La séparation de sources est la tâche qui consiste à récupérer plusieurs signaux dont on observe un ou plusieurs mélanges. Ce problème est particulièrement difficile et de manière à rendre la séparation possible, toute information supplémentaire connue sur les sources ou le mélange doit pouvoir être prise en compte. Dans cette thèse, je propose un formalisme général permettant d'inclure de telles connaissances dans les problèmes de séparation, où une source est modélisée comme la réalisation d'un processus gaussien. L'approche a de nombreux intérêts : elle généralise une grande partie des méthodes actuelles, elle permet la prise en compte de nombreux a priori et les paramètres du modèle peuvent être estimés efficacement. Ce cadre théorique est appliqué à la séparation informée de sources audio, où la séparation est assistée d'une information annexe calculée en amont de la séparation, lors d'une phase préliminaire où à la fois le mélange et les sources sont disponibles. Pour peu que cette information puisse se coder efficacement, cela rend possible des applications comme le karaoké ou la manipulation des différents instruments au sein d'un mix à un coût en débit bien plus faible que celui requis par la transmission séparée des sources. Ce problème de la séparation informée s'apparente fortement à un problème de codage multicanal. Cette analogie permet de placer la séparation informée dans un cadre théorique plus global où elle devient un problème de codage particulier et bénéficie à ce titre des résultats classiques de la théorie du codage, qui permettent d'optimiser efficacement les performances.

La séparation de sources est la tâche qui consiste à récupérer plusieurs signaux dont on observe un ou plusieurs mélanges. Ce problème est particulièrement difficile et de manière à rendre la séparation possible, toute information supplémentaire connue sur les sources ou le mélange doit pouvoir être prise en compte. Dans cette thèse, je propose un formalisme général permettant d’inclure de telles connaissances dans les problèmes de séparation, où une source est modélisée comme la réalisation d’un processus gaussien. L’approche a de nombreux intérêts : elle généralise une grande partie des méthodes actuelles, elle permet la prise en compte de nombreux a priori et les paramètres du modèle peuvent être estimés efficacement. Ce cadre théorique est appliqué à la séparation informée de sources audio, où la séparation est assistée d'une information annexe calculée en amont de la séparation, lors d’une phase préliminaire où à la fois le mélange et les sources sont disponibles. Pour peu que cette information puisse se coder efficacement, cela rend possible des applications comme le karaoké ou la manipulation des différents instruments au sein d'un mix à un coût en débit bien plus faible que celui requis par la transmission séparée des sources. Ce problème de la séparation informée s’apparente fortement à un problème de codage multicanal. Cette analogie permet de placer la séparation informée dans un cadre théorique plus global où elle devient un problème de codage particulier et bénéficie à ce titre des résultats classiques de la théorie du codage, qui permettent d’optimiser efficacement les performances. / Source separation consists in recovering different signals that are only observed through their mixtures. To solve this difficult problem, any available prior information about the sources must be used so as to better identify them among all possible solutions. In this thesis, I propose a general framework, which permits to include a large diversity of prior information into source separation. In this framework, the sources signals are modeled as the outcomes of independent Gaussian processes, which are powerful and general nonparametric Bayesian models. This approach has many advantages: it permits the separation of sources defined on arbitrary input spaces, it permits to take many kinds of prior knowledge into account and also leads to automatic parameters estimation. This theoretical framework is applied to the informed source separation of audio sources. In this setup, a side-information is computed beforehand on the sources themselves during a so-called encoding stage where both sources and mixtures are available. In a subsequent decoding stage, the sources are recovered using this information and the mixtures only. Provided this information can be encoded efficiently, it permits popular applications such as karaoke or active listening using a very small bitrate compared to separate transmission of the sources. It became clear that informed source separation is very akin to a multichannel coding problem. With this in mind, it was straightforwardly cast into information theory as a particular source-coding problem, which permits to derive its optimal performance as rate-distortion functions as well as practical coding algorithms achieving these bounds.

Nous abordons dans cette thèse le problème de la séparation de sources selon un angle novateur à de nombreux niveaux. Ces travaux associent deux domaines du traitement du signal jusqu'alors traités de manière disjointe, la séparation de source et le tatouage numérique. Le procédé mis en place au cours de ces travaux a pour but de permettre à un utilisateur "client" de séparer les différents signaux numériques sources composant un mélange audio à partir de ce seul mélange tatoué. Pour ce faire un marquage du signal est effectué par un utilisateur "fournisseur" avant la fixation du mélange sur son support numérique. Ce marquage consiste en l'insertion sur le signal lui-même d'informations utiles à la séparation, et ceci de façon imperceptible. Le tatouage peut, en principe, être inséré soit sur le mélange, soit sur les signaux sources, qui sont disponibles à l'utilisateur fournisseur. Deux systèmes composent donc ce procédé, un encodeur qui permet à l'utilisateur fournisseur de réaliser la phase de mélange et de marquage, et un décodeur qui permet à l'utilisateur client de contrôler la séparation à partir du mélange. Au cours de cette thèse, il est choisi de tatouer le signal de mélange. Une application cible particulièrement visée est le cas d'un mélange polyphonique (signal de musique) fixé sur un support CD audio. La séparation doit permettre à l'utilisateur client d'effectuer un certain nombre de contrôles (par exemple le volume sonore) sur les différentes composantes de la scène sonore (les différents instruments et voix).

Dans un contexte de compression d'images fixes, de nouvelles représentations implantées par des techniques de redressement (lifting) orienté ont été imaginées. Pour ce travail de thèse, trois variantes de ces transformées sont évaluées comparativement selon un critère de minimisation de l'énergie des hautes fréquences reconstruites et selon la direction de régularité locale. Cette direction de régularité est estimée par des approches basées extraction de contours ou minimisation d'une fonction de coût. Les deux approches proposées permettent de plus une classification de l'activité directionnelle des blocs de l'image. Ces représentations des caractéristiques géométriques de l'image utilisées pour guider le filtrage en ondelettes orientées, est codé pour être transmis au décodeur. Les coûts de ces différentes représentations sont comparés. Finalement une quantification adaptée est proposée pour tenir compte à la fois des différentes classes structurelles et de l'anisotropie de la représentation.

<p>La distribution quantique de clés est une technique cryptographique permettant l'échange de clés secrètes dont la confidentialité est garantie par les lois de la mécanique quantique. Le comportement particulier des particules élémentaires est exploité. En effet, en mécanique quantique, toute mesure sur l'état d'une particule modifie irrémédiablement cet état. En jouant sur cette propriété, deux parties, souvent appelées Alice et Bob, peuvent encoder une clé secrète dans des porteurs quantiques tels que des photons uniques. Toute tentative d'espionnage demande à l'espion, Eve, une mesure de l'état du photon qui transmet un bit de clé et donc se traduit par une perturbation de l'état. Alice et Bob peuvent alors se rendre compte de la présence d'Eve par un nombre inhabituel d'erreurs de transmission.</p> <p>L'information échangée par la distribution quantique n'est pas directement utilisable mais doit être d'abord traitée. Les erreurs de transmissions, qu'elles soient dues à un espion ou simplement à du bruit dans le canal de communication, doivent être corrigées grâce à une technique appelée réconciliation. Ensuite, la connaissance partielle d'un espion qui n'aurait perturbé qu'une partie des porteurs doit être supprimée de la clé finale grâce à une technique dite d'amplification de confidentialité.</p> <p>Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la distribution quantique de clé où les porteurs sont des états continus de la lumière. En particulier, une partie importante de ce travail est consacrée au traitement de l'information continue échangée par un protocole particulier de distribution quantique de clés, où les porteurs sont des états cohérents de la lumière. La nature continue de cette information implique des aménagements particuliers des techniques de réconciliation, qui ont surtout été développées pour traiter l'information binaire. Nous proposons une technique dite de réconciliation en tranches qui permet de traiter efficacement l'information continue. L'ensemble des techniques développées a été utilisé en collaboration avec l'Institut d'Optique à Orsay, France, pour produire la première expérience de distribution quantique de clés au moyen d'états cohérents de la lumière modulés continuement.</p> <p>D'autres aspects importants sont également traités dans cette thèse, tels que la mise en perspective de la distribution quantique de clés dans un contexte cryptographique, la spécification d'un protocole complet, la création de nouvelles techniques d'amplification de confidentialité plus rapides à mettre en œuvre ou l'étude théorique et pratique d'algorithmes alternatifs de réconciliation.</p> <p>Enfin, nous étudions la sécurité du protocole à états cohérents en établissant son équivalence à un protocole de purification d'intrication. Sans entrer dans les détails, cette équivalence, formelle, permet de valider la robustesse du protocole contre tout type d'espionnage, même le plus compliqué possible, permis par les lois de la mécanique quantique. En particulier, nous généralisons l'algorithme de réconciliation en tranches pour le transformer en un protocole de purification et nous établissons ainsi un protocole de distribution quantique sûr contre toute stratégie d'espionnage.</p> <p>Quantum key distribution is a cryptographic technique, which allows to exchange secret keys whose confidentiality is guaranteed by the laws of quantum mechanics. The strange behavior of elementary particles is exploited. In quantum mechnics, any measurement of the state of a particle irreversibly modifies this state. By taking advantage of this property, two parties, often called Alice and bob, can encode a secret key into quatum information carriers such as single photons. Any attempt at eavesdropping requires the spy, Eve, to measure the state of the photon and thus to perturb this state. Alice and Bob can then be aware of Eve's presence by a unusually high number of transmission errors.</p> <p>The information exchanged by quantum key distribution is not directly usable but must first be processed. Transmission errors, whether they are caused by an eavesdropper or simply by noise in the transmission channel, must be corrected with a technique called reconciliation. Then, the partial knowledge of an eavesdropper, who would perturb only a fraction of the carriers, must be wiped out from the final key thanks to a technique called privacy amplification.</p> <p>The context of this thesis is the quantum key distribution with continuous states of light as carriers. An important part of this work deals with the processing of continuous information exchanged by a particular protocol, where the carriers are coherent states of light. The continuous nature of information in this case implies peculiar changes to the reconciliation techniques, which have mostly been developed to process binary information. We propose a technique called sliced error correction, which allows to efficiently process continuous information. The set of the developed techniques was used in collaboration with the Institut d'Optique, Orsay, France, to set up the first experiment of quantum key distribution with continuously-modulated coherent states of light.</p> <p>Other important aspects are also treated in this thesis, such as placing quantum key distribution in the context of a cryptosystem, the specification of a complete protocol, the creation of new techniques for faster privacy amplification or the theoretical and practical study of alternate reconciliation algorithms.</p> <p>Finally, we study the security of the coherent state protocol by analyzing its equivalence with an entanglement purification protocol. Without going into the details, this formal equivalence allows to validate the robustness of the protocol against any kind of eavesdropping, even the most intricate one allowed by the laws of quantum mechanics. In particular, we generalize the sliced error correction algorithm so as to transform it into a purification protocol and we thus establish a quantum key distribution protocol secure against any eavesdropping strategy.</p>

Les Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (STIC) continuent de progresser de façon spectaculaire dans tous les domaines de l'ingénierie ou de la production, des secteurs les plus traditionnels jusqu'aux industries de pointe. Les technologies mettant en oeuvre le traitement du signal et l'informatique permettant la mise au point de modèle de plus en plus réalistes, sont et seront à la base d'importantes innovations dans presque tous les secteurs de l'activité humaine : ingénierie, télécommunications, éducation, médecine, environnement, prévisions météorologiques, défense, transports, commerce et distribution, finance, loisirs, etc. Avec les outils de traitement et de modélisation, les STIC permettent également de nombreuses avancées dans les autres sciences : physique, chimie, biologie, sciences de la terre, sciences humaines ou sociales, etc. Dans le domaine des télécommunications, de nombreux secteurs sont concernés par l'apport de ces nouveaux outils. Dans le domaine du traitement de la parole, les performances des codeurs ont tendance à se dégrader au fur et à mesure que leurs débits diminuent, même si leurs conceptions font appel à des modèles de plus en plus sophistiqués. Le choix d'un codeur de parole est un compromis entre différents facteurs : qualité souhaitée, débit et complexité. En téléphonie acoustique numérique sous-marine, la portée dépend de la fréquence sachant que les fréquences élevées sont rapidement amorties. Des bas, très bas débits sont nécessaires pour atteindre des distances acceptables. On fera appel à des codeurs bas, voir très bas débits suivant la qualité de parole souhaitée. La montée en puissance des processeurs de signaux (Digital Signal Processor DSP), une puissance multipliée, par un facteur de l'ordre de 1000 dans les quinze dernières années, permet d'offrir aujourd'hui une large gamme de choix pouvant répondre à la plupart des situations rencontrées dans le domaine industriel. Après les codeurs temporels à hauts débits type MIC (64 kbits/s), MICDA DECT( Digital European Cordless Telephone 32 kbits/s), MIC bande élargie(64 kbits/s), les codeurs mixtes (paramétriques et temporels) à bas débits de type CELP{Code Excited Linear Prediction}} (4.8 kbits/s) ou MELP{Mixed Excited Linear Prediction}} (2.4 kbits/s), avec leurs nouveaux algorithmes de compression offrent de très bonne qualité de parole. La première partie de mes travaux de recherche a été consacrée au codage de source avec l'étude et le développement d'un codeur de type CELP (5,45 kbits/s) et à son implémentation sur un DSP{de type Motorola fréquence d'horloge 27 Mhz, 13.5 MIPS). Compte tenu des contraintes temps réel, l'intégration a été entièrement réalisée en langage d'assemblage, elle fait l'objet d'un chapitre dans le rapport final. Dans le domaine des communications numériques, après transmission sur un canal physique, le flux de données est entaché d'erreurs provenant de phénomènes d'évanouissements, d'interférences entre symboles, de bruits d'origines diverses (thermique, milieu, etc..). En codage canal, l'arrivée des systèmes itératifs, connus sous le nom de "Turbo Codes", avec les deux grandes familles, TCC (Turbo Codes Convolutifs) et TCB (Turbo Codes en Blocs), est à l'origine de nombreuses avancées permettant de récupérer l'information émise quasiment sans erreur dans les conditions de fonctionnement. Le codage de canal permet ainsi en réception, après égalisation éventuelle et démodulation, de corriger les erreurs de parcours avec un pourcentage de réussite très élevé. Les TCC et les TCB commencent à être intégrés dans différentes normes (satellites, communications mobiles, télévisions numériques etc.) et de nombreux travaux visent à les intégrer dans les secteurs les plus divers. Le département Signal et Communications de l'ENST-Bretagne s'intéresse plus particulièrement au TCB, à la fois à partir des codes BCH binaires, et des codes de Reed-Solomon RS. En 1996 j'ai commencé les premiers travaux d'intégration des TCB sur processeurs de signaux (DSP). Avec ses très grandes possibilités de parallélisme, l'option circuit permet d'atteindre des débits très élevés. L'option DSP apporte une très grande souplesse malgré son parallélisme limité et permet une évolutivité au niveau de l'intégration et de la mise à jour rapide des systèmes. Différents algorithmes ont été mis en oeuvre pour le décodage pondéré des TCB, à la fois de type BCH (Chase-Pyndiah, Chase-Hartmann-Rudolph-Nazarov) et de type RS (Chase-Pyndiah-Berlekamp-Massey), dans le cadre des thèses que j'ai co-encadrées et de différents travaux réalisés dans le cadre de contrats (SEEE-AM sur canal VLF-LF) ou de projets DS-GET (codage canal pour BLUETOOTH avec TCB, communications indoor sur canal 60 GHz. Les différents algorithmes ont été initialement développés en langage C en format flottant. Les implémentations{l'implémentation des codes RS est aujourd'hui en cours de développement dans le cadre d'un nouveau projet}, en format fixe, sur processeurs de signaux ont été optimisées en langage d'assemblage (DSP Motorola 56xxx, DSP Texas Instruments TMS320C6201) Avant de conclure un dernier chapitre est plus particulièrement consacré à la présentation d'une approche des activités temps réel. Il nous permet de présenter la téléphonie acoustique sous-marine et notamment les différentes plate-formes mises en oeuvre au cours des essais de 1994 et ceux de 2003 dans rade de Brest. Une plate forme temps réel d'essais de Turbo codes en blocs est également présentée. Son objectif est plus pédagogique. Un certain nombre de conclusions sont tirées en fin de rapport avant de présenter les perspectives pour la suite des travaux.

<p>La distribution quantique de clés est une technique cryptographique permettant l'échange de clés secrètes dont la confidentialité est garantie par les lois de la mécanique quantique. Le comportement particulier des particules élémentaires est exploité. En effet, en mécanique quantique, toute mesure sur l'état d'une particule modifie irrémédiablement cet état. En jouant sur cette propriété, deux parties, souvent appelées Alice et Bob, peuvent encoder une clé secrète dans des porteurs quantiques tels que des photons uniques. Toute tentative d'espionnage demande à l'espion, Eve, une mesure de l'état du photon qui transmet un bit de clé et donc se traduit par une perturbation de l'état. Alice et Bob peuvent alors se rendre compte de la présence d'Eve par un nombre inhabituel d'erreurs de transmission.</p><p><p><p>L'information échangée par la distribution quantique n'est pas directement utilisable mais doit être d'abord traitée. Les erreurs de transmissions, qu'elles soient dues à un espion ou simplement à du bruit dans le canal de communication, doivent être corrigées grâce à une technique appelée réconciliation. Ensuite, la connaissance partielle d'un espion qui n'aurait perturbé qu'une partie des porteurs doit être supprimée de la clé finale grâce à une technique dite d'amplification de confidentialité.</p><p><p><p>Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la distribution quantique de clé où les porteurs sont des états continus de la lumière. En particulier, une partie importante de ce travail est consacrée au traitement de l'information continue échangée par un protocole particulier de distribution quantique de clés, où les porteurs sont des états cohérents de la lumière. La nature continue de cette information implique des aménagements particuliers des techniques de réconciliation, qui ont surtout été développées pour traiter l'information binaire. Nous proposons une technique dite de réconciliation en tranches qui permet de traiter efficacement l'information continue. L'ensemble des techniques développées a été utilisé en collaboration avec l'Institut d'Optique à Orsay, France, pour produire la première expérience de distribution quantique de clés au moyen d'états cohérents de la lumière modulés continuement.</p><p><p><p>D'autres aspects importants sont également traités dans cette thèse, tels que la mise en perspective de la distribution quantique de clés dans un contexte cryptographique, la spécification d'un protocole complet, la création de nouvelles techniques d'amplification de confidentialité plus rapides à mettre en œuvre ou l'étude théorique et pratique d'algorithmes alternatifs de réconciliation.</p><p><p><p>Enfin, nous étudions la sécurité du protocole à états cohérents en établissant son équivalence à un protocole de purification d'intrication. Sans entrer dans les détails, cette équivalence, formelle, permet de valider la robustesse du protocole contre tout type d'espionnage, même le plus compliqué possible, permis par les lois de la mécanique quantique. En particulier, nous généralisons l'algorithme de réconciliation en tranches pour le transformer en un protocole de purification et nous établissons ainsi un protocole de distribution quantique sûr contre toute stratégie d'espionnage.</p><p><p><p>Quantum key distribution is a cryptographic technique, which allows to exchange secret keys whose confidentiality is guaranteed by the laws of quantum mechanics. The strange behavior of elementary particles is exploited. In quantum mechnics, any measurement of the state of a particle irreversibly modifies this state. By taking advantage of this property, two parties, often called Alice and bob, can encode a secret key into quatum information carriers such as single photons. Any attempt at eavesdropping requires the spy, Eve, to measure the state of the photon and thus to perturb this state. Alice and Bob can then be aware of Eve's presence by a unusually high number of transmission errors.</p><p><p><p>The information exchanged by quantum key distribution is not directly usable but must first be processed. Transmission errors, whether they are caused by an eavesdropper or simply by noise in the transmission channel, must be corrected with a technique called reconciliation. Then, the partial knowledge of an eavesdropper, who would perturb only a fraction of the carriers, must be wiped out from the final key thanks to a technique called privacy amplification.</p><p><p><p>The context of this thesis is the quantum key distribution with continuous states of light as carriers. An important part of this work deals with the processing of continuous information exchanged by a particular protocol, where the carriers are coherent states of light. The continuous nature of information in this case implies peculiar changes to the reconciliation techniques, which have mostly been developed to process binary information. We propose a technique called sliced error correction, which allows to efficiently process continuous information. The set of the developed techniques was used in collaboration with the Institut d'Optique, Orsay, France, to set up the first experiment of quantum key distribution with continuously-modulated coherent states of light.</p><p><p><p>Other important aspects are also treated in this thesis, such as placing quantum key distribution in the context of a cryptosystem, the specification of a complete protocol, the creation of new techniques for faster privacy amplification or the theoretical and practical study of alternate reconciliation algorithms.</p><p><p><p>Finally, we study the security of the coherent state protocol by analyzing its equivalence with an entanglement purification protocol. Without going into the details, this formal equivalence allows to validate the robustness of the protocol against any kind of eavesdropping, even the most intricate one allowed by the laws of quantum mechanics. In particular, we generalize the sliced error correction algorithm so as to transform it into a purification protocol and we thus establish a quantum key distribution protocol secure against any eavesdropping strategy.</p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished