Apprentissage autosupervisé de modèles prédictifs de segmentation à partir de vidéos

Self-supervised learning of predictive segmentation models from video

• Auteur / Autrice : Pauline Luc
• Direction : Jakob Verbeek, Camille Couprie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et informatique
• Date : Soutenance le 25/06/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Élisa Fromont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Perronnin, Tinne Tuytelaars
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Wolf, Patrick Pérez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vision par ordinateur

Apprentissage profond

Mots clés libres

Apprentissage profond

Segmentation sémantique

Segmentation d’instance

Modèles génératifs

Apprentissage prédictif

Compréhension vidéo

Deep learning

Semantic segmentation

Instance segmentation

Generative modeling

Predictive learning

Video understanding

Résumé

Les modèles prédictifs ont le potentiel de permettre le transfert des succès récents en apprentissage par renforcement à de nombreuses tâches du monde réel, en diminuant le nombre d’interactions nécessaires avec l’environnement.La tâche de prédiction vidéo a attiré un intérêt croissant de la part de la communauté ces dernières années, en tant que cas particulier d’apprentissage prédictif dont les applications en robotique et dans les systèmes de navigations sont vastes.Tandis que les trames RGB sont faciles à obtenir et contiennent beaucoup d’information, elles sont extrêmement difficile à prédire, et ne peuvent être interprétées directement par des applications en aval.C’est pourquoi nous introduisons ici une tâche nouvelle, consistant à prédire la segmentation sémantique ou d’instance de trames futures.Les espaces de descripteurs que nous considérons sont mieux adaptés à la prédiction récursive, et nous permettent de développer des modèles de segmentation prédictifs performants jusqu’à une demi-seconde dans le futur.Les prédictions sont interprétables par des applications en aval et demeurent riches en information, détaillées spatialement et faciles à obtenir, en s’appuyant sur des méthodes état de l’art de segmentation.Dans cette thèse, nous nous attachons d’abord à proposer pour la tâche de segmentation sémantique, une approche discriminative se basant sur un entrainement par réseaux antagonistes.Ensuite, nous introduisons la tâche nouvelle de prédiction de segmentation sémantique future, pour laquelle nous développons un modèle convolutionnel autoregressif.Enfin, nous étendons notre méthode à la tâche plus difficile de prédiction de segmentation d’instance future, permettant de distinguer entre différents objets.Du fait du nombre de classes variant selon les images, nous proposons un modèle prédictif dans l’espace des descripteurs d’image convolutionnels haut niveau du réseau de segmentation d’instance Mask R-CNN.Cela nous permet de produire des segmentations visuellement plaisantes en haute résolution, pour des scènes complexes comportant un grand nombre d’objets, et avec une performance satisfaisante jusqu’à une demi seconde dans le futur.

Predictive models of the environment hold promise for allowing the transfer of recent reinforcement learning successes to many real-world contexts, by decreasing the number of interactions needed with the real world.Video prediction has been studied in recent years as a particular case of such predictive models, with broad applications in robotics and navigation systems.While RGB frames are easy to acquire and hold a lot of information, they are extremely challenging to predict, and cannot be directly interpreted by downstream applications.Here we introduce the novel tasks of predicting semantic and instance segmentation of future frames.The abstract feature spaces we consider are better suited for recursive prediction and allow us to develop models which convincingly predict segmentations up to half a second into the future.Predictions are more easily interpretable by downstream algorithms and remain rich, spatially detailed and easy to obtain, relying on state-of-the-art segmentation methods.We first focus on the task of semantic segmentation, for which we propose a discriminative approach based on adversarial training.Then, we introduce the novel task of predicting future semantic segmentation, and develop an autoregressive convolutional neural network to address it.Finally, we extend our method to the more challenging problem of predicting future instance segmentation, which additionally segments out individual objects.To deal with a varying number of output labels per image, we develop a predictive model in the space of high-level convolutional image features of the Mask R-CNN instance segmentation model.We are able to produce visually pleasing segmentations at a high resolution for complex scenes involving a large number of instances, and with convincing accuracy up to half a second ahead.