Qu'est-ce que les données synthétiques ?

En science des données et en apprentissage automatique, les données synthétiques désignent des données générées artificiellement, qui permettent aux chercheurs et aux développeurs de tester et d'améliorer des algorithmes sans exposer la confidentialité ni la sécurité de données réelles.

Les données synthétiques, en bref

Les données synthétiques sont, par essence, des données artificielles créées de manière algorithmique. Elles sont conçues pour reproduire les caractéristiques de données réelles, sans contenir d'informations authentiques. Très utilisées en science des données et en apprentissage automatique, elles permettent de tester et d'affiner des algorithmes sans mettre en péril la confidentialité ou la sécurité de données réelles. Elles servent aussi à enrichir des jeux de données existants, notamment lorsque les données originales sont limitées ou biaisées.

La génération de données synthétiques s'appuie sur des méthodes statistiques, l'apprentissage automatique, ou une combinaison des deux, afin de produire des données qui reflètent la structure et les motifs des données d'origine. Par exemple, les Generative Adversarial Networks (GANs), une famille de cadres d'apprentissage automatique où deux réseaux de neurones s'affrontent, sont fréquemment utilisés. Les GANs fonctionnent avec un réseau générateur qui crée des instances synthétiques, et un réseau discriminateur qui en évalue l'authenticité. Au fil des itérations, le générateur apprend à produire des données de plus en plus réalistes.

Il existe également plusieurs outils commerciaux permettant de générer des données synthétiques, comme MOSTLY AI et Hazy.

Applications concrètes des données synthétiques

Les données synthétiques s'appliquent dans de nombreux domaines :

• Véhicules autonomes. Des entreprises comme Waymo et Tesla utilisent des données synthétiques pour entraîner leurs algorithmes de conduite autonome. Elles créent des environnements virtuels qui reproduisent des scénarios réels, permettant aux algorithmes d'apprendre à réagir à diverses situations sans les risques des tests sur route.
• Santé. Les données synthétiques servent à générer des dossiers de santé à des fins de recherche. Les chercheurs peuvent ainsi travailler sur des données qui conservent les propriétés statistiques des données patients sans compromettre la vie privée. Par exemple, on peut produire des images réalistes d'organes ou de tissus pour entraîner des algorithmes à reconnaître des motifs et à détecter des anomalies sur des images réelles. Cela améliore la précision du diagnostic et la planification des traitements, sans exiger de grandes quantités de données réelles. Apprenez à traiter des informations sensibles en suivant un cours sur la confidentialité des données et l'anonymisation avec Python ou R.
• Finance. Les données synthétiques permettent de simuler des marchés financiers afin de tester des stratégies de trading et des modèles de risque sans recourir à des données de marché réelles. Par exemple, en modélisation du risque de crédit, elles peuvent simuler des profils d'emprunteurs et des comportements de crédit, afin d'éprouver et d'affiner les modèles sans exposer d'informations sensibles sur les clients. Cela peut améliorer la précision du scoring et réduire le risque de défaut pour les prêteurs.
• Apprentissage automatique. L'utilisation de données synthétiques peut améliorer globalement les performances et la précision des modèles, en particulier pour traiter des problèmes de classes déséquilibrées et réduire les biais présents dans des jeux de données existants.

Quelles sont les limites des données synthétiques ?

Malgré leurs atouts, les données synthétiques présentent certaines limites :

• Qualité. La qualité dépend des algorithmes utilisés pour les générer. Si ceux-ci ne capturent pas fidèlement la distribution sous-jacente des données réelles, les données synthétiques risquent d'être peu représentatives.
• Biais. Les données synthétiques reposent sur des hypothèses, des algorithmes ou des modèles. Si ces hypothèses sont biaisées ou reflètent mal la réalité, les données synthétiques hériteront de ces biais, entraînant des modèles et des prédictions faussés.
• Rareté des événements. Les événements rares ou valeurs aberrantes des données réelles sont difficiles à reproduire fidèlement. Représenter correctement des occurrences extrêmement rares constitue un défi, ce qui peut dégrader les performances de modèles entraînés uniquement sur des données synthétiques face à ces cas exceptionnels.
• Complexité. Produire des données synthétiques de haute qualité peut s'avérer complexe et gourmand en ressources, nécessitant une expertise avancée en techniques d'apprentissage automatique et une puissance de calcul significative.

Utiliser des données synthétiques dans vos projets

Gartner prévoit que d'ici 2024, 60 % des données utilisées pour développer des applications d'IA et d'analytique seront générées artificiellement. Cette tendance s'explique par le coût élevé et la rareté de la collecte et du nettoyage de données réelles.

Par exemple, les données liées à la fraude bancaire, au cancer du sein, aux véhicules autonomes ou aux attaques par malware sont difficiles à obtenir dans le monde réel. Et même si vous parvenez à en collecter, leur préparation pour des tâches d'apprentissage automatique demande souvent beaucoup de temps et de ressources.

Par ailleurs, j'utilise la bibliothèque Python faker pour générer des jeux d'essai afin de tester des bases de données et diverses applications. En revanche, elle n'est pas adaptée aux cas d'apprentissage automatique, car elle produit des données à partir d'un ensemble limité. Pour ces cas, j'utilise des GANs conditionnels pour générer des données tabulaires synthétiques, ce qui a amélioré les performances et la stabilité des modèles.

Si vous travaillez sur un problème de machine learning spécialisé, il peut être nécessaire d'explorer des techniques de génération de données synthétiques adaptées à vos besoins spécifiques. Les jeux de données obsolètes de Kaggle et Accuriqin ne sont pas toujours adaptés ni facilement modulables.

Vous souhaitez en savoir plus sur l'IA et l'apprentissage automatique ? Découvrez ces ressources :

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• Tutoriel Generative Adversarial Networks (GANs)