Deep Learning on Attributed Graphs
L'apprentissage profond sur graphes attribués
Résumé
A graph is a powerful concept for representation of relations between pairs of entities. Data with underlying graph structure can be found across many disciplines, describing chemical compounds, surfaces of three-dimensional models, social interactions, or knowledge bases, to name only a few. There is a natural desire for understanding such data better. Deep learning (DL) has achieved significant breakthroughs in a variety of machine learning tasks in recent years, especially where data is structured on a grid, such as in text, speech, or image understanding. However, surprisingly little has been done to explore the applicability of DL on arbitrary graph-structured data directly.
The goal of this thesis is to investigate architectures for DL on graphs and study how to transfer, adapt or generalize concepts that work well on sequential and image data to this domain. We concentrate on two important primitives: embedding graphs or their nodes into a continuous vector space representation (encoding) and, conversely, generating graphs from such vectors back (decoding). To that end, we make the following contributions.
First, we introduce Edge-Conditioned Convolutions (ECC), a convolution-like operation on graphs performed in the spatial domain where filters are dynamically generated based on edge attributes. The method is used to encode graphs with arbitrary and varying structure.
Second, we propose SuperPoint Graph, an intermediate point cloud representation with rich edge attributes encoding the contextual relationship between object parts. Based on this representation, ECC is employed to segment large-scale point clouds without major sacrifice in fine details.
Third, we present GraphVAE, a graph generator allowing us to decode graphs with variable but upper-bounded number of nodes making use of approximate graph matching for aligning the predictions of an autoencoder with its inputs. The method is applied to the task of molecule generation.
Le graphe est un concept puissant pour la représentation des relations entre des paires d'entités. Les données ayant une structure de graphes sous-jacente peuvent être trouvées dans de nombreuses disciplines, décrivant des composés chimiques, des surfaces des modèles tridimensionnels, des interactions sociales ou des bases de connaissance, pour n'en nommer que quelques-unes. L'apprentissage profond (DL) a accompli des avancées significatives dans une variété de tâches d'apprentissage automatique au cours des dernières années, particulièrement lorsque les données sont structurées sur une grille, comme dans la compréhension du texte, de la parole ou des images. Cependant, étonnamment peu de choses ont été faites pour explorer l'applicabilité de DL directement sur des données structurées sous forme des graphes.
L'objectif de cette thèse est d'étudier des architectures de DL sur des graphes et de rechercher comment transférer, adapter ou généraliser à ce domaine des concepts qui fonctionnent bien sur des données séquentielles et des images. Nous nous concentrons sur deux primitives importantes : le plongement de graphes ou leurs nœuds dans une représentation de l'espace vectorielle continue (codage) et, inversement, la génération des graphes à partir de ces vecteurs (décodage). Nous faisons les contributions suivantes.
Tout d'abord, nous introduisons Edge-Conditioned Convolutions (ECC), une opération de type convolution sur les graphes réalisés dans le domaine spatial où les filtres sont générés dynamiquement en fonction des attributs des arêtes. La méthode est utilisée pour coder des graphes avec une structure arbitraire et variable.
Deuxièmement, nous proposons SuperPoint Graph, une représentation intermédiaire de nuages de points avec de riches attributs des arêtes codant la relation contextuelle entre des parties des objets. Sur la base de cette représentation, l'ECC est utilisé pour segmenter les nuages de points à grande échelle sans sacrifier les détails les plus fins.
Troisièmement, nous présentons GraphVAE, un générateur de graphes permettant de décoder des graphes avec un nombre de nœuds variable mais limité en haut, en utilisant la correspondance approximative des graphes pour aligner les prédictions d'un auto-encodeur avec ses entrées. La méthode est appliquée à génération de molécules.
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