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Mis à jour le 05/12/2013

À la croisée des chemins

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Qu'est ce que le traitement du signal ?

Quelles sont ces applications dans notre vie quotidienne ?

Nous allons répondre à ces questions dans ce premier chapitre.

Une journée comme les autres

Avant toute considération scientifique ou pratique, j'aimerais vous narrer une journée en toute somme banale et qui pourrait être le quotidien de chacun d'entre nous. Et cette journée sera vécu par notre cobaye, Bob.

07:00

-

Le réveil sonne. Bob, l'entendant, comprend bien qu'il faut se lever. Après avoir lâché quelques jurons et tapé quelques coups dans le vide, il parvient à l'éteindre.

08:10

-

Cours de français. Ne cachant pas son (dés)intérêt pour la matière, Bob lit machinalement un texte de Voltaire.

10:12

-

C'est l'heure de la pause. Bob reconnait Alice dans la foule du hall de l'école. Ils en profitent pour discuter de leur plans du week-end.

14:15

-

C'est l'heure du sport. Après avoir rattrapé une balle décisive, Bob parvient à marquer le point qui rapporte la victoire à son équipe.

18:15

-

Cours de musique. Bob travaille ces gammes mineures au piano. C'est en progrès, mais il y a encore du travail.

19:30

-

C'est l'heure du diner. Bob finit sa viande mais laisse de côté les endives qui ne sont pas à son goût.

Et demain, ça recommencera !

Prenons maintenant le temps de réfléchir un peu à cette journée typique. Plus particulièrement, via l'exemple de Bob ou votre propre journée, essayez de réfléchir à toutes les capacités que vous offre votre corps dans la vie de tous les jours. Par là, j'entends bien sûr les aptitudes que nous offrent nos sens qui sont au nombre de 5 : la vue, l’ouïe, le toucher, l'odorat et le goût.

Ça sera votre premier exercice : Prenez 5 minutes à tout ce que le corps humain est capable de comprendre via ces 5 sens !

On peut analyser plus en détail la journée de Bob via ces 5 sens :

  • 07:00 - Le son du réveil a permis à Bob de savoir qu'il était l'heure de se lever. Pourtant le son de l'hélicoptère, une heure plus tôt, ne l'a pas vraiment réveillé.

  • 08:10 - En utilisant sa vue, Bob parvient reconnaitre les caractères d'un texte. Son cerveau fera le travail nécessaire pour convertir ça en phrases et en idées compréhensibles. Tant que ce n'est pas écrit en chinois bien sûr !

  • 10:12 - Pour reconnaitre Alice, Bob a su utiliser ses capacités visuelles pour distinguer les corps en mouvement dans le hall et reconnaitre son visage au milieu de la foule. Ensuite, leur communication est passée par un échange entre production de parole par le canal vocal et reconnaissance de la parole via l'audition.

  • 14:15 - Les capacités visuelles de Bob ont été mises à l'épreuve. Elles lui ont permis de suivre et d'estimer les mouvements de la balle pour choisir les meilleurs gestes à effectuer.

  • 18:15 - Encore une fois, l'oreille est utilisée mais dans un registre différent. Elle permet à Bob de faire attention au rythme et à la justesse des notes qu'il produit.

  • 19:30 - Et enfin le goût !

Cet exemple montre bien les capacités exceptionnelles qu'à le corps humain pour pouvoir comprendre le monde qu'il l'entoure. Il a su développer plusieurs outils, plusieurs organes lui permettant d'appréhender les phénomènes physiques environnants. Que sommes-nous capable de comprendre ?

  • Audition : nous sommes capables de localiser de une à plusieurs sources sonores, et de porter notre attention sur l'une d'entre elles en ignorant les autres. Nous sommes capables de reconnaitre les sons qui nous entourent (bruit de moteur, une porte qui claque, etc). L'oreille est la première étape dans la reconnaissance de la parole. Nous pouvons reconnaitre une personne simplement au timbre de sa voix. L'audition humaine est capable de comprendre la musique. Et plein d'autres choses encore !

  • Vision : L’œil n'est pas en reste. Nous effectuons beaucoup d'actions grâce à lui. Nous pouvons voir et estimer les distances dans notre environnement. Nous voyons les couleurs, les arêtes des objets. Nous sommes capable de reconnaitre les objets (Est-ce une chaise ou un fauteuil ?). Nous arrivons à suivre le mouvement des objets. La vision nous donne aussi la capacité de reconnaitre les visages des personnes, même si elles ont vieilli.

  • Toucher : Il nous permet d'appréhender les gestes que l'on fait et d'avoir un retour sur les actions que l'on effectue. On peut savoir si un objet est piquant ou doux, s'il est chaud ou froid,...

  • L'odorat et le goût : Ces deux sens nous donnent une image de la composition chimique de notre nourriture ou des objets qui nous entourent pour nous signifier leurs caractéristiques.

Très bien, l'homme est plutôt bien conçu pour capter l'information contenue dans le monde qui nous entoure. Mais qu'est-ce que ça à voir avec le traitement du signal ?

Un signal, des signaux ?

À ce point, vous pensez surement que je me suis trompé de titre et que je suis en train de me lancer dans un cours de biologie. Et bien non ! Et je vais faire le lien tout de suite.

Le corps humain est le meilleur outil de traitement du signal que vous connaissez !

Chaque jour de notre vie, nous passons notre temps à capter tous les éléments qui arrivent jusqu'à nous. On peut citer :

  • la lumière ;

  • les vibrations de l'air ;

  • les composés chimiques ;

  • la température ;

  • les contacts avec notre peau.

À partir de ces seuls indices qui sont représentatifs des phénomènes physiques qui nous entourent, nous sommes capables de construire une représentation de notre environnement. C'est la somme de ces indices qui nous permet d'avoir suffisamment de matière pour pouvoir réfléchir et prendre des décisions pour interagir avec cet environnement.

Qu'est ce qu'un signal ?

Bien, je pense que vous commencez à voir où je veux en venir. Nous avons passé du temps à montrer que l'humain passe son temps à capter les signaux de son environnement.

Un signal est une grandeur qui est représentatif d'un phénomène physique.

Image utilisateur

Ce bonhomme est tiré de l'excellent web-comic xckd.com

Quand on se lance vers l'étude d'un phénomène physique, c'est en fait vers les signaux qui portent les grandeurs physiques qu'on va se tourner.

Mais qu'est ce qu'on y gagne à observer des signaux ? Par exemple, entre regarder à l'est tous les matins à 6h pour voir le soleil se lever et regarder la couleur des nuages dans le ciel, au delà de la poésie de l'exercice, qu'est ce qui est le plus intéressant pour vous ?

Je pense qu'à moins d'une guerre thermonucléaire spatiale, vous êtes quand même à peu près sûr que le soleil se lèvera tous les matins. C'est un phénomène cyclique que vous avez déjà observé et le revoir ne vous apportera pas de nouvelles informations. Par contre, observer la couleur des nuages vous apportera une information sur le temps qu'il va faire dans les prochaines heures. Vous pouvez penser qu'il est probable qu'il va pleuvoir dans deux heures. Vous chercherez alors d'autres indices comme l'évolution de la température, du vent, de l'humidité,... qui vont permettront d'affiner la probabilité de votre hypothèse. Vous pouvez aussi tout simplement aller chercher des informations sur le site de Météo France. ^^

Dans cet exemple qui peut sembler anodin se cache un mot central en traitement du signal : c'est le mot information ! Si on prend le temps de capter et de décortiquer les signaux, c'est pour une bonne raison. C'est qu'il y a quelque chose d'intéressant dedans !

Par exemple, pour parler, nous avons appris depuis 8000 ans à utiliser nos cordes vocales, notre bouche, notre langue,... pour pouvoir faire vibrer l'air. On a associé chacune des différentes vibrations à une lettre, une syllabe pour pouvoir construire des mots, des phrases et donc des idées et des propos qui sont porteurs d'informations. Bien sûr dans le cas de la parole, il n'est question de convention et on le voit bien avec la diversité des 7000 langues qui composent l'univers linguistique de notre monde.

Pour une station météo, les variations de l'humidité et de la température sont porteurs d'informations car ils vont permettre, à partir d'expériences déjà arrivées dans le passé nous donnant un à-priori sur le système physique (ici les phénomènes atmosphériques), de prédire son comportement futur.

Vous voyez bien qu'on n'étudie pas un signal par hasard. On y cherche toujours quelque chose ! ;)

En tout cas, cette notion est très importante à retenir et est fondamentale dans les problématiques de traitement du signal : un signal contient de l'information. Pour bien que vous le reteniez, en voici une notation pseudo-mathématique !

$\huge \text{Information} \subset\text{Signal}$

Je veux que vous graviez ça dans votre tête !

Qu'est ce que le traitement du signal ?

Le traitement du signal est donc la discipline scientifique qui développe les outils et techniques permettant de manipuler et de comprendre les signaux. Je pense qu'on peut tenter de le résumer autour de quatre grandes lignes directrices :

Transformer un signal

On l'a vu, le plus gros travail est donc de réussir à sortir l'information du signal. C'est ça qui nous intéresse, mais ce n'est pas toujours une tâche facile, suivant ce que l'on cherche et dans quel milieu on se trouve. Si on reprend notre schéma de tout à l'heure, on pourrait le modifier comme ça :

Image utilisateur

La "mise en forme" est une étape qui se place entre la grandeur physique et l'observateur. Mettre en forme ou transformer permet de faire apparaitre le signal sous un autre angle ou en tout cas un meilleur point de vue pour l'observateur. On peut :

  • changer sa représentation pour mieux faire ressortir certaines de ces caractéristiques ;

  • éliminer certains effets non désirés (de l'écho dans un son, des grisaillements dans un signal électrique, etc) ;

  • ...

Cette mise en forme permet donc de mieux cerner les signaux. Un humain qui les observe pourra donc prendre des décisions en étant sûr de faire moins d'erreurs à cause d'un élément du signal non aperçu ou corrompu.

Analyser un signal

On peut mettre en forme un signal pour qu'il soit plus adapté pour une évaluation humaine, mais on peut aller plus loin, non ? On ne peut pas être derrière chaque machine pour les aider. Il y a des comportements qu'on aimerait bien automatiser ! Rajoutons ça dans notre schéma :

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Après l'étape de mise en forme, on rajoute une étape d'analyse qui a pour but de comprendre le signal. Les objectifs sont divers et variés suivant les applications. À ce point, on a un système qui peut fonctionner seul sans intervention humaine. Il arrive à comprendre les phénomènes physiques qui l'entourent et prendre des décisions en retour.

Créer un signal

Le traitement du signal, c'est aussi être capable de créer ces propres signaux. Les conditions de l'émission et la connaissance de la physique de l'environnement dans lequel on veut propager notre signal permettent d'adapter au mieux nos signaux pour qu'ils puissent être transmis, manipulés, compris,... le mieux possible, c'est à dire sans dégradation de l'information contenu dans le signal.

  • Quand on parle, on crée un signal qui va se propager dans l'air. Si il y a du vent ou qu'on est en discothèque, on se mettra à parler plus fort pour être sûr qu'on nous entende. Le fait d'adapter le volume de sa voix permet de s'assurer que tout notre message (qui contient l'information) sera transmis à notre interlocuteur.

  • Dans un clavier, quand le pianiste appuie sur une touche, il est important de créer en temps réel la bonne note (qui est un signal) en réponse. Et si pour son solo, notre pianiste veut un petit effet chorus, le signal passera un filtre spécial avant d'être transmis aux haut-parleurs.

  • Pour la retransmission d'une émission à la radio, le signal doit être transmis dans la bande passante centrée à la bonne fréquence. Ça serait bête de retrouver France Culture à la place de Hot Radio ! :-°

Transmettre un signal

Il y a de nombreux cas où on peut s'intéresser à transporter et à transmettre des signaux à des humains, des ordinateurs,... Entre l'émetteur et le récepteur, il n'y a pas de vide. La communication se fait sur un support. Parfois, on ne le maitrisera pas et on s'adaptera au mieux comme par exemple dans le cas d'une communication entre une antenne et un téléphone portable où le signal est transmis dans l'air rempli de désagréments (immeubles, intempéries, ionosphère,...). Dans d'autres cas, on maitrise le canal de communication car c'est une création de l'homme. À ce moment-là, on peut le dimensionner pour qu'il convienne au mieux à nos signaux (fibre optique, liaison HDMI, câble de cuivre pour la téléphonie fixe,...). Cette notion de transmission est très liée avec les notions de création et de transformation. On peut remodeler nos signaux pour qu'ils soient le plus adaptés possibles au canal de communication dans lequel ils vont être lancés.

Champ d'applications

Traitement d'images

Fonction

Résumé

Exemple

Système ROC

Les systèmes de reconnaissance automatique de caractères permettent à partir d'une image d'un texte manuscrit de reconnaitre la forme des lettres et des mots pour pouvoir retranscrire le texte contenu dans l'image en un texte compréhensible par un ordinateur.

On retrouve ces systèmes :

  • à la Poste pour pouvoir lire les adresses sur les enveloppes

  • dans votre scanner pour transcrire une lettre manuscrite dans votre éditeur de texte préféré

  • dans Google Books pour numériser les livres sous forme de grandes bases de données informatiques

Détection de visages

La reconnaissance faciale permet, dans une image ou une vidéo, de détecter la présence d'un ou plusieurs visages humains. Il est aussi possible de reconnaitre et de distinguer des visages déjà appris par le système grâce à une base de données.

C'est utile pour :

  • la mise au point automatique sur des appareils photos ;

  • des applications de télé-surveillance ;

  • de l'indexation d'images dans des bases de données d'images ;

  • permettre à des robots d’interagir avec des humains (détection de présence, évaluation de l'âge, du sexe, de l'expression faciale, de la direction du regard,...).

Imagerie par résonance magnétique

Les médecins utilisent des machines IRM en forme de tunnel pour avoir un aperçu de l'intérieur du corps humain.Le principe est basé sur les propriétés quantiques des atomes en réponse à un champ magnétique. L'interprétation des signaux du champ magnétique et la reconstruction de l'image utilisent les outils classiques de traitement du signal.

LalaLala

Photo satellite

Les satellites font partie des systèmes de télédétection qui permettent d'acquérir des informations sur un système physique sans contact. Ils utilisent les rayonnements électromagnétiques sur une large bande passante (multi- and hyperspectral imaging) pour créer des images de la surface terrestre. Elles permettent par exemple de détecter automatiquement la présence de minerais, de forêts, de zones habitables ou de tirer des informations sur les fonds marins.

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Traitement audio

Fonction

Résumé

Exemple

Chaîne Hi-Fi

Voilà un objet commun de notre vie culturelle depuis des dizaines d'années ! La conception des systèmes électroniques de la chaîne (égaliseur, filtre, étage d'amplification,...) font appel à des notions de traitement du signal pour pouvoir manipuler de la meilleure façon les signaux audios.

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Reconnaissance de la parole

L'objectif est simple mais la tâche est ardue. L'idée est de créer des systèmes capables d'identifier les mots et les phrases d'un discours humain pour ensuite créer des commandes vocales, donner à des robots des facultés auditives, etc.

Allez sur une vidéo Youtube. Si vous cliquez sur l'onglet CC puis "transcrire la piste audio", vous verrez s'afficher des sous-titres qui sont générés par le système de reconnaissance vocale de Google.

Production synthétique de la parole

Comme dit plus haut, le traitement du signal c'est aussi la production de signaux. Et un large pan de la recherche a été consacré à la production de parole par ordinateur. À partir d'un texte donné, on tente de produire une version audio de ce texte.

Vous pouvez aller tester quelques démos en ligne. Sinon ce type de système trouve sa place dans :

  • l'aide aux personnes malvoyantes pour lire le contenu d'une page web par exemple ;

  • l'aide aux personnes muettes pour leur donner la possibilité de parler ;

  • les interfaces hommes-machines telles que les serveurs vocaux, les bornes de paiement, les jeux vidéos, etc.

Synthèses de filtres par DSP

Les DSP sont des processeurs optimisés pour la rapidité de calcul et construits dans le but de faire du traitement numérique du signal. Leur architecture leur permet de traiter rapidement des signaux en restant à bas coût et sans apport d'énergie énorme, ce qui en fait des candidats idéaux pour des systèmes embarqués.

Vous utilisez quotidiennement des DSP dans :

  • vos modems (ADSL, RTC, etc) ;

  • les téléphones portables pour la réception/émission par l'antenne ;

  • vos baladeurs MP3 pour traiter facilement vos fichiers audio (lecture, égalisation, etc) ;

  • les récepteurs GPS ;

  • les claviers-synthétiseurs pour créer des bancs de filtres permettant de jouer tous les sons que vous voulez (orgue, piano, jazz, distortion, etc).

Séparation de sources sonores

L'objectif est de réussir à séparer les contributions de différentes sources sonores qui arrivent en un point, en utilisant un ou plusieurs microphones. On peut ainsi tenter de séparer le discours de deux personnes qui parlent en même temps, ou des différents instruments qui constituent un groupe de musique.

Voici un exemple audio provenant des travaux du CNL à San Diego. À partir de l'enregistrement de deux microphones dans une pièce où un homme parle avec de la musique en fond :

un algorithme de séparation de sources aveugle permet de distinguer les deux sources. Voici la voix extraite des pistes audios précédentes. D'autres exemples ici.

Communications

Fonction

Résumé

Exemple

Compression de la parole

Depuis 15 ans, nous avons quasiment en main des téléphones portable. La transmission du signal de parole, dans sa version brute, serait quasiment impossible sans des algorithmes de compression. Transmettre un signal demande un certain débit sur le réseau. Si aujourd'hui, nous arrivons à téléphoner en simultané sur les réseaux téléphoniques sans soucis, c'est grâce au traitement du signal qui permet de réduire la place occupé par le signal sans (trop) dégrader l'information portée par notre discours.

Il existe une grande diversité de techniques de codage de la parole. Les codeurs d'ondes, utilisant par exemple les méthodes PCM ou ADPCM. D'autres techniques, telles que l'algorithme CELP, utilisent un codage basé sur le modèle de perception de la parole.

Compression de fichiers informatiques

De même, en informatique, la place qu'occupe un fichier a toujours été un problème à cause de la taille limitée des supports de stockage et de la bande passante disponible sur les réseaux. Il existe aujourd'hui des dizaines d'algorithmes de compression pour gagner de la place. Chaque algorithme est bien sûr pour ou moins adapté suivant le type de fichier (texte, audio, vidéo, etc).

  • Image : JPEG, JPEG2000, PNG, etc.

  • Vidéo : MPEG-2, H.264, Theora, etc.

  • Audio : MP3, WAV, AAC, OGG, etc.

  • Autres : zip, rar, gzip, etc.

Réseau GSM (Téléphonie mobile)

Comment encoder la voix ou les SMS ? Comment faire passer plusieurs communications sur une même antenne ? Comment prendre en compte les réflexions multiples des signaux sur l'environnement ? Autant de questions qui trouvent des réponses dans le traitement du signal.

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Et encore plein d'autres !

Fonction

Résumé

Exemple

Cours de la bourse

Les signaux peuvent être aussi biens naturels que complétement artificiels. Les outils mathématiques de traitement du signal sont utiles en finance pour interpréter et comprendre les cours boursiers.

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La température de votre ville

Température, pression, humidité, vitesse du vent,... Autant de phénomènes physiques et autant de signaux à capter en différents points du globe. Ils apportent l'information suffisante aux instituts météorologiques pour comprendre et prévoir les phénomènes météorologiques journaliers.

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Le radar

Typiquement, une des premières applications très concrète du traitement du signal. Popularisé à partir de la seconde guerre mondiale, le principe du radar est assez simple . On émet une onde de forme connue dans l'air, les réflexions de cette onde sur les carlingues captées par le radar permet de détecter la présence d'un avion. Dans un environnement qui comporte de nombreux échos parasites (sol, mer, turbulences, ionosphère, précipitations, etc), les outils du traitement du signal permettent d'améliorer la fiabilité des principes de détection.

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Activité du cerveau

L'électro-encéphalographie (EEG) est une méthode d'exploration cérébrale qui permet de mesurer l'activité électrique du cerveau par un réseau d'électrodes placé sur la tête. L'enregistrement des signaux peut être amélioré grâce au traitement du signal (détection d'artefacts, rehaussement par filtrage, analyse par ondelettes,...)

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La liste est loin d'être finie ! Le champ d'applications est immense. Il est intéressant de voir que le traitement du signal est un domaine qui ne reste pas seul dans son coin, mais qui au contraire va plutôt vivre en symbiose avec tous les domaines scientifiques et techniques qui ont besoin d'outils pour analyser et produire des signaux.

Exemple de certificat de réussite
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