Representation Learning for Visual Data

Cette thèse par article contribue au domaine de l’apprentissage de représentations profondes, et plus précisément celui des modèles génératifs profonds, par l’entremise de travaux sur les machines de Boltzmann restreintes, les modèles génératifs adversariels ainsi que le pastiche automatique.  Le premier article s’intéresse au problème de l’estimation du gradient de la phase négative des machines de Boltzmann par l’échantillonnage d’une réalisation physique du modèle. Nous présentons une évaluation empirique de l’impact sur la performance, mesurée par log-vraisemblance négative, de diverses contraintes associées à l’implémentation physique de machines de Boltzmann restreintes (RBMs), soit le bruit sur les paramètres, l’amplitude limitée des paramètres et une connectivité limitée.  Le second article s’attaque au problème de l’inférence dans les modèles génératifs adversariels (GANs). Nous proposons une extension du modèle appelée inférence adversativement apprise (ALI) qui a la particularité d’apprendre jointement l’inférence et la génération à partir d’un principe adversariel. Nous montrons que la représentation apprise par le modèle est utile à la résolution de tâches auxiliaires comme l’apprentissage semi-supervisé en obtenant une performance comparable à l’état de l’art pour les ensembles de données SVHN et CIFAR10.  Finalement, le troisième article propose une approche simple et peu coûteuse pour entraîner un réseau unique de pastiche automatique à imiter plusieurs styles artistiques. Nous présentons un mécanisme de conditionnement, appelé normalisation conditionnelle par instance, qui permet au réseau d’imiter plusieurs styles en parallèle via l’apprentissage d’un ensemble de paramètres de normalisation unique à chaque style. Ce mécanisme s’avère très efficace en pratique et a inspiré plusieurs travaux subséquents qui ont appliqué l’idée à des problèmes au-delà du domaine du pastiche automatique. This thesis by articles contributes to the field of deep learning, and more specifically the subfield of deep generative modeling, through work on restricted Boltzmann machines, generative adversarial networks and style transfer networks.  The first article examines the idea of tackling the problem of estimating the negative phase gradients in Boltzmann machines by sampling from a physical implementation of the model. We provide an empirical evaluation of the impact of various constraints associated with physical implementations of restricted Boltzmann machines (RBMs), namely noisy parameters, finite parameter amplitude and restricted connectivity patterns, on their performance as measured by negative log-likelihood through software simulation.  The second article tackles the inference problem in generative adversarial networks (GANs). It proposes a simple and straightforward extension to the GAN framework, named adversarially learned inference (ALI), which allows inference to be learned jointly with generation in a fully-adversarial framework. We show that the learned representation is useful for auxiliary tasks such as semi-supervised learning by obtaining a performance competitive with the then-state-of-the-art on the SVHN and CIFAR10 semi-supervised learning tasks.  Finally, the third article proposes a simple and scalable technique to train a single feedforward style transfer network to model multiple styles. It introduces a conditioning mechanism named conditional instance normalization which allows the network to capture multiple styles in parallel by learning a different set of instance normalization parameters for each style. This mechanism is shown to be very efficient and effective in practice, and has inspired multiple efforts to adapt the idea to problems outside of the artistic style transfer domain.

Keyphrases: Réseaux neuronaux, Apprentissage automatique, Apprentissage de représentations profondes, Apprentissage non supervisé, Modèles à énergie, Calcul par système physique, Modèles génératifs, Réseaux adversariels génératifs, Synthèse d'image, Pastiche automatique, Neural network, Machine learning, Deep learning, Unsupervised learning, Energy-based models, Physical computing, Generative modeling, Generative adversarial network, Image synthesis, Style transfer