L'utilisation croissante des réseaux à perte de paquets pour la transmission multimédia est placée sous le signe de la fiabilité des données sous contraintes de débit. L'objectif de cette thèse est de construire des représentations dites par "descriptions multiples", à faible redondance, pour compenser la perte d'information sur les canaux de transmission. Nous avons considéré des schémas basées sur des trames d'ondelettes, implantées en "lifting". Dans un premier temps, nous avons considéré la construction de deux descriptions selon l'axe temporel d'un codeur vidéo "t+2D". La redondance introduite par transformée a été ultérieurement réduite par un sous-échantillonnage supplémentaire appliqué aux sous-bandes de détail. Cela permet d'ajuster la redondance à la taille d'une sous-bande d'approximation en ondelettes classiques. Ceci rajoute en revanche un problème de reconstruction parfaite que nous avons étudié en détail. En outre, nous avons établi des critères de choix entre les plusieurs schémas possibles, basés sur la réduction du bruit de quantification. Ensuite, les méthodes ci-dessus ont été adaptées pour le signal bi-dimensionnel (images). Nous avons aussi proposé un post-traitement aux décodeurs, visant à améliorer la qualité de la reconstruction en situation de pertes. Enfin, nous avons abordé le sujet sous un nouvel angle, inspiré de la nouvelle théorie du "Compressed Sensing", en cherchant d'obtenir le débit optimal qui satisfait une contrainte de distorsion maximum autorisée et en exploitant le caractère creux du signal. Cette approche se distingue par le transfert de complexité à l'encodeur en gardant des décodeurs linéaires.

Ce travail de thèse s'inscrit dans un pro jet inter-Carnot intitulé TEROPP (Technologies for TERminals in OPPortunistic radio applications) financé par l'ANR de 2008 à 2011. L'objectif de ce projet était de concevoir les éléments clés d'un terminal reconfigurable adapté à la radio cognitive. Les travaux ont porté depuis les antennes jusqu'à l'aspect réseaux. Les travaux décrits dans cette thèse sont focalisés sur le "frontal" RF agile en fréquences multi-voies et s'intéresse plus particulièrement à la numérisation d'un signal large-bande via une architecture multi-voies. Nous avons proposé et étudié une nouvelle architecture basée sur la technique de banc de filtres hybride (BFH). Un BFH est une architecture parallèle à sous-échantillonnage qui met en jeu de l'analogique, i.e. des filtres analogiques et des convertisseurs analogique-numériques ainsi que du traitement numérique. L'originalité de l'architecture proposée est d'utiliser des filtres à échantillonnage de charge passe-bande pour les filtres analogiques. Ces filtres ont l'avantage d'être facilement intégrables en CMOS et reconfigurables. Une telle architecture devrait permettre de convertir une bande très large, tout en limitant la complexité et la consommation et offre des possibilités de reconfigurabilité en termes de bande reçue et résolution.

Résumé: Les systèmes de substitution sensorielle convertissent des stimuli d’une modalité sensorielle en des stimuli d’une autre modalité. Ils peuvent fournir les moyens pour les personnes handicapées de percevoir des stimuli d’une modalité défectueuse par une autre modalité. Le but de ce projet de recherche était d’étudier des systèmes de substitution de l’audition vers la vision. Ce type de substitution n’est pas bien étudié probablement en raison de la complexité du système auditif et des difficultés résultant de la désadaptation entre les sons audibles qui peuvent changer avec des fréquences allant jusqu’à 20000 Hz et des stimuli visuels qui changent très lentement avec le temps afin d’être perçus. Deux problèmes spécifiques des systèmes de substitution de l’audition vers la vision ont été ciblés par cette étude: la recherche de correspondances audiovisuelles et l’extraction de caractéristiques auditives. Une expérience audiovisuelle a été réalisée en ligne pour trouver les associations entre les caractéristiques auditives (la fréquence fondamentale et le timbre) et visuelles (la forme, la couleur, et la position verticale). Une forte corrélation entre le timbre des sons utilisés et des formes visuelles a été observée. Les sujets ont fortement associé des timbres “doux” avec des formes arrondies bleues, vertes ou gris clair, des timbres “durs” avec des formes angulaires pointues rouges, jaunes ou gris foncé et des timbres comportant simultanément des éléments de douceur et de dureté avec un mélange des deux formes visuelles arrondies et angulaires. La fréquence fondamentale n’a pas été associée à la position verticale, ni le niveau de gris ou la couleur. Étant donné la correspondance entre le timbre et une forme visuelle, dans l’étape sui- vante, un modèle hiérarchique flexible et polyvalent bio-inspiré pour analyser le timbre et extraire des caractéristiques importantes du timbre a été développé. Inspiré par les découvertes dans les domaines des neurosciences, neurosciences computationnelles et de la psychoacoustique, non seulement le modèle extrait-il des caractéristiques spectrales et temporelles d’un signal, mais il analyse également les modulations d’amplitude sur différentes échelles de temps. Il utilise un banc de filtres cochléaires pour résoudre les composantes spectrales d’un son, l’inhibition latérale pour améliorer la résolution spectrale, et un autre banc de filtres de modulation pour extraire l’enveloppe temporelle et la rugosité du son à partir des modulations d’amplitude. Afin de démontrer son potentiel pour la représentation du timbre, le modèle a été évalué avec succès pour trois applications : 1) la comparaison avec les valeurs subjectives de la rugosité 2) la classification d’instruments de musique 3) la sélection de caractéristiques pour les sons qui ont été regroupés en fonction de la forme visuelle qui leur avait été attribuée dans l’expérience audiovisuelle. La correspondance entre le timbre et la forme visuelle qui a été révélée par cette étude et le modèle proposé pour l’analyse de timbre peuvent être utilisés pour développer des systèmes de substitution de l’audition vers la vision intuitifs codant le timbre en formes visuelles. / Abstract: Sensory substitution systems encode a stimulus modality into another stimulus modality. They can provide the means for handicapped people to perceive stimuli of an impaired modality through another modality. The purpose of this study was to investigate auditory to visual substitution systems. This type of sensory substitution is not well-studied probably because of the complexities of the auditory system and the difficulties arising from the mismatch between audible sounds that can change with frequencies up to 20000 Hz and visual stimuli that should change very slowly with time to be perceived. Two specific problems of auditory to visual substitution systems were targeted in this research: the investigation of audiovisual correspondences and the extraction of auditory features. An audiovisual experiment was conducted online to find the associations between the auditory (pitch and timbre) and visual (shape, color, height) features. One hundred and nineteen subjects took part in the experiments. A strong association between timbre of envelope normalized sounds and visual shapes was observed. Subjects strongly associated soft timbres with blue, green or light gray rounded shapes, harsh timbres with red, yellow or dark gray sharp angular shapes and timbres having elements of softness and harshness together with a mixture of the previous two shapes. Fundamental frequency was not associated with height, grayscale or color. Given the correspondence between timbre and shapes, in the next step, a flexible and multipurpose bio-inspired hierarchical model for analyzing timbre and extracting the important timbral features was developed. Inspired by findings in the fields of neuroscience, computational neuroscience, and psychoacoustics, not only does the model extract spectral and temporal characteristics of a signal, but it also analyzes amplitude modulations on different timescales. It uses a cochlear filter bank to resolve the spectral components of a sound, lateral inhibition to enhance spectral resolution, and a modulation filter bank to extract the global temporal envelope and roughness of the sound from amplitude modulations. To demonstrate its potential for timbre representation, the model was successfully evaluated in three applications: 1) comparison with subjective values of roughness, 2) musical instrument classification, and 3) feature selection for labeled timbres. The correspondence between timbre and shapes revealed by this study and the proposed model for timbre analysis can be used to develop intuitive auditory to visual substitution systems that encode timbre into visual shapes.

Ce travail avait pour objectif d'étudier un dispositif qui, pour une cadence d'échantillonnage donnée, permette d'élargir la bande de fréquence de conversion analogique/numérique. L'orientation choisie est celle des structures parallèles et en particulier des bancs de filtres hybrides (BFH). Nous avons proposé certaines méthodes de synthèse des BFH. Leur particularité est qu'elles prennent en compte les contraintes de réalisation des filtres analogiques. Diverses améliorations de ces méthodes en particulier leur optimisation vis-à-vis de certains paramètres ont été proposées. Le bruit de quantification a été étudié et nous avons montré par un calcul théorique mais aussi en simulation l'influence sur la sortie du bruit de quantification du quantificateur de chaque voie. Ensuite, nous avons étudié les effets de la quantification des coefficients des filtres de synthèse. Une formule théorique qui estime le bruit introduit par la quantification de ces coefficients a été déduite. Des simulations qui confirment la validité de cette formule ont été effectuées. Le caractère hybride des bancs de filtres étudiés implique des problèmes spécifiques liés à l'implémentation analogique. Nous avons ainsi montré que de très petites variations des valeurs des composants analogiques par rapport aux valeurs nominales obtenues après la synthèse détériorent gravement les performances du banc de filtres. Nous avons alors proposé une solution originale à ce problème. Il s'agit d'une calibration du banc de filtres après réalisation.

Les futures applications de radio cognitive requièrent des systèmes de numérisation capables de convertir alternativement ou simultanément soit une bande très large avec une faible résolution soit une bande plus étroite avec une meilleure résolution, ceci de manière versatile (i.e. par contrôle logiciel). Pour cela, les systèmes de numérisation basés sur les Bancs de Filtres Hybrides (BFH) sont une solution attractive. Ils se composent d'un banc de filtres analogiques, un banc de convertisseurs analogique-numérique et un banc de filtres numériques. Cependant, ils sont très sensibles aux imperfections analogiques. L'objectif de cette thèse était de proposer et d’étudier une méthode de calibration qui permette de corriger les erreurs analogiques dans la partie numérique. De plus, la méthode devait être implémentable dans un système embarqué. Ce travail a abouti à une nouvelle méthode de calibration de BFH utilisant une technique d'Égalisation Adaptative Multi-Voies (EAMV) qui ajuste les coefficients des filtres numériques par rapport aux filtres analogiques réels. Cette méthode requiert d'injecter un signal de test connu à l'entrée du BFH et d'adapter la partie numérique afin de reconstruire le signal de référence correspondant. Selon le type de reconstruction souhaité (d’une large-bande, d’une sous-bande ou d’une bande étroite particulière), nous avons proposé plusieurs signaux de test et de référence. Ces signaux ont été validés en calculant les filtres numériques optimaux par la méthode de Wiener-Hopf et en évaluant leurs performances de ces derniers dans le domaine fréquentiel. Afin d’approcher les filtres numériques optimaux avec une complexité calculatoire minimum, nous avons implémenté un algorithme du gradient stochastique. La robustesse de la méthode a été évaluée en présence de bruit dans la partie analogique et de en tenant compte de la quantification dans la partie numérique. Un signal de test plus robuste au bruit analogique a été proposé. Les nombres de bits nécessaires pour coder les différentes données dans la partie numérique ont été dimensionnés pour atteindre les performances visées (à savoir 14 bits de résolution). Ce travail de thèse a permis d'avancer vers la réalisation des futurs systèmes de numérisation basés sur les BFH. / The future applications of cognitive radio require digitization systems being capable to perform a flexible conversion in terms of bandwidth and Resolution. The digitization systems based on Hybrid Filter Bancs (HFB) provide an attractive solution for achieving this purpose. The HFBs consist of a bank of analog filters, a bank of analog/digital converters and a bank of digital filters. However, they are so sensitive that the presence of analog errors renders them impossible to carry out. Therefore, the goal of the thesis was to propose and study a calibration method for the analog errors to be corrected in the digital part. Furthermore, the proposed method had to be implementable in an embedded system. Based on Multichannel Adaptive Equalization (MCAE), we proposed a new calibration method. The digital filter coefficients are adjusted according to the real analog filters. To perform this calibration process, a known test signal is injected into the HFB which output is compared to a linked desired signal, their difference is used to adjust the digital part iteratively until the goal is achieved. For different reconstruction goals (wideband, subband or a particular narrow band), we proposed two ways to generate the test and desired signals. With the filters achieved by using method Wiener-Hopf, these signals have been validated by the evaluation of the reconstruction performances. In order to approach the optimal coefficients with a minimal computational complexity, we have implemented an algorithm of stochastic gradient. The robustness of the MCAE method has been studied both in presence of the thermal noise in the analog part and in presence of quantization errors in the digital part. A more robust test signal against the analog noise has been proposed. According to our analytical expressions, for the reconstruction goal (i.e. resolution of 14 bits), the numbers of bits needed for coding the different data of the digital part can be indicated. This thesis is a step forward for realizing future digitization systems based on HFBs.

Les futures applications de radio cognitive requièrent des systèmes de numérisation capables de convertir alternativement ou simultanément soit une bande très large avec une faible résolution soit une bande plus étroite avec une meilleure résolution, ceci de manière versatile (i.e. par contrôle logiciel). Pour cela, les systèmes de numérisation basés sur les Bancs de Filtres Hybrides (BFH) sont une solution attractive. Ils se composent d'un banc de filtres analogiques, un banc de convertisseurs analogique-numérique et un banc de filtres numériques. Cependant, ils sont très sensibles aux imperfections analogiques. L'objectif de cette thèse était de proposer et d'étudier une méthode de calibration qui permette de corriger les erreurs analogiques dans la partie numérique. De plus, la méthode devait être implémentable dans un système embarqué. Ce travail a abouti à une nouvelle méthode de calibration de BFH utilisant une technique d'Égalisation Adaptative Multi-Voies (EAMV) qui ajuste les coefficients des filtres numériques par rapport aux filtres analogiques réels. Cette méthode requiert d'injecter un signal de test connu à l'entrée du BFH et d'adapter la partie numérique afin de reconstruire le signal de référence correspondant. Selon le type de reconstruction souhaité (d'une large-bande, d'une sous-bande ou d'une bande étroite particulière), nous avons proposé plusieurs signaux de test et de référence. Ces signaux ont été validés en calculant les filtres numériques optimaux par la méthode de Wiener-Hopf et en évaluant leurs performances de ces derniers dans le domaine fréquentiel. Afin d'approcher les filtres numériques optimaux avec une complexité calculatoire minimum, nous avons implémenté un algorithme du gradient stochastique. La robustesse de la méthode a été évaluée en présence de bruit dans la partie analogique et de en tenant compte de la quantification dans la partie numérique. Un signal de test plus robuste au bruit analogique a été proposé. Les nombres de bits nécessaires pour coder les différentes données dans la partie numérique ont été dimensionnés pour atteindre les performances visées (à savoir 14 bits de résolution). Ce travail de thèse a permis d'avancer vers la réalisation des futurs systèmes de numérisation basés sur les BFH.

Cette these presente des travaux sur les aspects theoriques de la transformation en ondelettes et quelques applications en imagerie et en calcul de surface. Nous presentons trois approches de construction d'une base d'ondelettes, a savoir l'approche theorie des groupes. l'approche analyse multiresolution et l'approche banc de filtres. Les applications de la transformee en ondelettes portent sur la compression d'image, la representation de courbes discretes et le calcul de l'approximation d'une surface par les fonctions radiales. Nous commencons par un survol de differentes techniques de compression. Nous montrons graphiquement et numeriquement que les transformations en ondelettes, comparativement aux autres methodes pyramidales (Brt et Adelson) permettent d'anvisager de tres bons resultats de compression. On montre que parmi les representations hierarchiques, la representation par ondelettes est celle qui permet de preserver au mieux les indices visuels dans le cadre de la construction d'un modele numerique de terrain par exemple. En ce qui concerne la representation des courbes discrete, nous avons mis au point un algorithme d'analyse et de synthese multi-echelles. Ce nouvel algorithme s'applique a des directions elementaires correspondant a une suite de Freeman representant un contour discret ou une courbe discrete. On montre que l'ondelette de Haar permet d'obtenir une bonne representation multi-echelle d'une courbe discrete avec une taille memoire faible et un cout de calcul minimal. Enfin, apres avoir pose dans le cadre general le probleme d'interpolation par les fonctions radiales et presente une analyse des conditions d'existence de la solution, nous proposons une nouvelle approche de resolution de systeme lineaire qui definit les parametres du probleme. Notre approche est fondee sur la transformation en ondelettes et permet de rendre creuse la matrice du systeme. nous montrons la performance de cette approche surtout quand le nombre de donnees est important. Les resultats d'interpolation d'une surface par une spline de type plaque mince ou multiquadratique sont presentes. En particulier, nous avons teste les ondelettes splines, les ondelettes a support compact et les ondelettes biorthogonales. Les resultats graphiques sont accompagnes des estimations numeriques des erreurs, ceci permettant une meilleure appreciation des demarches proposees.