Méthodes eulériennes pour les problèmes inverses en transport optimal

Eulerian methods for inverse problems using optimal transport

• Auteur / Autrice : Matthieu Heitz
• Direction : David Coeurjolly, Nicolas Bonneel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/05/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'InfoRmatique en Images et Systèmes d'information (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Raphaëlle Chaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Coeurjolly, Nicolas Bonneel, Quentin Mérigot, Nicolas Courty, Julie Delon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Quentin Mérigot, Nicolas Courty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage supervisé (intelligence artificielle)

Vision par ordinateur

Problèmes inverses

Infographie

Mots clés libres

Transport optimal

Problèmes inverses

Optimisation

Informatique graphique

Vision par ordinateur

Machine learning

Optimal transport

Inverse Problems

Optimization

Computer graphics

Computer vision

Machine learning

Résumé

Cette thèse a pour but de développer de nouvelles méthodes numériques pour résoudre des problèmes inverses en transport optimal. On trouve les problèmes inverses dans divers disciplines telles que l’astronomie, la géophysique, ou l’imagerie médicale, mais aussi dans des domaines plus proches du sujet de cette thèse, à savoir la vision par ordinateur, l’informatique graphique, et l’apprentissage automatique. Les problèmes inverses sont en général difficiles à résoudre car ils sont souvent mal posés (nombre infini de solutions, instabilités), et les modèles non-linéaires du transport optimal apportent des défis supplémentaires. Cependant, ces problèmes sont importants à résoudre car ils nous permettent d’obtenir des résultats sur des quantités qui ne sont pas directement observables, ce qui peut apporter de précieuses informations dans de nombreux cas. Les techniques existantes pour résoudre les problèmes en traitement d’image et du signal et en apprentissage automatique considèrent souvent les histogrammes comme des vecteurs euclidiens. Elles ne parviennent donc pas à saisir et traiter correctement les relations sous-jacentes entre les bins des histogrammes, définies par la géométrie du domaine. Le transport optimal résout ce problème en définissant une distance entre histogrammes (et plus généralement entre distributions de probabilité) basée sur les distances entre les bins. Dans cette thèse, nous adaptons deux tâches classiques de l’apprentissage automatique à la géométrie du transport optimal : l’apprentissage de dictionnaire et l’apprentissage de métrique. Nos méthodes résolvent ces tâches en tant que problèmes d’optimisation et sont fondées sur la régularisation entropique du transport optimal, et la différentiation automatique. La régularisation fournit des approximations rapides, robustes et régulières (lisses) du transport, ce qui est essentiel pour obtenir des algorithmes d’optimisation efficaces. La différentiation automatique apporte une alternative rapide et fiable à la dérivation analytique manuelle, ce qui conduit à des méthodes flexibles. Nous illustrons nos deux algorithmes sur des applications en traitement d’image et en traitement du langage naturel

The goal of this thesis is to develop new numerical methods to address inverse problems using optimal transport. Inverse problems appear in many disciplines such as astronomy, geophysics or medical imaging, but also in fields closer to the focus of this thesis, namely computer vision, computer graphics, and machine learning. They are difficult problems by nature as they are often not well posed (infinite number of solutions, instabilities), and those that involve non-linear models such as optimal transport yield additional challenges. However, they are important problems to solve since they give access to quantities that are not directly observable, which provides major insight in many cases. Existing techniques for inverse problems in signal/image processing and machine learning often treat histograms as Euclidean data, hence they fail to grasp the underlying relationships between the bins, defined by the geometry of the domain. Optimal transport addresses this issue by building on the distance between bins to produce a distance between histograms (and more generally probability distributions). In this thesis, we adapt two well-known machine learning tasks to the optimal transport framework: dictionary learning and metric learning. Our methods address these tasks as optimization problems and rely on the entropic regularization of optimal transport, and automatic differentiation. The regularization provides fast, robust and smooth approximations of the transport, which are essential features for efficient optimization schemes. Automatic differentiation provides a fast and reliable alternative to manual analytical derivation, resulting in flexible frameworks. We motivate our algorithms with applications in image processing and natural language processing