Objets sonores : une représentation bio-inspirée, hiérarchique, parcimonieuse à très grandes dimensions utilisable en reconnaissance

L’accent est placé dans cet article sur la structure hiérarchique, l’aspect parcimonieux de la représentation de l’information sonore, la très grande dimension des caractéristiques ainsi que sur l’indépendance des caractéristiques permettant de définir les composantes des objets sonores. Les notions d’objet sonore et de représentation neuronale sont d’abord introduites, puis illustrées avec une application en analyse de signaux sonores variés : parole, musique et environnements naturels extérieurs. Finalement, un nouveau système de reconnaissance automatique de parole est proposé. Celui-ci est comparé à un système statistique conventionnel. Il montre très clairement que l’analyse par objets sonores introduit une grande polyvalence et robustesse en reconnaissance de parole. Cette intégration des connaissances en neurosciences et traitement des signaux acoustiques ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la reconnaissance de signaux acoustiques.Abstract : The emphasis is put on the hierarchical structure, independence and sparseness aspects of auditory signal representations in high-dimensional spaces, so as to define the components of auditory objects. The concept of an auditory object and its neural representation is introduced. An illustrative application then follows, consisting in the analysis of various auditory signals : speech, music and natural outdoor environments. A new automatic speech recognition (ASR) system is then proposed and compared to a conventional statistical system. The proposed system clearly shows that an object-based analysis introduces a great flexibility and robustness for the task of speech recognition. The integration of knowledge from neuroscience and acoustic signal processing brings new ways of thinking to the field of classification of acoustic signals

Caractérisation de signaux spatio-temporels par complexité de Lempel-Ziv multidimensionnelle

- L'objectif de ce papier est de caractériser le degré d'organisation de signaux spatio-temporels. Dans une perspective de travail sur des signaux biomédicaux multidimensionnels, aux mécanismes sous-jacent déterministes et non linéaires, nous nous focalisons sur la complexité de Lempel-Ziv : nous proposons une extension multidimensionnelle de cette complexité et en donnons certaines propriétés et non propriétés. Nous présentons alors des premiers résultats de la complexité de Lempel-Ziv conjointe sur un réseau binaire aléatoire ainsi que sur des électrocardiogrammes (classification rythme sinus normal/arythmie)

Représentations parcimonieuses pour les signaux multivariés

Dans cette thèse, nous étudions les méthodes d'approximation et d'apprentissage qui fournissent des représentations parcimonieuses. Ces méthodes permettent d'analyser des bases de données très redondantes à l'aide de dictionnaires d'atomes appris. Etant adaptés aux données étudiées, ils sont plus performants en qualité de représentation que les dictionnaires classiques dont les atomes sont définis analytiquement. Nous considérons plus particulièrement des signaux multivariés résultant de l'acquisition simultanée de plusieurs grandeurs, comme les signaux EEG ou les signaux de mouvements 2D et 3D. Nous étendons les méthodes de représentations parcimonieuses au modèle multivarié, pour prendre en compte les interactions entre les différentes composantes acquises simultanément. Ce modèle est plus flexible que l'habituel modèle multicanal qui impose une hypothèse de rang 1. Nous étudions des modèles de représentations invariantes : invariance par translation temporelle, invariance par rotation, etc. En ajoutant des degrés de liberté supplémentaires, chaque noyau est potentiellement démultiplié en une famille d'atomes, translatés à tous les échantillons, tournés dans toutes les orientations, etc. Ainsi, un dictionnaire de noyaux invariants génère un dictionnaire d'atomes très redondant, et donc idéal pour représenter les données étudiées redondantes. Toutes ces invariances nécessitent la mise en place de méthodes adaptées à ces modèles. L'invariance par translation temporelle est une propriété incontournable pour l'étude de signaux temporels ayant une variabilité temporelle naturelle. Dans le cas de l'invariance par rotation 2D et 3D, nous constatons l'efficacité de l'approche non-orientée sur celle orientée, même dans le cas où les données ne sont pas tournées. En effet, le modèle non-orienté permet de détecter les invariants des données et assure la robustesse à la rotation quand les données tournent. Nous constatons aussi la reproductibilité des décompositions parcimonieuses sur un dictionnaire appris. Cette propriété générative s'explique par le fait que l'apprentissage de dictionnaire est une généralisation des K-means. D'autre part, nos représentations possèdent de nombreuses invariances, ce qui est idéal pour faire de la classification. Nous étudions donc comment effectuer une classification adaptée au modèle d'invariance par translation, en utilisant des fonctions de groupement consistantes par translation.In this thesis, we study approximation and learning methods which provide sparse representations. These methods allow to analyze very redundant data-bases thanks to learned atoms dictionaries. Being adapted to studied data, they are more efficient in representation quality than classical dictionaries with atoms defined analytically. We consider more particularly multivariate signals coming from the simultaneous acquisition of several quantities, as EEG signals or 2D and 3D motion signals. We extend sparse representation methods to the multivariate model, to take into account interactions between the different components acquired simultaneously. This model is more flexible that the common multichannel one which imposes a hypothesis of rank 1. We study models of invariant representations: invariance to temporal shift, invariance to rotation, etc. Adding supplementary degrees of freedom, each kernel is potentially replicated in an atoms family, translated at all samples, rotated at all orientations, etc. So, a dictionary of invariant kernels generates a very redundant atoms dictionary, thus ideal to represent the redundant studied data. All these invariances require methods adapted to these models. Temporal shift-invariance is an essential property for the study of temporal signals having a natural temporal variability. In the 2D and 3D rotation invariant case, we observe the efficiency of the non-oriented approach over the oriented one, even when data are not revolved. Indeed, the non-oriented model allows to detect data invariants and assures the robustness to rotation when data are revolved. We also observe the reproducibility of the sparse decompositions on a learned dictionary. This generative property is due to the fact that dictionary learning is a generalization of K-means. Moreover, our representations have many invariances that is ideal to make classification. We thus study how to perform a classification adapted to the shift-invariant model, using shift-consistent pooling functions.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Supervised learning on graphs of spatio-temporal similarity in satellite image sequences

High resolution satellite image sequences are multidimensional signals composed of spatio-temporal patterns associated to numerous and various phenomena. Bayesian methods have been previously proposed in (Heas and Datcu, 2005) to code the information contained in satellite image sequences in a graph representation using Bayesian methods. Based on such a representation, this paper further presents a supervised learning methodology of semantics associated to spatio-temporal patterns occurring in satellite image sequences. It enables the recognition and the probabilistic retrieval of similar events. Indeed, graphs are attached to statistical models for spatio-temporal processes, which at their turn describe physical changes in the observed scene. Therefore, we adjust a parametric model evaluating similarity types between graph patterns in order to represent user-specific semantics attached to spatio-temporal phenomena. The learning step is performed by the incremental definition of similarity types via user-provided spatio-temporal pattern examples attached to positive or/and negative semantics. From these examples, probabilities are inferred using a Bayesian network and a Dirichlet model. This enables to links user interest to a specific similarity model between graph patterns. According to the current state of learning, semantic posterior probabilities are updated for all possible graph patterns so that similar spatio-temporal phenomena can be recognized and retrieved from the image sequence. Few experiments performed on a multi-spectral SPOT image sequence illustrate the proposed spatio-temporal recognition method

Analyse de réseaux temporels par des méthodes de traitement du signal : application au système de vélos en libre-service à Lyon

Bike-sharing systems have become essential elements in urban transportation systems of many world's big cities. Thanks to the data generated by these systems, it is possible to obtain a precise characterization of urban cycling, both in terms of transportation and socio-economic aspects. Taking advantage of the recent abundance of data allowed by the current technology, the challenges lie in the development of efficient data analysis method, adapted to these systems. This PhD thesis proposes some answers to this issue, first by methodological developments and second by studying real-world data obtained from the bike-sharing system in Lyon, called Vélo'v.The Vélo'v system can be represented as a network, describing a set of relations between the stations spread over the city. This representation, used for many systems, enables the use of tools from network theory to measure the network structure and understand the underlying mechanisms. Nevertheless, taking into account the dynamic evolution of the structure requires an extension of the classical tools to the temporal case. Parallels between this problem and the field of signal processing can be done, and opens the way to the consideration of connections between the description of the dynamics of temporal networks and those of signals. This work introduces a duality between temporal networks and signals, such that the analysis of the signals using the classical tools of signal processing helps to the characterization of the structure of the corresponding network.This methodology, at the juncture between signal processing and network analysis, is first justified by the study of the Vélo'v network, by comparing different data analysis method and the representation of the system as a temporal network. Then, a method to relabel the vertices of the graph according to the topology of the network is discussed, opening up a duality between networks and signals. This duality is then extended to temporal networks: The analysis of the spectral properties of the signals are studied through a fully automated extraction method, enabling the decomposition of relevant network structure over time.Les systèmes de vélos en libre-service sont devenus des éléments indispensables dans les offres de transport urbain des grandes villes mondiales. À partir des données que ces systèmes génèrent, il est possible d'avoir une caractérisation fine de l'utilisation du vélo en milieu urbain, tant sur des problématiques traitant du domaine des transports que des aspects socio-économiques. Comme pour de nombreux domaines profitant de la récente abondance en données permises par les technologies actuelles de communication et de stockage de l'information, les enjeux actuels résident dans le développement de méthodes d'analyse de données efficaces et adaptées aux systèmes étudiés. Cette thèse se propose de répondre à cette problématique, à la fois par des développements méthodologiques et par une application à des données réelles issues du système de vélos en libre-service Vélo'v à Lyon.Le système Vélo'v peut se représenter sous la forme d'un réseau, décrivant un ensemble de relations entre les différentes stations. Cette représentation, valable également pour de nombreux systèmes, permet l'utilisation d'outils pour décrire la structure du réseau basés sur la théorie des graphes. Néanmoins, la prise en compte d'une dynamique temporelle dans l'évolution des systèmes nécessite d'étendre l'analyse à des réseaux temporels, dont la structure évolue au cours du temps. Le parallèle avec le domaine du traitement du signal, dont le but est l'analyse de signaux temporels, amène à considérer des connexions entre la description de l'évolution d'un réseau temporel et celle d'un signal. Ces travaux proposent de considérer une dualité entre les réseaux temporels et les signaux, de sorte que l'analyse dans le domaine des signaux, à l'aide des outils du traitement du signal, permet de caractériser le réseau temporel correspondant.Cette méthodologie, à la frontière entre le traitement du signal et l'analyse des réseaux, est tout d'abord justifiée par l'étude du système Vélo'v, en comparant différentes approches d'analyse de données et les apports de la représentation sous la forme de réseau temporel. Une méthode d'étiquetage des noeuds d'un graphe est ensuite discutée, permettant d'ouvrir la voie vers une dualité entre réseaux et signaux. Cette dualité est étendue aux réseaux temporels, pour lesquels une méthode d'extraction automatique des structures pertinentes au cours du temps est proposée, à travers la décomposition des signaux correspondants

Représentations redondantes pour les signaux d’électroencéphalographie

The electroencephalography measures the brain activity by recording variations of the electric field on the surface of the skull. This measurement is usefull in various applications like medical diagnosis, analysis of brain functionning or whithin brain-computer interfaces. Numerous studies have tried to develop methods for analyzing these signals in order to extract various components of interest, however, none of them allows to extract them with sufficient reliabilty. This thesis focuses on the development of approaches considering redundant (overcomoplete) representations for these signals. During the last years, these representations have been shown particularly efficient to describe various classes of signals due to their flexibility. Obtaining such representations for EEG presents some difficuties due to the low signal-to-noise ratio of these signals. We propose in this study to overcome them by guiding the methods considered to physiologically plausible representations thanks to well-suited regularizations. These regularizations are built from prior knowledge about the spatial and temporal properties of these signals. For each regularization, an algorithm is proposed to solve the optimization problem allowing to obtain the targeted representations. The evaluation of the proposed EEG signals approaches highlights their effectiveness in representing them.L’électroencéphalographie permet de mesurer l’activité du cerveau à partir des variations du champ électrique à la surface du crâne. Cette mesure est utilisée pour le diagnostic médical, la compréhension du fonctionnement du cerveau ou dans les systèmes d’interface cerveau-machine. De nombreux travaux se sont attachés au développement de méthodes d’analyse de ces signaux en vue d’en extraire différentes composantes d’intérêt, néanmoins leur traitement pose encore de nombreux problèmes. Cette thèse s’intéresse à la mise en place de méthodes permettant l’obtention de représentations redondantes pour ces signaux. Ces représentations se sont avérées particulièrement efficaces ces dernières années pour la description de nombreuses classes de signaux grâce à leur grande flexibilité. L’obtention de telles représentations pour les mesures EEG présente certaines difficultés du fait d’un faible rapport signal à bruit des composantes recherchées. Nous proposons dans cette thèse de les surmonter en guidant les méthodes considérées vers des représentations physiologiquement plausibles des signaux EEG à l’aide de régularisations. Ces dernières sont construites à partir de connaissances a priori sur les propriétés spatiales et temporelles de ces signaux. Pour chacune d’entre elles, des algorithmes sont proposés afin de résoudre les problèmes d’optimisation associés à l’obtention de ces représentations. L’évaluation des approches proposées sur des signaux EEG souligne l’efficacité des régularisations proposées et l’intérêt des représentations obtenues

Analyse de signaux sonores par les lois de Zipf et Zipf Inverse

- Nous présentons dans cet article un ensemble de codages de signaux sonores que nous avons développés afin d'adapter à ce type de signaux, l'analyse par les lois de Zipf et Zipf Inverse. L'efficacité de ces lois à décrire les phénomènes physiques n'est plus à démontrer, et à motiver nos investigations concernant le problème de la caractérisation de signaux sonores. Afin de valider notre approche, la méthode a été évaluée sur des signaux sonores médicaux, correspondant à des bruits xiphoïdiens