OnionNet: Sharing Features in Cascaded Deep Classifiers

The focus of our work is speeding up evaluation of deep neural networks in retrieval scenarios, where conventional architectures may spend too much time on negative examples. We propose to replace a monolithic network with our novel cascade of feature-sharing deep classifiers, called OnionNet, where subsequent stages may add both new layers as well as new feature channels to the previous ones. Importantly, intermediate feature maps are shared among classifiers, preventing them from the necessity of being recomputed. To accomplish this, the model is trained end-to-end in a principled way under a joint loss. We validate our approach in theory and on a synthetic benchmark. As a result demonstrated in three applications (patch matching, object detection, and image retrieval), our cascade can operate significantly faster than both monolithic networks and traditional cascades without sharing at the cost of marginal decrease in precision.Comment: Accepted to BMVC 201

L'apprentissage profond sur graphes attribués

Graph is a powerful concept for representation of relations between pairs of entities. Data with underlying graph structure can be found across many disciplines, describing chemical compounds, surfaces of three-dimensional models, social interactions, or knowledge bases, to name only a few. There is a natural desire for understanding such data better. Deep learning (DL) has achieved significant breakthroughs in a variety of machine learning tasks in recent years, especially where data is structured on a grid, such as in text, speech, or image understanding. However, surprisingly little has been done to explore the applicability of DL on graph-structured data directly.The goal of this thesis is to investigate architectures for DL on graphs and study how to transfer, adapt or generalize concepts working well on sequential and image data to this domain. We concentrate on two important primitives: embedding graphs or their nodes into a continuous vector space representation (encoding) and, conversely, generating graphs from such vectors back (decoding). To that end, we make the following contributions.First, we introduce Edge-Conditioned Convolutions (ECC), a convolution-like operation on graphs performed in the spatial domain where filters are dynamically generated based on edge attributes. The method is used to encode graphs with arbitrary and varying structure.Second, we propose SuperPoint Graph, an intermediate point cloud representation with rich edge attributes encoding the contextual relationship between object parts. Based on this representation, ECC is employed to segment large-scale point clouds without major sacrifice in fine details.Third, we present GraphVAE, a graph generator allowing to decode graphs with variable but upper-bounded number of nodes making use of approximate graph matching for aligning the predictions of an autoencoder with its inputs. The method is applied to the task of molecule generationLe graphe est un concept puissant pour la représentation des relations entre des paires d'entités. Les données ayant une structure de graphes sous-jacente peuvent être trouvées dans de nombreuses disciplines, décrivant des composés chimiques, des surfaces des modèles tridimensionnels, des interactions sociales ou des bases de connaissance, pour n'en nommer que quelques-unes. L'apprentissage profond (DL) a accompli des avancées significatives dans une variété de tâches d'apprentissage automatique au cours des dernières années, particulièrement lorsque les données sont structurées sur une grille, comme dans la compréhension du texte, de la parole ou des images. Cependant, étonnamment peu de choses ont été faites pour explorer l'applicabilité de DL directement sur des données structurées sous forme des graphes. L'objectif de cette thèse est d'étudier des architectures de DL sur des graphes et de rechercher comment transférer, adapter ou généraliser à ce domaine des concepts qui fonctionnent bien sur des données séquentielles et des images. Nous nous concentrons sur deux primitives importantes : le plongement de graphes ou leurs nœuds dans une représentation de l'espace vectorielle continue (codage) et, inversement, la génération des graphes à partir de ces vecteurs (décodage). Nous faisons les contributions suivantes. Tout d'abord, nous introduisons Edge-Conditioned Convolutions (ECC), une opération de type convolution sur les graphes réalisés dans le domaine spatial où les filtres sont générés dynamiquement en fonction des attributs des arêtes. La méthode est utilisée pour coder des graphes avec une structure arbitraire et variable. Deuxièmement, nous proposons SuperPoint Graph, une représentation intermédiaire de nuages de points avec de riches attributs des arêtes codant la relation contextuelle entre des parties des objets. Sur la base de cette représentation, l'ECC est utilisé pour segmenter les nuages de points à grande échelle sans sacrifier les détails les plus fins. Troisièmement, nous présentons GraphVAE, un générateur de graphes permettant de décoder des graphes avec un nombre de nœuds variable mais limité en haut, en utilisant la correspondance approximative des graphes pour aligner les prédictions d'un auto-encodeur avec ses entrées. La méthode est appliquée à génération de molécule

L'apprentissage profond sur graphes attribués: Un voyage aller-retour aux plongements des graphes

A graph is a powerful concept for representation of relations between pairs of entities. Data with underlying graph structure can be found across many disciplines, describing chemical compounds, surfaces of three-dimensional models, social interactions, or knowledge bases, to name only a few. There is a natural desire for understanding such data better. Deep learning (DL) has achieved significant breakthroughs in a variety of machine learning tasks in recent years, especially where data is structured on a grid, such as in text, speech, or image understanding. However, surprisingly little has been done to explore the applicability of DL on arbitrary graph-structured data directly. The goal of this thesis is to investigate architectures for DL on graphs and study how to transfer, adapt or generalize concepts that work well on sequential and image data to this domain. We concentrate on two important primitives: embedding graphs or their nodes into a continuous vector space representation (encoding) and, conversely, generating graphs from such vectors back (decoding). To that end, we make the following contributions.First, we introduce Edge-Conditioned Convolutions (ECC), a convolution-like operation on graphs performed in the spatial domain where filters are dynamically generated based on edge attributes. The method is used to encode graphs with arbitrary and varying structure.Second, we propose SuperPoint Graph, an intermediate point cloud representation with rich edge attributes encoding the contextual relationship between object parts. Based on this representation, ECC is employed to segment large-scale point clouds without major sacrifice in fine details.Third, we present GraphVAE, a graph generator allowing us to decode graphs with variable but upper-bounded number of nodes making use of approximate graph matching for aligning the predictions of an autoencoder with its inputs. The method is applied to the task of molecule generation.Le graphe est un concept puissant pour la représentation des relations entre des paires d'entités. Les données ayant une structure de graphes sous-jacente peuvent être trouvées dans de nombreuses disciplines, décrivant des composés chimiques, des surfaces des modèles tridimensionnels, des interactions sociales ou des bases de connaissance, pour n'en nommer que quelques-unes. L'apprentissage profond (DL) a accompli des avancées significatives dans une variété de tâches d'apprentissage automatique au cours des dernières années, particulièrement lorsque les données sont structurées sur une grille, comme dans la compréhension du texte, de la parole ou des images. Cependant, étonnamment peu de choses ont été faites pour explorer l'applicabilité de DL directement sur des données structurées sous forme des graphes. L'objectif de cette thèse est d'étudier des architectures de DL sur des graphes et de rechercher comment transférer, adapter ou généraliser à ce domaine des concepts qui fonctionnent bien sur des données séquentielles et des images. Nous nous concentrons sur deux primitives importantes : le plongement de graphes ou leurs nœuds dans une représentation de l'espace vectorielle continue (codage) et, inversement, la génération des graphes à partir de ces vecteurs (décodage). Nous faisons les contributions suivantes.Tout d'abord, nous introduisons Edge-Conditioned Convolutions (ECC), une opération de type convolution sur les graphes réalisés dans le domaine spatial où les filtres sont générés dynamiquement en fonction des attributs des arêtes. La méthode est utilisée pour coder des graphes avec une structure arbitraire et variable.Deuxièmement, nous proposons SuperPoint Graph, une représentation intermédiaire de nuages de points avec de riches attributs des arêtes codant la relation contextuelle entre des parties des objets. Sur la base de cette représentation, l'ECC est utilisé pour segmenter les nuages de points à grande échelle sans sacrifier les détails les plus fins.Troisièmement, nous présentons GraphVAE, un générateur de graphes permettant de décoder des graphes avec un nombre de nœuds variable mais limité en haut, en utilisant la correspondance approximative des graphes pour aligner les prédictions d'un auto-encodeur avec ses entrées. La méthode est appliquée à génération de molécules

OnionNet: Sharing Features in Cascaded Deep Classifiers

International audienceThe focus of our work is speeding up evaluation of deep neural networks in retrieval scenarios, where conventional architectures may spend too much time on negative examples. We propose to replace a monolithic network with our novel cascade of feature-sharing deep classifiers, called OnionNet, where subsequent stages may add both new layers as well as new feature channels to the previous ones. Importantly, intermediate feature maps are shared among classifiers, preventing them from the necessity of being recomputed. To accomplish this, the model is trained end-to-end in a principled way under a joint loss. We validate our approach in theory and on a synthetic benchmark. As a result demonstrated in three applications (patch matching, object detection, and image retrieval), our cascade can operate significantly faster than both monolithic networks and traditional cascades without sharing at the cost of marginal decrease in precision

Segmentation Sémantique à Grande Echelle par Graphe de Superpoints

International audienceWe propose a novel deep learning-based framework to tackle the challenge of semantic segmentation of large-scale point clouds of millions of points. We argue that the organization of 3D point clouds as interconnected object parts can be efficiently captured by a structure called superpoint graph (SPG). Our framework sets a new state of the art for segmenting outdoor LiDAR scans (+11.9 and +8.8 mIoU points for both Semantic3D test sets [13]), as well as indoor scans (+12.4 mIoU points for the S3DIS dataset [2]). This is a french translation of the article [25].Nous proposons dans cet article une méthode pour la seg-mentation sémantique de nuages de millions de points basée sur l'apprentissage profond. Nous introduisons une nouvelle structure pour les nuages de points 3D ap-pelée graphe de superpoints (superpoint graph, ou SPG), capable d'encoder demanì ere compacte l'organisation d'un nuage de points en sous-objets interconnectés. Notre méthode définit un nouveí etat de l'art pour la segmenta-tion sémantique de scans LiDAR aussi bien en extérieur (+11.9 et +8.8 points de mIoU pour les deux ensembles de tests de Semantic3D [13]), ainsi qu'en extérieur (+12.4 points de mIoU pour les acquisitions S3DIS [2])

Large-scale Point Cloud Semantic Segmentation with Superpoint Graphs

International audienceWe propose a novel deep learning-based framework to tackle the challenge of semantic segmentation of large-scale point clouds of millions of points. We argue that the organization of 3D point clouds can be efficiently captured by a structure called superpoint graph (SPG), derived from a partition of the scanned scene into geometrically homogeneous elements. SPGs offer a compact yet rich representation of contextual relationships between object parts, which is then exploited by a graph convolutional network. Our framework sets a new state of the art for segmenting outdoor LiDAR scans (+11.9 and +8.8 mIoU points for both Semantic3D test sets), as well as indoor scans (+12.4 mIoU points for the S3DIS dataset)

GraphVAE: Towards Generation of Small Graphs Using Variational Autoencoders

International audienceDeep learning on graphs has become a popular research topic with many applications. However, past work has concentrated on learning graph embedding tasks, which is in contrast with advances in generative models for images and text. Is it possible to transfer this progress to the domain of graphs? We propose to sidestep hurdles associated with linearization of such discrete structures by having a decoder output a probabilistic fully-connected graph of a predefined maximum size directly at once. Our method is formulated as a variational autoencoder. We evaluate on the challenging task of molecule generation

Dynamic Edge-Conditioned Filters in Convolutional Neural Networks on Graphs

International audienceA number of problems can be formulated as prediction on graph-structured data. In this work, we generalize the convolution operator from regular grids to arbitrary graphs while avoiding the spectral domain, which allows us to handle graphs of varying size and connec-tivity. To move beyond a simple diffusion, filter weights are conditioned on the specific edge labels in the neighborhood of a vertex. Together with the proper choice of graph coarsening, we explore constructing deep neural networks for graph classification. In particular, we demonstrate the generality of our formulation in point cloud classification , where we set the new state of the art, and on a graph classification dataset, where we outperform other deep learning approaches. The source code is available at https://github.com/mys007/ecc

Towards Variational Generation of Small Graphs

International audienceIn this paper we propose a generative model for graphs formulated as a variational autoencoder. We sidestep hurdles associated with linearization of graphs by having the decoder output a probabilistic fully-connected graph of a predefined maximum size directly at once. We evaluate on the challenging task of molecule generation