Training deep convolutional architectures for vision

Les tâches de vision artificielle telles que la reconnaissance d’objets demeurent irrésolues à ce jour. Les algorithmes d’apprentissage tels que les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), représentent une approche prometteuse permettant d’apprendre des caractéristiques utiles pour ces tâches. Ce processus d’optimisation est néanmoins difficile. Les réseaux profonds à base de Machine de Boltzmann Restreintes (RBM) ont récemment été proposés afin de guider l’extraction de représentations intermédiaires, grâce à un algorithme d’apprentissage non-supervisé. Ce mémoire présente, par l’entremise de trois articles, des contributions à ce domaine de recherche. Le premier article traite de la RBM convolutionelle. L’usage de champs réceptifs locaux ainsi que le regroupement d’unités cachées en couches partageant les même paramètres, réduit considérablement le nombre de paramètres à apprendre et engendre des détecteurs de caractéristiques locaux et équivariant aux translations. Ceci mène à des modèles ayant une meilleure vraisemblance, comparativement aux RBMs entraînées sur des segments d’images. Le deuxième article est motivé par des découvertes récentes en neurosciences. Il analyse l’impact d’unités quadratiques sur des tâches de classification visuelles, ainsi que celui d’une nouvelle fonction d’activation. Nous observons que les RNAs à base d’unités quadratiques utilisant la fonction softsign, donnent de meilleures performances de généralisation. Le dernière article quand à lui, offre une vision critique des algorithmes populaires d’entraînement de RBMs. Nous montrons que l’algorithme de Divergence Contrastive (CD) et la CD Persistente ne sont pas robustes : tous deux nécessitent une surface d’énergie relativement plate afin que leur chaîne négative puisse mixer. La PCD à "poids rapides" contourne ce problème en perturbant légèrement le modèle, cependant, ceci génère des échantillons bruités. L’usage de chaînes tempérées dans la phase négative est une façon robuste d’adresser ces problèmes et mène à de meilleurs modèles génératifs.

Understanding deep architectures and the effect of unsupervised pre-training

Cette thèse porte sur une classe d'algorithmes d'apprentissage appelés architectures profondes. Il existe des résultats qui indiquent que les représentations peu profondes et locales ne sont pas suffisantes pour la modélisation des fonctions comportant plusieurs facteurs de variation. Nous sommes particulièrement intéressés par ce genre de données car nous espérons qu'un agent intelligent sera en mesure d'apprendre à les modéliser automatiquement; l'hypothèse est que les architectures profondes sont mieux adaptées pour les modéliser. Les travaux de Hinton (2006) furent une véritable percée, car l'idée d'utiliser un algorithme d'apprentissage non-supervisé, les machines de Boltzmann restreintes, pour l'initialisation des poids d'un réseau de neurones supervisé a été cruciale pour entraîner l'architecture profonde la plus populaire, soit les réseaux de neurones artificiels avec des poids totalement connectés. Cette idée a été reprise et reproduite avec succès dans plusieurs contextes et avec une variété de modèles. Dans le cadre de cette thèse, nous considérons les architectures profondes comme des biais inductifs. Ces biais sont représentés non seulement par les modèles eux-mêmes, mais aussi par les méthodes d'entraînement qui sont souvent utilisés en conjonction avec ceux-ci. Nous désirons définir les raisons pour lesquelles cette classe de fonctions généralise bien, les situations auxquelles ces fonctions pourront être appliquées, ainsi que les descriptions qualitatives de telles fonctions. L'objectif de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension du succès des architectures profondes. Dans le premier article, nous testons la concordance entre nos intuitions---que les réseaux profonds sont nécessaires pour mieux apprendre avec des données comportant plusieurs facteurs de variation---et les résultats empiriques. Le second article est une étude approfondie de la question: pourquoi l'apprentissage non-supervisé aide à mieux généraliser dans un réseau profond? Nous explorons et évaluons plusieurs hypothèses tentant d'élucider le fonctionnement de ces modèles. Finalement, le troisième article cherche à définir de façon qualitative les fonctions modélisées par un réseau profond. Ces visualisations facilitent l'interprétation des représentations et invariances modélisées par une architecture profonde.

Recasts, uptake and learning : effects and relationships

L’uptake est la réponse immédiate de l’apprenant suite à la rétroaction de l’enseignant (Lyster & Ranta, 1997). Cette étude investigue la relation entre l’uptake et l’apprentissage des déterminants possessifs et des questions d’anglais L2. Elle examine aussi l’effet des reformulations implicites et explicites en termes d’uptake et d’apprentissage. Deux classes intensives (ESL) de sixième année du primaire (N=53) à Montréal ont participé à cette étude. Les deux classes ont été réparties en deux groupes : reformulations explicites et reformulations implicites. L’intervention comportait des activités communicatives. Les élèves ont été testés sur les formes cibles immédiatement avant et après le traitement pédagogique en utilisant des taches orales. Les résultats ont confirmé l’effet supérieur des reformulations explicites en termes d’uptake et d’apprentissage et que l’effet des reformulations dépend de la cible. Cette étude a montré aussi que l’uptake peut faciliter l’apprentissage et que son absence n’est pas signe de manque d’apprentissage.

Espaces de timbre générés par des réseaux profonds convolutionnels

Il est avant-tout question, dans ce mémoire, de la modélisation du timbre grâce à des algorithmes d'apprentissage machine. Plus précisément, nous avons essayé de construire un espace de timbre en extrayant des caractéristiques du son à l'aide de machines de Boltzmann convolutionnelles profondes. Nous présentons d'abord un survol de l'apprentissage machine, avec emphase sur les machines de Boltzmann convolutionelles ainsi que les modèles dont elles sont dérivées. Nous présentons aussi un aperçu de la littérature concernant les espaces de timbre, et mettons en évidence quelque-unes de leurs limitations, dont le nombre limité de sons utilisés pour les construire. Pour pallier à ce problème, nous avons mis en place un outil nous permettant de générer des sons à volonté. Le système utilise à sa base des plug-ins qu'on peut combiner et dont on peut changer les paramètres pour créer une gamme virtuellement infinie de sons. Nous l'utilisons pour créer une gigantesque base de donnée de timbres générés aléatoirement constituée de vrais instruments et d'instruments synthétiques. Nous entrainons ensuite les machines de Boltzmann convolutionnelles profondes de façon non-supervisée sur ces timbres, et utilisons l'espace des caractéristiques produites comme espace de timbre. L'espace de timbre ainsi obtenu est meilleur qu'un espace semblable construit à l'aide de MFCC. Il est meilleur dans le sens où la distance entre deux timbres dans cet espace est plus semblable à celle perçue par un humain. Cependant, nous sommes encore loin d'atteindre les mêmes capacités qu'un humain. Nous proposons d'ailleurs quelques pistes d'amélioration pour s'en approcher.

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.

FEATURE SELECTION AND COMPARISON OF TWO NAÏVE BAYES CLASSIFICATION METHODS IN THE CONTEXT OF SPAM FILTERING

Treating e-mail filtering as a binary text classification problem, researchers have applied several statistical learning algorithms to email corpora with promising results. This paper examines the performance of a Naive Bayes classifier using different approaches to feature selection and tokenization on different email corpora

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.

Learning Linear, Sparse, Factorial Codes

In previous work (Olshausen & Field 1996), an algorithm was described for learning linear sparse codes which, when trained on natural images, produces a set of basis functions that are spatially localized, oriented, and bandpass (i.e., wavelet-like). This note shows how the algorithm may be interpreted within a maximum-likelihood framework. Several useful insights emerge from this connection: it makes explicit the relation to statistical independence (i.e., factorial coding), it shows a formal relationship to the algorithm of Bell and Sejnowski (1995), and it suggests how to adapt parameters that were previously fixed.

Fast Learning by Bounding Likelihoods in Sigmoid Type Belief Networks

Sigmoid type belief networks, a class of probabilistic neural networks, provide a natural framework for compactly representing probabilistic information in a variety of unsupervised and supervised learning problems. Often the parameters used in these networks need to be learned from examples. Unfortunately, estimating the parameters via exact probabilistic calculations (i.e, the EM-algorithm) is intractable even for networks with fairly small numbers of hidden units. We propose to avoid the infeasibility of the E step by bounding likelihoods instead of computing them exactly. We introduce extended and complementary representations for these networks and show that the estimation of the network parameters can be made fast (reduced to quadratic optimization) by performing the estimation in either of the alternative domains. The complementary networks can be used for continuous density estimation as well.

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.

Unsupervised genetic algorithm deployed for intrusion detection

This paper represents the first step in an on-going work for designing an unsupervised method based on genetic algorithm for intrusion detection. Its main role in a broader system is to notify of an unusual traffic and in that way provide the possibility of detecting unknown attacks. Most of the machine-learning techniques deployed for intrusion detection are supervised as these techniques are generally more accurate, but this implies the need of labeling the data for training and testing which is time-consuming and error-prone. Hence, our goal is to devise an anomaly detector which would be unsupervised, but at the same time robust and accurate. Genetic algorithms are robust and able to avoid getting stuck in local optima, unlike the rest of clustering techniques. The model is verified on KDD99 benchmark dataset, generating a solution competitive with the solutions of the state-of-the-art which demonstrates high possibilities of the proposed method.

Clustering quality and topology preservation in fast learning SOMs

The Self-Organizing Map (SOM) is a popular unsupervised neural network able to provide effective clustering and data visualization for data represented in multidimensional input spaces. In this paper, we describe Fast Learning SOM (FLSOM) which adopts a learning algorithm that improves the performance of the standard SOM with respect to the convergence time in the training phase. We show that FLSOM also improves the quality of the map by providing better clustering quality and topology preservation of multidimensional input data. Several tests have been carried out on different multidimensional datasets, which demonstrate better performances of the algorithm in comparison with the original SOM.

Using self-organising feature maps for the control of artificial organisms

Variations on the standard Kohonen feature map can enable an ordering of the map state space by using only a limited subset of the complete input vector. Also it is possible to employ merely a local adaptation procedure to order the map, rather than having to rely on global variables and objectives. Such variations have been included as part of a hybrid learning system (HLS) which has arisen out of a genetic-based classifier system. In the paper a description of the modified feature map is given, which constitutes the HLSs long term memory, and results in the control of a simple maze running task are presented, thereby demonstrating the value of goal related feedback within the overall network.

Learning enhanced 3D models for vehicle tracking

This paper presents an enhanced hypothesis verification strategy for 3D object recognition. A new learning methodology is presented which integrates the traditional dichotomic object-centred and appearance-based representations in computer vision giving improved hypothesis verification under iconic matching. The "appearance" of a 3D object is learnt using an eigenspace representation obtained as it is tracked through a scene. The feature representation implicitly models the background and the objects observed enabling the segmentation of the objects from the background. The method is shown to enhance model-based tracking, particularly in the presence of clutter and occlusion, and to provide a basis for identification. The unified approach is discussed in the context of the traffic surveillance domain. The approach is demonstrated on real-world image sequences and compared to previous (edge-based) iconic evaluation techniques.

Simulated annealing technique for fast learning of SOM networks

The Self-Organizing Map (SOM) is a popular unsupervised neural network able to provide effective clustering and data visualization for multidimensional input datasets. In this paper, we present an application of the simulated annealing procedure to the SOM learning algorithm with the aim to obtain a fast learning and better performances in terms of quantization error. The proposed learning algorithm is called Fast Learning Self-Organized Map, and it does not affect the easiness of the basic learning algorithm of the standard SOM. The proposed learning algorithm also improves the quality of resulting maps by providing better clustering quality and topology preservation of input multi-dimensional data. Several experiments are used to compare the proposed approach with the original algorithm and some of its modification and speed-up techniques.