Sparse Modeling for Image and Vision Processing

In recent years, a large amount of multi-disciplinary research has been conducted on sparse models and their applications. In statistics and machine learning, the sparsity principle is used to perform model selection---that is, automatically selecting a simple model among a large collection of them. In signal processing, sparse coding consists of representing data with linear combinations of a few dictionary elements. Subsequently, the corresponding tools have been widely adopted by several scientific communities such as neuroscience, bioinformatics, or computer vision. The goal of this monograph is to offer a self-contained view of sparse modeling for visual recognition and image processing. More specifically, we focus on applications where the dictionary is learned and adapted to data, yielding a compact representation that has been successful in various contexts.Comment: 205 pages, to appear in Foundations and Trends in Computer Graphics and Visio

Apprentissage à grande échelle et applications

This thesis presents my main research activities in statistical machine learning aftermy PhD, starting from my post-doc at UC Berkeley to my present research position atInria Grenoble. The first chapter introduces the context and a summary of my scientificcontributions and emphasizes the importance of pluri-disciplinary research. For instance,mathematical optimization has become central in machine learning and the interplay betweensignal processing, statistics, bioinformatics, and computer vision is stronger thanever. With many scientific and industrial fields producing massive amounts of data, theimpact of machine learning is potentially huge and diverse. However, dealing with massivedata raises also many challenges. In this context, the manuscript presents differentcontributions, which are organized in three main topics.Chapter 2 is devoted to large-scale optimization in machine learning with a focus onalgorithmic methods. We start with majorization-minimization algorithms for structuredproblems, including block-coordinate, incremental, and stochastic variants. These algorithmsare analyzed in terms of convergence rates for convex problems and in terms ofconvergence to stationary points for non-convex ones. We also introduce fast schemesfor minimizing large sums of convex functions and principles to accelerate gradient-basedapproaches, based on Nesterov’s acceleration and on Quasi-Newton approaches.Chapter 3 presents the paradigm of deep kernel machine, which is an alliance betweenkernel methods and multilayer neural networks. In the context of visual recognition, weintroduce a new invariant image model called convolutional kernel networks, which is anew type of convolutional neural network with a reproducing kernel interpretation. Thenetwork comes with simple and effective principles to do unsupervised learning, and iscompatible with supervised learning via backpropagation rules.Chapter 4 is devoted to sparse estimation—that is, the automatic selection of modelvariables for explaining observed data; in particular, this chapter presents the result ofpluri-disciplinary collaborations in bioinformatics and neuroscience where the sparsityprinciple is a key to build intepretable predictive models.Finally, the last chapter concludes the manuscript and suggests future perspectives.Ce mémoire présente mes activités de recherche en apprentissage statistique après mathèse de doctorat, dans une période allant de mon post-doctorat à UC Berkeley jusqu’àmon activité actuelle de chercheur chez Inria. Le premier chapitre fournit un contextescientifique dans lequel s’inscrivent mes travaux et un résumé de mes contributions, enmettant l’accent sur l’importance de la recherche pluri-disciplinaire. L’optimisation mathématiqueest ainsi devenue un outil central en apprentissage statistique et les interactionsavec les communautés de vision artificielle, traitement du signal et bio-informatiquen’ont jamais été aussi fortes. De nombreux domaines scientifiques et industriels produisentdes données massives, mais les traiter efficacement nécessite de lever de nombreux verrousscientifiques. Dans ce contexte, ce mémoire présente différentes contributions, qui sontorganisées en trois thématiques.Le chapitre 2 est dédié à l’optimisation à large échelle en apprentissage statistique.Dans un premier lieu, nous étudions plusieurs variantes d’algorithmes de majoration/minimisationpour des problèmes structurés, telles que des variantes par bloc de variables,incrémentales, et stochastiques. Chaque algorithme est analysé en terme de taux deconvergence lorsque le problème est convexe, et nous montrons la convergence de ceux-civers des points stationnaires dans le cas contraire. Des méthodes de minimisation rapidespour traiter le cas de sommes finies de fonctions sont aussi introduites, ainsi que desalgorithmes d’accélération pour les techniques d’optimisation de premier ordre.Le chapitre 3 présente le paradigme des méthodes à noyaux profonds, que l’on peutinterpréter comme un mariage entre les méthodes à noyaux classiques et les techniquesd’apprentissage profond. Dans le contexte de la reconnaissance visuelle, ce chapitre introduitun nouveau modèle d’image invariant appelé réseau convolutionnel à noyaux, qui estun nouveau type de réseau de neurones convolutionnel avec une interprétation en termesde noyaux reproduisants. Le réseau peut être appris simplement sans supervision grâceà des techniques classiques d’approximation de noyaux, mais est aussi compatible avecl’apprentissage supervisé grâce à des règles de backpropagation.Le chapitre 4 est dédié à l’estimation parcimonieuse, c’est à dire, à la séléction automatiquede variables permettant d’expliquer des données observées. En particulier, cechapitre décrit des collaborations pluri-disciplinaires en bioinformatique et neuroscience,où le principe de parcimonie est crucial pour obtenir des modèles prédictifs interprétables.Enfin, le dernier chapitre conclut ce mémoire et présente des perspectives futures

On Nonlinear Fractional Programming

The main purpose of this paper is to delineate an algorithm for fractional programming with nonlinear as well as linear terms in the numerator and denominator. The algorithm presented is based on a theorem by Jagannathan (Jagannathan, R. 1966. On some properties of programming problems in parametric form pertaining to fractional programming. Management Sci. 12 609-615.) concerning the relationship between fractional and parametric programming. This theorem is restated and proved in a somewhat simpler way. Finally, it is shown how the given algorithm can be related to the method of Isbell and Marlow (Isbell, J. R., W. H. Marlow. 1956. Attrition games. Naval Res. Logist. Quart. 3 71-93.) for linear fractional programming and to the quadratic parametric approach by Ritter (Ritter, K. 1962. Ein Verfahren zur Lösung parameterabhängiger, nichtlinearer Maximum- Probleme. Unternehmensforschung, Band 6, S. 149-166.). The Appendix contains a numerical example.