probabilité est assignée à un tel ensemble de termes plutôt qu’a chaque terme individuel. Au moment d’évaluation de requête, cette probabilité est redistribuée aux termes de la requête si ces derniers sont différents. Cette approche nous permet d'intégrer les relations de dépendance entre les termes. Nous proposons un modèle discriminant pour intégrer les différentes types de dépendance selon leur force et leur utilité pour la RI. Notamment, nous considérons la dépendance de contiguïté et de cooccurrence à de différentes distances, c’est-à-dire les bi-grammes et les paires de termes dans une fenêtre de 2, 4, 8 et 16 mots. Le poids d’un bi-gramme ou d’une paire de termes dépendants est déterminé selon un ensemble des caractères, en utilisant la régression SVM. Toutes les méthodes proposées sont évaluées sur plusieurs collections en anglais et/ou chinois, et les résultats expérimentaux montrent que ces méthodes produisent des améliorations substantielles sur l'état de l'art.

Analyse de maillages surfaciques par construction et comparaison de modèles moyens et par décomposition par graphes s’appuyant sur les courbures discrètes : application à l’étude de la cornée humaine

Réalisé en cotutelle avec Aix Marseille Université.

A Cryptosystem Using the Concepts of Algebraic Geometric Code

Cryptosystem using linear codes was developed in 1978 by Mc-Eliece. Later in 1985 Niederreiter and others developed a modified version of cryptosystem using concepts of linear codes. But these systems were not used frequently because of its larger key size. In this study we were designing a cryptosystem using the concepts of algebraic geometric codes with smaller key size. Error detection and correction can be done efficiently by simple decoding methods using the cryptosystem developed. Approach: Algebraic geometric codes are codes, generated using curves. The cryptosystem use basic concepts of elliptic curves cryptography and generator matrix. Decrypted information takes the form of a repetition code. Due to this complexity of decoding procedure is reduced. Error detection and correction can be carried out efficiently by solving a simple system of linear equations, there by imposing the concepts of security along with error detection and correction. Results: Implementation of the algorithm is done on MATLAB and comparative analysis is also done on various parameters of the system. Attacks are common to all cryptosystems. But by securely choosing curve, field and representation of elements in field, we can overcome the attacks and a stable system can be generated. Conclusion: The algorithm defined here protects the information from an intruder and also from the error in communication channel by efficient error correction methods.

Data Security in Fault Tolerant Hard Real Time Systems- Use of Time Dependant Multiple Random Cipher Code

The present research problem is to study the existing encryption methods and to develop a new technique which is performance wise superior to other existing techniques and at the same time can be very well incorporated in the communication channels of Fault Tolerant Hard Real time systems along with existing Error Checking / Error Correcting codes, so that the intention of eaves dropping can be defeated. There are many encryption methods available now. Each method has got it's own merits and demerits. Similarly, many crypt analysis techniques which adversaries use are also available.

Efficient Transmitter/Receiver Architectures for High Performance Wireless Applications

The thesis focuses on efficient design methods and reconfiguration architectures suitable for higher performance wireless communication .The work presented in this thesis describes the development of compact,inexpensive and low power communication devices that are robust,testable and capable of handling multiple communication standards.A new multistandard Decimation Filter Design Toolbox is developed in MATLAB GUIDE environment.RNS based dual-mode decimation filters reconfigurable for WCDMA/WiMAX and WCDMA/WLANa standards are designed and implemented.It offers high speed operation with lesser area requirement and lower dynamic power dissipation.A novel sigma-delta based direct analog-to-residue converter that reduces the complexity of RNS conversion circuitry is presented.The performance of an OFDM communication system with a new RRNS-convolutional concatenated coding is analysed and improved BER performance is obtained under different channel conditions. Easily testable MAC units for filters are presented using Reed-Muller logic for realization.

Energy-Efficient Cluster based Routing Schemes for Static and Mobile Sensor Networks

The theme of the thesis is centred around one important aspect of wireless sensor networks; the energy-efficiency.The limited energy source of the sensor nodes calls for design of energy-efficient routing protocols. The schemes for protocol design should try to minimize the number of communications among the nodes to save energy. Cluster based techniques were found energy-efficient. In this method clusters are formed and data from different nodes are collected under a cluster head belonging to each clusters and then forwarded it to the base station.Appropriate cluster head selection process and generation of desirable distribution of the clusters can reduce energy consumption of the network and prolong the network lifetime. In this work two such schemes were developed for static wireless sensor networks.In the first scheme, the energy wastage due to cluster rebuilding incorporating all the nodes were addressed. A tree based scheme is presented to alleviate this problem by rebuilding only sub clusters of the network. An analytical model of energy consumption of proposed scheme is developed and the scheme is compared with existing cluster based scheme. The simulation study proved the energy savings observed.The second scheme concentrated to build load-balanced energy efficient clusters to prolong the lifetime of the network. A voting based approach to utilise the neighbor node information in the cluster head selection process is proposed. The number of nodes joining a cluster is restricted to have equal sized optimum clusters. Multi-hop communication among the cluster heads is also introduced to reduce the energy consumption. The simulation study has shown that the scheme results in balanced clusters and the network achieves reduction in energy consumption.The main conclusion from the study was the routing scheme should pay attention on successful data delivery from node to base station in addition to the energy-efficiency. The cluster based protocols are extended from static scenario to mobile scenario by various authors. None of the proposals addresses cluster head election appropriately in view of mobility. An elegant scheme for electing cluster heads is presented to meet the challenge of handling cluster durability when all the nodes in the network are moving. The scheme has been simulated and compared with a similar approach.The proliferation of sensor networks enables users with large set of sensor information to utilise them in various applications. The sensor network programming is inherently difficult due to various reasons. There must be an elegant way to collect the data gathered by sensor networks with out worrying about the underlying structure of the network. The final work presented addresses a way to collect data from a sensor network and present it to the users in a flexible way.A service oriented architecture based application is built and data collection task is presented as a web service. This will enable composition of sensor data from different sensor networks to build interesting applications. The main objective of the thesis was to design energy-efficient routing schemes for both static as well as mobile sensor networks. A progressive approach was followed to achieve this goal.

Design and synthesis of efficient mac architectures for high speed decimal processor

Most of the commercial and financial data are stored in decimal fonn. Recently, support for decimal arithmetic has received increased attention due to the growing importance in financial analysis, banking, tax calculation, currency conversion, insurance, telephone billing and accounting. Performing decimal arithmetic with systems that do not support decimal computations may give a result with representation error, conversion error, and/or rounding error. In this world of precision, such errors are no more tolerable. The errors can be eliminated and better accuracy can be achieved if decimal computations are done using Decimal Floating Point (DFP) units. But the floating-point arithmetic units in today's general-purpose microprocessors are based on the binary number system, and the decimal computations are done using binary arithmetic. Only few common decimal numbers can be exactly represented in Binary Floating Point (BF P). ln many; cases, the law requires that results generated from financial calculations performed on a computer should exactly match with manual calculations. Currently many applications involving fractional decimal data perform decimal computations either in software or with a combination of software and hardware. The performance can be dramatically improved by complete hardware DFP units and this leads to the design of processors that include DF P hardware.VLSI implementations using same modular building blocks can decrease system design and manufacturing cost. A multiplexer realization is a natural choice from the viewpoint of cost and speed.This thesis focuses on the design and synthesis of efficient decimal MAC (Multiply ACeumulate) architecture for high speed decimal processors based on IEEE Standard for Floating-point Arithmetic (IEEE 754-2008). The research goal is to design and synthesize deeimal'MAC architectures to achieve higher performance.Efficient design methods and architectures are developed for a high performance DFP MAC unit as part of this research.

Design and Development of data mining models for the predictions of manpower placement in the technical Domain

Data mining is one of the hottest research areas nowadays as it has got wide variety of applications in common man’s life to make the world a better place to live. It is all about finding interesting hidden patterns in a huge history data base. As an example, from a sales data base, one can find an interesting pattern like “people who buy magazines tend to buy news papers also” using data mining. Now in the sales point of view the advantage is that one can place these things together in the shop to increase sales. In this research work, data mining is effectively applied to a domain called placement chance prediction, since taking wise career decision is so crucial for anybody for sure. In India technical manpower analysis is carried out by an organization named National Technical Manpower Information System (NTMIS), established in 1983-84 by India's Ministry of Education & Culture. The NTMIS comprises of a lead centre in the IAMR, New Delhi, and 21 nodal centres located at different parts of the country. The Kerala State Nodal Centre is located at Cochin University of Science and Technology. In Nodal Centre, they collect placement information by sending postal questionnaire to passed out students on a regular basis. From this raw data available in the nodal centre, a history data base was prepared. Each record in this data base includes entrance rank ranges, reservation, Sector, Sex, and a particular engineering. From each such combination of attributes from the history data base of student records, corresponding placement chances is computed and stored in the history data base. From this data, various popular data mining models are built and tested. These models can be used to predict the most suitable branch for a particular new student with one of the above combination of criteria. Also a detailed performance comparison of the various data mining models is done.This research work proposes to use a combination of data mining models namely a hybrid stacking ensemble for better predictions. A strategy to predict the overall absorption rate for various branches as well as the time it takes for all the students of a particular branch to get placed etc are also proposed. Finally, this research work puts forward a new data mining algorithm namely C 4.5 * stat for numeric data sets which has been proved to have competent accuracy over standard benchmarking data sets called UCI data sets. It also proposes an optimization strategy called parameter tuning to improve the standard C 4.5 algorithm. As a summary this research work passes through all four dimensions for a typical data mining research work, namely application to a domain, development of classifier models, optimization and ensemble methods.

Design And Development Of A Named Entity Based Question Answering System For Malayalam Language

This is a Named Entity Based Question Answering System for Malayalam Language. Although a vast amount of information is available today in digital form, no effective information access mechanism exists to provide humans with convenient information access. Information Retrieval and Question Answering systems are the two mechanisms available now for information access. Information systems typically return a long list of documents in response to a user’s query which are to be skimmed by the user to determine whether they contain an answer. But a Question Answering System allows the user to state his/her information need as a natural language question and receives most appropriate answer in a word or a sentence or a paragraph. This system is based on Named Entity Tagging and Question Classification. Document tagging extracts useful information from the documents which will be used in finding the answer to the question. Question Classification extracts useful information from the question to determine the type of the question and the way in which the question is to be answered. Various Machine Learning methods are used to tag the documents. Rule-Based Approach is used for Question Classification. Malayalam belongs to the Dravidian family of languages and is one of the four major languages of this family. It is one of the 22 Scheduled Languages of India with official language status in the state of Kerala. It is spoken by 40 million people. Malayalam is a morphologically rich agglutinative language and relatively of free word order. Also Malayalam has a productive morphology that allows the creation of complex words which are often highly ambiguous. Document tagging tools such as Parts-of-Speech Tagger, Phrase Chunker, Named Entity Tagger, and Compound Word Splitter are developed as a part of this research work. No such tools were available for Malayalam language. Finite State Transducer, High Order Conditional Random Field, Artificial Immunity System Principles, and Support Vector Machines are the techniques used for the design of these document preprocessing tools. This research work describes how the Named Entity is used to represent the documents. Single sentence questions are used to test the system. Overall Precision and Recall obtained are 88.5% and 85.9% respectively. This work can be extended in several directions. The coverage of non-factoid questions can be increased and also it can be extended to include open domain applications. Reference Resolution and Word Sense Disambiguation techniques are suggested as the future enhancements

A Sub-block Based Image Retrieval Using Modified Integrated Region Matching.

This paper proposes a content based image retrieval (CBIR) system using the local colour and texture features of selected image sub-blocks and global colour and shape features of the image. The image sub-blocks are roughly identified by segmenting the image into partitions of different configuration, finding the edge density in each partition using edge thresholding, morphological dilation. The colour and texture features of the identified regions are computed from the histograms of the quantized HSV colour space and Gray Level Co- occurrence Matrix (GLCM) respectively. A combined colour and texture feature vector is computed for each region. The shape features are computed from the Edge Histogram Descriptor (EHD). A modified Integrated Region Matching (IRM) algorithm is used for finding the minimum distance between the sub-blocks of the query and target image. Experimental results show that the proposed method provides better retrieving result than retrieval using some of the existing methods