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Chapitre 8 Les réseaux de neurones compétitifs

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Chapitre 8

Les réseaux de neurones compétitifs

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Réseaux de Neurones Application en Reconnaissance de Formes

d’après B. SolaimanDépt. Image & Traitement de l'Information

Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne

Les réseaux de neurones compétitifs

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 3

Plan

1. Introduction, définition

2. Réseaux compétitifs

- Règles et réseaux de base- Règles de Oja et Sanger

3. Réseaux de quantification vectorielle

4. Cartes topologiques de Kohonen

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Découverte

T. Kohonen, Self-Organizing Maps, 2e Edition, Springer, 1997. Approche pédagogique Haute teneur et formalisme mathématique

Approche vectorielle / matricielle

Modèles : SOM, famille LVQ Chapitre complet d’exemples

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1 Introduction, définitionClassification des réseaux de neurones

1 En fonction du mode d’apprentissage supervisé / non supervisé

2 En fonction de la fonction réalisée Extraction primitives /Décision /Extraction-Décision

3 En fonction du champs d’action en mise à jourMise à jour globale /Mise à jour sélective

4 En fonction de l’architecture/mode de connexion, etc.

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Problématique de Reconnaissance de Formes

2

Espace d'entrée

XExtraction

desprimitives

Espace des primitives

YSystème

dedécision

Espace des décisions

D

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3 Développement d’une solution neuronale

3Les réseaux de neurones extracteurs de primitives/Classifieurs

Réseau d’extraction de primitives / classifieurs

Extraction des

primitives

Système de

décision

Espace d’objets

Espace des primitives (d’observations)

Espace des décisions

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Laboratoire 2: Caractéristiques d’une image

Extraction des caractéristiques

Sous-image pour l ’apprentissage

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Exemple récent: classification de lots de canneberges

Canneberges sèches Éclairage ambiant Fond bleu Segmentation

Élimination du fond par division

Filtre median 5x5 Seuillage sur la couleur Segmentation sur courbure

Érosion

Pré-traitement

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Primitives visuellesEntrées: RVB moyen d’une cannebergeApprentissage: 100 échantillonsTest: 60 échantillons

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Résultats - fruits secs

Fruits Foncés Moyens Pâles Taux(sur 20)

Foncés 19 1 0 95 %

Moyens 2 17 1 85 %

Pâles 0 0 20 100 %

Total 21(35.0 %)

18(30.0%)

21(35,0 %)

93 %

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Réseau de neurones d’extraction de primitives

3 Développement d’une solution neuronale

2Les réseaux de neurones extracteurs de primitives

Système de décision

Espace d’objets

Espace des primitives

Espace des décisions

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Neurones pour lesquels les poids

synaptiques seront modifiés

1 Introduction

Les réseaux de neurones compétitifs

L'ajustement des poids synaptiques, suite à la présentation d'une forme, n'est pas automatiquement réalisé pour tous les neurones constituant le réseau.

XNeurones pour

lesquels les poids synaptiques ne seront pas

modifiés

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1 Introduction

Déroulement de l’apprentissage

1 Présentation d’une forme X

2 Une compétition est organisée. L’objectif est de déterminer les neurones gagnants.

3 Mise à jours sélectives des poids synaptiques des neurones gagnants.

Les réseaux compétitifsExtraction des primitives

Apprentissage supervisé ou non supervisé

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Phase de compétitionElle peut être logicielle

–Une fonction est appliquée au vecteur de sortie du réseau pour identifier le ou les neurone(s) gagnant(s).

–Exemple fréquent : ym* = Max (ym)Elle peut être neuronale

–Maxnet le gagant emporte tout Un seul neurone, le plus activé, demeure actif

–Chapeau mexicain Le neurone le plus activé et son entourage demeurent actifs

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A2 A3

A1 A4

1 1

1 1

Le réseau Maxnet

Fonction d’activation :

Étape 0 : Initialiser les activations et les poids

Étape 1 (tant que 4 vrai faire 2-4) :

Étape 2 : Mise à jour des activations

Étape 3 : Sauvegarder activations

Étape 4 : Si plus d’une activation 0 continuer, sinon arrêt

( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−= ∑

≠jkkjj )1ta)1t(afta ε

( ) m,,1j,)1t(ata jj L=−=

-

-

-

--

- ⎩⎨⎧

≠−=

=jisi

jisi1w ij ε

( ) jj Anoeudduentrée0a

( )⎩⎨⎧ >

=autremento

0xsixxf

m

10avec <<

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 17

A2 A3

A1 A4

1 1

1 1

Le réseau Maxnet : Exemple

Étape 0 : Initialiser les activations et les poids

Étape 1 (tant que 4 vrai faire 2-4) :

Étape 2 : Mise à jour des activations

Étape 3 : Sauvegarder activations

Étape 4 : Si plus d’une activation 0 continuer, sinon arrêt

( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−= ∑

≠jkkjj )1ta)1t(afta ε

( ) m,,1j,)1t(ata jj L=−=

-

-

-

--

- ⎩⎨⎧

≠−=

=jisi2.0

jisi1w ij

( ) jj Anoeudduentrée0a

A = [0,2 0,4 0,6 0,8]

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Xi-3 Xi-2 Xi-1 Xi Xi+1 Xi+2

XI+

3

si

w0 w2w2

w1w1

w3 w3

Le chapeau mexicain :

R2

R1

wk est positif dans 0 k R1 et négatif dans R1 k R2

x est le vecteur d’activationsx_vieux est le vecteurs d’activations à t-1t_max est le nombre maximal d’itérationss est un signal externe

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Le chapeau mexicain :

Xi-3 Xi-2 Xi-1 Xi

Xi+

1

Xi+

2

XI+

3

si

0.6 -0.4-0.4

0.60.6

R2

R1

C2 C1

Étape 0 : Initialiser t_max, R1, R2 et les poids C1 et C2

Étape 1 : Présenter s (x = s) et sauvegarder activations dans x_vieux (x_vieuxi = xi)

Étape 2 : Tant que t < t_max faire 3-7Étape 3 : Calculer la valeur Net

∑ ∑∑−−

−= +=++

−=+ ++=

1R

Rk

R

1Rkki2ki2

R

Rkki1i

1

2

2

1

1

1

vieux_xCvieux_xCvieux_xCx

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Le chapeau mexicain :

Xi-3 Xi-2 Xi-1 Xi

Xi+

1

Xi+

2

XI+

3

si

0.6 -0.4-0.4

0.60.6

R2

R1

C2 C1

Étape 4 : Appliquer la fonction d’activation rampe de 0 à x_max

xi = min (x_max, max(0, xi)

Étape 5 : Sauvegarder les activations xi courantes dans x_vieux Étape 6 : Incrémenter le compteur d’itérations (t = t + 1)Étape 7 : Tester la condition d’arrêt

Si t < t_max continuer, autrement arrêt

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Le chapeau mexicain : Exemple

Xi-3 Xi-2 Xi-1 Xi

Xi+

1

Xi+

2

XI+

3

0.6-0.4-0.4

0.60.6

Étape 1 : Présenter s (x = s) et sauvegarder activations dans x_vieux (x_vieuxi = xi)

x = ( 0.0, 0.5, 0.8, 1.0, 0.8, 0.5, 0.0)

x_vieux = ( 0.0, 0.5, 0.8, 1.0, 0.8, 0.5, 0.0)

Étape 2 : Tant que t < t_max faire 3-7

Étape 3 : Calculer la valeur Netx1 = 0.6 * (0.0) + 0.6 * (0.5) – 0.4 * (0.8) = -0.2x2 = 0.6 * (0.0) + 0.6 * (0.5) + 0.6 * (0.8) – 0.4 * (1.0) = 0.38x3 = -0.4 * (0.0) + 0.6 * (0.5) + 0.6 * (0.8) + 0.6 * (1.0) – 0.4 * (0.8) = 1.06x4 = -0.4 * (0.5) + 0.6 * (0.8) + 0.6 * (1.0) + 0.6 * (0.8) – 0.4 * (0.5) = 1.16……

x = ( 0.0 0.5 0.8 1.0 0.8 0.5 0.0)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 22

Le chapeau mexicain : Exemple (suite)

Xi-3 Xi-2 Xi-1 Xi

Xi+

1

Xi+

2

XI+

3

0.6-0.4-0.4

0.60.6

Étape 4 : Appliquer la fonction d’activation

x = ( 0.0 0.5 0.8 1.0 0.8 0.5 0.0)

x = (0.0, 0.38, 1.06, 1.16 …… )

Continuez … (à partir de l’étape 3 précédente)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 25

2Réseaux Compétitifs

Linéaires

m

x1 xn xN

wmn

wmNwm1

Couche d’entrée

Couche de sortie

yj=X . mT

y1 yM

Architecture : deux couches

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2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Neurone m* est le neurone gagnant ym* = yjNeurone m* est le neurone gagnant ym* = yj

m∈<1, M>Max

Un seul neurone gagnant

La compétition est à base de projection maximale.

Projection maximale Distance euclidienne minimale ?dist(X,Wm)=||X-Wm||2 = ||X||2 + || Wm ||2 - 2 X . Wm

T Equivalence lorsque X et Wj sont normalisés

Attention

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 27

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Donald HEBB : "The Organization of Behavior », 1949

Règle d’apprentissage de Hebb

Si deux neurones connectés entre eux sont activés au même moment, alors la connexion qui les relie doit être renforcée (i.e. principe de la récompense). Dans le cas contraire, la valeur de la connexion n'est pas modifiée (i.e. principe de la punition).

Zones d ’activités fonctionnelles(circuits neuronals)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 28

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Implémentation mathématiques

{Xk, k = 1, 2, …, K} une base d’apprentissage Initialisation aléatoire des poids synaptiques1

Apprentissage2

Présentation de la forme Xk à la couche d’entrée

Calcul de l’activation des neurones de la couche de sortieym(k), m = 1, 2, ..

a

b

Détermination du neurone gagnant m* cAjustement des poids synaptiques du neurone gagnant : d

pour n = 1, …, N

Δ Wj*= η ym*(k) xn(k)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 29

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Explication graphique

W1

W2WM

Wm* Xk

Neurone gagnant

vecteur des poids synaptiques du neurone

gagnant

W1

W2WM

Wm*

Xk

Nouveau vecteur des poids synaptiques

Compétition Adaptation

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 30

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Théorème  Le réseau compétitif linéaire associé avec la règle d'apprentissage de Hebb n'a aucun point d'équilibre stable.

Théorème  Le réseau compétitif linéaire associé avec la règle d'apprentissage de Hebb n'a aucun point d'équilibre stable.

Explication mathématique E {Wj*} 0Explication physique

Δ Wj*= η ym*(k) Xk

Incrémentation sans limite

Point d’équilibre

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 31

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Règle d’apprentissage d’Oja

{Xk, k = 1, 2, …, K} une base d’apprentissage Initialisation aléatoire des poids synaptiques1

Apprentissage2

Présentation de la forme Xk à la couche d’entrée

Calcul de l’activation des neurones de la couche de sortieym(k), m = 1, 2, ..

a

b

Détermination du neurone gagnant m* cAjustement des poids synaptiques du neurone gagnant : d

pour n = 1, …, N

Δ wm*n= η ym*(k) [xn(k) - ym*(k) wm*n]

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 32

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Explication

m*

x1(k) xn(k) xN(k)

Wm*n

Wm*NWm*1

ym*(k)

m*

x1(k) xn(k) xN(k)

Wm*nWm*1

ym*(k)

Principe de rétropropagation dans la règle d’Oja

Δ wm*n= η ym*(k) [xn(k) - ym*(k) wm*n]

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 33

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Théorème

L'algorithme d'apprentissage d'Oja appliqué à un réseau compétitif linéaire, converge en moyenne statistique vers un vecteur * ayant les propriétés suivantes :

|| *|| = 1.

* a la direction du vecteur propre maximal de la matrice de corrélation C.

* permet la maximisation de la variance de la sortie.

Théorème

L'algorithme d'apprentissage d'Oja appliqué à un réseau compétitif linéaire, converge en moyenne statistique vers un vecteur * ayant les propriétés suivantes :

|| *|| = 1.

* a la direction du vecteur propre maximal de la matrice de corrélation C.

* permet la maximisation de la variance de la sortie.

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 34

z = u + v

.... .

...... ..... ... ...y1

2 Problématique de reconnaissance de formes

Les primitives :

1 Les vecteurs propres

.... .

...... ..... ..

.. ...

x

y

i

j

z

z = x1 + y1 i j

x1

v

xi

j

z

u

V1

V2

V1 V2

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 35

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Règle d’apprentissage de Sanger

Décomposition sur les composantes principales

X = [x1, ….., xN] X = x1i1 + x2i2 + …+ xNiN

V1 : 1ère composante principaleVn : nème composante principale, n=2, 3, …, N

X = u1V1 + u2V2 + …+ uNVN

X Y = X - u1V1

V2 : 1ère composante principale du vecteur Y

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 36

2 Réseaux Compétitifs Linéaires

Règle de Sanger

1

{Xk, k = 1, 2, …, K} une base d’apprentissage

Application de la règle d’Oja V1

2 Transformation de la base d’apprentissage :

- Calculer la projection de Xksur V1 (i.e. calcul de u1)

- transformation XkYk= Xk- u1V1, k=1,…, K3 Application de la règle d’Oja V2

4 Répétition …...

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 37

3Réseaux de Quantification

VectorielleFondements : réduction des bases de données

X=[x1, .., xN]X=[u1,u2]P=[p1, .., pN]

CP QV

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 38

2 Problématique de reconnaissance de formes

3 Les vecteurs prototypes

z (x,y) z (d1,d2,d3)

... .. .

..

... ..

... .. .. .

..y

x

zP1

P2

P3

... .. .

..

... ..

... .. .. .

..d1

zd2d3

P1

P2

P3

... .. .

..

... . ... .

. .. ...

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 39

3 Réseaux de quantification vectorielle

Réseau de Kohonen-VQ non supervisé, 1983

m

x1 xn xN

wmn wmNwm1Couche d’entrée

Couche compétitive

ym=X . WmT

y1 yM

Δ wm*n= η(t) [xn(k) - wm*n]LVQ :

pour n = 1, …, N

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 40

3 Réseaux de quantification vectorielle

Quantification vectorielle non supervisée

.

. ..

..

.

.

.

.

.

... ..

. . ..

. .. .. ... .. .. . .

. . .. .. .

.

. ..

..

.

.

.

.

.

... ..

. . ..

. .. .. ... .. .. . .

. . .. .. .

.

. ..

..

.

.

.

.

.

...

..

. . ..

. .. .. ... .. .. . .

.. .. .. .

Quantification vectorielle supervisée

.

. ..

..

.

.

.

.

.

...

..

. . ..

. .. .. ... .. .. . .

.. .. .. .

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 41

3 Réseaux de quantification vectorielle

Explication graphique

W1

W2WM

Wm* Xk

Neurone gagnant

vecteur des poids synaptiques du neurone

gagnant

W1

W2WM

Wm*Xk

Nouveau vecteur des poids synaptiques

Compétition Adaptation

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 42

3 Réseaux de quantification vectorielle

Il s’agit d ’un apprentissage non supervisé

Adaptation des poids plus sévère que celle de Hebb

Règle de Hebb Algorithme LVQ

Convergence non garantie

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 43

3 Réseaux de quantification vectorielle

Réseaux de Kohonen-VQ supervisés

B = {(Xk,Dk), k=1, 2, .., K}, base étiquetée1

2 Architecture : réseaux compétitif linéaire

3 Les neurones de la couche de sortie sont étiquetés

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 44

3 Réseaux de quantification vectorielle

L’algorithme d’apprentissage LVQ1Retour au principe de Récompense/Punition

W1

W2

WM Wm*

Xk

Wm*

RécompenseClasse(Xk) = Classe (Wm*)

Punition

Classe(Xk) Classe (Wm*)

W1

W2

WM Wm*

Xk

Wm*

(j*) = + (t) [Xk - Wm*] Si Classe(Xk) = Classe (Wm*)

(j*) = - (t) [Xk - Wm*] Si Classe(Xk) Classe (Wm*)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 45

3 Réseaux de quantification vectorielle

L’algorithme d’apprentissage LVQ2La course aux performances ……...

L'adaptation des vecteurs de référence correspondants Wm1 et Wm2 est réalisée si et seulement si les trois conditions suivantes sont vérifiées :

La compétition fournit deux neurones gagnants :le premier m1 et le second m2 gagnants.

L’esprit de l’algorithme de Kohonen :

Maintenir le principe de Récompense/Punition

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 46

3 Réseaux de quantification vectorielle

Classe(Xk) Classe(Wm1) erreur de classification du neurone gagnant

1

2

3

Classe(Xk) = Classe(Wm2) bonne classification du second neurone gagnant

le vecteur Xk est très proche de la surface de séparation entre les classes m1 et m2

distance(Xk,Wm2) distance(Xk,Wm1)

Adaptation

Wm1 = - (t) [Xk - Wm1] PunitionWm2 = + (t) [Xk - Wm2] Récompense

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 47

3 Réseaux de quantification vectorielle

Surface de séparation

Zone de modification

Pas de modification

Récompense / Punition

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 48

4 Cartes topologiques de Kohonen

1ère constatation

L’organisation linéaire n’a pour intérêt que l’aspect pédagogique.

2ème constatation

Les réseaux compétitifs linéairess’éloignent de la réalité Neurobiologique« les zones d’activité ».

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 49

4 Cartes topologiques de Kohonen

Architecture proposée : une couche linéaire mono ou multi dimensionnel.

m

Voisins ordonnésdu neurone m

i

j

1 2 3 1

2

3

Un neurone est caractérisé par ses poids synaptiques

et par sa position ( notion de voisinage topologique)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 50

4 Cartes topologiques de Kohonen

Formes de voisinage (2D)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 51

4 Cartes topologiques de Kohonen

Algorithme d’apprentissage non supervisé

Etant donnée la base d’apprentissage B, on " choisit "

1. la taille de la carte

2. une fonction monotone décroissante 0<(t)<1 : fonction d’influence temporelle (les modifications diminuent en fonction du temps, Question d’âge !!!)

3. un voisinage topologique V(t) décroissant

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 52

4 Cartes topologiques de Kohonen

Parcours de la base d'apprentissage

1

2

3

Présentation d’une forme d’entrée X

Détermination du neurone gagnant

Adaptation des poids synaptiques des vecteurs de référence se trouvant dans le voisinage topologique V(t) du neurone gagnant :

Wm = - (m,m*) (t) [Xk - Wm]

m Vm*(t), (m,m*) interaction latérale

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 53

4 Cartes topologiques de Kohonen

Exemple :

Neurone gagnantNeurone m Vm*(t0)

(t)

tt0

1

Instant : t0

Vecteur d’entrée : X

(t0)

(m,m*) = 1, m Vm*(t) : Interaction latérale uniforme

(m,m*) gaussien

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 54

4 Cartes topologiques de Kohonen

Caractéristique essentielle des cartes de Kohonen,La préservation topologique :Deux vecteurs « similaires » dans l’espace des objets, vontactiver deux neurones « topologiquement proches » sur la carte de Kohonen.

« distance »

« distance »

« similaire »« similaire »

« similaire »

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 55

5 Applications

Reconnaissance Optique des Caractères (O.C.R)

Compression d’images / codage conjoint Source-Canal

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 56

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 57

5 Applications - Compression d’images

Compression d’images / codage conjoint Source-Canal

Méthodes decompression

Réversibleapplication médicaletaux de compression peu élevé

Irréversibletaux élevédistorsion introduite

Spécifiqueadaptée à l’application

connaissances a priori sur le contenu

Génériquetransformation + élimination

des hautes fréquencesTextures mal restituées

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 58

5 Applications - Compression d’images

Quantification Vectorielle (QV)

indices

Le plusLe plusproche voisinproche voisin

Dictionnaire des mots de

codeDictionnaire

Imageoriginale

Imagereconstruite

bloc

...

W

W

W

W

. . .. . .RestitutionRestitution

du blocdu bloc

. . .. . .

W

W

W

W

Codeur Décodeur

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 59

5 Applications - Compression d’images

Avantages / problèmes

Le plusproche voisin

...

. . .. . .Restitution . . .. . .

...

Adaptation à l’imageCréation des motsde code ?

Transmission bruitéeArchivage : taux élevé ?Indexation ?

Effet de blocs

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 60

5 Applications - Compression d’images

Création du dictionnaire

X =

x

Poids synaptiques Wi (mots de code)

Base d’apprentissage

Activationsdes neurones

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 61

5 Applications - Compression d’images

Création du dictionnaire

x

Représentation graphique du dictionnaire

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 62

5 Applications - Compression d’images

Dictionnaire obtenu

Dictionnaire SOFM Dictionnaire LBG(algorithme classique des

K-means)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 63

5 Applications - Compression d’images

Exemples d’apprentissage

Image d’apprentissage Image de test

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 64

5 Applications - Compression d’images

Exemples d’apprentissage

Dictionnaire

Image de test

Image testée

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 65

5 Applications - Compression d’images

Exemples d’apprentissage

Dictionnaire

Image de test

Image testée

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 66

5 Applications - Compression d’images

Exemples d’images comprimées

Image originale Image codée

Taux de compression =16

(i.e. taille imagette = 4 x 4, SOFM = 16 x 16 );PSNR = 29,2 dB;

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 67

5 Applications - Compression d’images

Cartes topologiques de dimensions supérieures

SOFM, 2D(exemple, 16 x 16)

SOFM, 3D(exemple, 8 x 8 x 8)

SOFM, 4D (exemple, 4 x 4 x 4 x 4 ) …….

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 68

5 Applications - Compression d’images

SOFM, 3D, 8 x 8 x 8 SOFM, 4D, 4 x 4 x 4 x 4

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 69

5 Applications - Compression d’images

Codage Conjoint Source/Canal

Transmission d’images fixes sur un canal bruité

Q

I

Le dictionnaire bidimensionnel

Points de la constellation de la MAQ-64

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 70

5 Applications - Compression d’images

Exemple de mapping optimal entre une MAQ-64 etun dictionnaire bidimensionnel

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 71

5 Applications - Compression d’images

Mapping optimal

MAQ-64 sur un canal Gaussien

PSNR = 27,6 dB; TES = 10%

Mapping non optimisé

MAQ-64 sur un canal Gaussien

PSNR = 19,9 dB; TES = 10%

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 72

5 Applications - Compression d’images

Dictionnaire non-ordonné (k-means) PSNR = 17.31 dB

Dictionnaire KohonenPSNR = 24.48 dB

Images échoendoscopiques reconstruites :

(taux de compression = 16, taux d’erreur = 50%)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 73

5 Applications - Compression d’images

Réduction de l’effet de bloc par un réseau multicouches

Effet de bloc

Image comprimée Image étendue

Méthode de post-traitement

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 74

5 Applications - Compression d’images

x1

x2

xn

y1

ym

Image comprimée, taux=16, PSNR=28.79 dB

Image comprimée et post-traitée, PSNR=29.70 dB

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 75

5 Applications - OCR

Reconnaissance Optique des Caractères (O.C.R)

5, Chiffre « 5 » SOFM(Self Organizing Feature Map)

55

Vecteurs prototypes

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 76

5 Applications - OCR

Entrée du réseau :

X =

16

16

Niveau de gris [0, 25]

Normalisation à [0, 1]

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 77

5 Applications - OCR

Architecture du réseau :

X

1010

i

j

Imagette des poids synaptiques du neurone

(i,j)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 78

5 Applications - OCR

Base d’apprentissage : S.R.T.P (France)5000 Chiffres

Poids synaptiques à la convergence :

Préservation topologique

Transitions « douces »

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 79

5 Applications - OCR

Exploitation des résultats

Classification

Base d’apprentissage(5000 chiffres)

Base de test(5000 chiffres)

SOFM*Réseau

multicouches

75 % 65 %

96 % 93 %

* Les neurones de la carte de Kohonen sont étiquetés

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 80

5 Applications - OCR

Solution : Hybrid Learning Vector Quantization

Objectif : Couplage de la préservation topologique et les performance de l’apprentissage supervisé.

Réseau HLVQ

Architecture : Carte topologique de Kohonen

Apprentissage : Hybride Kohonen non supervisé

Focalisation d’attention

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 81

5 Applications - OCR

Algorithme d’apprentissage du réseau HLVQ

1

2

3

Initialisation aléatoire des poids synaptiques

Étiquetage initial des neurones de la carte

Parcours de la base d’apprentissage :Présentation d’une forme X à l ’entrée du réseauDétermination des deux neurones gagnants sur la carteApplication de l’algorithme d’apprentissage non supervisé de KohonenApprentissage supervisé : Focalisation d ’attention

4 Test fin d’apprentissage

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 82

5 Applications - OCR

Cas 1 : Focalisation d’attention = Algorithme LVQ2

a=10

a=20

a=50 Convergence

a : Nombre d’itérations d’apprentissage

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 83

5 Applications - OCR

Modification de l'algorithme LVQ2:Exploiter la relation topologique reliant les différents neurones de la carte en recherchant dans le voisinage des neurones gagnants ceux qui sont susceptibles d'apporter une meilleure réponse en termes d'activation et de reconnaissance.

Cas 2 :

Focalisation d’attention = Algorithme LVQ2 modifié

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 84

5 Applications - OCR

Les poids synaptiques du réseau HLVQ

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 85

5 Applications - OCR

Classification

Base d’apprentissage(5000 chiffres)

Base de test(5000 chiffres)

SOFM

Réseau multicouches

75 % 65 %

96 % 93 %

HLVQ-LVQ2 97 % 90 %

HLVQ-LVQmodifié

96.8 % 89.8 %

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 86

5 Applications - Réseau GAL

Le réseau GAL (Grow And Learn) est destiné à l’extraction de primitives de types formes prototype tout en ayant une architecture multicouches.

x1

x2

xn

xN

we,n Ae

Winnertake all

Winnertake all Ee tm,e

C1

Cm

CM

Couche d’entréeCouche d’entrée

Couche cachée (couche des formes)

Couche cachée (couche des formes)

Couche de sortie (couche des classes)

Couche de sortie (couche des classes)

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 87

5 Applications - Réseau GAL

Ae = xn we,n

n = 1

N∑

Couche des formes mémorisées :

n,e est le poids synaptique reliant l'entrée "n" à la cellule "e"

Le vecteur e mémorise la forme « Xe »

Ee = 1 si Ae = ( Ai )= 0 sinon

Maxi

tem = 1 si le neurone "e" est étiqueté de la classe m,= 0 sinon

Cm = Ee tme

e∑

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 88

5 Applications - Réseau GAL

L'algorithme d'apprentissage du réseau GAL

1 Une forme X correspondant à la classe m est présentée

2 Vérification de l'existence de la classe :

si cette classe n'existe pas : un neurone "m" est créé

un neurone "e" est créé

si cette classe “m” existe déjà la forme X est présentée à l'entrée du réseausi la décision prise par le réseau est bonne, alors pas de modificationsi la décision prise par le réseau est mauvaise, alors

un neurone « e » est créé, ses poids seront :

We = X et tm’e = 1 si m' = m

= 0 sinon

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GPA-779 Application des réseaux de neurones et des systèmes expertsCours #6 - 89

5 Applications - Réseau GAL

m1 m2

e1(m1)

e1(m2)

m1 m2

e1(m1)

e1(m2)e2(m1)

Exemple de la création séquentielle de neurones de formes

Apprentissage incrémental …..