Réseaux de neurones récurrents pour la classification de séquences dans des flux audiovisuels parallèles

Recurrent neural networks for sequence classification in parallel TV streams

• Auteur / Autrice : Mohamed Bouaziz
• Direction : Georges Linarès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Information et Communication
• Date : Soutenance le 06/12/2017
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire informatique d'Avignon
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Bonastre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Linarès, Jean-François Bonastre, Yannick Estève, Irina Illina, Richard Dufour, Mohamed Morchid, Nathalie Camelin, Benoît Favre, Prosper Correa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Estève, Irina Illina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal -- Techniques numériques

Montage virtuel (audiovisuel)

Prédiction séquentielle

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Flux parallèles

Classification de séquences

LSTM Parallèles

Représentations vectorielles de séquences parallèles

Parallel LSTM

Multi-stream Sequence Embedding

Parallel streams

Sequence classification

Résumé

Les flux de contenus audiovisuels peuvent être représentés sous forme de séquences d’événements (par exemple, des suites d’émissions, de scènes, etc.). Ces données séquentielles se caractérisent par des relations chronologiques pouvant exister entre les événements successifs. Dans le contexte d’une chaîne TV, la programmation des émissions suit une cohérence définie par cette même chaîne, mais peut également être influencée par les programmations des chaînes concurrentes. Dans de telles conditions,les séquences d’événements des flux parallèles pourraient ainsi fournir des connaissances supplémentaires sur les événements d’un flux considéré.La modélisation de séquences est un sujet classique qui a été largement étudié, notamment dans le domaine de l’apprentissage automatique. Les réseaux de neurones récurrents de type Long Short-Term Memory (LSTM) ont notamment fait leur preuve dans de nombreuses applications incluant le traitement de ce type de données. Néanmoins,ces approches sont conçues pour traiter uniquement une seule séquence d’entrée à la fois. Notre contribution dans le cadre de cette thèse consiste à élaborer des approches capables d’intégrer conjointement des données séquentielles provenant de plusieurs flux parallèles.Le contexte applicatif de ce travail de thèse, réalisé en collaboration avec le Laboratoire Informatique d’Avignon et l’entreprise EDD, consiste en une tâche de prédiction du genre d’une émission télévisée. Cette prédiction peut s’appuyer sur les historiques de genres des émissions précédentes de la même chaîne mais également sur les historiques appartenant à des chaînes parallèles. Nous proposons une taxonomie de genres adaptée à de tels traitements automatiques ainsi qu’un corpus de données contenant les historiques parallèles pour 4 chaînes françaises.Deux méthodes originales sont proposées dans ce manuscrit, permettant d’intégrer les séquences des flux parallèles. La première, à savoir, l’architecture des LSTM parallèles(PLSTM) consiste en une extension du modèle LSTM. Les PLSTM traitent simultanément chaque séquence dans une couche récurrente indépendante et somment les sorties de chacune de ces couches pour produire la sortie finale. Pour ce qui est de la seconde proposition, dénommée MSE-SVM, elle permet de tirer profit des avantages des méthodes LSTM et SVM. D’abord, des vecteurs de caractéristiques latentes sont générés indépendamment, pour chaque flux en entrée, en prenant en sortie l’événement à prédire dans le flux principal. Ces nouvelles représentations sont ensuite fusionnées et données en entrée à un algorithme SVM. Les approches PLSTM et MSE-SVM ont prouvé leur efficacité dans l’intégration des séquences parallèles en surpassant respectivement les modèles LSTM et SVM prenant uniquement en compte les séquences du flux principal. Les deux approches proposées parviennent bien à tirer profit des informations contenues dans les longues séquences. En revanche, elles ont des difficultés à traiter des séquences courtes.L’approche MSE-SVM atteint globalement de meilleures performances que celles obtenues par l’approche PLSTM. Cependant, le problème rencontré avec les séquences courtes est plus prononcé pour le cas de l’approche MSE-SVM. Nous proposons enfin d’étendre cette approche en permettant d’intégrer des informations supplémentaires sur les événements des séquences en entrée (par exemple, le jour de la semaine des émissions de l’historique). Cette extension, dénommée AMSE-SVM améliore remarquablement la performance pour les séquences courtes sans les baisser lorsque des séquences longues sont présentées.

In the same way as TV channels, data streams are represented as a sequence of successive events that can exhibit chronological relations (e.g. a series of programs, scenes, etc.). For a targeted channel, broadcast programming follows the rules defined by the channel itself, but can also be affected by the programming of competing ones. In such conditions, event sequences of parallel streams could provide additional knowledge about the events of a particular stream. In the sphere of machine learning, various methods that are suited for processing sequential data have been proposed. Long Short-Term Memory (LSTM) Recurrent Neural Networks have proven its worth in many applications dealing with this type of data. Nevertheless, these approaches are designed to handle only a single input sequence at a time. The main contribution of this thesis is about developing approaches that jointly process sequential data derived from multiple parallel streams. The application task of our work, carried out in collaboration with the computer science laboratory of Avignon (LIA) and the EDD company, seeks to predict the genre of a telecast. This prediction can be based on the histories of previous telecast genres in the same channel but also on those belonging to other parallel channels. We propose a telecast genre taxonomy adapted to such automatic processes as well as a dataset containing the parallel history sequences of 4 French TV channels. Two original methods are proposed in this work in order to take into account parallel stream sequences. The first one, namely the Parallel LSTM (PLSTM) architecture, is an extension of the LSTM model. PLSTM simultaneously processes each sequence in a separate recurrent layer and sums the outputs of each of these layers to produce the final output. The second approach, called MSE-SVM, takes advantage of both LSTM and Support Vector Machines (SVM) methods. Firstly, latent feature vectors are independently generated for each input stream, using the output event of the main one. These new representations are then merged and fed to an SVM algorithm. The PLSTM and MSE-SVM approaches proved their ability to integrate parallel sequences by outperforming, respectively, the LSTM and SVM models that only take into account the sequences of the main stream. The two proposed approaches take profit of the information contained in long sequences. However, they have difficulties to deal with short ones. Though MSE-SVM generally outperforms the PLSTM approach, the problem experienced with short sequences is more pronounced for MSE-SVM. Finally, we propose to extend this approach by feeding additional information related to each event in the input sequences (e.g. the weekday of a telecast). This extension, named AMSE-SVM, has a remarkably better behavior with short sequences without affecting the performance when processing long ones.