Sequential decision modeling in uncertain conditions

Cette thèse consiste en une série d’approches pour la modélisation de décision structurée - c’est-à-dire qu’elle propose des solutions utilisant des modèles génératifs pour des tâches intégrant plusieurs entrées et sorties, ces entrées et sorties étant dictées par des interactions complexes entre leurs éléments. Un aspect crucial de ces problèmes est la présence en plus d’un résultat correct, des résultats structurellement différents mais considérés tout aussi corrects, résultant d’une grande mais nécessaire incertitude sur les sorties du système. Cette thèse présente quatre articles sur ce sujet, se concentrent en particulier sur le domaine de la synthèse vocale à partir de texte, génération symbolique de musique, traitement de texte, reconnaissance automatique de la parole, et apprentissage de représentations pour la parole et le texte. Chaque article présente une approche particulière à un problème dans ces domaines respectifs, en proposant et étudiant des architectures profondes pour ces domaines. Bien que ces techniques d’apprentissage profond utilisées dans ces articles sont suffisamment versatiles et expressives pour être utilisées dans d’autres domaines, nous resterons concentrés sur les applications décrites dans chaque article. Le premier article présente une approche permettant le contrôle détaillé, au niveau phonétique et symbolique, d’un système de synthèse vocale, en utilisant une méthode d’échange efficace permettant de combiner des représentations à un niveau lexical. Puisque cette combinaison permet un contrôle proportionné sur les conditions d’entrée, et améliore les prononciations faisant uniquement usage de caractères, ce système de combinaison pour la synthèse vocale a été préféré durant des tests A/B par rapport à des modèles de référence équivalents utilisant les mêmes modalités. Le deuxième article se concentre sur un autre système de synthèse vocale, cette fois-ci centré sur la construction d’une représentation multi-échelle de la parole à travers une décomposition structurée des descripteurs audio. En particulier, l’intérêt de ce travail est dans sa méthodologie économe en calcul malgré avoir été bâti à partir de travaux antérieurs beaucoup plus demandant en ressources de calcul. Afin de bien pouvoir faire de la synthèse vocale sous ces contraintes computationelles, plusieurs nouvelles composantes ont été conçues et intégrées à ce qui devient un modèle efficace de synthèse vocale. Le troisième article un nouveau modèle auto-régressif pour modéliser des chaînes de symboles. Ce modèle fait usage de prédictions et d’estimations itérative et répétées afin de construire une sortie structurée respectant plusieurs contraintes correspondant au domaine sous-jacent. Ce modèle est testé dans le cadre de la génération symbolique de musique et la modélisation de texte, faisant preuve d’excellentes performances en particulier quand la quantité de données s’avère limitée. Le dernier article de la thèse se concentre sur l’étude des représentations pour la parole et le texte apprise à partir d’un système de reconnaissance vocale d’un travail antérieur. À travers une série d’études systématiques utilisant des modèles pré-entraînés de texte et de durée, relations qualitatives entre les données de texte et de parole, et études de performance sur la récupération transmodal “few shot”, nous exposons plusieurs propriétés essentielles sous-jacent à la performance du système, ouvrant la voie pour des développements algorithmiques futurs. De plus, les différents modèles résultants de cette étude obtiennent des résultats impressionnants sur un nombre de tâches de référence utilisant des modèles pré-entraîné transféré sans modification.This thesis presents a sequence of approaches to structured decision modeling - that is, proposing generative solutions to tasks with multiple inputs and outputs, featuring complicated interactions between input elements and output elements. Crucially, these problems also include a high amount of uncertainty about the correct outcome and many largely equivalent but structurally different outcomes can be considered equally correct. This thesis presents four articles about these topics, particularly focusing on the domains of text-to-speech synthesis, symbolic music generation, text processing, automatic speech recognition, and speech-text representation learning. Each article presents a particular approach to solving problems in these respective domains, focused on proposing and understanding deep learning architectures for these domains. The deep learning techniques used in these articles are broadly applicable, flexible, and powerful enough that these general approaches may find application to other areas however we remain focused on the domains discussed in each respective article. The first article presents an approach allowing for flexible phonetic and character control of a text-to-speech system, utilizing an efficient "swap-out" method for blending representations at the word level. This blending allows for smooth control over input conditions, and also strengthens character only pronunciations, resulting in a preference for a blended text-to-speech system in A/B testing, compared to an equivalent baselines even when using the same input information modalities. The second article focuses on another text-to-speech system, this time centered on building multi-scale representations of speech audio using a structured decomposition of audio features. Particularly this work focuses on a compute efficient methodology, while building on prior work which requires a much greater computational budget than the proposed system. In order to effectively perform text-to-speech synthesis under these computational constraints, a number of new components are constructed and integrated, resulting in an efficient model for text-to-speech synthesis. The third article presents a new non-autoregressive model for modeling symbolic sequences. This model uses iterative prediction and re-estimation in order to build structured outputs, which respect numerous constraints in the underlying sequence domain. This model is applied to symbolic music modeling and text modeling, showing excellent performance particularly in limited data generative settings. The final article in this thesis focuses on understanding the speech-text representations learned by a text-injected speech recognition system from prior literature. Through a systematic series of studies utilizing pre-trained text and duration models, qualitative relations between text and speech sequences, and performance studies in few-shot cross-modal retrieval, we reveal a number of crucial properties underlying the performance of this system, paving the way for future algorithmic development. In addition, model variants built during this study achieve impressive performance results on a number of benchmark tasks using partially frozen and transferred parameters

Learning to Discover Sparse Graphical Models

We consider structure discovery of undirected graphical models from observational data. Inferring likely structures from few examples is a complex task often requiring the formulation of priors and sophisticated inference procedures. Popular methods rely on estimating a penalized maximum likelihood of the precision matrix. However, in these approaches structure recovery is an indirect consequence of the data-fit term, the penalty can be difficult to adapt for domain-specific knowledge, and the inference is computationally demanding. By contrast, it may be easier to generate training samples of data that arise from graphs with the desired structure properties. We propose here to leverage this latter source of information as training data to learn a function, parametrized by a neural network that maps empirical covariance matrices to estimated graph structures. Learning this function brings two benefits: it implicitly models the desired structure or sparsity properties to form suitable priors, and it can be tailored to the specific problem of edge structure discovery, rather than maximizing data likelihood. Applying this framework, we find our learnable graph-discovery method trained on synthetic data generalizes well: identifying relevant edges in both synthetic and real data, completely unknown at training time. We find that on genetics, brain imaging, and simulation data we obtain performance generally superior to analytical methods

Structured prediction and generative modeling using neural networks

Cette thèse traite de l'usage des Réseaux de Neurones pour modélisation de données séquentielles. La façon dont l'information a été ordonnée et structurée est cruciale pour la plupart des données. Les mots qui composent ce paragraphe en constituent un exemple. D'autres données de ce type incluent les données audio, visuelles et génomiques. La Prédiction Structurée est l'un des domaines traitant de la modélisation de ces données. Nous allons aussi présenter la Modélisation Générative, qui consiste à générer des points similaires aux données sur lesquelles le modèle a été entraîné. Dans le chapitre 1, nous utiliserons des données clients afin d'expliquer les concepts et les outils de l'Apprentissage Automatique, incluant les algorithmes standards d'apprentissage ainsi que les choix de fonction de coût et de procédure d'optimisation. Nous donnerons ensuite les composantes fondamentales d'un Réseau de Neurones. Enfin, nous introduirons des concepts plus complexes tels que le partage de paramètres, les Réseaux Convolutionnels et les Réseaux Récurrents. Le reste du document, nous décrirons de plusieurs types de Réseaux de Neurones qui seront à la fois utiles pour la prédiction et la génération et leur application à des jeux de données audio, d'écriture manuelle et d'images. Le chapitre 2 présentera le Réseau Neuronal Récurrent Variationnel (VRNN pour variational recurrent neural network). Le VRNN a été développé dans le but de générer des échantillons semblables aux exemples de la base d'apprentissage. Nous présenterons des modèles entraînées de manière non-supervisée afin de générer du texte manuscrites, des effets sonores et de la parole. Non seulement ces modèles prouvent leur capacité à apprendre les caractéristiques de chaque type de données mais établissent aussi un standard en terme de performance. Dans le chapitre 3 sera présenté ReNet, un modèle récemment développé. ReNet utilise les sorties structurées d'un Réseau Neuronal Récurrent pour classifier des objets. Ce modèle atteint des performances compétitives sur plusieurs tâches de reconnaissance d'images, tout en utilisant une architecture conçue dès le départ pour de la Prédiction Structurée. Dans ce cas-ci, les résultats du modèle sont utilisés simplement pour de la classification mais des travaux suivants (non inclus ici) ont utilisé ce modèle pour de la Prédiction Structurée. Enfin, au Chapitre 4 nous présentons les résultats récents non-publiés en génération acoustique. Dans un premier temps, nous fournissons les concepts musicaux et représentations numériques fondamentaux à la compréhension de notre approche et introduisons ensuite une base de référence et de nouveaux résultats de recherche avec notre modèle, RNN-MADE. Ensuite, nous introduirons le concept de synthèse vocale brute et discuterons de notre recherche en génération. Dans notre dernier Chapitre, nous présenterons enfin un résumé des résultats et proposerons de nouvelles pistes de recherche.In this thesis we utilize neural networks to effectively model data with sequential structure. There are many forms of data for which both the order and the structure of the information is incredibly important. The words in this paragraph are one example of this type of data. Other examples include audio, images, and genomes. The work to effectively model this type of ordered data falls within the field of structured prediction. We also present generative models, which attempt to generate data that appears similar to the data which the model was trained on. In Chapter 1, we provide an introduction to data and machine learning. First, we motivate the need for machine learning by describing an expert system built on a customer database. This leads to a discussion of common algorithms, losses, and optimization choices in machine learning. We then progress to describe the basic building blocks of neural networks. Finally, we add complexity to the models, discussing parameter sharing and convolutional and recurrent layers. In the remainder of the document, we discuss several types of neural networks which find common use in both prediction and generative modeling and present examples of their use with audio, handwriting, and images datasets. In Chapter 2, we introduce a variational recurrent neural network (VRNN). Our VRNN is developed with to generate new sequential samples that resemble the dataset that is was trained on. We present models that learned in an unsupervised manner how to generate handwriting, sound effects, and human speech setting benchmarks in performance. Chapter 3 shows a recently developed model called ReNet. In ReNet, intermediate structured outputs from recurrent neural networks are used for object classification. This model shows competitive performance on a number of image recognition tasks, while using an architecture designed to handle structured prediction. In this case, the final model output is only used for simple classification, but follow-up work has expanded to full structured prediction. Lastly, in Chapter 4 we present recent unpublished experiments in sequential audio generation. First we provide background in musical concepts and digital representation which are fundamental to understanding our approach and then introduce a baseline and new research results using our model, RNN-MADE. Next we introduce the concept of raw speech synthesis and discuss our investigation into generation. In our final chapter, we present a brief summary of results and postulate future research directions

ReSeg: A Recurrent Neural Network-based Model for Semantic Segmentation

We propose a structured prediction architecture, which exploits the local generic features extracted by Convolutional Neural Networks and the capacity of Recurrent Neural Networks (RNN) to retrieve distant dependencies. The proposed architecture, called ReSeg, is based on the recently introduced ReNet model for image classification. We modify and extend it to perform the more challenging task of semantic segmentation. Each ReNet layer is composed of four RNN that sweep the image horizontally and vertically in both directions, encoding patches or activations, and providing relevant global information. Moreover, ReNet layers are stacked on top of pre-trained convolutional layers, benefiting from generic local features. Upsampling layers follow ReNet layers to recover the original image resolution in the final predictions. The proposed ReSeg architecture is efficient, flexible and suitable for a variety of semantic segmentation tasks. We evaluate ReSeg on several widely-used semantic segmentation datasets: Weizmann Horse, Oxford Flower, and CamVid; achieving state-of-the-art performance. Results show that ReSeg can act as a suitable architecture for semantic segmentation tasks, and may have further applications in other structured prediction problems. The source code and model hyperparameters are available on https://github.com/fvisin/reseg.Comment: In CVPR Deep Vision Workshop, 201