Apprentissage par noyaux multiples : application à la classification automatique des images biomédicales microscopiques

Multiple kernel learning : contribution to the automatic classification of microscopic medical images

• Auteur / Autrice : Abir Zribi
• Direction : Alain Rakotomamonjy, Maxime Berar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/03/2016
• Etablissement(s) : Rouen, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : : Normandie Université (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de traitement de l'information et des systèmes (Saint-Etienne du Rouvray, Seine-Maritime ; 2006-...)
• Jury : Président / Présidente : Denis Hamad
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Rakotomamonjy, Maxime Berar, Denis Hamad, Michel Desvignes, Yves Lucas, Sébastien Adam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Desvignes, Yves Lucas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagnostic assisté par ordinateur

Représentation parcimonieuse

Traitement d'images

Adressage des protéines

Apprentissage automatique

Machines à vecteurs de support

Mots clés libres

Fusion des descripteurs

Sélection des noyaux

Termes régularisants

Corrélation

MKL

Subcellular protein localization

Kernels

Computer aided diagnostic system

Microscopic image classification

Sparsity

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de diagnostic assisté par ordinateur pour la localisation subcellulaire des protéines dans les images microscopiques. L'objectif est la conception et le développement d'un système de classification automatique permettant d'identifier le compartiment cellulaire dans lequel une protéine d'intérêt exerce son activité biologique. Afin de surmonter les difficultés rencontrées pour discerner les compartiments cellulaires présents dans les images microscopiques, les systèmes décrits dans la littérature proposent d'extraire plusieurs descripteurs associés à une combinaison de classifieurs. Dans cette thèse, nous proposons un schéma de classification différent répondant mieux aux besoins de généricité et de flexibilité pour traiter différentes bases d'images.Dans le but de fournir une caractérisation riche des images microscopiques, nous proposons un nouveau système de représentation permettant d'englober de multiples descripteurs visuels identifiés dans les différentes approches d'extraction de caractéristiques : locale, fréquentielle, globale et par région. Nous formulons ensuite le problème de fusion et de sélection des caractéristiques sous forme d'un problème de sélection de noyaux. Basé sur l'apprentissage de noyaux multiples (MKL), les tâches de sélection et de fusion de caractéristiques sont considérées simultanément. Les expériences effectuées montrent que la plateforme de classification proposée est à la fois plus simple, plus générique et souvent plus performante que les autres approches de la littérature. Dans le but d'approfondir notre étude sur l'apprentissage de noyaux multiples, nous définissons un nouveau formalisme d'apprentissage MKL réalisé en deux étapes. Cette contribution consiste à proposer trois termes régularisant liés à la résolution du problème d'apprentissage des poids associés à une combinaison linéaire de noyaux, problème reformulé en un problème de classification à vaste marge dans l'espace des couples. Le premier terme régularisant proposé assure une sélection parcimonieuse des noyaux. Les deux autres termes ont été conçus afin de tenir compte de la similarité entre les noyaux via une métrique basée sur la corrélation. Les différentes expérimentations réalisées montrent que le formalisme proposé permet d'obtenir des résultats de même ordre que les méthodes de référence, mais offrant l'avantage d'utiliser moins de fonctions noyaux.

This thesis arises in the context of computer aided analysis for subcellular protein localization in microscopic images. The aim is the establishment of an automatic classification system allowing to identify the cellular compartment in which a protein of interest exerts its biological activity. In order to overcome the difficulties in attempting to discern the cellular compartments in microscopic images, the existing state-of-art systems use several descriptors to train an ensemble of classifiers. In this thesis, we propose a different classification scheme wich better cope with the requirement of genericity and flexibility to treat various image datasets. Aiming to provide an efficient image characterization of microscopic images, a new feature system combining local, frequency-domain, global, and region-based features is proposed. Then, we formulate the problem of heterogeneous feature fusion as a kernel selection problem. Using multiple kernel learning, the problems of optimal feature sets selection and classifier training are simultaneously resolved. The proposed combination scheme leads to a simple and a generic framework capable of providing a high performance for microscopy image classification. Extensive experiments were carried out using widely-used and best known datasets. When compared with the state-of-the-art systems, our framework is more generic and outperforms other classification systems. To further expand our study on multiple kernel learning, we introduce a new formalism for learning with multiple kernels performed in two steps. This contribution consists in proposing three regularized terms with in the minimization of kernels weights problem, formulated as a classification problem using Separators with Vast Margin on the space of pairs of data. The first term ensures that kernels selection leads to a sparse representation. While the second and the third terms introduce the concept of kernels similarity by using a correlation measure. Experiments on various biomedical image datasets show a promising performance of our method compared to states of art methods.