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Theses Year : 2013

Learning Deep Visual Representations

Apprentissage de Représentations Visuelles Profondes

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Abstract

Recent advancements in the areas of deep learning and visual information processing have presented an opportunity to unite both fields. These complementary fields combine to tackle the problem of classifying images into their semantic categories. Deep learning brings learning and representational capabilities to a visual processing model that is adapted for image classification. This thesis addresses problems that lead to the proposal of learning deep visual representations for image classification. The problem of deep learning is tackled on two fronts. The first aspect is the problem of unsupervised learning of latent representations from input data. The main focus is the integration of prior knowledge into the learning of restricted Boltzmann machines (RBM) through regularization. Regularizers are proposed to induce sparsity, selectivity and topographic organization in the coding to improve discrimination and invariance. The second direction introduces the notion of gradually transiting from unsupervised layer-wise learning to supervised deep learning. This is done through the integration of bottom-up information with top-down signals. Two novel implementations supporting this notion are explored. The first method uses top-down regularization to train a deep network of RBMs. The second method combines predictive and reconstructive loss functions to optimize a stack of encoder-decoder networks. The proposed deep learning techniques are applied to tackle the image classification problem. The bag-of-words model is adopted due to its strengths in image modeling through the use of local image descriptors and spatial pooling schemes. Deep learning with spatial aggregation is used to learn a hierarchical visual dictionary for encoding the image descriptors into mid-level representations. This method achieves leading image classification performances for object and scene images. The learned dictionaries are diverse and non-redundant. The speed of inference is also high. From this, a further optimization is performed for the subsequent pooling step. This is done by introducing a differentiable pooling parameterization and applying the error backpropagation algorithm. This thesis represents one of the first attempts to synthesize deep learning and the bag-of-words model. This union results in many challenging research problems, leaving much room for further study in this area.
Les avancées récentes en apprentissage profond et en traitement d'image présentent l'opportunité d'unifier ces deux champs de recherche complémentaires pour une meilleure résolution du problème de classification d'images dans des catégories sémantiques. L'apprentissage profond apporte au traitement d'image le pouvoir de représentation nécessaire à l'amélioration des performances des méthodes de classification d'images. Cette thèse propose de nouvelles méthodes d'apprentissage de représentations visuelles profondes pour la résolution de cette tache. L'apprentissage profond a été abordé sous deux angles. D'abord nous nous sommes intéressés à l'apprentissage non supervisé de représentations latentes ayant certaines propriétés à partir de données en entrée. Il s'agit ici d'intégrer une connaissance à priori, à travers un terme de régularisation, dans l'apprentissage d'une machine de Boltzmann restreinte. Nous proposons plusieurs formes de régularisation qui induisent différentes propriétés telles que la parcimonie, la sélectivité et l'organisation en structure topographique. Le second aspect consiste au passage graduel de l'apprentissage non supervisé à l'apprentissage supervisé de réseaux profonds. Ce but est réalisé par l'introduction sous forme de supervision, d'une information relative à la catégorie sémantique. Deux nouvelles méthodes sont proposées. Le premier est basé sur une régularisation top-down de réseaux de croyance profonds à base de machines des Boltzmann restreintes. Le second optimise un cout intégrant un critère de reconstruction et un critère de supervision pour l'entrainement d'autoencodeurs profonds. Les méthodes proposées ont été appliquées au problème de classification d'images. Nous avons adopté le modèle sac-de-mots comme modèle de base parce qu'il offre d'importantes possibilités grâce à l'utilisation de descripteurs locaux robustes et de pooling par pyramides spatiales qui prennent en compte l'information spatiale de l'image. L'apprentissage profonds avec agrégation spatiale est utilisé pour apprendre un dictionnaire hiérarchique pour l'encodage de représentations visuelles de niveau intermédiaire. Cette méthode donne des résultats très compétitifs en classification de scènes et d'images. Les dictionnaires visuels appris contiennent diverses informations non-redondantes ayant une structure spatiale cohérente. L'inférence est aussi très rapide. Nous avons par la suite optimisé l'étape de pooling sur la base du codage produit par le dictionnaire hiérarchique précédemment appris en introduisant introduit une nouvelle paramétrisation dérivable de l'opération de pooling qui permet un apprentissage par descente de gradient utilisant l'algorithme de rétro-propagation. Ceci est la première tentative d'unification de l'apprentissage profond et du modèle de sac de mots. Bien que cette fusion puisse sembler évidente, l'union de plusieurs aspects de l'apprentissage profond de représentations visuelles demeure une tache complexe à bien des égards et requiert encore un effort de recherche important.
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Dates and versions

tel-00948376 , version 1 (18-02-2014)

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  • HAL Id : tel-00948376 , version 1

Cite

Hanlin Goh. Learning Deep Visual Representations. Machine Learning [cs.LG]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00948376⟩
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