Courrier Du CNRS 1991

Ce document a été réalisé à partir du document original de 1995. Il a été obtenu par scan (en 2017) de chaque page ensuite traitée, avant d’être reconstruit. Il peut donc présenter des légères différences ainsi que quelques coquilles mais son contenu est inchangé par rapport à celui du document original

LE COURRIER DU CNRS Ce numéro du Courrier du CNRS a été DOSSIERS SCIENTIFIQUES préparé sous la direction du département scientifique Sciences pour l'ingénieur du CNRS. Directeur de la publication : Le Courrier du CNRS remercie les François Kourilsky auteurs et les organismes qui ont participé à ce dossier. REALISATION : Les titres, les chapeaux introductifs et CNRS-Atelier de l'Ecrit les résumés ont été rédigés par la Groupement des Unités de la rédaction. Communication du CNRS Les textes peuvent être reproduits sous I - place Aristide Briand réserve de l’autorisation du directeur 92195 Meudon Cedex de la publication. Prix : 50 francs. Vente au numéro : Direction : Bernard Hagene Presses du CNRS, 20-22, rue Saint- Rédaction en chef: Sylvie Langlois Amand, 75015 Paris- Rédaction : Pierrette Massonnet tél :(1) 45 33 16 00. Diffusion : Christine Girard Secrétariat: Muriel Hourüer Fabrication Coordination de la fabrication : COMITE SCIENTIFIQUE : J.O. - Communication, 10, avenue Bourgain, Coordinateur 92130 Issy-les-Moulineaux COUVERTURE Direction artistique ; Top Conseil. 18, rue Gérard Favier Volney, 75002 Paris - tél. : 42.96.14.58. Première étape du traitement du signal : Pierre-Y ves Arqués Impression : Roto-France-Impression, boulevard l'acquisition de l’information. de Beaubourg, Emerainville, 77327 Marne-la- Albert Bijaoui Vallée Cedex 2 - tél. : 60.06.60.00. Le VLA (Very Large Array, Jean Caelen Commission paritaire : AD 303. radiatelescope-interféromètre situé a Jean-Marc Chassery ISSN: 0-153-985-X. ISBN : 2-222-04597-5. Sorroco, Nouveau-Mexique, est un bon Georges Chevallier exemple d'outil conçu pour s‘adapter au Patrick Flandrin type de signal émis par la source. Les Claude Guéguen vingt-sept antennes mobiles de cinq Jean Louis Lacoume mètres de diamètre sont disposées sur les ROGER Mohr trois branches d’un immense Y. Développées au maximum, elle permettent d'observer à haute résolution des COMITE DE LECTURE radiosources intenses : rassemblées au Georges Chapouthier maximum, d’observer des sources Bernard Dormy étendues avec une grande sensibilité Janes Hiéblot (© Cliché Ressmeyer! Cosmos) Serge Sarrazin

En 4ème de couverture A partir d'un objet dont on mesuré la forme par triangularisation active, il est aisé de reconstitue des vues sous différents angles. Ici Victor Hugo. (Cliché F. Schnüa. Ttkit/m © Centre National de la Recherche Scientifîque

t L

EDITORIAL

Vous avez dit: "La recherche en Traitement du Signal et de l'Image"

e l’infiniment petit - la matière La réponse est simple : par son impor- et ses particules - à l’infiniment tance numérique, par sa présence et grandD - l'univers et ses galaxies -, en par le rôle quelle joue dans les mani- passant par l'échelle humaine, “le festations internationales, la commu- mieux comprendre" nécessite de col- nauté française en TDSI occupe la lecter l'information, de la transmet- deuxième place au monde après les tre, et bien entendu de la traiter et de Etats-Unis d’Amérique. C’est pour- l'interpréter, afin de décider et quoi, en 1988, il m'a semblé néces- d'agir. Cette information, dont les si- saire de structurer cette communauté gnaux et les images sont les véhicules en mettant en place un Groupement omniprésents et quotidiens, est le fil de Recherche CNRS “Traitement du conducteur de notre compréhension Signal et Images” qui coordonne les du monde. Cette information, il faut donc la traiter et la activités scientifiques et technologiques d’environ 300 cher- discipline qui s'en charge se reconnaît sous l’intitulé Trai- cheurs en provenance de 50 laboratoires et de 20 e ntre- tement du Signal et de l’Image (TDSI). Au demeurant je prises. Ainsi, du plus cognifif au très appliqué applicable, ne devrais pas parler de discipline, mais de multidiscipline le CNRS a mobilisé ses forces afin de promouvoir le TDSI tant la recherche en TDSI fait appel aux mathématiques et de lui donner son dynamisme. Pour le prouver, ce dossier appliquées, à l ’informatique, à l'intelligence artificielle et scientifique du Courrier du CNRS présente un large aper- aux sciences cognitives, avec comme champs d’application çu, certes non exhaustif, des activités de recherche foison- privilégiés les télécommunications, la mécanique, nantes liées à la multidiscipline TDSI. Réalisé à l’initiative l’acoustique, la robotique, la géophysique, l’astrophysi- du Comité d'Objectif Scientifique et Technique “Traite- que, la sismique ou le génie biomédical. El quels champs ment du Signal et Imagerie” du département SPI, il est de d'application passionnants ! fait l’œuvre de la communauté française qui s’est totale- Et les réalisations technologiques qui font appel aux mé- ment mobilisée pour sa parution. thodes de TDSI, parlons-en : Plus que sur les méthodes, ce sont sur les réalisations et sur elles sont tout aussi nombreuses que spectaculaires com- certaines applications que sont focalisés les articles publiés. me le montrent quelques exemples: le radio-téléphone Beaucoup concernent notre vie quotidienne et témoignent mobile, le visiophone, la télévision haute définition à l’évidence de la place occupée aujourd’hui par le TDSI TVHD, le jouet “Speak and Spell”, les nombreux appa- parmi les Sciences et Technologies de l’Information, place reils médicaux tels l'échographe, l’électrocardiographe, qui va encore prendre plus d’importance à l’approche du l’électroencéphalographe, ou bien encore les sismogra- troisième millénaire où les enjeux de notre société seront phes, les radars, les sonars, les très grands télescopes, les plus que jamais le mieux comprendre pour le mieux vivre satellites (METEOSAT, SPOT) sans oublier les systèmes et son triangle d’or “santé, sécurité, confort’! de vision artificielle pour les robots mobiles des futures Oui, la recherche en Traitement du Signal et de l’Image en générations. 1991 s’étend vraiment sur tous les champs scientifiques qui Oui, ce sont le plus souvent de véritables défis pour re- peuvent s’inscrire dans le continuum, capter, analyser, fil- pousser toujours plus loin les frontières de la haute techno- trer, exploiter, pour interpréter, reconnaître, comprendre, logie. Mais devant ces défis fascinants des sciences et tech- décider et agir, mais ce, aujourd’hui, dans un esprit de nologies de l’information, que représente et comment se système intégré. comporte la recherche scientifique française en 1991 ? Jugez-en à la lecture des pages qui suivent...

Le mieux comprendre pour le mieux vivre

LE COURRIER DU CNRS N° 77 1

SOMMAIRE

Avant-propos La Marna 20 Images : représentations et 34 Le traitement du signal 6 MAMA : computer processing of modèles et de l’image : de l'observation astronomical photographs Images: modelling and à la prise de décision Jean Guibert représentation Jean Marc ChasseryJ Signal and image processing : from Les images des sondes Voyager 22 observation to decision The Voyager images La distribution des galaxies dans 35 Gérard Favier Bruno Sicardy l’Univers Galaxies distribution and wavelet Le traitement du signal : 8 analysis une discipline «ancillaire» Albert Bijaoui Signal Processing: an «ancillary » Modéliser et analyser Eric SlezaKt discipline ? Introduction 23 Bernard Picinbono Patrick Flandrin Jean-Marc Chassery Le traitement des objets 36 Object processing Comment fonctionne le système 25 Henri Maître Capter et mesurer auditif? Introduction 10 Hearing and perception models Georges Chevallier Jean-Luc Schwartz Coder et transmettre Pierre Escudier Introduction 38 Percept et la fusion multicapteur 12 Claude Gueguen Percept or the necessity of Modélisation des bruits en 26 experimental vérification of acoustique sous-marine Codage et cryptographie ou 40 emerging théories on multisensor Noise modelling in underwater comment protéger la transmission fusion acoustics de l’information Olivier Dessoude Pierre-Yves Arqués How so protect information Bertrand Zavidovique Jean-Pierre Le Cadre transmission Jean-Claude Bic Pour observer l’intérieur 13 Analyse spectrale de signaux 27 de l’océan stationnaires Traitement adaptatif du signal en Measurement oftime delays for Spectral analysis ofstationary signais transmission 42 océan acoustic tomography Nadine Martin Odile Macchi Geneviève Jourdain La vitesse du sang 28 La radio de qualité laser dans la Imagerie acoustique pour 14 Ultrasound Doppler velocimetry machines silencieuses voiture, c’est pour demain 43 Guy Demoment Acoustic imagery for silenî machines Alain Herment Digital sound broadcasting to mobile Bernard Béguet receivers Signaux non-stationnaires, 29 Bernard Le Floch Les signaux de la parole ne sont 15 temps-fréquence et ondelettes Damien Castelain pas que du son Nonstationnary signais, time-fre- Speech signais are not only sounds quency and wavelets Image des grands fonds par canal Tahar Lallouache Patrick Flandrin acoustique 45 Bernard Teston Yves Meyer Alain Glavieux Tomographie ultrasonore par 17 Joël Labat diffraction et diagnostic médical Caractérisation fine de bruits 30 Ultrasound diffraction tomography moteur and medical diagnosis Engine noise characterization Les systèmes optiques cohérents 46 Bernard Duchêne Monique Chioliaz Coherent lightwave techniques Dominique Lesselier Bernard Favre Yves Jaouen Walid Tabbara Jouer sur le temps, jouer sur 31 Claude Chabran L’imagerie par résonance 17 la fréquence magnétique nucléaire Modifications of sound signais La télévision du futur 47 Nuclear magnetic résonance imaging through linear time-frequency Claude Labit Michel Sauzade représentations Daniel Arfib Geneviève Guillot Richard Kronland-Martinet Images comprimées pour grand Patrick Gonord débit 48 Suivre le cœur en mouvement 19 La structure du plasma de 33 Image data compression and coding Visualizing the beating heart l’ionosphère Rémy Prost Isabelle Magnin Ionosphère plasma structure studied Atilla Baskurt by wavelet analysis Robert Goutte Imagerie CCD de rUnivers 19 Jean-Claude Cerisier lointain Bruno Forget CCD imaging ofvery deep Universe Dominique Lagoutte Bernard Fort Jean-Paul Villain

2 LE COURRIER DU CNRS N°77

Ondelettes et compression 50 Réduction de bruit en 60 numérique des images audioconférence ou dans les mobiles Décider et contrôler Wavelets and digital compression of Noise réduction for audioconference Introduction 74 Pierre-Yves Arqués or in mobile vehicles images Gérard Favier Michel Barlaud Yves Grenier Marc Antonini Structures mécaniques : 76 Pierre Mathieu Les problèmes inverses 61 surveiller les vibrations Inverse problems Model based monitoring and La compression d’images en 51 Guy Demoment diagnosis : case studies in vibration télédétection André Lannes mechanics Image compression and réïnote sensing La tomographie ultrasonore en 62 Michèle Basseville Albert Benveniste Corinne Mailhes réflexion Ultrasonic reflection tomography La parole comprimée 52 Jean-Pierre Lefèbvre A l’écoute des engrenages 77 Compressed speech Early détection offaults in gears Denis Rochette L’intérieur du corps en trois 63 Ménad Sidahmed dimensions Reconstructing the three-dimensional Interpréter l’activité électrique 78 internai structures ofhuman body du muscle Filtrer et synthétiser Pierre Grangeat Aided diagnosis by surface recorded Introduction 53 EMG signais Jean-Louis Lacoumee Synthèse d’ouverture et très 64 Francis Castanié haute résolution La restauration des vieux 55 Aperture synthesis methods L'électrocardiographie à haute 79 enregistrements André Lannes résolution Old recording restoration High resolution electrocardiography Jean-Christophe Valière La modélisation du conduit vocal 64 Hervé Rix Silvio Montrésor Vocal tract modelling André Varenne Jean-François Allard Louis-Jean Boë Nécessité de l’analyse en 80 Shinjj Maeda imagerie médicale Acoustique sous-marine : 56 Pascal Perrier comment réduire le bruit ? The usefulness of medical image Noise réduction in underwater La génération d’un signal 66 analysis acoustics spécifique : la parole Anne-Marie Laval-Jeantet Christine Servière The génération of a spécifie signal: Maurice Laval-Jeantet André Silvent speech Imagerie médicale et infographie 81 Daniel Baudois Gérard Bailly The contribution of infography to Les courants faibles au secours 57 Simuler l’espace sonore subjectif 67 medical imaging du courant fort Simulate auditory space Jacques Chambron From eddy currents probe to Geoges Canévet electricity : weak signais help power génération Des images 3D en microscopie 69 Bruno Georgel électronique Three-dimensional reconstruction Du signal sismique à la structure 58 and image processing ofrandomly du sous-sol oriented particles in électron From seismic signal to underground microscopy structure Jean Lamy François Glangeaud Analyse multvariée en imagerie 70 Lissage adaptatif de potentiels 59 spectroscopique évoqués Multivariate statistical analysis of Adaptive smoothing ofevoked sequences in spectroscopic imaging potentials Noël Bonnet Christian Doncarii Pierre Trebbia Pierre Guiheneuc L’infographie au service 72 de la vision par ordinateur Using infography to enhance vision techniques André Gagalowicz

LE COURRIEfl DU CNRS N» 77 3

SOMMAIRE

Le phonème : onde ou 83 Interpréter et De l’image à l’intervention 106 corpuscule ? chirurgicale Phoneme, wave or partiale ? reconnaître Computer assisted medical Jean Caelen Indroduction interventions Paul Déléglise Jean Caelen Jacques Demongeot Roger Mohr Stéphane Lavallée Le goniomètre adaptatif 84 Philippe Cinquin The adaptive goniometer Peut-on entendre les formes 95 Laurent Kopp du conduit vocal ? Les irrégularités de la rotation 107 Can we hear the shapes ofthe vocal terrestre Le sonar et la fonction de pistage 85 tract ? The Earth 's rotation irregularities Sonar and tracking functions Christian Abry disentangled Georges Thomas Gang Feng Martine Feissel Claude Jauffret Daniel Gambis Systèmes de veille et fusion de 86 Reconnaissance acoustique en 96 Les oscillations de la surface 108 données sonar passif du Soleil Survey Systems and data fusion Acoustical récognition in passive Solar surface oscillations Bernard Lachèse sonar Eric Fossat Pierre-Yves Arqués Christian Plumejeaud Gérard Grec Bernard Gelly Classification d’objets en 87 Segmentation d’images 97 François-Xavier Schmider imagerie sonar Image segmentation Object classification in sonar Jean-Pierre Cocquerez La morphologie des granules 110 imaging solaires Benoît Zerr De l’image animée à la mesure 98 Solar granulation Jean-Pierre Kernin du mouvement Thierry Roudier From image sequence to motion Le traitement du signal 87 analysis L’activité solaire sous analyse 111 et le pêcheur Patrick Bouthemy Analysis of solar activity from Signal Processing and fisher Georges Tziritas spectroheliograms Roland Person Elisabeth Ribes Vision par ordinateur : comment 99 Pierre Mein Problématique de la détection 89 interpréter les images de contours The rôle of récognition in image Circuits et systèmes de 113 Problems in edge détection interprétation reconnaissance vocale Djemel Zlou Gérard Giraudon Circuits and Systems of speech Brigitte Wrobel-Dautcourt Monique Thonnat récognition Joseph Mariani Le terrain et sa représentation 90 L’œil du robot 101 Christian Gagnoulet numérique Robot's eye Digital terrain models from airborne Marc Richetin Evolutions techniques et 115 or satellite images Michel Dhome ^ développement des systèmes Guy Ruckebusch Impact of technology on the Vision et robotique mobile 102 développement of signal « Scidar » pour cartographier la 91 Vision and mobile robot procceesing System turbulence atmosphérique James L. Crowley Joël Le Roux Atmospheric turbulence profiling by Roger Mohr the Scidar technique Index thématique 116 Le robot aux champs 103 Jean Vernin The agricultural robot Subject index 117 Gilles Rabatel Pierre Baylou Index auteurs 118 Le robot dans la mine 105 Computer vision applied to sélective cutting in a potash mine Jean-José Orteu Maurice Briot

4 LE COURRIER DU CNRS N* 77

AVANT-PROPOS

Le traitement du signal et de l'image: de l'observation à la prise de décision

Gérard Favier que, science de l’action, fournit les outils mence en général par une phase d’analy- et les méthodes pour le contrôle/com- se ayant pour objet de dégager les princi- mande. pales caractéristiques des signaux et des D’un point de vue systémique, ces dif- images dont on veut extraire le contenu pprendre, communiquer, raison- férentes facultés d’apprentissage, de informationnel. ner, décider et agir sont les prin- communication, de raisonnement, de L’étape suivante consiste à les mettre cipales facultés qui confèrent à A décision et d’action concourent toutes à en forme, dans le sens d'une réduction l’homme son intelligence. Ces facultés, un traitement de l’information; et en des parasites, appelés aussi bruits, qui se l’homme s’est fixé comme objectif de les particulier, c’est une véritable chaîne de sont introduits au niveau des capteurs ou transmettre aux systèmes artificiels. traitement qui permet d’effectuer le pas- lors de l’étape de transmission. On dit Ainsi, après avoir conçu l’outil qui pro- sage de l’observation à la prise de déci- aussi que l’on cherche à augmenter le longe le geste, puis la machine devenue sion. rapport signal/bruit. robot qui effectue ce geste de façon au- Ce dossier scientifique a été conçu de L'étape ultime du traitement consiste tomatique, son ambition aujourd’hui est façon à présenter le traitement du signal alors à extraire l’information utile conte- de doter les systèmes artificiels d’une et de l’image à travers les différents mail- nue dans les signaux et les images. Cette intelligence qui les rende autonomes. lons de cette chaîne de traitement. extraction de l’information s’accompa- Ce défi technologique, certainement En effet, en TDSI, le point de départ gne d’une phase d’interprétation qui fait l’un des plus audacieux de cette fin de est toujours l’observation et l'acquisition appel au raisonnement humain et s’ap- siècle et du siècle prochain, pourra être de mesures délivrées par un ou plusieurs puie sur l’expertise disponible relative- relevé grâce aux progrès considérables capteurs (antenne, télescope, sismogra- ment à l’application envisagée. Cette in- réalisés en électronique et en informati- phe, appareil médical, caméra vidéo...). terprétation peut être effectuée soit que, et à l’arrivée des futurs ordinateurs Ces mesures qui se présentent sous la directement par l’utilisateur au vu de neuronaux. forme de signaux ou d'images, sont nu- représentations graphiques, soit à tra- De façon générale, doter d’intelli- mérisées avant d'être transmises à vers un dialogue homme/machine ; le gence les machines (ordinateurs, robots) l'ordinateur pour être traitées. Ce sont système de traitement joue alors le rôle et les matériels (capteurs, appareils mé- ces signaux et ces images qui véhiculent d’un système d’aide à la décision grâce à dicaux, systèmes de surveillance...) relè- l’information utile pour prendre une dé- la capacité de raisonnement dont on l’a ve des sciences et technologies de l’infor- cision. doté en utilisant les techniques de l’intel- mation : informatique, automatique et Dans le cas des communications, ligence artificielle et plus particulière- traitement du signal. Ainsi, l'intelli- l'observation effectuée au niveau du ré- ment des systèmes experts. gence artificielle intervient pour intro- cepteur résulte d’une source signal ou Six chapitres ont ainsi pu être déga- duire les facultés d’apprentissage et de image, transmise par un émetteur via un gés, de manière un peu artificielle il est raisonnement ; le traitement du signal et canal de transmission, après codage, vrai, tant est forte l’interdépendance en- de l’image (TDSI) contribue à apporter compression et éventuellement protec- tre les différentes étapes du traitement aux systèmes leur capacité de communi- tion contre les intrus. qu’ils renferment. cation et d’aide à la décision ; l’automati- Le traitement proprement dit com- - «Capter et mesurer»; c’est la phase

6 LE COURRIER DU CNRS N* 77

d’observation et d’acquisition des si- correspondant au chapitre ; Ceci explique l'importance accordée au gnaux et des images à l’aide de capteurs. - «Décider et contrôler». Cette étape développement de logiciels de CIAO - «Modéliser et analyser» : c’est l’étape consiste à déterminer des paramètres ca- (conception intelligente assistée par or- d’analyse au cours de laquelle les princi- ractéristiques du s ystème ou du phé no- dinateur) pour la conception et la mise pales caractéristiques des signaux et des mène étudié, à l’aide d’outils du t ype au point de la chaîne de traitements, images sont mises en évidence, à l ’aide détection/estimation/classification. Il l’intelligence artificielle intervenant ici d’une représentation non paramétrique s’agit par exemple d’estimer les modes au niveau du pilotage de ces traitements. (analyse spectrale ; analyses temps/fré- de vibration d’une structure ou d’une D’autre part, la mise en œuvre de ces quence et temps/échelle) ou paramétri- machine pour en assurer la surveillance méthodes nécessite des temps de calcul que, appelée aussi modèle, et en pre- et le contrôle, ou d’estimer la dynami- qui sont souvent incompatibles avec les nant en compte l’information a priori que d’une cible pour en effectuer la contraintes de temps réel imposées par dont on dispose vis-à-vis du phénomène poursuite ; ou encore de détecter les les applications. Une solution consiste étudié. Le rôle de ces représentations contours ou les régions dans une image, alors à concevoir des circuits spécifiques, est crucial puisqu’elles conditionnent le afin d’y localiser des formes ou de s ob- type de traitement aval. jets, comme par exemple une tumeur - «Coder et transmettre» : c’est l’étape dans un organe, ou un o bstacle dans de transmission et de stockage de l’infor- l’environnement d’un robot mobile. mation, avec comme objectifs d’aug- - « Interpréter et reconnaître » : c’est la menter la capacité des canaux de trans- dernière étape du traitement qui corres- mission, en utilisant des liaisons pond à une phase d’interprétation des

De l’observation terrestre par le satellite Meteosat (a) à l’interprétation de l’image transmise (b) en terme de carte météorologique (c). (Clichés Météo France).

optiques cohérentes par exemple, de signaux et des images, en vue d’une prise transmettre les sources à d ébit réduit et de décision puis d’une action. Elle est sans perte d’information, grâce aux fortement imbriquée avec la précédente techniques de codage et de compression, qu’elle vient compléter dans un but de et éventuellement d’assurer la confiden: reconnaissance, de classification et, de tialité de cette information grâce à l a manière plus générale, de compréhen- cryptographie. sion automatiques des phénomènes étu- adaptés à d es tâches bien précises com- - «Filtrer et synthétiser» : c’est l’étape diés. C’est le cas par exemple de la re- me la reconnaissance de mots par exem- de mise en forme des signaux et des ima- connaissance de la parole, de l’écriture ple, ou à u tiliser de nouvelles architec- ges au sens de la réduction (on parle manuscrite, de caractères dactylogra- tures de machines (processeurs aussi de filtrage) des bruits, de la restau- phiés (saisie automatique de données vectoriels, calculateurs parallèles, ré- ration des informations (pour pallier les pour les informatiser), de signature sur seaux connexionistes). déformations introduites par les instru- un document (chèque, bordereau), de En conclusion, de l’observation à la ments de mesure ou l e milieu de propa- signature acoustique pour l’identifica- prise de décision, via une approche inté- gation), de la reconstruction 3D des ob- tion de navires, du visage ou d’emprein- grée, donc pluridisciplinaire, le traite- jets, et enfin de la création de signaux tes digitales pour l’authentification d’un ment du signal et de l’image est au ser- (parole, musique) ou d’images synthéti- individu, et aussi de la vision artificielle vice d’une grande variété de champs ques à partir de modèles. (ou vision par ordinateur) dont seront d’application comme en témoignent les Les deux derniers chapitres concer- dotés les futurs robots mobiles d’inter- articles de ce numéro. nent l’extraction de l’information utile. vention. Cette extraction est tout d’abord compo- Bien entendu, les méthodes de TDSI sée d’une phase d’exploitation des si- permettant de réaliser les traitements Gérard Favier, chargé de r echerche au gnaux et des images, de type essentielle- mentionnés ci-dessus sont de plus en CNRS, chargé de mission au département ment numérique et algorithmique, plus nombreuses, diverses et complexes. Sciences pour l’ingénieur.

LE COURRIER DU CNRS N« 77 7

AVANT-PROPOS

Le Traitement duSignal: une discipline «ancillaire» ?

Bernard Picinbono ment du signal, même sans le savoir ou compétences dans ce domaine. En géné- le dire, peut-on alors parler d’une spéci- ral, on ne recherche pas des spécialistes ficité ou d’une existence comme disci- pour contribuer uniquement au déve- ans son livre «De la Physique pline autonome ? Avant de répondre à loppement de leur technique, mais sur-

avant toutes choses», A. Abra- cette question, on peut immédiatement tout pour diffuser et appliquer leur sa- D gam évoque « la divine surprise noter que le traitement du signal n’est voir-faire dans de vastes projets aux de voir le phénomène prévu par le calcul pas isolé dans cette situation. Le plus bel finalités très variées. Mais ceci n’épuise apparaître là où on l 'a prévu, tel qu ’on exemple est donné par les mathémati- pas la réalité du traitement du signal. l'a prévu», et parlant d’une expérience par- ques dont personne ne conteste la spéci- ticulière indique quelques pages plus ficité et l’autonomie, mais qui pourtant Le traitement du signal loin que l’observation du phénomène sont aussi au service des autres disci- comme discipline s’est faite par un renversement du si- plines et souvent bien au-delà d’une sim- Plutôt que de tenter de définir l’objet gnal», conformément aux prévisions. ple technique. Ainsi la liste est longue Ainsi le signal, bien mis en forme et et les frontières de cette discipline, il de recherches purement mathématiques paraît préférable d’indiquer les princi- correctement observé, est l’intermé- suscitées par des questions provenant de pales caractéristiques de ce qu’on ap- diaire obligé de la plupart des grandes leur usage dans d'autres disciplines. découvertes expérimentales. Pour s’en pelle une discipline et de voir comment convaincre, il suffit d'observer les mo- elles s’appliquent au traitement du si- numentales expériences de physique des De la grandeur du service gnal. particules où la complexité des appareils Une discipline ne peut que se réjouir On peut tout d’abord parler d’une de mesure est un passage indispensable d’être au service de nombreuses autres, communauté de ceux dont l’activité pour obtenir des résultats significatifs. même si elle a parfois le sentiment de principale est centrée sur le traitement Dans cette perspective, le traitement du perdre sa spécificité. Il suffit de parcou- du signal. En matière de recherche, cet- signal, aussi sophistiqué soit-il, apparaît rir le sommaire de ce numéro pour se te communauté existe incontestable- comme un ensemble de moyens théori- convaincre de la multiplicité des champs ment. A l’échelon français, on la trouve ques et techniques au service d'une au- d’application du traitement du signal. au CNRS, dans les établissements tre discipline {ancilla, servante). On peut même ajouter que le chemin d’enseignement supérieur et dans de Comme en écho à cette vision, P. Ai- qui va du développement théorique aux grands organismes de recherche natio- grain, un autre grand physicien français, applications n’est jamais tracé d'avan- naux. La communication interne s’éta- préfaçant un ouvrage sur le traitement ce : de même que les spécialistes de blit par le biais de grands journaux scien- numérique du signal écrit : « Lorsque théorie des groupes ne savaient pas tifiques spécialisés en traitement du Kepler tirait les lois du mouvement des qu’ils forgeaient des outils indispensa- signal et par de grands congrès interna- planètes des séries d'observation de son bles à certains développements de la tionaux. La communauté internationale beau-père Tycho-Brahé, c'est à un véri- mécanique quantique, de même ceux est aujourd’hui suffisamment vaste pour table traitement numérique du signal qui ont développé la théorie des codes réaliser ce jugement par les pairs à la qu 'ilse livrait ». Ici aussi le traitement du ignoraient qu’ils s’appliqueraient dans base de la qualité des grandes publica- signal est au service d’une autre disci- un produit d’usage courant tel que le tions. pline, l’astronomie, et apparaît de plus disque compact. Et l’on pourrait sans On peut parler ensuite d’un langage comme une méthode à la fois très an- peine multiplier les exemples, au risque forgé par un enseignement rodé aux cienne et indispensable dans toute re- de lasser le lecteur. La diffusion du trai- normes internationales. L’enseigne- cherche expérimentale. tement du signal dans de vastes secteurs ment du traitement du signal sous toutes Si tout expérimentateur fait du traite- de l’économie peut se mesurer au nom- ses variétés est en France très largement bre des offres d’emploi exigeant des assuré au niveau des maîtrises, des éco-

8 LE COURRIER DU CNRS N° 77

Représentation graphique (à gauche) et projection perspective (à droite) d'une vue aérienne sur un modèle numérique de terrain restauré par reconstruction tridimensionnelle à partir de fusion d’images, issues d'un couple stéréoscopique, ■observées avec une résolution de 10 m. (TIM 3-IMAG, UJF-INPG Grenoble). •

les d’ingénieur et du DEA. tionner que l’invasion du traitement nu- frontières infranchissables. Comme il On peut enfin parler d’un état d’esprit. mérique a en tièrement transformé le est difficile d’isoler un signal sans parler Les recherches en traitement du signal paysage. Ainsi les concepts de récursivi- des systèmes qui le traitent, les liens s’inspirent largement des résultats d’au- té, à l a base de tant d’algorithmes de avec l’automatique {science des systèmes tres disciplines mais leur impriment une traitement du signal, ou d’adaptativité au sens large) et avec de larges secteurs marque spéciale. Prenons par exemple ne pouvaient guère se concevoir lorsque de l’informatique sont évidents. De la théorie du signal. Dans le cas détermi- le signal se présentait sous forme d’une même, un signal servant souvent à v éhi- niste, l'analyse de Fourier est un des fonction continue du temps. Mais plus culer une information pertinente, la outils de base, mais tous les résultats sur récemment bien des idées nouvelles ont théorie de l’information et l’ensemble la transformée de Fourier discrète et les surgi, et parfois il est encore trop tôt des sciences de communication ont un algorithmes rapides sont directement is- pour prévoir si elles tiendront toutes lien privilégié avec le traitement du si- sus de l’essai de travailler si possible en leurs promesses dans l’avenir. De f açon gnal. Enfin comment ne pas mentionner temps réel, et donc d’augmenter par non limitative, on pe ut mentionner l’ap- toutes les interactions avec de nombreu- tous les moyens la vitesse des calculs. De parition des réseaux neuronaux, des ses branches de la physique. Ainsi les même, dans le cas des signaux aléa- ondelettes, de la morphologie mathé- communications optiques conduisent toires, l’esprit traitement du signal in- matique ou de s statistiques d’ordre su- rapidement à s ’interroger sur le bruit troduit une perspective nouvelle par périeur. quantique et à étudier son influence sur rapport à une vision purement mathé- L’évolution s’est accompagnée d’une les récepteurs optimaux de transmis- matique. Par exemple, le problème de la démultiplication des centres d’intérêt. sion. prédiction, capital dans bien des do- On peut ainsi évoquer les relations avec Après ce p anorama beaucoup trop maines, peut être posé abstraitement, le traitement des images. Au départ le succinct, souhaitons au lecteur une pro- mais tous les travaux sur les algorithmes concept d’image était relié au domaine menade instructive dans tout ce que de prédiction rapides et adaptatifs de l’optique, mais on a vait depuis long- vont lui présenter les pages qui suivent. s'inspirent directement de l’esprit traite- temps noté les nombreuses analogies ment du signal. entre un s ystème optique et un système agissant sur des signaux temporels. Ceci Une discipline en évolution a permis de transposer très rapidement à l'optique toute une série de méthodes Il serait très intéressant de donner comme celles de filtrage pour l’extrac- quelques idées sur les principales évolu- tion dans un bruit. Puis l’image est deve- tions qui ont jalonné l’histoire du traite- nue un objet autonome et la discipline ment du s ignal au cours des trente der- traitement des images s’est renforcée en nières années. Les contributions consti- développant ses propres méthodes qui à tuant ce numéro donnent des indica- leur tour viennent utilement enrichir tions sur l’état actuel, mais ne permet- celles appliquées en traitement du signal tent pas toujours d’apprécier les transi- par un incessant mouvement d’aller et tions qui ont permis d’y arriver. Disons retour. simplement que, comme dans toutes les disciplines, l’évolution s’est faite soit par accumulation patiente de résultats Une discipline carrefour contribuant à une nouvelle vision des Il apparaît à l ’évidence dans les textes choses, soit par des transitions mar- qui suivent que le traitement du signal quées. A ce dernier titre, on peut men- Bernard Picinbono, directeur général de n’est pas une discipline fermée par des l’Ecole supérieure d'électricité.

LE COURRIER DU CNRS N* 77 9

CAPTER ET MESURER

apter et mesurer constituent la phase C d’acquisition de l’information qui, quelle qu’en soit la forme, est bien davantage que la simple observation passive. L’information à acquérir est en fait un phénomène physique, chimique ou biologique, dont l’interprétation est souvent très complexe. Le signal utile peut être soit émis directement par le système à observer (par exemple le rayonnement infrarouge émis par une étoile), soit résultant d’une excitation externe dont on a l a maîtrise comme c’est le cas avec les mesures par ultrasons, soit enfin mixte, comme en imagerie par réso- nance magnétique (IRM), où l’on détecte des basculements de moments magnétiques internes sous l’action d’un champ extérieur. En pratique, le spécialiste du traitement du s ignal ou de l’image prend en charge de l’information disponible au niveau du c apteur. Les articles de ce dossier ne donnent qu’une faible idée de la richesse des types de capteurs exploitables et le choix de l’un d’eux est une décision ca-

pitale pour la suite, puisque toute information déjà per- Le télescope de Schmidt du plateau de Calern (Alpes-Maritimes). (© CNRS-CERGA). due à c e niveau ne pourra jamais être restituée. photographie aux sels de manière continue dans le Supposé bien choisi, le d'argent sera transposée en temps. La phase d’acquisi- capteur délivre souvent un s i- grandeur électrique par une tion comporte la transforma- gnal sous la forme d’une ten- caméra vidéo. Mais ces infor- tion de ces signaux analogi- sion. Si tel n'est pas le cas, on mations sont encore en géné- ques en signaux numérisés, s'empresse de le faire par di- ral sous la forme analogique : c'est-à-dire échantillonnés verses techniques : ainsi, une la grandeur électrique varie dans le temps et quantifiés en

10 LE COURRIER DU CNRS N* 77

amplitude. Le signal tempo- deuxième type d’applica- pide possible - on parlera de rel est alors codé et s’exprime tion). De même, dans le cas temps réel - de manière à en octets prêts à être traités de la surveillance aérienne ou pouvoir suivre, en particulier, par des moyens informati- des systèmes de perception des mouvements. Cette rapi- ques après une mise en forme dont seront dotés les futurs dité s’accroît grâce à une op- adéquate (le “formatage”). robots mobiles, divers types timisation de l’architecture Pour les images, un d écoupa- de capteurs sont utilisés déli- de l’interface (multiplexage) ge analogue conduit à t raiter vrant chacun une information associée à une amélioration des éléments appelés pixels qui est exploitée à t ravers une des logiciels de traitement (“picture element”) avant de étape de fusion de données dont l’algorithme de Cooley traduire ceux-ci en octets. La (fusion multicapteur). et Tuckey, pour la transfor- phase d’acquisition est termi- Très vite, on découvre le mée de Fourier, est l’illustra- née une fois transmise l’infor- réel problème du vol ume de tion la plus classique. mation vers le calculateur données disponibles mais pas Le lecteur sera peut-être aval. nécessairement utiles. Une perplexe devant la diversité On conçoit qu’il ne peut image d’astronomie se com- des approches des articles exister d’acquisition pure, pose d’un milliard de pixels. proposés dans ce chapitre : c’est-à-dire totalement neu- Un examen médical par IRM elle montre qu’au-delà de tre vis-à-vis de l’information. donne lieu à deux millions de certains aspects théoriques Le capteur ne s’intéresse qu’à pixels qu’il faudra stocker (théorème de 3hannon par un aspect limité de la réalité, pendant dix ans. C’est pour- exemple) et de certains as- même sur le paramètre qu’il quoi il est tentant, dès la pha- pects pratiques de réalisation est censé suivre - la tempéra- se d’acquisition, de faire un d’interfaces, l’acquisition de ture, l’intensité d’un son, le prétraitement avec les mé- l’information utile ne peut pH...-il n’est pas lui-même thodes classiques décrites par être traitée qu’en interaction parfait car il favorise telle ou ailleurs (transformation de forte avec la transmission et telle gamme, et enfin il re- Fourier, ondelettes...) pour surtout l’interprétation. C’est cueillera des signaux para- extraire dès cette phase une illustration du pr overbe : sites sans pouvoir les discri- l’information utile. “Bien mal acquis, ne profite miner, en y ajoutant même Sous-jacents se trouvent jamais”. son bruit propre appelé bruit évidemment de grands pro- Georges-Michel Chevallier de mesure. grès technologiques pour professeur des universités Toujours par comparaison faire l’acquisition la plus ra- anthropomorphique, on voi t se poser le problème de l’observation des volumes (tomographie) qui nécessite au moins deux capteurs dont le traitement est coordonné. Plus généralement, la fonction de localisation, que ce soit de sources sonores ou de robots mobiles autonomes, nécessite de faire appel à u n ensemble de capteurs. Ainsi, la localisation des sources de bruit dans un m oteur automobile, ou la détection, la localisation, et le suivi de bancs de poissons ou de sous-marins, s’effectuent à partir d’un réseau de capteurs appe-

lé aussi antenne acoustique (ou encore sonar, pour le Dispositif de microscopie électronique avec visualisation de la surface du matériau analysé. (Laboratoire de technologie des surfaces © CNRS-Ph, Plailly).

LE COURRIER DU CNRS N ° 77 11

CAPTER ET MESURER

Percept et la fusion multicapteur

Une plate-forme robotique originale a été développée à des fins de vérification expérimentale de théories émergentes en fusion multicapteur.

■ Olivier Dessoude, Bertrand Zavidovique

es recherches actuellement me-• ques d’intelligence artificielle de repré- nées sur l’autonomie des robots sentation de l’univers (objets et attri- font d’autant plus ressortir buts), de contrôle proprement dit Ll’importance des problèmes de percep- (planification, contrôle symbolique) et tion que l’on envisage leur intervention d’intégration des résultats de plusieurs dans des environnements non contrôlés, traitements (blackboard), associées à voire hostiles. Une gestion dynamique des techniques intelligentes de prise de des capteurs et des traitements de don- décision ou de traitement du signal plus nées est alors nécessaire pour maîtriser quantitatives, destinées au traitement la complexité des fonctions de percep- de l’incertain (contrôle stochastique, tion, les incertitudes et les changements bayésien ou non). de contexte. Dans l’état actuel des mo- dèles envisageables, ces objectifs de robustesse requièrent au moins un traite- Un système avancé ment de données «efficace», dont de perception découlera donc un élément de décision, L’avancement relatif de la théorie en pour chaque tâche envisagée (détection, la matière fait donc que le Laboratoire localisation, classification) et pour cha- «système de perception» s’est doté que type de conditions, un mécanisme d’une plate-forme multicapteur, Per- de décision reconnaissant les change- cept, support privilégié indispensable ments de conditions, coordonnant les d’une démarche expérimentale complé- traitements appropriés, et les paramé- mentaire, qui préfigure les systèmes de trant correctement. perception autonomes du futur. Percept De façon schématique, le problème se présente comme une plate-forme ro- de la perception suppose donnés les mo- botique pouvant supporter un ensemble dèles de l’univers et de son évolution, évolutif de capteurs (caméras, antenne des capteurs, des traitements et de leur acoustique, télémètres) et a fait l’objet contrôle, des performances désirées. d’un brevet. Son axe central, véritable colonne vertébrale, conduit à la fois les signaux issus des capteurs et un réseau Associer des techniques de communication interne. Sur cette co- diverses lonne sont montés des actionneurs rota- La plupart des systèmes actuels ex- tifs supportant les capteurs, contrôlés ploitent des résultats connus d’automa- par des processeurs locaux. Le tout re- tique, dont deux principaux défauts pose sur un socle qui renferme une sta-

vont se manifester sur les systèmes fu- tion de travail, répartissant les ordres turs : un manque de souplesse et le mé- reçus, et qui peut recevoir des automa- pris d’une question préalable à l’optimi- tes programmés ou câblés de traite- sation d’une commande, celle tout ment. Des choix technologiques ont simplement de la faisabilité de la tâche amené une grande sophistication des as- appel tant aux ressources de la roboti- visée. Un système complet de contrôle pects électro-mécaniques (asservisse- que, du traitement du signal et de l’intel- perceptif aura donc recours à des techni- ment réparti), des capteurs disponibles ligence artificielle, qu’à terme au savoir- (capacités de traitement locales) ou de faire de spécialistes d’un domaine d'ap- Percept or the necessity of experiment- l’informatique de contrôle (système plication particulier. tal vérification of emergine theories d’exploitation temps réel Chorus). Ain- on multisensor fusion - The study of si, pour son utilisateur, Percept se com- perception, an essential function for porte comme une banale station, lui per- autonomous robotics, has lead to new mettant de contrôler en boucle ouverte Olivier Dessoude, ingénieur de l’arme- developments in the fields of ou fermée un parc de capteurs et de ment. Etablissement technique central de modelization, stochastic data traitements et ses multiples degrés de l’armement. Centre de recherches et d’études processing, and control. Percept, the liberté. d’Arcueil, Laboratoire «système de percep- Le premier problème abordé est celui tion», 16 bis, avenue Prieur de la Côte d’Or. platform described here, is an 94114 Arcueil Cedex. experimental set-up, which has de la gestion bayésienne d’une fenêtre become necessary in order d’observation, mais la plate-forme doit Bertrand Zavidovique, professeur à to validate these techniques in a realis ensuite permettre de mener des expéri- l'Université Paris-Sud, Institut d’électronique! fondamentale (URA 22 CNRS), Bât 220,91405] tic environment. mentations au réalisme accru, faisant Orsay Cedex.

12 LE COURRIER DU CNRS N°77

de la réponse cherchée du canal, au Pour observer cours du temps (Fig. 2a). Il faut alors améliorer cette image et extraire les paramètres intéressants : l'intérieur de l'océan dans les pics apparents sont confondus des retards très proches, non mis en évi- dence dans le premier traitement. De nouvelles méthodes, dites de « super ré- L'intérieur de l'océan peut maintenant s'observer en tomographie solution temporelle», basées sur la acoustique. Ceci n'est possible que par une totale maîtrise des mesures théorie de l’estimation non linéaire de paramètres, permettent d’identifier au d'écarts temporels des signaux qui s'y propagent. sein d’un paquet des trajets sous-jacents. On peut de plus, utiliser les diffé- Geneviève Jourdain Proposée à la fin des années 70 par rentes réponses successives de la figure une équipe américaine (Munk et 2a pour améliorer l’estimation. Wunsch), la faisabilité de la tomogra- La figure 2c donne le résultat final : our observer l’océan et compren- phie acoustique a été démontrée par deux nouveaux trajets sont décelés, et dre par exemple ses interactions plusieurs séries d’expériences depuis la peuvent être pris en compte dans le pro- Pavec le climat, il faut connaître la première en 1981. L’intérêt principal est cessus global d’inversion des données, vitesse du fluide, sa densité, sa tempéra- que cette méthode nécessite relative- ce qui permet d’améliorer l’estimation ture, à des échelles de temps allant du ment peu d’instruments: typiquement des paramètres physicochimiques du jour à la décennie, et à des échelles un volume d’océan de 300 km x 300 k m milieu. d’espace allant de 10 à 10 000 km, afin de surface peut être sondé à l ’aide d’une de déterminer les déplacements de mas- dizaine d’instruments émetteurs/récep- Améliorer la connaissance ses d’eau et les flux de chaleur. teurs. Les premières méthodes d’investiga- de l’océan tion sont celles in situ : bathysondes ou Les performances de la tomographie courantomètres, flotteurs de surface. Mesurer des écarts de temps sont d’abord liées à l’instrumentation Un deuxième type d’observation, Le principe de la mesure consiste à (positionnement précis des émetteurs/ l’observation satellitaire, fournit la to- faire une identification active de la ré- récepteurs, <= 1 m; chronométrie fine, pographie de surface (après soustrac- ponse du canal de transmission que avec une précision de l’ordre de la milli- tion du géoïde). constitue le volume traversé par Fonde. seconde sur 1 a n ; enregistrement de La tomographie est une méthode Les signaux utilisés sont large bande grandes quantités de données in situ...), complémentaire d’observation globale (W = 100 H z autour de 400 Hz ; modula- ainsi qu’aux méthodes d’inversion finale de l’intérieur de l’océan, basée sur des tion biphasé par une séquence de lon- des données. mesures de retards de propagation de gueur maximale de durée T de l’ordre de La part du traitement du signal est l’onde acoustique dans l’océan. L’onde 10 s). L’intercorrélation du signal reçu aussi très importante : choix du signal à acoustique est le type d’onde qui se pro- avec une copie du s ignal émis autorise émettre, choix des traitements tempo- page le mieux dans l’eau ; cette propaga- une première séparation des trajets et raux et spatiaux in situ, extraction et tion se fait par multiples trajets entre permet de gagner un rapport signal à suivi des paramètres. l’émetteur et le récepteur par suite de la bruit de l’ordre de 30 dB (si WT = 100) . Enfin, ceci doit être mené de pair avec non-homogénéité en profondeur de la Souvent l’émission (et donc l’intercorré- la connaissance et la modélisation de la vitesse de propagation de l’onde lation) sont répétées ~20 fois) et on propagation acoustique en milieu hété- (Fig. 1). De l a mesure des retards entre obtient alors une première allure brute rogène. L’avancée conjointe de toutes les différentes arrivées de l’onde, on peut déduire les propriétés physicochimiques (température, salinité) du volume d’océan traversé (d’où le nom de tomographie).

Measurement of time delavs for ocean acoustic tomoeraphy - Ocean acoustic tomography is a global method of in~ vestigation of the ocean. It is based on the measurements of travel times oj acoustic waves transmitted front emitters to receivers through multiple acoustic paths. Signal processing

consists of choosing the best emitted signal, and performing very precise -5.0 measurements of the time delays. This 50.0 100.0 150.0 last point analysed here leads to a Distance (km) large improvement of the method: some arrivai times can be now used in Fig. 1 - Propagation acoustique sous-marine; le profil de célérité (a) theinverse techniques to estimate the entraîne l’existence de zones de convergence et de zones d'ombre, (b) à physical parameters of the ocean. partirI de l’émission faite en un point, l'onde sonore se propage par plusieurs trajets.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 13

CAPTER ET MESURER

Imagerie acoustique pour machines silencieuses En évoluant de la simple écoute du bruit à la vision d'images acoustiques, l'acousticien se met à la portée du concepteur de machines.

Bernard Béguet La quantification couvre l’estimation de la puissance totale émise, obtenue par une technique intensimétrique, et sa répartition spatiale ou diagramme de oncevoir des objets peu bruyants directivité. La détermination de celui-ci est devenu un impératif dans la est basée sur le principe de Huyghens. construction électromécanique En utilisant des géométries particu- (normesC pour automobile, spécifica- lières (plan, cylindre...), on peut réali- tions pour machines industrielles). La ser cette opération en décomposant le réduction des niveaux sonores n’est ce- champ acoustique sur la base d’ondes pendant pas aisée, compte tenu du fait associée à la géométrie de mesure. que l’énergie acoustique est infime par Prenons l’exemple d’une antenne pla- rapport à l’énergie mécanique enjeu, et ne. La sommation des capteurs de même faible par rapport à l’énergie vi- l’antenne permet de sélectionner l’onde bratoire de la structure. Pour aider plane parallèle à celle-ci et ainsi d’esti- l’industriel dans la conception de machines silencieuses, la panoplie des outils expérimentaux a considérable- ment évolué avec l’arrivée des techniques d’imagerie, ou holographie acoustique de champ proche. Une antenne permet d’estimer le champ sonore... La mesure dans une zone proche de la machine considérée permet d’opérer en site industriel, en s’affranchissant des autres bruiteurs. En contrepartie, cette

zone est perturbée par des ondes, dites évanescentes ou non rayonnantes, pro- Fig, 2 - Extraction de retards voquant des surpressions locales. proches; en (a) la réponse du L’exemple du diapason qui n’est Fig. 1 - Localisation des sources canal acoustique montre trois audible que dans une zone très proche de bruit sur un moteur trajets principaux (pics). En fait, au automobile. sein d'un pic se trouvent plusieurs malgré des niveaux vibratoires élevés est illustrant de ce propos. L’obtention trajets non résolus. On a isolé le mer le champ lointain sur sa normale. deuxième pic (b) et on cherche à d’informations quantitatives nécessite identifier au mieux, à l'intérieur, alors de faire des mesures en un La pression rayonnée dans d’autres di- des trajets multiples.En optimisant ensemble de points, par des réseaux de rections est obtenue en introduisant des un algorithme d'estimation non microphones appelés antennes retards entre les capteurs de l’antenne. linéaire, on met en évidence deux acoustiques. Le traitement de ces En théorie du traitement du signal, ces trajets dont les positions au cours données permet de quanti- opérations ne sont autres qu’une trans- du temps sont données en (c). fier le bruit de la machine et d’en formée de Fourier spatiale des signaux. donner une « image » visant à localiser ► ces techniques doit permettre une véri- les sources sonores prépondérantes. table mise en œuvre de la tomographie ...et un logiciel de localiser acoustique océanique, en même temps les bruits que l’amélioration de notre maîtrise et Acoustic imagerv for silent machines – Une fois le niveau sonore quantifié, le connaissance de l’océan. The on-site quantification of noise logiciel de traitement permet la localisa- emitted by a machine, and the génération of tion des sources de bruit. Une première an image representing the sources of this image, représentant la répartition des noise are permitted by the use of a nearfield niveaux de pression sonore mesurée sur Geneviève Jourdain, professeur à l’Eco- acoustic imagery.This imagery is based on l’antenne peut être visualisée. Pour lo- le nationale supérieure d’ingénieurs électriciens data aquisition with an acoustic antenna de Grenoble, directeur du Centre d'études des caliser plus précisément les sources de and the dedicated Processing. This bruit (rendre l’image plus nette), une phénomènes aléatoires et géophysiques (URA techniqueis then widely used to decrease the 346 CNRS), Institut national polytechnique de distribution de sources sur la surface de Grenoble, BP 46, 38402 Saint-Martin-d’Hères noise level of machines. la machine est recalculée. Le traitement Cedex. des données, analogue à la notion de

14 LE COURRIER DU CNRS N° 77

focalisation en optique, suit les sé- quences suivantes : - décomposition sur ta base d’ondes de la géométrie de mesure par transformée de Fourier spatiale, - séparation des ondes propagatives et évanescentes, - rétropropagation de chaque onde vers le bruiteur, - réaddition de toutes ces ondes pour chaque point de la structure par trans- formée de Fourier inverse. En résumé, l’imagerie acoustique permet de trier la part rayonnante des champs acoustiques et de donner une image des sources de bruit permettant la localisation des zones émettrices pré- pondérantes. Ces images sont un support privilégié d’échanges entre i’acou^cien et le concepteur car ce dernier està même de les interpréter dans sa logique de conception, et de définir des actions de réduction appropriées.

Bernard Béguet, ingénieur ECAM, di-

recteur de la Division études, METRAVIB R.D.S., 64, chemin des Mouilles, BP 182, I Fig. 2 - Mesure à l'aide d’une antenne acoustique du bruit émis par le TGV. 69132 Ecully Cedex.

Les signaux de la parole ne sont pas que du son

L'homme parle, et ce qu'enregistre le microphone est simplement « le signal de parole». Par quel processus ce signal est-il produft? Pour le comprendre, il nous reste à saisir et à traiter beaucoup d'autres signaux

en amont du son. Fig. 1 - Traitement d’images pour extraire les paramètres du visage parlant: ici, les lèvres et les Tahar Lallouache, tion. Songer que de nos jours encore, il dents (d’après T. Lallouache, Bernard Teston n’est pas courant de pouvoir disposer de 1990). caméras vidéo rapides qui atteignent des cadences suffisantes (5 000 à 10 000 omment avoir accès au compor- images/s) pour pouvoir visualiser préci- tement des articulateurs, sachant sèment ce phénomène : la source voca- que le langage est d’abord une C Speech signals are not onlv sounds - j le. Les lèvres, les plus visibles, furent gestuelle sonore qui, chez l’homme - d’abord dessinées - puis photographiées contrairement à l a plupart de ses autres Vocal fold behavior has been observable since the last century. Technical et cinématographiées - pour servir à comportements moteurs -, se présente l’enseignement des sourds-muets. de manière fortement internalisée ? evolutions (photography, film, radio- graphy, EMG...) have permitted in- Et puis on les oublia, semble-t-il, jus- creasingly fine analysis of articulator qu’à ce q u’un regain d’intérêt se fasse La capture du mouvement movements. The observation of speech jour, dans les années 60 aux États-Unis, Le plus inaccessible fut paradoxale- remains, nevertheless, a difficult task, pour mesurer leurs formes. Mais aujour- ment le plus tôt observé : dès 1847 l e and ail the more so since the signais d’hui encore on peut dire que, pour les miroir de Garcia permit à tout un cha- broadcast in speech are optical as well as grandes langues du monde, il a été tour- cun de voir les cordes vocales en vibra- acoustic. né davantage de films radiocinémato- graphiques que de films scientifiques sur les lèvres (Fig. 1). ►

L£ COURRIER DU CNRS N° 77 15

CAPTER ET MESURER

qu’une nouvelle génération d’appareils phie à émission de positons (PET- pourra suivre les cadences nécessaires SCAN) - permet d’avoir accès à l’activi- pour la parole, actuellement observée té cérébrale en temps réel. On attend statiquement. En attendant, l’échogra- beaucoup de ce d ernier domaine pour phie donne des images en mouvement l’avancement des connaissances en pro- qui sont exploitables, en particulier duction. Mais déjà pour la perception, pour connaître les formes transversales on vient d’assister à une première, réali- de la langue, mais sans pouvoir délivrer sée par des chercheurs finlandais ; la la configuration des parois internes de mise en évidence d’une activité spécifi- tout le conduit. Il faut donc se rendre à que de l’aire auditive lorsque les sujets l’évidence ; observer la parole reste une doivent intégrer un stimulus auditif et tâche difficile qui nécessitera encore la un stimulus visuel, pour prendre une dé- mise au point d’un matériel spécialisé, et cision phonémique. C’est un type de dé- cela plus encore que pour d’autres acti- cision que nous sommes amenés à pren- vités humaines. dre tous les jours, sans le savoir, lorsque nous écoutons notre interlocuteur tout en fixant son visage; et c’est l’un des Ecouter avec les yeux atouts majeurs qu’aura le visiophone sur le téléphone, tant il est vrai que les si- Nous terminerons ce tour d’horizon gnaux émis dans la parole sont aussi bien Fig. 2 - Explorateur du voile du sur l’acquisition et le traitement des si- optiques qu’acoustiques... palais (d’après P. Rousselot, gnaux non sonores dans la production 1924). de la parole, en rappelant que tous les signaux qui proviennent des systèmes périphériques et centraux ne sont pas, ► Il existe actuellement sur le marché et bien entendu, que des signaux de mou- dans les laboratoires de nombreux systè- vement. Physiquement, plusieurs phé- mes pour suivre en temps réel les mou- nomènes aérodynamiques qui se pro- vements des articulateurs. Certains sont duisent dans le conduit vocal - et qui donnent les conditions nécessaires de parfois simplement les héritiers, plus so- Tahar Lallouache. chercheur à l'Institut phistiqués, de machines d’âge respecta- l’émission des sons - peuvent être enre- de la communication parlée (URA 368 CNRS), ble (Fig. 2). Celles-ci étaient générale- gistrés avec des sondes de pression et de Université Stendhal, Domaine universitaire, ment affublées d’un nom en -graphe; débit. Physiologiquement, l’activité BP 25 X, 38040 Grenoble Cedex. l’ancêtre en est le kymographe de Lud- électrique des muscles (EMG) peut être captée par des électrodes. Et à plus haut Bernard Teston, ingénieur de recherche wig perfectionné par Marey (intensive- au CNRS, Unité «parole et langage» (URA ment utilisé par l’Abbé Rousselot dès la niveau encore, le traitement des signaux 261 CNRS), Institut de phonétique, 29. avenue fin du XIX*) ; et l’on construit encore, électroencéphalographiques (EEG), et Robert Schuman, 13621 Aix-en-Provence Ce- ici ou là, différents transducteurs pour maintenant magnétoencéphalographi- dex. suivre la mandibule, les lèvres, et même ques (MEG) - mieux que la tomogra- le voile du palais, comme c’est le cas du vélotrace. La radiocinématographie, qui a l ong- temps été la plus globale des méthodes d’observation en phonétique, est maintenant de plus en plus «surveillée»; l’exposition aux rayons X reste dange- reuse. Le suivi en 3D, par des micro- faisceaux (système microbeam mis au point par les Japonais), de petites pas- tilles collées sur les articulateurs, ne peut donner tout le profil du conduit vocal ; il en va de même pour les métho- des magnétiques qui sont actuellement en concurrence avec ce système. Sur la dimension horizontale, l’électropalato- graphie (EPG) délivre en principe la géographie des points de contact de la langue sur le palais (Fig. 3). Reste à observer les cordes vocales par endosco- pie, grâce aux fibres optiques, et à faire simultanément la prise de vue du visage du locuteur pour disposer à peu près d’une vue d’ensemble de l’« orchestre de la parole». Dans l’avenir, une méthode d’observation complète en 3D du conduit vocal - nécessaire pour pouvoir en calculer Fig. 3 - Signal de parole « AKLI» avec (en bas) la représentation des zones l’acoustique - sera sans doute la RMN de contacts de la langue sur le palais et (au centre) le débit d’air aux (résonance magnétique nucléaire), lors- lèvres, (d'après B.Teston et B.Galindo, 1990).

16 LE COURRIER DU CNRS N ° 77

Tomographie ultrasonore L'imagerie par diffraction par résonance et diagnostic médical magnétique

Dans l'arsenal des procédés d'imagerie appliqués à l'aide au diagnostic nucléaire médical, le scanner à ultrasons paraît très prometteur. L'IRM initialement utilisée dans le diagnostic médical étend son ■ Bernard Duchêne, champ d'action à d'autres Dominique Lesselier, domaines. C'est la conséquence Walid Tabbara du perfectionnement des techniques et des méthodes. e scanner à rayons X est devenu un outil courant dans la «trousse L à outils» du médecin. Il permet Michel Sauzade, de réaliser des images de coupes (tomo) Geneviève Guillot, du corps humain. Le procédé présenté Patrick Gonord ici en est très proche. Les rayons X sont remplacés par des ultrasons (en principe inofîensifs) émis par une source piézoé- L’imagerie par résonance ma- lectrique. L’onde ultrasonore traverse Tomogramme d’un cœur de gnétique nucléaire (IRM) per- le corps à imager et est reçue par une lapin. Cette image est construite met de visualiser dans un échantillon la série de capteurs disposés suivant une à l’aide d’un algorithme de répartition des noyaux et ligne dans le plan de la coupe souhaitée, tomographie tenant compte des la manière dont ils sont influencés par l’énergie mesurée par chaque capteur phénomènes de diffraction leur environnement. Pour être mis en étant stockée dans un calculateur. Nous importants pour les ondes évidence, le signal détecté doit être suf- obtenons ainsi une vue de cette coupe. ultrasonores se propageant dans fisamment intense, ce qui limite prati- les milieux biologiques. La quement l’emploi de cette technique L’étape suivante consiste à faire subir résolution sur cette Image, obtenue solidairement à la source et à la ligne de à une fréquence de 2 MHz, est de aux noyaux des atomes d’hydrogène qui capteurs une rotation d’un angle donné, l’ordre de 0,4 mm. présentent la meilleure sensibilité en ré- puis à mesurer à nouveau l’énergie sonance magnétique et sont relative- transmise, d’où une deuxième vue. ment libres de leurs mouvements. Les Après avoir répété cette procédure n si petite qu’ils ne sont pratiquement pas atomes d’hydrogène entrant dans la fois, un algorithme traite les mesures déviés par les milieux traversés. Les ul- composition de petites molécules, et en contenues dans les n vues pour produire trasons, avec des longueurs d’onde 105 à particulier ceux de l’eau, remplissent l'image de la coupe. La figure présentée 106 fois plus grandes, sont diffusés dans bien cette dernière condition. C’est la est un exemple typique des possibilités toutes les directions: il y a diffraction. raison pour laquelle l’IRM est large- de ce procédé, c’est une coupe d’un D’où la nécessité d’un traitement diffé- ment utilisée pour l’étude des tissus vi- cœur de lapin obtenue à partir de 32 rent de celui des scanners pour les me- vants qui contiennent de 70 à 80% d’eau. vues. La petite cavité est le point sures. d’entrée d’un vaisseau sanguin, la gran- D’un autre côté, l’utilisation des ul- La technique de résonance magnéti- de correspond à une oreillette. Les di- trasons permet d’accéder à des paramè- que nucléaire (RMN) consiste à faire mensions sont reproduites avec fidélité. tres du milieu traversé, telle la densité résonner des noyaux placés dans un Quelques minutes suffisent pour obtenir ou la vitesse du son, qui dépendent for- champ magnétique statique en les exci- une image au moyen d’un micro-ordina- tement de l’état physiologique de celui- tant par un champ électromagnétique teur. ci. D’où l’application au diagnostic à radiofréquence. Sous l’effet du champ Pourquoi tomographie par diffrac- partir d’une image représentant une car- statique, les axes de rotation des noyaux tion ? Dans un scanner, les rayons X se te de l'un de ces paramètres. s’alignent suivant l’axe du champ. Une propagent en ligne droite entre la source impulsion du champ électromagnéti- et le capteur. Leur longueur d’onde est que, dont la fréquence est caractéristi- Bernard Duchêne, chargé de recherche que du noyau et de la valeur du champ Ultrasound diffraction tomoeraphy au CNRS, Laboratoire des signaux et systèmes statique, les entraîne dans un mouve- and medical diagnosis - An ultra- (UMR 14 CNRS-ESE). ment de précession autour de l’axe du sound imaging technique similar to X~ray Dominique Lesselier, directeur de re- champ. A la fin de l’impulsion, les tomography is presented. Taking into cherche au CNRS, Laboratoire des signaux et noyaux continuent leur mouvement de account ail diffraction phenomena, it systèmes (UMR 14 CNRS - ESE). précession tout en revenant lentement à provides accurate images of cross-sections Walid Tabbara, professeur à l’Université leur position initiale. Pendant cette pé- of inhomogeneous objects, in particular in Paris VI, directeur adjoint du Laboratoire des riode de relaxation, ces noyaux émet- biomédical ap- signaux et systèmes (UMR 14 CNRS - ESE), tent un signal dont la fréquence est pro- plications. ______Ecole supérieure d’électricité. Plateau du Mou- portionnelle à l’intensité du champ Ion, 91192 Gif-sur-Yvette Cedex. statique auquel ils sont soumis.

LECOURRIER DU CNRS N°77 17

CAPTER ET MESURER

La faible intensité du signal de RMN (~10-22 W par mm2) limite la résolution spatiale et conduit à des temps d’exposition relativement longs. Toutefois, les progrès accomplis ces dernières années par l’adoption des nouvelles méthodes d’imagerie, la réalisation d’une instrumentation extrêmement complexe et l’introduction de traitements numéri- ques de données et d'images particuliè- rement puissants ont permis d'améliorer les performances de Î’IRM et d’étendre ses applications à de nouveaux domaines. Les photos présentées illustrent deux applications récentes ; l’une a trait au séchage d’un matériau poreux, l’autre se Fig. 1 - Séchage de la pierre de Caen ; images RMN de l'eau dans une rapporte à l’étude d’insectes. Il ne fait

pierre calcaire de porosité 25 % en cours de séchage. La pierre est un aucun doute que les améliorations en- cubeI de 10 cm de côté. Elle est saturée en eau puis progressivement séchée core possibles étendront le champ d’ap- et examinée par imagerie RMN. Entre les deux images, les conditions plication de cette technique. d'acquisition sont identiques sauf la saturation en eau S = 33 % (figure a) et S = 4% (figure b). Les images représentent une tranche d'épaisseur 8mm, et elles montrent que la répartition de l’eau dans le cube reste quasi uniforme pour S = 33% tandis que pour S = 4%, l'eau résiduelle est Michel Sauzade, professeur à l'Universi- concentrée au centre de la pierre. Ceci s'explique par la valeur relative de té Paris-Sud, Institut d'électronique fondamen- S par rapport à la saturation Irréductible qui est de l’ordre de 20%. Pour tale (URA 22 CNRS). S = 33%, la phase liquide a une bonne connectivité dans le matériau Geneviève Guillot, chargé de recherche poreux qui maintient une perméabilité élevée donc une répartition rapide de au CNRS, Institut d’électronique fondamentale l'eau malgré l'évaporation à l'extérieur de la pierre. Par contre, en dessous (URA 22 CNRS). de la saturation irréductible, la perte de connectivité de la phase liquide empêche la réuniformisation de la distribution de l'eau. (La résolution dans Patrick Gonord, maître de conférences à 2 l’Université Paris-Sud, Institut d’électronique le plan de l'image est 2 x 2 mm Le temps d'acquisition est de 15 minutes fondamentale (URA. 22 CNRS), Université Pa- environ). (D'après G. Guillot, A. Trokiner, L. Darrasse et H. Saint-Jalmes) ris-Sud, Bât 220,91405 Orsay Cedex.

► Une reconstitution en 3D Pour réaliser une image, on superpo- se au champ statique des gradients de champ qui font varier linéairement la fréquence de résonance le long de leurs directions d’application. La fréquence de résonance des différents éléments de l’objet varie proportionnellement à la distance et permet d’identifier leur position à la fin d’une série d’expériences pendant lesquelles des gradients de dif- férentes intensités sont appliqués suivant trois directions orthogonales. L’ensemble des données acquises pendant la série d’expériences permet, par le calcul d’une transformée de Fou- rier tridimensionnelle, de reconstituer l’objet et d’obtenir des images de coupes suivant n’importe quelle direction de l’espace.

Nuclear magnetic resonance imaging- Large progress has been made in nuclear magnetic resonance imaging

(MRI) during last few years by introducing new imaging methods, sophis- Fig. 2 - Image d'une mouche Drosophile; coupe de la mouche avec un ticated instrumentation, and powerful contraste en densité de noyaux d'hydrogène. L'épaisseur de la coupe est processing for data and images. These Ide 40 μm, la résolution dans la coupe est de 27 μm en horizontal et de 17 μm improvements allowed us to extend the en vertical. 40 coupes sont acquises simultanément. On distingue les détails MRI usefulness to new scientific de la tête (yeux), située en bas à gauche, et du corps (abdomen ou pattes), fields. situé en haut et à droite de la photo. La résolution obtenue permet l'étude in vivo des organes de reproduction de l'insecte.

18 L£ COURRIER DU CNRS N° 77

Suivre le cœur en mouvement

Isabelle Magnin L’imagerie cardiaque constitue un enjeu important pour les dix an- nées à v enir. En effet, une meilleure connaissance du mouvement 3D d’un cœur sain, liée à u ne mesure réellement tridimensionnelle de ce m ouvement chez l’homme, Représeniation approchée du mouvement 3D (déplacement global + déformation locale) du ventricule gauche d'un cœur humain au cours d’un cycle cardiaque moyen par une méthode permettrait de réaliser des progrès de codage OCTREE du volume ; (a) ventricule normal : la quantité de mouvement est à peu près considérables dans les domaines homogène dans tout l’espace; (b) ventricule pathologique: on observe une absence de diagnostique, thérapeutique et mouvement, qui se traduit par un trou dans le volume visualisé, localisée dans la région également interventionnel de la ischémiée de la paroi ventriculaire. Ce résultat est probablement dû aux effets conjoints d'une anomalie locale de déformation associée à une compensation du mouvement par effet cardiologie. antagoniste. (Clichés D. Friboulei, Ch. Mathieu et D. Revel, URA 1216 CNRS). Cette connaissance passe par : - le développement de scanners réellement tridimensionnels capa- précises du c œur pendant son ter, d’une manière parfaitement bles d’acquérir des informations mouvement ; interprétable par le cardiologue, anatomiques et fonctionnelles - des études à car actère fonda- des paramètres de mouvement ou mental destinées à m odéliser le encore la localisation dynamique Visualizing the beating heart- mouvement (mouvement des pa- des lésions ou la matérialisation Diagnosis and therapy in cardio rois, dynamique de flux) du c œur des flux à l ’intérieur même des ca- logy could be greatly improved normal et pathologique. Il s’agit vités. if the dynamic behaviour of the d’un domaine fort complexe beating human heart was better compte tenu de la nature élastique known. Development of real de cet organe, très difficile à ob- Isabelle Magnin, chargé de r e- time 3D cardiac imaging server in vivo ; cherche à l'INSERM, Unité «Traite- systems associated with new - la mise au point d’algorithmes ment du s ignal, imagerie numérique et ultrasons » (URA 1216 CNRS), Institut theoretical models will make it performants de visualisation international des sciences appliquées de possible in the near future, active 3D du cœur ou d’images de Lyon, 20, avenue Albert Einstein, 69621 synthèse, permettant de présen- Villeurbanne Cedex.

CCD imaging of very deep Universe- Imagerie CCD How the light gathering power of very large optical telescopes and the perfect mastering of CCD imaging de l'Univers lointain techniques aIlow the probing of the very deep Universe of young galaxies La puissance de détection des télescopes est décuplée par remploi des located at distances larger than 10 méthodes d'imagerie utilisant des détecteurs CCD. Ainsi s'ouvre le billions light years. champ de l'astronomie ultraprofonde, au-delà des dix milliards d'années-lumière. racine carrée du nombre de photoélec- trons détectés (le détecteur est dit fonc- Bernard Fort ceptionnelles : bruit de lecture proche tionner en régime de bruit de photons). de zéro, rendement quantique voisin de La dynamique est telle qu’avec des l’unité, excellente linéarité, et stabilité temps de pose suffisamment longs, il de- n dix ans, l’usage des détecteurs géométrique parfaite. vrait être possible de détecter des objets CCD (du nom anglais Charge La puissance de détection des téle- célestes dont la brillance de surface re- ECoupled Devices) s’est banalisé scopes s’est trouvé décuplée et on leur présente moins d’un millième du fond sur les télescopes optiques implantés au doit une bonne part des avancées récen- du ciel. Le flux lumineux de l’objet sol. Ce succès vient de leur facilité tes de l’astronomie. pourrait être de l’ordre de 0,02 photon/ d’emploi dans l’environnement infor- Avec ces détecteurs, le rapport signal seconde/pixel, noyé dans un f ond de ciel matique actuel et de leurs qualités ex- sur bruit croît théoriquement comme la de 50 photons/seconde/pixel.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 19

CAPTER ET MESURER

La MAMA

Jean Guibert

e par l’énorme volume micromètre, et, dans certaines d’information qu’elles per- conditions, sa précision photomé-

mettent d’enregistrer (jus- trique peut atteindre 5 centièmes Dqu’à un gigapixel par cliché), de par de magnitude, c’est-à-dire 5%. le fait qu’il en existe datant de plu- L’ensemble de ces performances la sieurs dizaines d’années, voire d’un place au tout premier rang au plan siècle, les plaques photographiques international. restent un s upport irremplaçable L’éventail des domaines de pour l’analyse des grands champs l’astrophysique couverts par les uti- et l’étude des phénomènes varia- lisations de la MAMA est extrême- bles dans l’espace et le temps. ment vaste. Il concerne le domaine Conçue, développée et mise en ext|ggalactique, avec la détection œuvre par l’Institut national des de candidats quasars par la photo- sciences de l’Univers pour l’exploi- métrie multicouleur, l’étude des tation informatisée des clichés as- galaxies à r aies d’émission ou à s ur- tronomiques, la MAMA (Machine sauts de formation stellaire, ou la Automatique à Mesurer pour Amas globulaire Messier 5 : la calibration relation morphologie-environne- l’Astronomie) est installée dans les photométrique des clichés photographi- ment. Il concerne également le do- ques repose souvent sur l'utilisation de sé- locaux de l’Observatoire de Paris. quences d'étalons situés dans le voisinage maine galactique avec l’étude des Il s’agit d’un microdensitomètre d'amas. (Cliché Schmidt O. C. A, numéri- populations stellaires, et le système qui tire sa vitesse de numérisation sation MAMA). solaire avec l’astrométrie des satel- de la présence d’un capteur multi- lites faibles de Jupiter. Les images voie (RETICON à 1024 p hotodio- du Soleil sont aussi analysées. Une des). Cet ensemble autorise l’ana- demande forte existe pour la re- lyse en quelques heures, avec un cherche et l’étude des contre-par- pas de 10 m icromètres, d’un cliché ties optiques de sources détectées de 35 cm de côté. Cette vitesse n’est en radio, dans l’infra-rouge ou l e cependant pas acquise aux dépens domaine X. Pour tous ces program- de la qualité des mesures. La mes, des logiciels spécifiques ont MAMA possède en effet une répé- été construits pour l’analyse des titivité géométrique de 0,2 micro- images et la réduction des données mètre, une précision absolue de 1 obtenues.

MAMÀ : computer processim of astronomical photographs - Galaxie spirale du ciel austral: auprès de MAMA is a fast microdensitome-terr. la MAMA sont entreposées les copies sur It analyses in a f ew hours, verre des surveys du ciel sud, réalisés avec with a s tep of 10 m icrometers, a un filtre rouge à l'Observatoire européen 350 mm square photograph, with austral, et avec un filtre bleu à l'observatoire britannique de Siding Springs (Aus- a very high accuracy. It’s used in tralie). Les régions d'hydrogène ionisé par Jean Guibert, astronome à astrophysics for studies of the so- les étoiles chaudes récemment formées l’Observatoire de P aris, Centre d’analyse ]nr System, stellar populations and sont bien visibles le long des bras spiraux des images, INSU, Division technique, extragalactic abjects. de cette galaxie photographiée à Siding 77, avenue Denfert-Rochereau, 75014 Springs et numérisée avec la MAMA. Paris.

> Augmenter la précision après calibration du composant restait techniques de composite d’images utili- limitée au pour cent. sées autrefois en photographie. Elles photométrique L’origine de cette limite est multiple : permettent effectivement dè" dépasser Singulièrement, les astronomes qui calibration imparfaite de la réponse des des rapports signal à bruit de l’ordre de tentèrent de telles observations décpu- pixels, prélèvements de charge du signal mille. vrirent que l’accroissement du temps de lors de transferts, franges d’interférence pose n’augmentait pas le niveau de dé- d’égale épaisseur extrêmement ténues, tection dès lors que le niveau du s ignal etc. Tous ces effets sont trop faibles L’imagerie ultraprofonde dépassait 10 0 00 électrons/pixel, soit pour se manifester dans l’utilisation Pour l’imagerie astronomique ultra- moins d’un vingtième de la dynamique. standard d’un CCD, mais sont préjudi- profonde, une technique utilise un Les pixels du CCD fournissaient une ré- ciables à b eaucoup d’observations astro- grand nombre de poses courtes qui cor- ponse stable à q uelque dix millièmes nomiques. Pour contourner cette diffi- respondent chacune au temps juste né- près, mais la précision photométrique culté, les astronomes reviennent aux cessaire pour atteindre cette précision

20 L£ COURRIER DU CNRS N° 77

Les Arcs d’Einsteîn

L’imagerie CCD ultraprofonde employée sur de grands télescopes vient de révéler, sur des champs présumés vides, une population abondante de galaxies bleues répar- ties uniformément dans le ciel et dont la brillance de surface est infé- rieure au centième du fond du ciel {Fig 2). Leur petite dimension et leur couleur suggèrent une distance de plus de 10 milliards d’années-lu- mière. Cette hypothèse est vérifiée par la découverte récente des « arcs d’Einstein» (Fig.l). Ces arcs bleus détectés dans les amas de galaxies correspondent aux images de ces galaxies déformées par le potentiel gravitationnel de l’amas déflecteur. Ce nouveau phénomène de lentille gravitationnelle provoque des gran- dissements et des distorsions d’images qui sont maintenant utilisés pour sonder l’Univers lointain et pour cartographier la matière invisi- Fig. 1 - Image CCD ultraprofonde dans le centre de l’amas CI2244. Pour ble qui constitue plus de 90% de la masse la population de galaxies bleues, la composante de matière invisible et de de l’univers. Inature inconnue qui domine le potentiel de l’amas, forme des arcs gravitationnels sur le plan du ciel (cliché CFHT, octobre 1990). photométrique de l’ordre du pour cent. pixel donné. L’image composite bruit. Avec un grand nombre de poses Pour toutes ces poses, le champ astrono- s’obtient en additionnant les images in- courtes, la nouvelle précision de mesure mique observé est positionné différem- termédiaires préalablement recentrées dépasse le millième. Cette procédure est ment sur le CCD avec des décalages tels avec des repères stellaires du champ. malheureusement complexe et nécessite que les erreurs systématiques rési- Comme chaque image élémentaire est un protocole d’observation et de traite- duelles puissent être traitées comme des obtenue en régime de bruit de photons, ment des images rigoureux. Pour les. variables aléatoires centrées pour un l’image finale est aussi limitée par ce CCD de grands formats, elle nécessite aussi de puissantes stations de traitement d’images sur le site du télescope. Elle s’impose cependant par les preuves éclatantes de son efficacité. On lui doit en particulier la découverte d’une nouvelle classe d’images gravitationnelles : les arcs d’Einstein (voir encadré). Des procédures similaires sont maintenant mises au point pour la spectroscopie. Elles sont cruciales pour les téles- copes de l’an 2000 comme le «Very Large Telescope» (VLT) qui sera im- planté par l’Europe dans l’hémisphère austral. Une partie des observations pour lesquelles est conçu ce télescope ne pourront être réalisées qu’en conju- guant sa puissance de collection de photons à une parfaite maîtrise des techniques les plus avancées en matière d’imagerie CCD.

Fig. 2- Image CCD ultraprofonde d’un champ présumé vide d’objets sur Bernard Fort, directeur de recherche au CNRS, directeur du Laboratoire d’astrophysi- le Palomar sky survey. On y distingue la population de galaxies bleues que de Toulouse (URA 285 CNRS), Observa- Idistantes de plus de dix milliards d'années-lumière dont la brillance est toire Midi-Pyrénées, 14, avenue Edouard Be- Inférieure au centième du fond du ciel (cliché CFHT, octobre 1990). lin, 31400 Toulouse.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 21

CAPTER ET MESURER

Les images des sondes Voyager

Bruno Sicardy

près plus de douze ans de route dans le système solaire, la sonde Voyager 2 a Aterminé avec Neptune sa magnifi- que mission vers les planètes géan- tes. Survolant successivement Ju- piter et Saturne (1979-1981), les deux sondes Voyager 1 et 2 se sont séparées. Voyager 1 est sortie du plan de l'écliptique et Voyager 2 s’est dirigée vers Uranus janvier 1986), puis vers Neptune, la «pla- nète bleue » (août 1989). Une partie de notre patrimoine culturel s’est ainsi enrichi de nouvelles images (plus de cent mille!) de planètes, de satellites et d’anneaux. La moisson scientifique appor- tée par ces images a ét é prodigieu- se. De simples points de lumière dans le ciel, les planètes sont deve- nues dans nos télescopes de petits disques résolus avec des détails de quelques centaines ou que lques milliers de kilomètres. En quelques jours, les sondes Voyager nous ont révélé des détails dont

certains sont inférieurs à dix kilo- mètres. La cratérisation et la morphologie des surfaces des satellites sur les phénomènes de circulation. dont l’origine est encore incon- nous permettent de lire l’histoire Enfin, les détails des anneaux nue. On distingue également une de ces corps. L’évolution des at- nous ont révélé des phénomènes autre tache plus petite en bas à mosphères planétaires en temps dynamiques jusque-là insoupçon- gauche, ainsi que de nombreuses réel nous renseigne, d’autre part, nés dans les disques. formations nuageuses qui évo- L’image de Neptung présentée luent sur des échelles de quelques ici a é té prise en août 1989 par la minutes. Le suivi de plusieurs ima- sonde Voyager 2, qui se trouvait ges montre enfin que la planète ne The Voyager images - More alors à six millions de kilomètres tourne pas de manière uniforme than twelve years after its de la planète. La dominante bleue en surface : les nuages mettent 18 launch, the Voyager 2 space- est due, d’une part, à la diffusion heures pour faire le tour de craft ended its dramatic de la lumière solaire par les molé- l’équateur, alors qu’il leur faut à exploration of the giant planets cules de l’atmosphère neptunien- peine 16 he ures pour contourner with Neptune. This image was ne (un phénomène qui explique le pôle. taken in August 1989, while the aussi la couleur de notre ciel), et probe was six million kilometers d’autre part, à l a présence de mé- away from Neptune. The blue thane, qui absorbe fortement le color is due to diffusion of rayonnement proche infrarouge. Bruno Sicardy, professeur à sunlight by the Neptunian On distingue au milieu du cliché la l’Uni-versité Paris VI, Observatoire de atmosphere, as well as to «Grande Tache Sombre», sur- Paris, absorption by methane. Large plombée de son nuage clair de cris- Laboratoire d'astrophysique extragalac- tique et de c osmologie (URA 173 features like the “Great Dark taux de méthane. Cette tache est CNRS), Observatoire de M eudon, Dé- Spot” are indicative of a highly sans doute le siège de gigantesques partement d’astrophysique fondamenta- turbulent atmosphere. mouvements tourbillonnaires, le, 5, place Janssen, 9219S Meudon Cedex.

22 LE COURRIER DU CNRS N ° 77

MODELISER ET ANALYSER n signal ou une image des descripteurs se prêtant de la représentation et du est le support physi- bien, par exemple, à des tâ- traitement des objets en 3D que d’une informa- ches ultérieures de décision : sera également abordé dans Ution. Comme tel, il peut être détection, estimation, classi- le dernier article de ce chapi- d’origine très variée : acousti- fication, reconnaissance... tre. que, radioélectrique, opti- En ce qui concerne l’ima- Du point de vue de l’analy- que, mécanique... Au-delà ge, elle constitue un support se, une représentation est de cette diversité, un point de représentation qui doit destinée à apprendre à un uti- commun: pour les signaux, permettre à un observateur lisateur quelque chose quant c’est généralement l’évolu- de découvrir et reconnaître à la constitution d’un signal. tion temporelle d’une gran- l’environnement associé à la Dans la mesure où l’on dispo- deur (le plus souvent électri- scène dont elle est issue. De se de peu d’ a priori sur cette que) recueillie à la sortie d’un cette représentation bidi- dernière, il est souhaitable (ou plusieurs) capteur(s) qui mensionnelle, l’observateur que soit forcé le moins possi- constitue la matière première exploite des modèles liés aux ble un type de structure pré- à partir de laquelle le traiteur éléments constituants de la déterminé. Cette situation de signal cherche à extraire scène et, par reprojection de correspond en général à des l’information qu’il juge utile. ces modèles dans le monde méthodes non-paramétriques En ce qui concerne les ima- des images, il va réaliser un pour lesquelles l’espace ges, la situation est analogue, appariement (une mise en transformé peut éventuelle- mais l’échelle temporelle est correspondance), de façon à ment être significativement remplacée par la résolution percevoir ce qui peut lui ser- plus grand que l’espace de spatiale et, pour les images vir pour justifier son modèle départ, l’augmentation de re- statiques (les plus courantes et évoluer dans son interpré- dondance étant contrebalan- en opposition aux images dy- tation. La définition d’un en- cée par une meilleure struc- namiques de mouvement), vironnement de représenta- turation a posteriori de l’information disponible pour tion induit un ensemble l’information. Si par contre l’utilisateur est représentée propre de méthodes d’exploi- on dispose d’indications par une projection de la scène tation de l’information: un quant à des structures possi- observée. article de ce chapitre illustre- bles, il est clair qu’incorporer Si, dans les deux cas, ra différents types de modes ces connaissances a priori l’information cherchée est là de représentation adaptés à dans le choix de la représen- et toute là, on conçoit aisé- l’interprétation. Le problème tation permet de mieux cer- ment que la facilité de son extraction et de sa manipulation dépendra de sa lisibilité. Quitter l’espace de représen- tation immédiat, qui est celui des données brutes, pour passer à un espace transformé contenant la même information répond alors au souci de mettre en évidence des carac- téristiques spécifiques du signal, de le “regarder” sous un angle particulier. Le choix d’une représentation est crucial car, si l’on considère l’ensemble d’une chaîne de

traitement, sa pertinence se mesure à sa capacité à fournir Transformée en ondelettes d’un signal turbulent. (Collaboration J.-F. Colonna, LACTAMME et M. Holschneider, Centre de physique théorique © CNRS-LMD-M.Farge-J.-F Colonna).

LE COURRIER DU CNRS N°77 23

MODELISER ET ANALYSER

►ner les caractéristiques du si- Ces deux aspects sont gnal. Ceci conduit le plus abordés dans les articles qui souvent à des méthodes para- suivent, où l’on montre en métriques, dans lesquelles outre que la multiplication de usage est fait de modèles dont points de vue différents sur l'ajustement des paramètres un même signal enrichit (si possible en petit nombre) considérablement la connais- permet de rendre compte au sance que l’on peut en avoir. mieux des observations. Les quelques exemples pré- L’importance que peuvent sentés sont issus de domaines revêtir de tels modèles de très différents (biomédical, connaissance est illustrée mécanique, acoustique, élec- dans les deux premiers arti- tromagnétisme, cosmologie) cles du chapitre. Pour le pre- et illustrent l’étendue des mier, c’est la biologie qui, en champs d’application offerts apportant des informations à ces nouvelles techniques. Si quant au fonctionnement du beaucoup d’outils complé- système auditif, permet de mentaires sont maintenant progresser sur la modélisa- Représentation des courbures maximales disponibles, le problème est estimées sur une forme tridimensionnelle tion de la perception de la pa- échantillonnée par un système de triangu- davantage de les faire coopé- role. Pour le deuxième, c’est lation active. L’objet (un buste de femme) rer efficacement et d’en su- la physique du problème qui, est représenté sous la forme d’une image perviser l’utilisation. de profondeur en coordonnées cylindri- en fournissant des éléments ques. (Cliché H. Maître, Telecom Paris). Au-delà de la représenta- de modélisation pour les tion, la prise en compte des bruits rencontrés en acousti- non-stationnarités revient à cette dernière présente ce- que sous-marine, permet rendre explicite le rôle du pendant deux grandes classes d’en accroître la détection ou temps dans les transforma- d'en diminuer le rôle pertur- de limitations. La première est d’avoir une faible résolu- tions affectant les signaux, les bateur. généralisations de l’analyse tion, limitée par la durée ou Que les approches soient spectrale consistant à inclure la taille des observations, la déterministes (décomposi- cette dépendance temporelle deuxième étant de faire im- tions sur des bases de fonc- dans la représentation (ou le tions) ou statistiques (le si- plicitement une hypothèse de stationnarité ou de régime modèle). Un autre point de gnal étant vu comme la sortie vue est de l’introduire dans permanent sur les données, d’un système à entrée aléa- l’algorithme élaborant la ce qui est conflictuel avec une toire), représentation et mo- transformation. Ceci ouvre le idée intuitive de localisation délisation sont en interaction champ aux techniques dites (temporelle ou spatiale) étroite. Pour les signaux tout adaptatives en ce sens qu’elles d’événements. Ces dernières comme pour les images, un sont susceptibles de faire va- exemple typique et fonda- années ont vu le développe- ment d’outils nouveaux pour rier leurs paramètres en fonc- mental est fourni par l’analy- tion des évolutions du signal dépasser ces difficultés, soit se spectrale. Celle-ci cherche sur lequel elles opèrent. Là en augmentant la résolution à mettre en évidence des encore, les applications, ef- par l’introduction de modèles structures fréquentielles fectives ou potentielles, sont (composantes harmoniques, appropriés ou l’adaptation de l’analyse à l’objet étudié (mé- multiples. Ceci ouvre la voie modes vibratoires...) dans la aux développements de thodes “haute résolution”), description des signaux et concepts d’apprentissage, de soit en rendant l'analyse s'adapte également à des si- stratégies de traitement et spectrale dépendante du tuations spatiales en traite- d’environnements de temps ou de l’espace de façon ment d’antenne (localisation contrôle. de sources). Si cette appro- à lui permettre de rendre che a longtemps reposé sur compte de phénomènes non- Patrick Flandrin, chargé de recherche au CNRS l'analyse de Fourier (qui de- stationnaires et/ou localisés (temps-fréquence, ondelet- meure un outil privilégié), Jean-Marc Chassery, tes). chargé de recherche au CNRS

24 LE COURRIER DU CNRS N° 77

l’instant d’apparition d'un changement spectral rapide. A plus haut niveau, il Comment fonctionne existe des neurones répondant sélective- ment à des stimuli plus complexes le système auditif? (bruits à large bande, spectres à plusieurs pics, consonnes particulières), Les mécanismes biologiques de traitement du signal sonore par le mais les principes d'organisation de ces système auditif sont maintenant mieux connus. Ceci permet «représentations intermédiaires» (déjà complexes, mais pas encore complète- d'envisager des progrès d'importance pour la modélisation de la ment décodées) restent très mal connus. perception de la parole. C’est probablement en s’appuyant sur la « boîte à outils » biologique générale que fournit le système auditif chez les verté- brés, mais aussi sur les contraintes pro- ■ Jean-Luc Schwartz, Le traitement du signal par pres aux objets acoustiques produits par Pierre Escudier le système phonatoire humain, que l'on les neurones pourra progresser significativement sur Là commencent les traitements neu- e système auditif résoud les pro- la modélisation de la perception de pa- ronaux, qui s’effectuent en parallèle à role. blèmes d’accès à une information travers les architectures complexes et L extérieure à partir des ondes encore imparfaitement connues des cen- acoustiques captées par les deux tres auditifs, jusqu’au cortex. La tonoto- oreilles, en s’appuyant sur des principes pie - sélectivité fréquentielle plus ou généraux de traitement biologique de moins fine des neurones et organisation Jean-Luc Schwartz, chargé de recherche l’information (extraction en parallèle de géographique selon la fréquence carac- au CNRS. Institut de la communication parlée paramètres de complexité croissante à téristique - est partiellement conservée (URA 368 CNRS). partir de processeurs simples ou de ré- tout au long des traitements. Le système Pierre Escudier, directeur de recherche seaux) et sur des outils classiques (filtra- auditif dispose donc, comme le système au CNRS, Institut de la communication parlée ge, cartes, détecteurs spécialisés). visuel, de véritables cartes du signal ana- (URA 368 CNRS), Institut national polytechnique de Grenoble, 46, avenue Félix Viallet, lysé. Un des enjeux majeurs de la phy- 38031 Grenoble Cedex. Le voyage du signal siologie et de l’anatomie de l’audition est de déterminer les paramètres d’orga- acoustique nisation autres que la fréquence d’analy- Le signal acoustique arrivant sur une se et le rôle de ces cartes dans la forma- oreille est d’abord conduit par l’oreille tion des représentations auditives de externe vers le tympan, puis converti haut niveau. Ainsi on a pu localiser, par un sas ou adaptateur d’impédance, dans le système auditif de divers types l’oreille moyenne, en excitation hydro- de vertébrés, des neurones répondant dynamique dans les liquides cochléaires préférentiellement à certaines fré- de l’oreille interne. Là, la membrane quences de modulation autour de la fré- basilaire, dont les caractéristiques quence caractéristique, potentiellement d’inertie croissent progressivement de la CNRS - AUDIOVISUEL utiles pour l’estimation de la hauteur 1, place Aristide-Briand 92t95 Meudon Cedex base à l’apex, assure une analyse spec- (fréquence fondamentale) d’un son trale complète et une conversion dite complexe ou le regroupement de com- « tonotopique » entre paramètre physi- posantes spectrales coordonnées pour THÉMISTOCLE que (fréquence) et paramètre position- l’identification des sources sonores. On nel (abscisse). Les résultats de cette ana- a pu également montrer, chez la chouet- COMMENT DÉTECTER lyse sont transférés par des capteurs, les te effraie, l’existence de véritables car- LES GAMMAS cellules ciliées, vers les neurones du nerf tographies des différences interaurales DE L’UNIVERS? auditif, où ils sont encodés sous forme de phase ou d’intensité, convergeant à de variation d’activité nerveuse (influx plus haut niveau vers une carte complète L'expérience Thémistocle est le fruit d'un nerveux) en fonction du temps et de la de neurones «récepteurs de position» long effort impliquant des techniciens, des fréquence caractéristique des neurones, permettant à ce prédateur nocturne de ingénieurs et des physiciens ; son but est de qui traduit leur position de rattache- mieux connaître et utiliser les gammas, localiser très précisément sa proie au particules cosmiques venant des profon- ment sur la membrane basilaire. moyen de ses seuls capteurs acousti- deurs de l’Univers. Ils ont dessiné, ques. construit et mis au point tous les matériels et appareils nécessaires, conçus pour dé- Hearing and perception models — Au- tecter les gammas: dix-huit télescopes ditory Processing of sounds by verte- Modéliser la perception fonctionnent dans le Languedoc-Roussil- brates is based on a general biological lon, sur le site de l'ancienne centrale élec- principle - elaboration of a number of de la parole tro-solaire EDF-Thémis. representations of increasing com- Le traitement humain de la parole plexity by small circuits or large neu- doit être envisagé à la lumière de ces Auteurs scientifiques : ral networks - and on classical tools, principes généraux de fonctionnement. Claude Ghesquière et Philippe Roy On sait ainsi qu’il existe, à bas niveau, Réalisateurs : Serge Guyon such as filters, maps and specialized et Philippe Roy detectors. However, speech proces- de bonnes représentations du spectre sing must involve specific constraints instantané sur de larges dynamiques Co-production: CNRS Audiovisuel et on the acoustic objects produced by the d’intensités, mais aussi des neurones Université Paris-Sud -18 minutes -1990 human phonatory system. spécialisés dans le traitement du temps, et capables de signaler précisément

LE COURRIER DU CNRS N° 77 25

MODELISER ET ANALYSER

bruit, un nombre, pouvant être important , de signaux engendrés par des sour- Modélisation des bruits en ces cohérentes. Un exemple d’impact de la modélisa- acoustique sous-marine tion sur les résultats pratiques apparaît sur la figure: on peut constater La modélisation des bruits apparaît comme une composante l’influence de l’utilisation d’un modèle fondamentale des systèmes sonar. permettant la prise en compte des pro- priétés spatiales du bruit dans l’application du goniomètre («MUSIC») aux sorties d’une antenne linéaire remorquée. Pierre-Yves Arqués, momentanées (état de la mer, saison, Dans la première partie de l’expérimen- Jean-Pierre Le Cadre vitesse...). Les modélisations globales tation, la vitesse de remorquage de considèrent le bruit à traiter comme un l’antenne est élevée, le bruit reçu tout, avec une paramétrisation non si- (d’écoulement turbulent) est important et à corrélation courte (quasiment blanc es systèmes sonar et les systèmes gnificative (modèles ARMA, de mix- associés ont pour but général la ture...); les paramètres sont identifiés spatialement), et l’influence du blanchi- L description du milieu sous-marin, au moment du traitement sur une ou des ment apparaît minime. Dans la seconde et ce, par réception des ondes sonores se réalisations reçues. La modélisation partie de l’expérimentation, la vitesse propageant dans ce milieu. Cette des- mixte correspond à l’identification glo- remorquage de l’antenne est faible, cription ne peut donc se faire qu'en ter- bale d’une combinaison de modèles des- le bruit (d’écoulement laminaire) est fai- ' me de bruiteurs, de réflecteurs ou même criptifs à éventuelle paramétrisation ble devant le bruit ambiant, et l’ensem- d’obstacles interrupteurs d’ondes acous- physique mesurable. ble est fortement corrélé spatialement ; tiques. l’influence du blanchiment est alors très Mais, d’une part, le milieu marin est - visible et permet de continuer à «voir» sur le plan acoustique - un milieu très L’adéquation le bâtiment porteur (dont le niveau a bruité. D’autre part, ce bruit est consti- modèle-traitement diminué) proche de l’axe de l’antenne et tué de composantes d’origines diverses Du point de vue du traitement du side détecter divers autres bruiteurs . (bruits ambiants naturels ou de trafic, gnal, les modélisations de bruit utilisées bruits rayonnés par les navires, bruit se doivent d’être adaptées aux traite- propre du bâtiment porteur...), diffici- ments effectués sur les signaux reçus ; en lement isolables. Enfin, certains bruits effet, les interactions entre traitements particuliers sont porteurs d’une ou de et modèles des bruits (et signaux) sont Pierre-Yves Arqués, professeur à l’Uni- l’information importante, information fortes et les résultats obtenus peuvent versité de Toulon et du Var, directeur scientifi- recherchée par l’observateur. Il en ré- dépendre de manière importante du que du Groupe d’études et de recherche de sulte que la modélisation des bruits type et de la qualité de la modélisation détection sous-marine à la Direction des d’acoustique sous-marine apparaît com- utilisée. De plus, les problèmes d’identi- constructions navales de Toulon, Le Brusc, me un élément fondamental de la fication, rencontrés dans le cadre des 83140 Six Fours. conception des systèmes sonar et systè- modélisations globales, conduisent au Jean-Pierre Le Cadre, chargé de recher-' mes analogues ou associés. développement de méthodes spécifi- che au CNRS, Institut de recherches en informatique et systèmes aléatoires (URA 227 ques, en particulier parce que sont sus- CNRS), Campus de Beaulieu, BP 25, 35042 Trois types de modélisation ceptibles d’être présents, superposés au Rennes Cedex. La connaissance des bruits d’acoustique sous-marine est une activité importante relevant de plusieurs secteurs: SANS MODELISATION ADAPTEE AVEC MODELISATION ADAPTEE l’océanographie, la connaissance acoustique des navires, la conception des sys- tèmes de communication sous-marins. Dans ce dernier secteur, de type traitement du signal, on peut répartir les mo- dèles (qu’ils soient de représentation, de connaissance, expérimentaux, ou opé- rationnels) en trois grandes catégories. Les modélisations descriptives considè- rent le bruit à traiter comme somme de composantes, modélisées chacune avec une paramétrisation physique ; la valeur des paramètres est classiquement dé- duite de manière directe des conditions

VITESSE. Noise modeling in underwater ELEVEE fypiseacoustics moaeuine - The in place occupied by underwater acoustic noises, and the importance of their modelling in the design of sonar Systems are shown.

An example of the modelling impact GISEMENT GISEMENT on practical results is presented resuUs is presented. Influence du modèle de bruit sur les résultats du goniomètre.

26 LE COURRIER DU CNRS N* 77

S Spectral analvsis of stationarv signals- Analyse spectrale After long success with Fourier transform, spectral analysis has in- creased its performances with the de- de signaux stationnaires velopment of high-resolution methods based on mathematical modellings. These new techniques could be trans- ferred to industry if complete and self- Les traditionnelles techniques d'analyse harmonique ne sont plus governing systems combine these new seules pour estimer le spectre d'un signal stationnaire. Toute une algorithms, directions for use and panoplie de méthodes rend possible une analyse fréquentielle haute principally expert knowledge . résolution de signaux de courte durée. Parallèlement aux approches type pé- riodogramme, un statisticien anglais, Nadine Martin de ces deux grandes classes (périodo- Yule, eut l’idée de modéliser une série gramme et corrélogramme) ont été ten- temporelle par une auto-régression li- tés dans la littérature. néaire afin de retrouver des périodicités dans le signal. Ces méthodes ont très origine de l’analyse spectrale Un compromis entre vite eu un intérêt croissant grâce à remonte au XVII' siècle lors- l’amélioration de la résolution spectrale L ’ que Newton observa la dé- résolution et variance par rapport aux techniques de Fourier. composition de la lumière en différentes Toutes ces approches de l’analyse En effet, la modélisation des données couleurs à travers un prisme. Les pre- spectrale classique basées sur la trans- par un processus qui peut être vu comme miers outils mathématiques nécessaires formée de Fourier ont pour objectif un une prédiction linéaire du signal, per- furent aussi introduits par Newton, qui compromis entre une résolution la plus met de prolonger les données en dehors formula les observations empiriques de haute possible et une variance la plus de l’intervalle d’observation. Ainsi, la Pythagore sur la périodicité du mouve- faible possible, sachant que l’une de ces limite de résolution de Fourier, imman- ment des ondes. Au XVIIIe siècle, la propriétés s’améliore au détriment de quablement liée à cette durée finie solution à l’équation d’onde pour une l’autre. d’observation, pouvait être dépassée. ► corde vibrante fut développée par Ber- nouilli puis étendue par Fourier. C’était la naissance de l’analyse harmonique suivie de nombreuses applications no- L’apport de l’intelligence tamment la mesure des marées et artificielle l’étude de l’activité des taches solaires. Schuster proposa alors de tracer le module au carré des coefficients de la Depuis une vingtaine d’années, confrontant en parallèle un choix de transformée de Fourier. Il nomma la des nouvelles méthodes d’analyse techniques adaptées au type de si- méthode le périodogramme, de nos spectrale, issues d’un principe fon- gnal (les connaissances a priori) et à jours méthode de base de l’estimation damentalement différent, ont été l’objectif visé. Une représentation spectrale, dite classique. Schuster décri- développées afin d’améliorer sensi- Statique de la connaissance sera vit les problèmes principaux de l’analyse blement la résolution. Ces techni- couplée à une représentation dyna- par transformée de Fourier, soit la né- ques dites à haute résolution s’ap- mique ou base de règles qui contien- cessité d’un moyennage sur les données puient sur un modèle mathémati- dra toute la richesse du système : les et l’influence de la durée finie du signal. que du signal. réflexes des experts face à une situa- Malgré ses conseils et aussi à cause des L'analyse spectrale n’a jamais été tion donnée. moyens informatiques de l’époque, le une science exacte de par sa défini- Une stratégie d’analyse fidèle au périodogramme simple n’apporta pen- tion. Elle s’est transformée ces der- comportement d’experts face à dant plusieurs décennies que des désen- nières années en une science com- l’analyse de signaux réels exploitera chantements : des fluctuations trop im- plexe, sophistiquée et surtout la base de connaissances pour choi- portantes sur le spectre estimé empê- empirique. sir les méthodes et leurs paramè- chèrent toute mesure correcte. L’expérience est, en effet, un al- tres, pour interpréter les spectres Dans les années 50, le périodogram- lié indispensable pour conduire une obtenus, pour affiner l’analyse jus- me fut enfin moyenné par différentes analyse complète autant au niveau qu’à l’obtention d’une conclusion techniques. Une de ces méthodes, l’esti- du choix d’une méthode, du choix relative à l’objectif fixé par l’utilisa- mateur de Welch, est dans la classe du des paramètres de traitement que teur. périodogramme l’une des plus robustes de l’interprétation des résultats sui- Il apparaît ainsi clairement la né- p>our une grande classe de signaux. Pa- vant le domaine du signal traité. cessité, d’une part, de maîtriser cha- rallèlement, l’analyse spectrale marqua Nous arrivons ainsi tout naturelle- que méthode face à des cas typi- un point décisif avec les travaux statisti- ment aux techniques d’intelligence ques, d’autre part, de rendre ques de Wiener sur l’analyse harmoni- artificielle qui consacrent leurs ob- accessibles les techniques de pointe que. jectifs à traiter des problèmes pour à des utilisateurs non spécialistes. De là découle une autre classe d’esti- lesquels aucune méthode de résolu- La problématique de ce système dé- mateurs de densité spectrale de puissan- tion directe et assurée n’est connue. pend finalement, comme dans tout ce (DSP), appelée le corrélogramme, où La philosophie d’un tel système, problème équivalent d’intelligence la DSP est calculée par transformée de analyseur de spectre unifié et intelli- artificielle, de l’évaluation et de la Fourier de la fonction d’autocorréla- gent , consiste à caractériser le signal reproduction du cheminement de la tion. De nombreux essais d’unification dans le domaine fréquentiel en pensée d’un expert...

LE COURRIER DU CNRS N' 77 27

MODELISER ET ANALYSER

►Néanmoins cette amélioration est obtenue au détriment d’algorithmes simples et robustes. pler ultrasonore, qui représente le Les principaux modèles ont dès lors La vitesse nombre d’hématies se déplaçant suscité de nombreuses études qui abou- aux vitesses considérées, est tra- tirent à divers algorithmes. du sang duite en échelle de gris logarithmique. Les caractéristiques de l’écoulement varient très rapide- Estimer les caractéristiques Guy Demoment, ment au cours de l’éjection cardia- Alain Herment que, et une analyse de Fourier du signal fournit de médiocres résultats : Jusqu’à ce point, toutes les techni- manque de résolution, variance ques, quelle que soit leur origine, es nouvelles méthodes excessive (partie haute de la fi- étaient des estimateurs de DSP. Vers les d’analyse des signaux non- gure). L’emploi d’un modèle para- années 1970, d’autres approches firent stationnaires permettent métrique et de techniques d’esti- un pas dans l’estimation spectrale. En Ld’effectuer un diagnostic plus pré- mation adaptatives permet de effet, la recherche n’est plus unique- cis de certaines maladies cardio- mieux prendre en compte les non- ment axée vers l’estimation de la DSP, vasculaires. stationnarités du signal (partie mais vers l’estimation des caractéristi- Ici on peut voir l’analyse de basse de la figure). Le suivi de la ques spectrales du signal. La porte est l’écoulement dans la valve tricus- vitesse maximale dans l’écoule- alors ouverte à toute une batterie de pide d’un patient. L’axe horizon- fflent, qui est un élément impor- méthodes où l’espace des données est tal représente le temps s’écoulant tant du diagnostic d’une valvulo- divisé en deux sous-espaces, l’un décrit durant quelques cycles cardia- pathie, est facilité par une un espace dit signal que l’on cherche à ques. L’axe vertical correspond meilleure résolution spectrale et estimer, l’autre un espace dit bruit qui aux différentes vitesses présentes une bonne séparation entre perturbe l’information. Une haute réso- dans l’écoulement. Enfin, la den- l’information utile et le fond uni- lution fréquentielle a fait le succès de sité de puissance du signal Dop- forme de l’image. ces méthodes basées soit sur l'exploitation de l’espace signal, soit sur l’exploitation de l’espace bruit. Le domaine de l’analyse spectrale s’est étoffé ces dix dernières années de nombreux outils mathématiques qui rendent l’analyse très performante, mais aussi très vulnérable ; les hypothè- ses d’applicabilité deviennent multiples et rétrécissent dans chaque cas les domaines de validité. Une approche inté- ressante consiste alors à extraire un certain nombre de classes de signaux représentatifs de phénomènes naturels et de considérer les résultats obtenus par les techniques spectrales. Ceci afin d’enrichir la connaissance sur les hypo- thèses liées à chaque technique et surtout d’appréhender le comportement d’une technique lors d’hypothèses pré- sentes non adéquates. La plupart des méthodes spectrales ont un pendant dans l’analyse temps- fréquence des signaux non-stationnaires et dans l’analyse spectrale bidimensionnelle.

Ultrasound Doppler velocimetry Guy Demoment, professeur des - Better images of blood flow universités, Laboratoire des signaux et systèmes (UMR 14 CNRS), Ecole supé- distribution in cardiac cavities rieure d’électricité, Plateau de Moulon, and main vessels are obtained 91192 Gif-sur-Yvette Cedex. with new real-time signal processing techniques. They pro-\ Alain Herment, directeur de recherche à l’INSERM, Laboratoire vide a finer diagnosis of some\ d’instrumentation et dynamique cardio- ■■ Nadine Martin, chargé de recherche au cardiovascular diseases. CNRS, Centre d’études des phénomènes aléa- vasculaire (U256 INSERM), Hôpital toires et géophysiques (URA 346 CNRS), Do- Broussais, 75674 Paris Cedex 14. maine universitaire. BP 46,38402 Saint-Martin- d’Hères Cedex. -

28 LE COURRIER DU CNRS N° 77

Nonstationarv signals. time-frequen- Signaux non-stationnaires, cv and wavelets - Efficient methods have recently appeared for analyzing temps-fréquence et ondelettes and processing nonstationary signals. Introduced for overcoming some limitations of the classical Fourier analy- De nouvelles méthodes permettent de dépasser l’analyse de Fourier : sis, they provide an accurate instanta- neous description of a signal elles mesurent l'évolution fréquentielle instantanée d'un signal non- regarding either its frequency content stationnaire ou ses propriétés de régularité locale. (time-frequency analysis) or its behaviour at different observation scales Patrick Flandrin, quel beaucoup d’outils performants sont {« wavelets»). Yves Meyer disponibles ; d’autre part, il s’avère que les signaux rencontrés dans des situa- thodes temps-fréquence, qui prennent tions concrètes sont dans leur immense explicitement en compte une possible a nécessité de s’intéresser aux si- majorité non-stationnaires, une part im- évolution temporelle du contenu fré- gnaux non-stationnaires (c’est-à- portante de l'information qu’ils véhicu- quentiel d’un signal, et les méthodes Ldire à ceux dont les propriétés lent étant, de plus, précisément portée temps-échelle (articulées autour du statistiques, le contenu fréquentiel et, par les non-stationnarités (début ou fin concept d’ondelette) dont le principe est plus généralement, tout ou partie des d’événements, dérives, ruptures, modu- de décrire l’évolution temporelle d’un caractéristiques évoluent au cours du lations...)- signal relativement à une échelle temps) résulte d’un paradoxe : d’une Cette double constatation a conduit à d’observation. part, un très grand nombre de travaux a développer, ces dernières années, des longtemps été consacré au cas station- outils spécifiques adaptés aux signaux La dualité temps-fréquence naire qui est aujourd’hui bien connu non-stationnaires. Parmi ceux-ci émer- Les représentations temps-fréquence d’un point de vue théorique et pour le- gent deux classes importantes : les mé- permettent de donner sens à une notion d’analyse spectrale évolutive. Celle-ci s’avère en fait délicate à préciser car, De Fourier à Wigner-Ville contrairement au cas stationnaire pour lequel la transformation de Fourier est Dans son article de 1948, J. Ville conque comme superposition des un outil naturel, il n’existe pas d'outil écrivait : « Si nous considérons en signaux élémentaires (les ondelet- mathématique unique pour la caractéri- effet un morceau [de musique] tes) oscillants mais localisés dans sation spectrale des signaux non-station- contenant plusieurs mesures (ce le temps, à la différence des ondes naires. On peut voir là une illustration qui est le moins qu’on puisse de- éternelles de Fourier. Tous ces side la dualité qui existe entre les varia- mander) et qu'une note, la par gnaux élémentaires ont même for- bles temps et fréquence, et selon la- exemple, figure une fois dans le me et ne diffèrent que par leur quelle la connaissance des propriétés morceau, l’analyse harmonique instant d’apparition et leur durée. d’un signal ne peut être arbitrairement [de Fourier] nous présentera la L’analyse en ondelettes offre donc précise à la fois en temps et en fré- fréquence correspondante avec une la possibilité de suivre l’évolution quence. La situation «signal» est for- certaine amplitude et une certaine d’un signal au cours du temps mais mellement analogue à celle rencontrée phase, sans localiser le la dans le aussi, en considérant des signaux en mécanique quantique pour les varia- temps. Or, il est évident qu’au élémentaires de durée de plus en bles position et impulsion (inégalités de cours du morceau il est des plus faible, de se focaliser sur des Heisenberg) et il n’est pas étonnant que instants où l’on n'entend pas le la. instants précis à la manière d’un les mêmes transformations aient été La représentation est néanmoins «microscope mathématique». proposées dans les deux domaines pour mathématiquement correcte, parce L’esprit de la transformation de obtenir des représentations conjointes. que les phases des notes voisines Wigner-Ville est différent en ce C’est en particulier le cas d’une des du la sont agencées de manière à sens qu’elle cherche en premier transformations les plus remarquables, détruire cette note par interférence lieu à répartir l’énergie d’un signal dont le nom est attaché à ceux du physi- lorsqu’on ne l’entend pas et à la simultanément en temps et en fré- cien E.P. Wigner et du théoricien des renforcer, également par quence. Mathématiquement, elle communications J. Ville. Bien que son interférence, lorsqu’on l’entend; est construite comme valeur introduction remonte à 1932 pour Wi- mais s’il y a dans cette moyenne d’un opérateur de symé- gner et à 1948 pour Ville, ce n’est guère conception une habileté qui honore trie dans le plan temps-fréquence, que depuis une décennie environ que la l’analyse mathématique, il ne faut En d’autres termes, son évalua- représentation de Wigner- Ville (voir en- pas se dissimuler qu’il y a égale- tion en un point du plan est une cadré) a été l’objet d’un très grand nom- ment une défiguration de la réalité: mesure du degré de symétrie bre de travaux visant à l'utiliser comme en effet, quand on n’entend pas le temps-fréquence que possède un outil d’analyse temps-fréquence. Son la, la raison véritable est que le la signal autour de ce point. Il en ré- rôle central est maintenant bien compris n 'est pas émis ». C’est dans le but sulte une très bonne localisation et plusieurs variantes ont été intro- de réconcilier l’analyse mathéma- de la représentation, améliorant duites, essentiellement pour faciliter sa tique et la réalité physique que les de façon significative les résultats mise en œuvre et son interprétation, méthodes temps-fréquence et que peuvent fournir les méthodes améliorant de façon significative les ré- temps-échelle ont été introduites. plus classiques adaptées de l’ana- sultats que peuvent fournir les méthodes Le point de vue des ondelettes lyse de Fourier. plus classiques adaptées de l’analyse de est de considérer un signal quel- Fourier.

LE COURRIER OU CNRS N° 77 29

MODELISER ET ANALYSER

L’émergence des ondelettes delettes s’est introduite, depuis quinze les signaux temporels n’est pas augmen- La transformation en ondelettes (voir ans environ, sous le nom de codage en tée en passant dans le plan transformé. encadré) a été utilisée en mathémati- sous-bandes ou de filtres miroirs en Le changement d’espace de représenta- ques depuis les années 30, sous le nom quadrature. Il s’agit d’un algorithme tion permet cependant, par l’utilisation de décomposition de Littlewood-Paley. discret que l’on utilise dans des problèmes de deux dimensions, de mieux visualiser cette information en la concentrant sur C’est l’unique méthode d’analyse per- de compression et qui se relie naturellement aux bases orthonormées les structures importantes, et physique- mettant d’accéder aux propriétés instan- ment significatives, du signal. tanées de régularité ou d'irrégularité d'ondelettes. A la différence des méthodes (exposants fractaux, par exemple) d’une temps-fréquence, la transformation en fonction, ce qui explique que la transfor- ondelettes ne fournit pas directement mation en ondelettes soit l’outil privilé- une «fréquence instantanée» mais elle gié pour analyser les structures fractales renseigne sur l’importance des « Patrick Flandrin, chargé de recherche au ou la turbulence. L’idée de base de la fluctuations instantanées». CNRS, Ecole normale supérieure de Lyon, La- boratoire de physique, 46, allée d’Italie, 69364 transformation en ondelettes a refait Les représentations temps-fréquence Lyon Cedex 07. surface plus récemment grâce aux tra- et temps-échelle permettent également vaux des physiciens J. Morlet et A. d’associer à un signal une signature sus- Yves Meyer, professeur à l'Université Grossmann. Parallèlement, en traite- Paris-Dauphine, directeur du Centre de recher- ceptible de se prêter à des tâches de che de mathématique de la décision (URA 749 ment numérique du signal et de l’image, reconnaissance ou de classification. Il CNRS), Université Paris-Dauphine, 75775 Pa- une variante de la transformation en on- est clair que l’information présente dans ris Cedex 16.

L’analyse temporelle de ces signaux Caractérisation fine permet d’extraire des informations per- tinentes sur la cinématique de l’équipa- ge mobile. L’analyse fréquentielle per- de bruits moteur met d’identifier des fréquences caractéristiques des modes de différen- tes parties de la structure. Ces deux ty- La réduction du bruit des moteurs nécessite une caractérisation fine pes d’analyse sont cependant insuffi- sants pour reconstituer de manière fine des mécanismes de génération et de propagation des vibrations. l’enchaînement des mécanismes d’exci- L'analyse temps-fréquence est une façon d'y parvenir. tation et de transfert, car il y a superposition temporelle et /ou fréquentielle des événements. Monique Chiollaz, Les principales sources d’excitation Les méthodes d’analyse temps-fré- Bernard Favre sont : le choc de pression dû à la combus- quence développées depuis une dizaine tion qui se propage suivant une voie di- d’années pour l’étude des signaux non- recte (paroi du cylindre-culasse) et sui- stationnaires (signaux dont le contenu e moteur automobile à combus- vant deux autres voies : transversale fréquentiel ou les propriétés statistiques tion interne est une source de (jupe de piston-cylindre), verticale (pis- évoluent au cours du temps) sont un bon bruit complexe, dont la maîtrise ton-bielle-paliers-jupe du carter -cylin- outil pour décrire, en fonction du temps, estL une préoccupation majeure de dre) ; les excitations dues au mouve- le contenu fréquentiel d’un signal transi- l’industrie automobile. Aujourd’hui, la ment du piston: forces de frottement, toire : elles permettent de localiser et recherche de niveaux sonores réduits chocs dus au basculement du piston au- séparer dans le plan temps-fréquence implique une identification très précise tour de son axe de rotation. plusieurs motifs se superposant en des mécanismes de génération et de pro- temps et/ou en fréquence. pagation des sollicitations dynamiques L’auscultation d’un Grâce en particulier à sa haute résolu- au sein de la structure moteur. Ces mé- tion en temps et en fréquence, c’est la canismes ont leur siège dans le carter moteur diesel transformation de Wigner-Ville qui a cylindre et sont à l’origine de bruits en Un moteur diesel d’automobile a été été choisie pour l’analyse des signaux. moyenne et haute fréquences (500 Hz à instrumenté en condition de fonctionne- Elle fournit une distribution de l’énergie 3 000 Hz). ment réel par un ensemble de capteurs dujignal dans le plan temps-fréquence. de pression et d’accélération placés sur Une signature temps-fréquence est ainsi Engine noise characterization - Time l’un des cylindres, dans la chambre de associée à chaque point de mesure du frequency analysis of vibration signals combustion, l’équipage mobile (piston, moteur. Les motifs observés sont attri- picked up on the external and internal bielle) et le carter. Les signaux issus de bués à des événements caractérisés par structure of an engine cylinder ena ces capteurs permettent d’analyser les leur date d’arrivée, leurs fréquences bles us to link every event observed in différentes sources d’excitation et les prépondérantes, des résonances éven- the time frequency plane to one excita différentes voies de propagation. Ils tuelles. tion source. Afterwards, it is possible présentent des caractéristiques com- En comparant ces informations pour to quantify the part of each excitation plexes: de nature transitoire, ils résul- les différents points de la structure, on mechanism in the vibration energy tent de la superposition des réponses relie chaque événement à une source emitted towards the outside structure. vibratoires de la structure aux diverses d’excitation (voir figure), et on déter- sources précitées. mine par une mesure locale d’énergie sa

30 LE COURRIER DU CNRS N° 77

part respective dans l’énergie vibratoire rayonnée vers la structure externe du moteur. Cette analyse a pu ainsi apporter de précieux éléments de diagnostic et d’identification : - comprendre l’enchaînement chrono- logique des mécanismes d'excitation et de propagation, - identifier l’instant d’implication et le rôle de certaines structures dont nous connaissons par ailleurs les fréquences modales, - évaluer la contribution énergétique respective des différentes sources de bruit. Cette méthode permet donc de traiter le cas de sources sonores complexes, de caractéristiques fortement non-stationnaires, non-linéaires, avec des mécanis- mes d’excitation et de transferts multiples, et constitue un outil apprécié pour résoudre des problèmes d’acoustique industrielle.

Monique Chiollaz, ingénieur de recher- Comparaison des images temps-fréqueice de signaux issus de capteurs che à l’ICPI, responsable adjoint du Labora- de vibration placés dans un cylindre de moteur. A; haut du piston toire de traitement du signal (URA 346 CNRS), (proche des sources d’excitation), B : bas de jupe carter cylindre (structure ICPI, 31, place Bellecour, 69288 Lyon Cedex externe du moteur), (a) : chocs de basculement du piston, (b) : passage au 02. point mort haut, (c) : combustion. Image codée en échelle logarithmique Bernard Favre, chef du Groupe de re- (30 dB, code géographique). Entourée d’un trait plein: la signature temps- cherche «acoustique, confort, ergonomie», fréquence en basse et moyenne fréquences. L'axe vertical correspond Renault, Direction de la recherche. 9-11, ave- à 10 kHz, l'axe horizontal à 12,5 ms. nue du 18 Juin 40,92500 Rueil-Malmaison.

Modifications of sound signals through linear time-frequencv representations - Jouer sur le temps, Sounding signals analysis and resynthesis can be performed with time-frequency methods of representation. They associate jouer sur la fréquence an image to these signals the deformation of which leads to the production of new sounds that can have a lot of musical Séparer les aspects temporels et fréquentiels d'un signal sonore - ce que applications. 'ç-y. fait spontanément notre système auditif - peut permettre des modifications intimes du signal avant sa resynthèse. Ceci intéresse les musiciens porel-événement fréquentiel» repose donc essentiellement sur des critères Daniel Arfib, une modification de cette dernière, et psychoacoustiques. Richard Kronland-Martinet une resynthèse d’un nouveau signal sonore. Pour choisir les paramètres de l’analy- Analyse et resynthèse L’analyse est basée sur l’utilisation de se-synthèse, il est important de prendre ‘exploration des modifications en compte un certain nombre de don- méthodes de représentation assurant la de signaux sonores peut soit nées psychoacoustiques. A titre d’exem- resynthèse exacte du signal sonore. L’s’effectuer sur le son lui-même ple, le système auditif peut traiter diffé- Elles doivent permettre de distinguer les (filtrage, réverbération, mixage), soit remment des signaux acoustiques de évolutions temporelles et fréquentielles du signal sonore. Les représentations les nécessiter la séparation des aspects tem- même nature. C’est ainsi que selon la porels et fréquentiels, ce que notre sys- fréquence des composantes, une somme plus usitées associent au signal une tème auditif fait spontanément. Des de deux sinusoïdes peut être perçue soit «image» où l’axe horizontal représente modifications intimes d’un signal sonore comme un son composé de deux élé- le temps et l’axe vertical une grandeur peuvent être obtenues en combinant ments distincts, soit comme un son uni- associée à la fréquence (voir figure). une analyse temps-fréquence fournis- que dont l’amplitude varie au cours du Nos travaux s’appuient sur des transformations linéaires à ∂f et ∂f/f constants. sant une fonction bi-dimensionnelle, temps. La distinction «événement tem-

LE COURRIER DU CNRS N° 77 31

MODELISER ET ANALYSER

Il est possible d’effectuer une resyn- thèse du son à p artir d’une analyse par transformée de Gabor ou pa r transfor- mée en ondelettes, si l’on connaît leur coefficients sur une grille ad hoc (rectangulaire pour Gabor et dyadique pour les ondelettes). Cette resynthèse consiste en la sommation des grains correspondant à cette grille, pondérés par des valeurs d’amplitude et de phase correspondant aux coefficients de la transformée. La forme de ces grains de resynthèse peut être, suivant les cas identique ou non à celle des grains d’analyse.

Relation entre image et son Une transformation temps-fréquence fait correspondre une fonction bidimen sionnelle unique à un signal sonore don né. Cette fonction est à valeur complexi et peut être représentée par deux image communément appelées module et phase de la transformée. Par contre, toute fonction bidimensionnelle n’est pas né- cessairement la transformée d’un son elle doit satisfaire l’équation dite au «noyau reproduisant», qui impose des contraintes locales aux images. Ce mode de filtrage permet d’associer à une image arbitraire une fonction qui est la transformée d’un son. La déformation arbitraire d’une image conduit à la resynthèse d’un son dont la transformée est la version filtrée de cette image arbitraire par noyau reproduisant. Ce type d’étude joue donc un rôle primordial pour la prévision des modifications effectivement réalisées ; il est directement relié aux paramètres de l’analyse (choix de l’ondelette ou de 1a fenêtre de pondération).

Temps-fréquence et informatique musicale Les applications musicales de ces modifications sonores sont nombreuses Citons par exemple le ralentissement sans transposition d’un son ou l’hybrida- tion de sons obtenue par combinaison d’images provenant de sons différents Ces modifications ne sont évidemment i Représentation temps-fréquence du mot «gira», obtenue par transformée pas les seules possibles, mais elles 1 de Fourier à court terme. Seul le module de la transformée est représenté. ouvrent une nouvelle voie pour l’expéri- La première image (a) correspond au son original, la deuxième (b) mentation musicale et sonore. De plus représente, avec la même échelle de temps, une partie du signal après le formalisme mathématique permet de étirement d’un facteur 128 et filtrage par «noyau reproduisant». Le son ainsi mieux comprendre le pourquoi et le obtenu correspond à un ralentissement sans transposition. comment de certaines pratiques usuelles en informatique musicale.

► respectivement Fourier à court terme pose dans la construction de ces der- Daniel Arfîb, chargé de recherche au (Gabor) et transformée en ondelettes. niers : les « grains ondelettes » sont CNRS, Laboratoire de mécanique et d’acousti Ces deux transformations ont des simi- obtenus par dilatation et translation que (UPR 7051 CNRS). larités évidentes : leurs coefficients sont d’une ondelette analysante alors que les Richard Kronland-Martinet, chargé de obtenus par produit scalaire entre le si- «grains de Gabor» sont des versions recherche au CNRS, Laboratoire de gnal sonore et une famille de «grains translatées en fréquence et en temps mécaniqueet d'acoustique (UPR 7051 CNRS), d’analyse ». La différence essentielle re- d’une fonction de référence. 31, chemin Joseph Aiguier, 13402 Marseille Cedex 09.

32 LE COURRIER DU CNRS N' 77

latitude, par les sondes embarquées à bord du satellite franco-soviétique Au- La structure du plasma reol-3 en orbite autour de la Terre. Le module de la transformée en onde- de l'ionosphère lettes du champ électrique est représen- té sur la figure pour une durée de mesure de 1 s. Au-dessus, on a représenté L'analyse spectrale par ondelettes permet de résoudre la structure fine la forme d’onde du signal analysé. On remarque sur cette figure l’existence de des champs électromagnétiques turbulents de l'ionosphère terrestre. structures verticales relativement étroites et qui se rétrécissent quand la fréquence augmente. Ceci signifie que Jean-Claude Cerisier, En direct d’Aureol-3 pour chaque fréquence, la durée d’un Bruno Forget, Dans l’exemple ci-dessous, les don- événement ne dépasse pas quelques pé- Dominique Lagoutte, nées analysées sont une composante du riodes, et même probablement moins, Jean-Paul Villain champ électrique turbulent et les fluc- dans la mesure où la résolution tempo- tuations simultanées de la concentration relle de l’analyse en ondelettes est at- environnement ionisé proche électronique dans le plasma ionosphéri- teinte. On sait par ailleurs que les varia- que. Elles ont été mesurées à une alti- o u lointain de la Terre et des tions observées peuvent être L’autres planètes du système so- tude de 410 km dans les régions de haute interprétées comme purement spatiales, laire est généralement hors d’équilibre. Ces milieux sont le lieu d’émissions élec- tromagnétiques intenses et présentent une structure turbulente couvrant une large gamme d’échelles spatiales et temporelles. C’est le cas en particulier de la

partie externe de la magnétosphère terrestre et de l’ionosphère des régions po- laires qui lui est connectée par les lignes

de force du champ magnétique.

Par opposition à une analyse spectrale

classique par transformée de Fourier, l’analyse en ondelettes permet d’optimi- (mV/m) Amplitude (mV/m) mplitude (mV/m) plitude (mV/m) tude de (mV/m) (mV/m) 1 I 1 mV/m) V/m) 1m) 1) I i I I I 1 I 1 I 1 I 1 I I ser au mieux, à chaque fréquence, le compromis entre résolution temporelle et résolution fréquentielle imposé par le principe d’incertitude (voir l’article de P. Flandrin & Y. Meyer). L’utilisation d’une ondelette dite de Morlet revient à considérer une fenêtre temporelle gaussienne, de durée proportionnelle à l’échelle temporelle que l’on cherche à mettre en évidence. L’ondelette de Morlet a pour expression :

-1/2 iω t/a t2/(2a)2 ga(t) =a e 0 e

où ω0 est une constante. Le coefficient (Hz) de la transformée du signal s(t) à (Hz) l’instant b et pour l’échelle a est : (Hz)

(Hz)

Ca.b =∫s(t) ga (b-t) dt (Hz)

Fréquence équence uence nce e (Hz) z) La résolution en fréquence Δυ est alors proportionnelle à la fréquence υ = ω0/2πa d’analyse et la résolution temporelle Δt est inversement proportionnelle à cette même fréquence. Ionosphere plasma structure studied

bv wavelet analvsis - Electromagnetic waves measured in planetary plasma environments are often nonstationary. The wavelet analysis, applied to the Forme d'onde (haut de la figure) et module de la transformée en turbulent electric field and plasma ondelettes (bas de la figure) d’une composante du champ électrique density measured in the earth ionos- mesuré dans l’ionosphère terrestre. La finesse des structures verticales est à phere, reveals that the spatial struc- la limite de la résolution de l'analyse, ce qui indique la faible cohérence ture of the turbulence is very inhomo- spatio-temporelle de la turbulence. geneous at all wavelengths.

LE COURRIER DU CNRS N” 77 33

MODELISER ET ANALYSER

^ le satellite traversant une structure statique dans le plasma. Une seconde corres- Images: pond alors à une distance horizontale de 8 km. Dans ces conditions, les résultats précédents montrent qu’il s'agit de représentations et modèles structures d’autant plus localisées que leur longueur d’onde est plus faible. Pour la densité électronique, la réparti- Modèles et représentations sont étroitement liés à chacune des étapes tion du signal dans l’espace temps-fré- du traitement de l’image, compte tenu de la finalité et des quence est très similaire à celle obtenue pour le champ électrique, alors que informations portées par l'image elle-même. leurs formes d’ondes ne présentent guère de ressemblance. On peut également caractériser la tur- Jean-Marc Chassery les traitements mis en œuvre recouvrent bulence en comparant entre elles les largement ceux du filtrage spatial et de transformées du champ électrique et de l’analyse spectrale. Les travaux en amé- la concentration électronique. Le rap- ne image constitue un support lioration d’images et en restauration il- port des modules varie beaucoup moins d’information intervenant dans lustrent largement l’exploitation de tels que l’amplitude propre de chaque com- un grand nombre de secteurs modèles. Au travers des différents arti- posante. Plus faible aux basses fré- U cles de ce numéro, différentes illustra- d’activité aussi bien sur le plan des appli- quences, il tend à croître vers les fré- cations que sur celui des domaines de tions de l’exploitation des modèles nu- quences élevées. La différence de phase recherche. Ce support est souvent asso- mériques sont présentées. présente de grandes plages de stationna- cié à un système perceptif visuel, mais il rité, ce qui conforte également l’idée est de plus en plus courant d’intégrer La structure perceptive que les fluctuations des deux grandeurs sous le terme d’image une information procèdent du même phénomène physi- multi-dimensionnelle fournie par un dans l’image que. Cependant, la variation du rapport capteur dont la mesure traduit un phé- Avec la mise en œuvre de modèles des modules et de la différènce des pha- nomène physique. C’est le cas des ima- géométriques, on aborde le concept de ses en fonction de la fréquence et du ges acoustiques ou des images infra-rou- structure perceptive dans l’image. Un temps est importante, ce qui semble in- ges. exemple de telle structure peut être il- diquer qu’il n’existe pas de valeur « stan- lustré par une région de l’image ou un dard» de la relation instantanée entre contour identifié par la présence de rup- ces paramètres, comme ce serait le cas Modéliser des tâches innées tures également appelées frontières. La dans une théorie linéaire de l’instabilité. pour l’homme modélisation géométrique permet de re- L’analyse en ondelettes permet donc Le traitement de l’image peut alors présenter ces structures en terme de for- de résoudre la structure fine de la turbu- être introduit comme un processus per- mes, d’objets, et leur exploitation per- lence du plasma ionosphérique, turbu- mettant de percevoir, de découvrir, de met de partitionner l’image par un lence qui est une limitation à la qualité comprendre et de reconnaître l’environ- processus de segmentation (voir l’article des télécommunications spatiales. Lors- nement. Si de telles tâches sont innées de J.-P. Cocquerez). La modélisation que l’on dispose de plusieurs composan- pour l’homme, elles nécessitent la géométrique est également étroitement tes d’un champ vectoriel, l’analyse en conception de perception, la définition liée au problème de la phase descriptive ondelettes se prête également bien aux de modèles mathématiques et le déve- pour la génération de paramètres expli- études de polarisation. L’analyse en on- loppement d’environnements informa- cités en reconnaissance des formes. La delettes s’avère donc être un outil riche tiques de traitement de l’information. figure 1 illustre un exemple d’exploita- de potentialités pour l’analyse et l’inter- Chacune de ces étapes implique l’éla- tion de tels modèles géométriques où la prétation des phénomènes se produisant boration de modèles en vue de représen- prise en compte des spécifications des dans l’environnement ionisé de la Terre ter l’information à extraire. Ce sont es- différents constituants d’un modèle de et des planètes. sentiellement les modèles numériques, visage permet d’adapter des traitements les modèles géométriques et les modèles à leur localisation. hiérarchiques qui sont sollicités pour le L’introduction de modèles hiérarchi- traitement de l’image. ques réside dans le fait que, contraire- Les modèles numériques mettent en ment au signal uni-dimensionnel où la valeur, d’une part, la représentation al- variable est souvent liée à l’échelle tem- gébrique de l’image en terme de matrice porelle permettant de traduire les Jean-Claude Cerisier, professeur à l’Uni- et, d’autre part, la représentation fonc- concepts de passé et de futur, l’image versité Paris VI, chef du département EMI au tionnelle de l’image en terme de surfa- peut être ordonnée selon une échelle Centre de recherches en physique de l’environ- liée au concept de résolution. C’est ainsi nement (UMR 119 CNRS-CNET). ces, voire même de volumes. Le choix d’un modèle numérique est souvent as- qu’un effet de grandissement permet de Bruno Forget, allocataire MRT, Centre socié à l’apport de la méthodologie dé- concevoir la notion d’ordre en terme de de recherches en physique de l’environnement détails apparaissant à partir d’un niveau (UMR 119 CNRS-CNET). 4, avenue de Neptu- veloppée en signal uni-dimensionnel et ne, 94107 Saint-Maur-des-Fossés Cedex. de résolution suffisant. Avec les modè- Images : modelling and representation les hiérarchiques, l’image est alors re- Dominique Lagoutte, ingénieur d’études - Images define an information sup- présentée par des pyramides ou des gra- au CNRS, Laboratoire de physique et chimie de phes introduisant la possibilité de l’environnement (UPR 4010 CNRS). port for which we need to identify data visibilité à différents niveaux d’échelle Jean-Paul Villain, chargé de recherche representation modes in strong rela- tionship with processing models. Dif- de résolution. La figure 2 illustre l’inté- au CNRS, Laboratoire de physique et chimie de rêt d’une telle représentation multi- l’environnement (UPR 4010 CNRS), 3A, ave- férent représentation modes and asso- nue de la recherche scientifique, 45071 Orléans ciated processings are illustrated. échelle. Cedex 2. Modèles et représentations sont en

34 LE COURRIER DU CNRS N° 77

Fig. î- L’image d’un visage peut être analysée sur la base d’une représentation géométrique des différentes entités constituant un m odèle de v isage. L’association de l a représentation numérique et de l a représentation géométrique permet de cibler les formes à identifier. Fig. 2 - Illustration d’une représentation hiérarchique d’une image utilisant la transformation en ondelettes. Chaque niveau de résolution permet de focaliser et d'identifier des détails qui y sont associés.

étroite relation et leur choix combiné mations portées par l’image. comprendre le contenu de l’image de fait l’objet d’activités de recherche in- C’est ainsi que l’on peut fournir à façon à aboutir à l’interprétation. cluant des critères liés à l a connaissance l’ordinateur une stratégie de percep- de la nature de la scène observée ainsi tion, de focalisation sur des zones d’inté- Jean-Marc Chassery, chargé de r echer- qu’à la connaissance des outils mis en rêts, de détection de structures perti- che au CNRS, Laboratoire «techniques de l'informatique, des mathématiques, de l a mi- œuvre pour le traitement et l’analyse. nentes et d’identification d’objets. croélectronique et de la microscopie quantita- On parle de stratégie visant à adapter au L’exploitation de modèles de structures tive » (USR 69 CNRS), Institut IMAG, INPG- mieux le modèle et la représentation, sur la base d’une représentation numéri- UJF Grenoble, BP 53X, 38041 Grenoble Ce- compte tenu de la finalité et des infor- que, voire même symbolique, permet de dex.

Galaxies distribution and wavelet La distribution des galaxies analysis - The analysis of the catalogues of galaxies shows a large heterogeneity in the distribution of the dans l'Univers luminous matter in the Universe. The L'analyse en ondelettes permet d'identifier tous les éléments imbriqués classical statistical indicators are not able to describe the related dans une organisation hiérarchique. Appliquée aux galaxies, elle stochastical process. The results conduit à renouveler notre point de vue sur le concept d'homogénéité obtained on fractal structures with the de l'Univers. wavelet transform led us to develop a method achievingthe detection, the measure, the restoration and the classification of elements in a Albert Bijaoui, suppose que la répartition de la matière hierarchical distribution of Eric Slezak est uniforme, l’analyse des catalogues points. Bringing a m easure of the de galaxies montre l’existence d’une contrast of density in function of the grande hétérogénéité, quelle que soit scale and leading to quantitative va- l’échelle étudiée. lues of the heterogeneity, this analysis étude de la distribution des ga renews the concept of homogeneity. laxies dans l’Univers constitue Depuis une dizaine d’années, L’un des éléments importants de la d’importants comptages de galaxies ont mis en outre d’obtenir la distance d’un cosmologie observationnelle. Alors été réalisés visuellement ou par analyse grand nombre de galaxies par que le modèleclassique du Big Bang automatique d’images. Des mesures l’intermédiaire de la loi de Hubble. systématiques de vitesse radiale ont per- L’étude de >

LE COURRIER DU CNRS N° 77 35

MODELISER ET ANALYSER

► ces catalogues à deux ou trois dimen- tous les éléments imbriqués dans une les nous ont amenés à employer sions montre l’insuffisance des fonctions organisation hiérarchique allant des ga- l’analyse en ondelettes pour étudier la de corrélation pour décrire le processus laxies individuelles jusqu’aux plus gran- répartition des galaxies. Nous avons ain- stochastique associé à la distribution de des entités. si construit un premier logiciel permet- matière lumineuse dans l’Univers. Des tant d’extraire les structures statistique- structures apparaissent de fait à des L’homogénéité de l’Univers ment significatives dans une distribution échelles de l’ordre de 100 megaparsec, de points. En appliquant cet outil sur un très supérieures à la dimension des amas en question comptage de galaxies que nous avions de galaxies: superamas, filaments, Les résultats obtenus par A. Améo- réalisé dans la constellation de Coma, do, M. Holdschneider et leurs collabo- feuillets, vides, etc. La description de nous avons pu identifier un ensemble de l’Univers nécessite donc d’identifier rateurs sur l’étude des structures fracta- structures correspondant à un excès (amas) ou à un défaut (vides) de densité. Actuellement, nous affinons la méthode afin d’obtenir la détection, la reconstruction, la mesure et la reconnaissance des différents éléments structuraux pré- sents à partir des coefficients de la trans- formée en ondelettes. Au-delà de l’aspect technique du traitement de l’information, cette analyse renouvelle notre point de vue sur le concept d’homogénéité. La théorie classique du Big Bang est en effet basée sur un univers homogène. Or, l’existence des fluctuations indispensables à la formation des galaxies et des différentes structures en reste toujours un des points faibles, même s’il existe des scé- narios permettant d’interpréter les don- nées. L’analyse en ondelettes conduit à une mesure du contraste de matière en fonction de l’échelle, contraste dont là dispersion permet de quantifier l’hété- rogénéité.

Albert Bijaoui, astronome à l'Observatoire de la Côte d'Azur, Unité «astrophysique et méthodes observationnelles» (URA 1361 CNRS). Hiérarchie des structures observées à partir d'un comptage de galaxies Eric Slezak, astronome adjoint à dans la constellation de la Chevelure de Bérénice. On ne visualise en l’Observatoire de la Côte d’Azur, Unité « astro- fausses couleurs que les coefficients en ondelettes dont le degré de physique et méthodes observationnelles» signification statistique est supérieur à 99,9% pour quatre échelles croissant (URA 1361 CNRS), Université de Nice, BP du rouge au jaune, vert, et cyan. 139,06003 Nice Cedex.

Le traitement des objets Object processing - It is possible, no- \wadays, to process objects in the 3D world in the same way as planar ima- Il est maintenant possible de traiter les objets en 3D comme on traite \ges are processed. This domain in les images planes ou les signaux: un champ de recherche stimulé par drastic expansion is stimulated by an \increasing demand from industry for la demande industrielle. robot vision as well as quality control

Henri Maître nouveaux qui échappaient à la logique l’Univers et l’espace), qui privilégie la du traitement bidimensionnel : le traite- phase de création, le traitement des ob- ment des formes tridimensionnelles. A jets, comme on convient souvent de près avoir maîtrisé ses méthodes l’opposé de la démarche adoptée en syn- l’appeler, s’impose de travailler sur des et ses outils pendant une ving- thèse des images (une autre technique formes réelles, celles que la nature met taine d’années, le traitement des pour manipuler, décrire et représenter à notre disposition, ou celles, artifi- Aimages s’est tourné vers des champs

36 LE COURRIER DU CNRS N* 77

octaux, les cylindres généralisés, les facettes planes ou polynomiales, l’assemblage de composantes primitives, etc. Chaque représentation possède un champ d’objets qu’elle décrit de façon adéquate, mais aussi des champs d’applications privilégiés. Cette diversité peut être vue comme une richesse, ou comme un cloisonnement limitant le dé- veloppement du traitement d’objets.

Stéréovision et triangulation Acquérir des signaux qui décrivent les objets tridimensionnels avec une bonne précision est devenu une opération courante qui prend place aussi bien dans des opérations de robotique (saisie de piè- ces, déplacement d’un robot), que lors du contrôle de qualité en production, ou de la mesure dans le domaine médical par exemple. Les solutions les plus fré- quemment utilisées sont la stéréovision automatique (qui a fait des progrès considérables depuis 10 ans), et la triangulation active qui utilise habituelle- ment un faisceau laser pour balayer la scène, observée par ailleurs par une ca- méra. Des produits industriels apportent aujourd’hui des outils robustes et fiables qui se distinguent les uns des autres par leurs performances, leurs prix, et les applications auxquelles ils se ratta- chent: par exemple un système de conception assistée par ordinateur, ou un organe de mesure et de tri, ou une machine outil. Les progrès essentiels dans le domaine du traitement s’appuient sur deux types de raisonnements : d’une part, le traitement du signal qui examine les propriétés locales des mesures pour dé- tecter des informations noyées dans le bruit (c’est surtout la présence de dis- continuités des surfaces ou des plans tangents, mais également des singulari- tés des courbures) ; ensuite, le raisonnement géométrique qui permet de dé- duire des propriétés globales - ou régionales - à partir d’une logique propre aux objets à traiter : continuité et topologie des surfaces, parties cachées, Un buste de Victor Hugo a été saisi par triangulation active, puis des ' représentations plus ou moins précises en sont faites par des etc. recouvrements polynomiaux. (Cliché F Schmitt et W. Du). Enfin, une meilleure compréhension des processus d’imagerie a permis la mise au point de techniques fiables de calibration qui autorisent des déduc- cielles, que l’homme crée par ses indus* sont à leur tour combinées en compo- tions quantitatives indispensables au tries. santes de niveaux plus élevés qui per- contrôle de qualité par exemple. mettent alors une reconnaissance de Comment représenter l’objet. Mais le traitement des images tire les objets ? profit d’une représentation universelle Du traitement des images, le traite- qui convient à t ous les types d’images. Il ment des objets garde la pratique de n’en est pas de même pour les objets grands tableaux de mesures, données in- pour lesquels de nombreuses représen- dividuellement pauvres et bruitées, d'où tations concurrentes ont été proposées : émergent par associations de pas élé- l’échantillonnage bien sûr, mais sur des mentaires, des informations un peu plus Henri Maître, professeur à Télécom Pa- maillages variés (cubique, rectangu- ris, Département «images», pièce C46,46, rue riches : arêtes, facettes, etc. Celles-ci laire, cylindrique, sphérique), les arbres Barrault, 75634 Paris Cedex 13.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 37

CODER ET TRANSMETTRE

a communication , Grâce aux progrès techno- c’est l’un des maîtres logiques continus, les canaux mots de cette fin du de communication transmet- LXXème siècle, presqu’un mot tent des débits de plus en plus d’ordre diffusé par la presse, importants. C’est ainsi que la les média, les psychanalystes fibre optique a supplanté, sur et les responsables d’entre- le plan des performances, les prise. Comme si, ayant satis- supports traditionnels. Mais fait les principaux besoins c’était, cependant, compter d’énergie qui formaient l’os- sans l’appétit croissant à sature de son organisation, la communiquer q u i ne se société tentait de se restruc- contentant plus de la parole turer grâce à l’information. (64 K bit/s), prétend non seu- Mais, mises au pluriel, les lement transmettre l’image communications, c’est aussi télévisuelle classique (216 un ensemble de moyens tech- Mbit/s) mais encore l’image niques au service de la précé- animée de haute définition dente, moyens qui doivent (1,9 G bit/s) sur les canaux de être particulièrement élabo- télécommunications. rés quand se rajoute le défi de Dans cette course-pour- la distance entre les interlo- suite, le traitement du signal cuteurs. Le traitement du si- contribue à deux objectifs

gnal y joue un rôle principal Satellite Meteosat dans une salle blanche majeurs : augmenter la capa- et déploie toute la panoplie d'AéfOSpatiale à Cannes. cité des canaux, et réduire le de ses outils théoriques et (© Aérospatiale). débit des sources. matériels. quantité d’information puis- Un canal de communica- En communication(s), tout que le même message peut tion, qu’il soit simple paire de commence par une source et provoquer chez son destina- fils de cuivre, faisceau hert- un destinataire qui veulent taire des réactions opposées. zien, satellite, câble coaxial échanger de l’“information”. Dans les communications, on ou fibre optique, est un mi- Si chacun a une idée intuitive ne peut présager du contenu lieu où se propage un phéno- de cette notion d’information qualitatif attaché à l’informa- mène physique, une onde, dans la vie de tous les jours, le tion, et l’on concentre l’effort dont la mesure constitue un concept scientifique corres- sur sa mesure quantitative et signal qui servira de support à pondant a mis longtemps à sa transmission. On d i r a l’information. Pour trans- émerger, et il aura fallu atten- qu’un message est d’autant mettre un message, il dre les théories de Shannon plus informatif qu’il est im- conviendra de marquer le si- vers 1945 pour qu’il prenne probable dans un contexte gnal porteur par une techni- corps. Il faut admettre que la donné et l’on utilise le bit, que de modulation, la démo- question est délicate, car la élément binaire d’informa- dulation restituant le message notion d’information n’est tion, comme mesure. Le flux à la réception par le destina- pas intrinsèque puisque sa ou débit d’information est taire. Mais cela serait ignorer valeur dépend de qui la re- donc exprimé en bits par se- les imperfections du canal et çoit. Il y a, de plus, qualité et conde. la volonté sans cesse renouve-

38 LE COURRIER DU CNRS N* 77

lée de le pousser à ses limites. gnaux dont on sait qu’ils ré- même, l’image couramment Tous les canaux se mon- sisteront bien au type de rencontrée en visiophonie trent impuissants à transmet- distorsion rencontrée, soit re- d’un buste sur un fond fixe ne tre des signaux dont la varia- mettre en forme les signaux nécessite pas d’être transmise tion temporelle est très ra- reçus par un filtrage adaptatif toutes les 20 ms. Il convien- pide, alors même que ces si- adéquat. C’est le but des dra alors, pour réduire le dé- gnaux sont les plus porteurs techniques d’égalisation bit, d’emmagasiner l'infor- d’information, imposant ain- adaptative. mation reçue, de comparer si une contrainte de largeur Une autre idée couram- les données nouvelles avec de “bande passante”. C’est ment appliquée consiste à celles déjà acquises et de ne en particulier le cas des ima- disperser le message sur des transmettre que celles qui ges en mouvement. La volon- canaux contigus, en espérant correspondent à une vérita- té d’économiser l'énergie que les distorsions encourues ble innovation. émise rend le signal vulnéra- seront indépendantes. Des Par ailleurs, toute donnée ble aux bruits, parasites et conditions judicieuses n’est pas utile à transmettre. distorsions diverses. Les d’orthogonalité assureront la Dans une application déter- phénomènes de dispersion, possibilité de reconstruire minée et face à un signal par- d’absorption, les rencontres l’original malgré les pertes ticulier, on peut en général de trajets multiples occasion- partielles. désigner la part d’informa- nent des évanouissements sé- De la même façon, on tion pertinente qui, elle, de- lectifs considérables de la pourra disséminer géogra- vra être transmise, du reste puissance du signal. Ces fac- phiquement des capteurs et qui sera considéré comme du teurs se révèlent cruciaux combiner leurs résultats pour bruit. Par exemple, en trans- dans les transmissions iono- former une “antenne” où le mission de parole, il sera plus sphériques, les communica- traitement du signal cohérent important de préserver le tions urbaines mobiles, l’uti- viendra remplacer les mons- contenu sémantique, l’intelli- lisation de canaux ultraso- trueuses structures métalli- gibilité du message plutôt que nores sous-marins. ques des techniques plus an- l’identité du locuteur. Dans Le remède est alors de gé- ciennes. une autre application, l’au- néraliser les communications Ayant atteint les limites de thentification du locuteur, numériques en laissant ainsi capacité des canaux, l’idée c’est l’identité qui primera. le champ libre au traitement vient de se retourner vers la Les récepteurs de l’informa- du signal. Selon cette appro- source et d’en analyser le flot tion, souvent l’oreille et l’œil che, le message est codé selon d’information (codage de humains, possèdent, eux- un alphabet limité de symbo- source). Tout d’abord, il aussi, une bande passante li- les convenus, dont les repré- convient de constater que ces mitée. On éliminera dans ce sentations en termes de signal sources sont de natures et de cas, avant transmission, les seront choisies suffisamment débits divers: parole, image informations excédentaires. éloignées les unes des autres optique fixe ou animée, On peut comprendre com- pour résister au bruit. Des écrits, graphiques... mais bien “communication”, “co- contraintes sur les symboles également images calculées, dage” et “transmission” se si- et leur enchaînement intro- données biomédicales, me- tuent au cœur même de la duisent une redondance de sures de vibrations etc. problématique du traitement l’information - mais donc par Il est légitime de croire du signal. Grâce à ces traite- là une réduction du débit effi- que, pour ces sources natu- ments élaborés, les commu- cace - et permettent de proté- relles, toute donnée n’est pas nications s’effacent à nou- ger le message et de corriger nécessaire à transmettre. Le veau pour laisser place à la d’éventuelles erreurs (codage signal possède souvent une communication personnelle de canal). redondance interne partielle riche et sans entrave. Mais on peut encore espé- qui ne contribue que peu à rer compenser la distorsion l’information. Par exemple, Claude Guéguen, imposée par le canal, par un la parole dans les sons voisés directeur scientifique de Telecom Paris, directeur du groupement de traitement judicieux du si- voit se répéter des formes recherche Traitement du signal et gnal : soit synthétiser des si- d’ondes analogues; de images du CNRS

L£ COURRIER DU CNRS N’ 77

CODER ET TRANSMETTRE

nombre de positions dans lesquelles dif- fèrent deux mots. Les codes ayant les Codage et cryptographie meilleures capacités de correction seront ceux qui, pour une longueur et une dimension données, auront la distance ou comment protéger la minimale entre deux mots de code la transmission de l'information plus grande. ... et décoder Mais il ne suffit pas d’avoir un bon A l'issue de sa transmission, il est nécessaire d'extraire l'information du code, encore faut-il savoir le décoder! bruit inconnu qui la perturbe. A l'inverse, il est souvent utile de dissimuler Or la méthode générale, comparaison du mot reçu avec tous les mots de code le message dans un «bruit» connu du seul destinataire. et choix du plus proche, est inapplicable avec des codes courants : le nombre de calculs croît en 2K, soit pour K égal à Jean-Claude Bic centes du domaine grand-public avec les 100,1030 opérations, ou avec une opéra- disques audionumériques, la monétique tion par nanoseconde, l’équivalent de et les cartes à puce, et la radiotéléphonie 3.1013 années ! Tout l'art des spécialistes e développement de nouveaux cellulaire. a porté sur la conception de décodages services de communications pose dont la complexité n’augmente plus ex- L de façon cruciale le problème de Comment se protéger ponentiellement avec K. Le calcul du la protection de la transmission de «syndrome», symptôme de la maladie, l’information, protection qui revêt deux contre le bruit les erreurs qui affectent la transmission, aspects : Le bruit, phénomène rencontré dans permet de faire simplement une détec- - contre les bruits : assurer une qualité toute transmission ou enregistrement, tion, puisqu’une configuration d’erreurs de transmission et pour l’améliorer re- entraîne une dégradation de la qualité est détectée s’il est non nul. Plusieurs courir au codage correcteur d’erreurs, du signal exprimée par le taux d’erreur, stratégies sont ensuite possibles : - contre les intrus : assurer la confiden- rapport entre le nombre de bits faux et - une demande de retransmission du tialité grâce à la cryptographie. le nombre total de bits. Pour améliorer message, procédure ARQ «Automatic Ces deux aspects peuvent paraître cette qualité, on peut augmenter la puis- ReQuest» utilisée en transmission de contradictoires, car dans le premier cas sance du signal ou réduire celle du bruit, données, le traitement doit faciliter l’extraction mais ceci peut être onéreux. En outre, - un masquage des mots erronés par in- du message dans un bruit inconnu afin l’augmentation de la puissance du signal terpolation avec des mots corrects pour que le destinataire en prenne connais- par un utilisateur est parfois illusoire des échantillons de signal corrélés de sance, alors que dans le second il doit puisqu’elle peut se traduire par un parole ou d’image, favoriser la dissimulation du message brouillage accru pour les autres. Dans - et la correction. dans un «bruit» connu par le destina- de nombreuses situations, un traitement Celle-ci est plus compliquée et fait taire, de telle sorte que l’indiscret ne du message au niveau binaire permet appel à des propriétés supplémentaires du puisse le découvrir. Mais la théorie de d’atteindre le même objectif plus effica- code. Parmi les résultats les plus remar- l’information issue des travaux de Shan- cement. quables, on retiendra le décodage algé- non à l’aube des années cinquante a per- Le codage correcteur repose sur brique des codes BCH (Bose-Chaudhu- mis d’appréhender ces problèmes sur l’introduction d’une redondance, c’est- ri-Hocquenghem) et Reed-Solomon, et une base commune. à-dire de bits de contrôle calculés à parle décodage suivant l’algorithme de Vi- Les techniques sont toutefois restées tir des bits d’information. Elle semble terbi. longtemps quelque peu ésotériques en aller à l’encontre du codage de source, Pour terminer, citons deux applica- raison non seulement de l’utilisation de mais la redondance artificielle sera plus tions : mathématiques spécifiques, mais égale- efficace que la redondance naturelle, à - les disques audionumériques utilisant ment par le caractère secret de certaines débit supplémentaire donné, pour amé- deux codes de Reed-Solomon successifs méthodes, l’emploi du chiffrement étant liorer la qualité. avec un rendement global de 0,75, ce qui encore récemment assimilé à celui d’une L’information est découpée en mots permet de réduire la probabilité d’er- de K bits à partir desquels le codeur reur sur les octets de 10-4 à moins de arme de guerre. Leur impact est néan- -15 moins très important dans les applica- calcule N-K bits de redondance. On 10 tions professionnelles ou scientifiques, construit ainsi un code de dimension K, - la transmission avec la sonde Galileo de longueur N et de rendement K/N qui d’exploration de la planète Jupiter, as- télécommunications spatiales par exem- K ple, mais aussi dans les réalisations ré- est un dictionnaire composé de 2 mots sociant décodages de Viterbi et de de code. Reed-Solomon avec un rendement glo- How to protect information transmission bal faible de 0,2 ce qui, pour une même, In order to protect information Construire un bon code... qualité, permet de gagner un facteur III transmission against noise perturba- Le décodage est lié à l’observation sur la puissance à émettre. tions and against unauthorized ac- suivante : si les erreurs modifient le mot cess, it is necessary, on one hand, to de code en un mot qui n’appartient pas Garder le secret code the binary signal introducing au dictionnaire, elles seront détectées et Le principe de la cryptographie, art some redundancy, and, on the other éventuellement corrigées. Pour cons - d’écrire en caractères secrets qui permet hand, not only to use an algorithm truire un « bon » code, le critère de dissimuler une information confiden- associating the information message d’optimi- tielle , remonte à la plus haute antiquité ; with a key, but also to assure the sation est la minimisation de la probabi- le message chiffré ou cryptogramme est confidentiality of the key. lité d’erreur sur les mots. Ceci se traduit calculé grâce à un algorithme associant par la notion de distance de Hamming,

40 LE COURRIER DU CNRS N*77

le message d'information, et une clé se- nuaire, sert à lui envoyer un cryptographie sont très nombreuses et les car- crète qui n’est connue que de l’émetteur gramme tandis qu’une autre clé secrète tes à mémoire utilisées en monétique ou et du destinataire légitime. La sécurité en sa seule possession permet le déchif- pour le contrôle d’accès, en sont l’exem- du système repose sur la complexité de frement, les deux clés dérivant d’un ple le plus répandu. l’algorithme et sur la clé. Il n’existe pas même élément secret. Le coût pour La protection de la transmission de de sécurité absolue, si ce n’est le one- trouver la clé secrète à partir de la clé l’information est un des sujets majeurs time pad où la clé a la même longueur publique doit être dissuasif, ce qui impo- de la recherche dans le domaine du trai- que le message et ne sert qu’une fois, et se des longueurs de clés de plusieurs tement du signal et de l’information. où le système doit assurer une sécurité centaines de bits. L’algorithme RSA Son intervention dans la vie quotidienne compatible avec la valeur de l’informa- (Rivest-Shamir-Adleman), un des plus est de plus en plus fréquente et, même si tion. De nombreux algorithmes, dits à célèbres, est fondé sur des propriétés de elle reste discrète pour l’utilisateur, elle clés secrètes, sont utilisés pour le chif- nombres premiers et de congruences. fait appel aux algorithmes les plus élabo- frement de l’information. L’algorithme La protection de la confidentialité re- rés et les plus performants. DES (Data Encryption System) est le couvre d’autres aspects que celui du premier dont les détails ont fait l’objet chiffrement conçu pour résister à une d’une spécification publiée. La difficulté attaque passive. Les attaques actives, réside dans la transmission de la clé. accès illégal à un réseau ou altération du Cela conduit à définir des systèmes com- contenu d’un message, sont déjouées plexes de distribution de clés hiérarchi- par l’authentification du demandeur, la ■■ Jean-Claude Bic, chef du département ques dans les réseaux multiutilisateurs. généralisation du mot de passe, et la Electromagnétisme, théorie des communica- De nouvelles solutions plus souples certification du message, signature cations et propagation au Centre de recherches en physique de l’environnement (UMR 118 ont été élaborées, en particulier les algo- ractérisant le message et ne pouvant être CNRS-CNET), Centre national d'études des rithmes à clés publiques. La clé publique reproduite. télécommunications, 38-40, rue du Général Le- du destinataire, obtenue dans un an- Les applications civiles de la crypto- clerc, 92131 Issy-les-Moulineaux.

LE COURRIER DU CNRS N- 77

CODER ET TRANSMETTRE

ment τ prend alors le nom d’égaliseur. Il doit être adaptatif pour posséder à la Traitement adaptatif du signal fois la propriété d’acquisition en pré- sence de sauts brusques du canal de en transmission transmission (par exemple sur le réseau téléphonique classique, lors des com- Les systèmes de transmission adaptatifs s'optimisent automatiquement mutations) et aussi la propriété de pour- à l'initialisation, poursuivent les variations de l'environnement et cela suite en présence de changements per- en temps réel. Ainsi récupère-t-on presque sans erreur, par exemple, manents du canal (par exemple dus aux mouvements des véhicules pour un ré- des données brouillées par un canal radio. seau téléphonique radio-mobile). La phase d’acquisition est réalisée préalablement à l’envoi d’information ■ Odile Macchi utile par l’émission d’une séquence d(n) référence connue de l’égaliseur: la référence r(n) est alors exactement d(n). our obtenir de bonnes performan- Pour la phase de poursuite où l’égali- ces dans un système de transmis- seur optimal est déjà à peu près acquis, P sion, il est nécessaire d’adapter on profite de la nature du signal d(n) qui est l’émetteur et le récepteur aux propriétés fait de données: d(n) prend seule- de l’environnement. Emetteur et récep- ment un petit nombre de niveaux dis- teur doivent ainsi être optimisés en fonc- crets. On peut donc fabriquer la réfé- tion des distorsions et des bruits imposés emur de contrôle rence r(n) (nécessaire pour contrôler par le canal de transmission qui les relie l’adaptation de l’égaliseur) à partir de la et en fonction du type de signaux trans- sortie même de l’égaliseur par simple mis. L’optimisation consiste à réaliser le Fig. 1 -Traitement adaptatif: comparaison à des niveaux seuils. En ce traitement τ (d’émission et/ou de récep- n = temps. sens l’égaliseur est mieux qu’adaptatif, il tion) qui à partir du flot i(n) d’informa- I est auto-adaptatif. tions reçues (distordues et bruitées) ré- l’optimisation par un algorithme de fai- Les méthodes les plus récentes par- génère le signal désiré d(n), idéalement ble complexité arithmétique, ceci afin viennent même à réaliser la phase le signal d’émission. de permettre la réalisation en temps réel. d’acquisition sans l’émission d’une sé- c’est-à-dire durant le temps physique de quence connue d(n). On s’appuie seule- Les propriétés de la transmission. Cette dernière proprié- ment sur quelque connaissance statisti- té est naturellement dépendante des que a priori du signal d(n), mais non sur l’adaptativité moyens de calcul disponibles, mais on sa valeur instantanée qui demeure in- L’adaptativité est caractérisée par considère généralement qu’elle est réa- connue. On parle alors d’acquisition en trois propriétés majeures : lisée si la complexité est au plus propor- mode autodidacte ou aveugle. - d’une part, à l’initialisation du systè- tionnelle au nombre de paramètres du Les théories précédentes ont été ap- me, elle permet l’apprentissage automa- traitement τ. pliquées avec succès à la transmission de tique de l’optimalité en fonction de C’est en réalisant récursivement données sur le réseau téléphonique l’environnement. C’est la propriété l’optimisation que les méthodes adapta- commuté. Ceci a permis de bien appro- d'acquisition qui évite les réglages ma- tives atteignent à la fois les trois proprié- cher le débit maximum prévu par le nuels, gourmands en moyens humains, tés. Le traitement τ d’émission et/ou de théorème de Shannon (qui est d’environ lors de l’installation et de chaque remise réception est incrémenté à chaque ins- 30 kbit/s dans une bande de 3200 Hz en route du système de transmission, tant n où une nouvelle information i(n) lorsque le rapport signal sur bruit est de - en deuxième lieu, l’adaptativité as- est reçue. Normalement on dispose au 30 dB) puisque actuellement des mo- sure l’optimisation en présence de fluc- moins d’une référence r(n) - qui peut dems commerciaux réalisent 16 kbit/s tuations temporelles de l’environne- être très bruitée -pour le signal d(n) que avec un taux d’erreur de 10-6 On sait ment. C’est la propriété de poursuite qui le traitement T est censé régénérer. On même atteindre ces performances en au- est requise pour un fonctionnement sans contrôle alors l’adaptation τn de de todidacte. coupures du système lors d’évolutions manière à minimiser l’erreur entre cette Un deuxième exemple est celui des du contexte de la transmission, référence et la sortie régénérée par le transmissions numériques radio par fais- - enfin l’optimisation adaptative réalise traitement adaptatif n (Fig. 1). ceaux hertziens où l’ensemble du traite- Deux familles principales d’algorith- ment adaptatif destiné à égaliser le canal Adaptive signal processing in trans- mes d’adaptation, le gradient et les atmosphérique est répété à des fré- mission - Adaptive systems realize op- moindres carrés, assurent les trois pro- quences de plusieurs dizaines de MHz, timization of the emitting and/or priétés requises (acquisition, poursuite, permettant ainsi la transmission de di- receiving devices according to the temps réel). Le gradient est moins com- zaines ou centaines de Mbit/s, avec une transmission environment. They ensure plexe et les moindres carrés sont plus probabilité d’erreur plus faible que 10-6 automatic acquisition, tracking rapides en temps d’acquisition. (Fig. 2). of time évolutions and real time implémentation. In this way an unknownchannel distortion can be L’application aux réseaux ... et au radio-téléphone corrected by adaptive equalization. téléphoniques numériques... Le troisième exemple est celui du ra- These methods are implemented e.g. in Le domaine où l’adaptativité fut mise dio-téléphone numérique portable de digital radio telephone systems at very en œuvre de la manière la plus précoce l’avenir, dont la banalisation est prévue high bit rates with severe transmission et la plus spectaculaire est celui de la pour dans 20 ou 30 ans. Dans ce cas, le conditions such as urban environment. compensation de la distorsion introduite canal est l’atmosphère, et la distorsion, par le canal de transmission. Le traite- particulièrement sévère en milieu ur-

LE COURRIER DU CNRS N°77

bain, provient des évanouissements sé- lectifs en fréquence dus aux trajets multiples (réflexions sur et à l’intérieur des bâtiments, tunnels, etc.). A cause des mouvements du porteur - qui peut être dans une voiture de vitesse allant juqu’à 250 km/h - et des mouvements l’envi- ronnant, les évolutions permanentes peuvent être très rapides et le problème de la poursuite y est sévère. De plus, les transmissions se feront par bouffées brè- ves (100 à 1 000 données), ce qui implique une acquisition ultra brève. Ces faits conjugués rendent le problè- me très ardu. Pour tenir cette gageure, il n’est pas impossible que la solution passe par un égaliseur auto-adaptatif

basé sur les moindres carrés. Ce sera là y Fig. 2 - Transmission numérique à 16 Mbit/s. La modulation numérique ^ de 2 porteuses en quadrature fournit une constellation de 16 niveaux un exemple grand public des performan- discrets à l’entrée du canal hertzien. Selon la fréquence, la dispersion de ces limites que le traitement adaptatif du l'atténuation du canal simulé varie de plus de 30 dB (évanouissement sélectif) signal permet d’atteindre. ce qui brouille les niveaux à l’entrée de l’égaliseur (a). Un égaliseur non linéaire auto*adaptatif à 7 paramètres restitue la constellation discrète sans ■■ Odile Macchi, directeur de recherche au déformation (b), ce qui correspond à une transmission sans erreur.(Cliché: CNRS, Laboratoire des signaux et systèmes Laboratoire de communications numériques, département TSF, CNET (UMR14 CNRS), Ecole supérieure d'électrici- té, Plateau de M oulon, 91192 Gif-sur-Yvette Lannion B). Cedex.

2 MHz, il faut réduire le débit initial à La radio de qualité laser une valeur proche de 2 x 100 kbit/s. Totalement irréaliste il y a quelques années, ce système de codage de source, dans la voiture, appelé MUSICAM, a été développé conjointement par le CCETT (Centre commun d’études de télédiffusion et té- c'est pour demain lécommunications), l'IRT (Institut für Rundfunktechnik) et Philips. L’oreille est un récepteur de signaux très impar- Défini à l'initiative des industriels et des radiodiffuseurs, le programme fait: la connaissance des phénomènes Eureka 147 donnera à la réception radio la qualité du disque compact. de masquage, et plus précisément de la perception de signaux en présence de fréquences discrètes, permet de réduire de façon importante le nombre de ni- Bernard Le Floch, ce but, l'industrie européenne et les ra- veaux de quantification. Dans chaque Damien Castelain diodiffuseurs, représentés par leurs cen- bande de fréquence, la quantification tres de recherche, ont fédéré leurs ef- est déterminée de façon à maintenir le forts au sein du programme Eurêka 147 bruit de quantification au-dessous du a perspective de mettre en œuvre DAB (digital audio broadcasting), et seuil de masquage. Ce traitement four- un service de radiodiffusion so- travaillent en étroite collaboration avec nit des résultats excellents : les hautes L nore numérique de haute qualité, l’Union européenne de radiodiffusion. fréquences peuvent être représentées destiné aux récepteurs domestiques et Techniquement, le nouveau système avec un seul bit (absence ou présence mobiles, s’impose de plus en plus. Dans étudié résulte de progrès importants dans la sous-bande) et le débit global Digital sound broadcasting to mobile réalisés dans le domaine du codage du s’abaisse à environ 100 k bit/s pour un receivers - Within the framework of signal sonore, et dans celui de la radio- son monophonique. the dab (digital audio broadcasting) diffusion numérique d’information. Eureka 147 project has been designed Le canal radiomobile a new broadcasting System, fully digi- Le codage du son La radiodiffusion numérique vers les tal from studio to user. Presented here Pour diffuser un programme stéréo- mobiles, en particulier en milieu urbain, is a promising modulation and chan- phonique de la qualité du disque com- constitue un pari difficile : l a propaga- net coding System, suitable for digital pact, il faudrait, en l’absence de tout tion par trajets multiples, due à la pré- broadcasting through the particularly traitement, utiliser un canal de 2 x 768 sence d'obstacles naturels, nécessite la hostile urban radio channel. kbit/s. L’objectif retenu étant de diffu- mise en œuvre de dispositifs de modula- ser huit programmes dans une bande de tion sophistiqués, pour parvenir à une ^

LE COURRIER DU CNRS N° 77 43

CODER ET TRANSMETTRE

qualité constante de réception. Une dif- Loin d’être une utopie, le concept de ficulté importante résulte de l’évolution réseau monofréquence a fortement in- permanente des caractéristiques du ca- fluencé les partenaires du projet EU 147 nal, consécutive au déplacement du ré- dans leur adhésion au s y s t è m e cepteur. COFDM, face à la situation de pénurie Le canal de transmission peut être de fréquences que connaît l’Europe oc- simplement décrit par sa réponse à une cidentale. impulsion, qui caractérise les différents échos en termes de retard et d’atténua- tion. Plus le produit de l’étalement des L’autoradio numérique, retards par la largeur de bande utilisée c’est pour demain est élevé, et plus le canal sera sélectif en Tant les procédés de codage de fréquence. Cela signifie que certaines source composantes fréquentielles du signal se- que de transmission utilisent des techni- ront bien transmises (c’est le phénomè- ques de traitement du signal bien maîtri- ne d’interférences constructives bien sées en terme de composants électroni- connu en optique), alors que d’autres ques. composantes seront mal transmises, ce Des prototypes complets existent de- que l’on appelle en radio les fadings. puis l’été 88, et la première démonstra- En réception urbaine, la réponse im- tion publique du système COFDM a été pulsionnelle du canal s’étend générale- mdhée à bien lors de la conférence admi- ment sur plusieurs microsecondes. Par nistrative mondiale des radiocommuni- conséquent, la non-sélectivité concerne cations (ORBIT 88). Il s’agissait, à no- uniquement les transmissions à bas dé- La propagation par trajets tre connaissance, de la première mise en bit (quelques dizaines de kbit/s), et ne multiples génère une sélectivité œuvre d’un ensemble de radiodiffusion peut en aucun cas constituer une hypo- de la transmission dans le domaine de haut débit, dans un canal radiomo- thèse valable pour la radiodiffusion so- fréquentlel : l'enveloppe du signal bile. Depuis lors, de nombreux sites ex- nore de haute qualité. représenté sur l'osclllogramme périmentaux ont été mis en place en Par ailleurs, la diversité apportée par correspond à la réponse en RFA, au Royaume-Uni, au Canada et l’utilisation d’une transmission à large fréquences du canal, mesurée sur en France bien sûr, le premier d’entre bande doit être considérée comme un une bande de 4 Mhz à la fréquence eux ayant été le site de Rennes. avantage, si le système de communica- porteuse de 794 Mhz. L’expérimentation et la promotion tion est conçu pour tirer parti des trajets vont donc bon train, et les actions à me- multiples et non pour en souffrir : du ner dans l’avenir concernent la mise en fait de l’étalement de la réponse du place d'infrastructures opérationnelles canal, il est très improbable qu’un l’espace des fréquences, sont liées entre d’émission, l’obtention d’une bande de évanouissement profond affecte elles par un codage produisant une re- fréquences, et l’intégration des récep- simultanément une bande de fréquence dondance qui assure au récepteur la pos- teurs, pour en faire des produits bon d’un mégahertz ou plus. sibilité de reconstituer les informations marché et à la hauteur des exigences du Le nouveau système de radio numéri- perdues lors de la transmission. cahier des charges du projet. que exploite largement cette propriété : L’association de ces deux principes Alors, pour quand l’autoradio numé- le signal transmis résulte de la réunion est à la base d’un nouveau système de rique de qualité laser ? Beaucoup de tra- de plusieurs programmes, et constitue transmission qui tire profit de la propa- vail reste à faire, mais on peut espérer ainsi un multiplex dans lequel chaque gation par trajets multiples, chaque que tout ceci deviendra une réalité dans source élémentaire tire bénéfice de écho du canal contribuant à augmenter la seconde moitié de cette décennie. l’aspect «large bande» de la transmis- la puissance utile du signal reçu. sion. Le chemin qui restait à parcourir en- Bernard Le Floch, ingénieur au Centre commun d’études de télédiffusion et télécom- tre cette constatation et l'idée de réseau munications. Les principes du système de monofréquence était alors aisé : puisque le système se satisfait de la propagation Damien Castelain, ingénieur au Centre diffusion par trajets multiples, pourquoi ne pas commun d'études de télédiffusion et télécom- Le système développé par l’équipe du munications, BP 59, rue du Clos Courtel, 35512 fabriquer des «échos artificiels», à par- Cesson Sévigné. CCETT porte le nom de COFDM (co- tir d’un réseau d’émetteurs répartis sur ded orthogonal frequency division mul- un territoire donné, synchronisés en tiplex), et repose sur deux principes : temps, et diffusant tous le même signal, - l’information à transmettre est répar- bien entendu sur la même fréquence. tie sur un grand nombre de porteuses CNRS - AUDIOVISUEL Apportant une économie considérable 1, place Afistide-Bfiand 92)95 MeuOon Cedex accolées les unes aux autres, et indivi- d’utilisation du spectre radio, ce prin- duellement modulées à bas débit. Ces cipe constitue une révolution par rap- porteuses sont par conséquent affectées port aux réseaux FM actuels utilisant L’AUDITION DU FŒTUS d’évanouissements non sélectifs ; des fréquences distinctes pour couvrir - le second principe exploite de façon l’ensemble du territoire. Par ailleurs, en systématique les trajets multiples entre Conception : Robert Clarke plus des propriétés de diversité de fré- Conseiller scientifique : l’émetteur et le récepteur, en utilisant le quence et de temps intrinsèques à la Jean-Pierre Lecanuet fait que des signaux suffisamment sépa- technique COFDM, le réseau monofré- Image et son : Daniel et Michèle Cavillon rés en fréquence èt en temps ne peuvent quence introduit la diversité d’espace à Production : CNRS Audiovisuel être affectés de façon identique. Les in- l’émission, de sorte que le système ex- 5 minutes • 1990, formations transmises à des instants dif- ploite l’ensemble des degrés de liberté férents, sur des porteuses éloignées de offerts au transmetteur.

44 LE COURRIIER DU CNRS N* 77

tion à transmettre en ne retenant qu’une ligne et un pixel sur deux ; Images des grands fonds - un équipement d’émission réception (modem) ; il u tilise une modulation de par canal acoustique phase à q uatre états réputée pour sa robustesse au filtrage. Le modulateur est réalisé à p artir de techniques numéri- Les techniques de transmission numérique associées à des méthodes de ques, sa fréquence porteuse et son débit numérique sont programmables. Le dé- traitement du signal, telle l'égalisation, permettent de transmettre des modulateur est du type cohérent et est images sur canal acoustique à travers l'océan. équipé d’un filtre numérique dont la ré- ponse en fréquence compense en per- manence les fluctuations éventuelles du ■ Alain Glavieux, Transmission d’images canal de transmission. Ce filtre appelé Joël Labat par grand fond égaliseur est implanté sur un processeur Pour les liaisons verticales, la propa- de signal ainsi que les circuits de récupé- gation se fait suivant un trajet principal ration de rythme et de porteuse du dé- et les réflexions éventuelles des ondes modulateur. ‘exploitation des fonds marins sur la surface de la mer peuvent être a nécessité le développement négligées grâce à l a directivité des cap- L’ exploration du Titanic d’équipements de transmis- teurs. Pour ces liaisons, les problèmes Plusieurs campagnes d’essais ont per- L commencent à se poser lorsque l’on sou- sion performants pour assurer des liai- mis de valider le bon fonctionnement de sons du fond vers la surface (canal verti- haite réaliser des transmissions à grande cet équipement. En août 1987, il a été cal) ou entre sites distants (canal distance (supérieures à 3 000 m de pro- utilisé pour explorer l’épave du Titanic horizontal). Suivant le contexte, ces fondeur) et à h aut débit (cas des ima- qui se trouve par 3800m de fond. Pour transmissions ont été réalisées par câ- ges), Dans ces conditions, pour limiter atteindre cette portée, la fréquence por- bles ou par ondes acoustiques. L’évolu- l’atténuation apportée par le canal, il est teuse avait été fixée à 26kHz et, compte tion des techniques de traitement du si- nécessaire d’utiliser des fréquences por- tenu de la bande passante des transduc- gnal et de la technologie a permis durant teuses basses typiquement inférieures à teurs (de l’ordre de 5kHz), le débit nu- ces dernières années un développement 30 kHz et, dans ce cas , on est rapide- mérique d’information était de 5300 bits prometteur de ce t ype de transmission. ment confronté au problème de la bande par seconde. La cadence de transmis- La principale application des transmis- passante des transducteurs (20 à 30 % de sion des images était de une image tou- sions par ondes acoustiques est actuelle- leur fréquence centrale). tes les dix secondes. La figure illustre la ment la télécommande d’engins immer- Le GCN (Groupe communications qualité des images reçues. Les images gés qui nécessite de disposer de liaisons numériques de l’ENST de Bretagne) a du Titanic, que nous ne pouvons pas à faible débit d’information (quelques mis au point un équipement pour la encore publier, étaient de qualité équi- dizaines de bits par seconde) mais bien transmission d’images par voie acousti- valente. protégées contre les erreurs de transmis- que (TIVA) en collaboration avec l’Ifre- Pour clore ce b ref exposé sur les sion. La transmission d’images est utili- mer qui était chargé du traitement des transmissions par ondes acoustiques, sée pour l’exploration des fonds marins, images et des signaux acoustiques. Cet disons que les problèmes rencontrés en le repérage d’épaves ou la surveillance équipement est actuellement développé transmission sur canal horizontal, et de sites expérimentaux. Pour ces appli- par la société ORCA Instrumentations et notamment par petit fond, sont assez cations, une transmission d’images à ca- comprend les fonctions suivantes : délicats à appréhender. Un travail dence lente est en général suffisante important reste à faire en matière de mais conduit cependant à transmettre modélisationdu canal. On peut cependant des débits d’information élevés (quel- avancerque la propagation se fait suivant ques dizaines de kbits par seconde). En- plusieurs trajets affectés d’un effet fin, parmi les préoccupations du mo- Doppler dû à la houle et qui rendent ce ment, citons les transmissions par faible canal non-stationnaire. Plusieurs équipes fond et à grande distance (quelques kilo- travaillent sur ce problème et l’on peut mètres) sur canal horizontal qui seront espérer que l’utilisation de méthodes utilisées pour les communications entre sophistiquées de traitement du signal plongeurs ou la surveillance de la qualité permettra prochainement de réaliser des des eaux à proximité des côtes. liaisonsde qualité sur un tel canal.

Image transmission on underwater acoustic channel - Problems met in Image d’une structure transmission on u ndenvater acoustic métallique par 2200m de fond, channel and some signal processing transmise par ondes acoustiques. methods generally used are examined. Two cases are considered: the hori- - un système de prise de vues et de trai- zontal channel where there are statio- tement des images : la prise de vues est Alain Glavieux, professeur à l'Ecole na- nary problems, and the vertical chan- assurée par une caméra CCD à g rande tionale supérieure des télécommunications de nel where the principal limitation is sensibilité et les images au format de 300 Bretagne, Laboratoire «transmission». the bandwidth of the transducer. An lignes et de 490 pi xels par ligne sont Joël Labat, ingénieur à l’Ecole nationale image transmission equipment is pre- codées (codage par plage) à raison de supérieure des télécommunications de Breta- sented to illustrate this article. 1,5 bit par pixel. Un mode basse résolu- gne, Laboratoire «transmission», BP 856, tion permet encore de réduire l’informa- 29279 Brest Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 45

CODER ET TRANSMETTRE

Coherent lightware techniques- They Les systèmes optiques offer a 10-20 dB receiver sensüivity improvement over direct detection. In addition, they allow frequency divi- cohérents sion multiplexing (FDM) with very fine frequency separation. Applica- tions are in the areas of long-haul Détection cohérente et multiplexage, sources accordables et high-bit-rate communication and net- amplificateurs, supports à faible atténuation: les progrès techniques work. ne cessent d'élargir les domaines d'application des liaisons optiques cohérentes. L’arrivée de nouveaux lasers Bien qu’il reste des progrès concep- Yves Jaouen, techniques couramment utilisées en ra- tuels et technologiques à faire sur les Claude Chabran diofréquence. sources, les nouveaux lasers distributed Outre les avantages déjà mentionnés, feedback (DFB) multirégions apportent un gain de sensibilité est obtenu par rap- un début de réponse à ces besoins. es systèmes de télécommunica- port à la détection directe (15 dB envi- Ceux-ci possèdent un réseau intégré, tions optiques actuels sont dits à ron). De plus, le multiplexage en fré- permettant une bonne sélectivité en lon- L détection directe, le seul vecteur quence optique permet d’envisager une gueur d’onde (largeur de raie < 1 MHz), d'information étant la variation de puis- meilleure gestion des potentialités de ainsi qu’une accordabilité en fréquence sance optique. Ils n’utilisent donc la fibre optique. Si avec la détection di- de l’ordre de 10 nm (équivalent à 1200 qu’une faible part du potentiel offert par recte on peut séparer des porteuses opti- GHz). l’optique. En particulier, ils renoncent à ques voisines de 1 nm (120 GHz à D’autre part, il est maintenant envisa- l’exploitation des variations de fré- 1,55 pm), avec la détection cohérente, la geable d’amplifier optiquement le si- quence et de phase. distance entre canaux peut être réduite gnal, évitant des transferts optique-élec- Cependant, il est aujourd’hui possible au gigahertz. trique en ligne, complexes et coûteux. d’utiliser les principes de la détection Toutefois, la mise en œuvre d’un sys- Un type d’amplificateur optique très cohérente, déjà bien connus en radiofré- tème optique cohérent engendre des performant exploite les effets non-li- quence. En optique cohérente, l’infor- contraintes sur les sources semiconduc- néaires dans une fibre dopée à l’erbium. mation est obtenue à partir d’un mélan- trices, le support de transmission et le Les gains d’amplification peuvent at- ge entre une onde signal modulée en récepteur: faible largeur spectrale teindre 30 dB. Ces derniers commen- amplitude, fréquence ou phase, avec (< 10 MHz), accordabilité en fréquence cent à être commercialisés. une onde locale engendrée au niveau du optique des sources, bonne stabilité en Un axe de prospection est l’utilisation récepteur. Le signal de battement ainsi fréquence, contrôle de la polarisation d’un nouveau support de transmission : obtenu, situé dans le domaine radiofré- des ondes, grande bande passante et mi- les verres fluorés. Les atténuations sus- quence, contient l’information trans- nimisation du bruit thermique des ré- ceptibles d’être obtenues sont infé- mise. Celle-ci sera alors décodée par des cepteurs. rieures à 0,01 dB/km à 2,7 pm, permettant d’envisager des liaisons de plus de 1 000 km sans répéteur. De même, grâce au concept de synchronisation obtenue par injection optique d’un laser dans un autre (voir figure), on peut envisager de nouvelles fonctions, telle la récupération de phase optique. Il est donc permis de penser que la prochaine décennie verra l’application des liaisons optiques cohérentes dans de nombreux domaines : en particulier les liaisons grande distance-haut débit et les réseaux multicolores qui tirent profit respectivement du gain en sensibilité et du nombre important des fréquences optiques utilisables.

Yves Jaouen, enseignant-chercheur à l’Ecole nationale supérieure des télécommuni- cations, département Communications. Claude Chabran. enseignant-chercheur à l'Ecole nationale supérieure des télécommu- nications, département Communications, 46, rue Barrault, 75634 Paris Cedex 13.

46 LE COURRIER DU CNRS N" 77

La télévision

du futur

Pour les services télévisuels du

futur, quelles méthodes fiables et

rapides mettre en œuvre pour

analyser et comprimer des

séquences d'images?

■ Claude Labit

es années 70-80 ont vu l’éclosion

de nombreux projets, de nou-

veaux services télévisuels. Ceux-

ci ont ou vont introduire dans la vie pro-

fessionnelle et quotidienne de chacun,

la manipulation à différents niveaux

d’un nombre toujours croissant d’ima-

ges. Le fil conducteur des travaux explo-

rés et présentés ici concerne l’analyse

dynamique pour la compression de sé-

quences d’images, et cela pour des ser-

vices télévisuels du futur tels que la télé-

vision haute définition (TVHD), la

télévision en relief (TV3D) ou la télé-

surveillance active. Il est important de garder en perma- nence à l’esprit qu’une image n’est pas acquise de manière isolée, mais appartient bien souvent à un flot temporel de signaux, échantillonné temporellement à différentes fréquences selon l’application. Tout système de communication doit supporter ce flot et nécessite la défi- nition d’algorithmes et d’architectures rapides respectant ces contraintes de temps réel. Une analyse à résolution variable Le système visuel humain peut appré- hender une scène ou un objet à plusieurs niveaux de résolution. De même, l’ana- Analyse globale du mouvement: les quatre sous-lmages de la figure (a) ont été créées, à partir d’une même image, par génération de petits Future TV - During the past fey mouvements de zoom, de translation, de rotation et d'un mouvement years, the increase of image communi- composé. A partir d’une estimation initiale bruitée d’un champ dense de cations needed new algorithmic vecteurs mouvement apparent (b), il est possible d’effectuer une analyse trends, especially concerning dynamic globale des mouvements perçus par décomposition en composantes scene analysis, temporal data com- élémentaires (ici, translation, zoom, rotation perpendiculaire au plan image) pression and image sequence trans- et reconstitution du champ identifié à partir des descriptions de mouvements mission. Due to the nature of data élémentaires (c). flows which characterizes these image signais, several algorithmic tools were developed for motion estimation,dy- lyse d’une séquence d'images numéri- fréquentiel, d’attributs caractéristi- namic feature extraction and interpre- ques peut être effectuée au travers d’une ques: contours orientés, mouvement. tation. New approackes are investiga- approche à résolution variable. Les Une algorithmique multigrille, c’est-à- ted here and applied to future image techniques de décomposition pyramida- dire exploitant à des fins d’estimation ou communication services: HDTV , le permettent à la fois une décomposi- d’identification l’ensemble des niveaux 3DTV, semantic coding. tion multirésolution du signal traité et de résolution, est actuellement explo- une meilleure localisation, aussi bien rée : ainsi, pour l’analyse de séquences, dans le domaine spatio-temporel que il s’agit de relier, au sein même des pro-

LE COURRIER DU CNRS N°77 47

CODER ET TRANSMETTRE

► cédures d’estimation, les mouvements dynamiques issus de chacune des sé- relle au récepteur. Plus récemment, ces extraits aux différentes échelles. Une quences. Les premières études portent techniques semblent prometteuses pour application récente aux systèmes de actuellement sur la définition de procé- tout système de télésurveillance active compression compatibles est venue dures d’estimation conjointes sur les par capteur vidéo, système où non s eu- conforter la nécessité d’une telle appro- vues gauche et droite par méthodes de lement les paramètres de mouvement che. Ainsi, pour une séquence d’images minimisation sous contraintes géométri- extraits et transmis permettent la dé- acquise initialement en haute définition ques stéréoscopiques. compression vidéo des séquences, mais (TVHD), au travers d’une approche également fournissent un élément pour multirésolution, il est possible de trans- L'analyse globale le diagnostic et le déclenchement mettre et reconstruire de manière com- d’actions. patible des séquences correspondant à du mouvement Nous constatons ainsi que, dans de plusieurs standards de résolution. Des travaux de recherche sont entre- telles applications, loin de vouloir ap- pris actuellement afin de caractériser de préhender exactement les constituants Pour une future télévision manière plus globale (décomposition en physiques (formes, mouvements mouvements génériques : translation, réels...) des scènes dynamiques obser- en relief rotations, zooms...) les mouvements es- vées, les schémas de compression évo- D’ores et déjà, des stations graphi- timés bien souvent de manière très loca- qués ici tentent de cerner le concept ré- ques de CAO fournissent à l’opérateur le dans un premier temps (champ dense cemment introduit de «réalité vir- une restitution relief des objets qu’il made vecteurs vitesse apparente). Cette tuelle » (Virtual reality) qui ne se donne nipule : l’exploitation d’une future télé- phase d’analyse globale du mouvement ^ur but que de manipuler et transmet- vision en relief conduit naturellement à repose sur la définition de modèles de tre au plus haut niveau (c’est-à-dire au la recherche d’algorithmes d’analyse et mouvement, la décomposition d’un niveau des objets) les informations, vec- de compression permettant une restitu- mouvement 3D complexe en mouve- teurs du message que le système de com- tion en relief sans défaut perceptible vi- ments élémentaires et la définition pour munication doit délivrer. suellement. Les mouvements perçus de chaque classe de mouvements élémen- manière apparente (vue gauche + vue taires de descripteurs identifiables à p ar- droite) dans un couple de séquences tir du c hamp initial de mouvement (voir d’images stéréoscopiques correspon- figure). Une telle analyse globale trouve dent en réalité à d es mouvements physi- d’ores et déjà des applications pour la ques tridimensionnels d'objets : il sem- transmission, au plus bas débit, d’une Claude Labit. directeur de recherches à ble ainsi nécessaire, pour une qualité 'voie d’information additionnelle conte- l'Institut de recherches en informatique et sys- optimale de reconstruction, d’exploiter nant les paramètres de mouvement né- tèmes aléatoires (URA 227 CNRS), Université Rennes I, Campus de Beaulieu, BP 25, 35042 la cohérence intrinsèque des paramètres cessaires pour la reconstruction tempo- Rennes Cedex.

Image data compression and coding- Images comprimées Digital image transmission and archi- ving involve high data rate and mass^ storage. Thus, data compression is re-' pour grand débit quired. Starting with a discussion about information redundancy, pre- La compression est une étape obligatoire avant transmission et dictability and coding of pixels, the paper focuses on transform coding. A stockage des images numériques. On ne peut obtenir des taux de picture sequence illustrates this me- compression élevés que par des méthodes tolérant une distorsion des thod. fe images en préservant l'information utile.

Rémy Prost, pixels (points) par ligne et par colonne. tés. Dans les missions spatiales loin- Atilla Baskurt, Chaque pixel est codé par un mot bi- taines (Mars, Vénus...), la faible naire de 8 bits, ce q ui permet de repré- puissance des émetteurs embarqués li- Robert Goutte senter 256 niveaux de gris. Le stockage mite généralement le débit d’informa- de cette image requiert une mémoire de tion à 10 bits/s, ainsi la transmission deux millions de bits. Sa transmission, à d’une seule image durerait plus de 55 es techniques de l’image numéri- la cadence vidéo de 25 images par secon- heures ! Un autre problème crucial est que nécessitent de grands débits de, correspond à un débit d'information celui du stockage des informations. Par L de transmission et des systèmes de 50 Mbit/s et nécessite un canal de exemple, un hôpi tal de 500 l its peut pro- de stockage de grande capacité. transmission avec une largeur de 25 duire plus de 110 Gbit/jour d’images nu- Une image monochrome, de qualité MHz. mériques. L’archivage de ces images né- standard, est généralement numérisée L’adaptation à un canal de débit ré- cessiterait 1 000 disques optiques sous la forme d’une matrice de 512 duit est une première source de difficul- numériques par an.

48 LE COURRIER DU CNRS N° 77

Compression d'une image par transformation cosinus discrète; (a) image originale 256x256 pixels codés sur 8 bits (surface de la planète Mars) (cliché NASA): (b) illustration de la transformation cosinus discrète des blocs 16x16 de l’image, les zones claires correspondent à des coefficients de forte intensité ; (c) image comprimée reconstruite, le taux de compression est de 8, ce qui correspond en moyenne à la transmission ou au stockage de 1 bit par pixel (clichés INSA Lyon. URA 1216 CNRS).

Comprimer sans perdre Contrôler la perte Les méthodes par transformation ne sont généralement pas appliquées sur d’information d’informations toute l’image, mais sur des blocs de taille Les techniques de compression et de Des taux de compression élevés ne limitée à 8 x 8 ou 16 x 16 pixels. Ainsi, codage ont pour but de réduire le nom- peuvent être obtenus que par des mé- le seuilllage peut être adapté aux pro- bre moyen de bits par pixel à transmet- thodes qui tolèrent une distorsion de priétés statistiques locales de l’image tre. Le taux de compression est défini l’image originale en préservant l’infor- originale afin d’optimiser la qualité de par le rapport entre le nombre de bits mation utile. Ces méthodes, dites non- l'image reconstruite, ou d'augmenter le par pixel de l’image originale et le nom- réversibles, se divisent en deux catégo- taux de compression (voir figure). bre moyen de bits par pixel nécessaires ries: les méthodes spatiales et les mé- La frontière entre les méthodes spa- à sa transmission. thodes par transformation. Les métho- tiales et les méthodes par transforma- Les méthodes exploitent la redondan- des spatiales agissent directement sur les tion s’efface actuellement avec la com- ce informationnelle de l’image, le ni- pixels de l’image pour les coder conve- pression par codage d’images sous- veau de gris d’un pixel dépendant des nablement ; alors que dans les méthodes bandes ou multirésolution. pixels voisins. Cette forte corrélation par transformation, on ne code pas une permet sa prédiction partielle. Par image mais les coefficients numériques exemple, une image uniforme est entiè- de sa transformée. rement définie par la connaissance d’un La transformation concentre l’éner- seul pixel ; à l'opposé, une image où les gie de l’image en un petit nombre de pixels ont une distribution aléatoire et composantes décorrélées. On ne prend indépendante ne permet pas la prédic- en considération que les coefficients su- tion d’un pixel par la connaissance de ses périeurs à un s euil prédéfini, qui sont voisins. C'est cette dernière image qui ensuite quantifiés, c’est-à-dire que l’on contient la plus grande quantité d’infor- associe à l eur distribution continue une mation mesurée par l’entropie de Shan- distribution en « marche d’escalier » afin non.. de réduire la longueur du code associé. L’entropie représente le nombre Si la zone codée n’est pas définie a prio- moyen de bits par pixel. Dans une image ri, il faut également coder la position des codée sur 8 bits par pixel, l’entropie est coefficients sélectionnés dans le do- généralement de 4 à 6 bits par pixel. Il maine transformé. Il en résulte un nom- est donc possible de comprimer les ima- bre moyen de bits par pixel nécessaires Rémy Prost, maître de conférences à ges sans perte d’information, c’est-à- au stockage ou à la transmission de l'Institut national des sciences appliquées de dire de manière réversible. Malheureu- l’image. Lyon, Laboratoire Traitement du signal, ima- sement, l’entropie montre que, généra- La décompression requiert le décoda- gerie numérique et ultrasons (URA 1216 lement, le taux de compression que l’on ge, puis la transformation inverse à celle CNRS). peut ainsi atteindre dépasse rarement pratiquée sur l’image. Le seuillage et la Atilla Baskurt, maître de conférences à deux. quantification ne sont pas réversibles et ITnstitut national des sciences appliquées de Ces méthodes prédictives de com- il s’ensuit que l’image reconstruite pré- Lyon, Laboratoire Traitement du signal, ima- pression sans perte d’information élimi- sente une distorsion. La transformation gerie numérique et ultrasons (URA 1216 nent la redondance entre deux pixels optimale est celle de Karhunen-Loeve, CNRS), voisins en ne codant que la partie non mais ses difficultés de mise en œuvre par Robert Goutte, professeur à l’Institut prévisible ou erreur de prédiction. Le un algorithme rapide font qu’on lui pré- national des sciences appliquées de Lyon, directeur du Laboratoire Traitement du signal, ima- nombre de bits alloués à son codage est fère une transformation sous-optimale, gerie numérique et ultrasons (URA 1216 inversement proportionnel à sa probabi- dérivée de la transformation de Fou- CNRS), Bât 502, 20, avenue Albert Einstein, lité (code d’Huffman). rier : la transformation cosinus discrète. 69621 Villeurbanne Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 49

CODER ET TRANSMETTRE

Ondelettes et compression numérique des images Les nouvelles méthodes de compression numérique des images sont basées sur des transformations spatio- fréquentielles et une quantification vectorielle.

Michel Barlaud, Marc Antonini, Pierre Mathieu numérique font appel à u ne transformée Elle est alors décomposée au moyen e succès du traitement numérique des images résulte de capteurs dont le but est d’améliorer les propriétés d’un filtre numérique passe-bas à d iffé- numériquesL performants, et de statistiques de l'image et à un quantifica- rents niveaux allant du pl us fin au plus l’utilisation de calculateurs puissants. teur qui représente sur un certain nom- grossier. La différence entre deux ni- Toutefois, le grand nombre de bits né- bre de niveaux (et donc de bits) les veaux représentant les détails est alors cessaire à l a représentation de ces ima- pixels de cet espace transformé. quantifiée. Le nombre de pixels est mal- ges rend coûteux le stockage et la trans- La transformée en cosinus discrète heureusement augmenté d’un facteur mission. TCD (transformée de type Fourier), in- 4/3. La numérisation des pixels sur une troduite en 1974, fait l'objet actuelle- La méthode de codage en sous-ban- échelle linéaire de 256 niveaux nécessi- ment de normalisation et de développe- des, appliquée depuis cinq ans aux ima- tant donc 8 bits par pixel est-elle la meil- ments industriels. Les possibilités de ges, préserve le même nombre de pixels. leure représentation compacte de compression de cette méthode, avec des Elle est effectuée par deux filtres : l’un, l’information dans l'image ? Depuis une dégradations acceptables, sont limitées passe-bas, donne l’approximation lissée vingtaine d’années, les études sur l’opti- à un facteur de compression de l’ordre du signal; l’autre filtre, passe-haut, misation d’une chaîne de compression de 10 (0,8 bit par pixel). fournit les détails perdus. Depuis une décennie, les efforts ont Enfin, le concept d’ondelettes bidi- Wavelets and digital compression ot porté sur de nouvelles transformations mensionnelles permet de décrire l’évo- images - New techniques developed spatio-fréquentielles et sur des métho- lution spatiale de l'image en fonction de over the last decade for the digital des de quantification vectorielle. l’échelle d'observation. Le signal est compression of images are presented. alors projeté sur une base d'ondelettes. Spatio-frequential transforms take the La transformée en ondelettes orthogo- place of frequential transforms, the De nouvelles techniques de nales est mise en œuvre par des filtres vectorial quantification being a signi- compression numériques suivant un algorithme pyra- ficant improvement over scalar quan- L’idée de base des pyramides est de midal. tification. prendre en compte l’aspect échelle ou Les ondelettes biorthogonales ont été résolution pour modéliser une image. introduites de façon à préserver la phase

Image originale (a), et la même image à laquelle on a appliqué un taux de compression de 100 (b). La qualité de l’image originale n’est pas altérée.

50 LE COURRIER OU CNRS N° 77

nulle des filtres. Dans ce cas , la décom- position est faite au moyen d’une onde- iette d’analyse, alors que la reconstruc- La compression d'images tion se fait au moyen d’une ondelette duale de synthèse. Ces deux ondelettes différentes constituent des bases ortho- en télédétection gonales. Les résultats de compression utilisant des ondelettes séparables ont Sans la compression de données qu'autorise le traitement du signal, les été notablement améliorés par des ondelettes bidimensionnelles non sépara- instruments de télédétection à haute résolution spectrale ne pourraient bles permettant de préserver l’isotropie pas être embarquables à bord de satellites. de la décomposition. Ces méthodes sont bien adaptées à l a modélisation des contours qui représen- Corinne Mailhes tent l’information fondamentale à la compréhension d’une scène et au méca- nisme de vision primaire de l'œil. es spectro-imageurs à haute réso- lution spectrale constituent une Construire un dictionnaire nouvelle génération d’instru- La quantification vectorielle, intro- mentsL embarquables sur satellite, ser- duite voici une décennie, consiste à r e- vant à l 'observation de la Terre. Le présenter un ensemble de pixels appelé spectro-imageur à t ransformée de Fou- vecteur par un représentant choisi dans rier, développé par le CNES, permet un dictionnaire. Seul l’index du v ecteur d’obtenir des images dans lesquelles du dictionnaire est transmis, permettant chaque pixel est un e nsemble de points ainsi un fort taux de compression. appelé interférogramme. La transfor- La construction de ce d ictionnaire op- mée de Fourier de l’interférogramme timal utilise généralement la méthode fournissant le spectre de l'objet corres- LBG (due à Linde, Buzo et Gray) dont pondant, la transformée de Fourier de le principe consiste à ef fectuer d’abord tous les pixels de l’image conduit à une une partition d’une séquence d’appren- image à haute résolution spectrale (200 tissage à partir d'un dictionnaire initial, canaux spectraux contre 4 pour SPOT). ensuite chaque partition est remplacée Le principal problème du s pectro-ima- par son centre de gravité de façon à ob- geur (et de tous les spectro-imageurs en tenir un nouv eau dictionnaire. Ces deux général) est la transmission au sol de ces étapes sont itérées jusqu’à convergence. images. Dans le cas présent, le débit de Les inconvénients majeurs de cette mé- télémesure nécessaire serait de 126 thode sont le coût calcul et le flou intro- Mbit/s ! On se trouve donc devant un duit sur les contours. problème de compression de données, La méthode de «treillis», introduite problème dont la résolution est essen- récemment pour concevoir le diction- tielle pour l’avenir même de l’instru- naire, est basée sur l’étude géométrique ment. des meilleurs représentants d’une partition. Elle permet d’une part d’obtenir des contours nets, et d’autre part de li- Une distorsion acceptable miter le coût calcul à celui d’un quantifi- Avant de parler de compression, il est cateur scalaire, nécessaire de définir au préalable une Grâce à u ne méthode de transformée mesure de distorsion spectrale décrivant en ondelettes et une quantification vec- les dégradations produites sur le spectre torielle en treillis, un taux de compres- après compression. Dans notre cas, la sion de 100 (en moyenne 0,08 bit par distorsion maximale permise corres- pixel) peut être obtenu sans détériora- pond à la distorsion produite parle bruit tion de l’image originale (voir figure). inhérent au capteur CCD (Charged

Coupled Device) de l’image. La compression s’effectue à deux niveaux: d’abord, au niveau de chaque Colonne d’une image spectrale pixel, c’est-à-dire de chaque interféro- avant et après compression, (a) gramme, et ensuite, au niveau de l’ima- Avant compression, la colonne contient 45 pixels le long de l'axe Michel Barlaud, professeur à l'Universi- horizontal dont le spectre té de N ice-Sophia Antipolis. Unité «Informati- Image compression and remote correspondant est représenté le que, signaux et systèmes» (URA 1376 CNRS). sensing - The author shows how signal long de l'axe des longueurs d’onde Marc Antonini, chercheur à l’Université Processing can afford a good solution Les paysages traversés de Nice-Sophia Antipolis, Unité «Informati- to the problem of spectral image com- correspondent à une haie, une que. signaux et systèmes » (URA 1376 CNRS). pression applied to a new remote sen- portion de pelouse, un sapin et un bout de ciel, (b) La même colonne Pierre Mathieu, maître de c onférences à sing instrument, the Fourier trans- l’Université de Nice-Sophia Antipolis, Unité form spectro-imager, by reaching a après compression par un facteur «Informatique, signaux et systèmes» (URA compression ratio of about 16. 16, on distingue toujours très bien 1376 CNRS), rue Albert Einstein, Sophia-Anti- les différents paysages repérés par polis, 06560 Valbonne. le cadre sur la photo (c).

LE COURRIER DU CNRS N° 77 51

CODER ET TRANSMETTRE

►ge entière. Pour la compression scalaire, l'image est construite colonne par colon- culier d’une colonne d’une image avant la méthodologie proposée utilise la mo- ne. Dans un souci de traitement temps et après compression par un facteur 16. délisation paramétrique qui autorise la réel, la technique de compression pro- Les différents types de végétation res- représentation d’un signal par un vec- posée est un traitement colonne par co- tent identifiables. teur de paramètres. La quantification et lonne, basé sur l'utilisation future de ces Le traitement du signal a finalement le codage de ces paramètres permettent images en classification. Chaque colon- apporté la solution à un problème qui d’obtenir un taux de compression se si- ne de l’image est segmentée en différen- aurait pu devenir rédibitoire pour l’ave- tuant entre 4 et 6. tes classes, chaque classe correspondant nir du spectro-imageur à transformée de à un objet physique différent. Au lieu de Fourier. Un taux de transmettre les paramètres de chaque pixel, on transmet les paramètres de compression chaque classe. Ainsi, le taux de com- Corinne Mailhes, attaché temporaire d'enseignement et de recherche. Ecole nationa- de 20! pression atteint se situe entre 8 et 20, le supérieure d'électrotechnique, d’électroni- Dans un deuxième temps, on envisa- avec une mesure de distorsion accepta- que. d'informatique et d'hydraulique de Tou- ge la compression au niveau de l’image ble. La figure illustre un exemple parti- louse, 2. rue Camichel. 31071 Toulouse Cedex. entière. En sortie du spectro-imageur,

sion utilisé influe sur la qualité selon que la technique de codage employée est La parole comprimée plus ou moins sensible aux erreurs et comporte ou non un dispositif de détec- Le développement des vocodeurs, systèmes de compression de la parole tion et/ou correction de ces erreurs. à faible débit, donne la voix aux nouveaux réseaux numériques de Du point de vue de la complexité, l’avènement, ces dernières années, des télécommunications. microprocesseurs de traitement du signal, permet aujourd’hui d’implanter en temps réel des algorithmes de compres- ■■ Denis Rochette 64 kbit/s. Des dérivés du codage MIC sion très complexes sur un seul circuit permettent de réduire cette quantité intégré. Il est par conséquent vraisem- d’informations à environ 16 kbit/s tout blable que l’on puisse d’ici quelques an- ‘essor des télécommunications en gardant une haute qualité. En des- nées transmettre à quelques kbit/s (typi- numériques (futur radio-télé- sous de cette limite, les performances se quement à 4,8 kbit/s) et à un coût L phone cellulaire ou nouveaux dégradent très rapidement. En fait, ce raisonnable, un signal de parole de très réseaux de messagerie vocale, par type de codeur tend à reproduire le si- haute qualité. exemple) est directement lié à la maî- gnal aussi fidèlement que possible : on trise des techniques de compression nu- parle de codeurs de forme d’onde. Un mérique de la parole. En effet, non seu- autre type de codeur met en œuvre au Denis Rochette, ingénieur, responsable lement la réduction de la quantité contraire les propriétés intrinsèques du de l'activité Télécommunications, OROS S. A.. d’informations à transmettre ou à signal de parole : ce sont les vocodeurs. 13. chemin des Prés, ZIRST, 38240 Meylan. stocker permet de réduire les coûts (cas des liaisons par satellite, par exemple), Entre débit et qualité mais elle est parfois rendue indispensa- Les vocodeurs utilisent un modèle du CNRS - AUDlOVISUEL ble par les limites technologiques des processus humain de production du si- équipements qui véhiculent ces infor- gnal de parole : en première approxima- mations (cas de certaines liaisons radio, tion, le couple «source vocale-conduit TÉLÉDÉTECTION par exemple). L’objectif des techniques vocal » est modélisé par un couple « si- RADAR de compression (ou codage) est de re- gnal d’excitation-filtre numérique » ca- présenter sous forme numérique le si- ractérisé par un nombre réduit de para- gnal de parole analogique, et de recréer, mètres. Ces derniers sont déterminés de Expérimentation sur un avion d'un appa- après décodage, un signal de parole de manière à minimiser un critère d’erreur reil de télédétection radar destiné à équiper qualité auditive idéalement comparable entre le signal original et le signal re- les satellites. Description des principes de à celle de l'original. fonctionnement et modalités d’utilisation, construit, et sont actualisés périodique- étendue des possibilités de détection (de Un exemple est le codage MIC (moment. On peut ainsi obtenir une com- nuit, par des temps nuageux...). Présenta- dulation par impulsions codées), réalisé pression de la parole à des débits tion de quelques applications pour mieux dans le réseau téléphonique, qui permet binaires s’échelonnant de 16 kbit/s jus- appréhender certains phénomènes: éro- de transmettre une parole de haute qua- sion du sol, évolution des cultures, déter- qu’à 0,8 kbit/s. mination des reliefs extrêmement pré- lité à un débit binaire d’informations de D’une manière générale, la qualité cise... obtenue décroît avec le débit numéri- Compressed speech - In the rising di que. Par exemple, on obtient actuelle- gîtai communications environment, ment au-dessus de 8 kbit/s une qualité Auteur scientifique : Jean-Paul Rudant très proche de la qualité téléphonique. Réalisateur : François Luxereau the transmission of digital speech at Co-production : CNRS Audiovisuel, low bit rates without decreasing voice En dessous de 4 kbit/s, la qualité s’ap- Laboratoire de géologie structurale, quality is becoming highly important. | préhende plutôt en termes de naturel, Département de géotectonique de So far vocoders tend to transmit high \ d’intelligibilité et d’agrément. Remar- l’Université Pierre et Marie Curie quality speech at a few kbitls rate. \ quons par ailleurs que le taux d’erreurs 19 minutes -1989 introduites par le support de transmis-

52 LE COURRIER DU CNRS N* 77

FILTRER ET SYNTHETISER

a nature appréhendée de mise en forme de l’infor- tie inutile ou parasite. On voit à travers nos sens ou mation montre qu’il ne faut apparaître là le bouclage vers L nos appareils de me- pas voir la chaîne de traite- l'aval: l'utilité d’une infor- sure fournit des informations, ment comme un système sé- mation est conditionnée par signaux ou images, non direc- quentiel progressant du “bas le but poursuivi. Parallèle- tement exploitables. Ces in- niveau” vers le “haut ni- ment, il faut insister sur le ca- formations sont dégradées veau”, mais comme un systè- ractère relatif des notions de par le bruit, déformées par me bouclé dans lequel les dif- signal et de bruit. Un change- les instruments de mesure. férents étages sont en comment de but peut les commu- Elles sont également brouil- munication dans les deux ter ! Dans la “restauration de lées dans leur propagation sens. Cette vision plus réalis- vieux enregistrements”, il ap- entre la source et le récep- te et plus féconde de la chaîne paraît que les craquements teur. Enfin, elles ne sont pas globale de traitement nous des disques usés peuvent être toujours accessibles sous une donne la trame des dévelop- un bruit ou un facteur d’au- forme directement lisible. pements récents des techni- thenticité. Après avoir identi- Réduire le bruit en le filtrant, ques de mise en forme de fié le bruit, l'objectif paraît restaurer les informations en l’information. simple : il faut le supprimer corrigeant les aberrations Cette information est dé- ou le réduire. La réduction de dues aux instruments de me- gradée par des parasites que bruit est sans doute le point sure ou à la propagation, aug- l’on appelle bruits. En fait il de départ historique du trai- menter la lisibilité, créer des serait préférable, pour met- tement du signal qui a donné sons ou des images synthéti- tre en évidence la symétrie et naissance au paradigme du ques sont les objectifs de la la relativité des différents élé- rapport signal sur bruit. La mise en forme de l’informa- ments, de séparer l’informa- chasse au bruit est un art dif- tion. tion en partie utile et en par- ficile qui fait appel à une mo- Cette mise en forme se si- ► tue au centre de la chaîne de E P I V l.0 Calcul Temps de Reverb ération (no. 1) traitement, en aval de l’acquisition et du transport et en amont de l’exploitation et de l'interprétation des informations. Dans une vision anthropocentrique, la mise en forme de l’information occupe la position des sens, à l’interface entre le monde sensible et le cerveau. On range parfois la mise en forme de l'information dans les techniques dites de “bas niveau”. Cela pourrait se concevoir s'il s’agissait seulement de mettre en œuvre des

approches simplifiées reposant sur une modélisation ap- Rayon no. 73 sur 101 (7.3 rayons/s) proximative. Le développe- ment actuel des techniques Prédiction de l'acoustique de l'opéra Bastille par le logiciel EPIDAURE du CSTB qui permet notamment de simuler l'écoute dans la salle avec effet d’espace. (© CSTB).

L£ COURRIER DU CNRS N* 77

FILTRER ET SYNTHETISER

délisation aussi fine que pos- sion globale de la situation en cas, par exemple, de la parole sible des propriétés du bruit faisant appel à des contrain- synthétique qui est actuelle- et du signal et qui ne peut être tes de régularisation prenant ment un sujet en pleine activi- menée à bien sans replacer le en compte la modélisation du té, ou encore de la simulation problème dans son contexte processus étudié et intégrant de l’espace sonore subjectif, général. L'évaluation du ré- les objectifs poursuivis. Il débouchant sur l’améliora- sultat ne peut également se faut élargir la vision de la dé- tion de la qualité acoustique réduire à une simple quantifi- convolution et la replacer des salles. Quant aux images cation par le rapport signal dans le cadre général des pro- synthétiques, leur utilisation sur bruit, mais doit faire ap- blèmes inverses qui font co- conjointe à celle des techni- pel à u ne analyse de la chaîne opérer les données observées ques d'analyse devrait per- complète de traitement et l’ensemble des informa- mettre de résoudre le problè- conditionnée par le but pour- tions disponibles. me de l’analyse de scène de suivi. Les grands succès ini- Une déformation impor- bureau par ordinateur, com- tiaux du traitement du signal tante introduite par les ins- me le montre le dernier arti- sur le terrain de la réduction truments de mesure sur les cle de ce chapitre. de bruit sont cependant issus signaux et les images est la Thème central de la disci- de l'utilisation de critères troncature. Ceci est particu- pline “Traitement du signal et énergétiques (quadratiques), lièrement vrai pour les side l’image”, la mise en forme associés à u ne modélisation gnaux reçus en différents de l’information demeure un gaussienne, pour le rapport points de l’espace : antennes, sujet porteur. Cette activité a signal sur bruit: le filtre optique... Ce champ de re- donné naissance à de nom- adapté, le filtre de Wiener, le cherche fait appel aux techni- breuses études théoriques au- filtre de Kalman, le filtrage ques de régularisation et de tonomes essentiellement matriciel qui sont illustrés modélisation pour étendre le dans la modélisation probabi- dans les articles suivants, en domaine du s ignal connu en liste des signaux et des bruits, sont des exemples. réalisant une prédiction. dans l’augmentation du pou - Mettre en forme l'informa- Sans croire aux vertus de la voir de résolution des instru- tion, c’est aussi pallier les dé- prédiction parfaite, on a réus- ments de mesure et dans la formations qu’elle subit lors si, toujours en immergeant la mise au point de méthodolo- du transport ou de la propa- mise en forme dans son gies de représentation des si- gation et de l’acquisition par contexte global, à réaliser des gnaux. Elle a su se renouveler un instrument de mesure. prolongements significatifs en faisant appel à une vision Comment ? Le signal a ét é du signal observé (pupille vir- globale de la chaîne de traite- déformé ? Nous allons lui ap- tuelle). On peut également ment allant de l’acquisition pliquer une transformation lutter contre cette limitation des signaux et des images à inverse, nous allons le décon- en multipliant les angles de leur interprétation. L’analyse voluer. La déconvolution est vue : c’est le grand succès de critique et l’élargissement de la pierre philosophale du trai- la tomographie qui utilise les la notion de rapport signal sur tement des signaux et des résultats mathématiques de bruit, la prise en compte de images. Formellement très l’inversion des transforma- l’ensemble des informations simple (une division après tions intégrales. La moisson utiles replaçant la déconvolu- transformation de Fourier), de résultats est ici très riche : tion dans la classe générale elle s’avère très risquée pour la tomographie médicale des problèmes inverses, les des raisons fondamentales is- (scanner), la prospection sis- nouvelles pistes ouvertes à la sues du m auvais conditionne- mique, l'échographie, le représentation des signaux et ment de la transformation in- contrôle non de structif, des images et les premiers verse. Cette difficulté est l’astronomie, la radioastro- succès obtenus dans la syn- analysée dans plusieurs des nomie... ont largement pro- thèse de signaux et d’images articles qui suivent. Là aussi gressé sur la base de ces tech- complexes ouvrent la voie une approche partielle niques. aux recherches futures. s’avère improductive. Pour Finalement, la mise en for- Jean-Louis Lacoume, mener à bien la déconvolu- me conduit à la synthèse de professeur à l'Institut national tion, il faut revenir à une vi- signaux complexes. C’est le polytechnique de Grenoble

54 LE COURRIER DU CNRS N° 77

un bruit de fond continu plus ou moins La restauration des vieux stationnaire. A défaut de modifier le signal musical ou le signal de parole dans l’enregistrement, il est tentant de sup- enregistrements primer ou de réduire ces bruits parasites. En fait, l’idée d’une telle opéra- tion suffit à alimenter de violentes polémiques. Par exemple, il a été évo- Si la suppression des craquements à l’aide des méthodes numériques qué «la poésie du craquement» qui permet facilement d'améliorer la qualité d'écoute, la suppression du pourrait être exprimée par le fait que le bruit de fond permanent est une opération plus délicate. support, outre l’enregistrement de musique ou de parole, recèle une empreinte qui lui est propre, témoin de son histoire, le rendant ainsi unique. Jean-Christophe Valière, venant de fonds privés ou publics. La suppression des bruits impulsionnels a été tentée initialement avec des Silvio Montrésor, L’Institut national de l’audiovisuel pos- sède l’ensemble des archives sonores de techniques analogiques et peut être ef- Jean-François Allard la radio et de la télévision depuis 1936. fectuée maintenant efficacement et sans Des collectionneurs possèdent jusqu’à dommage pour le signal avec des techni- 120 000 disques dont certains sont les ques numériques. Le craquement est e nombre de documents sonores derniers exemplaires d’une édition. La d’abord localisé, soit simplement par ses composantes dans l'aigu en utilisant un stockés dans le monde est diffici- prise de conscience de la collectivité lement estimable. Pour la Fran- pour cette masse de documents se re- filtre passe-haut ou une décomposition L sur une base d’ondelettes, soit par son ce, la Phonothèque nationale est déten- trouve dans le vocable maintenant cou- trice d'environ un million d’archives ramment utilisé de «patrimoine so- évolution temporelle différente de celle sonores, tous supports confondus, pro- nore». Comme pour nos églises du signal musical ou du signal de parole romanes ou nos cathédrales gothiques, au moyen de la prédiction linéaire. Une on a le souci de reconnaître la valeur de interpolation de l’enregistrement avant et après craquement peut être utilisée Old recording restorat n -Digital signal ces fonds, les maintenir en l’état et si io pour reconstituer le signal. Une telle Processing can be used to remove possible les rediffuser. opération est présentée sur la figure ci- impulse noise and background noise jointe. Dans cette étape, la prédiction jresent in old recordings. The detec- Le charme discret des tion of the impulse noise, and the re- linéaire et la décomposition sur une base d’ondelettes sont des outils efficaces. :onstitution of the signal where impul- craquements se noise is located, can be performed C’est dans les années soixante-dix Le problème du bruit de fond continu est beaucoup plus délicat. Des techni- by using linear prediction or wavelets. que la restauration de ces fonds ques basées sur la soustraction spectrale The removing of the background noise commença à être envisagée. Les mises au point en télécommunications has important drawbacks, such as mu- dégradations des vieux enregistrements sont utilisées, mais le remède peut être sical noise or a modification of the se traduisent par des bruits parasites qui signal, and must be performed cau- peuvent être classés essentiellement en pire que le mal, l’opération pouvant se traduire par l’adjonction de bruits para- tiously deux catégories, d’une part des bruits impulsionnels brefs, les craquements, et sites (le bruit musical) rendant l’écoute d’autre part désagréable. D’autre part, le signal utile peut être modifié si le traitement est effectué sans discernement. Par contre, une meilleure restitution des transitoires musicaux (attaques) peut être obtenue par une décomposition préalable du signal dans un banc de filtre à bandes d’octave.

Jean-Christophe Valière, chercheur au Laboratoire d’acoustique de l’Université du Maine (URA 1101 CNRS).

Silvio Montrésor, chercheur au Labora- toire d'informatique de l'Université du Maine.

Jean-François Allard, professeur à l’Université

du Maine, responsable-adjoint du Labo- ratoire d'acoustique de l’Université du Maine (URA 1101 CNRS), avenue Olivier Messian, Exemple de restauration d'un disque 78 tours; (a) signal original de 32 BP 535,72017 U Mans Cedex. millisecondes, (b) détection par ondelettes puis interpolation par prédiction linéaire.

L£ COURRIER DU CNRS N° 77 55

FILTRER ET SYNTHETISER

La réduction de bruit en acoustique Acoustique sous-marine : sous-marine est un domaine important du traitement du signal et fait l'objet de programmes de recherche à long terme comment réduire le bruit ? concernant une meilleure identification des liaisons «capteurs de références-sonar» par des techniques de filtrage non Les bruits ambiants et ceux générés par le navire lui-même limitent les linéaire, l'optimisation de la position capteurs de référence et une connais- performances des systèmes sonar. Comment en réduire l’influence et sance statistique approfondie des bruits ambiants accroître ainsi leur portée de détection ? .

Christine Servière, ordre de marche (déséquilibre de ma- André Silvent, chines, usure d'engrenages...) dans le but d'une intervention, et la soustrac- Daniel Baudois tion d’une partie des bruits propres en utilisant des informations supplémen- Christine Servière, chargé de r echerche es systèmes sonar ont diverses taires provenant de capteurs de réfé- au CNRS, Centre d’études des phénomènes utilisations : lo calisation et rence situés près des sources de bruit aléatoires et géophysiques (URA 346 CNRS). identification de corps immergés L accessibles, et en identifiant des fonc- André Silvent, ingénieur à la Direction (sous-marins, bancs de poissons...), tions de transfert entre les capteurs de des constructions navales. Centre d'études des communications avec des navires ou des référence et le système sonar. phénomènes aléatoires et géophysiques (URA stations fixes, ou échosondage. L'efficacité des méthodes de traite- 346 CNRS). Ils reçoivent, en plus du signal ment du signal est claire sur l’exemple Daniel Baudois. maître de conférences à porteur de l’information utile, différents de soustraction de bruit donné sur la l’Institut national polytechnique de Grenoble, bruits qui diminuent leurs performances figure. En éliminant le bruit propre du Centre d'études des phénomènes aléatoires et en limitant leur portée. La réalisation de géophysiques (URA 346 CNRS). Ecole natio- navire, on fait apparaître la trace d’un nale supérieure d'ingénieurs électriciens de systèmes performants est liée à u ne objet de faible puissance auparavant Grenoble, BP 46. 38402 Saint-Martin-d’Hères bonne connaissance des bruits ambiants mal identifié. Cedex. (turbulences océaniques, vagues, pluie, ressac, bruits biologiques...) et des bruits propres au navire, d’origines mécani- ques, électriques ou hydrodynamiques (bruit de machines, vibration de coques, hélices,..). Dans le cas des bruits ambiants, où il ne peut y avoir intervention à la source, des méthodes de traitement du signal \ existent pour la réduction du niveau des bruits qui prennent en compte les connaissances a p riori du signal recher- ché (détection) ou des statistiques temporelles et spatiales du bruit.

Les bruits propres du navire Dans le cas des bruits propres, des études sont menées pour minimiser, par construction, les-bruits à la source (étude de la position du sonar, étude de profils et de matériaux, modification de structures génératrices d’excitation, blindages électriques...). Les méthodes de traitement du signal interviennent, à l’exploitation, à deux niveaux : la localisation des sources de bruit du navire en

Noise reduction in underwater acoustics - The efficiency of sonar systems is limited by the ambient noise and interferences generated by the ship. Different methods of signal processing (analysis and fîltering in En écoute passive, on mesure au cours du temps le niveau d’énergie frequency, time and spatial domains) provenant de chaque direction d’observation ; (a) le bruit propre du were developed in order to reduce the navire portant le sonar apparaît dans une direction fixe (1 ) et masque une influence of the perturbations and then source de faible puissance en mouvement (2) ; (b) après soustraction de to increase the range of the sonar bruit, la source faible ressort nettement sur toute la durée d’observation systems. (situation simulée).

56 LE COURRIER DU CNRS N° 77

Les courants faibles Front eddv current probe to electricity: weak signals help power generation - In pressurizêd water reactor au secours du courant fort (PWR) power plants, integrity of the steam generator tubes is periodically checked by means of eddy currents probes. Analyzing signals make Dans les centrales nucléaires françaises, l'intégrité des tubes du possible a di agnosis of the tubes (i.e. générateur de vapeur est contrôlée périodiquement à l'aide d'une sonde presence of a f law).The observed à courants de Foucault. Les exigences de sûreté et de productivité signals are mainly corrupted by surface noise. A modifîed version of the Baudois conduisent à développer un système de contrôle largement and Silvent correlo-fîlter is used to filter automatique. out this noise.

■ Bruno Georgel

échange de chaleur entre les circuits primaire et secondaire L’des centrales nucléaires à eau pressurisée s'effectue dans le générateur de vapeur, formé de plusieurs milliers de tubes métalliques en U. Ces tubes doivent être étanches pour des raisons de sûreté ; ils sont contrôlés périodique- ment et bouchés dans le cas où des dé- fauts importants (fissures) sont détec- tés. Le principe du contrôle est d’induire dans la masse du matériau, des courants (dits courants de Foucault), grâce à une sonde, et de mesurer la variation d’impédance de celle-ci lors de son dé- placement le long d’un tube. On injecte dans la sonde trois fréquences différen- tes de façon à e xaminer la face inté- rieure du tube, toute l’épaisseur, et la

face extérieure du tube. Le signal mesu- ré par la sonde traduit les modifications Le nouveau robot RITMIC déplace les porte-sondes sous la plaque de l’environnement du tube et, en parti- tubulaire du générateur de vapeur; la sonde à courants de Foucault est culier, les défauts éventuels. envoyée dans chaque tube. (Cliché Intercontrôle). Soustraire le bruit de surface œuvre. La technique est fondée sur une Nous avons montré l’application Le traitement de ce signal est rendu référence de bruit ressemblant forte- d’une technique de filtrage numérique obligatoire par la présence de divers ment au bruit perturbateur et calcule, (réduction de bruit) en contrôle non- bruits. Le plus pénalisant est le bruit par intercorrélation, une réponse impul- destructif des tubes d’échangeurs, dans métallurgique ou de surface, dû au pro- sionnelle qui permet de filtrer la réfé- les centrales nucléaires. cédé de fabrication des tubes (lamina- rence de bruit, d’en déduire une estima- La mise en œuvre d’une telle métho- ge). Le bruit observé est la conséquence tion du bruit perturbateur et de la de, en différé actuellement, rend inter- d’une irrégularité d’état de surface (côté soustraire du signal mesuré. La réfé- prétable un s ignal de contrôle qui ne intérieur du tube). Il perturbe la détec- rence « bruit seul » adoptée est le signal l’était pas. Elle permet donc de détecter tion des défauts externes et surtout in- courants de Foucault à l a fréquence de plus tôt (avant percement) un défaut af- ternes. contrôle de 500 kHz. fectant un tube de générateur de va- La difficulté du filtrage tient au peur. On voit ainsi que les techniques recouvrement des spectres du bruit de Filtrage par système expert propres aux courants faibles (le traite- surface et du signal à restaurer : donc un Le résultat d’un tel filtrage sur un si- ment du signal) viennent au secours de filtrage passe-bande classique ne résout gnal de plaque quadrifoliée est tout à la production d’énergie électrique (les pas la question. Il faut recourir aux fait spectaculaire : l’ expert-contrôleur courants forts) : c’est, entre autres, ce méthodes de soustraction de bruit. devient capable de diagnostiquer l’ima- qui motive l’intérêt d’Electricité de En général, le bruit métallurgique se ge, débarrassée du bruit, que lui présen- France à leur égard. compose de quelques raies fines (trois te l’écran. Néanmoins, pour mettre au ou quatre sinus d’amplitude notable) ; point un filtrage efficace en temps réel cette décomposition spectrale est néan- sur toutes les zones de tubes, il faut pas- moins susceptible d’évoluer, jusqu’à des ser à une approche plus sophistiquée changements d’allure très nets. (filtrage adaptatif) et même envisager Bruno Georgel, ingénieur-chercheur, un pilotage de la fonction « filtrage » par EDF, Direction des études et recherches. Dé- Une variante itérative du corrélo-fil- partement surveillance diagnostic maintenan- tre de Baudois et Silvent a été mise en un système expert. ce, 6. quai Watier, BP 49, 78401 Chatou Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N" 77 57

FILTRER ET SYNTHETISER

mation utile (amélioration du rapport Du signal sismique signal sur bruit) et à séparer les diffé- rents types d’ondes réfléchies par le sous-sol (séparation d’ondes). à la structure du sous-sol Nous avons développé une technique de filtrage dérivée des méthodes utili- sées en acoustique sous-marine, utilisant la matrice spectrale des signaux. La matrice spectrale décrit, fréquence par Une nouvelle technique de filtrage multi composantes permet fréquence, l’énergie d’interaction entre d'améliorer la qualité des images sismiques du sous-sol et facilite leur les signaux reçus sur les différents cap- interprétation. teurs. La diagonalisation de la matrice spectrale permet de séparer du bruit les ■ François Glangeaud comporte un é metteur d'ondes élasti- informations utiles contenues dans le ques et un récepteur enregistrant les sous-espace engendré par les vecteurs mouvements du s ol en fonction du propres associés aux plus grandes va- algré les progrès technologi- temps. Pour éliminer les effets perturba- leurs propres. Par projection des don- ques de notre siècle, le sous-sol nées sur ce s ous-espace, on améliore le de notre Terre n’est toujours teurs, le sondage sismique utilise la com- M binaison de nombreux signaux issus de rapport signal sur bruit. pas transparent. En fait, ce que l'on ob- Les différents types d’ondes consti- serve par les sondages acoustiques est plusieurs dispositifs émetteurs/récep- teurs. tua^ le signal utile sont ensuite séparés souvent compliqué : l’histoire du sous- par projection sur des modèles. Cette sol se traduit par l’existence de couches Un sondage sismique produit donc des images (figure a) formées par les seconde étape du traitement requiert géologiques qui ne sont bien définies signaux reçus sur un réseau de capteurs l’introduction de connaissances issues qu’en première approximation. de la modélisation de la propagation. Un sondage sismique élémentaire alignés, répartis régulièrement sur le sol. L’image, dénommée section sismique, décrit le champ d’onde acoustique Front seismic sienal to underground réfléchi par le sous-sol en réponse à une structure - A new multidimensionaî excitation impulsive brève émise au ni- signal processing method: spectral veau du sol. François Glangeaud, directeur de re- matrix filtering (SMF) is proposed to A partir de la section sismique, on cherche au CNRS, directeur du Centre de trai- veut remonter à l a structure du sous-sol. tement des signaux sismiques, Centre d’études enhance signal-to-noise seismic pros- des phénomènes aléatoires et géophysiques pection image and separate different Pour atteindre cet objectif, on met en (URA 346 CNRS). Ecole nationale supérieure types of waves. œuvre des techniques de traitement du d'ingénieurs électriciens de G renoble. BP 46, signal destinées à faire ressortir l’infor- 38402 Saint-Martin d'Hères Cedex.

Données de la campagne de prospection ECORS (Etude de la croûte continentale et océanique par réflexion et réfraction sismique) dans le golfe de Gascogne. Nous sommes en présence de deux ondes seulement. Le traitement sépare la section Initiale en trois sections, présentées avec les mêmes échelles, (a) section sismique initiale formée de 40 signaux fonction du temps, issus de 40 capteurs régulièrement espacés. Une couche géologique réfléchissante est localisée sur la partie gauche de la figure (motif plus noir), mais on estime mal ses limites; un deuxième motif apparaît à droite, mais il convient de le séparer du premier pour l’identifier, (b) section onde réfléchie sur la couche, (c) motif après traitement, identifié comme une onde diffractée par une faille, (d) section bruit estimé, (e) modèle physique présumé, (f) modèle estimé mettant en évidence la structure de la taille. ((Contrat CEPHAG/IFP, résultats publiés dans la thèse de M. Gavin).

58 LE COURRIER DU CNRS N* 77

Lissage adaptatif de potentiels évoqués

Comment améliorer la localisation de certaines ondes caractéristiques de l'activité électrique du cerveau en réponse à des stimulations? de stimulations qui fatiguent l’organis- Christian Doncarli, me et ne permettent plus de faire l’hypo- Pierre Guiheneuc thèse précédente. Les résultats obtenus n’ont alors pas une grande signification interprétation des potentiels et on propose un traitement réduisant le m évoqués nécessite classique- nombre de moyennes nécessaire à ment d’effectuer la moyenne l’obtention d’un rapport signal/bruit au- synchrone des réponses successives à un torisant le diagnostic. Pour cela, on tra- train de stimulations pour en améliorer vaillera sur un pe tit nombre de moyen- le rapport signal/bruit. Mis à part les nes dont le rapport signal/bruit sera problèmes de durée de l’examen et de amélioré par un lissage temporel adap- désagrément pour le malade (chaque tatif. stimulation est constituée par jne dé- Le lissage proposé est basé sur une charge électrique pour les potentiels modélisation ARIMA (présence d’inté- évoqués sensitifs, un clic sonore pour les grateurs) du signal traité, dont les carac- potentiels auditifs...)» Tutilisation de téristiques statistiques sont estimées en moyennes synchrones repose sur la temps réel par un filtre spécifique. Ces stricte répétabilité des potentiels évo- paramètres (variables au cours du qués d’une réponse à l ’autre. Or l’amé- temps) sont ensuite injectés dans un m o- lioration souhaitée du rapport signal/ dule de calcul analytique d’un filtre de bruit nécessite parfois un grand nombre Kalman asymptotique employé en aller- retour (lissage). On dispose ainsi d’une procédure Adaptive smoothing of evoked adaptative : les paramètres du filtre de Kalman sont variables au cours du potentials - Evoked potentials are significant brain responses to temps et calculés en temps réel à p artir external stimulations, disturbed by du signal lui-même, permettant tour à the basic electroencephalographic tour de suivre les grandes déflections (le activity. Their analysis needs an filtre devient alors automatiquement improvement of the signal/noise ratio, plus «nerveux») ou de filtrer le bruit. classically performed by the time- D’autre part, l’utilisation d’une procé- locked average of a s et of responses dure aller-retour élimine tout retard

to a train of stimulations. We propose dans la localisation des extrema du si- évoqué somatosensible (nerf tibial). an important reduction of gnal (latences) dont l’évaluation est pri- On trouvera de haut en bas quelques the number of stimulations by an mordiale en diagnostic. réponses élémentaires, la moyenne adaptive smoothing. synchrone de 128 réponses, la moyenne des 16 premières réponses, et enfin le résultat du lissage de cette dernière, permettant sans aucune difficulté la localisation automatique de l'onde P40 après 16 stimulations.

Christian Doncarli, professeur des uni- versités. Laboratoire d’automatique de Nantes (URA 823 CNRS). Ecole nationale supérieure de mécanique, 1, rue de l a Noë. 44072 Nantes Cedex 03.

Pierre Guiheneuc. professeur agrégé des Universités, chef du Ser vice d’explorations fonctionnelles du CHR de Nantes, Laboratoire Fig.1 - Poste d'examen hospitalier en cours de fonctionnement. On peut de physiologie. UER de médecine. Université distinguer l'unité de stimulation sensitive, la grappe d’électrodes de de Nantes. 1, rue Gaston Veil, 44035 Nantes recueil des potentiels évoqués et l'unité de traitement numérique et de Cedex. visualisation.

LE COURRIER DU CNRS N" 77 59

FILTRER ET SYNTHETISER

en limite l’emploi. Elles sont aussi im- puissantes à éliminer les bruits ambiants : il faudrait leur fournir une réfé- Réduction de bruit rence de bruit qui fait en général défaut en audioconférence dans les applications visées. Utiliser plusieurs micros Une autre solution consiste à em- ou dans les mobiles ployer plusieurs microphones, et traiter Comment le traitement du signal permet de capter la parole l’ensemble des signaux qu’ils délivrent. Un tel traitement porte le nom de « for- d'un locuteur en rejetant le bruit et la parole d'autres locuteurs. mation de voie adaptative » : on forme en effet à partir des signaux multiples une voie unique dont on peut contrôler Yves Grenier à tout instant les caractéristiques. L'origine de ces techniques se situe dans le domaine du radar, ainsi que du sonar. Il i vous avez déjà participé à une s'agit dans ces applications de retarder audio-conférence, vous avez pu les divers signaux et de les sommer, Sconstater combien le confort d’une manière telle que l'on engendre d'écoute est faible. Le plus souvent, la des interférences constructives pour le parole de vos interlocuteurs vous est dif- signal utile et destructives pour les si- fusée par les hauts-parleurs à un niveau gnaux perturbateurs. Pour les problè- trop bas, pour lutter contre l’effet Lar- mes d’acoustique aérienne, où les si- sen engendré par le retour des sons du gnaux occupent une bande de fréquence haut-parleur vers les microphones. Pour relativement large, les retards devien- une salle d’acoustique donnée, peut-on nent des filtrages, que l’on peut réaliser trouver des moyens de dépasser le seuil par des moyens analogiques, ou bien par au delà duquel se déclenche cette insta- des moyens numériques en profitant des bilité ? Voilà un pari que peut se donner progrès récents des microprocesseurs de un traiteur de signal avec les techniques traitement du signal. qui lui sont propres. Aux Bell Labs de AT&T existe depuis plusieurs années une antenne de Téléphoner sans les mains 400 microphones pour les salles de Considérons une autre situation. On conférence. Les traitements s’y font par voit de plus en plus des conducteurs pi- des moyens analogiques. Dans le lotant leur voiture d’une main et tenant département Signal de Télécom Paris, de l’autre le combiné de leur radio-télé- nous étudions une antenne de 15 phone. Pour des raisons de sécurité, ce microphones pour l’audioconférence et comportement déjà prohibé aux USA le une antenne de 8 microphones pour la sera bientôt en Europe. Mais à quoi bon voiture. Toutes deux réalisent les un téléphone de voiture si son seul usage Mesure en chambre sourde traitements de manière numérique, avec se limite à la voiture arrêtée? La solu- d'une antenne à 15 microphones, un échantillonnage du signal à 16 kHz. tion consiste à passer à une téléphonie Les évaluations menées dans notre mains-libres, c’est-à-dire sans combiné. Effectuer une bonne prise de son dans laboratoire montrent que la formation de Et l’on retrouve le problème précédent : chacun de ces deux contextes requiert voie adaptative pour une prise de son l’habitacle de la voiture renvoie l’écho donc de débruiter les signaux, les déré- multimicrophone est une technique à du signal reçu, tout en réverbérant la verbérer, annuler les échos indésirables promouvoir : elle se comporte au moins parole émise. Pis encore, la voiture avec et ceci, bien entendu, sans distordre le aussi bien que l’annulation adaptative tous ses bruits (moteur, roulement, signal utile. Les techniques portant le pour éliminer les échos, et elle est la aérodynamique) va noyer la parole du nom de « soustraction spectrale » corri- seule à permettre en même temps le rejet locuteur dans un bruit pouvant aller jus- gent le spectre du signal émis en lui re- du bruit ambiant et la déréverbération du qu’à la rendre inintelligible. tranchant celui du bruit, mais le signal signal utile. utile est souvent distordu par ce traitement, et la soustraction du bruit n’est que partielle, étant donné la difficulté d’estimer le spectre de ce bruit. Noise reduction for audioconference Pour annuler l’écho acoustique, d’au- or in mobile vehicles - A microphone tres techniques reposent sur une identi- array followed by an adaptive beam- fication du canal acoustique responsable former permits the recording of the de l’écho. Connaissant le signal émis par speech signal from one speaker, while le haut-parleur, et celui recueilli par le rejecting ambient noise and speech si- microphone, on peut identifier un mo- gnais from other speakers. For audio- dèle de ce canal, puis synthétiser une conférence, écho cancellation and de- approximation de l’écho que l’on sous- ■■ Yves Grenier, professeur à l'Ecole nationale supérieure des télécommunications, Dé- reverberation are also achieved by traira au signal avant de l’émettre. Ces techniques sont assez performantes, partement signal. Laboratoire traitement et this adaptive array. communication de l'information (URA 820 mais la complexité du canal acoustique CNRS). 46. rue Barrault, 75634 Paris Cedex 13

60 LE COURRIEFl DU CNRS N° 77

Inverse problems – Many signals and Les problèmes inverses image processing problems are better solved when considered as Les méthodes de régularisation des problèmes mal posés sont de plus inverseproblems. Regularization methods, either deterministic or en plus employées en traitement du signai et des images. stochastic, give strong basis to control the propagation of experimental errors which is often cru- ■ Guy Demoment, La cartographie du s ous-sol par ré- ial. André Lannes flexion sismique (voir l’article de F. Glangeaud), l’imagerie par synthèse d’ouverture en astronomie (voir l’article me. Ceci se fait en « fusionnant » dans un ès que l’on veut faire entrer des de A. Lannes), la reconstruction d’ima- critère unique une mesure de la fidélité de la solution par rapport aux données données expérimentales dans un ge par tomographie X (voir l’article de modèle physique, on est P. Grangeat), ou pa r tomographie de expérimentales et une mesure de sa fidé- D diffraction (voir l’article de J.-P. Le- lité à l’a priori. Mais il faut alors trouver confronté à un pr oblème inverse dont la résolution soulève bien souvent des dif- fèbvre), l’imagerie 3D en microscopie un compromis entre ces deux compo- ficultés inattendues. En voici un exem- électronique (voir l’article de J. Lamy), santes antagonistes, ce qui traduit en fait ple très fréquent et d’une grande impor- sont d’autres exemples de problèmes in- la nécessité d’un équilibre entre préci- tance pratique. On cherche à reconsti- verses. Ils soulèvent des difficultés ana- sion et stabilité. Cette situation est typi- tuer, ou pl utôt à restaurer, un signal qui logues et, comme on les rencontre aussi que des problèmes inverses. n’est pas observable directement, à p ar- dans beaucoup d’autres domaines, ils Le cas des modèles linéaires et des tir de l’enregistrement dégradé qui en ont donné lieu à des développements critères quadratiques est assez bien do- est effectué par un instrument d’obser- théoriques importants, essentiellement miné, mais ses limitations sont impor- vation. Moyennant des hypothèses plus en physique mathématique et en statisti- tantes. En effet, les modèles sont sou- ou moins justifiées de linéarité et d’inva- que, sous la poussée des expérimenta- vent non-linéaires, peu ou mal connus riance, le modèle physique est une teurs. Tout tient en un m ot : la régulari- (on parle alors d’inversion myope ou convolution, et le problème à résoudre sation. aveugle), et l’information recherchée est une variété de problème inverse ap- est souvent associée à d es caractéristi- pelée pour cela déconvolution. Le fait Un équilibre nécessaire entre ques locales ou non-linéaires : ruptures, est que ce problème très simple et fort positivité. Ainsi, à titre d’exemple, le répandu offre le désagrément d’être mal précision et stabilité problème de la synthèse de Fourier qui posé. Ceci ne signifie pas qu’il soit mal Dans un pr oblème mal posé, les pro- est central pour beaucoup de techniques formulé, mais simplement que sa résolu- priétés des solutions acceptables ou s i- d’imagerie. Dans ce problème on dispo- tion est très sensible aux inévitables er- gnificatives ne sont pas contenues dans se expérimentalement de valeurs de la reurs dues à l a modélisation : même s’il le modèle physique initial. Il faut donc transformée de Fourier d’un objet posi- est possible d’établir l’existence et l’uni- compléter l’énoncé en introduisant une tif, mais le remplissage du domaine cité de la solution, celle-ci n’est pas sta- information a priori pour extraire, dans spectral n’est pas assez dense et peut ble en présence d’erreurs, ce q ui est ex- la famille des solutions qui sont compati- même présenter des trous fréquentiels trêmement gênant en pratique (voir bles avec les données expérimentales, importants à cau se de contraintes expé- l’article de C. Abry et G. Feng). celle qui correspond le mieux au problè- rimentales. L’application d’une trans- formée de Fourier aux données interpo- lées fournit un résultat généralement médiocre. Mais, par exemple, lorsque l’objet à reconstruire est positif, la seule addition de cette information- supplé- mentaire, au travers d’une mesure d’entropie, suffit bien souvent à amélio- rer les images de manière spectaculaire.

Reconstruction d'une image par synthèse de Fourier. Les données expérimentales sont constituées de quelques valeurs de la transformée Guy Demoment, professeur des univer- de Fourier de l'objet sur des contours algébriques du domaine spectral. A sités, Laboratoire des signaux et systèmes gauche, reconstruction conventionnelle, par interpolation linéaire. L’image (UMR 14 CNRS), Ecole supérieure d’électrici- obtenue est irréaliste, exhibant en particulier des zones entières de valeurs té, Plateau du M oulon, 91192 Gif-sur-Yvette négatives, une mauvaise résolution spatiale, une mauvaise résolution en Cedex. amplitude. A droite. Inversion par régularisation avec l'entropie de l’objet André Lannes, directeur de recherche au choisie comme fonctionnelle régularisante. (Cliché A.M. Djafari, L2S-UMR CNRS, Observatoire Midi-Pyrénées, 14, ave- 14 CNRS). nue Edouard Belin, 31400 Toulouse.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 61

FILTRER ET SYNTHETISER

Ultrasonic reflection tomographv Usual pusle-echo ultrasonic imaging La tomographie ultrasonore is achieved with antennas in order to improve the resolution. The other way explored by ultrasonic reflection to- en réflexion mography is to use a unic broad aperture element moved all around the object and to build images in a f ull Du contrôle non destructif des matériaux à l'imagerie médicale : le numencal manner, as done in X-ray caractère entièrement numérique de la tomographie ultrasonore en tomography réflexion lui confère une grande souplesse d'utilisation. qualité temporelle des signaux émis et la résolution latérale, liée à la qualité spatiale des faisceaux. La première est Jean-Pierre Lefèbvre mesure du retard de propagation per- d'autant meilleure que les signaux sont met de localiser l’inhomogénéité, tandis brefs et donc que la sonde est large ban- orsqu’une onde acoustique ren- que l’amplitude du s ignal renseigne sur de, la seconde que les faisceaux sont

contre une inhomogénéité, elle son importance. La présentation de cet- étroits et donc que la sonde est directive. Lest diffusée dans toutes les directe double information sous forme d’ima- Or plus la dimension du dispositif est tions de l’espace, en particulier vers ge codée en intensité (ou en couleur) de grande (vis-à-vis de la longueur d’onde), l’émetteur qui lui a donné naissance. pixel réalise une véritable coupe du m i- plus cette directivité est forte, ce q ui C’est la rétrodiffusion, ou plus commu- lieu, chaque inhomogénéité (on parle conduit à utiliser des systèmes multiélé- nément l'écho. Son exploitation dans le alors de diffuseur) se traduisant par un ments : les antennes. domaine ultrasonore est assez aisée car point plus ou moins brillant (ou de cou- Une alternative consiste à utiliser une les sondes utilisées sont réversibles et leur différente). C'est le principe de sonde non directive et à scruter l’objet peuvent donc servir pour la réception base de l’échographie. dont on veut réaliser une image sous un comme pour l’émission. L'écho arrive grand nombre d’angles de vue diffé- avec un retard qui correspond au trajet Améliorer la résolution rents, en faisant par exemple tourner le aller-retour sonde-inhomogénéité de Un paramètre important qui déter- capteur autour de l’objet. Un traitement l’onde et sdn amplitude est directement mine la qualité d’un système d’imagerie numérique collectif de l’ensemble des liée à l ’importance de l’inhomogénéité. est son pouvoir de résolution. Pour données, du même type que celui utilisé Si la sonde est bien directive et si on l’échographie, il faut distinguer deux ré- en tomographie X, permet alors, en ex- connaît sa position et son orientation, la solutions; la résolution axiale, liée à la ploitant les redondances, de remonter à la réflectivité locale du milieu. C’est la tomographie ultrasonore en réflexion. Son caractère entièrement numérique lui confère une grande souplesse d’utilisation : la technique de base vaut aussi bien pour le contrôle non destructif des matériaux que pour l’imagerie médi- cale. Lorsqu’on peut faire le tour complet de l’objet, tout se passe comme si on avait affaire à u ne antenne de dimension infinie. La résolution est alors isotrope et égale à l a résolution axiale du transducteur. En fait, l’ensemble des mesures qu'on peut réaliser est discret et présente en général un c ertain nombre de lacunes plus ou moins importantes. Tout l’art du t raiteur de signaux consiste alors à r estaurer l’information man- quante, tant du point de vue spatial (algorithmes de lissage) que fréquentiel (algorithmes de déconvolution).

Tomographie ultrasonore en réflexion : image d’un œil de mouton excisé (d’après la thèse deS.Mensah, LMA, 1990). 180 acquisitions ont été effectuées tous les deux degrés, avec une sonde large bande centrée sur 2,25 MHz. Les signaux échographiques sont enregistrés par un oscilloscope numérique (fréquence d’échantillonnage 20 MHz, quantification sur 8 bits). L’algorithme de reconstruction utilisé est une Jean-Pierre Lefèbvre, chargé de recher- variante de l'algorithme standard, renforcée par un algorithme de lissage che au CNRS, Laboratoire de mécanique et d'acoustique (UPR 7051 CNRS), 31, chemin Jo- spatial et par un algorithme de déconvolution temporelle dû à l’équipe de seph Aiguier, BP 71,13402 Marseille Cedex 9. G.Demoment au L2S.

62 LE COURRIER DU CNRS N* 77

contrôler la progression d’un cathéter dans les coronaires lors d’une angioplas- L’intérieur du corps tie, étudier les déformations osseuses traumatiques ou congénitales pour en trois dimensions concevoir une prothèse ou planifier une chirurgie réparatrice. Pour mesurer des masses et suivre des formes à partir de radiographies X, la reconstruction localise l'information en 3D, facilitant l'analyse des De nouveaux axes structures internes de l'organisme humain. de recherche L’imagerie 3D impose de traiter des millions de données. Une fois l’algorith- mie définie, un second effort de recher- Pierre Grangeat deuxième approche, plus classique et che doit être conduit pour que les calculs plus générale, est de calculer la fonction s’exécutent dans les temps les plus tridimensionnelle f à partir de l’ensem- courts sur des mini-supercalculateurs ble des projections Xf. Le modèle analy- constitués de plusieurs processeurs en e rayonnement X constitue un tique direct reliant l’objet f aux projec- parallèle. L’optimisation des temps de moyen d’investigation privilégié tions Xf suivant chacune des incidences calcul doit porter sur la structure des L pour explorer la matière. Aux est appelé transformation rayon X. La boucles de calcul, les protocoles d’accès énergies de l'ordre de 100 keV, l’inter- reconstruction revient à résoudre le pro- aux données en mémoire, la parallélisa- action avec les tissus organiques intro- blème inverse, c’est-à-dire à mettre en tion des algorithmes. Enfin, pour prépa- duit une atténuation le long d’un rayon œuvre l’enchaînement des transforma- rer l’équipement des systèmes futurs, un rectiligne, proportionnelle à la somme tions nécessaires pour calculer f à partir troisième effort de recherche doit être des masses volumiques accumulées sur de Xf. La fonction f représente alors un entrepris sur l’étude de processeurs dé- ce trajet. Si on représente l’objet étudié ensemble de coupes transverses parallè- diés à la reconstruction d’image. par la cartographie tridimensionnelle f les de l’organisme. Nous avons présenté ici des recher- des valeurs locales de sa masse volumi- Sur cette cartographie, il devient pos- ches associées à l’imagerie 3D par que, la mesure est modélisée comme sible d’isoler une région d’intérêt inter- rayonnement X. Au LETI, de nouveaux l’intégrale de la fonction f le long de la ne à l’organisme et de déterminer sa axes de recherche sont actuellement ex- droite de mesure. Pour étudier la struc- masse volumique moyenne. Par exem- plorés, comme la tomographie d’émis- ture tridimensionnelle d’un objet, on ple, pour le projet TRIDIMOS (voir fi- sion 3D qui permet de réaliser une car- réalise les acquisitions selon différentes gure), il s’agissait de reconstruire une tographie de traceurs radioactifs et de incidences de mesure grâce à un détec- vertèbre lombaire pour étudier la miné- suivre leur évolution dans l’organisme. teur bidimensionnel, par exemple un in- ralisation du corps vertébral. tensificateur d'image radiologique. Pour une direction donnée, la fonction Guider la main du Xf définie par les mesures intégrales as- sociées à chaque pixel constitue donc chirurgien une projection. Sur ces mesures de pro- En outre, cette image 3D reconstruite jection, les structures se superposent les permet aussi d’appréhender la forme de unes aux autres et l’information cumu- structures anatomiques complexes com- lée ne permet pas d’isoler une région me un arbre vasculaire ou une surface d’intérêt. osseuse. C’est l’objectif du projet MOR- PHOMETRE conduit par General Electric Pierre Grangeat, ingénieur au Commis- CGR et dont le LETI est partenaire. Ce sariat à l’énergie atomique, Direction des tech- Localiser l’information système permettra ainsi au chirurgien de niques avancées, Laboratoire d’électronique, de technologie et d'instrumentation, Centre en 3D guider une aiguille de ponction sans en- d'études nucléaires de Grenoble, avenue des L’objectif de la reconstruction est de dommager le réseau vasculaire cérébral, Martyrs, BP 85 X, 38041 Grenoble Cedex. localiser l’information à partir de projections réparties angulairement autour du patient. La première approche, de type vision par ordinateur, est d’automatiser la démarche mentale du radiolo- gue, à savoir détecter les structures par analyse d’image et les reconstruire dans l’espace par mise en correspondance. La

Reconstructing the three-dimensional internai structures of human bodv - X-ray beam provides mass and shape measurements. But on radiographs, internal structures are overlapped. The reconstruction localizes the infor mation in 3D from a set of radiographs and separates each structure. Two Projet TRIDIMOS ; représentation de la forme d’une vertèbre lombaire L3 projects and the main research in 3D reconstruite pour mesurer ia masse voiumique osseuse moyenne du image reconstruction are outlined. corpsI vertébral. (Les acquisitions ont été réalisées sur la maquette expérimentale construite au LETI lors d'une étude cofinancée par le CNES).

LE COURRIER DU CNRS N” 77 63

FILTRER ET SYNTHETISER

restaurer certains termes de phase. La solution des problèmes inverses de syn- Synthèse d'ouverture et très thèse d’ouverture exige donc des métho- des de « synthèse de Fourier » particuliè- haute résolution rement robustes, dans lesquelles doivent être notamment fusionnées les in- Quelques perspectives technologiques liées à la synthèse d'ouverture à formations a priori dont dispose l’obser- très haute résolution, notamment en interférométrie optique et en vateur (voir l’article de G. Demomenl et A. Lannes). imagerie radio. Jusqu’à sa mise en service complète, en l’an 2000, le VLT sera un formidable André Lannes copes optiques jamais implanté sur Ter- banc d’essai pour de nombreuses tech- re. Avec ses quatre miroirs de 8 m de nologies de pointe. Cet aspect est d’au- diamètre et ses trois à quatre téles- tant plus attrayant que l'implantation ‘idée de synthèse d’ouverture copes auxiliaires de 2 m de diamètre, le terrestre du VLT sur un site désertique, est de synthétiser une image VLT (Very Large Telescope) disposera mais accessible, de la Cordillère des An- très haute résolution en utili- d’un mode interférométrique absolu- des autorisera des audaces technologi- sant comme données des informations ment unique qui permettra d’accroître ques qu’on ne peut pas actuellement en- interférométriques obtenues à partir le pouvoir de résolution d’un facteur visager dans un programme spatial. On d’une pupille dont les éléments sont plus 100. Par exemple, pour une longueur peut aussi considérer que l'interféromé- ou moins disjoints. La dimension des d’onde de 0,5 μm et une «pupille vir- trk au sol, dans le cadre notamment du plus petits détails de l'image est inverse- tuelle synthétisée » de 100 m de diamè- VLT, prépare de façon méthodique ment proportionnelle à la distance sépa- tre, la limite de résolution est de l’ordre l’interférométrie du prochain millé- rant les éléments pupillaires les plus du millième de seconde d’arc, ce qui naire. A titre indicatif, on réfléchit déjà éloignés. Il s'agit là d’un principe qui a revient à distinguer une balle de ping- sur les possibilités d’implanter un réseau déjà été très largement utilisé en image- pong (de 2 cm de diamètre) à 4000 km de télescopes optiques sur la Lune. rie radio, par exemple dans les disposi- de distance. Pour atteindre tous ces objectifs il tifs à très longues « lignes de base ». faut, d’une part, réaliser des dispositifs La communauté scientifique est d'au- expérimentaux de très haute technolo- tant plus concernée par ces méthodes Un formidable banc d’essai Les principes observationnels de base gie, et, d’autre part, développer des mé- d'observation que l’Europe a décidé de thodes élaborées de traitement du signal se doter du plus grand réseau de téles- se heurtent à plusieurs difficultés. La première résulte du caractère disjoint et des images, On peut donc s’attendre des éléments pupillaires. La situation à ce que les recherches menées dans le est alors semblable à celle rencontrée en cadre du VLT aient des retombées im- Aperture synthesis method – The image- tomographie médicale lorsqu'il est importantes dans de nombreux secteurs. reconstruction problems raised possible de multiplier les angles de vue : Sont bien sûr directement concernés by the experimental devices of aper- il manque un certain nombre d’informa- tous les domaines où il est question de ture synthesis play a crucial part in tions. En termes plus techniques, le synthèse d’ouverture à très haute réso- radio imaging and optical interfero- spectre de Fourier de l'objet observé est lution : surveillance radar du trafic metry. These very particular problems tronqué par le dispositif expérimental. aérien, suivis radar et optique des satel- of Fourier synthesis give rise to many A cela vient s’ajouter une autre diffi- lites à partir du sol, observation de la studies in signal and image proces- culté : la partie accessible du spectre se Terre à partir des satellites... sing. The field of application directly trouve brouillée par les fluctuations de concerned is of course high-resolution phase introduites par l’atmosphère. imaging. In this very sensitive techni- Comme en cristallographie ou en mi- André Lannes. directeur de recherche au cal context, the prospects and stakes of croscopie électronique quand on cher- CNRS, Laboratoire d'astrophysique de Tou- the e European project VLT (Very Large che à caractériser une structure à partir louse (URA 285 CNRS). Observatoire Midi- Pyrénées. 14. avenue Edouard Belin. 31400 Telescope are examined. de son diagramme de diffraction, il faut Toulouse.

La modélisation du conduit vocal En cherchant à simuler le comportement des organes articulatoires mis en jeu lors de la production de la parole, les modèles de fonctionnement du conduit vocal visent actuellement à l'anthropomorphisme. Louis-Jean Boë, simultanément, cette oscillation le et/ou les narines. Dans la production des Shinji Maeda, transforme en une succession de voyelles, la forme du conduit vocal lais- «poufs» sonores, quasi-périodiques, se la place à un écoulement relativement Pascal Perrier bien caractéristiques de la source voca- régulier (laminaire) alors qu’un fort le. Ce flux aérien et sonore va se propa- étranglement, voire une fermeture, va ger le long des conduits vocal et/ou nasal provoquer l’apparition de bruits de tur- urant l’acte de parole, l'écoule- qui vont le transformer spectralement bulence, ce qui caractérise les conson- ment de l’air issu des poumons (filtrer), jusqu’à radiation par les lèvres nes. Ainsi une occlusion, suivie d’une D fait vibrer les cordes vocales et,

64 LE COURRIER DU CNRS N° 77

bruit fait encore l’objet de nombreuses études. Ainsi, les voyelles sont caracté- risées par une série de résonances principales (les formants) ; au voisinage des consonnes, ces formants vont présenter des transitions. Les trois premiers formants suffisent à l’auditeur pour identifier une voyelle. Ainsi, les études acoustiques ont abouti à la construction de synthétiseurs à formants où les n tuyaux sont remplacés par des filtres en casca- de. Cette représentation de la parole en formants est efficace et explicative tant

d’un point de vue acoustique que per- Fig. 1 • Un modèle articulatoire de ceptif. Elle a permis la réalisation de production qui illustre bien la synthétiseurs : le plus élaboré a été dé- conception « tuyau » ; capable de veloppé par D. Klatt au MIT (KLAT-

TALK ). générer des sons stables, mais peu

Mais la description de l’évolution réaliste d'un point de vue

Fig. 3 - Un modèle tridimensionnel du conduit

physiologique, ce type de modèle n'a temporelle des formants, pour la parole

vocal qui intègre les contraintes mécaniques de

pas permis d'avancer vers la continue, est extrêmement complexe et

la langue (d'aprèsHashimoto et Suga 1986).

compréhension et la production de la

il n'existe pas de modèles généraux de

parole continue (d’après Riesz.

prédiction. Il n’y a pas de correspondan- de positions d’articulateurs qui aboutis-

1939).

ce simple entre une suite de caractères sent à peu près au même résultat acous-

brusque ouverture due au mouvement

(phonétiques) représentant une sé-

tique. Enfin, ajouter à cela que les locu-

des lèvres (p, b, m) ou de la langue (t, n,

quence de sons et les caractéristiques

teurs n’ont pas tous les mêmes conduits

k), provoque un arrêt momentané du

acoustiques de celle-ci. Comme nous

vocaux, qu’ils ne font pas exactement les

signal, suivi d'un très bref bruit d’explo-

l’avons remarqué, le son résulte de la

mêmes gestes pour parler, et qu’ils peu-

sion ; un rétrécissement produit un bruit

disposition et de l’évolution de nom- vent changer, d’un jour à l’autre, leurs

de friction relativement régulier (f, s,

breux articulateurs (cordes vocales, lè- habitudes articulatoires...

ch). La forme des cavités orales résulte

vres, langue, mâchoire, voile du palais)

de la disposition de la langue, de la mâ-

qui sont commandés en parallèle, mais

choire, des lèvres; les fosses nasales

L’approche

dont les mouvements n’évoluent pas sé-

étant mises à contribution si le voile du

quentiellement d’un son à un autre. antropomorphique

palais est abaissé, comme il l'est norma-

D’une part, quand cela n’a pas de consé- Pour toutes ces raisons, il est préféra-

lement dans la respiration. Ce sont plu-

quences acoustiques, certains articula-

ble de spécifier l’organisation tempo-

sieurs dizaines de muscles qui comman-

teurs anticipent de plusieurs sons la po-

relle de la parole sur le plan articula-

dent en parallèle la source et le conduit

sition requise afin de mieux optimiser

toire, avec ses contraintes et variabili-

vocal dont la forme peut évoluer très

leur déplacement. Par exemple les lè-

tés, plutôt que sur le plan acoustique,

vite au cours du temps (un son dure en

vres du s de sou sont arrondies alors que qui n’en est que la conséquence. Il faut

moyenne moins de 100 ms).

celles du s de si sont étirées : elles préfi- arriver non seulement à modéliser les

gurent ainsi la position requise impérati-

déplacements des organes à l’origine

Les limites de l’approche vement pour ou et i. Ce phénomène

des évolutions du conduit vocal, mais

d’anticipation est d’ailleurs bien carac-

aussi inférer des signaux de contrôle de acoustique

téristique de tout geste finalisé. D’autre ces organes et, bien entendu, pouvoir

Les premiers travaux sur la modélisa-

part, il existe de multiples combinaisons confronter ces simulations à de nom- tion de la production de la parole se sont

breuses données d’observation. attachés à simuler le comportement

La jonction avec les services de d'un tuyau acoustique, ayant les dimen-

radiographie des Centres hospitaliers sions du conduit vocal, discrétisé en une

universitaires s’est établie. Il fallait vingtaine d’éléments cylindriques mis

bout à bout, excités par des sources so- accéder aux derniers développements de nores ayant les mêmes caractéristiques l’imagerie médicale: radiocinéma- que la source laryngienne et/ou les sour- tographie, scanner, imagerie par ces de bruit. résonance magnétique, tout un ensemble De 1948 à 1960, ces études acousti- de techniques d’imagerie permettant ques ont permis d'asseoir une théorie de l’acquisition de données. la production du signal de parole. La Certains centres de recherche se sont modélisation précise des sources de spécialisés dans l’acquisition de ces données, dont on devine qu'elles ne peuvent être exploitées que par des

Vocal tract modelline - Speech pro- experts. Des connaissances anatomiques duction models, originally unrealistic et physiologiques accumulées par les acoustic tubes, are now based on ana- spécialistes d’oto-rhino-laryngologie et tomic and physiological data, and de chirurgie maxillo-faciale ont ainsi été thus permit simulation of 3D transmises. Les modèles articulatoires articulatory behavior. Still, the du conduit vocal permettent maintenant development of a simulated or robotic de générer la forme du conduit vocal, en speaker is unlikely in the immediate deux -voire trois - dimensions, à partir future. de ►

LE COURRIER DU CNRS N° 77 65

FILTRER ET SYNTHETISER

► commandes qui simulent le comporte- c’est-à-dire celle qui est optimalement Arriver ainsi à r éaliser un robot par- ment des articulateurs (langue, mâ- utilisée par le locuteur ? Une des lant, c’est faire un grand pas dans la choire, lèvres, voile du palais.. réponses passe par une meilleure connaissance de la théorie du contrôle Dès le début des années 80, certaines connaissance du comportement des du mouvement humain, en robotique, connaissances avancées par les psycho- articulateurs et de leurs évolutions et bien entendu... dans les sciences de la logues spécialistes de contrôle moteur parallèles, mais aussi par une meilleure parole. ont aussi été intégrées. La commande de compréhension du système intelligent la langue et des lèvres, portées par la qui les contrôle : c’est l’approche mâchoire, n’est, après tout, pour cer- sciences de la cognition. tains mouvements, pas radicalement La parole est bel et bien un signal différente de celle de la main déplacée biologique contrôlé à un haut niveau et par le bras, dans le cas d'un pointage de les signaux de contrôle nous restent pra- Louis-Jean Boë, ingénieur-chercheur. cible par exemple. tiquement inaccessibles. En observant Institut de l a communication parlée (URA 368 les trajectoires de diodes lumineuses sur CNRS). Institut national polytechnique de des articulateurs, ou des tomographies Grenoble et Université Stendhal, BP 25 X, 38040 Grenoble Cedex. A quand les robots parlants ? du cerveau à é mission de positons, on Les modèles du c onduit vocal sont reste dans la position d’un observateur Shinji Maeda. directeur de recherche au donc en passe de devenir des robots par- qui tenterait de modéliser les trajec- CNRS, Ecole nationale supérieure des télé- lants et, comme tous les robots, ils po- toires d’une automobile, sans connaître communications, Laboratoire traitement et sent des problèmes de pilotage. Avec communication de l’information (URA 820 les mobiles du trajet du pilote, donc sans CNRS). 46. rue Barrault, 75634 Paris Cedex 13. une petite dizaine de paramètres de pouvoir comprendre l’exploitation par commande, il existe de multiples possi- Pascal Perrier, maître de c onférences à le système nerveux - et plus générale- riNPG, Institut de l a communication parlée bilités de parvenir au même résultat: ment par les signaux de contrôle - des comment donc arriver à c ontraindre (URA 368 CNRS), Institut national polytechni- propriétés physiques internes (musculo- que de Grenoble et Université Stendhal, 46, pour simuler la « bonne » solution, squelettales) et externes (dynamique du avenue Félix Viallet, 38031 Grenoble Cedex. véhicule) à l’organisme.

passant par des modèles plus « anthro- La génération d'un signal pomorphiques» essentiellement basés sur une séparation source-conduit vo- spécifique : la parole cal, ce d ernier étant modélisé par un filtre constitué par des résonateurs en série et/ou en parallèle, jusqu’à l’analo- Le signal de parole est spécifique. Le reproduire, c'est modéliser les gue du conduit vocal (analogue électri- mécanismes articulatoires et acoustiques sous-jacents à sa production : que de la propagation d’ondes planes dans un ensemble de tubes cylindriques une affirmation utopiste? Pourtant... couplés), voire au modèle articulatoire qui propose un modèle de commande de la géométrie du conduit vocal par un Gérard Bailly à la fois de la quantité d’informations certain nombre d’articulateurs (langue, véhiculées et de leur qualité. Aux pro- lèvres, mâchoire). blèmes liés à l 'analyse automatique de a synthèse de parole concerne la textes, viendront s’ajouter dans le pro- génération automatique de signal cessus normal de synthèse, les problè- Des bases de données de sons L de parole à partir d’une entrée mes liés au transfert (passage de la struc- Selon la technique de codage choisie, textuelle (synthèse à p artir de textes) ou ture textuelle ou conceptuelle à u ne deux méthodes essentielles de synthèse d’une description linguistique plus riche structure phonologique), à la méthode peuvent être adoptées: soit la synthèse (synthèse à p artir de concepts, textes de synthèse (production d’une descrip- par unités stockées où le message à syn- générés par traduction automatique) : tion paramétrique du signal à partir de thétiser est reconstitué à partir d’élé- en effet, le signal de parole est le véhicu- cette structure phonologique), et à la ments sonores pré-enregistrés et codés, le physique d’un contenu linguistique et technique de synthèse (production du soit la synthèse par règles où les trajec- paralinguistique (identité du locu- signal acoustique à partir de la descrip- toires des paramètres du codage sont teur...) très important, et, de ce fait, la tion paramétrique). La terminologie interprétables directement et donc re- qualité et l’intelligibilité de la synthèse synthétiseur de parole est réservée à cet- constituables par des connaissances ex- produite automatiquement dépendront te dernière étape du processus de syn- plicites. Le polymorphisme des phonè- thèse : c ’est le domaine privilégié du mes, plus connu sous le terme général de traitement du signal. coarticulation (les phonèmes sont pro- The generation of a specific signal : duits par des gestes articulatoires conti- speech - The speech signal of speech nus et leurs caractéristiques articula- can be coded with different techni- Différents systèmes toires et acoustiques sont entachées par ques, on w hich depend two methods de codage leur contexte phonétique), nécessite of synthesis, using either stored Différentes représentations paramé- dans les deux cas l’enregistrement et unifies or rules. These two ways are triques (codage) du signal sont couram- l’étiquetage d’importantes bases de in competition ; they allow to ment employées: du simple système données de sons comprenant toutes les produce a synthesis of excellent MIC (Modulation d’impulsions Co- configurations acoustiques d’un même quality but don't give a dées: échantillonnage du signal), en phonème. De ce corpus seront tirés soit model of the production mechanism.

66 LE COURRIER OU CNRS N" 77

les éléments sonores (pour le français, synthèse est obtenu en dupliquant et/ou d'énergie, les contraintes sont négo- 36 phonèmes - silence compris - , soit supprimant certaines périodes du signal ciées. Une nouvelle voie de recherches environ 1400 diphones - son qui va de la original et le contrôle de la hauteur en est en train actuellement de s’ouvrir, uti- partie stable d’un phonème à la partie étirant et/ou comprimant chaque pério- lisant de nouvelles techniques: les mo- stable suivante -, soit environ 3 000 po- de). Ces deux modes de synthèse sont dèles connexionnistes permettent de si- lysons - extension des diphones aux ,élé- actuellement en évaluation dans le pro- muler les gestes articulatoires sous- ments comprenant des phonèmes ne jet européen SAM (Speech Assessmeni jacents en prenant en compte les possédant pas de partie stable aisément Méthodologies). Nul ne connaît l'issue contraintes mécaniques et les fonctions définissable, par exemple, les semi- de cette éternelle confrontation entre de coût énergétique de chaque mouve- voyelles comme /j/, présentes dans hier lexique et connaissances... ment. Cette approche permet à la syn- et payer -), soit les règles qui vont pro- Cependant, si ces méthodes permet- thèse de parole de rejoindre les préoccu- poser des cibles pour chaque phonème tent de produire une excellente qualité pations anthropomorphiques des robo- du message et des règles de coarticula- de synthèse grâce à une prosodie adé- ticiens et des psychomotriciens et de ral- tion. quate (ensemble des paramètres contrô- lier enfin la conclusion de Stetson: «la lant l’intonation et le rythme), elles ne parole est un geste rendu audible ». Deux modes de synthèse en modélisent pas les contraintes réelles de Enfin, n'oublions pas le signal visuel, production. En effet, le système physi- composante essentielle de notre com- concurrence que biologique constitué par les organes munication parlée, dont l’importance a Les deux approches sont en compéti- phonatoires - source d’énergie délivrée été longtemps occultée par le téléphone tion : synthèse par règles utilisant le co- par le système poumons-larynx, réso- qui supprime ce surcroît d’intelligibilité. dage par formants (contrôle explicite du nances des cavités buccales et nasales L’esquisse d’un «robot parlant» décrit filtre par ses résonances) ou synthèse contrôlées par la langue, les lèvres, la plus haut aura en plus le mérite d’avoir par concaténation d'unités utilisant des mâchoire et la position du vélum - impo- un visage ! techniques PSOLA (Pitch-Synchronous se ses propres contraintes sur l’ensemble Overlapp and Add : après avoir effectué des signaux qu’il peut générer ainsi que sur le signal acoustique original un mar- sur l'ensemble des trajectoires de quage en périodes - la période étant contrôle admissibles. Ainsi, entre la définie comme l'intervalle de temps sé- transmission d’un code qui exige des Gérard Bailly, chargé de recherche au parant deux ouvertures successives de la gestes différenciables et le système CNRS. Institut de la communication parlée glotte ou écartement des cordes voca- (URA 368 CNRS), Institut national polytechni- contrôlé qui ne peut réaliser que des que de Grenoble, 46, avenue Félix Viallet, les—, le contrôle du débit du signal de gestes lisses en fournissant un minimum 38031 Grenoble Cedex.

Simuler l'espace Simulate auditory space - By convolution of a signal with interaural transfer functions of a sonore subjectif subject, spatial hearing can be simulated under earphones for the same subject. If the transfer Un traitement approprié des signaux permet de restituer sous écouteurs function of a room is included, the la sensation d'espace sonore. Une technique analogue pourrait acoustic quality of that room may be tested prior to its construction. s'appliquer en acoustique des salles. Compensation for some hearing-im- pairments is also possible. Georges Canévet puis codés en séries d’impulsions ner- veuses. Ces dernières font elles-mêmes cessives relève en partie de la physiolo- a perception auditive résulte d’un l'objet de traitements spécifiques, dans gie. mais leur modélisation, sous forme traitement assez complexe des si- les diverses structures du système audi- de fonctions de transfert stimulation- L gnaux acoustiques. Ils sont tif, avant d’être intégrées et interpré- sensation, constitue le domaine de re- d’abord finement filtrés par l’oreille. tées. cherche de la psychoacoustique. Une L’étude de ces transformations suc- telle modélisation a pour but de corn-

LE COURRIÊR DUCNRS N° 77 67

FILTRER ET SYNTHETISER

► prendre les mécanismes de la perception auditive, puis si possible de les simuler. Parmi les applications principales de ces modèles, on peut citer à l’heure actuelle la simulation de l’espace sonore subjectif par écouteur et son exploitation en acoustique des salles, et le déve- loppement de transducteurs électroa- coustiques à compensation. Le traitement spatial On sait depuis longtemps que la localisation de sources sonores est basée sur l’exploitation, par le système auditif, des différences interaurales de temps et de niveau. Celles-ci sont dues à un trajet inégal des rayons acoustiques entre la source sonore et chacune des deux oreilles, et aux effets de diffraction par le corps. Ce que l'on sait moins, c'est que ces deux indices, temps et niveau, ne permettent à eux seuls qu’une vague estimation de la direction des sources, et à condition encore qu’elles ne soient pas situées dans le plan médian de l’auditeur. Une grande partie du façonnage acoustique nécessaire à l a localisation est assurée par les pavillons des oreilles. Ces derniers impriment au signal acous-

tique incident une transformation unique de son spectre, dont les caractéristi- ques sont une fonction typique de la Appareillage servant à étudier la restitution, en chambre sourde, de la direction d’incidence. Les pavillons se sensation d’espace sonore. comportent, suivant le point de vue, brut quelconque avec l’une de ces ré- écouteurs soit techniquement possible. comme une série de résonateurs ou de ponses produit un couple de signaux En fait, l’une des faiblesses éventuelles réflecteurs multiples. Dans les deux cas qui, présentés par écouteurs, doivent réside dans la qualité globale des si- le résultat est le même : le s altérations être perçus comme provenant de la di- gnaux restitués, en particulier s’il s’agit spectrales produites, amplifications ou rection correspondant à la réponse choi- de musique. Cette qualité ne dépend atténuations sélectives de certains inter- sie. Il faut bien sûr inclure dans ce traite- pour le moment que des transducteurs valles de fréquences, constituent une ment la correction des caractéristiques utilisés. Evidemment la qualité des clef ; elles ne sont pas perçues comme de transfert propres des écouteurs. transducteurs, qu’il s’agisse d’écouteurs des modifications de timbre, mais com- ou de haut-parleurs d’ailleurs, est émi- me des changements de direction d’un La qualité acoustique nemment subjective. Pourtant, à partir même signal. de méthodes psychoacoustiques appro- d’une salle priées, on peut aboutir à la définition de La simulation de l’espace L’une des applications de cette simu- transducteurs de qualité optimale. De Si les informations de direction sont lation est l'examen direct de la qualité ce fait, en compensant les caractéristi- entièrement contenues dans la fonction acoustique d’une salle, non plus après sa ques de transfert d’un transducteur don- de transfert du champ acoustique, de construction, mais dès sa conception. né par un traitement préalable des si- l’extérieur au tympan, il e st tentant de On peut très bien envisager qu’il sera un gnaux électriques, on doit pouvoir vouloir simuler ce transfert pour resti- jour possible de calculer avec une préci- simuler le transducteur optimal, et obte- tuer l’espace auditif, uniquement au tra- sion suffisante le champ acoustique dans nir une réponse globale ayant la qualité vers de deux écouteurs. une future salle, simplement à partir de souhaitée. On peut même envisager Plusieurs laboratoires dans le monde ses plans. En choisissant deux points alors d’adjoindre à ce pré-traitement la étudient ce p roblème. La démarche est voisins de la salle, correspondant aux compensation des pertes ou irrégulari- coûteuse mais riche d’applications. Il deux oreilles d’un auditeur virtuel, on tés auditives individuelles, selon un faut tout d’abord procéder à l’enregis- pourrait donc synthétiser deux signaux principe analogue à celui des téléphones trement, sur un auditeur placé en cham- et les combiner aux fonctions de trans- à correction auditive. bre sourde, de la réponse des oreilles à fert mentionnées ci-dessus. L’écoute au une impulsion émise par un haut-par- casque des signaux résultants devrait leur, à u ne distance et dans une direc- alors permettre de simuler l’écoute dans tion données. En quadrillant convena- la salle, d’évaluer sa qualité et d’y ap- blement l’espace autour de l’auditeur on porter les corrections nécessaires. peut ainsi obtenir un nombre satisfai- Georges Canévet, directeur de recher- sant de réponses impulsionnelles, cha- Vers un transducteur idéal che au CNRS, Laboratoire de mécanique et cune représentative d’une direction de Ainsi, dans le principe, on c onçoit d’acoustique (UPR 7051 CNRS), 31, chemin l’espace. La convolution d’un signal que la restitution d’espace sonore par Joseph Aiguier, BP 71, 13402 Marseille Cedex 09.

68 LE COURRIER DU CNRS N°77

Des images 3D en microscopie une méthode de reconstruction 3D à partir de molécules isolées, colorées né- gativement et orientées au hasard dans électronique le plan de l'image. Dans cette méthode, les données utilisées pour la reconstruction proviennent d’une seule exposition Des méthodes d'analyse fondées sur des statistiques du spécimen aux électrons, ce qui limite multifactorielles permettent de voir des particules isolées en trois fortement les destructions. On obtient ainsi un volume de reconstruction dont dimensions. on peut étudier la surface externe ou les structures internes (Fig. 1). Jean Lamy Par ailleurs, le développement de la microscopie sur spécimens congelés- hydratés permet d’observer les l y a longtemps qu'on sait observer macromolécules dans la glace amorphe les protéines isolées en microscopie sans film support. Cette approche, qui électronique (ME). En coloration élimine les déformations induites par le I colorant et par le film de carbone, négative, la méthode la plus courante, la protéine est détruite lors de l’observa- permet d’observer sur une seule prise tion et seule subsiste son empreinte dans de vue l’objet sous toutes ses l'agent contrastant. Les images obte- incidences. Elle a t rès vite conduit à nues sont très bruitées et souvent diffi- une nouvelle méthode de ciles à exploiter en terme de structure. reconstruction.

Les statistiques au secours La localisation des de la microscopie déterminants antigéniques Afin de récupérer sur certaines ima- Fig. 1 - Section dans un volume Ces progrès ont permis la localisation ges l’information détruite dans d'autres, de reconstruction 3D. L’hémocyanine incluse dans le topologique directe de déterminants an- Van Heel et Frank eurent l’idée d’appli- colorant a été emprisonnée entre tigéniques. La méthode consiste à pré- quer l’analyse factorielle des correspon- deux films de carbone puis parer à l ’aide d’anticorps monoclonaux dances (AFC) aux protéines. Cette examinée sous un angle des immuncomplexes qu'on colore né- technique d'analyse statistique multifac- d’inclinaison de 55 degrés. Les gativement et qu’on examine en ME. torielle permit de séparer des sous-po- sous-unités apparaissent dans les Après une analyse d’images par AFC et pulations d'images présentant des diffé- sections sous forme de noyau une classification automatique, les ima- rences minimes. Par exemple, ils d'exclusion du colorant (en rouge ges moyennes montrent le point de fixa- distinguèrent les faces opposées d'une sur la figure). tion de l’anticorps sur l’antigène à une même protéine et reconnurent des mo- résolution de 30 à 40 Â et indiquent lécules reposant sur le film support dans d’inclinaison multiples dégrade progres- qualitativement l’angle du bras de l'an- des positions très voisines. En outre, des sivement le matériel biologique. Ré- ticorps par rapport au plan support méthodes sophistiquées de classification cemment, Radermacher a mis au point (Fig. 2). On construit alors une maquet- automatique rendirent la séparation des te qu’on utilise pour simuler une image sous-groupes indépendante de l'expéri- de ME dont on vérifie l’exactitude par mentateur. rapport à l'image authentique. Grâce aux progrès du traitement du La reconstruction des signal et des méthodes de reconstruction, la résolution atteinte en ME molé- molécules isolées culaire augmente régulièrement. La lo- Dans la reconstruction de protéines à calisation topologique des déterminants partir de cristaux bi- ou tridimension- antigéniques, qui n'était jusqu’à ces der- nels (3D) observés en ME, la nécessité nières années possible que par cristallo- d’observer l’objet sous des angles graphie X, devient maintenant accessible à la ME sans autre limitation que la taille de la molécule. On peut donc pré- dire un grand avenir à la reconstruction Three-dimensional reconstruction 3D de molécules examinées à l ’état and image processing of randomly congelé-hydraté.

jriented particles in electron microscopv - A combination of transmission electron microscopy I Fig.2-Imagemoyenne, and image processing based on ” obtenue par analyse factorielle des correspondances et multifactorial statistics has led to classification automatique, d'un new methods of three- immuncomplexe composé dimensional reconstruction of ran- d'hémocyanine et d'un anticorps domly oriented particles. These me- Jean Lamy, professeur à la Faculté de monoclonal. Le point de contact pharmacie de T ours, directeur du Groupe hods allow the direct topological loca- entre l'antigène et l'anticorps et la d'analyse structurale des antigènes (URA 1334 lization of epitopes on the antigen différence d'orientation entre les CNRS), 2 bis, boulevard Tonnelé, 37042 Tours surface. bras d'anticorps sont très clairs. Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N°77 69

FILTRER ET SYNTHETISER

Analyse multivariée - Multivariate statistical analysis of sequences in spectroscopic imagine - en imagerie spectroscopique Modern spectroscopic imaging provides a l arge amount of data in four dimensions (two spatial coordinates, Comment extraire l'inlormation significative d'un grand ensemble de time, energy). Multivariate statistical données spectroscopiques? Comment réduire le bruit? Comment analysis appears to be a good candida- te for investigating the useful content procéder à une extrapolation ? L'analyse statistique multivariée fournit of these data. It allows for analysis of des éléments de réponse. the sequences, for processing (noise reduction for instance) and for extra- polating (extrapolation to zero dose for Noël Bonnet, instance). Pierre Trebbia

partie nuisible (artefacts, bruits...)? Chaque application particulière implique un ensemble d'outils spécifique, mais un outil de choix semble être l’analyse statistique multivariée (ASM) D’abord appliquée à l ’interprétation des tableaux de données numériques, son extension aux séquences de spectres et d’images semble être très prometteuse

Analyser et traiter l’ensemble des données En recherchant les sources d’information discriminantes dans l’ensemble des données expérimentales, en se débar- rassant de l’information redondante qui cache la partie réellement porteuse d’information, l'ASM permet de visualiser les proximités entre images (ou spectres), qui débouchent sur une possibilité

de classification automatique ; elle per- Fig . 1 - Série d’images de clusters d’uranium « décorant » un filament met aussi de visualiser les proximités en- d’ADN {spécimen fourni par E. Delain, URA158 CNRS, Villejuif). Ces tre pixels (ou canaux énergétiques), qui imagesI ont été obtenues avec des électrons ayant perdu respectivement 44, débouchent sur la segmentation auto- 59, 74, 89 et 112 électronvolts lors de leur interaction avec l’échantillon. matique, et également de modéliser les Seule l’image (e) contient une information caractéristique de la présence lois de variation d’une image (ou spec- des atomes d’uranium (perte d’énergie caractéristique du seuil 0 45 à 100 tre) à une autre. eV) mais les images filtrées (a), (b), (c), (d) sont nécessaires pour Les sources d’information significa- modéliser le fond continu et éliminer l’information non caractéristique. Les tives identifiées et isolées peuvent être images filtrées ont été acquises à l’aide du système développé dans l'unité filtrées à loisir et la séquence d’images de service de Microscopie analytique et quantitative (C. Colliex, C. Mory, peut être reconstituée en n’utilisant M. Tence) autour du microscope à balayage STEM d’Orsay. qu’une partie d’entre elles, rejetant celles qui sont jugées inutiles ou nuisi- bles. On dispose là d’un moyen original es développements récents de la sition plus sophistiqués (spectroscopie dépendante du t emps, séquences d’ima- de filtrage multivariable du bruit. technologie en matière de microanalyse - et de nanoanalyse - per- ges filtrées) ouvrent la voie à l’étude de L la dynamique des éléments diffusibles, Interpoler et extrapoler mettent l’acquisition d'une quantité énorme d’informations sous la forme de ou à l a cartographie chimique élémen- Une application nouvelle de l’ASM différents signaux que l’on peut se re- taire d’un échantillon. est la possibilité d’ «inventer» des don- présenter dans un espace mutidimen- C’est donc bien dans un espace à qua- nées inaccessibles à l’expérience. En ef- sionnel. tre dimensions (deux coordonnées spa- fet, l’interpolation, et à plus forte raison La spectroscopie classique fournit tiales, le temps et l’énergie) qu’évolue le l’extrapolation, sont des opérations dé- l’intensité d’un signal en fonction d’une microanalyste moderne. licates pour des données bruitées. Le variable liée à l'énergie émise ou absor- Comment analyser ces vastes ensem- compactage de l’information qui est réa- bée lors de l’interaction entre les élec- bles de données? Comment en extraire lisé par l’ASM rend ces opérations sinon trons incidents et les atomes en un point l'information réellement pertinente? triviales du moins grandement facili de l’échantillon. L’imagerie permet de Comment compacter ces données qui tées. La reconstitution d’une image dresser une cartographie de l’échantil- peuvent atteindre plusieurs dizaines de « fictive » peut être effectuée en utilisa lon pour une valeur donnée de l'énergie mégaoctets par expérience ? Comment les images factorielles issues de l’ASM émise ou absorbée. Des modes d’acqui- éliminer l’information redondante et la

LE COURRIER DU CNRS N‘77

I et des poids fictifs déduits en interpolant axe 2:13 % de la variance i les poids des images réelles. On dispose alors d'une nouvelle méthode de synthè- se d’images (ou de spectres) sous contrainte. Une application dans le domaine de la microanalyse est l’extrapolation à l a dose nulle : pour connaître le spectre «fictif» d’un échantillon avant irradia- tion, on effectue une spectroscopie réso- lue dans le temps et on extrapole au temps zéro. De manière générale, l’avantage de l’ASM sur les méthodes d'analyse classiques réside dans l'absence de nécessité de fournir un modèle explicatif a priori pour la séquence d’images ou de spectres. Des applications ont déjà été trou- vées dans les domaines de la spectrosco- nie Auger et de la spectroscopie de pertes d’énergie. De n ouvelles retom- bées sont attendues dans le domaine de Fig. 2 - Projection des images sur les axes factoriels 1 et 2, qui la reconnaissance automatique des ca- contiennent 68% et 13% de l'information totale de la série. L’image (e) ractéristiques spectrales d’une zone estI clairement séparée des autres sur l’axe 1. d'échantillon. 1794010200304802000

Noël Bonnet, professeur à l'Université de Reims, Unité «analyse des conformations cellulaires et moléculaires» (U 314 INSERM), 21. rue Clément Ader, 51100 Reims. Pierre Trebbia, professeur à l ’Université de Reims, Laboratoire d’analyse des solides, surfaces et interfaces, BP 347,51062 Reims Ce- dex.

CNRS-AUDIOVISUEL 1. place Aüsîifie-Buancl 92195 Meudon Cedex

LA CAVERNE DE PLATON: CARTOGRAPHIE D’UNE NUIT DE SOMMEIL ET DE RÊVE

Au Centre hospitalier Sainte-Anne ont été enregistrées les activités électroencéphalo- graphiques (EEC) et polygraphiques de veille et de sommeil d'un sujet en parfaite santé, pendant huit heures. Le traitement informatique des enregistrements a permis d’établir une cartographie dynamique co- lorée de l’activité cérébrale.

Ce film se propose d’expliquer comment l'imagerie subjective de l’état d'endormis- Fig. 3 - Projection des pixels sur les axes factoriels. Cette sement et de sommeil paradoxal peut être

I représentation, combinée avec celle de la figure 2, permet d’interpréter reliée aux images des cartes EEG corres- la décomposition en facteurs d’information. L’axe 1 distingue les pixels qui pondantes. contiennent une information significative (contenu en uranium) de ceux qui n’en contiennent pas. Les axes 2, 3 et 4 sont représentatifs d’informations Auteur - réalisateur ; Pierre Etevenon parasites : 50 Hz, bruit statistique, artefact d’acquisition en bas de l'image Co-production : CNRS Audiovisuel, (c). La reconstitution de la série d’images initiale en conservant uniquement INSERM, SPECIA, et BIOCOM l’axe « utile » 1 permet de filtrer l’information « inutile » (50 Hz, bruit 25 minutes -1986 statistique...) et le traitement standard appliqué à cette séquence filtrée donne alors de meilleurs résultats que le même traitement appliqué à la séquence Initiale.

LÊ COURRIER DU CNRS N° 77 71

FILTRER ET SYNTHETISER

Using infographv to enhance vision . techniques - A new strategy is propo- L'infographie au service ! sed to perform the vision task of a ! robot which is viewing an office using I two cameras on an horizontal plane. de la vision par ordinateur I The aim is to produce a synthesizable I scene model, construct from it synthe- I tic images and use the difference bet Deux caméras couleur peuvent donner à un robot le sens de la vue. Elles ween the natural and the synthetic images to refine the vision technique. ne lui permettent pas cependant de « comprendre » une scène à This provides a feedback loop appro- l'intérieur d'un bureau en utilisant uniquement la vision par ordinateur. ach instead of usual open loops ones. L'usage de l'infographie devrait permettre de résoudre le problème.

André Gagalowicz comparant les images naturelles des ca- méras avec les images de synthèse : on ce faire, nous avons mis en œuvre des idée est de faire fonctionner affine la modélisation en cherchant à techniques de segmentation qui décou- vision par ordinateur et info- minimiser l’erreur entre les deux cou- pent chaque image en régions présen- graphie, qui sont deux scien- ples d’images d’une manière aussi bien tant certaines similarités de couleur, L’ qualitative (type de modèle) que quanti- ces duales, suivant une boucle de retour. d’intensité lumineuse. On considère un bureau ; on positionne tative (valeurs des paramètres du modè- Dans la deuxième étape, on cherche à devant cette scène deux caméras sur un le). Le modèle synthétisable à produire trouver les régions de chacune des deux plan horizontal (en position stéréo) par analyse sera constitué de deux par- images qui sont en correspondance, de telle manière que l’angle entre les ties, une partie géométrique et une par- c’est-à-dire, les régions qui sont issues deux caméras soit faible (de l’ordre de 5 tie photométrique. La partie géométri- du même objet, ou de la même facette à 10°) et telle que la distance entre les que doit décrire la scène tridimension- 3D. Cette correspondance s’obtient en centres optiques des deux caméras soit nelle sous forme de facettes planes pou- comparant les attributs des régions faible vis-à-vis de la distance caméras/ vant être réunies en polyèdres et hiérar- (taille, couleur, position du centre de scène 3D. Ainsi les deux images de la chies de polyèdres, et également la loca- gravité, variance...) qui doivent être si- scène sont très similaires car nous avons lisation et l’extension géométrique des milaires de par les conditions de prise de affaire à une projection quasi- sources lumineuses. La partie photomé- vue. cylindrique sur les deux caméras. trique spécifie les propriétés de réflec- A partir de chaque couple de régions tance des facettes (objets) et l’émittance en correspondance obtenu et des don- Obtenir un modèle des sources lumineuses. Comment ex- nées de calibration du système de prise traire ce modèle synthétisable d’une de vue (position respective des deux ca- synthétisable... paire stéréo ? méras, focales, etc.), on a produit (éta- Nous proposons de mettre en œuvre La figure 1 montre un exemple très pe 3) un algorithme global de recons- une technique d’analyse qui produise un simplifié de paire stéréo issue d’une scè- truction 3D (stéréo) qui donne modèle synthétisable de la scène (ce ne de bureau réalisée par synthèse pour l’équation de la facette 3D et sa position n’est pas le cas des techniques existan- tester notre méthode. On analyse dans l’espace. Cet algorithme est global tes!). Un algorithme de synthèse utili- d’abord séparément chaque image. Il dans le sens où l’on utilise les paramè- sant ce modèle en entrée permet de gé- faut en principe retrouver la projection tres globaux de chacune des régions nérer des images de synthèse (couple de chaque objet et/ou de chaque facette (aire, centre de gravité...) pour obtenir stéréo). La boucle de retour se crée en de la scène vue sur le plan image. Pour le positionnement de la facette dans

Fig. 1 - Une paire stéréo construite par synthèse et produisant une scène de bureau simple dont on connaît tous ies I paramètres.

72 LE COURRIER DU CNRS N" 77

dèle 3D. L'erreur de segmentation ne provient que de l’erreur d’estimation du déplacement. Toutes les faces y sont (même les non v ues) et il devient possible d’utiliser la boucle de retour, tout d’abord géométriquement en comparant la segmentation induite par le mo- dèle et la cohérence des pixels de chaque région obtenue. Nous explorons actuellement cette première voie de bouclage.

... puis photométrique Le problème restant, et que nous avons commencé à ét udier, concerne l’obtention de la partie photométrique du modèle synthétisable. Les données sont les résultats de l’interprétation géo- métrique ainsi que les deux images . La lyemière modélisation que l’on étudie est une modélisation lambertienne. On supposera dans une première étape que le rayonnement des facettes est dû avant Fig. 2 - Résultat de reconstruction géométrique obtenu après la tout à l ’éclairage direct des sources lumi- s segmentation et la mise en correspondance de régions issues de la neuses (plus la lumière ambiante). On figure 1 considère pour le moment le cas de facettes non texturées. En première approximation, si les facettes sont loin des sources lumineuses, alors leur intensité apparaît comme constante et identique quel que soit le point de vue. On a pu montrer qu’il est toujours possible de trouver des valeurs de paramètres de réflectance des facettes et d’émittance des sources lumineuses répondant à la question. Cette modélisation génère sur les deux images synthétiques des régions qui sont des approximations constantes (égales à l a moyenne sur la région) de l’intensité réelle de chaque région (approximation d’ordre zéro de l’image). Si l’erreur entre chaque image réelle et son approximation d’ordre zéro est trop importante, on pourra passer à une solution qui tient compte de l’énergie provenant de toutes les autres faces et pas seulement des sources (radiosité). Si cette technique de radiosité est elle- même insuffisante, on a bordera le pro- blème du raffinement de la modélisation

de la réflectance des facettes en incorpo- Fig. 3 - Interprétation géométrique de la scène simplifiée de la figure 1. rant une composante spéculaire au mo- On a représenté en vert les faces issues de l’étape d'analyse et en blanc dèle. lesI résultats de l’interprétation géométrique de la scène. En conclusion, on peut souligner que les résultats obtenus par l'approche ana- l'espace sans passer par des correspon- issues de l’analyse et celtes du modèle du lyse/synthèse sont très encourageants et dances point à point utilisées habituelle- monde, correspondances qui respectent qu’ils permettent d’entrevoir la solution ment (Fig. 2). la similitude des formes des faces et des du problème de l’analyse de scène de contraintes de rigidité sur leur position bureau par ordinateur. ... et sa partie respective. La technique permet de retrouver les faces des objets, qui ne se géométrique... sont pas déplacés dans le repère du mon- L’étape 4 fournit la partie géométri- de, ainsi que le déplacemement entre le que du m odèle synthétisable. On suppo- repère du monde et le repère des camé- se disposer d’un modèle géométrique du ras (Fig. 3). On peut constater que peu monde (ceci peut être un pl an d’archi- de facettes ont été nécessaires pour ob- tecture d’un bâtiment par exemple) tenir une interprétation «exacte». dans lequel le robot doit évoluer. Nous L’intérêt est que la projection du m odè- André Gagalowicz, directeur de recher- avons résolu le problème consistant à che à l'Institut national de recherche en i nfor- le 3D sur tes deux plans images induit matique et en automatique. Domaine de Volu- mettre en correspondance les facettes une segmentation fine pilotée par le mo- ceau, Rocquencourt, 78i53 Le Chesnay Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N°77 73

DECIDER ET CONTROLER

U sens général du ter- sentiellement numérique et pendants et coopèrent. En me, le Traitement du algorithmique. Il consiste à effet, toute exploitation des Signal et de l’Image a réaliser les fonctions de dé- signaux et des images n’a de Apour vocation d’étudier, tection, de localisation, de sens et d’intérêt qu’en rap- concevoir et réaliser des sys- poursuite (ou trajectogra- port avec l’interprétation tèmes d’exploitation des si- phie) et de classification, avec qu’en donne l’utilisateur, que gnaux et des images, considé- comme finalités principales celle-ci soit préalable, conco- rés comme véhicules de la surveillance et le contrôle. mitante ou postérieure à la l'"information”. Aussi, après Le deuxième niveau, qui fait phase d’exploitation. avoir résolu les problèmes de l’objet du c hapitre suivant, a Le présent chapitre se rap- protection contre les bruits et trait à l'“interprétation” des porte plus particulièrement à les intrus, de transmission, de signaux et des images, dans l’étape d’exploitation qui réception (décodage), et de un but de reconnaissance et aboutit à une prise de “déci- mise en forme (filtrage, res- de compréhension automati- sion”. Il s’agit en effet, d’une tauration), le but ultime du ques des phénomènes : la re- manière générale, de réaliser traitement consiste à extraire connaissance automatique de un choix en présence le contenu informationnel la parole et la vision artifi- d’aléatoire, d’incertain, des signaux et des images, en cielle en sont deux exemples. d’inconnu, d’incomplet,... vue d’une prise de décision et Il s’agit ici de traitements dits Ce choix s’appuie sur une ob- donc d’une action. de haut niveau pour lesquels servation aléatoire - le signal Les termes signal et image l’ordinateur est censé repro- à traiter - et concerne un phé- sont alors pris dans un s ens duire au mieux le raisonne- nomène qui n’est pas obser- restreint; ils représentent ment humain, compte tenu vable directement, mais qui l’information utile, par oppo- de l’expertise disponible pour est sous-jacent au signal. Les sition au terme bruit, celui-ci l’application envisagée. C’est aspects en sont très divers, et étant nuisible à celle-là. Il est bien entendu le domaine pri- seuls certains pourront être à noter que la notion d’infor- vilégié de l’intelligence artifi- présentés à travers quatre mation intervient, en traite- cielle, avec une utilisation champs d’application dis- ment du s ignal, à deux ni- croissante des systèmes ex- tincts. veaux différents: quantité perts. Le premier concerne la intéressante dont le signal et En pratique, ces deux ni- surveillance de structures l’image sont le support, et veaux sont fortement interdé- mécaniques complexes (pla- connaissance nécessaire au traitement. En reprenant une image anthropocentrique, cette extraction de l’information joue le rôle dévolu au siège de l'"intelligence”. Les besoins de cette étape conditionnent, pour une large part, les pro- blèmes posés dans les étapes de traitement amont. Cette phase d'extraction de l’information peut être vue à deux niveaux diffé- rents. Le premier niveau qui correspond à une étape Groupe turbo-alternateur EDF du Blayais; les développements en cours conduiront à la d'“exploitation” des signaux surveillance et au diagnostic automatiques de ces ensembles industriels, grâce à des et des images, est de type es- techniques de traitement du signal et d’intelligence artificielle. (ClichéG. Jaumotte.SODEL, photothèque EDF).

74 LE COURRIER DU CNRS N°77

tes-formes off-shore par Pour conclure cette intro- exemple) ou de machines duction, nous devons souli- tournantes, par l'analyse des gner la complexité grandis- vibrations. Il s’agit de détec- sante des systèmes à surveil- ter, et éventuellement de localiser ler et à co ntrôler, rendant la et diagnostiquer (c’est-à-dire prise de décision de plus en déterminer la nature et les causes) plus difficile, et, par voie de des anomalies ou des défauts à des conséquence, nécessitant de fins de maintenance préven- mettre en place des systèmes Image en télédétection spatiale d’une zone tive, de détection de pannes deculture à parcellaire morcelé située dans de traitement de plus en plus ou, de manière plus générale, le Lauragais. Le traitement utilisé vise à élaborés: traitements robus- d’aide à la conduite de procé- mettre en évidence l’humidité des sols. tes et adaptatifs (avec emploi dés industriels. Les approches {©CNRS/CNES/LERTS) de réseaux de neurones for- utilisées reposent essentiellement partir du traitement de si- mels pour les aspects appren- sur l’analyse temps-fréquence et la gnaux et d’images issus de so- tissage), utilisation de mo- détection de ruptures de modèle nars et de radars. Le problè- ments d’ordre supérieur (à associée à une modélisation me consiste à d étecter la deux), coopération de mé- paramétrique du système à présence d’un engin mobile thodes, fusion multicapteur surveiller ou à contrôler. (ou encore d’un banc de pois- sont quelques exemples des Le deuxième champ d’ap- sons), à le localiser puis le approches les plus récentes plication est celui de l’aide au poursuivre (trajectographier) en traitement du signal. diagnostic médical à partir du et l’identifier. La panoplie Devant cette complexifica- traitement de signaux électri- des outils est ici très vaste: tion des traitements, l’outil ques d’activité musculaire méthodes d’analyse spectra- informatique joue un rôle (EMG), cardiaque (ECG), le, de filtrage/estimation as- crucial, offrant des capacités ou cérébrale (EEG), ou en- sociées à d es méthodes de dé- de calcul toujours plus impor- core d’images médicales tection de ruptures de tantes. Il est à souligner (imagerie par résonance ma- modèle ; méthodes de détec- qu’une interaction très forte gnétique, imagerie par méde- tion de contours, de segmen- existe entre les méthodes cine nucléaire, échographie), tation d’images et de classifi- d’une part, et les architec- Le diagnostic consiste ici à re- cation. Pour améliorer les tures de circuits et de ma- connaître certaines patholo- performances, des capteurs chines pour leur mise en œu- gies par des techniques de différents peuvent être utili- vre d’autre part (circuits et classification qui relèvent de sés, ce q ui nécessite alors une processeurs spécialisés pour l’analyse de données et de la fusion de données (associa- le traitement du signal et de reconnaissance des formes, tion multicapteur). l’image). combinées à u ne représenta- Enfin, les deux derniers ar- Cependant, ceci ne doit Ition paramétrique des si- ticles de ce chapitre concer- pas nous faire oublier que gnaux. De même, l’analyse nent : d’une part, la modéli- l’élément humain reste le d’images médicales permet sation numérique de terrain, “maillon” essentiel du pro- de localiser une lésion et d’en obtenue à partir d’une télé- cessus global de décision. caractériser la structure. détection aéroportée et satel- C’est pour cette raison que A ce champ d’application, on litaire, avec comme domaines les aspects ergonomiques liés peut associer également le d'application privilégiés la à la communication homme/ décodage acoustico-phonétique, en géologie, l’hydrographie mais machine occupent aujour- vue de la reconnaissance ou de la aussi la navigation autonome d’hui une place grandissante synthèse (production) de la parole. de systèmes d’armes ; d’autre dans la conception des systè- Le troisième champ d’ap- part, la reconstitution de la mes de traitement. plication est celui de la sur- stratification de l’atmos- veillance du milieu sous-ma- phère, couche par couche, rin ou de l’espace aérien, à très utile en astronomie. Ces Pierre-Yves Arqués, deux dernières applications professeur des universités utilisent des procédés de triangulation. Gérard Favier, chargé de recherche au CNRS

L£ COURRIER DU CNRS N" 77 75

DECIDER ET CONTROLER

Model based monitoring and diagnosis: Structures mécaniques : case studies in vibration mechanics - Convenient multi-sensor signal processing algorithms allow vibration surveiller les vibrations monitoring for complex mechanical structures and rotating machines to be Un traitement de signal muiticapteur permet de surveiller le performed, when they are subject to comportement vibratoire des structures mécaniques et des machines surrounding excitation and in normal functioning mode. A signature of the tournantes sous excitation ambiante et en fonctionnement. structure or the machine can be extra- cted from a simultaneous record of several sensors (e.g. accelerometers or Michèle Basseville, -génération d’une alarme «globale» jauges). Intelligent alarms can be ge- | Albert Benveniste par confrontation de cette signature à u n terated, which specify the possible ^ enregistrement de mesures ultérieur, et origin of the deviations, with respect to es applications industrielles de la ce dans les conditions de fonctionne- this signature, of a s ubsequent multi- ment usuelles de l’objet surveillé, c’est- surveillance des vibrations in situ iensor record. sont diversifiées, que ce soit pour à-dire sans excitation artificielle ni ra- L lentissement de machine ; des structures mécaniques complexes (plates-formes offshore, ponts, barra- - diagnostic, ou génération d’indica- ^a priori est effectué de la façon suivante : ges, bâtiments) ou les machines (turbo- teurs «intelligents» donnant la cause la étant donné une signature et un o util de alternateurs, systèmes d’engrenage). plus probable de l’alarme précédente. surveillance (générateur de l’alarme Des outils de détection et de diagnostic Ce diagnostic peut être en terme de ca- globale), on définit quelles sont les side petits changements de caractéristi- ractéristiques modales (fréquences, dé- tuations de déviation par rapport à la ques vibratoires sont particulièrement formées): les seules informations re- référence que l’on peut discriminer ; cet utiles pour la mise en place de politiques quises sont alors la signature de réfé- apprentissage de directions de change- de maintenance préventive basées sur rence et les nouvelles mesures. Il peut ment se fait essentiellement par classifi- révolution effective de l’état de la ma- aussi être en terme de caractéristiques cation. Ensuite, étant donné de nou- chine ou de la structure surveillée, et mécaniques (masses, raideurs... avec velles mesures, on les projette sur ces non sur une programmation a priori sys- une ébauche de leur localisation) : dans directions. La projection la plus grande tématique. L’algorithmique originale ce cas, il faut disposer en plus d'un mo- donne la réponse au diagnostic. Cette développée, et en cours de transfert in- dèle physique (approché) de la structure projection se fait sans calcul d’une nou- dustriel, fournit des alarmes intelligen- ou de la machine, fourni par le construc- velle signature pour les nouvelles me- tes, c’est-à-dire des alarmes donnant des teur. sures. causes profondes des défauts ou fati- Ce qui assure la cohérence profonde gues. Un apprentissage de cette approche est que les deux opé- en deux temps rations d’apprentissage par classifica- En d’autres termes, on effectue un tion des directions discriminables et de Les points-clés de la projection sont effectuées à l ’aide d’une surveillance muiticapteur apprentissage d’une part de la signature, d’autre part des différents modes de même métrique qui est précisément Ces outils résolvent trois points-clés fonctionnement inconnus. Entre ces celle de l’alarme globale. d’une telle surveillance muiticapteur : derniers on s aura discriminer (donc por- Ces outils, qui peuvent être embar- - acquisition d’une signature modale ou ter un diagnostic) à p artir de la signa- qués, permettent la détection de modifi- « carte d’identité vibratoire » de la struc- Jure, des mesures enregistrées et de la cations non décelables en mono-capteur ture, au vu d’un enregistrement de si- règle de surveillance que l’on s’est fabri- avec les outils classiques à b ase d’analy- gnaux multicapteurs (d’accélérométrie quée. se de Fourier. Ils permettent aussi corré- par exemple), en fonctionnement nor- Cet apprentissage de modes inconnus lativement de proposer un positionne- mal ; ment optimal de capteurs sur la structure pour la surveillance, par optimisation de l’efficacité des tests déve- loppés. Cette démarche de surveillance a en fait été généralisée à d es modèles numé- riques plus larges que ceux liés aux vibrations, et peut être utilisée dans le cadre de la surveillance pour l’aide à l a conduite de procédés industriels (tur- bine à g az, centrale électrique ou thermique, haut-foumeau...).

Michèle Basseville, directeur de recherche au CNRS, Institut de recherches en informatique et systèmes aléatoires (URA 227 CNRS).

Albert Benveniste, directeur de recher- Un exemple d’application industrielle de la surveillance des vibrations in che à INRIA. Institut de recherches en informatique et systèmes aléatoires (URA 227 situ ; la maintenance des plates-formes offshore. Ici, le champ de F rigg CNRS), Université de R ennes I, Campus de en mer du Nord. (Doc Elf Aquitaine). Beaulieu, 35042 Rennes Cedex.

76 LE COURRIER OU CNRS N° 77

A l'écoute des engrenages Earlv detection of faults in gears - Machinery condition monitoring consists of using physical units car- Avant la panne — et ses conséquences économiques - on peut ring information on their mechanical généralement détecter sur une machine des anomalies et porter un state, the aim being diagnosis of faults and prevention of breakdown. Signal diagnostic. L'analyse des vibrations est la technique de surveillance processing techniques (nonstationarity la plus répandue. detection, time-frequency analysis) allow very good extraction of this information. Ménad Sidahmed et en estimer la gravité. Le traitement du signal est la base de ce processus. Actuellement l’analyse des vibrations on les trouve dans tous types d’indus- a surveillance des machines in- est la technique la plus répandue pour la tries: l'automobile (boîtes de vitesses), dustrielles est un moyen reconnu surveillance des machines tournantes ; l’aéronautique (hélicoptères), les indus-

pour augmenter la disponibilité en effet, la plupart des défauts se mani- tries à p rocédés continus (cimenteries, desL machines, garantir la sécurité des festent par des variations connues dans raffineries...) Ce sont des éléments mé- personnes et réduire les coûts de main- les signaux vibratoires, sa mise en œuvre caniques très sollicités, complexes à d i- tenance. C’est une préoccupation im- est simple (capteurs, analyseurs de si- •mensionner et à réaliser (calcul, choix et portante des industriels en raison de gnaux temps réel...), et de plus il n'est traitement des matériaux, taillage des l’emploi de machines de plus en plus pas nécessaire d’arrêter les machines et dents...), qui peuvent présenter des dé- complexes pour assurer des cadences de donc la production. faillances susceptibles de limiter leur du- production élevées, une stricte confor- Dans les systèmes actuels, l’outil de rée de vie. mité des produits fabriqués et ce, en base de traitement du signal est la trans- respectant des normes de sécurité et de formée de Fourier. Bien adaptée à Des dents écaillées nuisance de plus en plus sévères. l’analyse des signaux harmoniques en- Certains défauts, comme l’écaillage gendrés par les machines tournantes, de dents dans les engrenages modernes Les vibrations : des elle présente néanmoins des limitations cémentés trempés (qui permettent de lorsqu’il faut détecter des défauts se ma- passer des couples importants avec des indicateurs nifestant par des non-stationnarités Cette surveillance consiste à p rélever volumes moindres), sont redoutés des dans le signal (un choc, une variation industriels: ils conduisent très rapide- sur les machines des grandeurs physi- brusque dans le signal...). ques diverses (vibrations, bruit, tempé- ment vers la rupture de dents et donc la Les techniques de détection de non- mise hors service de l’engrenage. A rature, pression) que l’on sait porteuses stationnarités (ou de changements), d’informations sur leur état mécanique, l’état précoce, l’écaillage produit des d’analyse temps-fréquence, qui permet- chocs de faibles amplitudes qu’il est dif- à en extraire ces informations pour dé- tent de suivre le contenu fréquentiel au tecter des anomalies, les diagnostiquer ficile, voire impossible, de détecter à cours du temps, peuvent améliorer de l’aide des techniques traditionnelles façon significative la détection et le dia- dans le domaine. gnostic de défauts. Citons comme Des expériences récentes, sur banc exemple les engrenages. Les ré- d’essai de grandeurs industrielles, ont ducteurs (ou multiplicateurs) à montré que les méthodes de détection engrenages sont unitverselle- automatique de non-stationnarités, ain- ment répandus en si que les analyses temps-fréquence, mécanique ; améliorent de façon sensible la détec- tion et le diagnostic de ce t ype de défaut. Les signatures vibratoires d’engrenages étant très complexes, il est naturel d’envisager leurs applications à d’autres types de machines. Avec les progrès actuels des calculateurs, des processeurs spécialisés en traitement du signal, ces techniques sont aujourd’hui accessibles à des coûts mo- dérés. Il est nécessaire cependant de posséder une certaine technicité pour les utiliser. Leur diffusion dans le milieu industriel ne peut être faite qu’avec d’étroites collaborations industries-recherche (logiciels conviviaux, formation...).

Engrenage endommagé.

Ménad Sidahmed, ingénieur au Centre technique des industries mécaniques, 52, avenue Félix Louât, 60300 Sentis.

DECIDER ET CONTROLER

Des résultats significatifs Interpréter l'activité Une base de test a ét é constituée à partir de signaux recueillis en milieu hospitalier pendant des examens clini- électrique du muscle ques de routine, sur deux muscles (pé- dieux et court-fléchisseur) et pour des La complexité du signal d'activité électrique des muscles recueilli en pathologies très répandues (atteintes neurogènes à d ifférents stades). Les ré- surface en fait un défi pour les méthodes de reconnaissance- sultats obtenus sont très significatifs: classification de traitement du signal. L'arsenal actuel des autour de 85 % de bien classés pour des pathologies très proches, et au-delà de techniques permet de le relever 90% pour des pathologies plus éloi- gnées. L’expert humain se déclare en Francis Castanié cède par une approche sur deux plans général incapable de reconnaître les pa- méthodologiques différents, mais très thologies sur le tracé de l’EMG de surfa- interdépendants, que sont la modélisa- ce , et doit avoir recours au recueil simul- e signal électrique d’activité mus- tion paramétrique et la classification. La tané en piqué. culaire enregistré sous forme modélisation repose fondamentalement L’ensemble des algorithmes peut être d’électromyogramme (EMG) est sur l’idée de substituer aux percepts éxécuté par un micro-ordinateur stan- L dard (de type compatible PC) en quel- utilisé depuis longtemps à des fins de usuels de signaux (évolutions tempo- diagnostic, pour reconnaître un c ertain relle ou spectrale), une représentation ques secondes. Ces temps de calcul, et la nombre de pathologies (neurogènes, paramétrique abstraite. Citons quel- modicité des moyens informatiques à myogènes, etc). Pour en avoir une bon- ques mots du c redo du « traiteur de si- mettre en œuvre, sont tout à fait compa- ne discrimination à partir du signal élec- gnal» actuel : les modèles AR, ARMA, tibles avec la pratique médicale. L’écran tromyographique, le praticien doit avoir de Prony, par décompositions propres, de la figure illustre la sortie du diagnos- recours à un r ecueil de signal dit «de etc. délivrent un vecteur de paramètres tic, en terme de pathologie reconnue. piqué», où il va chercher les potentiels qui compacte l’information du signal, et Les autres grandeurs affichées jouent un d’action des unités motrices (notés auquel on peut appliquer des techniques rôle de contrôle du recueil, pour prati- MUAPT dans ce qui suit) à l’aide d’une géométriques, empruntées à l ’analyse cien initié (tracé de l’EMG, spectre...). électrode-aiguille. Malheureusement, de données et à l a reconnaissance des Le traitement des EMG de surface les risques de contagion, réels ou s uppo- formes. Par exploitation des possibilités n’est, à l’évidence, pas le seul signal sés, pourraient condamner à t erme ce des deux domaines, on obt ient un grand complexe justiciable de ces techniques. type de recueil (certains pays européens nombre de triplets (modèle/distance/rè- Des choix judicieux du triplet cité plus le limitent déjà). Il est, de ce fait, impor- gle de classification), qui sont évalués au haut conduisent à des résultats souvent tant d’essayer de mettre en œuvre le sens de leur pouvoir discriminant sur un spectaculaires dans des domaines d’ap- diagnostic à partir des signaux recueillis ensemble de signaux, expertisés par un plication très éloignés: contrôle non en surface. Le signal est alors le résultat spécialiste (base de test). destructif par courants de Foucault ou de la sommation spatiale de nombreux MUAPT, de leur filtrage par la trans- mittance des tissus, de l’interface peau- électrode, etc. Il est souvent inexploitable par l’expert humain, et aucun carac- tère réellement discriminant ne peut être dégagé par les méthodes classiques de traitement du signal, qui résiste à la dispersion inter-individuelle, aux conditions expérimentales, etc.

Une méthodologie à deux étages Dans un problème de reconnaissance- classification automatique de signaux complexes, le traitement du signal pro-

Aided diagnosis bv surface recorded EMG signals - First, the complexity of aided diagnosis relying upon surface recorded EMG signals is discussed. The effîciency of the couple modeling/clas- sifîcation is then highlighted, and an overview of the relevant methodology is given. A learning base constructed with hospital recorded signals is final- Ecran de sortie de l’aide au diagnostic en EMG de surface (cas neurogène/ ly used to illustrate the performance of’ sain). Les barres vertes à gauche donnent le diagnostic du classifieur a pc-based System. automatique, avec un index de distance entre les classes. La partie droite donne des représentations temporelle et fréquentielle du signal EMG.

78 LE COURRIER DU CNRS N° 77

ultra-sons, détection précoce de pannes par analyse de vibrations, contrôle d’al- CNRS-AUDIOVISUEL lumage dans les moteurs... Les signaux 1. place Anstide-Bnanrt 92195 M»-'ii(i

Francis Castanié, directeur du Labora- Auteurs ; Hugo Zemp et Tran Quang Hai toire d’électronique de l’Ecole nationale supé- Réalisateur: Hugo Zemp rieure d’électrotechnique, d’électronique, Co-production : CNRS Audiovisuel d’informatique et d’hydraulique de Toulouse, et Société Française d’EthnomusicoIogie 2, rue Charles Camichel, 31071 Toulouse Ce- 38 minutes -1989 dex.

L'électrocardiographie à haute résolution

Cette technique apporte un effet de loupe par rapport à l'électrocardiographie classique en faisant apparaître une microactivité. L'exploitation de l'information utile, grâce au traitement du signal,

devient un outil de plus en plus précieux pour le cardiologue. Fig. 1 - Exemple d’un

Hervé Rix, ques laboratoires de recherche jusqu’en électrocardiogramme; courbe de Ila différence de potentiel mesuré sur André Varenne 1985. Cette technique tend actuelle- une dérivation ; on obtient les ondes : ment à donner une description fine du P (dépolaiisation auriculaire), signal électrique cardiaque, dont l’inté- Q,R, S (dépolarisation ventriculaire), epuis 1903 (Einthoven), on me- rêt vient de se trouver accru par la dé- T (repolarisation ventriculaire). couverte de micropotentiels pathologi- sure l’activité électrique du cœur directement des microsignaux noyés captée à la surface du corps par ques dus à des dépolarisations ventricu- D laires retardées, à l’origine de troubles dans du bruit : on se synchronise donc des électrodes. Les signaux recueillis sur l’une des ondes principales, et le (électrocardiogrammes) de l’ordre de graves du rythme cardiaque (potentiels tardifs). plus souvent sur le complexe QRS (onde quelques millivolts, traduisent les varia- de dépolarisation ventriculaire). D’autre tions du courant électrique qui, à cha- part, la variabilité du rythme cardiaque que battement, prend naissance au ni- Aligner des microsignaux crée des fluctuations de la distance tem- veau du sinus et assure l’excitation - La technique de sommation synchro- porelle séparant les micropotentiels du contraction des oreillettes, puis celle des ne utilise la répétitivité des battements point de synchronisation choisi. On a ventricules - (Fig.l). Cette électrocar- cardiaques pour faire apparaître les per- donc un défaut d’alignement, phénomè- diographie classique (ECG) devrait, maiîences en atténuant ce qui est aléa- ne de «jitter», dû à la fois à la méthode dans les années à venir, être remplacée toire ou qui n’est pas synchrone du ryth- et aux fluctuations physiologiques, qui par l’éiectrocardiographie à haute am- me cardiaque. Son efficacité varie en se comporte comme un filtre passe-bas. plification ou à haute résolution fonction du degré de vérification des Ces remarques expliquent l'insuccès re- (ECGHR) qui s’est développée depuis deux hypothèses de base : latif de la méthode pour la détection du 1973, mais en restant l’apanage de quel- - les signaux à détecter sont identiques signal de His (conduction oreillette-ven- d’un battement à l’autre ; tricule), et son succès dans la recherche High resolution electrocardiography - - on est capable d’aligner parfaitement des potentiels tardifs ventriculaires gé- This technique has been enhanced by ces signaux avant d’en faire une moyen- néralement liés rigidement au complexe late potential detection. Indeed, cou- ne (synchronisation). QRS. Pour étudier d’autres micropo- pled with signal processing, it would Dans le cas où il n’y a pas de stimula- tentiels que ceux liés à QRS, par exem- be able to extract the fine structure of teur, le respect de la deuxième hypothè- ple la structure fine de l’onde P (ou T), electric heart activity through body se est le problème essentiel. En effet, il est nécessaire de pouvoir aligner les surface records. d’une part, il est impossible d'aligner ondes P (ou T) en dépit d’un mauvais

LE COURRIER DU CNRS N° 77 79

DECIDER ET CONTROLER

Nécessité de l'analyse en Imagerie médicale

La richesse en informations des images médicales numérisées rend difficile leur étude complète par le médecin. Une assistance par analyse de l’image est devenue souvent nécessaire.

Fig. 2 • Exemple de 100 ondes ■ Anne-Marie Laval-Jeantet, complètement opaque et sans détails. A P moyennées: (a) en alignant les Maurice Laval-Jeantet l’inverse, une fenêtre « osseuse » ne per- ondes R, (b) en alignant les ondes met pas d’étudier correctement les tissus P. On remarque que la courbe (b) mous. Les réglages successifs qui per- présente des détails qui n'apparaissent pas sur la courbe (a) roire que le scanographe à mettraient une lecture complète sont rarement réalisés : le médecin centre la à cause d'un «jitter» lié aux rayons X ou l’imagerie par réso- fluctuations de l'Intervalle PR. nance magnétique révèlent sans ______► rapport signal sur bruit. De récents tra- C difficulté les lésions les plus fines est une vaux permettent de réduire notable- opinion courante mais fausse. Une ana- ment l’effet de jitter dû aux variations de lyse statistique de 200 examens scano- l’intervalle PR (ou ST). La figure 2 illus- graphiques de cancers ou de lymphomes tre ce résultat. a montré que 55 % des localisations mé- tastatiques vertébrales n’étaient pas dé- Des signaux répétitifs crites par des radiologistes expérimen- Reste la première hypothèse qui sup- tés. Dans 74 cas, la lecture par le pose les signaux répétitifs. Pour s’en médecin des niveaux de gris correspon- rapprocher, on regroupe les battements dant à l ’os n’avait pas été réalisée car en fonction des écarts de forme entre les elle nécessite un «fenêtrage » spécifique ondes P, ou QRS ou T, grâce à un algo- et la lecture avait été abandonnée après rithme permettant la mesure de faibles découverte d’une anomalie viscérale im- écarts de forme et peu sensible au bruit. portante. Aucune explication n’a été La voie est donc ouverte à u ne étude trouvée au cours des 35 autres observa- sélective des micropotentiels cardiaques tions. en fonction des activités de dépolarisa- tion ou repolarisation des oreillettes et Une lecture incomplète des ventricules. des images Une autre approche, complémentaire La grande dynamique de l’image du de la recherche d’effets moyens, est scanner apparaît donc comme la pre- l’analyse battement par battement qui mière responsable des erreurs de lec- met en évidence la variabilité du ryth- ture : les informations acquises par le me, des intervalles, des formes. Cette faisceau de rayons X sur les tissus traver- analyse peut se faire par sommation spa- sés aboutissent au calcul des « nombres tiale où l ’on moyenne une série d’enre- Hounsfield» (NH) en chaque point de gistrements voisins d’un même batte- l’image. Ceux-ci sont une expression du ment, ou en améliorant la modélisation coefficient d’atténuation de chaque des micropotentiels dans une analyse voxel (équivalent d’un pixel en trois di- temps-fréquence ou temps-échelle. mensions), codé sur 4096 niveaux de La technique d’ECGHR apporte gris. Pour lire les images avec un donc une foule d’informations qui res- contraste suffisant, il est habituel de li- tent encore à exploiter. Cette technique miter la fenêtre d’examen à 100 ou 200 devrait, dans un a venir proche, s’impo- NH au moment de l’affichage sur l’écran ser pour le suivi des affections cardia- et aussi lors de l’enregistrernent sur film. ques ainsi que leur dépistage, et plus Ainsi, la visualisation d’une image du particulièrement la détection précoce foie ou des poumons est-elle faite aux des altérations myocardiques par dépens de l’image de l’os, qui est alors l’étude fine des effets électrophysiologi- ques des médicaments.

The usefulness of medical image ana- Hervé Rix, professeur à l'Université de lysis - During interpretation of digital Détection automatique d’une Nice - Sophia Antipolis, Laboratoire de signaux medical images, a large quantity of asymétrie de la texture vertébrale et systèmes et unité I3S (URA1376 CNRS), 41. significant information is rejected or par « réglons d’intérêt» appariées boulevard Napoléon III, 06041 Nice Cedex. undetected. Automatic analysis of the (b) et comparaison des André Varenne, médecin des hôpitaux, spine and of the lungs in oncologic histogrammes de densités des deux directeur du L aboratoire de c ardiologie, CRE- cases is able to recover important data hémi-vertèbres (c). La lésion était CEC, Hôpital Pasteur, Voie romaine, 06000 une métastase ostéolytique d'un Nice. with a sensitivity of 90%. cancer surrénalien (a).

80 LE COURRIER DU CNRS N° 77

«fenêtre » sur le type de tissu recherché tielles des métastases cancéreuses. ture d’une anomalie détectée. Ces systè- en priorité, et ne procède pas toujours à La figure donne un exemple d’analyse mes sont techniquement implantables l’étude des autres densités. d’une structure symétrique: le corps dans les logiciels des appareils d’image- vertébral. Les localisations cancéreuses rie moderne. y sont toujours asymétriques. Toute dif- Alerter le médecin férence de densité entre deux « régions L’analyse d’image apporte une solu- d’intérêt» tracées symétriquement est tion à ce problème, elle peut employer donc suspecte. La comparaison des den- aussi bien la simple mesure des densités sités ou celle, paramétrée, des histo- associées aux pixels des images numéri- grammes assure une sensibilité de détec- Anne-Marie Laval-Jeantet, chargé de re- sées (exprimées en NH) que les métho- cherche au CNRS, directeur du Laboratoire de tion supérieure à 90 %, toutes patholo- radiologie expérimentale, 10, avenue de Ver- des de la morphologie mathématique, gies confondues. dun, 75010 Paris. ou celles de l’analyse de texture. Ces Ces méthodes n’ont pas encore pour’ dernières sont particulièrement adap- Maurice Laval-Jeantet, professeur à but de faire des diagnostics complète- l’Université Paris VII, chef du Département de tées aux études du poumon ou des vertè- ment automatiques, mais d’alerter le radiodiagnostic. Hôpital Saint-Louis, 1, avenue bres, qui sont les localisations préféren- médecin, lui suggérant de vérifier la na- Claude Vellefaux, 75010 Paris.

Imagerie médicale et infographie

Depuis quelle est devenue numérique, l'imagerie médicale basée sur l'analyse et le traitement mathématique des signaux permet de produire des images de synthèse, caractérisant la structure d'une lésion, la viabilité des tissus et ses propriétés fonctionnelles.

Jacques Chambron sion, etc. sont très riches en informa-

tion ; leur traitement infographique permet de produire de nouvelles images de imagerie médicale moderne synthèse, véritable cartographie de pa- reproduit avec une fidélité ramètres physiques qui reflètent les pro- Fig. 1 • Imagerie RMN et sclérose toujours plus fine l’anatomie en plaques; sur les images L’ priétés structurales des tissus. Deux d’amplitude obtenues par du corps humain, sous forme d’images exemples, l’un en imagerie par résonan- d’amplitude de signaux produits par les renforcement du temps de relaxation ce magnétique (IRM) à propos du cer- T2, les lésions de sclérose en interactions des ondes avec les tissus vi- veau, l’autre en médecine nucléaire sur vants : rayons X, ultrasons, rayons gam- plaques apparaissent sous forme de le cœur illustrent ces nouvelles recher- taches brillantes disséminées dans ma, radiofréquences. Mais ces signaux, ches technologiques infographiques. la substance blanche ; la brillance de dont l'amplitude dépend de paramètres l'image traduit la sévérité de caractéristiques des structures tissu- l’inflammation et de l’œdème laires: densité d’électrons, de protons, Caractériser les lésions associé (a). Les zones d’intérêt temps de relaxation, constante de diffu- peuvent être déterminées En IRM, le contraste dépend de la automatiquement par seuillage (b) densité de protons pondérée par les ou par la méthode des nuées The contribution of infographv to me- temps de relaxation des tissus qui carac- dynamiques (clustering) (c). dical imaging - Medical imaging is térisent leur structure moléculaire dyna- L’image (d) représente une segmentation de la lésion basée sur most efficient when convenient info- mique. L’hétérogénéité de cette struc- l’analyse exponentielle des courbes graphical methods are used. The follo- ture se traduit par des courbes de déclin de déclin d'aimantation T2 wing two examples illustrate its poten- d’aimantation multiexponentielles. traduisant l’existence de structures tiality : firstly, in magnetic resonance L’imagerie conventionnelle qui consiste histopathologiques caractéristiques imaging, the image reconstruction ba- à pratiquer des images d’amplitude de la lésion. sed on true relaxation times, T2, capa- d’écho, à partir de quelques points de ble of visualizing fine histopathologi- cette courbe, ne permet qu’une évalua- rose en plaques, dont les images cal structures characterizing the tion imparfaite de cette hétérogénéité. d’amplitude soulignent la localisation pathology; secondly, in nuclear medi- La visualisation de l’hétérogénéité sous forme de taches brillantes dissémi- cine, the cartography of a perfusion structurale d’une lésion est par contre nées dans la substance blanche. L’analy- tracer triggered by ECG gives the best améliorée sur des images de synthèse se des courbes de déclin d’aimantation, assessment of the infarct lesion’s ex- r reconstruites après une analyse mathé- pixel par pixel, permet d’en savoir plus. tent and of the myocardial kinetics. matique des courbes d’aimantation. Les courbes de la substance blanche, Cette technique a été appliquée à libre de plaques, sont monoexponen- l’étude de la structure de lésions de sclé- tielles avec des constantes de temps T2

LE COURRIER DU CNRS N° 77 81

Fig. 2 ■ L’imagerie tridimensionnelle du cœur en médecine nucléaire : (a), représentation 3D par maillage. Elle consiste à représenter la surface externe qui enveloppe le volume du ventricule gauche par un réseau dont les nœuds sont des points de contour définis sur les coupes grand axe du cœur par leur activité (I) maximum et les trois coordonnées spatiales X, y, Z. La visualisation en perspective est réalisée par la projection du réseau sur un plan focal, matérialisé par l'écran vidéo, à partir de la position d'un observateur ou point de vue : par rotation du point de vue, le réseau est visualisé sous plusieurs incidences, (b), représentation par facettes. Sur une représentation par maillage, il est parfois difficile de distinguer l'image d'une lésion postérieure, à travers le maillage antérieur. Cet inconvénient est levé par une représentation par facettes quadrangulaires limitées par les contours des mailles. Le déplacement du point de vue autour du cœur entraîne la rotation de l’image et permet de découvrir successivement les différentes faces de celui-ci. (c), représentation dynamique. Les images précédentes représentent l’activité moyenne du cœur au cours d’un cycle cardiaque. Un enregistrement de l’activité synchronisée sur le battement cardiaque permet d’obtenir des images à chaque instant du cycle. L’utilisation de l’échelle de fausse couleur « fer porté au rouge » (hot iron) améliore la perception des défauts.

supérieures à la normale, traduisant Le cycle cardiaque en 3D ge permet de dévoiler les faces cachées. l’existence de lésions microscopiques. En utilisant les nouveaux agents de L’effet de relief est amélioré en appli- Par contre, les courbes de déclin des perfusion marqués au technecium, des quant un programme de lissage et dégra- lésions sont biexponentielles, la compo- images tridimensionnelles du cœur, par dé par ombrage. La restitution séquen- sante longue caractérisant les remanie- maillage ou par facettes, peuvent être tielle des images, en appliquant un ments cellulaires plus importants dont reconstruites à chaque instant du cycle mode ciné, simule le battement de la les lésions sont le siège. cardiaque. Les lésions d’infarctus sont lésion et ses conséquences sur la cinéti- Les distributions de ces temps de re- alors visualisées au cours de la contrac- que du muscle cardiaque (Fig. 2c). laxation T2 longs calculés sur chaque tion cardiaque, ce qui permet d’éliminer Ces exemples illustrent les améliora- pixel sont généralement multimodales, le flou cinétique et préciser ses consé- tions des performances des imageries les modes les plus longs correspondant à quences sur les contractions des parois médicales obtenues par les méthodes in- Tœdème, et les modes les plus courts à myocardiques périlésionnelles. fographiques, autant dans le domaine la démyélinisation et à la gliose réaction- Les programmes de visualisation par morphologique que fonctionnel. nelle. Sur les images reconstruites en maillage consistent à reconstruire une assignant à chaque pixel le mode de la image tridimensionnelle en formant un fenêtre de l’histogramme à laquelle il réseau à partir des éléments du contour appartient, la lésion apparaît segmentée des coupes perpendiculaires au grand et formée de parties de pixels contigus axe dont la couleur est le reflet de leur (Fig.l). Cette segmentation est le reflet activité (Fig.2a). Dans ce mode de re- de la cœxistence des diverses structures présentation, la visibilité d’un défaut sur histopathologiques caractérisant la lé- une face du cœur peut être hypothéquée sion. par la superposition de l’image en ré- En IRM les efforts de recherche por- seau de l’autre face. Cet inconvénient Jacques Chambron, professeur à l’Uni- tent sur l’amélioration de la spécificité est éliminé par une représentation par de la caractérisation tissulaire ; ils s’atta- versité Louis Pasteur, directeur de l’Institut de facettes d’une maille dont la couleur re- physique biologique, Unité «applications bio- chent, en médecine nucléaire, à amélio- présente l’activité moyenne de ces logiques et médicales de la RMN et GBM» rer la localisation et la détermination du contours (Fig.2b). La rotation de l’ima- (URA 1173 CNRS), 4, rue Kirschleger, 67085 volume d’une lésion. Strasbourg Cedex.

82 LE COURRIER DU CNRS N" 77

représentation adéquat (on peut choisir par exemple l’espace des paramètres Le phonème: spectraux). Le décodage acoustico-pho- nétique revient dans ces conditions à « suivre » un point évoluant sur sa trajec- onde ou corpuscule ? toire (définie par sa courbe paramétri- Existe-t-il une analogie entre la physique de la matière et la que) pour y détecter les cibles acousti- physique des sons de la parole? ou, peut-on définir des unités ques (fig. a). Cela revient donc à considérer qu’une certaine particule se phonétiques facilement localisables dans le signal ? déplace dans un espace multidimension- nel de manière déterministe. Le problème est-il ainsi mieux posé ? Les phonèmes sont-ils bien de nature Jean Caelen, terme, on constate cependant que ces corpusculaire ? ou bien ce point de vue Paul Déléglise « particules » ont un comportement in- «cible-trajectoire» ne cache-t-il pas cohérent avec une représentation pho- l’autre nature - ondulatoire - des pho- nétique : certains micro-segments ap- nèmes ? ne certaine vision atomiste du si- partiennent à deux phonèmes simulta- gnal considère que la parole est nément, d’autres sont «immatériels» La nature ondulatoire (un phonème ne se réalise pas vraiment, constituée de phonèmes* - sons des phonèmes Uélémentaires pertinents vis-à-vis de la il reste «intentionnel»), d’autres sont Reconsidérons le problème. Du côté description phonologique de la langue - des artéfacts articulatoires qui n’appartiennent à aucun phonème. De plus production de la parole, il est évident et est organisée comme une chaîne qu’un ensemble de «gestes» articula- d’éléments séparables. Pour le prouver, l’influence du contexte (par exemple le /o/de « pot » est différent du /o/de « sot ») toires (mouvement de la langue, des lè- il suffit d’inscrire ces sons élémentaires vres, etc.) concourent à produire les sur une bande magnétique puis de la fait que les micro-segments ont de multiples façons de se réaliser. Ces micro- sons de parole. Ces gestes n’atteignent découper judicieusement pour disposer pas tous leurs cibles ; pour s’en convain- d’une base de sons pouvant servir en- segments ne sont donc pas très produc- tifs vis-à-vis du décodage acoustico-pho- cre, il suffit d’accélérer le débit d’élocu- suite, par collage de divers morceaux, à tion pour montrer que le nombre de «synthétiser» un discours quelconque. nétique. De ceci se dégage les notions de « ci- phonèmes bien articulés (ayant atteint Hélas, cette synthèse à peu de frais ten- leur cible) diminue de plus en plus. Le tée par Harris en 1953, conduisit à un ble acoustique » - ou réalisation idéale d’un phonème - et de trajectoire, transi- nombre minimum de cibles atteintes, échec: les mots ne peuvent pas être qui garantit l’intelligibilité du message ^ considérés comme la mise bout à bout tions de cible à cible dans un espace de des prototypes sonores de phonèmes. Des micro-segments acoustiques Pourtant l’idée de la séparabilité de la parole a quelque fondement dès que l’on casse les atomes pour y découvrir des particules plus fines, les micro-segments acoustiques. Ces derniers sont bien définis sur le plan acoustique pour lequel on dispose de critères objectifs de séparation : stationnarité locale, discon- tinuités spectrales, ruptures, etc. Si ceci reste possible au sens mathématique du

Phoneme. wave or particle? –It is not easy to detect elementary units (parti cles) on the speech signal because phoneme have neither fixed bounda- ries nor a single pattern. It is more efficient to consider speech as a series of articulatory gestures in terms of acoustical targets and transition bet- ween two consecutive targets as a trajectory. Given these conditions, a pro- Signal du mot “ami”, en bas (c); trajectoire acoustique babilistic function can be associated correspondante, en haut, avec les trois cibles ges phonèmes /a/ /m/ /i with the position of targets along the trajectory, in the space of acoustical (a), et fonction d’émergence temporelle de ces phonèmes au milieu (b) parameters. This point of view gives a double vision on the phonem - as in quantum mechanics, wave and particle - which can allow us to solve the critical problem of the segmentation.

L£ COURRIER DU CNRS N” 77 83

DECIDER ET CONTROLER

►sonore, est le résultat d’une négociation ticulation et au timbre des locuteurs laires » des phonèmes... entre le locuteur et l’auditeur : trop peu ajoute une incertitude supplémentaire En conclusion, la double nature du de cibles atteintes et le message ne sera sur la position absolue de la cible. phonème - onde et corpuscule - doit plus compris. Ces cibles sont donc des être utilisée en décodage acoustico-pho- «lieux de l’espace de représentation» Des idées venues nétique par analogie avec des idées ve- où la probabilité qu’a l’auditeur de per- nues de la mécanique quantique. cevoir un phonème est suffisante. Com- de la mécanique quantique me le physicien, l’auditeur devient un Fort de ce constat, il devient possible observateur qui interagit sur l’observa- de mettre en œuvre des techniques de *Les codes phonétiques ont été fixés par une tion. Autre analogie avec la physique mesure de la «déviation» de la trajec- commission de l’API (alphabet phonétique in- toire pour détecter la présence d’une ternational) en 1935./Par exemple, le mot quantique, une cible réelle (fig. a) - « phonétique » se note Ifonetik/. c’est-à-dire de notre point de vue, un cible, ou des méthodes de «décomposi- phonème - sur la trajectoire sonore n’est tion temporelle » pour calculer les fonc- évidemment qu’une approximation tions d’émergence. Ceci ne peut se faire avec de bonnes performances que par d’un lieu «idéal» et «flou» assorti de Jean Caelen, chargé de recherche au surcroît d’une probabilité d’émission, rapport aux cibles détectées au pas pré- CNRS, Institut de la communication parlée celle de se trouver dans le message émis cédent, ce qui pose le problème du (URA 368 CNRS), Institut national polytech- « bootstrap » c’est-à-dire de la détection nique de Grenoble, 46, avenue Félix Viallet, par le locuteur. Si tel est le cas, le phonè- 38031 Grenoble Cedex. me est bien de nature ondulatoire : une des premières cibles. On ne peut donc «fonction d’émergence» (fig. b) peut résoudre ce conflit que si une reconnais- Paul Déléglise, maître de conférences à être calculée le long de la trajectoire, sance a été faite au préalable en locali- l’Université Paris V, Laboratoire traitement et sant certains micro-segments, les moins communication de l’information (URA 820 elle est vue comme la probabilté de pré- CNRS), Ecole nationale supérieure des télé- sence d’un phonème sur la trajectoire sensibles au contexte, ce qui revient à utiliser certaines propriétés «corpuscu- communications, 46, rue Barrault, 75634 Paris acoustique. La variabilité due à la coar- Cedex 13.

trice interspectrale des signaux reçus par Le goniomètre adaptatif les capteurs et on la réduit en éléments propres. Les vecteurs propres associés aux plus petites valeurs propres consti- La mesure des directions est une fonction essentielle pour les radars et tuent des jeux de pondérations qui les sonars. Utilisant les progrès réalisés en traitement du signal, le conviennent. Les pondérations étant connues, les directions des émetteurs goniomètre adaptatif présente aujourd'hui des performances aux s’obtiennent simplement en examinant limites du possible. les directions pour lesquelles la fonction de directivité du réseau ainsi pondéré présente des minima (idéalement des zéros). On a pu montrer que cette méthode Le goniomètre adaptatif résulte, pour Laurent Kopp était optimale au sens du maximum de l’estimation des directions, des progrès vraisemblance pour estimer simultané- réalisés en traitement du signal. Ces ment la direction de plusieurs émet- progrès concernent d’abord l’utilisation teurs. d’un réseau de capteurs fixes avec les- a goniométrie, mesure de direc- Le goniomètre adaptatif a d’abord été quels on utilise une méthode de pointa- tions, évoquera sans doute un ap- développé comme traitement d’antenne ge électronique (il n’y a plus de mouve- pareil utilisé en radio pour déter- (analyse spatiale : estimation des direc- L ments mécaniques), ensuite la mesure miner l’origine d’une émission : un tions, des distances) et, à ce titre, trouve ne fait plus intervenir l’opérateur mais opérateur oriente une antenne dont la une application privilégiée dans les so- un algorithme qui pointe l’antenne auto- directivité possède un «zéro» jusqu’à nars et les radars, mais il s’utilise égale- matiquement, enfin le traitement per- obtenir un minimum de réception qui lui ment pour séparer des ondes sinusoïda- met de prendre en compte simultané- indique que le zéro est tourné vers les de fréquences voisines (analyse ment plusieurs émetteurs dont le l’émetteur. spectrale : estimation des fréquences). nombre et les directions sont estimés automatiquement. Le principe du traitement consiste à combiner linéairement les signaux The adaptive goniometer - At the ori- i d’un réseau de capteurs en jouant sur les gin of high resolution methods in spa -1 déphasages et atténuations relatives tial processing, the adaptive goniometer is cl (pondérations), de manière à minimiser ose to optimal for estimating the bearings of l’énergie totale de sortie avec la con- several emitters simul aneously. It has t trainte que la puissance du bruit en sor- applications in radars sonars and spectral , tie soit fixée. Laurent Kopp, chef du service Traite- analysis. ment du signal, Thomson Sintra, Activités sous- Pour calculer pratiquement le jeu des marines, Parc de Sophia Antipolis, 525, route pondérations à utiliser, on estime la ma- des Dolines, BP 138,06561 Valbonne Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N" 77

d’état maximisant un critère statistique Le sonar et la fonction donné. La figure montre les positions estimées au cours du temps d’un bruiteur détecté par un sonar passif, ainsi dépistage que les domaines de probabilité de pré- sence correspondants. Le sonar évolue vers un grand système à traitements d'image interactif faisant appel à des techniques aussi variées que l'analyse statistique, Un dialogue homme-machine l’ergonomie cognitive et l'imagerie informatique. Par rapport à l’exploitation visuelle et auditive - toujours nécessaire - des don- nées issues du traitement du signal tradi- Georges Thomas, une panoplie d’outils bien adaptés à des tionnel, les techniques précédentes né- tâches de détection, d’estimation et de cessitent un aménagement du dialogue Claude Jauffret reconnaissance : restauration du signal homme-machine : l’opérateur est bruité, augmentation de contraste, seg- confronté à la supervision de systèmes mentation de l’image en régions, carac- automatisés, à l’interprétation de don- n sonar de veille (passif ou actif) térisation, recensement et classification nées synthétiques et symboliques, et à la d’objets au moyen d’algorithmes de prise en compte d’informations en pro- est un système destiné à rensei- gner un observateur sur les ob- morphologie mathématique. Ces procé- venance des autres systèmes du navire. Ujets présents dans le milieu sous-marin, dés s’appliquent dans le domaine des C’est pourquoi il est devenu indispensa- et ce en général dans un domaine de coordonnées naturelles des images (azi- ble de recourir aux techniques de com- grandes dimensions. Il exploite pour mut ou distance-temps, fréquence- munication homme-machine et à l’ergo- cela l’information contenue dans des si- temps) ou dans le domaine des fré- nomie au sens large, pour la définition, gnaux transportés par des ondes acousti- quences spatiales associées. Les systè- la conception et la réalisation d’interfa- ques. L’information utile, dans les systè- mes actuels permettent la mise en œuvre ces homme-machine efficaces en exploi- mes passifs, est contenue dans les bruits de ces procédés, en temps réel. tation opérationnelle. rayonnés par les mobiles à repérer ; eUe Les fonctions de pistage (trajectogra- est transportée, dans les systèmes actifs, phie) font appel aux techniques de trai- par l’écho du signal d’émission du sonar tement de l’information de type para- causé par la présence d’un objet. Dans métrique : on cherche à estimer un les deux cas, le signal utile est perturbé ensemble de nombres (vecteur d’état) Georges Thomas, ingénieur de recher- représentant les éléments-but, c’est-à- che de l’Etablissement des constructions nava- par le bruit ambiant. les de Toulon, Groupe d’études et de recher- Les sonars actuels sont des systèmes dire la position, la vitesse, et même la ches de détection sous-marine. complexes, multi-senseurs et multi- signature spectrale; cette opération s’appuie sur des pistes, résultat de l’opé- Claude Jauffret, ingénieur de recherche fonctions ; leur rôle est de fournir in fine de l’Etablissement des constructions navales de les paramètres cinëmatiques des cibles ration d’extraction ; elle s’effectue sous Toulon, Groupe d'études et de recherche de visées. Pour cela, il leur faut dans un l’hypothèse d’un modèle de trajectoire ; détection sous-marine, Le Brusc, 83140 Six- premier temps dégager du bruit de fond elle consiste à rechercher le vecteur Fours-les-Plages. les signaux acoustiques captés par des 3 x 10 hydrophones : les techniques traditionnelles de traitement du signal (spatiales, 47 temporelles, fréquentielles) assurent cette première tâche. Ensuite, des techniques avancées de traitement de 39 l’information sont mises en œuvre afin d’extraire, de localiser précisément et de poursuivre les cibles visées. 31 .

Localiser et poursuivre des 23- cibles Nord rd (mètres) (mètres) ètres) es) Le traitement d’image à plusieurs dimensions est une des techniques avan- 16 ■ cées de traitement de l’information, de type non-paramétrique, utilisées actuellement en sonar ; il analyse globalement le champ intrinsèquement multidimen- 8. sionnel des données (distance, temps, fréquence, azimut...) sans tenir compte des paramètres cinématiques de la cible. 0.

Ce traitement, dit é'extraction, présente

Est (mètres) Sonar and tracking function - System sonar concept is presented, then a survey of the techniques of Résultats d’une trajectographie d’un bruiteur se déplaçant à 7 m/s et à tracking, extraction and target cap constant, par un sonar passif, à partir de mesures d’azimuts, motion analysis is given, implying an l’hypothèse d'une fourchette de vitesse étant faite (entre 10 et 15 m/s). Trait improvement of human-computer rouge plein: trajectoire réelle, points rouges; positions estimées (avec leur interaction.. intervalle d’incertitude), trait bleu ; trajectoire du porteur de sonar.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 85

DECIDER ET CONTROLER

Systèmes de veille et fusion de données

La surveillance aérienne exploite les informations délivrées par divers types de capteurs. La fusion de ces données est une des clés du système de veille global.

Bernard Lachèse, cher les complémentarités à exploiter Pierre-Yves Arqués sur les plans de la présence et de l’importance des perturbations: celles-ci sont généralement décorrélées d’un senseur a raison d’être principale d’un à l'autre sur ces deux plans. En consé- système de veille sur un navire est quence, l’association multisenseur doit L la détection, la localisation, la prendre en compte la connaissance que classification, la trajectographie et le système peut avoir de l’environne- l'identification des mobiles aériens dans ment et des éléments perturbateurs arti- l’ensemble de l’espace à surveiller. Un ficiels, les capacités propres à chaque système de veille peut rassembler un ou senseur, la connaissance possédée sur plusieurs radars, des capteurs de veille les mobiles à d étecter, ainsi que les rè- panoramiques en infrarouge ou da ns le gles de compatibilité électromagnétique domaine visible, des dispositifs d’écoute permettant de limiter les gênes intersen- Ensemble d’antennes ou électronique ; il est illustré par la figure seurs. Un tel problème correspond donc «aériens » sur un navire. qui présente un exemple d’un ensemble à un s ystème complexe de décision, en et brutaux et des réactions nécessaire- d'antennes ou « aériens ». L’une des dif- présence d’une information disponible ficultés du problème à r ésoudre réside ment rapides étant primordial. Enfin, le fluctuante et parfois faible. Il est alors résultat obtenu dans le problème de fu- dans la recherche d’une «fusion» de impératif de suivre une méthodologie données complémentaires mais de ca- sion, et donc la qualité de la description stricte d’exploitation de la théorie et de du milieu extérieur, conditionne la solu- ractéristiques différentes : chaque systè- l’expérimentation pour établir les règles me engendre une représentation élé- tion à ap porter à l a partie interface hom- de fusion à r etenir pour le système spéci- me-machine, problème fondamental mentaire de l’espace, et l’ensemble de fique étudié. ces interventions doit concourir à une dans la conception des systèmes com- L’étude théorique de la fusion fait ap- plexes de décision. description unique de celui-ci. En effet, pel à divers domaines du t raitement du les représentations élémentaires diffè- signal (détection, estimation, filtrage...) rent en raison de l’emploi de senseurs et semble actuellement se proposer l’uti- actifs (radars) ou pa ssifs (infrarouge, lisation de concepts ou théories récents Bernard Lachèse, ingénieur à la Direc- détecteurs), de l’aspect asynchrone des en particulier développés dans le cadre tion des constructions navales de T oulon mesures, de la cadence de renouvelle- (CESDA et conseil scientifique de la sous-di- de l’intelligence artificielle. De m anière rection Etudes). ment, ou des précisions variables selon pratique, les algorithmes à développer les senseurs et parfois selon le lieu de dépendent de manière importante du Pierre-Yves Arqués, professeur à l’Uni- l’espace observé... versité de T oulon et du Var, président du système informatique d’implantation, conseil scientifique de l a sous-direction Etudes l’aspect temps réel (pour des mobiles de la Direction des constructions navales de Un système complexe très agiles) des événements inattendus Toulon, BP77, 83800 Toulon naval. de décision Il faut bien voir que les capteurs sont appelés à t ravailler dans un environne- CNRS-AUDIOVISUEL ment perturbé soit naturellement (fouil- lis de mer radar, infrarouge ou v isi- ble...), soit artificiellement (brouillage, LE ROBOT, LE CHIRURGIEN leurres électromagnétiques, leurres in- ET LES MATHÉMATICIENS frarouges...). Pour résoudre le problè- L’équipe de neurochirurgie du Professeur Benabid, assistée par un robot mis au point à me de fusion, il est nécessaire de recher- l'hôpital de La Tronche à Grenoble, pratique une biopsie crânienne stéréotaxique. Un logiciel permet, grâce à une modélisation 3D, à partir d’imagerie RMN et X, de piloter le robot qui permettra au chirurgien d'optimiser la définition de la trajectoire des instruments. Survey systems and data fusion - The Dominique Hoffman, neurochirurgien, le Professeur Benabid, chef du service de neurochirurgie et le Professeur Demongeot, chef du service d’informatique médicale, expliquent big aerial survey systems use informa- comment le travail des mathématiciens et des informaticiens a permis la réalisation de la tion given by several sensors based on numérisation d'un atlas du cerveau, la représentation 3D des images médicales et la mise en different physical phenomena. By ta- correspondance de toutes ces données. king into account the medium, a main signal processing problem exists in the Image, son, montage et réalisation : Jean-François Dars et Anne Papillault Conseillers scientifiques : Philippe Cinquin et Stéphane Lavallée fusion of the obtained data. The Documents : TIMB global system performances depend Production : CNRS Audiovisuel on the retained solution. 17 minutes -1990

86 LE COURRIER DU CNRS N* 77

Classification d'objets en imagerie sonar

Comment faire la différence, parmi la masse d'images haute résolution des fonds sous-marins rapportées par les sonars, entre les objets naturels et ceux créés par l'homme?

Benoît Zerr, menées au GESMA (Groupe d’études Jean-Pierre Kernin sous-marines de l’Atlantique) depuis 1987 afin de définir les algorithmes permettant la détection et la classification exploration et la surveillance automatique des objets présents sur les des fonds marins à grande fonds marins. L ’ échelle fait appel à l ’emploi de Le but recherché dans le domaine de systèmes sonar haute résolution. L’ac- la classification est, dans un premier Extraction d'objets géométriques icroissement de leurs performances en temps, d’être à m ême de pouvoir diffé- appliquée à différents types de peimes de résolution et de vitesse de rencier les objets naturels des objets terrain, (a) objet cylindrique (1) sur fonctionnement, se traduit par une aug- créés par l’homme. Cette séparation fond de rides ; (b) objets mentation importante du v olume de sommaire en deux classes est fondée sur cylindriques (2 et 3) sur fond de données à traiter. Ce volume pouvant le fait que, contrairement à un ob jet na- sable : (c) objet sphérique (4) sur atteindre plusieurs dizaines de giga oc- turel, un objet créé par l’homme est a fond de cailloux; (d) pas d’objet tets par jour, il est nécessaire d’automa- priori constitué d’un assemblage d’élé- géométrique sur fond de dunes. tiser l’extraction de l’information. C’est ments de forme géométrique simple. sphérique étant très voisines. dans cette optique que des études sont Ces objets se traduisent sur l’image so- Cette méthode de traitement permet nar par la présence d’ombres (voir fi- une classification relativement grossière Obiect classification in sonar imaging gure) dont le contour présente des seg- des objets présents sur les fonds marins. -- Existing sonars give very high reso- ments de droites, des arcs de cercles ou Elle devra être associée à d ’autres mé- lution images of the seabed. d’ellipses... La recherche de telles ca- thodes (réseaux neuromimétiques, clas- However, as data volume and ractéristiques peut être effectuée, sification statistique...) pour obtenir processing time allowed do not moyennant quelques prétraitements, une classification plus fine. increase in the same par emploi de la transformée de Hough. way, ail elementary functions must Comme l’ont montré les tests, cette mé- Benoît Zerr, ingénieur à la Direction des be done automatically. This is also thode est peu sensible au bruit de coda- constructions navales, Groupe d'études sous- the case for detection and ge des contours, et très efficace en pré- marines de l’Atlantique. classification used to find objects sence d’objets de forme cylindrique. Les Jean-Pierre Kernin, ingénieur à la lying on the seabed. Here a résultats obtenus sur les^autres objets Direction des constructions navales. Groupe classification method used sont plus nuancés, .les caractéristiques d’études sous-marines de l ’Atlantique, 29240 to separate natural objects from man de certains cailloux et des objets de type Brest Naval. mode objects is presented.

Le traitement du signal stocks d’espèces pélagiques. Mais la précision de cette méthode est, en parti- et le pêcheur culier, tributaire de la connaissance de la relation entre l’énergie acoustique de l’onde sonore et la quantité de poisson L'appauvrissement des zones de pêche rend nécessaire l'optimisation de détectée. Celle-ci varie avec la taille et l'exploitation de la ressource. L'amélioration des techniques de l’espèce du poisson, mais aussi avec son comportement. détection acoustique peut y contribuer. Des sondeurs large-bande... L’utilisation de signaux large-bande dans la gamme 20-100 kHz, imposée par Roland Person tonnage - qui permet de définir l’effort les portées exigées des sondeurs, est de pêche acceptable - et le respect par prometteuse. L’usage du filtrage adapté les pêcheurs des quotas fixés. Les tech- rend possible la combinaison des pro- a gestion optimale de la ressource niques de détection acoustique y contri- priétés de grande portée et de bonne halieuthique repose sur deux as- buent. résolution. Par ailleurs, l’emploi de si- Lpects principaux : la connaissance L’écho-intégration est utilisée depuis gnaux large-bande permettra d’avoir précise du stock disponible en taille et de nombreuses années pour évaluer les une valeur de la section efficace du pois- ►

LE COURRIER DU CNRS N“ 77 87

DECIDER ET CONTROLER

Signal processing and fishing- New echosounders using advanced signal processing are under development to improve acoustic estimation of fish \and classification of detections. Wideband modulation and multibeam technics give promising results. ►son moyennée sur la gamme de fré- quences utilisée, moins sensible aux effets comportementaux. L’analyse de la signature spectrale est également prometteuse. Une amélioration de la préci- sion des résultats des campagnes d’écho- intégration et de l’identification des dé- tections en est attendue.

...OU multifaisceaux Une autre technique, celle du sondeur multifaisceaux, apporte elle aussi, des progrès importants par rapport au

sondeur monofaisceau usuel, d’autant FIg. 1 • (a) Sondeur classique (monofaisceau) ; à proximité du fond, il que la réalisation, à un coût relative- existe une zone d’ombre dont le volume augmente fortement en ment faible, des transducteurs com- présenceI d’aspérités. Les poissons (2) et (3) ne sont pas détectés: (1) plexes nécessaires pour cette applica- donne un écho confondu avec celui du fond ; (4), (5), et (6) sont détectés tion, a été rendue possible par la mise au sous la forme d'un seul écho ; (b) Sondeur multifaisceau (16 x 2°) ; le point de techniques originales. Les dé- volume de la zone d'ombre est grandement diminué. Les poissons (1), tections au voisinage du f ond sont réali- (2), et (3) sont détectés parfaitement; (4), (5), et (6) donnent des échos sables grâce à l a réduction de la zone séparés et repérés par rapport à l'axe du navire. d’ombre ; les épaves et les croches, sou- En cartouche, les poissons détectés sur écran. vent à peine visibles sur un sondeur usuel, sont mises en évidence et peuvent être positionnées précisément par rapport au navire ; les informations recueillies en temps réel sur la topographie permettent d’identifier immédiatement les fonds rocheux, et celles collectées sur la répartition spatiale des détections amé- liorent leur classification. Dans le futur, l’association de ces deux techniques pourrra déboucher sur un outil puissant de gestion des ressources. En assurant la localisation, l’identification et l’évaluation d’une ressource, il contribuera à son exploitation sélec- tive.

Roland Person, ingénieur à l’IFREMER, Centre de Brest, BP 70, 29280 Plouzane. CNRS-AUDIOVISUEL 1, place Anstide-Briand 92195 Meudon Cedex

HISTOIRE DTSTAR OU SPOT EN RELIEF Conception : Robert Clarke Documents: INRIA, Intervenants: Fig. 2 ■ (a) Sondeur large-bande: détection d’un banc de chinchards. Le Pierre Leymarie et Laurent Renouard banc étant peu dense, la grande résolution en distance du sondeur Réalisation : Jean-François Dars permetI de détecter pratiquement chaque poisson Isolément (échos et Anne Papillault simples). Bande 40-60 kHz: t = 10 ms: sortie du filtre corrélateur traitée Production : CNRS Audiovisuel par le système INES-MOVIES : (b) Sondeur Simrad EK 400-38 kHz : détection 6 minutes -1990 d’un banc de chinchards similaire à celui de la figure 2 (a), mais en sondage classique.

88 LE COURRIER DU CNRS N ° 77

Problématique de la détection de contours La détection de contours passe nécessairement par une définition précise du contour, ia conception de détecteurs adéquats et la mise au point d'une méthodologie.

Djemel Ziou, En 2D, la dérivée seconde peut être ap- Brigitte Wrobel-Dautcourt prochée par le laplacien. ...pour pouvoir le détecter ne image est généralement une La détection de contour est souvent la première étape dans un système de vi- projection d’une scène tridimensionnelle (3D) sur un plan bidi- sion. Son objectif est de fournir une des- mensionnelU {2D). Elle est formée par cription complète de l’image en terme contact des rayonnements des objets de de contours. D’après la définition don- la scène avec un dispositif physique. née précédemment, un contour peut Formellement, c’est une fonction dis- être détecté simplement par le calcul des crète à d eux variables N x N → [0, n], dérivées de l’image. Or, la différencia- où n est le niveau de gris d’un point de tion (le calcul des dérivées) d’une fonc- l’image (luminance). L’image est une tion discrète et bruitée (l’image) est un structure contenant une quantité consi- problème mal posé ; c’est-à-dire qu’elle dérable d’informations, ambiguës et dif- est affectée par le bruit. En consé- ficiles à ex ploiter de façon automatique. quence, un détecteur doit comporter au Parmi ces informations, on distingue les moins deux étapes; lissage puis diffé- frontières des objets présents dans la renciation. C’est le type du c ontour et son utilisation ultérieure qui dirigent le scène. Cette information est nécessaire à la perception de l’univers; il a été choix du t ype et de l’ordre de l’opéra- teur de différenciation (gradient, lapla- : Un exemple d'image à niveaux de montré en particulier que l’être humain ^ gris et les contours de type est capable d’identifier un objet seule- cien, deuxième dérivée direction- nelle...). « marche » extraits. Les contours en ment à p artir de ses frontières. Les fron- (b) représentent les informations tières sont représentées dans l’image par Après quoi, il faut lisser... relatives aux structures des objets des variations du ni veau de gris. Ces Le lissage comporte des effets néga- présents dans l'image (a). variations sont appelées contours. A tifs comme la création de nouveaux - les détecteurs existants sont spéciali- chaque point de contour on associe sa points de contour, l’élimination de cer- sés pour un t ype de contour particulier position, sa force, son échelle, etc. (voir tains d’entre eux ou leur déplacement. et ne peuvent fournir tous les contours sur la figure, où s eule l’information de Cet effet s’aggrave en fonction du degré souhaités dans l’image ; position apparaît). de lissage: fort, il ne donne que les - les contours d’un type donné apparais- contours significatifs, mais ils sont mal sent dans une image à d es échelles diffé- Caractériser un contour... localisés; faible, il fournit trop de dé- rentes. Or les détecteurs sont souvent Un contour peut être caractérisé par tails, mais les contours sont bien locali- paramétrés par l’acuité du résultat à o b- sa force et son type ; la force exprime sés. D’une façon générale, l’exhaustivi- tenir ; son degré de plausibilité dans l'image, le té dans la détection et l’erreur de - les caractéristiques d’un détecteur (fil- type exprime sa signification dans la scè- localisation sont deux critères antago- tre à support fini, type de l’opérateur de ne. Il existe plusieurs types de contours, nistes. différenciation...) influencent directe- par exemple «les marches» qui se si- ment la qualité des résultats : contours tuent généralement entre deux zones de ...pour des résultats fermés, rectilignes, bruit dans l’image... niveaux de gris quasi constants mais dis- souvent décevants ! Il apparaît donc nécessaire d’exécuter tincts. Intuitivement, ce sont les fron- plusieurs détecteurs sur une même ima- tières des objets de la scène. Un point de Malgré les efforts considérables effec- tués dans ce d omaine, les résultats de la ge ; en conséquence, il faut définir des contour de type « marche » correspond à critères de sélection d’un détecteur, des un point d’inflexion de la fonction ima- détection de contour sont souvent déce- vants. Les causes sont multiples. Un lois pour calculer ses paramètres, des ge. Il peut être mis en évidence soit par méthodes de fusion des résultats obte- la recherche du maximum de la pre- premier problème est de trouver une définition complète, précise et globale nus. .. Ceci constitue une nouvelle et im- mière dérivée, soit par la recherche du portante voie de recherche. passage par zéro de la dérivée seconde. du contour et d’utiliser celle-ci pour concevoir des détecteurs plus adaptés. Un second problème est lié à la métho- Djemel Ziou, chercheur au Centre de dologie de la détection de contour, car recherche en informatique de Nancy (URA 262 Problems in edge detection – Edge CNRS). detection is the process that attempts to on intègre généralement; dans un s ystè- select information related to the struc- me de vision un détecte'ûr de contour Brigitte Wrobel-Dautcourt, maître de ture of the objects present in an image. choisi d’une façon «presque» arbitraire conférences à l ’Université Nancy 1, Centre de qui est alors exécuté sur toutes les ima- recherche en informatique de Nancy (URA 262 Edge specification, numerical diffe- CNRS), Université Nancy I, Campus scientifi- rentiation and elaboration of a metho- ges utilisées. Or: que, BP 239, 54506 Vandœuvre-les-Nancy dology of edge detection are discussed. Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N ° 77

DECIDER ET CONTROLER

titution analytique, où le processus de mise en correspondance repose entière- Le terrain et sa représentation ment sur un opérateur humain, par la méthode automatique, décrite ci-des- numérique sous, complétée éventuellement par une phase de validation et de correction confiée à l’opérateur humain. A partir des couples de vues stéréoscopiques réalisées par des avions ou des satellites, une modélisation géométrique et radiométrique permet La modélisation de produire de manière quasi-automatique un modèle numérique de géométrique... terrain. La modélisation géométrique vise à représenter paramétriquement la transformation géométrique entre les coor- données géographiques d’un point au Guy Ruckebusch imageurs radar. Le calcul automatique sol et les coordonnées de ses projections du MNT à partir d’un couple d’images sur chacune des images. Pour SPOT, stéréoscopiques (éventuellement issues huit paramètres modélisant l’orbite et e domaine de l’information géo- de capteurs différents) s’effectue en l’attitude du capteur pendant la durée de prises de vues, suffisent à l ocaliser graphique est en pleine expan- deux opérations : calibration géométri- sion, pour des applications civiles que relative des processus de prises de chaque pixel à mieux que 1 mètre au sol. L Les seize paramètres du modèle global (géologie, hydrographie, équipe- vues (essentielle pour la triangulation) ment...), ou militaires (systèmes de et mise en correspondance d’un champ sont estimés par des techniques de commandement, navigation autonome dense de points homologues. Ces deux moindres carrés à partir d’un petit nom- de systèmes d’armes...). Son élabora- opérations reposent sur une modélisa- bre (typiquement une dizaine) de rele- tion suppose un modèle numérique de tion géométrique et radiométrique (dé- vés (manuels ou automatiques) de terrain (MNT), qui synthétise la connais- licate dans le cas d’images à fort diachro- points d’appui (points remarquables sance tridimensionnelle du terrain nisme) de la chaîne image, incluant d’une image à co ordonnées géographi- naturel et des infrastructures. chaque capteur et la scène observée. ques connues), et de points homologues L’observation de la Terre par télédé- La démarche sera illustrée ici unique- caractéristiques. Cette calibration géo- tection aéroportée et satellitaire per- ment pour un couple d’images SPOT métrique permet de rééchantillonner les met, grâce à l ’émergence de méthodes panchromatiques (images noir et blanc deux images dans une géométrie, dite sophistiquées de traitement du signal et formées de 6 000 prises de vues succes- quasi-épipolaire, où tous les points ho- de l’image, de produire, quasiment en sives d’une barrette de 6 00 0 photodé- mologues se trouvent, à u n écart infé- automatique, des MNT sur de grandes tecteurs, correspondant à un pas au sol rieur au mètre près, sur les mêmes lignes zones à un coût très faible comparé aux de 10 m en visée verticale). La grande d’image. Cette propriété est cruciale méthodes utilisant des équipements au taille des images SPOT fait qu’il est éco- pour l’opération de mise en correspon- sol. L’obtention du MNT à partir d’ima- nomiquement très rentable de rempla- dance, qui se réduit alors à une recher- ges de télédétection repose, en général, cer les procédés classiques de stéréores- che ligne à ligne. En outre, la fonction sur le principe de la vision stéréoscopi- que : deux (ou plusieurs) images d’une même scène vue sous des angles de visée différents permettent, par triangulation de points homologues (points dans chaque image correspondant au même point au sol), de remonter à l’information 3D de la scène (Fig. 1).

Une large variété de capteurs La télédétection offre une large varié- té de capteurs autorisant la vision sté- réoscopique : capteurs passifs tels que caméras photographiques ou électro- optiques (matricielles, linéaires telles que celles équipant le satellite SPOT, ou de type scanner comme pour le satellite Landsat), ou capteurs actifs tels que les

Digital terrain models front airborn or satellite images - Due to sophisticated stereovision techniques, airborn or satellite remote sensing offers the ca- pability to produce, almost automatically, digital terrain models of large Earth areas.. The entire algorithmic Fig. 1 - Elaboration d'un modèle numérique de terrain (MNT) (c) à partir Chain in the case of SPOT images is d’un couple d'images SPOT panchromatiques (a) et (b) dont les angles described. de visée sont différents. En blanc apparaissent les altitudes élevées (relief), et en noir les altitudes basses (vallées).

90 LE COURRIER DU CNRS N° 77

maximum et minimum, pentes maximales) est utilisé pour contraindre la mise en correspondance (effectuée avec une stratégie hiérarchique à résolution croissante) et dans l’élaboration finale du MNT. La faisabilité de l’obtention automatique de MNT à partir d’images stéréos- copiques SPOT est démontrée, au moins dans le cas d’images de bonne qualité et à diachronisme modéré, où les performances sont voisines des performances théoriques (précision altimétri- que de cinq mètres pour deux images à dépointage maximum de 27°). Les travaux de recherche sont axés actuellement sur les thèmes suivants : couplage avec l’interprétation d’images (en particulier dans le cas d’images à diachronisme fort), stéréoscopie à p artir de cap- Æurs hétérogènes (tels que radar et optique), amélioration d’un MNT par prise en compte récursive d’une nouvelle image de la scène, stéréoscopie haute résolution (pixel au sol inférieur au mètre) pour la restitution d’infrastructures.

de disparité (décalage entre points ho- comme critère local de mise en corres- mologues le long d’un couple de lignes pondance dans le cas de diachronisme épipolaires) est proportionnelle à l’alti- modéré, l’inter-corrélation de vignettes. métrie du point au sol correspondant. L’optimisation de ce cr itère est effec- tuée par une technique de programma- Guy Ruckebusch, directeur scientifique tion dynamique, afin de respecter la à la société Matra-MS2I, responsable du Labo- ... et la modélisation ratoire de traitement des images et du signal, radiométrique structure d’ordre sur les pixels homolo- directeur de recherche associé au CNRS, Unité gues, ainsi qiie la continuité de la fonc- «analyse et modélisation stochastique» (URA La modélisation radiométrique du tion de disparité. Le modèle géométri- 1378 CNRS), 38, boulevard Paul Cézanne, couple d’images SPOT justifie d’utiliser, que a priori de la scène (altimétries 78052 Sainî-Quentin-en-Yvelines Cedex.

Atmospheric turbulence profiling bv «Scidar» pour cartographier the Scidar technique - The statistical analysis of stellar scintillation is a po- werfull tool to study dynamical proces- la turbulence atmosphérique ses in the atmosphère as well as astronomical site testing. The insight of these two different physical aspects Cent microsecondes suffisent pour altérer la cohérence de la lumière qui can be surprisingly related through nous vient des étoiles lors de la traversée de notre atmosphère: the use of image processing. évaluation des dégâts !

Jean Vernin atmosphériques qui sont à l a charnière une idée, que le lecteur observe l’éclai- entre la turbulence isotrope, pleinement rement du fond d’une piscine, et il pour- n dehors de quelques cas très développée, et la turbulence quasi - bidi - ra remarquer notamment des marbrures simples, aucun modèle n’est mensionnelle imposée par la structure lumineuses qui semblent se déplacer E capable de simuler thermique de l’atmosphère. dans la même direction que les l’écoulement d’un fluide tel que notre Pour aborder ce problème, nous utili- vaguelettes qui agitent la surface de atmosphère, même en utilisant les sons une méthode indirecte qui consiste l’eau. De même, dans notre atmosphère, ordinateurs les plus puissants. Par à éclairer l’atmosphère et à étudier dans des relations de cause à effet lient la exemple, on n’a qu’une idée quelle mesure la propagation des ondes présence de tourbillons et l’éclairement très vague de la taille des tourbillons lumineuses est affectée. Pour se faire fluctuant qui nous vient des étoiles ; la scintillation.

LE COURRIER DU CNRS N° 77 91

DECIDER ET CONTROLER

Evolution dans le temps de la turbulence située dans i’es vingt premiers kilomètres d’atmosphère par la technique Scidar. On remarque clairement la nature stratifiée et horizontale de la turbulence. Par contre, sa nature non- stationnaire met en péril les hypothèses communément admises en traitement du signal.

►La turbulence et lation détection and ranging) par des fonctions de corrélation ou des den- l’acuité des télescopes analogie avec le radar. Huit milliards sités spectrales d’image. La reconstitu- Très loin des équations de l’hydrody- d’informations élémentaires sont trai- tion de la stratification de l’atmosphère, namique sont les préoccupations des as- tées en temps réel dans des processeurs couche par couche, se fait par une tech- tronomes qui enregistrent des images du spécialisés p)our extraire les paramètres nique d’inversion d’équation intégrale ciel tellement brouillées par la turbu- statistiques pertinents. La contraction qui maximise à la fois l’entropie du bruit lence qu’elles semblent provenir d’un de l’information s’effectue en calculant (lié à la nature photonique de la lu- télescope de 10cm de diamètre, alors mière) et celle du signal (la présence ou qu’en réalité ils utilisent d’immenses mi- l’absence d’une couche turbulente). roirs de 10 m! Cette énorme perte CNRS - AUDIOVISUEL Il peut sembler magique que l’on puis- d’acuité est causée par quelques couches se étudier deux phénomènes aussi diffé- d’atmosphère qui se comportent comme rents que la dynamique atmosphérique autant de lames de verre de mauvaise ORAGES et la qualité des images astronomiques qualité. Autant dire que les astronomes ÉTROITEMENT par une observation aussi banale que la sont exigeants sur les qualités d'un site SURVEILLÉS scintillation des étoiles. C-’est finale- avant d’y bâtir des instruments comme Observation des orages en régions tempé- ment la théorie de la propagation de la le Very Large Telescope (4 télescopes rées à partir d'investigations à distance lumière et l’utilisation massive des tech- (ra- niques de traitement d’image qui ont de 8 m ) de l’European Southern Obser- dars météorologiques) et d’investigations vatory, qui coûtera environ 1 m illiard de décloisonné ces deux aspects de la physi- in situ (avions instrumentés pénétrant dans que. francs aux contribuables européens ! l’orage). Techniquement, avec des caméras Auteurs : très sensibles, on enregistre des images Paul Amayenc et Jacques Testud Réalisateur : Caroline Roulet de la scintillation produite par deux Co-production : CNRS Audiovisuel, Jean Vernin, chargé de r echerche au étoiles. Par un pr océdé de triangulation, CNET, Météorologie Nationale, CNRS, directeur du D épartement d’astrophysi- on remonte à l a détermination de l’alti- Ministère des Transports et que de l’Institut de mathématiques et sciences tude des couches perturbatrices (voir fi- LAMP Direction scientifique TOAE physiques (URA 709 CNRS), Université de 1985 - 52 minutes Nice-Sophia Antipolis, Parc Valrose, 06034 gure) : c’est la technique Scidar (scintil- Nice Cedex.

92 LE COURRIER DU CNRS N° 77

INTERPRETER ET RECONNAITRE

nterpréter, c’est d’une certaine façon tenter de comprendre, et comprendre,I c’est relier des informations entre elles à d ivers degrés de profondeur (ou niveaux d’abstraction) ; c’est donc remonter des effets aux causes (expliquer ce qui a provoqué ce qu’on observe, par exemple les mouvements articulatoires dans le cas de la parole), ou dé crire les relations sémantiques entre les observations, ou i dentifier des groupes d’observations vis-à-vis d’un code abstrait (remonter du s ignifiant au si- gnifié, du s ignal “chien” au

concept qui le représente). Ces trois points de vue - in- Etude anatomique de l’encéphale et du tronc rachidien sur une coupe sagittale médiane de version, expertise, reconnais- cerveau normal, obtenue par IRM (imagerie par résonance magnétique). Ce type d'examen simple et rapide tend à devenir routinier pour le dépistage d'incidences inflammatoires; il sance des formes - dévelop- permet de voir l’hypophyse, le sinus veineux et le corps calleux. (© Service de radiologie, pés ci-après donnent trois Hôpital Saint-Louis). lectures des articles de ce chapitre. d’articulateurs et de cavités préter consiste à r elier des En terme d’inversion, in- de résonance : retrouver les phénomènes entre eux, que terpréter consiste à chercher commandes de ce système ces phénomènes soient visi- à expliciter les causes qui ont permettrait d’identifier les bles ou s upposés exister, en engendré les faits observés. sons analysés. On montre utilisant l’expertise disponi- On ne dispose généralement qu’en général ce problème ble dans le domaine d’appli- que de ces faits, parfois du est mal posé c’est-à-dire qu’il cation concerné. Il faut alors contexte dans lequel ils sont n’admet pas de solution uni- passer par une étape de para- produits et dans les meilleurs que ou p as de solution du métrisation - toujours délica- des cas, de modèles généra- tout. Il faut donc contraindre te puisqu’elle dépend préci- teurs. Dans une certaine me- l’espace de recherche au sément de l’interprétation sure donc, interpréter est sy- maximum pour focaliser une ultérieure - puis, en suppo- nonyme d’“inverser”, c’est-à- et une seule solution possi- sant une certaine “invarian- dire remonter aux causes ori- ble. Ce problème est traité ce” des phénomènes, par une ginelles à travers le modèle plus en détail dans le chapitre étape de traitement contex- générateur. C’est le cas par “Filtrer et synthétiser”. tuel de ces paramètres. exemple de la parole produite Lorsqu’on ne possède pas L’image du plancton recueil- par un système complexe de modèle générateur, inter- lie en surface dépend de

LE COURRIER DU CNRS N° 77 93

INTERPRETER ET RECONNAITRE

est simple : e mmagasiner et classer les formes caractéris- tiques à r econnaître, en choisir des prototypes pour l’apprentissage, puis, au moment de la reconnaissance, comparer la forme inconnue aux ré-

férences stockées dans un dictionnaire. La mise en œu- vre n’est évidemment pas si Reconnaissance de forme par traitement du simple dès lors que les no- signal infrarouge au cours d'une observation nocturne. (©SAT). tions de distance (tolérance aux déformations acceptées) et de représentativité des prototypes restent très liées au ►nombreux facteurs et la “for- corpus d’apprentissage. De me” analysée n’a d’invariante plus le “rejet” - rejet d’une que celle que lui prête forme n’appartenant pas au l’observateur humain vis-à- dictionnaire - est difficile à vis du “signifié” de l’objet re- définir puisque précisément présenté. Une méthode toute forme nouvelle n’ap- consiste donc à mettre en œu- partient pas de facto au dic- vre des systèmes experts dans tionnaire de référence. Le Système d’authentification automatique par empreinte digitale. Après saisie de lesquels un maximum de problème du diagnostic - va- l’image de l’empreinte à l'aide d'un capteur sources de connaissances hié- riante du pr oblème d’inter- optique, une matrice de directions (orienta- rarchisées doivent coopérer prétation - devient lui aussi tions des crêtes de l’empreinte) et un détail de l’image de l'empreinte (une petite zone (pour la parole : lexique, syn- délicat puisqu’il faut raison- riche en informations caractéristiques) taxe, sémantique; pour les ner sur des informations ab- sont extraits puis comparés à la référence. images, divers niveaux sentes ou i ncomplètes et sur Le taux de bonne reconnaissance est de 99% pour un seuil de sévérité moyen. (© d’abstraction mis en œuvre : des phénomènes qui ne sont SEPT). vision, segmentation et ana- pas toujours répertoriés à lyse de scènes) pour interpré- l’avance. Une même image ter le signal. Cependant, la médicale peut prendre des as- ont un quelconque degré principale pierre d’achoppe- pects nouveaux pour chaque d’insuffisance. Des architec- ment reste l'“invariance” qui cas analysé. tures de systèmes tentent est souvent illusoire : un Il peut sembler illusoire, donc actuellement d’harmo- même objet peut prendre de après toutes les difficultés re- niser ces techniques entre multiples formes et inverse- censées ci-dessus, d’interpré- elles. Les articles qui suivent ment deux objets différents ter des signaux qui ne sont montrent quelques aspects de peuvent avoir des formes pro- bien souvent que la “surface” ce difficile problème à travers ches, indiscernables par des d’un code caché. Cependant, des domaines comme la paro- techniques d’analyse simples. des progrès spectaculaires le, l’acoustique sous-marine, Il faut donc bien séparer les sont à at tendre du traitement la robotique, les images mé- niveaux d’abstraction, l’ana- de signaux multicapteur dicales, géologiques ou astro- lyse de détail et l’analyse de la (RMN, image de visages + nomiques et les signaux bio- structure, et mettre en œuvre parole, etc.) ou de capteurs logiques. Les solutions ne des stratégies d’identification nouveaux qui permettront sont à ce j our que partielles et très complexes avec toutes les d’avoir des points de vue sont spécifiques des signaux ressources qu’offre l’intelli- complémentaires sur ce étudiés. gence artificielle. code. A l’heure actuelle, au- Une autre voie possible est cune technique n’émerge Jean Caelen, la “re-connaissance” c’est-à- vraiment et toutes (modélisa- chargé de recherche au CNRS

dire l’identification d’une for- tion, raisonnement expert, Roger Mohr, me déjà connue. La méthode apprentissage/comparaison) professeur à l'Institut national polytechnique de Grenoble

94 LE COURRIER DU CNRS N° 77

Peut-on entendre les formes effet pour l’instant une hypothèse relativement lourde qui ne semble pas néces- saire, si l’on veut bien constater que du conduit vocal ? beaucoup d’organismes vivants, autres que l’homme, ont la capacité d’«entendre la forme d’un tambour» ou de voir La reconnaissance de la parole serait-elle un problème mal posé ? Le des objets tridimensionnels. traitement du son à bas niveau (sans syntaxe et sans sémantique) pourrait bénéficier d'une formulation - déjà courante en vision par A la recherche de contraintes ordinateur-celle de l'inversion. Mais comment résoudre pratiquement un problème mal posé en utilisant des contraintes? Nous illustrerons ceci Christian Abry, Du son aux gestes par un e xemple très simple. Supposons La recherche, à partir du son, des ges- que l’on dispose d’une série de mesures Gang Feng tes qui sous-tendent la production de la discrètes sur un mouvement artjcula- parole, n’est pas nouvelle. Dès les an- toire particulier: par exemple, la posi- eut-on entendre la forme nées 60, une théorie a été formulée dans tion verticale de la mâchoire inférieure, d’un tambour?» C’est la ce but précis par Liberman et ses colla- telle qu’elle est donnée par un film ra- « Pquestion que posait déjà en borateurs. Cette théorie, dite motrice, a diographique, image par image. On 1966 le mathématicien américain Marc été révisée récemment : elle maintient veut calculer la vitesse de cet articula- Kac. Depuis, Tomaso Poggio du MIT a que la perception des sons de la parole teur. Dans la mesure où l’on peut faire montré tout le bénéfice que l’on pouvait n’est pas essentiellement un phénomène passer une infinité de courbes par les retirer d’une formalisation du traite- auditif. De même que la chauve-souris données brutes, le calcul de la vitesse ment de la vision bas niveau (rétinien- possède un mécanisme d’écho-localisa- est ne), en reprenant les principes énoncés tion pour repérer obstacles et proies, de impossible : c’est bien un problème mal par le grand mathématicien français Ha- même le son émis par le sujet parlant ne posé. Pour le résoudre, on peut intro- damard, lequel identifiait dès 1923 l a servirait à l’auditeur qu’à explorer duire une contrainte simple, laquelle classe des problèmes mal posés. Parmi l’espace des gestes articulatoires de son oblige une courbe lissée à s’ajuster ceux-ci figure l’inversion optique, c’est- interlocuteur. En d’autres termes, si la au mieux à ces données, en minimisant à-dire la récupération de la forme tridi- chauve-souris se sert des ultra-sons pour sa distance à cel les-ci, tout en minimi- mensionnelle de l’objet à p artir de ses «voir» l’espace, l’homme se servirait du sant sa propre courbure. Avec cette images rétiniennes ; et bien sûr, aussi, la son de la parole pour récupérer les in- contrainte, convenablement estimée, la récupération de la forme du tambour à tentions gestuelles vocales de ses sem- solution devient unique et le calcul de la partir du son émis : c ’est l’inversion blables. vitesse possible. acoustique proprement dite. Deux remarques s’imposent sur ces Dans le cas de la vision ou dans celui Qu’est ce qu’un problème mal posé ? ambitions théoriques. D’une part, jus- de la parole, la résolution des problèmes Selon Hadamard, dans un problème mal qu’à présent, la théorie motrice ne s’est inverses est généralement beaucoup posé, on n’est pas sûr : 1° que la solution jamais dotée de moyens computation- plus complexe. Mais le principe reste le existe ; 2° que la solution soit unique ; 3° nels explicites, c’est-à-dire d’un ensem- même. L’essentiel est de pouvoir identique la solution dépende de manière ble d’algorithmes qui permettent de pas- fier et formuler correctement les continue des conditions initiales. Pour ser du son aux gestes. D’autre part, la contraintes et les intégrer dans des algo- poser correctement ce p roblème, il f aut théorie motrice fait l’hypothèse que le rithmes spécifiques. Nous citerons en introduire des contraintes, c’est-à-dire mécanisme qui effectue ce traitement exemple les succès remportés, dans le des régularités tenant à l a nature des est inné et propre à l’homme. domaine de la restauration des images, objets qui doivent être récupérés par in- Le fait de resituer ces ambitions théo- par la méthode du maximum d’entropie. version. Dans le cas de la parole, si le riques dans le cadre de l’inversion pré- En ce qui concerne la parole, de nom- but est de récupérer, par exemple, les sente au moins deux avantages : rendre breuses études permettent d’envisager gestes articulatoires qui produisent les calculable la récupération des gestes et dès maintenant un avancement impor- sons, il s’agira alors de faire entrer dans ne pas dépendre de l’hypothèse d’innéi- tant dans la formulation de contraintes la régularisation du problème les té anthropocentriste. Celle-ci reste en sur les mouvements articulatoires et sur contraintes qui tiennent, parmi d’au- les commandes motrices. ► tres, au contrôle dynamique de ces gestes. CNRS-AUDIOVISUEL Can we hear the shapes of the vocal 1. place Aiistide-Bnand 92195 Meuclon Cedex tract? - Could low-level speech recognition be considered as an ill-posed ARGOS ET L’ALBATROS problem, specifically, as an inverse acoustics problem, which has not yet Pierre Jouventin, chercheur au CNRS (CEBAS), voulait connaître les trajets et les distances found a proper solution? To solve in- parcourus par les grands albatros qui nichent aux îles Crozet (près des Kerguelen). Il les a verse problems, in acoustics as well as donc équipés de balises Argos reliées à un satellite de navigation pour savoir à tout moment in optics, one has to introduce leur position. On peut ainsi reconstituer le trajet effectué (16 000 km en un mois) par ces constraints in order to regularize their albatros qui utilisent le vent au maximum, et mieux comprendre leur mode de vie. solutions. This has been done success- fully in robotic vision. Improvements Documents : Pierre Jouventin in speech recognition could be made Réalisateurs ; Jean-François Dars et Anne Papillault using specific constraints to recover Production : CNRS Audiovisuel 5 minutes -1990 speech gestures.

LE COURRIEROUCNRS N°77 95

INTERPRETER ET RECONNAITRE

►Le cas des voyelles nasales pour les voyelles orales. Et pourtant, le se rendre compte que le problème était résultat perceptif de ces voyelles est aus- mal posé ! Un cas difficile de l’inversion en paro- si simple que le geste qui les a produites : le reste celui des voyelles nasales comme on identifiera aisément que le son est an, in, on. On sait que pour produire de nasal. Ici donc, le rôle de l’inversion telles voyelles, le geste articulatoire est apparaît fondamental pour la reconnais- relativement simple : il suffit en principe sance de la parole. Christian Abry, maître de conférences à rUniversité Stendhal, Institut de la communi- d'abaisser le voile du palais, permettant D’autres exemples pourraient mon- cation parlée (URA 368 CNRS). ainsi au son de rayonner à la fois par le trer que l’on peut ainsi «entendre» les nez et par la bouche. Ceci donne cepen- gestes de la langue, comme ceux des Gang Feng, maître de conférences à dant un produit acoustique extrême- l’Ecole nationale supérieure d’électronique et lèvres, aussi bien que l’on peut perce- de radioélectricité, Institut national polytechni- ment complexe : le spectre des voyelles voir les configurations du larynx. La re- que de Grenoble, Institut de la communication nasales ne présente pas une série de ré- cherche de contraintes n’en est, en paro- parlée {URA 368 CNRS), BP 25 X. 38040 Gre- sonances simples comme c’est le cas le, qu’à ses débuts : on vient tout juste de noble Cedex.

des algorithmes divers d’analyse temps- Reconnaissance acoustique fréquence (Fourier court terme, Wi- gner-Ville,ondelettes...). Pour tous ces algorithmes, une paramétrisation spéci- en sonar passif fique doit être trouvée afin de mettre en exergue le phénomène particulier à dé- tecter. L'utilisationen sonar conjointe depassif techniques de traitement du signal et Pour atteindre l’objectif d’aide à l’opérateur, il faut ensuite extraire des d'intelligence artificielle apporte aux nouveaux sonars une fonction images obtenues les données pertinen- de reconnaissance des mobiles largement automatisée. tes et les qualifier. Les techniques de traitement d’image interviennent alors pour améliorer le contraste des indices Le bruit rayonné par un bâtiment acoustiques à extraire. Plus générale- peut avoir des composantes de types va- ment, ce problème de reconnaissance riés : bruits impulsifs (d’une durée, lors acoustique intervient de manière très un des problèmes à l’ordre du de leur émission, de l’ordre de la secon- importante dans l’élaboration de l’inter- j our dans la conception des de et moins), bruits continus (d’une du- face homme-machine du sonar. Ainsi a L ’systèmes de veille et de sur- rée de l’ordre de la dizaine de secondes été développée une maquette temps réel veillance du milieu sous-marin, c’est-à- et plus), périodiques ou non, ou encore permettant de mesurer l’intérêt de dire des systèmes sonar, est celui de large bande ou bande étroite, et bruits l’ensemble de ces concepts pour l’opéra- l’identification ou reconnaissance des transitoires (transition entre deux phé- teur. mobiles détectés et trajectographiés. Ce nomènes probablement continus). problème est beaucoup plus complexe ■■ Christian Plumejeaud, ingénieur au que les précédents en raison, en particu- Un système expert Groupe d’études et de recherche de détection lier, des connaissances très restreintes sous-marine, chef du Laboratoire de reconnais- détenues par l’observateur sur les mo- interprète le bruit sance acoustique des bruits sous-marins. Le biles possibles, de leur grande variété, et La reconnaissance d’une signature est Brusc, 83140 Six-Fours-les-Plages. de l’évolution de leurs caractéristiques basée sur l’interprétation des caractéris- dans le temps. La présence de ces mo- tiques statiques et dynamiques des com- biles se traduit par des bruits (rayonnés posantes de ce bruit rayonné ainsi que Editions du CNRS . par les bâtiments) perturbés par le bruit sur les relations existant entre ces com- Vient de paraître ambiant sous-marin. L’ensemble des posantes. Ces caractéristiques et rela- bruits rayonnés par un navire représente tions sont analysées par des techniques sa « signature acoustique », la reconnais- élaborées de traitement du signal et leur Télédétection sance acoustique s’appuie sur l’analyse interprétation est effectuée au moyen et Tiers-Monde de cette signature. d’un système expert. Le contrôle de cette interprétation, par un opérateur, né- cessite la mise en évidence visuelle ou Dir.: M. Pouyllau auditive de ces éléments. Celle-ci résul- 1991 - 400p. - ill. 16x24 Acoustic recognition with passive so- te de l’utilisation d’une importante bat- nar- New sonar must have an auto- terie d’algorithmes, essentiellement ba- br. 300F matic recognition function of detected sée sur la production d’images temps/ Diffusion: Presses du CNRS \ships. Itresults in the joint use of si- fréquence dans lesquelles les différentes gnal processing and artifïcial intelli- composantes de la signature acoustique gence techniques. sont discernables. On développe ainsi

96 LE COURRIER DU CNRS N" 77

Segmentation d'images

La segmentation extrait les éléments pertinents pour l'interprétation d'images. Il n'y a pas d'approche unique, la recherche actuelle s'oriente vers la coopération de méthodes.

■■ Jean-Pierre Cocquerez et l’approche « rupture de modèle » dans laquelle on modélise les caractéristiques d’ensembles de pixels et dans laquelle a segmentation d’une image on regroupe les points correspondant au consiste à créer une partition de même modèle. Lcette dernière en éléments com- posés de points connexes. L’objectif est Choisir la bonne méthode que les éléments de la partition coïnci- Le problème est de choisir la bonne dent avec des éléments pertinents de méthode avec le bon paramétrage ou de l’mage appelés primitives qui doivent faire coopérer plusieurs méthodes. Par être exploitables pour les traitements ailleurs, il apparaît de plus en plus que postérieurs à la segmentation Les pri- pour extraire certaines caractéristiques mitives de base sont les régions d’une scène, il est utile de disposer du (ensembles de points ayant des maximum d’informations, donc de seg- propriétés similaires) et les contours menter des images d’une même scène (zones de transition entre régions provenant de différents capteurs ou homogènes). Il existe les primitives prises à des moments différents. Il plus élaborées comme les convient alors de fusionner des données segments de droite et les angles. La qui sont le résultat de plusieurs segmen- segmentation est qualifiée de traitement tations. bas-niveau pour au moins deux raisons: Les études menées actuellement en elle précède des traitements plus com- recherche concernent, d’une part, la plexes, comme par exemple la recon- mise en place de procédures d’évalua- naissance des formes et l’interprétation tion pour les différentes méthodes de de la scène observée, et les connaissan- segmentation et, d’autre part, l’élabora- ces utilisées sont le plus souvent du do- tion automatique ou faiblement interac- naine de l’image numérique, donc sé- tive d’un descriptif d’images utilisable mantiquement assez pauvres. pour le choix d'une méthode ou de plu- Il existe plusieurs techniques de seg- sieurs méthodes de segmentation. mentation plus ou moins bien adaptées Par ailleurs, la segmentation peut être à la nature de l’image (présence de abordée comme un ensemble de proces- bruit, contours flous, etc.), aux opéra- sus coopérant sous les aspects suivants : tions situées en aval de la segmentation utilisation conjointe de différentes tech- reconnaissance de formes), aux primi- niques de segmentation sur une même tives à extraire (contours et segments image (coopération région-contour), de droite, régions et taches, textures), et application d’une même technique de enfin aux contraintes d’exploitation de segmentation sur des images semblables la méthode (complexité algorithmique (stéréovision, séquence d’images), et et aspect temps réel, taille de l'espace mise en œuvre simultanée de techniques mémoire de travail nécessaire en made segmentation appliquées sur des ima- chine). ges d’une même scène fournies par des Malgré cette diversité, il est possible capteurs différents ou représentées à Fig. 3 de distinguer trois grandes classes d’ap- des échelles différentes (approche mul- proche: l’approche «frontière» qui re- tiéchelle, ondelettes). Une banque d’images de test groupe toutes les techniques d’extrac- Dans ce cadre, le contrôle global de pour la comparaison des tion de contours, l’approche «régions» la segmentation de l’image est différentes méthodes de qui comprend toutes les méthodes fondamental. Pour chaque type de segmentation a été constituée au d’extraction d’ensembles connexes de coopération, les points suivants font sein du Groupement de recherche pixels ayant des propriétés communes, l’objet d’études particulières : échanges 134 du CNRS «Traitement du Signal entre processus de segmentation, fusion et Images». Surl'une des images Image segmentation - Presentation of des données, et définition de critères de de cette banque, une segmentation the features which are commonly used qualité et d’arrêt. par extraction de contours, for pattern recognition and image fermeture et extraction de composantes connexes a été analysis. There are many techniques appiiquée. for image segmentation. Yet, it is pos- Jean-Pierre Cocquerez, professeur des universités. Equipe «Traitement des images et Fig. 1 - Image de test sible to distinguish different classes du signal». Ecole nationale supérieure de Fig. 2 - Extraction des contours which are given. To date, research in l’électronique et de ses applications, impasse Fig. 3 - Fermeture des contours et this field uses the contribution of seve- des Chênes pourpres, 95014 Cergy-Pontoise extraction des régions ral methods. ______Cedex.

LE COURRIER DU CNRS N* 77 97

INTERPRETER ET RECONNAITRE

De l’image animée à From Image sequence to motion analvsis - Motion analysis in an image la mesure du mouvement sequence has become a subject of high interest in computer vision in the last decade. The number of Scènes naturelles complexes, conditions d'éclairement variables, application fîelds is also still growing. This topic is basically an ill-posed objets déformables: la détermination du c ontenu dynamique d'une problem since data only partially image, le mouvement, doit appréhender une variété de situations constrain the solution. Moreover motion discontinuities and occlusions toujours plus large. must be taken into account. Deterministic and statistical regularization techniques yield attrac- tive frameworks to introduce the required contextual models. ______Patrick Bouthemy, Modéliser finement Georges Tziritas De toute évidence, l’analyse du mouvement est un sujet difficile car confron- ments distinctifs préalablement extraits té à d eux problèmes majeurs qui sont la des images. a visualisation de séquences perte d’une dimension (passage d’une d’images de sources diverses est scène à trois dimensions à son observa- L désormais ancrée dans la vie quo- tion ou image à deux dimensions) et Estimer le mouvement tidienne comme moyen d’investigation : l’imbrication de questions du t ype L’estimation du m ouvement est géné- séquences d’images satellitaires au bul- «l’œuf et la poule» : une mesure fiable ralement un problème mal posé au sens letin météorologique du j ournal télévi- et précise nécessitant de connaître les où les données n’imposent que des sé, séquences d’images échographiques frontières des différentes zones en mou- contraintes partielles sur la solution. On chez le praticien en sont deux exemples vement, une délimitation de celles-ci ne fait alors appel à des techniques de régu- frappants. L’étape suivante est d’ores et pouvant s’obtenir qu’au regard d’une in- larisation, qu’elles soient déterministes déjà atteinte dans des contextes de re- formation de mouvement non directe- ou statistiques (critères bayésiens et mo- cherche ou même des contextes indus- ment délivrée par le capteur. dèles markoviens). Celles-ci permettent triels : passer d’un simple affichage des Le traitement de ces problèmes re- d’exprimer les propriétés contextuelles images à une mesure automatique de quiert donc une phase de modélisation attendues de la solution, c’est-à-dire es- leur contenu à caractère temporel, le relativement fine. Par ailleurs, la me- sentiellement cohérence locale du mou- mouvement, Des efforts de recherche sure obtenue peut être dense ou é parse vement (variations lentes) avec préser- importants dans la dernière décennie selon que l’on s’appuie sur les variations vation des éventuelles discontinuités ont en effet conduit à l ’élaboration d’un spatio-temporelles de la fonction d’in- (frontières des différents mouvements ensemble de méthodes de détection, de tensité lumineuse en chaque point ou présents dans l’image). Le schéma segmentation, d’estimation et d’identifi- que l’on considère l’appariement d’élé- d’estimation quant à lui peut être itératif cation du mouvement apparent.

1 Un objectif générique en analyse de scène dynamique est de repérer les objets mobiles dans la scène. Si la caméra i est elle-même en mouvement, le problème est alors relativement complexe, car tout élément dans l’image possède alors un mouvement apparent. Nous l’illustrons par l’exemple suivant : (a) - Deux voitures se déplacent dans ce parking, les arbres notamment au centre bougent au vent, enfin la caméra effectue un panoramique (donc, mouvements rigides et non rigides). Il est tout d'abord nécessaire de segmenter l'Image en zones à mouvement apparent cohérent. (b) - Une couleur est attribuée à chaque région (les modèles de mouvement sont linéaires et la méthode de résolution suit une approche statistique). (c) - Une description symbolique du mouvement dans chaque zone est dérivée par un critère statistique. Avec la simple connaissance du type de mouvement imprimé à la caméra et sans mesures explicites 3D, les zones correspondant à des entités mobiles dans la scène sont alors reconnues (en bleu). (Cliché IRISA / INRIA Rennes).

98 LE COURRIER DU CNRS N* 77

(relaxation) ou récursif (filtre de Kal- supportés par des machines de faible di- cœur, la surveillance du trafic routier ou man par exemple). mensionnement. L’ensemble de ces la navigation d’un robot mobile. Les enjeux actuels sont de progrès permettra d’élargir constam- plusieurs types . Il s’agit tout d’abord ment la gamme d’applications où l ’ana- d’améliorer encore ces méthodes en Patrick Bouthemy, directeur de r echer- lyse du m ouvement trouve naturelle- che à l’INRIA, Institut de recherche en infor- robustesse et fiabilité pour appréhender ment sa place. Elle concerne déjà, bien matique et systèmes aléatoires (URA 227 une variété de situations toujours plus sûr à d es degrés différents de maturité, CNRS), Campus de Beaulieu, 35042 Rennes large : scènes naturelles très complexes, des sujets aussi variés que la transmis- Cedex. conditions d’éclairement quelconques sion de la télévision haute définition ou Georges Tziritas, chargé de recherche au et variables, objets déformables. D’un de la vidéoconférence, l’établissement CNRS, Laboratoire des signaux et systèmes point de vue informatique, il faudra de cartes de champs de vent à partir de (UMR 14 CNRS), Ecole supérieure d’électrici- aboutir à des implantations assurant des l’évolution de la couche nuageuse du té. Plateau du Moulon, 91192 Gif-sur-Yvette Cedex. temps de réponse réclamés par les globe, l’étude d’un organe comme le applications et

de scène dont le but est l’identification et la localisation des objets qui composent la scène. Il s’agit non seulement de Vision par ordinateur: reconnaître les objets, c’est-à-dire les classer, mais aussi de les replacer dans leur contexte, ceci afin de «compren- comment interpréter dre» la scène.

les images Deux types de connaissance La mise en œuvre de tout processus lié à l’interprétation finale d’une scène sup- Pas d'interprétation d'image sans modélisation des objets du monde pose a priori la connaissance de modè- réel. Mais comment exprimer la connaissance de ces objets? Comment les. Un modèle sert de référence. Il s’agit donc de mettre en correspondance passer d'une connaissance « inconsciente » inexprimable, à une des informations issues de l’image avec connaissance consciente transmissible? une description du modèle. Plus l’objet est abstrait ou générique, et plus est grande la difficulté de l’exprimer en des Gérard Giraudon, rente : le bas niveau ou vision préatten- caractéristiques directement mesura- tive où règne le numérique, le niveau Monique Thonnat bles dans l’image. On peut alors consi- intermédiaire ou s egmentation d’image, et enfin le haut niveau ou encore analyse a vision par ordinateur ou encore vision artificielle est une disci- L pline scientifique en pleine expansion. A l’instar du s ystème de perception visuelle chez l'homme, la vision artificielle prend en compte la totalité de la chaîne de traitements depuis l’acquisition de l'image jusqu’aux capacités cognitives du c erveau raisonnant sur des représentations des objets du monde physique. Schématiquement, on peut considé- rer que la vision artificielle se décompo- se en trois niveaux d’abstraction diffé-

> The role of recognition in image inter pretation - The problem of the inter pretation in computer vision is discus sed. The rôle and the nature of model for object recognition are explained Two examples are presented: the first one deals with building recognition in aerial images; the second one des- cribes an expert system for the classifîcation of zooplanktons.

.LE COURRIER DU CNRS N* 77 99

INTERPRETER ET RECONNAITRE

Le système expert SYGAL La reconnaissance automatique du type morphologique d’une galaxie à partir d’une image est parti- culièrement difficile. En effet, les galaxies sont des objets tridimensionnels dont les formes sont géné- ralement anisotropes, et les instruments d’observation ne nous fournissent qu’une projection bidimensionnelle de ces objets. Pourtant, les experts du dom aine sont capables, à p artir d’une image de bonne qualité (et des connaissances sur les conditions d’observation telles que le temps de pose ou l a longueur d’onde), de déduire certaines caractéristiques morphologiques de la galaxie et le plus souvent sa classe. Le système expert SYGAL (construit à partir du m oteur CLAS- sic) cherche à s imuler le raisonnement d’un astronome lorsqu’il classe une image de galaxie. La figure montre le schéma général du systè- me complet : une plaque photographique contenant une galaxie est numérisée, l’image ainsi formée est traitée par divers programmes de reconnaissance de formes ; les résul- tats de ces traitements sont en sortie 35 paramètres numériques qui dé- crivent la galaxie (surface, compaci- nis au système expert SYGAL. plus, le système utilise des critères té, orientation...). Ce système expert utilise la de déduction pour passer des carac- Ces paramètres,- ainsi que des élé- connaissance sur les différentes téristiques observées sur l’image à ments décrivant le contexte classes et sous-classes de galaxies des entités morphologiques, implé- d’obtention de l’image (type de té- (implémentées sous forme d’une ar- mentés sous forme de règles de pro- lescope, temps de pose), sont four- borescence d’objets structurés). De duction.

► dérer que le problème vient de la diffi- connaissance sous forme d’exemple et le Prenons l’exemple de reconnaissance de culté d’exprimer la connaissance que zoologiste qui s’appuyera plus sur bâtiments dans une image aérienne. Un nous avons des objets qui nous entou- l’aspect morphologique du zooplanc- bâtiment est une forme géométrique rent. En fait, on peut dire qu’il y a essen- ton. simple, de radiométrie claire, mais dont tiellement deux types de connaissance le contexte suppose l’existence d’une liée à la vision : Tenir compte du ombre. Un tel résultat, aussi banal pour - une connaissance « inconsciente » qui, l’œil humain, a nécessité l’utilisation de base, est celle du sens commun, que «point de vue» d’un système à base de blackboard dans tout humain possède pour vivre dans le Aujourd’hui, la modélisation des ob- un environnement multispécialiste. Il monde qui est le sien. La difficulté est ici jets emprunte largement les outils de peut s’avérer indispensable de définir très grande à f aire exprimer un quelcon- l’intelligence artificielle liés à la repré- des modèles symboliques d’un degré que modèle à un individu pour ce qui sentation des connaissances. Ainsi, on d’abstraction encore plus élevé. En ef- concerne la plupart des objets qui peut décrire des modèles comme diffé- fet, un m ême objet peut avoir des appa- l’entourent. Essayez d’imaginer le mo- rents « points de vue ». rences très différentes (selon l’angle dèle d’un objet aussi banal qu’une table ; Si la description géométrique et ra- d’observation, ou pour des objets défor- - une connaissance «consciente». diométrique est nécessaire, la connais- mables selon leur attitude). La nécessité Celle-ci est alors liée à une expertise sance liée au contexte dans lequel cet d’utiliser des modèles plus abstraits est acquise par un i ndividu et qui peut nor- objet peut être vu, ou pl us encore la particulièrement forte pour la recon- malement la transmettre ou du moins fonction même de l’objet, ont une im- naissance d’organismes vivants. l’expliquer. Il s’agit alors d’un géologue portance pour la compréhension de la qui «voit» des failles sur une image sa- scène. Les outils utilisés vont des sim- tellite, d’un médecin qui «voit» une tu- ples règles de production au système à L’application au vivant meur sur une radio ou bi en encore d’un base de blackboard (système avec plu- Le cas de la reconnaissance de zoo- zoologiste qui reconnaît instantanément sieurs sources de connaissance distri- planctons marins est un bo n exemple un zooplancton. Encore existe-t-il un buées), en passant par des représenta- (voir figure). Il existe une grande varia- gouffre entre le géologue qui donnera sa tions à base de frame (objet structuré). bilité des formes à l’intérieur d’une

100 LE COURRIER DU CNRS N" 77

même classe (en fonction de l’âge, du L'œil du robot sexe, de l’alimentation...)- De plus, les formes des organismes de classes différentes peu- S'il disposait d'un modèle géométrique de son univers d'évolution vent être très proches, leur discrimination s’appuie alors sur des critères très subtils. et d'une image de luminance de la scène qu’il observe, un robot serait Le système expert que nous avons dé- aujourd'hui à même de s'y localiser. veloppé à partir du moteur CLASSIC s’appuie sur l’expertise consciente du domaine, c’est-à-dire, la taxonomie des Marc Richetin, des objets soit disponible au préalable. classes et la description symbolique des Michel Dhome Le cas des objets transparents comme caractéristiques de chaque classe. Par un verre de table est exclu pour l’instant, exemple, une méduse a une forte trans- l’image qu’ils renvoient étant dépendan- parence, des structures centrales, une es robots industriels ou domesti- te du contexte dans lequel ils se trouvent circularité importante, une ombrelle ques du futur seront à coup sûr placés. Les caméras et les optiques utili- tourmentée... dotés d’un sens aigu de la vision. sées produisent des images qui sont avec LesL recherches les plus avancées visent Des algorithmes de traitement d’ima- une bonne approximation des projec- ge décrivent l’image en termes de para- à construire des programmes informati- tions perspectives du monde visible tri- mètres numériques; ces paramètres ques capables d’interpréter automati- dimensionnel. sont utilisés par des règles de production quement les images délivrées par des La typologie des objets ainsi qui implémentent les critères de recon- caméras pour la modélisation par ap- localisables ne cesse de s’enrichir; les naissance des caractéristiques symboliques prentissage. la reconnaissance ou la lo- polyèdres, les objets de révolution, décrivant chaque classe, par exem- calisation des objets naturels ou artifi- certains cylindres généralisés et même ple: ciels. des montages ou des sites industriels dès -si élongation < 1,3, alors circularité import- La localisation par vision monocu- lors qu’ils sont composés d’objets ante; laire, c’est-à-dire à partir d’une seule élémentaires localisables. - si densité objet/fond < 0,2, alors transpa- image, n’est réalisable qu’à la condition Localiser un objet, c’est trouver rence importante. qu’un modèle physique et géométrique la position de son modèle dans l’espace, Une mise en correspondance de plus l’objet ainsi décrit avec les modèles des classes est réalisée en procédant par raf- finements successifs. A chaque classe de la hiérarchie est associée une base de règles. Cette base est activée lorsque l’objet est compatible avec la classe correspondante. L'objet est ensuite compa- ré aux sous-classes jusqu’à ce que plus aucune règle n’apporte de nouvelle information. Si nécessaire, de nouveaux algorithmes spécialisés de traitement d’image sont appelés par des règles, en fonction d'un contexte particulier, pour fournir de nombreux paramètres numé- riques. Une telle méthodologie s’est avérée bien adaptée à des domaines tels que l’astronomie (SYGAL: système expert pour la reconnaissance automatique du type morphologique d’une galaxie, voir encadré), l’ichtyologie (tri de poissons) où il existe une expertise consciente. Pour l’interprétation de scènes complexes ou robotiques (où l’expertise consciente est inexistante), il s’avère né- cessaire de développer des processus d’auto-apprentissage. C’est un problè- me qui reste ouvert.

Gérard Giraudon, directeur de recherche à l'Institut national de recherche en infor- Localisation pour la navigation d'un robot dans les parages du sas matique et en automatique. d’entrée d’une centrale nucléaire : les images de la colonne gauche ont Monique Thonnat, chargé de recherche étéI obtenues à la suite du déplacement d'une caméra. Les figures de la à l'Institut national de recherche en informati- colonne droite donnent à chaque étape la projection du modèle géométrique que et en automatique, 2004, route des Lucio- partiel, de type fil de fer, du sas d'entrée, une fois calculée l'attitude de ce . BP 109,06561 Valbonne Cedex. modèle par analyse automatique de chacune des images de la séquence.

101

INTERPRETER ET RECONNAITRE

ce faire, les mises en coïncidence por- Les temps de calcul ne sont pas encore Robot’s eye – Knowing a geometrical tent sur des indices visuels géométriques compatibles avec les exigences des ap- model of its surrounding world and a remarquables : n-uplets de segments plications envisagées. A terme rappro- brightness image of the observed sce- de droites, arcs de conique, points ché, lorsqu’on disposera de machines in- ne, a robot could nowadays fînd its d’inflexion ou anguleux de courbes, formatiques spécialisées, ces applica- location on its own. The automatic lo- pour l’instant. tions pourront concerner la préhension calization is obtained through the tri- ou l’inspection automatique d’une pièce dimensional interpretation of the pro- Vers un robot ou d'un assemblage de pièces par un jection of some geometrical features robot manipulateur, ou la navigation on the surface of the viewed objects. mobile autonome d’un robot mobile autonome dans un An application to the navigation of an La tâche la plus complexe à réaliser, site industriel (voir figure). autonomous mobile robot in the area parce que de nature combinatoire, est la of the airlock of an Electricité de mise en correspondance de ces indices France nuclear power plant is presen- visuels et des lignes ou points associés ted. sur la surface du modèle de l’objet à localiser. Elle est assimilable à une reconnaissance des formes qui doit faire

► précisément dans le repère de la camé- appel à des traitements intelligents de Marc Richetin, professeur à l'Université l’information. Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, directeur ra, de telle sorte que la projection pers- du Laboratoire d’électronique (URA 830 CNRS) pective de ce modèle coïncide avec celle Lorsque la mise en correspondance de l’image de l’objet. exacte est achevée, la transformation in- Michel Dhome, chargé de recherche au Formellement, la transformation à verse est obtenue par résolution soit directe, soit itérative, d’équations non li- CNRS, Laboratoire d’électronique (URA 830 trouver est donc une inversion non am- CNRS), Université Blaise Pascal, 24, avenue biguë de la projection de l’objet. Pour néaires. des Landais, 63177 Aubière Cedex.

Vision et robotique mobile

Comment permettre à un robot mobile de se reconnaître dans un environnement afin qu'il puisse y vaquer? Il est nécessaire d'intégrer des outils géométriques, le mouvement du copteur, le filtrage de données mais aussi des outils d'intelligence artificielle permettant d'interpréter

ces résultats intermédiaires.

James L. Crowley, pation, des chercheurs ont travaillé à Roger Mohr mettre au point des fonctions partielles de cet objectif ambitieux. En particulier, la vision du robot mobile est un des epérer les bottes qu’il va falloir thèmes de recherche du projet national cirer, se retrouver dans un déda- «communication homme-machine». le d’entrepôts pour livrer le colis La dépendance des principales fonc- Rà sa destination, voilà quelques tâches tions à réaliser rend l'étude difficile car : futuristes pour un robot autonome. - l’estimation de la position du robot Leur réalisation passe par la capacité du passe par l’identification de points de robot à percevoir son environnement et repère ; à l’interpréter. Forts de cette préoccu- - l’identification des objets présents demande une modélisation qui structure Vision and mobile robot - Vision is a spatialement l’ensemble des indices vi- natural method for a mobile robot to suels qui peuvent être perçus ; sense its environment. Results obtai- - la modélisation nécessite un appren- ned in the vision community tissage durant lequel sont fusionnés les presently allows a robot to build a 3D différentes vues et leurs indices, cette representation from multiple views fusion exigeant une estimation correcte and to locate itself with respect to du déplacement du robot entre chaque such a modeled universe. prise de vue. Interpretation goes above such a geometric model and requires tools from artificial intelligence; si- La vision stéréoscopique gnifîcant results in interpretation are Si le modèle existe et est suffisam- Fig. 1 • Le robot mobile du LIFIA yet to be achieved. ment simple, on peut se repérer à partir équipé d'un couple de caméras pour la vision stéréoscopique.

102 LE COURRIER DU CNRS N* 77

que. Donc, il sera nécessaire de conju- guer les différentes mesures prises lors d’un déplacement afin de filtrer les mesures et les affiner. La figure 2 offre une image de ce qui peut être obtenu à l’heure actuelle : on y voit la projection d’une pièce reconstituée à l’aide de 40 vues stéréoscopiques. L’interprétation d’une scène passe par une identification des différents objets qui y sont présents. Sur des considé- rations purement géométriques, on est actuellement capable d’identifier des objets simples qui diffèrent peu d’un modèle rigide. En revanche, les objets définis moins précisément à l’aide de mesures ne peuvent pas être actuellement identifiés. Que l’on songe à ce que peut être une chaise sur le plan géomé- trique ! Les approches nécessaires pour ce faire doivent utiliser des raisonnements déductifs propres à l’intelligence artificielle. Il est nécessaire d’intégrer des informations relatives au contexte : selon leur environnement, deux surfaces géométriquement identiques pourront être vues par exemple comme un ballon ou un globe de lampe. Les techniques décrites dans l’article de G.Girau- Fig. 2 - Après intégration de 40 vues stéréoscopiques, une vue illustrant le modèle géométrique de la pièce qui a été reconstruit (Résultats de don et M.Thonnat sont une voie possi- Z.I Zhang etO. Faugeras, INRIA, Sophia-Antipolis). ble.

James L. Crowley, professeur à l’Institut national polytechnique de Grenoble, Labora- d’une seule image (voir l’article de deux ou trois images permet une recons- toire d'informatique fondamentale et d'intelli- M.Richetin et M.Dhome). Si l’on doit truction partielle de l’espace. Ces me- gence artificielle (URA 394 CNRS). opérer une modélisation géométrique, sures sont cependant peu précises : en l’état actuel des techniques nécessite effet la résolution des images électroni- Roger Mohr, professeur à l'Institut national polytechnique de Grenoble, Laboratoire d’équiper le robot d’un système de prise ques (quelques centaines de milliers de d’informatique fondamentale et d'intelligence de vue stéréoscopique (à deux ou trois points) reste bien faible en regard de ce artificielle (URA 394 CNRS), 46, rue Félix caméras, voir figure 1): la fusion des qu’offre l’œil ou le support photographi- Viallct, 38031 Grenoble Cedex.

The agricultural robot - Automation Le robot aux champs of agricultural tasks can be achieved by the introduction of robots able to Par temps couvert ou sous le soleil, le robot cueilleur doit reconnaître intervene on biological objects located in a biological environment. The wide un fruit plus ou moins bien formé et à la coloration variable. range of colours and shapes, and the Comment pourrait-il se passer de «vision»? unpredictable position of objects to be handled imply that artificial vision can be suited to their detection and location. Attention is mainly focused on Gilles Rabatel, objets suggèrent que la vision par ordi- fragile fruit harvesting. ______^ Pierre Baylou nateur est un moyen privilégié pour dé- tecter et localiser ces objets en vue de automatisation intégrale de fournir les informations nécessaires l’agriculture ne pourra s’ache- pour une intervention sélective. miner l’aspect d’une scène fruitière : les L’ver que grâce à l’introduction Parmi les problèmes les plus étudiés caractéristiques intrinsèques de ce type de moyens robotisés permettant d’inter- actuellement figurent la traite des va- de scène (disposition spatiale et proprié- venir sur des objets biologiques eux-mê- ches et la récolte des fruits fragiles, ce tés de réflexion des objets) mais aussi du mes disposés dans un environnement dernier étant exemplaire des difficultés type d’éclairage qui l’illumine. Ceci biologique. La variété de formes et de rencontrées par le concepteur. nous a conduits à élaborer un modèle couleurs, la dispersion de la position des Divers éléments contribuent à déter- permettant de décrire, en particulier, les ►

LE COURRIER DU CNRS N* 77 103

INTERPRETER ET RECONNAITRE

automatiquement ajustés lors d'une phase d’apprentissage au cours de laquelle on désigne au système des exemples de pixels appartenant à une région « fruit » et à une région « non-fruit » pour la prise en compte des variations d’aspect induites par les conditions mé- téorologiques. Les algorithmes de traitement ont été implantés sur des moyens de calcul bas de gamme qui rendent possible cependant la localisation d’un fruit en quelques dixièmes de seconde. Le capteur est composé de deux caméras minia- tures dont l’une est équipée d’un filtre interférentiel à 950 nm. Il a permis de détecter correctement des pommes de couleur verte (Granny Smith) qui se ca- ractérisent par un faible contraste colo- rimétrique par rapport au feuillage. Toutefois, en présence d’un ensoleille- ment intense, la dynamique des intensi- tés d’éclairement perçue dans la scène nous a amenés à introduire des non-li- néarités dans l’algorithme de segmentation polychrome et à ajouter un éclaira- ge d’appoint pour illuminer, en particulier, les fruits ne percevant pas le rayonnement direct du soleil.

variations de l’apparence colorée du quetés, mais aussi des blocs connexes fruit en fonction des conditions météo- représentant des images d’amas de rologiques. En effet, le modèle révèle fruits qu’il est nécessaire de diviser. Gilles Rabatel, ingénieur de recherche au Centre national du machinisme agricole du que l’apparence colorée des fruits se Des critères de taille (aire de blocs génie rural des eaux et des forêts, Groupement modifie selon que le temps est ensoleillé connexes) et de forme (ratio longueur/ de Montpellier, 361, rue J.F. Breton, BP 5095, (éclairage direct monoincident) ou qu’il largeur, régularité du contour) permet- 34033 Montpellier Cedex 1. est couvert (éclairage diffus) ; dans ce tent d’aboutir à la détermination de Pierre Baylou, maître de conférences à cas, la participation des rayons réfléchis blocs de pixels représentatifs de fruits l’Ecole nationale supérieure d’électronique et sur les feuilles contribue à accentuer la isolés. de radioélectricité de Bordeaux, 351, cours de composante verte des rayons provenant Les paramètres de segmentation sont la Libération, 33405 Talence Cedex. des fruits. S’adapter aux conditions d’éclairement Ces résultats ont été utilisés pour mettre en œuvre une approche de segmentation ponctuelle (c’est-à-dire indépen- dante du contexte de l’image) basée sur des critères polychromatiques, en prenant en compte la variabilité de l’éclai- rage dans des limites que la modélisa- tion précédente a permis de préciser. La minimisation du taux d’erreur d’étiquetage des pixels (en fruit/non- fruit) a permis de déterminer le capteur polychrome optimal qui tire le meilleur parti de la différence entre la réflectance des fruits et celle des autres objets composant la scène. Il a été démontré que l’utilisation de deux bandes spectrales (dont l’une dans le proche infrarouge et l’autre spécifique du fruit) apporte une solution bispectrale satisfaisante.

La segmentation ponctuelle issue du traitement précédent fournit une image binaire comportant des pixels mal éti- Modélisation de différentes situations d’éclairage sur un fruit sphérique ; (a) éclairage diffus (ciel) ; (b) éclairage directionnel (soleil).

104 LE COURRIER DU CNRS N° 77

Le robot dans la mine

La robotisation de l'abattage sélectif dans les mines nécessite de doter les machines de capacités visuelles qui leur permettent d'agir sur un environnement évolutif. Jean-José Orteu Maurice Briot

L’abattage sélectif dans les mines tient compte de la localisation de la minéralisation Fig. 2 - Image brute du front de dans la section creusée. Si l'on veut ro- - Fig. 1-Machine ALPINE AM-100 taille. botiser les machines de creusement à en action. attaque ponctuelle, il faut organiser l’abattage en fonction de cette informa- du minerai sur le front de taille, traduire tion. Cette automatisation est intéres- cette distribution en termes de coordon- sante à plusieurs titres : gage de qualité nées 3D afin de la localiser dans un re- et productivité accrue, mais aussi amé- père lié à la machine. lioration de la sécurité et des conditions La finalité du projet est de munir une machine de tous les capteurs, action- de travail. neurs, structure de contrôle et moyens informatiques embarqués nécessaires C’est ainsi qu’un projet de recherche pour mener à bien l’abattage sélectif au- entrepris en vue d’automatiser l’abattage tomatique (Fig. 1). sélectif dans une mine de po- La détection de la minéralisation va- tasse située près de Barcelone en lorisable différant selon le type de mine- Espagne. Dans ce type d’exploitation on rai et de gisement, le point de départ a trouve de la sylvinite (minerai riche), du consisté en une investigation des interfa- érile, c’est à dire économiquement ces minerai/stérile et des moyens de les inexploitable), et de la carnalite (roche détecter. C’est la vision par ordinateur Fig. 3-Résultat de la dure utilisée pour un soutènement qui s’est imposée comme la solution la classification des régions naturel). plus prometteuse pour se substituer à la obtenues par segmentation de vision humaine afin de reconnaître la l'image du front de taille. Réaliser une «carte de la composition du front de taille à abattre. Les mineurs semblant utiliser notam- types (apprentissage) pour déterminer paroi » ment l’information colorimétrique (la les caractéristiques statistiques de cha- Les moyens à mettre en œuvre pour sylvinite présente un aspect plus rouge cune des classes en présence (trois dans assurer l’automatisation consistent à que le sel qui est plutôt orange ou blanc, notre application) et permet d’implan- munir la machine des capteurs extéro- voir la figure 2), notre choix s’est porté ter une stratégie de classement optimal. ceptifs adéquats et à utiliser les sur une approche « segmentation d’ima- Pour fournir une « carte de la paroi » capacités de perception de la machine ge couleur». dans un repère lié à la machine d’abatta- pour produire une « carte de la paroi » ge, il faut être en mesure d’identifier la destinée à guider le module chargé de Segmenter et classifier relation existant entre un point d’une générer automatiquement la trajectoire image et le point 3D du front de taille de l’outil. La réalisation de cette carte Le problème peut être divisé en deux : un problème classique de segmentation qui lui correspond. Ce problème a été passe par deux étapes : reconnaître la résolu en définissant un modèle de ca- distribution où il s’agit de découper l’image en ré- gions d’aspect visuel homogène ; un pro- méra (du deuxième ordre puisqu’inté- Computer vision applied in blème de classification, puisqu’il faut grant le phénomène de distorsion géo- selective cutting in a potash mine – déterminer pour chacune de ces régions métrique lié à l’utilisation d'objectifs Automation mining operations s’il s’agit de carnalite, de sylvinite ou grand-angle) et en calibrant les paramè- tres gouvernant la transformation entre involves\mputer the vision use ofapplied sensing, to sélective remote de sel. monitoring and control systems to Le premier problème a trouvé une un point 3D et le point image correspon- confront a variety of situations and solution grâce à un algorithme de sépa- dant : paramètres du modèle de la camé- environmental conditions. In order to ration-fusion basé sur des critères d’uni- ra et position de celle-ci sur la machine. separate rich from waste at the formité colorimétrique. La procédure Le front de taille ne pouvant être em- cutting stage, the problems to be d’identification est basée, quant à elle, brassé depuis un point de vue unique, solved are those of modelling an sur les règles de décision obtenues lors nous avons dû prévoir deux caméras uncontrolled, changing mine d’une étape préliminaire d’analyse dis- (chacune d’elles voyant une partie de la environment and programming criminante. Celle-ci exploite l’informa- paroi) et reconstruire une image unique. the machine to cut a pattern tion apportée par un ensemble de proto- Pour cela, nous avons utilisé la connais- accordingly. Color image segmen- sance précise de la géométrie du systè- tation, automatic image classi- me stéréoscopique fournie par le cali- ► fication, camera calibration and 3D scene perception can cooperate to solve such a complex problem as 105 selective cutting.

LE COURRIER DU CNRS N* 77

INTERPRETER ET RECONNAITRE

► brage pour concaténer les images après des logiciels et méthodes développées, projection de celles-ci sur le front de et d’assurer les diverses mises au point Jean-José Orteu, chercheur au Labora- toire d’automatique et d’analyse des systèmes taille, sans qu’aucun appariement entre nécessaires pour faire du système un vé- (UPR 8001 CNRS). primitives extraites dans chacune des ritable prototype industriel. images ne soit nécessaire. Maurice Briot, professeur à l'université Paul Sabatier, Laboratoire d’automatique et Ce système est en cours d’installation Travail réalisé dans le cadre d'une convention de d’analyse des systèmes (UPR 8001 CNRS), 7, sur une machine et des essais ont com- recherche avec le CERCHAR devenu l'INERIS avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Ce- mencé afin de tester in situ la fiabilité depuis le 01101/91. dex.

De l'image à Computer assisted medical interventions - Modelling of medical images l'intervention chirurgicale aims at improving the understanding of complex pathologies, but it also helps a surgeon to plan and perform La modélisation d'images médicales diversement acquises permet precise interventions. Some of the d'aider un médecin ou un chirurgien à comprendre une pathologie, mais main problems of this new field of research are the segmentation of 3D aussi à planifier et à réaliser une intervention avec précision et facilité. structures, the matching of multimo- dality images, the optimization of surgical strategies and the adaptation of Jacques Demongeot, robotics systems. The first clinical re- Stéphane Lavallée, sults are promising, for instance in the case of stereotactic neurosurgery Philippe Cinquin . clinique dans le service de Neurochirur- gie du CHU de Grenoble pour position- e but du programme de recherche ner, en fonction d’images pré- et per- Gestes médico-chirurgicaux assis- opératoires, un guide à travers lequel tés par ordinateur est d’aider les une sonde peut être introduite dans le médecinsL et les chirurgiens à planifier et cerveau des patients. De nombreux au-

à réaliser des interventions en traitant tres exemples sont à l’étude. des images acquises avant et pendant Ces systèmes de guidage ne remplace- l’intervention (images pré- et per-opéra- ront pas bien sûr le chirurgien ni le mé- toires). La synthèse d’images réalistes decin. Ils constitueront une aide utilisa- en trois dimensions améliore la compré- ble dans certaines phases particulière- hension qualitative de la pathologie. ment délicates, précises, dangereuses Ces images 3f) permettent également Environ 200 interventions ont été ou longues de l’intervention où ils per- d’optimiser les trajectoires des outils réalisées à l’aide d’un système mettront de gagner en facilité, en préci- chirurgicaux, ou de prévoir les consé- robotisé (DMD) permettant de sion, en fiabilité et en temps. quences du geste. Ceci impose une iden- positionner un guide iinéaire en fonction d’images pré- et per- opératoires (biopsies de tumeurs, Recherche partiellement financée par introductions d'électrodes pour Digital. supprimer le tremblement dans la maladie de Parkinson, curiethérapies interstitielles...). Jacques Demongeot, professeur à l' Université Joseph Fourier, Groupement tification des structures sur lesquelles IMAG (GDR 921 CNRS), Laboratoire porte le geste (segmentation d’images «Techniques de l’informatique, des mathéma- 3D) et nécessite la mise en correspon- tiques, de la microélectronique et de la dance d’images diverses qui ont chacune microscopie quantitative » (USR 69 CNRS). leur intérêt spécifique. Il est ensuite fon- Stéphane Lavallée, chercheur contrac- damental de conserver la précision avec tuel au CNRS, Laboratoire «Techniques de laquelle a été définie la stratégie lors de l’informatique, des mathématiques, de la mi- la réalisation du geste lui-même. Des croélectronique et de la microscopie quantitative» (USR 69 CNRS). Choix de la trajectoire sur une « systèmes de guidage » reliés à des cap- image combinant représentation teurs permettent de retrouver les consi- Philippe Cinquin, professeur à l’Univer- 3D de la peau et visualisation d’une gnes de la stratégie dans un référentiel sité Joseph Fourier, Laboratoire «Techniques coupe oblique. Cette image est de l’informatique, des mathématiques, de la opératoire. microélectronique et de la microscopie quanti- synthétisée à partir de coupes IRM Ces principes ont été appliqués à la (imagerie par résonance tative» (USR 69 CNRS), Faculté de médecine neurochirurgie stéréotaxique et, depuis de Grenoble, Domaine de la Merci, 38700 La magnétique), après modélisation Tronche. continue du volume sur VAX. mars 1989, un robot est utilisé en routine

106 LE COURRIER DU CNRS N° 77

doute que la fonction élémentaire sous-

jacente, une sinusoïde, a bien peu d’affi-

Les irrégularités de

nité avec la réalité du signal à interpré-

ter.

Pour aller plus loin, on a commencé à

la rotation terrestre

utiliser un filtrage dérivé du CENSUS-

Xii, décomposant le signal en catégories

de variabilité plutôt qu'en bandes de fré-

Le signal rotation de la Terre est la superposition de

quence. Par ailleurs, la méthode de ré-

signatures géophysiques multiples. Comment les démêler?

solution multifréquence, dans sa version

d’analyse en ondelettes, repose sur une

fonction élémentaire plus adaptée à no-

tre signal ; son usage permet la mise en

domaine de l’explication des observa- Martine Feissel,

évidence de concomitances entre diver- tions, alors que, pour les besoins de la

Daniel Gambis

ses plages de fréquence qui apportent un navigation spatiale, il y a par ailleurs un

éclairage nouveau sur la variabilité de la besoin d’estimation et de prédiction,

rotation terrestre.

couvert par des filtres autorégressifs ou

i la Terre, soumise à l’action du

par le filtrage de Kalman, combinés

couple luni-solaire, était un ellip-

éventuellement avec une décomposition

soïde homogène, les perturbations

spectrale approchée.

de sa rotation sidérale auraient un spec- S

En ce qui concerne l’explication des

tre, certes très riche, mais qui ne con-

observations, les méthodes fondées sur

tiendrait que des termes dont les pério-

l’analyse harmonique (transformée de

des sont prédites par la mécanique (plu-

Fourier, maximum d’entropie, moin-

sieurs centaines). L’estimation de leur Martine Feissel, astronome à l'Observa-

dres carrés...), associées à des filtrages

amplitude ne poserait pas de problème toire de Paris, Unité «systèmes de référence

fréquentiels (numériques, splines...), spatio-temporels» {URA 1125 CNRS). particulier à l’analyste, à condition tou-

même organisées en des séquences ad

tefois de disposer de séries de mesures à Daniel Gambis, astronome-adjoint à

hoc, échouent à isoler les différents

la fois denses et longues, puisque les l’Observatoire de Paris, Unité «systèmes de ré-

constituants du signal dans le détail de férence spatio-temporels» (URA 1125 CNRS), périodes s’échelonnent entre un jour et

61, avenue de l'Observatoire, 75014 Paris. leur variabilité. La cause en est sans vingt ans. Mais la Terre a un noyau li-

quide, un manteau visqueux, une hy-

drosphère et une atmosphère parcourus de courants plus ou moins permanents, ayant des constantes de temps de la jour- née au siècle et plus. Par la vertu du principe de conservation du moment ci- nétique, toutes les variabilités d’origine géophysique viennent se superposer au signal d’origine astronomique dans les \ séries chronologiques.

L’explication géophysique des observations Le signal rotation de la Terre présente ainsi un mélange inextricable d’irrégula- rités et de récurrences ; il s’agit donc de développer des méthodes qui puissent isoler avec exactitude les composantes attribuables aux différentes causes, pour remonter à l’explication géophysi- que. Précisons que l’on est ici dans le

i The earth rotation irregularities disentangled - The time series the parameters of which describe the irregularities of the Earth ’s rotation exhibit a mixture of signatures attributable to the core, mantle, hydrosphere and atmosphere of our planet. The various

methods based on harmo n ic analysis and least squares fail to describe the detailed variability associated. Proces- Résultats de l’analyse de la transformation par ondelettes d’une série de la sing methods borrowed from econo- durée du jour sur l’intervalle 1962-1990 après désaisonnalisation par le filtrage CENSUS-XI i. On remarque ainsi des plages de fréquences actives metry and the recently developped wa- à certaines époques. Il semble que des relations non-linéaires puissent être velet analysis seem more appropriate. mises en évidence entre les longues et les courtes périodes (1 000 jours d’une part, et 50-80 jours d'autre part).

LE COURRIER DU CNRS N° 77 107

INTERPRETER ET RECONNAITRE

Les oscillations de

Solar surface oscillations - The Sun,

shaken by the turbulent convective

layers located beneath its surface, can

la surface du Soleil

vibrate following a very large number

of individual eigenmodes. Time series

of the quasi vertical oscillatory motion

Qu'est-ce qui fait vibrer le Soleil ? Les mécanismes du phénomène et la

of the solar surface are produced with

structure interne de l'astre peuvent se déduire de la mesure de la vitesse

maximum possible continuity over

weeks or even months. Each acoustic verticale des mouvements de surface.

solar eigenmode produces a peak in

the Fourier spectrum, which has to be

Eric Fossat, ment, utilisant l’effet Doppler engendré deconvolved from the temporal win-

par les mouvements oscillatoires de la dow function and then analyzed in dif-

Gérard Grec,

surface visible du Soleil. Les amplitudes ferent parameters providing some in-

Bernard Gelly,

vont de 20cm/s au maximum jusqu'à formation on the physics and the

François-Xavier Schmider moins de 1 cm/s au seuil de détectabilité internal solar structure.

actuel. La difficulté réelle n’est pas dans

qui diffèrent essentiellement par la si- le rapport signal sur bruit, mais plutôt

tuation de leur limite inférieure). Pour

dans le temps d’intégration nécessaire.

l n’y a qu’un peu plus de dix ans que être quantitativement exploitables au

l'héliosismologie existe sous cette niveau de connaissance du «modèle»

Des problèmes de temps

dénomination, après que l’on se soit solaire (disons un pour cent), il faut

rendu compte que le Soleil, secoué par

d’intégration donc que ces différences de fréquences,

la turbulence convective qui transporte

L’exploitation scientifique des me- qui sont de l’ordre de quelques milliè-

l’énergie interne jusqu’à sa surface, peut mes, soient mesurées à mieux que un pour sures correspondantes en terme de

entrer en résonance et vibrer suivant un structure interne nécessite de mesurer cent. Les fréquences individuelles doivent

-5

très grand nombre de modes propres. les paramètres de chacun de ces modes donc être estimées à 10 près.

Ce grand nombre (qui se chiffre en mil- propres avec la plus grande précision " près.

lions, tous harmoniques sphériques

possible. A titre d’exemple, les fré-

confondus), fournit une possibilité de

quences d’oscillation fournissent d’ab-

diagnostic sismologique extrêmement

ord une information intégrale (le temps

riche, chacun de ces modes propres de parcours d’une onde sonore dans sa

étant en fait «piégé» dans une cavité cavité résonante), mais aussi et surtout

comprise entre la surface et une profondes informations différentielles (petites

deur qui lui est spécifique.

différences entre des intégrales voisines

La mesure se fait spectroscopique-

Fig. 2 - Examiné de plus près, un pic quelconque du spectre acoustiqueI de la figure 1 montre une largeur naturelle de l’ordre de 1 mIcroHz, correspondant à une durée de vie de la phase de l'ordre de 3 jours. Le profil théorique simulé ici est une courbe de Lorentz, mais le nombre de «tranches temporelles» à phases Indépendantes qui peut être analysé est Insuffisant pour moyenner les effets visibles d’interférence, qu’il ne faut pas Fig. 1 • Spectre acoustique du Soleil, montrant la présence d’environ 80 confondre avec du bruit. Des fréquences propres dans une bande comprise entre 2 et 5 mHz, méthodes spécifiques doivent être correspondant à des périodes de 3 à 8 minutes. Les amplitudes utilisées pour extraire le plus individuelles, mesurées en effet Doppler, vont de 2 à 20 cm/s, ce qui précisément possible les paramètres correspond à des «vagues» à la-surface du soleil de quelques mètres de de cette Lorentzienne. hauteur.

108 LE COURRIER DU CNRS N“ 77

ment. Les pics se chevauchent alors, ils ne sont donc plus résolus et il devient très difficile de mesurer chaque fré- quence individuelle.

Les données fournies par IRIS Les mesures effectuées au moyen de l’instrument IRIS, développé dans notre équipe, utilisent le Soleil «comme une étoile», sans imagerie. Un réseau de huit stations de mesure complémen- taires en longitude et en latitude est en cours d’installation, afin d’obtenir des données contenant un minimum d’inter- ruptions. Environ quatre-vingt modes propres sont accessibles, les trois quarts d’entre eux étant décomposés en multiplets de deux, trois ou quatre composants. Une approximation importante pour la compréhension de la physique consiste en un traitement asymptotique de ces modes propres (asymptotique au sens d’un grand nombre de nœuds radiaux comparé au nombre de lignes de nœuds en surface). Cette approximation asym-

ptotique est bien décrite par une repré- sentation des fréquences mesurées sur un diagramme-échelle (Fig. 3), qui fait Fig. 3 • Les fréquences des modes propres visibles sur la figure 1 sont apparaître la quasi-équidistance d'har- assez bien représentées par un développement asymptotique qui les moniques radiaux successifs comme des alignerait verticalement sur ce diagramme-échelle, où elles figurent sur des lignes quasi-verticales. Moyennant des lignes horizontales consécutives, modulo un écart (136 microHz) qui est la hypothèses de régularité du modèle, ce fréquence du son fondamental, lui-même absent du spectre. Les écarts à la diagramme peut permettre d’améliorer verticalité sont prédits par le terme suivant du développement asymptotique, et permettent d’extraire des paramètres ayant une statistiquement les comparaisons entre signification physique et reliés à la structure du cœur thermonucléaire du fréquences mesurées et calculées. Soleil. L’évolution de tous les paramètres L’outil mathématique est évidem- dans une transformée de Fourier ont avec le cycle d’activité du Soleil va pro- ment la transformation de Fourier d’un donc une certaine largeur naturelle, et la bablement permettre, dans un avenir signal temporel à une dimension, ou précision possible sur la mesure d’une proche, de localiser la profondeur des toujurs ramené à une dimension. La fréquence ne croît alors qu’avec la ra- mécanismes générateurs du champ ma- signature d’un mode propre est alors un cine carrée du temps d’intégration au- gnétique cyclique. pic dont la fréquence, la hauteur, la delà de ces quelques jours ; en effet, une largeur, le profil et la décomposition en réalisation mesurée ne contient qu’un multiplets par la rotation sont autant de nombre fini d’oscillations amorties, de paramètres qui contiennent de l’infor- phases indépendantes, qui interfèrent tion sur la physique du milieu. aléatoirement (Fig. 2). Ce discours a besoin d’être illustré de En outre, ces pics sont déformés par quelques chiffres. Tous les modes pro- les effets de la fenêtre d'observation pres de vibration du Soleil détectés jus- temporelle. Il n’est en effet pas possible, qu’à présent ont des périodes voisinesde sauf dans l’espace, d’obtenir des don- cinq minutes (Fig. 1). Les battements nées d'observation totalement conti- Eric Fossat, astronome à l’Observatoire entre modes propres voisins qui partici- nues sur de telles durées. Bien que tous de Nice-Côte d’Azur, Département d’astrophy- les projets actuels d’héliosismologie ten- sique de l’Institut de mathématiques et de pent au signal mesuré se chiffrent alors sciences physiques (URA 709 CNRS) sures et en jours, et on voit apparaî- dent vers ce but, il faut composer avec tre le problème du temps d’intégration ce que l’on possède, et déconvoluer le Gérard Grec, chargé de recherche au plus efficacement possible les effets de CNRS, Département d’astrophysique de (il fait en général nuit une fois par jour l’Institut de mathématiques et de sciences phy- un peu partout). Pour obtenir une préci- fenêtre. Une déconvolution linéaire siques (URA 709 CNRS) sion relative de 10-5 sur une mesure de simple est efficace tant que le coefficient Bernard Gelly, chargé de recherche au fréquence, il semblerait qu’un temps de remplissage temporel ne tombe pas CNRS, Département d'astrophysique de d’intégration de cent mille fois cinq mi- trop en dessous de 75 pour cent. l’Institut de mathématiques et de sciences phy- nutes (soit un an environ) soit Il faut encore savoir que dans la dé- siques (URA 709 CNRS). Université de Nice- nécessaire et sans doute suffisant. composition en multiplets par la rota- Sophia Antipolis, Parc Valrose, 06034 Nice Ce- dex. Malheureusement, il n’en est rien, car tion, la séparation entre les composan- ces modes propres ont des temps tes individuelles d’un multiplet est un François-Xavier Schmider, chercheur, caractéristiques d’excitatation et peu inférieure à la largeur naturelle pro- Instituto de astrofisica de Canarias, La Laguna, d’amortissement de quelques jours. Les duite par les phénomènes d’amortisse- Tenerife, Espagne. pics correspondants

LE COURRIER DU CNRS N° 77 109

INTERPRETER ET RECONNAITRE

que par la profondeur de la région insta- La morphologie ble) et par le fait que la zone de convection supérieure est recouverte par une région stratifiée. des granules solaires La photosphère, mince couche d’où nous provient le rayonnement visible du Soleil, présente une structure granulaire dont les éléments, d’une durée de vie La granulation solaire est-elle un phénomène turbulent? La moyenne de 10 minutes, évoluent conti- nuellement en forme et en dimension dimension fractale des éléments qui la composent permet d'en (Fig. 1). Ces granules solaires sont géné- décider. ralement identifiés comme étant la ma- nifestation de la pénétration des élé- Thierry Roudier ments convectifs dans les couches stratifiées supérieures. Cependant, la détermination des nombres de Rey- nolds et Prandtl de cette couche indique des valeurs qui sont typiques de la convection turbulente. Utiliser la dimension fractale Parmi les différentes possibilités permettant de tester si la granulation solaire est un phénomène turbulent (par exemple, l’analyse du spectre de puissance des champs de vitesse), une mé- thode consiste à étudier la dimension fractale des structures la composant. Cette dimension fractale est déduite de l’analyse des formes des granules par la relation entre l’aire (A) et le périmètre (P), P ~ AD/2 où D est la dimension fractale. Pour les formes «douces» (cercle, carré...), cette dimension vaut 1 et tend

vers 2 lorsque le périmètre devient irré- gulier. Fig. 1 - Champ de granulation solaire. Les granules moyens ont une L’extraction des paramètres structu- dimension d'environ 1 000km, une durée de vie de 8 minutes et une raux (A, P, moments) des granules du vitesse ascendante de 3 600 km/h. étude de la zone convective du Soleil est devenue un des su- L jets majeurs de la physique solaire aux nombreuses implications dans d’autres domaines astrophysiques comme la cosmologie, depuis que le Soleil permet de tester les théories de convection turbulente. Les conditions physiques présentes dans cette couche diffè- rent essentiellement des conditions de laboratoire par les effets non-Boussi- nesq très marqués (la longueur d’échelle de la convection est probablement dé- terminée par l’échelle de hauteur, plutôt

Solar granulation - The solar photos- phere shows a granular pattern in which elements evolve continuously in shape and size. In order to test the turbulent origin of this granulation, we compute the fractal dimension oj its components. In addition, this mor- phological analysis allows the iden tification of the hierarchical organization of the convective cells.

110 LE COURRIER DU CNRS N° 77

champ chaotique d’intensité consiste en des cellules d’ordres supérieurs qui sont un filtrage numérique simulant le procé- liées à des éléments convectifs connus : CNRS-AUDIOVISUEL dé photographique «masque flou», sui- les mésogranules (~ 5 à 6 000km). Ain- 1place Aristide Briand 92195 Meudon Cedex vi d’une segmentation. La relation entre si l’analyse morphologique des granules log A et log P représentée sur la figure 2 solaires permet d'envisager la nature LE TROU D’OZONE est linéaire, elle indique la self-similarité turbulente des plus petits éléments, des granules solaires et la nature fractale mais aussi d’identifier l’organisation SUR L’ANTARCTIQUE de ces objets. La dimension fractale D hiérarchique des cellules convectives. EN 1987 déduite de cette relation pour les granu- Sur des images •satellite» de la NASA, les dont le diamètre est inférieur à observation des variations d'épaisseur de la couche d'ozone atmosphérique au pôle 1 000 km, D = 1,25, est en bon accord sud d'août à décembre 1987, grâce à un avec la valeur postulée de D = 4/3 pour retraitement en fausses couleurs. la turbulence (isobar) homogène et iso- Image : NASA trope. La taille critique (diamètre = Mark R. Schoeberl et Arlin Krueger Commentaire : Claude Faure 1 000 km) séparant les deux régimes des et Gérard Mégie granules solaires correspond à l a taille Thierry Roudier, chargé de recherche au Production : CNRS Audiovisuel de fragmentation des éléments convec- CNRS, Unité «Pic du M idi» (URA 1281 7 minutes ■ 1989 tifs. L’organisation spatiale de chacun CNRS), Observatoire Midi-Pyrénées, 14, ave- de ces types de granules fait apparaître nue Edouard Belin, 31400 Toulouse.

L'activité solaire sous analyse

La compréhension du Soleil passe par l'étude précise des champs de vitesse observables à sa surface. A cet égard, les méthodes de traitement d'images appliquées aux taches et aux filaments sont des plus fructueuses.

Elisabeth Ribes, par les mouvements de rotation de Pierre Mein l'astre et les phénomènes de convection. Le mécanisme dynamo en usage repose sur l’interaction de la rotation es spectrohéliogrammes sont des différentielle et d’un mode convectif à images monochromatiques du grande échelle. Si la rotation de surface Soleil, sensibles à différents para- est assez bien connue, la convection mètres thermodynamiques de l’atmos- globale, telle qu’elle a ét é prédite, n’a L jamais été détectée. Nous avons donc phère solaire. Ils révèlent l'existence de structures variées (taches, facules bril- fait usage de la collection de Meudon, lantes, filaments sombres), toutes gou- qui porte sur près d’un siècle, pour vernées par le champ magnétique et im- étudier le mouvement des taches, pôles plantées dans un milieu fortement tur- magnétiques des petits aimants qui bulent. Ces structures sont donc sou- apparaissent en surface avec une mises à des déformations, compliquées période de onze ans. L’idée physique sous-jacente est Analysis of solar activity from d’utiliser la propriété du champ magné- spectroheliograms - Daily spectrohelio- tique solaire d’être gelé dans le plasma grams hlave been collected for over convectif, de sorte que tout mouvement almost a century at the Observatoire de de surface des taches reflète la dynami-.

Paris. These exhibit various magnetic que interne à l a zone convective. Les mouvements convectifs prédits étant de structures, sunspots, faculae,filaments, Fig. 1 - Spectrohéliogrammes letwork which are ail governed by the faible magnitude (quelques dizaines de obtenus à l'Observatoire de underlying turbulent fluid. Here, we m/s), une numérisation des images per- Paris,I à Meudon, dans l'aile violette, report on some examples of image- met la détermination des structures avec puis au centre de la raie du calcium processing techniques and pattern re- une précision comparable au signal re- ionisé (393,3 nm), et au centre de la cognition to isolate and track the va- cherché. Dans un premier temps, la po- raie de l’hydrogène (656,3 nm), Ha- rious magnetic features with the aim sition des taches, objets approximative- Toutes ces structures magnétiques of detecting velocity fields at the surfa- ment circulaires, a ét é déterminée par observées dans l'atmosphère solaire ce with an unequaled accuracy. son barycentre défini avec des seuils sont gouvernées par le fluide d’intensité variable, permettant de dis- convectif turbulent interne. tinguer la structure fine des taches. Grâ-

LE COURRIER DU CNRS N° 77

INTERPRETER ET RECONNAITRE

ce à cette technique, une circulation à grande échelle, en forme de rouleaux parallèles à l 'équateur, a é té mise en évidence sous la surface solaire.

Comme pour la reconnaissance de la parole Au contraire des taches et des facules brillantes qui sont le siège de champs magnétiques localisés et intenses, les filaments servent de frontière aux structures magnétiques à grande échelle. Il importe de savoir comment ils se si- tuent par rapport aux rouleaux convectifs. Les filaments sont des objets filifor- mes, qui se cassent, se ressoudent, disparaissent puis réapparaissent. Leur analyse comporte trois phases : l ’isolement de la structure, l’association filament d’une image à l’autre, et la m en correspondance des deux objets pour pouvoir en déterminer le mouvement L’extraction des structures se fait au moyen de filtres de traitement d’images. Par cascades de filtres, on isole les objets du reste de l’image. Les deux autres phases concernent la poursuite des structures et leur association. La métho- de utilisée est empruntée aux techniques de reconnaissance de la parole : le filament le plus court est identifié à un mot alors que le filament le plus long est identifié à une phrase. Le problème de la correspondance consiste à replacer le mot dans la phrase, au moindre coût. Cette programmation dite «dynamique» trouve son analogie dans l’expé- rience du voyageur de commerce qui doit effectuer un parcours optimal pour passer par un nombre N de villes dans un temps limité.

Le profîl de la rotation du Soleil reconstitué Les résultats obtenus sont très performants et vont nous permettre de reconstituer le profil de rotation de surface avec une précision inégalée. Comme le cycle magnétique solaire est un jeu sub- til entre la rotation et la convection, on peut détecter des ruptures d’équilibre préfigurant les émergences d’activité et phénomènes éruptifs associés, avec 1es conséquences que l’on connaît sur l’io- nosphère, la magnétosphère, et probablement sur l’atmosphère terrestre.

Fig. 2 - Traitements d’image et programmes de reconnaissance de forme I appliqués aux spectrohéliogrammes Ha de la raie de l’hydrogène. La poursuite se fait en plusieurs étapes : à partir du cliché numérisé (450x450 Elisabeth Ribes, directeur de r echerche. pixels) où les filaments apparaissent en blanc, viennent l’isolement des au CNRS, Observatoire de Pa ris, structures, puis l'association des structures d’un jour à l’autre, la, Laboratoire de physique solaire (URA 326 détermination de la ligne médiane du squelette pour la mise en CNRS). correspondance finale. (Traitement numérique développé au service CREA/ Pierre Mein, astronome à SP de l’Etablissement Technique Central de l’Armement, à Arcueil, par l'Observatoire de Paris, Laboratoire de Bertrand Collin). physique solaire (URA 326 CNRS), 5, place Janssen, 92195 Meudon Cedex.

112 LE COURRIER DU CNRS N°77

quel locuteur sans apprentissage indivi- Circuits et systèmes duel), pour un petit vocabulaire de mots isolés. Vecsys présentait en 1980, à partir des travaux du LIMSI, le premier de reconnaissance système de reconnaissance français de mots isolés (Moïse), puis, en 1982, le premier système monocarte de recon- vocale naissance de mots enchaînés : Mozart. De vingt mots isolés prononcés par un seul locuteur, à un millier de mots Au cours des années 80, une nouvelle approche «globale» probabiliste, basée en parole continue par un locuteur quelconque, la reconnaissance sur une modélisation Markovienne, est vocale a fait des progrès en vingt ans. Le problème n'est pourtant pas venue compléter l’approche acoustique, permettant, entre autres, de réaliser à encore résolu dans sa globalité. moindres frais des systèmes multilocuteurs, ou autorisant la reconnaissance Joseph-Jean Mariani, de grands vocabulaires. Christian Gagnoulet ^

est en 1972 que Threshold Technology Inc. (USA) rem- C’porta un National Award en présentant le premier système commer- cial de reconnaissance vocale. Le VIP 100, système d’un mètre cube environ, incluait un mini-ordinateur Nova 2/4 et un rack de filtres analogiques ! Le systè- me était monolocuteur, et capable de reconnaître un vocabulaire d’une vingtaine de mots, prononcés isolément. Il était fondé sur une approche de reconnaissance «globale», où le locuteur doit, pendant l’apprentissage, pronon- cer chaque mot du vocabulaire. Une forme acoustique issue de l’analyse du signal émis est mémorisée. Lors de la reconnaissance, la forme acoustique inconnue est comparée à toutes les formes de référence, et celle qui lui est la plus similaire désigne le mot reconnu. La préhistoire de la reconnaissance vocale Depuis lors, des améliorations ont été apportées à de tels systèmes, tant au plan technologique, grâce aux microprocesseurs, qu’au plan des performances, grâce à l’emploi d’algorithmes optimaux de programmation dynamique pour comparer les formes acoustiques. NEC (Japon) a ainsi réalisé en 1978 le premier système de reconnaissance de mots enchaînés en continu : le DP100. En 1979, la société américaine Dialog proposait le premier système multilocuteur (capable de reconnaître n'importe

Circuits and systems of speech recognition - The first isolated word speaker-dependent small vocabulary speech recognition system was marketed in 1972. Since then, theoretical progress has allowed for larger vocabularies, speaker- independence and continuous speech. VLSI ASICs have reduced the cost Le serveur téléphonique à commande vocale Acsys, réalisé sous licence and size of the systems, while CNET, et le circuit intégré de programmation dynamique μPCD réalisé increasing their quality. par le LIMSI en collaboration avec BULL et Vecsys, dans le cadre d’un contrat France-Télécom.

LE COURRIER DU CNRS N* 77 113

INTERPRETER ET RECONNAITRE

► La montée des performances pour la reconnaissance de 1 000 mots en ble, et que la prononciation en continu continu multilocuteur. En France, Vec- est une nécessité. D’autre part, cela im- Pour les services vocaux de télécom- sys et le LIMSI ont conçu en 1988 le plique des traitements linguistiques pro- munications, AT&T a réalisé des systè* circuit μPCD (70 Mops ou Millions pres aux langues traitées, afin d’ortho- mes multilocuteurs robustes, capables d’opérations par seconde) qui reconnaît graphier correctement les mots recon- de reconnaître, à travers le téléphone, 5 000 mots isolés, ou 300 mots en parole nus. La langue française est particulière- des petits vocabulaires de quelques di- continue. AT&T propose un circuit ana- ment difficile à traiter, car elle pose zaines de mots isolés ou enchaînés. Plu- logue de 50 Mops : la Graph Search Ma- de nombreux problèmes d’homophones sieurs opérateurs américains, tels Ame- chine. hétérographes, et parce que plusieurs ritech ou Nynex, proposent à présent Pour des applications bureautiques, formes existent pour les mots (conjugai- des services à commande vocale à tra- IBM présenta en 1985, sur PC, un proto- son des verbes par exemple), augmen- vers le réseau téléphonique. Le CNET a type de laboratoire monolocuteur, basé tant très nettement la taille du vocabu- conçu en 1986 un système analogue sur une approche Markovienne, capable laire «de base». (PHIL 86) et a mis en place en 1988 le de reconnaître 5000 mots isolés (étendu premier serveur à commande vocale à 20 000 mots en 1986). Pour effectuer français : Mairievox, permettant d’avoir cette reconnaissance en temps réel, des informations municipales. Acsys a IBM a réalisé en 1985 le circuit « Her- réalisé en 1989, à partir des travaux du mès » permettant de remplacer trois cal- CNET, plusieurs services audiotex des- culateurs vectoriels et un IBM 4341 par tinés au grand public. une électronique logée dans un châssis D’autre part, des circuits spécifiques, au format PC î Dragon (USA) commer- adaptés à la programmation dynami- cialise aujourd’hui un système analogue que, ont été réalisés. NEC a présenté en pouvant reconnaître 30 000 mots isolés Joseph-Jean Mariani, directeur de re- 1983 et 1984 un ensemble de circuits et capable de s’adapter à la voix d’un cherche au CNRS, directeur du Laboratoire d'informatique pour la mécanique et les adaptés à la reconnaissance de mots iso- nouveau locuteur. sciences de l’ingénieur (UPR 3251 CNRS), lés ou de mots enchaînés. A l’université L’augmentation de la taille des voca- Université Paris-Sud, Bât 508, BP 133, 91403 de Berkeley, un circuit a été développé bulaires permet donc d’envisager la réa- Orsay Cedex. en 1984 pour la reconnaissance de 1 000 lisation de machines à écrire à entrée Christian Gagnoulet, ingénieur au Cen- mots isolés. Un nouveau circuit est à vocale. Il apparaît cependant que la dic- tre national d’études des télécommunications, l’étude, en collaboration avec le SRI, tée mot à mot est difficilement accepta- BP 40. 22301 Lannion Cedex.

— signal — . — . — image — . — . — parole Avec Traitement du Signal partez explorer de nouvelles dimensions

théorie des signaux et des systèmes, traitement des signaux à une ou plusieurs dimensions : antennes, image, parole. interprétation des signaux et des images. applications : communications, géophysique, vibrations, robotique, biomédical. matériels et logiciels : architectures, langages, composants

TS permet aux ingénieurs, chercheurs, décideurs, la diffusion rapide de leurs travaux et les informe

de l'évolution des connaissances dans tous les domaines du signal

Grenoble

- à l'échelle mondiale. Grenoble

Très largement ouverte à la communauté scientifique internationale Grenoble

- Grenoble

la revue TS porte une attention particulière à la diffusion du traitement du signal en langue française Grenoble

- Grenoble

Grenoble

Rédacteur en Chef ; Jean-Louis Lacoume -

Grenoble

Contactez : -

Grenoble

TS. BP. 46 - 38402 Saint-Martin-d'Hères cedex – France -

Logoform communication visuele goformvisuele communication orm communication visuele m communication visuele communication visuele mmunication visuele munication visuele nication visuele ation visuele on visuele visuele uele e Grenoble enoble oble e Téléphone : (+33) 76 51 53 43 - Télécopie : (+33) 76 82 63 84

Revue scientifique française publiée par le GRETSI avec le soutien du CNRS et de la DGA.

114 LE COURRIER DU CNRS N° 77

d’une séquence régulière d’opéra- Evolutions techniques et tions élémentaires, comme par exemple un filtrage linéaire, et on peut effectuer ces traitements exactement développement des systèmes comme sur une chaîne d’assemblage Certains traitements du signal et de l'image posent de si sérieux (en «pipeline» ou e ncore sur un r é- seau «systolique»). La parallélisa- problèmes que l'on songe à se tourner vers des solutions tion massive peut aussi se faire en radicalement différentes à base de réseaux connexionistes ou appliquant simultanément le même neuromimétiques. traitement à d es données différentes. Dans d’autres cas, les traitements ne sont pas si réguliers et les processeurs

Joël Le Roux des machines de traitement du si- doivent être moins dépendants les gnal : l’adaptation des processeurs de uns des autres. Alors apparaissent de traitement du signal à une application difficiles problèmes de communica- émergence des méthodes et le développement de machines modernes de traitement du tion et de synchronisation de proces- multiprocesseurs programmables. seurs relativement autonomes. signal date de la fin des an- La première approche consiste à nées 60 et du début des années 70, qui concevoir les circuits spécifiques pré- Inventer des solutions ont vu l'apparition et la généralisa- cisément adaptés à l ’application, que tion de l’utilisation des outils infor- ces circuits soient programmables ou nouvelles matiques, et le développement de non, en s’appuyant éventuellement Il est probable que dans certaines techniques numériques. Citons sur un « cœur» de microprocesseur applications, la nécessité d’utiliser l’invention de la célèbre transformée optimisé. Notons que le traitement une structure de calcul multiproces- de Fourier rapide par Cooley et Tu- numérique du s ignal est une des disci- seurs remettra complètement en key vers 1965. Une dizaine d’années plines informatiques qui nécessitent question les algorithmes, et même plus tard, la réalisation de micropro- une grande diversité d’architectures certains concepts de base en traite- cesseurs monolithiques performants pour satisfaire les contraintes impo- ment du s ignal qui paraissent tout à et économiques, aux fonctionnalités sées dans des problèmes variés. Cette fait efficaces dans le cas d’une ma- complexes, de programmation et de approche se justifie lorsque le nom- chine séquentielle. Par exemple, la mise en œuvre aisées, a p ermis une bre de circuits réalisés est grand ou parallélisation des méthodes de dé- large diffusion de produits utilisant le lorsque d’autres considérations doi- tection de contours ou de régions traitement numérique du signal, vent être prises en compte, comme d’une image pose des problèmes sé- comme le «Speak and Spell», jouet dans le domaine aérospatial qui fait rieux. C’est pourtant une opération développé par Texas Instrument en largement appel aux systèmes de trai- courante en traitement d’images. On 1979, et utilisant la synthèse numéri- tement du signal pour l’observation peut se demander si les algorithmes que du signal vocal. et la communication. Dans ce cas, le parallèles à i nventer ne devront pas Des performances poids, le volume et la consommation nécessairement éviter les étapes de ce des systèmes embarqués ne doivent type et pro-poser des solutions radi- impressionnantes pas dépasser des limites draconien- calement différentes aux problèmes Maintenant les performances de nes, ce q ui peut justifier le dévelop- posés. La mode actuelle des réseaux ces microprocesseurs spécialisés dans pement de circuits spécifiques. Cette connexionistes ou neuromimétiques le traitement du signal sont impres- approche aboutit à des implantations est un exemple de cette remise en sionnantes : plusieurs centaines de qui ne remettent pas en cause les al- question. milliers de transistors sur une gorithmes de traitement. Elle permet Ces réseaux rassemblent un très «puce », opérations arithmétiques ef- une large diffusion des techniques de grand nombre de processeurs élé- fectuées en quelques dizaines de na- traitement du signal. mentaires reliés les uns aux autres. nosecondes, programmation en lan- Ces processeurs élémentaires ne peu- gage évolué... Elles permettent Traiter en temps réel vent pas réaliser des fonctions com- d’appliquer les méthodes de traite- Dans la deuxième approche, plexes mais réagissent simplement ment du signal à d es secteurs d’activi- l’objectif est de diminuer les temps de aux états des processeurs auxquels ils té commerciale ou stratégique de calcul pour traiter en temps réel des sont reliés. Les concepteurs de tels plus en plus nombreux. Cette évolu- signaux de plus en plus rapides ou des systèmes ne cherchent pas à analyser tion est particulièrement sensible signaux fonction de plusieurs varia- finement le comportement du r é- dans le domaine des télécommunica- bles. Certaines applications comme seau, mais utilisent une approche par tions: traitement numérique de la la visualisation tridimensionnelle en apprentissage. On présente sur les modulation et de la démodulation, médecine ou en géophysique, les trai- capteurs d’entrée du réseau un en- nouveaux systèmes de radiotélépho- tements élaborés de séquences semble de signaux type, par exemple nie cellulaire et de transmission d’images, les analyses de signaux ra- plusieurs vues d’un dessin à reconnaî- d’images qui réalisent des algorith- dar à ouverture synthétique peuvent tre, et on indique les sorties du réseau mes de codage et de réduction de dé- exiger des billions d’opérations par devant être activées lorsque ces si- bit effectuant plusieurs dizaines de seconde. Ces performances ne peu- gnaux d’entrée sont présents. Alors millions d’opérations élémentaires vent s’obtenir qu’en utilisant des cal- le réseau se stabilise dans une confi- par seconde. culateurs parallèles rassemblant des guration qui doit permettre la recon- Les années qui viennent verront dizaines et même des milliers de pro- naissance de formes semblables à une amélioration des performances cesseurs élémentaires. Dans cette re- celle du signal analysé lors de cette de ces processeurs liée à l a diminu- cherche de la simultanéité des cal- phase d’apprentissage. tion de la taille et du temps de com- culs, il y a plusieurs voies possibles, mutation des transistors, progrès qui en fonction de la régularité plus ou Joël Le Roux, professeur à l'Univer- finiront sans doute par atteindre des moins grande des algorithmes à Im- sité de Nice. Laboratoire « Informatique, si- limites. En complément de cette évo- planter et des données à t raiter. Si les gnaux et systèmes» à Sophia-Antipolis lution, on voit émerger deux tendan- algorithmes sont très réguliers, les (URA 1376 CNRS), Université de Nice, rue ces dans la conception des circuits et calculs se présentent sous la forme Albert Einstein, Sophia-Antipolis. 06560 Valbonne.

L£ COURRIER DU CNRS N° 77 115

INDEX THEMATIQUE

Acoustique 14,15, 30, 60, 67 Héliosismologie 108 57.58. 59. 60. 69.70 Acoustique musicale 31 Régularisation 61 Acoustique sous-marine 13,26.45, 56, 85. Image spectrale 51 Représentation 3D 36 87,87. 96 Imagerie astronomique 20,19,110,35,64 Représentation 34 Adaptation 42 Imagerie médicale 17,17,19, 28,59, 62, Réseaux connexionistes 115 Aide au diagnostic 17,19. 28, 59, 63,78, 63,78, 79. 80.81. 106 Résonance magnétique nucléaire 17,81 79, 80.81 Imagerie numérique 34,36,45,46,48,50, Restauration 55 Analyse d’image 80 51,89,90.97,98,99 Robotique 12, 66.101,102,103,105,106 Analyse de scène 72,98 Imagerie radio 64 Rotation solaire 111 Analyse multivariée 70 Imagerie sonar 87 • Rotation terrestre 107 Analyse spatiale 84 Imagerie spectroscopique 70 Scanner 17 Analyse spectrale 27, 28, 29, 33, 84 Imagerie ultrasonore 62 Analyse statistique 70 Scintillation stellaire 91 Infogr^hie 72. 81 Sclérose en plaques 81 Analyse temps échelle 29 Informatique musicale 31 Analyse temjK fréquence 29, 30,31 Segmentation 42, 83, 97, 98,103,105, Intelligence artificielle 27, 96,99 ' 106,110 Antenne acoustique 14, 60 Interface homme machine 85 Astrophysique 20,19,110, 35, 64,108,110, Séquence d’images 47,98 Interférométrie optique 64 Signal non stationnaire 28, 29,30 111 Interprétation 97, 99,102 Audioconférence 60 Signal sismique 58 Intervention chirurgicale assistée par Signal sonore 15, 25,31 Audition 25, 67, 95 ordinateur 63,106 Autoradio 43 Soleil 108,110,111 Inversion 95,108 Son numérique 52, 66 Ionosphère terrestre 33 Brouillage 40,42 Sonar 26,56, 84, 85.87, 87.96 Sonde Galileo 40 Bruit 14, 26,30, 55 Laser 46 Sonde Voyager 110 Lissage 59, 89 Sondeur 87 Capteur 12,15,25,76,86,90 Localisation 14.67, 81, 83. 84,86, 87, 91, Spectrohéliogramme 111 Cartographie 19 101, 102,108 Centrale nucléaire 57 Spectroscopie 108 Champ électromagnétique 33 Microscopie électronique 69 SPOT 90 Circuits 113,115 Modélisation 19,25,26.27.28,34,51,59. Stéréovision 36, 90,105 Classification 110, 69, 78, 86, 87, 87,96,99 64,66,72,90,98,99,101,102,106, Synthèse 31, 61, 64 Codage 40,43,48. 50 107,108 Synthèse d’ouverture 64 Cœur 17,19.79,81 Modulation 43 Synthétiseur 66 Compression 47,48, 50,51, 52 Moteur 30 Système auditif 25 Conduit vocal 64,95 Mouvement 19,28,47,98 Système expert 27,57,96, 99 Contrôle non destructif 62 Musique 55 Télécommunications 40, 42, 43, 46, 47, Contrôle perceptif 12 52, 60 Convection solaire 110,111 Œil 62 Télédétection 51,90 Croûte océanique 58 Onde acoustique 13 Télésurveillance 47, 57, 76,77,105 Cycle magnétique solaire 111 Optique cohérente 46 Oscillation solaire 108 Télévision 47 Tomographie acoustique 13 Décodage 40,48 Tomographie ultrasonore diffraction 17 Détecteur CCD 19.45 Parole 15,25,52,55, 64, 66, 83,95,113 Pêche 87 Tomographie ultrasonore réflexion 62 Détection 57, 76, 83.86, 87. 89.91,96,98. Traitement d’anterme 84 108 Perception 25,67,95 Phonation 15, 64,95 Traitement image 34,36,45,48,50,51, Diagnostic 76,107,111 64,69,85. 89,97,98,111 Phonétique 83 Pistage 85 Traitement parole 52,64,66,113 Echographie 62 Trajectographie 85 Electrocardiographie haute résolution 79 Plasma 33 Transformée Fourie'r 17,27, 61 Electroencéphalogramme 59 Plateforme forage 76 Transformée Gabor 31 Electromyogramme 78 Potentiel évoqué 59 Electrophysiologie 25, 59. 78, 79 Prise de son ^ Transformée Hough 87 Engrenage 77 Problème inverse 61 Transformée ondelettes 29,31,33,35,50, Enregistrement ancien 55 Problème mal posé 61,95 55.107 Estimation 56 Transformée Wigner Ville 29, 30 Quantification vectorielle 50 Transmission 40,42,43,45,46,47 Filtrage 42.50. 56,57. 58. 59, 61,110 Turbulence atmosphérique 33, 91 Fractales 29,110 Radar 84, 86 Fusion de données 86,102 Radiotéléphone 42, 60 Ultrasons 17, 62 Fusion multicapteur 12 Rayonnement X 63 Reconnaissance couleur 103 Veille 56. 85, 86, 96 Galaxie 20, 35, 99 Reconnaissance forme 110,90,96,99,103 Vélocimétrie Doppler ultrasonore 28 Géophysique 33, 58,91,107 Reconnaissance parole 95,113 Very Large Télescope 64,91 Goniomètre 26, 84 Reconstruction 3D 17,19,47,62,63,69, Vibration 14,30, 76,77 Granulation solaire 110 72,81, 102,106 Vision par ordinateur 72, 89, 99,101,102, Reconstruction 61, 64 103,105 Vocodeur 52 Haute résolution 27, 84 Réduction de bruit 14.30,40,42,55.56.

116 LE COURRIER DU CNRS N ° 77

______SUBJECT INDEX

Acoustical antenna 14,60 Hough transform 87 106,110 Acoustical tomography 13 Seismic signal 58 Acoustical wave 13 Ill-posed problem 61,95 Sensor 12.15.25. 76.86. 90 Acoustics 14,15,30,60,67 Image analysis 80 Shape recognition 22,90.96,99,103 Adaptation 42 Image processing 34,36,45,48,50,51,64, Smoothing 59,89 Aided diagnosis 17.19,28.59.63.78.79. 69.85.89.97.98.111 Solar convection 110,111 80,81 Image sequence 47, 98 Solar granulation 110 Antenna Processing 84 Infography 72, 81 Solar magneiic cycle 111 Aperture synthesis 64 Interference 40.42 Solar oscillation 108 Artificial intelligence 27, 96,99 Interpretation 97,99,102 Solar rotation 111 Astronomical imagery 20,19,22,35, 64 Inverse problem 61 Sonar 26.56.84. 85.87. 87, 96 Astrophysics 20,19,22,35,64,108,110, Inversion 95,108 Sonar imagery 87 111 Sonography 62 Atmospheric turbulence 33.91 Laser 46 Sound pickup 60 Audioconference 60 Location 14.67.81.83.84.86,87.91. Sound signal 15,25,31 Audition 25,67,95 101,102,108 Sounder 81^ Auditive System 25 Spatial analysis 84 Man machine interface 85 Spectral analysis 27.28,29,33,84 Car radio 43 Medical imagery 17.17.19.28,59. 62,63. Spectral image 51 Cartography 19 78. 79,80.81.106 Spectroheliogram 111 CCD detector 19,45 Modelling 19.25.26,27.28.34.51.59. Spectroscopic imagery 70 Circuits 113,115 64.66. 72. 90.98.99.101,102,106, Spectroscopy 108 Classification 22,69. 78.86, 87.87.96.99 107,108 Speech 15.25.52,55. 64. 66, 83, 95,113 Coding 40.43.48.50 Modulation 43 Speech processing 52, 64, 66,113 Coherent optics 46 Motor 30 Speech récognition 95,113 Color recognition 103 Movement 19,28,47,98 SPOT 90 Compression 47,48,50,51,52 Multiple sclerosis 81 Statistical analysis 70 Computer assisted surgical intervention Multisensory fusion 12 Stellar scintillation 91 63.106 Multivariate analysis 70 Stéréovision 36,90,105 Computer vision 72, 89,99,101,102,103, Music and computers 31 Sun 108,110.111 105 Musical acoustics 31 Surveillance 56, 85, 86. 96 Connectionist networks 115 Musics 55 Synthesis 31,61,64 Synthesizer 66 Data fusion 86,102 Noise 14.26.30.55 Decoding 40,48 Noise reduction 14.30.40,42,55,56,57, Target motion analysis 85 Detection 57. 76. 83.86,87, 89,91,96,98, 58,59, 60,69,70 Télécommunications 40,42,43,46,47,52, 108 Non destructive control 62 60 Diagnosis 76,107,111 Nonstationary signal 28,29,30 Télévision 47 Digital Sound 52. 66 Nuclearmagnetic résonance 17,81 Time frequency analysis 29,30,31 Nuclear plant 57 Time scale analysis 29 Earth ionosphere 33 Numerical imagery 34,36,45,46,48,50, Tracking 85 Earth rotation 107 51.89,90.97.98.99 Transmission 40,42,43,45,46,47 Electroencephalogram 59 Electromagnetic field 33 Oceanic crust 58 UItrasound diffraction tomography 17 Electromyogram 78 Offshore drilling platform 76 Ultrasound Doppler velocimetry 28 Electron microscopy 69 Old recording 55 Ultrasound imagery 62 Electrophysiology 25,59, 78, 79 Optical interferometry 64 Ultrasound reflection tomography 62 Estimation 56 Ultrasounds 17,62 Evoked potential 59 Perception 25, 67,95 Underwater acoustics 13.26,45,56,85, Expert System 27,57,96,99 Perception control 12 87,87.96 Eye 62 Phonation 15,64,95 Phonetics 83 Vector quantization 50 Filtering 42.50.56.57.58.59.61.110 Plasma 33 Very Large Telescope 64,91 Fishing 87 Vibration 14.30. 76. 77 Radar 84. 86 Fourier tranrform 17.27,61 Vocal tract 64, 95 Fractales 29,110 Radio imagery 64 Vocoder 52 Radiotéléphone 42,60 Voyager 22 Gabor transform 31 Reconstruction 61,64 Galaxy 20.35.99 Regularization 61 Remote sensing 51,90 Wavelet transform 29,31,33,35,50,55, Galileo 40 107 Gear 77 Remote supervision 47.57, 76, 77,105 Geophysics 33,58, 91,107 Représentation 34 Wigner Ville transform 29,30 Goniometer 26, 84 Restoration 55 Robotics 12.66,101,102.103,105,106 X radiation 63 Heart 17.19. 79. 81 Scanner 17 Heliosismology 108 Scene analysis 72,98 High resolution 27.84 Segmerüation 42,83,97,98,103,105, 3D reconstruction 17,19,47,62,63,69, High resolution electrocardiography 79 72.81.102,106 3D représentation 36

LE COURRIER OU CNRS N° 77 117

INDEX DES AUTEURS

Abry Christian 95 Fort Bernard 19 Mariani Joseph * 113 Allard Jean-François • 55 Fossat Eric 108 Martin Nadine * 27 Antonini Marc * 50 Gagalowicz André * 72 Mathieu Pierre * 50 Arfib Daniel 31 Gagnoulet Christian 113 Mein Pierre 111 Arqués Pierre-Yves * 26, 74,86 Gambis Daniel 107 Meyer Yves * 29 Bailly Gérard 66 Gelly Bernard 108 Mohr Roger * 93,102 Barlaud Michel * 50 Georgel Bruno * 57 Montrésor Silvio * 55 Baskurt Atilla * 48 Giraudon Gérard 99 Orteu Jean-José 105 Basseville Michèle * 76 Glangeaud François * 58 Pftrier Pascal 64

Baudois Daniel * 56 Glavieux Alain 45 Person Roland 87 Baylou Pierre * 103 Gonord Patrick 17 Picinbono Bernard * 8 Béguet Bernard 14 Goutte Robert * 48 Plumejeaud Christian 96 Benveniste Albert * 76 Grangeat Pierre * 63 Prost Rémy * 48 Bic Jean-Claude * 40 Grec Gérard 108 Rabatel Gilles 103 Bijaoui Albert * 35 Grenier Yves * 60 Ribes Elisabeth 111 Boë Louis-Jean 64 Guéguen Claude * 38 Richetin Marc * 101 Bonnet Noël 40 Guibert Jean 20 Rix Hervé * 79 Bouthemy Patrick * 98 Guiheneuc Pierre 59 Rochette Denis 52 Briot Maurice 105 Guillot Geneviève 17 Roudier Thierry 110 Caelen Jean * 83,93 Herment Alain 28 Ruckebusch Guy ’* 90 Canévet Georges 67 Jaouen Yves 46 Sauzade Michel * 17 Castanié Francis * 78 Jauffret Claude * 85 Schmider François-Xavier 108

Castelain Damien 43 Jourdain Geneviève • 13 Schwartz Jean-Luc 25 Cerisier Jean-Claude 33 Kernin Jean-Pierre 87 Servière Christine * 56 Chabran Claude 46 Kopp Laurent * 84 Sicardy Bruno 22 Chambron Jacques 81 Kronland-Martinet Richard 31 Sidahmed Ménad • 77 Charpentier Jean-Claude 1 Labat Joël 45 Silvent André 56 Chassery Jean-Marc * 23,34 Labit Claude * 47 Slezak Eric 35 Chevallier Georges 10 Lachèse Bernard 86 Tabbara Walid * 17 Chiollaz Monique * 30 Lacoume Jean-Louis * 53 Teston Bernard 15 Cinquin Philippe 106 Lagoutte Dominique 33 Thomas Georges 85 Cocquerez Jean-Pierre * 97 Lallouache Tahar 15 Thonnat Monique 99 Crowley James L. 102 Lamy Jean 69 Trebbia Pierre 70 Déléglise Paul 83 Lannes André * 61,64 Tziritas Georges * 98 Demoment Guy * 28, 61 Laval-Jeantet Anne-Marie 80 Valière Jean-Christophe * 55 Demongeot Jacques 106 Laval-Jeantet Maurice 80 Varenne André* 79 Dessoude Olivier 12 Lavallée Stéphane 106 Vernin Jean 91 Dhome Michel * 101 Le Cadre Jean-Pierre * 26 Villain Jean-Paul 33 Doncarli Christian * 59 Le Floch Bernard 43 Wrobel-Dautcourt Brigitte * 89 Duchêne Bernard * 17 Le Roux Joël * 115 Zavidovique Bertrand * 12 Escudier Pierre 25 Lefèbvre Jean-Pierre * 62 Zerr Benoît 87 Favier Gérard * 6,74 Lesselier Dominique * 17 Ziou Djemel 89

Favre Bernard * 30 Macchi Odile * 42 Feissel Martine 107 Maeda Shinji 64 NB - Les auteurs dont le nom est suivi Feng Gang 95 Magnin Isabelle * 19 d’un astérisque appartiennent au Flandrin Patrick * 23,29 Mailhes Corinne * 51 Groupement de recherche «Traite- Forget Bruno 33 Maître Henri * 36 ment du signal et images» (GDR 134 CNRS)

118 . LE COURRIER DU CNRS N* 77

DEJA PARUS...DEJA PARUS...DEJA PARUS ■ ■ DEJA PARUS...DEJA PARUS PARUS...DEJA DEJA

RUS...DEJA PARUS

BON DE COMMANDE à retourner aux Presses du CNRS, 20-22, rue Saint-Amand 75015 Paris

ISBN TITRE DE L’OUVRAGE Prix Qté Total

04232-1 n°71: «La mécanique en 1988» (été l988) 50F

04340-9 n°72: «Recherches sur l’environnement» (mai 1989) 50F

04364-6 n°73: «Archéologie en France métropolitaine» (septembre 1989) 50F

04396^ n°74: «Le CNRS et les entreprises, la valorisation» (novembre 1989) 50F

04446-4 n°75: «Les sciences du droit» (avril 1990) 50F

04473-1 n°76: «La Terre: de l’observation à la modélisation» (juillet 1990) 50F 04597-5 n°77: «Signaux et images» (juin 1991) 50F Total ...... Port: France 15F - Etranger 20F. Frais de port. A partir de 5 numéros: franco de port Total ...... Nom ...... Prénom. Adresse ...... Code postal ...... Commune ...... Pays. Ci-joint mon règlement de ...... F à l'ordre des Presses du CNRS Par: O chèque bancaire Je vous autorise à débiter mon compte Carte Bleue O chèque postal N° ...... Date de validité ...... O mandat Date ...... Signature O Bleue Visa: Code 109 107

LE COURRIER DU CNRS N" 77 116

La Division de la statistique, des études et de la documentation du ministère de la Justice nous communique, à propos de l’article «Les statistiques des juridictions pénales», paru dans le n°75 du Courrier du CNRS, les remarques suivantes :

Les statistiques des juridictions pénales : une évolution positive

La statistique des juridictions pénales ne s’appauvrit pas, 1989, comme une lecture trop rapide de l’article déjà évoqué mais au contraire se développe. Elle évolue, passant peu à pourrait le laisser croire). peu d’un simple comptage d’activité des juridictions à Pour les condamnations prononcées à partir de 1984, il l’exploitation informatisée de fichiers d’affaires, ce qui per- devient nécessaire de revoir le système statistique en raison met la production d’un grand nombre d’informations et no- de l’informatisation de la tenue du casier judiciaire désor- tamment des analyses multicritères. En particulier, dans le mais assurée par un service unique national (CJN). Plus domaine de l’exploitation des condamnations, spécialement question de saisir deux fois les mêmes informations, la statis- critiqué dans un article paru dans le n” 75 du Courrier du tique est obtenue par une exploitation automatisée de fi CNRS, la Division de la statistique et des études du ministère chiers anonymes, sous-produits des inscriptions au CJN. A de la Justice dispose désormais d’une chaîne de traitement cette occasion , les traitements sont revus et les possibilités performante susceptible de répondre à la plupart des besoins considérablement augmentées. Le niveau de détail des in- des utilisateurs. fractions est le plus fin possible puisque c’est celui de la table dite NATINF (nature d’infractions, 10 000 positions environ Les statistiques avant 1980 dont 2 000 effectivement utilisées). Les données recueillies sur l’activité des juridictions n’ont Ce travail est difficile et long. Des données définitives, sur guère évolué depuis la première moitié du XIX* siècle jus- 1984,1985 et 1986, ont été publiées en janvier 1990 (mais les qu’à la fin des années 70. Si les historiens et les chercheurs résultats essentiels avaient été communiqués dès 1988 aux peuvent se satisfaire d’une telle situation, les praticiens et les principaux utilisateurs dont le Centre de recherches sociolo- décideurs souffrent de ne pas disposer des outils statistiques giques sur le droit et les institutions pénales). Les résultats indispensables. relatifs à 1987 ont été publiés fin 1989, et ceux concernai Il faut savoir en effet que la source principale d’informa- 1988 et 1989 estimés, sont disponibles depuis début 1991 tions, dans le domaine pénal, provient des états annuels de c’est-à-dire dans le délai strictement nécessaire pour exploi- la statistique pénale («cadres du parquet») ; ils sont remplis ter la source. a posteriori par chaque juridiction et rendent compte de leur Ce nouveau système est bien plus riche que les précédents activité. L’information recueillie reste limitée, les seuls croi- Il permet, par exemple, des études plus fines sur des do- sements de variables possibles sont ceux qui sont explicite- maines comme la multiplicité des infractions ou les mesures ment prévus par les cadres. De plus, la qualité des informa- complémentaires à la peine principale. Les tableaux publiés tions est médiocre car la «méthode» ne permet pas de ne représentent désormais qu’une faible partie de l’informa- garantir l’homogénéité des unités de compte entre les diffé- tion disponible. D’autres exploitations peuvent être réalisées rentes juridictions, ni le comptage lui-même. Ce système sur demande. existe encore aujourd’hui, même si quelques modifications Ainsi, loin de s’appauvrir, le système statistique sur la ont pu être apportées. justice pénale s’est au contraire développé et amélioré pen- Par ailleurs, une exploitation statistique des condamna- dant les années 1980, même si la continuité absolue des tions inscrites au casier judiciaire, par saisie de duplicata données collectées n’est pas toujours possible, en raison des statistiques, a débuté en 1952. Elle a été assurée par l’INSEE modifications de l’environnement technique, administratif jusqu’en 1978. ou judiciaire. Les années 1980 Pendant cette décennie, la division de la Statistique du Les années 1990 ministère de la Justice, créée en 1973, tente de substituer aux La justice évolue. Le Ministère se modernise. L’améliora- informations tirées des cadres annuels rétrospectifs des station fondamentale va venir, très vite maintenant, de l’obten- tistiques fondées sur une exploitation de données de base tion de données de base, sous-produit de la gestion informa- pour assurer une cohérence des unités de compte, une plus tisée des juridictions. La future informatisation du « pénal » grande richesse d’informations et surtout un véritable travail permettra de collecter ces données à la source, en assurant de technique statistique (exemple : répertoire de l’instruc- ainsi un meilleur contrôle de qualité et une plus grande tion). richesse de tableaux. L’évolution la plus sensible est réalisée sur les statistiques Pour préparer ces exploitations de moyen terme, la Divi- des condamnations inscrites au casier judiciaire. Pour les sion de la statistique et des études travaille avec les autres données des années 1979 à 1983,. la division de la statistique services de la chancellerie et les juridictions. Des enquêtes de la Chancellerie reprend l’exploitation dans la même for- sont réalisées, notamment sur les délais et l’effectivité de la me que celle réalisée par l’INSEE, avec toutefois une no- mise à exécution des peines, bientôt sur l’organisation et les menclature légèrement réduite. Par ailleurs, les données orientations des bureaux d’ordre des parquets. relatives à la profession du condamné sont toujours collec- Ces quelques indications montrent à l’évidence que, par tées mais ne font plus l'objet de traitement, cette information rapport aux 150 années précédentes, les statistiques de la étant de trop mauvaise qualité pour permettre une statisti- justice pénale progressent et évoluent pour assurer une meil- que qui ne soit pas illusoire. Les données portant sur ces leure efficacité de l’institution judiciaire, tout en fournissant années ont été publiées en 1985 et 1986 (et non à la fin de l’information de qualité nécessaire à l’historien et au sociolo- gue.

120 LE COURRIER DU CNRS N“ 77