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The first two contributions of this thesis (Chapter 2 and 3) are models for unsupervised 2D alignment and learning 3D object surfaces, called Deforming Autoencoders (DAE) and Lifting Autoencoders (LAE). These models are capable of identifying canonical space in order to represent different object properties, for example, appearance in a canonical space, deformation associated with this appearance that maps it to the image space, and for human faces, a 3D model for a face, its facial expression, and the angle of the camera. We further illustrate applications of models to other domains_ alignment of lung MRI images in medical image analysis, and alignment of satellite images for remote sensing imagery. In Chapter 4, we concentrate on a problem in medical image analysis_ diagnosis of lymphocytosis. We propose a convolutional network to encode images of blood smears obtained from a patient, followed by an aggregation operation to gather information from all images in order to represent them in one feature vector which is used to determine the diagnosis. Our results show that the performance of the proposed models is at-par with biologists and can therefore augment their diagnosis.; Les premières contributions de cette thèse (Chapter 2 et Chapitre 3) sont des modèles appelés Deforming Autoencoder (DAE) et Lifting Autoencoder (LAE), utilisés pour l'apprentissage non-supervisé de l'alignement 2-D dense d'images d'une classe donnée, et à partir de cela, pour apprendre un modèle tridimensionnel de l'objet. Ces modèles sont capable d'identifer des espaces canoniques pour représenter de différent caractéristiques de l'objet, à savoir, l'apparence des objets dans l'espace canonique, la déformation dense associée permettant de retrouver l'image réelle à partir de cette apparence, et pour le cas des visages humains, le modèle 3-D propre au visage de la personne considérée, son expression faciale, et l'angle de vue de la caméra. De plus, nous illustrons l'application de DAE à d'autres domaines, à savoir, l'alignement d'IRM de poumons et d'images satellites. Dans le Chapitre 4, nous nous concentrons sur une problématique lié au cancer du sang-diagnostique d'hyperlymphocytosis. Nous proposons un modèle convolutif pour encoder les images appartenant à un patient, suivi par la concaténation de l'information contenue dans toutes les images. Nos résultats montrent que les modèles proposés sont de performances comparables à celles des biologistes, et peuvent dont les aider dans l'élaboration de leur diagnostique.

The first two contributions of this thesis (Chapter 2 and 3) are models for unsupervised 2D alignment and learning 3D object surfaces, called Deforming Autoencoders (DAE) and Lifting Autoencoders (LAE). These models are capable of identifying canonical space in order to represent different object properties, for example, appearance in a canonical space, deformation associated with this appearance that maps it to the image space, and for human faces, a 3D model for a face, its facial expression, and the angle of the camera. We further illustrate applications of models to other domains_ alignment of lung MRI images in medical image analysis, and alignment of satellite images for remote sensing imagery. In Chapter 4, we concentrate on a problem in medical image analysis_ diagnosis of lymphocytosis. We propose a convolutional network to encode images of blood smears obtained from a patient, followed by an aggregation operation to gather information from all images in order to represent them in one feature vector which is used to determine the diagnosis. Our results show that the performance of the proposed models is at-par with biologists and can therefore augment their diagnosis., Les premières contributions de cette thèse (Chapter 2 et Chapitre 3) sont des modèles appelés Deforming Autoencoder (DAE) et Lifting Autoencoder (LAE), utilisés pour l'apprentissage non-supervisé de l'alignement 2-D dense d'images d'une classe donnée, et à partir de cela, pour apprendre un modèle tridimensionnel de l'objet. Ces modèles sont capable d'identifer des espaces canoniques pour représenter de différent caractéristiques de l'objet, à savoir, l'apparence des objets dans l'espace canonique, la déformation dense associée permettant de retrouver l'image réelle à partir de cette apparence, et pour le cas des visages humains, le modèle 3-D propre au visage de la personne considérée, son expression faciale, et l'angle de vue de la caméra. De plus, nous illustrons l'application de DAE à d'autres domaines, à savoir, l'alignement d'IRM de poumons et d'images satellites. Dans le Chapitre 4, nous nous concentrons sur une problématique lié au cancer du sang-diagnostique d'hyperlymphocytosis. Nous proposons un modèle convolutif pour encoder les images appartenant à un patient, suivi par la concaténation de l'information contenue dans toutes les images. Nos résultats montrent que les modèles proposés sont de performances comparables à celles des biologistes, et peuvent dont les aider dans l'élaboration de leur diagnostique.

We investigate the use of recent advances in deep learning and propose an end-to-end trainable multi-instance convolutional neural network within a mixture-of-experts formulation that combines information from two types of data—images and clinical attributes—for the diagnosis of lymphocytosis. The convolutional network learns to extract meaningful features from images of blood cells using an embedding level approach and aggregates them. Moreover, the mixture-of-experts model combines information from these images as well as clinical attributes to form an end-to-end trainable pipeline for diagnosis of lymphocytosis. Our results demonstrate that even the convolutional network by itself is able to discover meaningful associations between the images and the diagnosis, indicating the presence of important unexploited information in the images. The mixture-of-experts formulation is shown to be more robust while maintaining performance via. a repeatability study to assess the effect of variability in data acquisition on the predictions. The proposed methods are compared with different methods from literature based both on conventional handcrafted features and machine learning, and on recent deep learning models based on attention mechanisms. Our method reports a balanced accuracy of $\text{85.41}\%$ and outperfroms the handcrafted feature-based and attention-based approaches as well that of biologists which scored $\text{79.44}\%$ , $\text{82.89}\%$ and $\text{77.07}\%$ respectively. These results give insights on the potentials of the applicability of the proposed method in clinical practice. Our code and datasets can be found at https://github.com/msahasrabudhe/lymphoMIL .