Ce travail de thèse explore l'usage biométrique de la parole dont les applications sont très nombreuses (sécurité, environnements intelligents, criminalistique, surveillance du territoire ou authentification de transactions électroniques). La parole est soumise à de nombreuses contraintes fonction des origines du locuteur (géographique, sociale et culturelle) mais également fonction de ses objectifs performatifs. Le locuteur peut être considéré comme un facteur de variation de la parole, parmi d'autres. Dans ce travail, nous présentons des éléments de réponses aux deux questions suivantes :- Tous les extraits de parole d'un même locuteur sont-ils équivalents pour le reconnaître ?- Comment se structurent les différentes sources de variation qui véhiculent directement ou indirectement la spécificité du locuteur ? Nous construisons, dans un premier temps, un protocole pour évaluer la capacité humaine à discriminer un locuteur à partir d'un extrait de parole en utilisant les données de la campagne NIST-HASR 2010. La tâche ainsi posée est difficile pour nos auditeurs, qu'ils soient naïfs ou plus expérimentés.Dans ce cadre, nous montrons que ni la (quasi)unanimité des auditeurs ni l'auto-évaluation de leurs jugements ne sont des gages de confiance dans la véracité de la réponse soumise.Nous quantifions, dans un second temps, l'influence du choix d'un extrait de parole sur la performance des systèmes automatiques. Nous avons utilisé deux bases de données, NIST et BREF ainsi que deux systèmes de RAL, ALIZE/SpkDet (LIA) et Idento (SRI). Les systèmes de RAL, aussi bienfondés sur une approche UBM-GMM que sur une approche i-vector montrent des écarts de performances importants mesurés à l'aide d'un taux de variation autour de l'EER moyen, Vr (pour NIST, VrIdento = 1.41 et VrALIZE/SpkDet = 1.47 et pour BREF, Vr = 3.11) selon le choix du fichier d'apprentissage utilisé pour chaque locuteur. Ces variations de performance, très importantes, montrent la sensibilité des systèmes automatiques au choix des extraits de parole, sensibilité qu'il est important de mesurer et de réduire pour rendre les systèmes de RAL plus fiables.Afin d'expliquer l'importance du choix des extraits de parole, nous cherchons les indices les plus pertinents pour distinguer les locuteurs de nos corpus en mesurant l'effet du facteur Locuteur sur la variance des indices (h2). La F0 est fortement dépendante du facteur Locuteur, et ce indépendamment de la voyelle. Certains phonèmes sont plus discriminants pour le locuteur : les consonnes nasales, les fricatives, les voyelles nasales, voyelles orales mi-fermées à ouvertes.Ce travail constitue un premier pas vers une étude plus précise de ce qu'est le locuteur aussi bien pour la perception humaine que pour les systèmes automatiques. Si nous avons montré qu'il existait bien une différence cepstrale qui conduisait à des modèles plus ou moins performants, il reste encore à comprendre comment lier le locuteur à la production de la parole. Enfin, suite à ces travaux, nous souhaitons explorer plus en détail l'influence de la langue sur la reconnaissance du locuteur. En effet, même si nos résultats indiquent qu'en anglais américain et en français, les mêmes catégories de phonèmes sont les plus porteuses d'information sur le locuteur, il reste à confirmer ce point et à évaluer ce qu'il en est pour d'autres langues

Cette thèse est motivée par la perspective de rapprochement entre traitement du signal et apprentissage statistique, et plus particulièrement par l'exploitation de techniques d'échantillonnage compressé afin de réduire le coût de tâches d'apprentissage. Après avoir rappelé les bases de l'échantillonnage compressé et mentionné quelques techniques d'analyse de données s'appuyant sur des idées similaires, nous proposons un cadre de travail pour l'estimation de paramètres de mélange de densités de probabilité dans lequel les données d'entraînement sont compressées en une représentation de taille fixe. Nous instancions ce cadre sur un modèle de mélange de Gaussiennes isotropes. Cette preuve de concept suggère l'existence de garanties théoriques de reconstruction d'un signal pour des modèles allant au-delà du modèle parcimonieux usuel de vecteurs. Nous étudions ainsi dans un second temps la généralisation de résultats de stabilité de problèmes inverses linéaires à des modèles tout à fait généraux de signaux. Nous proposons des conditions sous lesquelles des garanties de reconstruction peuvent être données dans un cadre général. Enfin, nous nous penchons sur un problème de recherche approchée de plus proche voisin avec calcul de signature des vecteurs afin de réduire la complexité. Dans le cadre où la distance d'intérêt dérive d'un noyau de Mercer, nous proposons de combiner un plongement explicite des données suivi d'un calcul de signatures, ce qui aboutit notamment à une recherche approchée plus précise.

Cette thèse s'intéresse à l'étude des problèmes de diagnostic des fautes sur les systèmes à événements discrets dans des contextes atemporel et temporel sur la base de modèles réseau de Petri. Des techniques d'exploration incrémentale et à-la-volée sont développées pour combattre le problème de l'explosion de l'espace d'état. Dans le contexte atemporel, une représentation algébrique pour les réseaux de Petri labellisés (RdP-L) a été développée pour caractériser le comportement du système. La diagnosticabilité de modèles RdP-L est ensuite abordée par l'analyse d'une série de problèmes d'analyse de K -diagnosticabilité, où K peut être augmenté progressivement. Concrètement, l'analyse de la diagnosticabilité est effectuée sur la base de deux modèles nommés respectivement FM-graph et FM-set tree qui sont développés à-la-volée et qui contiennent les informations relatives aux fautes. Un diagnostiqueur peut facilement être dérivé à partir du FM-set tree pour le diagnostic en ligne. Dans le contexte temporel, une technique de fractionnement des intervalles de temps a été élaborée pour développer une représentation de l'espace d'état des réseaux de Petri labellisés et temporels (RdP-LT) pour laquelle des techniques d'analyse de la diagnosticabilité du contexte atemporel, peuvent être exploitées. Sur cette base, les conditions nécessaires et suffisantes pour la diagnosticabilité de RdP-LT ont été déterminées, et nous présentons la solution pour le délai minimum qui assure la diagnosticabilité. En pratique, l'analyse de la diagnosticabilité est effectuée sur la base de la construction à-la-volée d'une structure que l'on appelle ASG et qui contient des informations relatives à l'occurrence de fautes sur les états du RdP-LT. D'une manière générale, l'analyse effectuée sur la base des techniques à-la-volée et incrémentale permet de construire et explorer seulement une partie de l'espace d'état. Les résultats des analyses effectuées sur certains benchmarks montrent l'efficacité des techniques que nous avons développées en termes de temps et de mémoire par rapport aux approches traditionnelles basées sur l'énumération des états.

Les travaux qui sont abordés dans cette habilitation sont à la confluence de plusieurs de ces domaines de recherche. Ils concernent deux aspects principaux. Le premier est relatif à la reconnaissance structurelle de formes, en proposant deux contributions liées respectivement à la classification supervisée de graphes et à la recherche d'isomorphismes de sous-graphes. Le second concerne la prise en compte d'objectifs multiples en analyse d'images de documents, tant pour l'évaluation des performances des systèmes que pour leur optimisation. Dans les deux cas, les travaux sont appliqués à des problèmes d'analyse de documents, pour la reconnaissance et la localisation de symboles et pour la reconnaissance de courriers manuscrits. Nous proposons dans ce mémoire de faire une synthèse de ces contributions et de nos perspectives dans ces domaines, en positionnant celles-ci par rapport à l'état de l'art des différentes problématiques abordées.

L'essor des nouvelles technologies de télécommunication et de conception des capteurs a fait apparaître un nouveau domaine du traitement du signal : les réseaux de capteurs. Une application clé de ce nouveau domaine est l'estimation à distance : les capteurs acquièrent de l'information et la transmettent à un point distant où l'estimation est faite. Pour relever les nouveaux défis apportés par cette nouvelle approche (contraintes d'énergie, de bande et de complexité), la quantification des mesures est une solution. Ce contexte nous amène à étudier l'estimation à partir de mesures quantifiées. Nous nous concentrons principalement sur le problème d'estimation d'un paramètre de centrage scalaire. Le paramètre est considéré soit constant, soit variable dans le temps et modélisé par un processus de Wiener lent. Nous présentons des algorithmes d'estimation pour résoudre ce problème et, en se basant sur l'analyse de performance, nous montrons l'importance de l'adaptativité de la dynamique de quantification pour l'obtention d'une performance optimale. Nous proposons un schéma adaptatif de faible complexité qui, conjointement, estime le paramètre et met à jour les seuils du quantifieur. L'estimateur atteint de cette façon la performance asymptotique optimale. Avec 4 ou 5 bits de résolution, nous montrons que la performance optimale pour la quantification uniforme est très proche des performances d'estimation à partir de mesures continues. Finalement, nous proposons une approche à haute résolution pour obtenir les seuils de quantification non-uniformes optimaux ainsi qu'une approximation analytique des performances d'estimation.

Les modulations multiporteuse (de type OFDM) ont des formes d'onde à fortes fluctuations d'amplitude (PAPR pour Peak-to-Average Power Ratio). Ainsi, de nombreux travaux ont pour objectif de décrire mathématiquement ces fluctuations puis de proposer des solutions visant à les réduire. Parallèlement, les systèmes de télécommunications ont tendance à se diversifier et se complexifier. Ainsi, l'ajout d'une ou plusieurs antennes en émission (MIMO) va modifier la configuration du signal reçu et donc son PAPR. La présence d'un amplificateur non linéaire (LNA) en réception impose alors de quantifier la valeur du PAPR. <br />L'objectif de cette thèse est de décrire le PAPR à la réception en prenant en compte l'influence des modifications du signal : filtrage de mise en forme, transposition RF et canal de propagation. Cette étude a été menée dans des contextes SISO puis MIMO, chacun d'entre eux étant décliné sous les aspects mono puis multiporteuse. Ensuite, deux méthodes de réduction du PAPR ont été proposées.

L'OFDM pour ''Orthogonal Frequency Division Multiplexing'' est une technique de modulation multiporteuses sophistiquée qui a fait ses preuves dans le domaine de la communication sans fil permettant aux technologies actuelles d'atteindre un débit de transmission élevé. Elle est utilisée dans la plupart des standards de communication tels que le DAB, le DVB-T, les réseaux locaux sans fil (WLAN), le WIMAX. Elle est en phase de normalisation dans le LTE (''Long Term Evolution'') pour la future norme de réseau mobile de quatrième génération (4G). L'inconvénient majeur de la modulation OFDM est qu'elle engendre des signaux temporels à fortes variations d'amplitude caractérisée par un PAPR (''Peak-to-Average Power Ratio'') élevé. Cette caractéristique rend les signaux OFDM très sensibles aux non-linéarités des composants analogiques, en particulier celles de l'amplificateur de puissance. L'objectif de cette thèse a consisté à développer et analyser des techniques de réduction du PAPR de type ''ajout de signal'' à compatibilité descendante. Ces techniques ont été développées dans le souci de satisfaire les contraintes (consommation et intégration) d'un système embarqué. Dans cette thèse, nous avons d'abord étudié théoriquement les performances des techniques ''ajout de signal'' dites de ''distorsions, et nous avons ensuite développé deux nouvelles techniques ''ajout de signal'' à compatibilité descendante.

La mise en oeuvre de systèmes basés OFDMA nécessite une synchronisation de la fréquence très fine en raison de l'extrème sensibilité de l'OFDMA aux décalages en fréquence porteuse (CFO). La synchronisation en fréquence devient plus difficile dans les systèmes OFDMA en liaison montante. Nos objectifs comprennent l'étude et l'analyse des problèmes résultant de décalages de fréquence et la proposition de solutions pour lutter contre ces problèmes. Nous examinons d'abord les interférences résultant de décalages de fréquence porteuse présents dans l'oscillateur du terminal utilisateur. Nous démontrons que l'on doit prendre en compte le préfixe cyclique tout en analysant les interférences résultant du CFO. Ensuite, nous montrons qu'il existe une contradiction entre la diversité de fréquence de canal et la robustesse contre le CFO. Nous proposons un compromis sous la forme d'une taille de bloc de seuil, afin de permettre un bon compromis entre la diversité des canaux et de robustesse pour les CFO pour le cas où aucune connaissances du canal n'est disponible. Quand le canal est connu, nous proposons une allocation optimale par bloc grâce à laquelle la robustesse aux CFO et à la diversité de fréquence de canal peut être réalisée en utilisant une petite taille de bloc petit pour des CFO de petite valeur. Nous proposons également une valeur CFO critique, en dessous de laquelle l'allocation optimal par bloc est très performant. Ensuite, nous proposons des solutions pour deux problèmes importants rencontrés dans un système OFDMA en liaison montante. Premièrement, nous proposons une méthode efficace pour l'estimation conjointe des réponses impulsionnelles des canaux et fréquences porteuses basée sur l'approximation polynomiale. Notre méthode d'estimation conjointe est plus simple que les méthodes existantes, sans aucune dégradation de performance. Ensuite, nous proposons une méthode de compensation de CFO basée sur l'annulation des interférences successives (SIC). La méthode d'annulation proposée réduit la complexité de mise en oeuvre quand le nombre de porteuses est important.

La nouvelle génération de sondeurs multifaisceaux (SMF) utilise des signaux modulés en fréquence (FM) afin d'accroître l'énergie émise dans le milieu (via la durée des impulsions) tout en gardant une bonne résolution grâce à la compression d'impulsion (filtrage adapté). Ceci permet d'accroitre le rapport signal à bruit et la portée des systèmes. Cependant, les niveaux de performance atteints ne sont pas ceux espérés, et la mesure bathymétrique apparait même paradoxalement plus bruitée. Cette observation a été faite sur plusieurs systèmes de constructeurs différents (ResonTM Seabat 7150, KongsbergTM EM 122, 302 et 710). Les travaux entrepris dans cette thèse ont donc pour objectif d'examiner différentes causes d'incertitude de mesure lors de l'utilisation de signaux modulés. La première interprétation émise est liée à la présence de l'effet Doppler (causé par le mouvement des antennes fixées sur le porteur subissant les mouvements de roulis, tangage, lacet et pilonnement). Une étude de cet effet a donc été menée selon deux aspects : biais et statistique de mesures, s'appuyant sur modèles et simulations. Il a été conclu cependant que l'effet Doppler ne permet pas d'expliquer de manière satisfaisante les baisses de performance observées (les biais de mesures étant déjà pris en compte et corrigé, et les baisses de performance en terme de variance insuffisantes). Une seconde interprétation est basée sur la présence de lobes secondaires lors de la compression d'impulsion qui contribuent comme un bruit, et décorrèle les signaux interférométriques (baseline decorrelation-décorrélation angulaire). Cette dernière a été démontrée comme étant la cause principale de dégradation de la mesure bathymétrique lors de l'utilisation de signaux modulés. Enfin le travail a permis de proposer différentes solutions réalistes en terme de forme de signal émis ou de filtrage afin de réduire les impacts des lobes secondaires (modèle théorique, simulations et mises en oeuvre et testées in situ pour certaines).

Le spectre électromagnétique est une ressource naturelle dont l'usage doit être optimisé. Un grand nombre de travaux actuels visent à améliorer l'utilisation des fréquences radio en y introduisant un degré de flexibilité rendu possible par l'agilité en forme d'onde et en fréquence permise par la radio logicielle (SDR), ainsi que par les méthodes de traitement intelligent du signal (radio cognitive). Cette thèse se place dans ce contexte. Concrètement, nous considérons le problème de partage du spectre électromagnétique entre plusieurs utilisateurs sous contraintes d'interférence mutuelle. Notre objectif est de contribuer à l'évaluation du gain de partage de cette ressource rare qu'est le spectre électromagnétique. En étudiant le canal gaussien d'interférence avec l'interférence traitée comme du bruit additif gaussien aux différents récepteurs, nous avons trouvé une description géométrique et plusieurs caractérisations de la région des débits atteignables. Ensuite, considérant un cas plus réaliste où chaque utilisateur a une certaine qualité de service, nous avons trouvé une condition nécessaire et suffisante pour permettre la communication simultanée à travers le canal gaussien d'interférence pour deux utilisateurs. Dans un scénario de partage entre un utilisateur primaire ayant une plus grande priorité d'accès au spectre et un utilisateur secondaire, après avoir déterminé des bornes minimales pour le débit du primaire en fonction du schéma d'allocation de puissance de l'utilisateur secondaire, nous avons proposé une technique originale d'allocation de puissance pour l'utilisateur secondaire accédant de manière opportuniste au spectre sous contraintes de performance de coupure pour tous les utilisateurs. En particulier, cette technique d'allocation de puissance n'utilise que l'information sur l'état des canaux des liens directs allant de l'émetteur secondaire vers les autres points du réseau. Finalement, considérant des modèles de canaux plus réalistes; après avoir montré l'existence d'une zone d'exclusion autour du récepteur primaire (zone où il n'y a aucun transmetteur secondaire, dans le but de protéger l'utilisateur primaire contre les fortes interférences), nous avons caractérisé l'effet du shadowing et du path-loss sur la zone d'exclusion du primaire.