Spatial information and end-to-end learning for visual recognition

par Mingyuan Jiu

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Atilla Baskurt et de Christian Wolf.

Soutenue le 03-04-2014

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon , en partenariat avec LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Lyon, Rhône) (laboratoire) et de Laboratoire d'InfoRmatique en Images et Systèmes d'Information / LIRIS (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Trémeau.

Le jury était composé de Atilla Baskurt, Christian Wolf, Alain Trémeau, Matthieu Cord, Mcihèle Rombaut, Cordelia Schmidt, Graham Taylor.

Les rapporteurs étaient Matthieu Cord, Mcihèle Rombaut.

  • Titre traduit

    Informations spatiales et apprentissage bout-en-bout pour la reconnaissance visuelle


  • Résumé

    Dans cette thèse nous étudions les algorithmes d'apprentissage automatique pour la reconnaissance visuelle. Un accent particulier est mis sur l'apprentissage automatique de représentations, c.à.d. l'apprentissage automatique d'extracteurs de caractéristiques; nous insistons également sur l'apprentissage conjoint de ces dernières avec le modèle de prédiction des problèmes traités, tels que la reconnaissance d'objets, la reconnaissance d'activités humaines, ou la segmentation d'objets. Dans ce contexte, nous proposons plusieurs contributions : Une première contribution concerne les modèles de type bags of words (BoW), où le dictionnaire est classiquement appris de manière non supervisée et de manière autonome. Nous proposons d'apprendre le dictionnaire de manière supervisée, c.à.d. en intégrant les étiquettes de classes issues de la base d'apprentissage. Pour cela, l'extraction de caractéristiques et la prédiction de la classe sont formulées en un seul modèle global de type réseau de neurones (end-to-end training). Deux algorithmes d'apprentissage différents sont proposés pour ce modèle : le premier est basé sur la retro-propagation du gradient de l'erreur, et le second procède par des mises à jour dans le diagramme de Voronoi calculé dans l'espace des caractéristiques. Une deuxième contribution concerne l'intégration d'informations géométriques dans l'apprentissage supervisé et non-supervisé. Elle se place dans le cadre d'applications nécessitant une segmentation d'un objet en un ensemble de régions avec des relations de voisinage définies a priori. Un exemple est la segmentation du corps humain en parties ou la segmentation d'objets spécifiques. Nous proposons une nouvelle approche intégrant les relations spatiales dans l'algorithme d'apprentissage du modèle de prédication. Contrairement aux méthodes existantes, les relations spatiales sont uniquement utilisées lors de la phase d'apprentissage. Les algorithmes de classification restent inchangés, ce qui permet d'obtenir une amélioration du taux de classification sans augmentation de la complexité de calcul lors de la phase de test. Nous proposons trois algorithmes différents intégrant ce principe dans trois modèles : - l'apprentissage du modèle de prédiction des forêts aléatoires, - l'apprentissage du modèle de prédiction des réseaux de neurones (et de la régression logistique), - l'apprentissage faiblement supervisé de caractéristiques visuelles à l'aide de réseaux de neurones convolutionnels.


  • Résumé

    In this thesis, we present our research on visual recognition and machine learning. Two types of visual recognition problems are investigated: action recognition and human body part segmentation problem. Our objective is to combine spatial information such as label configuration in feature space, or spatial layout of labels into an end-to-end framework to improve recognition performance. For human action recognition, we apply the bag-of-words model and reformulate it as a neural network for end-to-end learning. We propose two algorithms to make use of label configuration in feature space to optimize the codebook. One is based on classical error backpropagation. The codewords are adjusted by using gradient descent algorithm. The other is based on cluster reassignments, where the cluster labels are reassigned for all the feature vectors in a Voronoi diagram. As a result, the codebook is learned in a supervised way. We demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms on the standard KTH human action dataset. For human body part segmentation, we treat the segmentation problem as classification problem, where a classifier acts on each pixel. Two machine learning frameworks are adopted: randomized decision forests and convolutional neural networks. We integrate a priori information on the spatial part layout in terms of pairs of labels or pairs of pixels into both frameworks in the training procedure to make the classifier more discriminative, but pixelwise classification is still performed in the testing stage. Three algorithms are proposed: (i) Spatial part layout is integrated into randomized decision forest training procedure; (ii) Spatial pre-training is proposed for the feature learning in the ConvNets; (iii) Spatial learning is proposed in the logistical regression (LR) or multilayer perceptron (MLP) for classification.


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