Prediction structurée à partir de données partiellement annotées via la "perte minimale"

International audienceAnnotating datasets is one of the main costs in nowadays supervised learning. The goal of weak supervision is to enable models to learn using only forms of labelling which are cheaper to collect, as partial labelling. This is a type of incomplete annotation where, for each datapoint, supervision is cast as a set of labels containing the real one. The problem of supervised learning with partial labelling has been studied for specific instances such as classification, multi-label, ranking or segmentation, but a general framework is still missing. This paper provides a unified framework based on structured prediction and on the concept of infimum loss to deal with partial labelling over a wide family of learning problems and loss functions. The framework leads naturally to explicit algorithms that can be easily implemented and for which proved statistical consistency and learning rates. Experiments confirm the superiority of the proposed approach over commonly used baselines

Differentiable Clustering with Perturbed Spanning Forests

We introduce a differentiable clustering method based on minimum-weight spanning forests, a variant of spanning trees with several connected components. Our method relies on stochastic perturbations of solutions of linear programs, for smoothing and efficient gradient computations. This allows us to include clustering in end-to-end trainable pipelines. We show that our method performs well even in difficult settings, such as datasets with high noise and challenging geometries. We also formulate an ad hoc loss to efficiently learn from partial clustering data using this operation. We demonstrate its performance on several real world datasets for supervised and semi-supervised tasks

Conformal Prediction with Partially Labeled Data

While the predictions produced by conformal prediction are set-valued, the data used for training and calibration is supposed to be precise. In the setting of superset learning or learning from partial labels, a variant of weakly supervised learning, it is exactly the other way around: training data is possibly imprecise (set-valued), but the model induced from this data yields precise predictions. In this paper, we combine the two settings by making conformal prediction amenable to set-valued training data. We propose a generalization of the conformal prediction procedure that can be applied to set-valued training and calibration data. We prove the validity of the proposed method and present experimental studies in which it compares favorably to natural baselines

Active Learning for Semantic Segmentation with Multi-class Label Query

This paper proposes a new active learning method for semantic segmentation. The core of our method lies in a new annotation query design. It samples informative local image regions (e.g., superpixels), and for each of such regions, asks an oracle for a multi-hot vector indicating all classes existing in the region. This multi-class labeling strategy is substantially more efficient than existing ones like segmentation, polygon, and even dominant class labeling in terms of annotation time per click. However, it introduces the class ambiguity issue in training since it assigns partial labels (i.e., a set of candidate classes) to individual pixels. We thus propose a new algorithm for learning semantic segmentation while disambiguating the partial labels in two stages. In the first stage, it trains a segmentation model directly with the partial labels through two new loss functions motivated by partial label learning and multiple instance learning. In the second stage, it disambiguates the partial labels by generating pixel-wise pseudo labels, which are used for supervised learning of the model. Equipped with a new acquisition function dedicated to the multi-class labeling, our method outperformed previous work on Cityscapes and PASCAL VOC 2012 while spending less annotation cost

De l'apprentissage faiblement supervisé au catalogage en ligne

Applied mathematics and machine computations have raised a lot of hope since the recent success of supervised learning. Many practitioners in industries have been trying to switch from their old paradigms to machine learning. Interestingly, those data scientists spend more time scrapping, annotating and cleaning data than fine-tuning models. This thesis is motivated by the following question: can we derive a more generic framework than the one of supervised learning in order to learn from clutter data? This question is approached through the lens of weakly supervised learning, assuming that the bottleneck of data collection lies in annotation. We model weak supervision as giving, rather than a unique target, a set of target candidates. We argue that one should look for an “optimistic” function that matches most of the observations. This allows us to derive a principle to disambiguate partial labels. We also discuss the advantage to incorporate unsupervised learning techniques into our framework, in particular manifold regularization approached through diffusion techniques, for which we derived a new algorithm that scales better with input dimension then the baseline method. Finally, we switch from passive to active weakly supervised learning, introducing the “active labeling” framework, in which a practitioner can query weak information about chosen data. Among others, we leverage the fact that one does not need full information to access stochastic gradients and perform stochastic gradient descent.Les mathématiques appliquées et le calcul nourrissent beaucoup d’espoirs à la suite des succès récents de l’apprentissage supervisé. Dans l’industrie, beaucoup d’ingénieurs cherchent à remplacer leurs anciens paradigmes de pensée par l’apprentissage machine. Étonnamment, ces ingénieurs passent plus de temps à collecter, annoter et nettoyer des données qu’à raffiner des modèles. Ce phénomène motive la problématique de cette thèse: peut-on définir un cadre théorique plus général que l’apprentissage supervisé pour apprendre grâce à des données hétérogènes? Cette question est abordée via le concept de supervision faible, faisant l’hypothèse que le problème que posent les données est leur annotation. On modélise la supervision faible comme l’accès, pour une entrée donnée, non pas d’une sortie claire, mais d’un ensemble de sorties potentielles. On plaide pour l’adoption d’une perspective « optimiste » et l’apprentissage d’une fonction qui vérifie la plupart des observations. Cette perspective nous permet de définir un principe pour lever l’ambiguïté des informations faibles. On discute également de l’importance d’incorporer des techniques sans supervision d’appréhension des données d’entrée dans notre théorie, en particulier de compréhension de la variété sous-jacente via des techniques de diffusion, pour lesquelles on propose un algorithme réaliste afin d’éviter le fléau de la dimension, à l’inverse de ce qui existait jusqu’alors. Enfin, nous nous attaquons à la question de collecte active d’informations faibles, définissant le problème de « catalogage en ligne », où un intendant doit acquérir une maximum d’informations fiables sur ses données sous une contrainte de budget. Entre autres, nous tirons parti du fait que pour obtenir un gradient stochastique et effectuer une descente de gradient, il n’y a pas besoin de supervision totale

Defect detection in infrared thermography by deep learning algorithms

L'évaluation non destructive (END) est un domaine permettant d'identifier tous les types de dommages structurels dans un objet d'intérêt sans appliquer de dommages et de modifications permanents. Ce domaine fait l'objet de recherches intensives depuis de nombreuses années. La thermographie infrarouge (IR) est l'une des technologies d'évaluation non destructive qui permet d'inspecter, de caractériser et d'analyser les défauts sur la base d'images infrarouges (séquences) provenant de l'enregistrement de l'émission et de la réflexion de la lumière infrarouge afin d'évaluer les objets non autochauffants pour le contrôle de la qualité et l'assurance de la sécurité. Ces dernières années, le domaine de l'apprentissage profond de l'intelligence artificielle a fait des progrès remarquables dans les applications de traitement d'images. Ce domaine a montré sa capacité à surmonter la plupart des inconvénients des autres approches existantes auparavant dans un grand nombre d'applications. Cependant, en raison de l'insuffisance des données d'entraînement, les algorithmes d'apprentissage profond restent encore inexplorés, et seules quelques publications font état de leur application à l'évaluation non destructive de la thermographie (TNDE). Les algorithmes d'apprentissage profond intelligents et hautement automatisés pourraient être couplés à la thermographie infrarouge pour identifier les défauts (dommages) dans les composites, l'acier, etc. avec une confiance et une précision élevée. Parmi les sujets du domaine de recherche TNDE, les techniques d'apprentissage automatique supervisées et non supervisées sont les tâches les plus innovantes et les plus difficiles pour l'analyse de la détection des défauts. Dans ce projet, nous construisons des cadres intégrés pour le traitement des données brutes de la thermographie infrarouge à l'aide d'algorithmes d'apprentissage profond et les points forts des méthodologies proposées sont les suivants: 1. Identification et segmentation automatique des défauts par des algorithmes d'apprentissage profond en thermographie infrarouge. Les réseaux neuronaux convolutifs (CNN) pré-entraînés sont introduits pour capturer les caractéristiques des défauts dans les images thermiques infrarouges afin de mettre en œuvre des modèles basés sur les CNN pour la détection des défauts structurels dans les échantillons composés de matériaux composites (diagnostic des défauts). Plusieurs alternatives de CNNs profonds pour la détection de défauts dans la thermographie infrarouge. Les comparaisons de performance de la détection et de la segmentation automatique des défauts dans la thermographie infrarouge en utilisant différentes méthodes de détection par apprentissage profond : (i) segmentation d'instance (Center-mask ; Mask-RCNN) ; (ii) détection d’objet (Yolo-v3 ; Faster-RCNN) ; (iii) segmentation sémantique (Unet ; Res-unet); 2. Technique d'augmentation des données par la génération de données synthétiques pour réduire le coût des dépenses élevées associées à la collecte de données infrarouges originales dans les composites (composants d'aéronefs.) afin d'enrichir les données de formation pour l'apprentissage des caractéristiques dans TNDE; 3. Le réseau antagoniste génératif (GAN convolutif profond et GAN de Wasserstein) est introduit dans la thermographie infrarouge associée à la thermographie partielle des moindres carrés (PLST) (réseau PLS-GANs) pour l'extraction des caractéristiques visibles des défauts et l'amélioration de la visibilité des défauts pour éliminer le bruit dans la thermographie pulsée; 4. Estimation automatique de la profondeur des défauts (question de la caractérisation) à partir de données infrarouges simulées en utilisant un réseau neuronal récurrent simplifié : Gate Recurrent Unit (GRU) à travers l'apprentissage supervisé par régression.Non-destructive evaluation (NDE) is a field to identify all types of structural damage in an object of interest without applying any permanent damage and modification. This field has been intensively investigated for many years. The infrared thermography (IR) is one of NDE technology through inspecting, characterize and analyzing defects based on the infrared images (sequences) from the recordation of infrared light emission and reflection to evaluate non-self-heating objects for quality control and safety assurance. In recent years, the deep learning field of artificial intelligence has made remarkable progress in image processing applications. This field has shown its ability to overcome most of the disadvantages in other approaches existing previously in a great number of applications. Whereas due to the insufficient training data, deep learning algorithms still remain unexplored, and only few publications involving the application of it for thermography nondestructive evaluation (TNDE). The intelligent and highly automated deep learning algorithms could be coupled with infrared thermography to identify the defect (damages) in composites, steel, etc. with high confidence and accuracy. Among the topics in the TNDE research field, the supervised and unsupervised machine learning techniques both are the most innovative and challenging tasks for defect detection analysis. In this project, we construct integrated frameworks for processing raw data from infrared thermography using deep learning algorithms and highlight of the methodologies proposed include the following: 1. Automatic defect identification and segmentation by deep learning algorithms in infrared thermography. The pre-trained convolutional neural networks (CNNs) are introduced to capture defect feature in infrared thermal images to implement CNNs based models for the detection of structural defects in samples made of composite materials (fault diagnosis). Several alternatives of deep CNNs for the detection of defects in the Infrared thermography. The comparisons of performance of the automatic defect detection and segmentation in infrared thermography using different deep learning detection methods: (i) instance segmentation (Center-mask; Mask-RCNN); (ii) objective location (Yolo-v3; Faster-RCNN); (iii) semantic segmentation (Unet; Res-unet); 2. Data augmentation technique through synthetic data generation to reduce the cost of high expense associated with the collection of original infrared data in the composites (aircraft components.) to enrich training data for feature learning in TNDE; 3. The generative adversarial network (Deep convolutional GAN and Wasserstein GAN) is introduced to the infrared thermography associated with partial least square thermography (PLST) (PLS-GANs network) for visible feature extraction of defects and enhancement of the visibility of defects to remove noise in Pulsed thermography; 4. Automatic defect depth estimation (Characterization issue) from simulated infrared data using a simplified recurrent neural network: Gate Recurrent Unit (GRU) through the regression supervised learning