Les problèmes liés à l'équilibre sont diagnostiqués à l'aide de systèmes de cartographies des pressions plantaires ou de plateformes de force mesurant le déplacement du centre de pressions. Ces systèmes professionnels sont restreints à une utilisation en milieu médical, et on constate qu'aucun dispositif de surveillance de l'équilibre ne donne entière satisfaction en termes de mobilité et d'acceptabilité. Dans le contexte de la télémédecine et de l'e-santé, notre objectif a consisté à développer des outils pour la surveillance ambulatoire de l'équilibre postural, et contribuer à la compréhension du contrôle de l'équilibre. Nous avons d'abord entrepris une étude théorique de la faisabilité de la mesure des pressions plantaires et du déplacement dynamique du centre de pression, à partir d'un nombre très réduit de capteurs. Nous avons proposé pour cela un modèle mécanique simplifié du pied, ainsi que les hypothèses spécifiques à ces applications. Le modèle décrit la relation physique entre la posture du pied et la répartition des pressions plantaires suivant ses caractéristiques biomécaniques. Sur la base d'un prototype de semelle instrumentée à 3 capteurs uniquement, nous avons vérifié expérimentalement la capacité du système et des méthodes à générer le stabilogramme et les cartographies de pressions plantaires. Ceux-ci ont été comparés à un système matriciel de référence, et caractérisés en termes d'incertitude dans le cas du pied normal en position debout et durant la marche. Les stabilogrammes ainsi mesurés peuvent être analysés pour caractériser la signature de l'équilibre. Nous proposons un modèle spécifique à trois dimensions, décrivant la dynamique de l'équilibre et permettant d'identifier, par simulation, les principaux paramètres physiologiques qui assurent le maintien de l'équilibre postural. / Problems of balance are often diagnosed thanks to plantar pressure cartography systems or forces platform that measure the center of pressure displacement. These professional systems are restricted in use to medical environments, and until now, the balance monitoring systems do not offer complete satisfaction in terms of mobility and acceptability. In order to overcome these limitation and in the context of telemedicine and e-health, we aimed to develop tools for ambulatory monitoring of postural equilibrium and to understand the balance control. We have first undertaken a theoretical study on the feasibility of measuring plantar pressure and dynamic displacement of the center of pressure, from a very small number of sensors. For these applications, we have proposed a simplified mechanical foot model, as well as related assumptions. The model describes the physical relationship between foot posture and distribution of plantar pressures following its biomechanical characteristics. Based on a prototype of an instrumented insole with only 3 sensors, we have verified experimentally the ability of the system and the methods to generate both the stabilogram and the plantar pressure maps. Comparison is made with a matrix reference system, and characterization in terms of uncertainty in the case of normal foot in standing position and during walking is detailed. The measured stabilogram can be analyzed to characterize the signature of balance. We have also proposed a specific three-dimensional model describing the dynamics of balance. Based on simulation, it leads to identify the main physiological parameters related to balance control.

Le but de cette thèse est l'étude et la mise en oeuvre d'un système de localisation sous-marine compact et simple à mettre en place pour une utilisation en zones portuaires, côtières et environnements peu profonds. Nous proposons un système SBL (Small Distance Baseline) avec un nombre réduit de transducteurs (une balise d'émission et deux hydrophones). La configuration géométrique du système étant contraignante (hydrophones proches) la précision du positionnement obtenue par les méthodes classiques est faible. Nous proposons une nouvelle méthode de localisation améliorant la précision. La balise à localiser émet un signal à étalement de spectre. La différence de distance entre les trajets des signaux des hydrophones est mesurée par corrélation. Nous proposons deux boucles de poursuites pour l'estimation conjointe de la fréquence Doppler et du délai entre les signaux reçus. Ces techniques de poursuite basées sur un filtre de Kalman sont implémentées en boucle fermée et ouverte. Les observations TDOA (Time Difference Of Arrival) conduisent à utiliser une technique de localisation hyperbolique. Nous proposons une représentation statistique qui exploite la géométrie de notre système de mesure pour déterminer une zone de localisation probable autour de chaque hyperbole. En utilisant des positions de bateau successives, on construit une densité de probabilité dont le maximum définit la position de la balise. On montre sur données synthétiquesque pour un bruit de mesure réaliste, il est possible de déterminer la position de la balise avec une précision submétrique. Les expérimentations réelles confirment la faisabilité du système et la précision obtenue est dans ce cas métrique. / The purpose of that thesis work is the research and implementation of a compact and simple underwater localization system that aim to be used in ports, coastal areas and other low-depth environments. Our system is SBL (Small Distance Baseline), with a small number of transceivers (only one emitter and two hydrophones). Due to the system's geometric configuration not being optimal (both hydrophones are close to one another), the precision obtained using classical approaches is poor. We therefore propose a new localization approach that will improve it. The emitter we wish to localize emit a spread spectrum signal. The time difference of arrival (TDOA) between the two hydrophones is then determined using correlations methods. We propose in our work two tracking loops that will estimate both the delay and the doppler frequency between the signals. Using a Kalman filter , those methods are implemented respectively in open and close loop. From each TDOA measurement, we can calculatea hyperbolic area of possible emitter location. We thus use a statistical model which takes into account the local geometry of our measurements system in order to create a probable localization area around each hyperbole. By using the measurements at several different boat positions, we create a probability density whose maximum will be centered around the emitter's position. We show that, on simulated data, it is possible to localize the beacon with a precision beneath a meter with a realistic noise level. Experimental work and real data collection confirm that the method can in that context achieve the same result with a precision of a few meters.

L'amplificateur de puissance est le module le plus critique dans les équipements de communication radio. Il détermine la qualité de la liaison par sa linéarité et a une contribution conséquente dans la consommation de l'émetteur ; environ 60% de l'énergie consommée est consacré à l'amplification. Il est donc crucial de le faire fonctionner avec un rendement énergétique élevé. Cependant, ces deux spécifications principales de l'amplificateur que sont la linéarité et le rendement énergétique sont antagoniques. Par conséquent, la conception d'un module d'amplification de puissance suppose de trouver un compromis entre la linéarité et le rendement. L'optimisation de ce compromis est la raison d'être des techniques de linéarisation d'amplificateurs et d'amélioration du rendement, parmi lesquelles la prédistorsion numérique (DPD) et les techniques de réduction du PAPR du signal (CFR).Le cœur de cette thèse est la linéarisation d'amplificateurs RF haute-puissance et large-bande par prédistorsion numérique (DPD). Dans ces travaux, nous abordons trois problématiques liées à la prédistorsion et qui constituent des verrous technologiques importants. Le premier aspect concerne l'implémentation de la prédistorsion numérique dans un contexte multi-bande où le signal à linéariser comporte plusieurs formes d'ondes, situées à des fréquences différentes. La seconde problématique est l'utilisation conjointe de la prédistorsion avec une technique de CFR. Dans la majorité des applications haute-puissance, les techniques de DPD et de CFR sont présentes de manière complémentaire, cependant elles sont utilisées de façon autonome et disjointe. Celles-ci gagneraient en performances de linéarisation en étant implémentées de manière plus concertée. . Le dernier thème abordé par cette thèse est l'effet des désadaptations d'impédance de l'antenne sur le mode de fonctionnement de l'amplificateur. La variation de l'impédance d'antenne entraine des réflexions de signal vers l'amplificateur qui modifient ses spécifications de linéarité et de rendement. Nous améliorons la linéarité du système DPD + AP, lorsque l'amplificateur est soumis à des variations de l'impédance à sa charge, grâce à une correction adaptative de gain / Power amplifier is one of the most critical element within radiocommunications systems. The PA is their main source of nonlinearities and it has a great contribution on the emitter's power consumption. Running the PA with highest power efficiency is thus as crucial as having it linear for a good communication quality. However these two specifications of the PA are antagonistic and PA manifacturers need to find a compromise between linearity and power efficiency. Digital Predistortion (DPD) and Crest factor Reduction techniques are intended to improve power efficiency while preserving linearity or inversely. Linearization of wideband RF power amplifiers using Digital Predistortion is the focus of this thesis. Three DPD issues are investigated in these works. The first issue deals with multiband linearization where signals with various waveforms located at different frequency bands are amplified. The second objective of this thesis is to study a concurrent DPD/CFR systems based on an automatic estimation of the necessary CFR gain. The last part of this dissertation deals with PA linearization under antenna load variations. Indeed, the impedance of antenna may vary because of electromagnetic objects that are present in its vicinity. Those impedance variations may instigate signal reflections toward the PA, that modify some of its main specifications (linearity, delivered power and efficiency). Our goal in this field is to preserve DPD linearization performances under antenna load mismatch

La tomographie est la discipline qui cherche à reconstruire une donnée physique dans son volume, à partir de l’information indirecte de projections intégrées de l’objet, à différents angles de vue. L’une de ses applications les plus répandues, et qui constitue le cadre de cette thèse, est l’imagerie scanner par rayons X pour le médical. Or, les mouvements inhérents à tout être vivant, typiquement le mouvement respiratoire et les battements cardiaques, posent de sérieux problèmes dans une reconstruction classique. Il est donc impératif d’en tenir compte, i.e. de reconstruire le sujet imagé comme une séquence spatio-temporelle traduisant son “évolution anatomique” au cours du temps : c’est la tomographie dynamique. Élaborer une méthode de reconstruction spécifique à ce problème est un enjeu majeur en radiothérapie, où la localisation précise de la tumeur dans le temps est un prérequis afin d’irradier les cellules cancéreuses en protégeant au mieux les tissus sains environnants. Des méthodes usuelles de reconstruction augmentent le nombre de projections acquises, permettant des reconstructions indépendantes de plusieurs phases de la séquence échantillonnée en temps. D’autres compensent directement le mouvement dans la reconstruction, en modélisant ce dernier comme un champ de déformation, estimé à partir d’un jeu de données d’acquisition antérieur. Nous proposons dans ce travail de thèse une approche nouvelle ; se basant sur la théorie des problèmes inverses, nous affranchissons la reconstruction dynamique du besoin d’accroissement de la quantité de données, ainsi que de la recherche explicite du mouvement, elle aussi consommatrice d’un surplus d’information. Nous reconstruisons la séquence dynamique à partir du seul jeu de projections courant, avec pour seules hypothèses a priori la continuité et la périodicité du mouvement. Le problème inverse est alors traité rigoureusement comme la minimisation d’un terme d’attache aux données et d’une régularisation. Nos contributions portent sur la mise au point d’une méthode de reconstruction adaptée à l’extraction optimale de l’information compte tenu de la parcimonie des données — un aspect typique du problème dynamique — en utilisant notamment la variation totale (TV) comme régularisation. Nous élaborons un nouveau modèle de projection tomographique précis et compétitif en temps de calcul, basé sur des fonctions B-splines séparables, permettant de repousser encore la limite de reconstruction imposée par la parcimonie. Ces développements sont ensuite insérés dans un schéma de reconstruction dynamique cohérent, appliquant notamment une régularisation TV spatio-temporelle efficace. Notre méthode exploite ainsi de façon optimale la seule information courante à disposition ; de plus sa mise en oeuvre fait preuve d’une grande simplicité. Nous faisons premièrement la démonstration de la force de notre approche sur des reconstructions 2-D+t à partir de données simulées numériquement. La faisabilité pratique de notre méthode est ensuite établie sur des reconstructions 2-D et 3-D+t à partir de données physiques “réelles”, acquises sur un fantôme mécanique et sur un patient / Computerized tomography (CT) aims at the retrieval of 3-D information from a set of projections acquired at different angles around the object of interest (OOI). One of its most common applications, which is the framework of this Ph.D. thesis, is X-ray CT medical imaging. This reconstruction can be severely impaired by the patient’s breath (respiratory) motion and cardiac beating. This is a major challenge in radiotherapy, where the precise localization of the tumor is a prerequisite for cancer cells irradiation with preservation of surrounding healthy tissues. The field of methods dealing with the reconstruction of a dynamic sequence of the OOI is called Dynamic CT. Some state-of-the-art methods increase the number of projections, allowing an independent reconstruction of several phases of the time sampled sequence. Other methods use motion compensation in the reconstruction, by a beforehand estimation on a previous data set, getting the explicit motion through a deformation model. Our work takes a different path ; it uses dynamic reconstruction, based on inverse problems theory, without any additional information, nor explicit knowledge of the motion. The dynamic sequence is reconstructed out of a single data set, only assuming the motion’s continuity and periodicity. This inverse problem is considered as a minimization of an error term combined with a regularization. One of the most original features of this Ph.D. thesis, typical of dynamic CT, is the elaboration of a reconstruction method from very sparse data, using Total Variation (TV) as a very efficient regularization term. We also implement a new rigorously defined and computationally efficient tomographic projector, based on B-splines separable functions, outperforming usual reconstruction quality in a data sparsity context. This reconstruction method is then inserted into a coherent dynamic reconstruction scheme, applying an efficient spatio-temporal TV regularization. Our method exploits current data information only, in an optimal way ; moreover, its implementation is rather straightforward. We first demonstrate the strength of our approach on 2-D+t reconstructions from numerically simulated dynamic data. Then the practical feasibility of our method is established on 2-D and 3-D+t reconstructions of a mechanical phantom and real patient data

Les eaux souterraines constituent un des principaux facteurs de contrôle influençant l'activité des glissements de terrain. L'étude hydrogéologique constitue donc une étape incontournable dans la compréhension de leur fonctionnement, en vue de prédire leur déplacement ou d'adapter les solutions d'assainissement. Cependant, les aquifères qui se développent au sein des glissements de terrain sont généralement complexes, et la compréhension de l'hydrogéologie des grands glissements reste encore aujourd'hui une problématique majeure. Dans un contexte climatique extrême de type tropical humide, les glissements du cirque de Salazie (île de La Réunion) constituent des cas d'étude particulièrement porteurs pour l'apport de nouvelles connaissances sur l'hydrogéologie et le fonctionnement des mouvements de terrain de grande ampleur. Pour caractériser ces glissements, une étude pluridisciplinaire associant géologie, hydrochimie, modélisation numérique (globale et déterministe), est mise en œuvre. Sur le secteur nord du cirque de Salazie, l'étude géologique réalisée permet de reconstruire la géométrie de la base d'une instabilité de très grande ampleur, dont le volume est estimé à 370 Mm3. Le glissement de Grand Ilet (175 Mm3) en est la partie la plus active. Les formations volcano-détritiques (brèches) constituant le glissement sont des dépôts d'une ancienne avalanche de débris (> 350 Ma), réactivés localement. Cette étude met également en évidence un régime de déformation extensif associée à l'activité du glissement, favorisant le développement de zones décomprimées subverticales. Au sein des brèches constituant la zone instable, un aquifère continu est identifié. Les écoulements souterrains y sont contrôlés par la géométrie de la base du glissement. Par ailleurs, la nature du couvert végétal en surface, le climat, les propriétés des sols et l'épaisseur de la zone non saturée font que seuls les épisodes pluvieux intenses dont le cumul dépasse 80 mm/ évènement génèrent une recharge de l'aquifère des brèches. Lors de cette recharge, les zones décomprimées favorisent des transferts rapides (< 1 jour) à travers la zone non-saturée, malgré des épaisseurs pouvant atteindre localement 160 mètres. Une infiltration plus lente percole à travers la matrice poreuse des brèches. Pour l'étude de la dynamique des grands glissements dans le cirque de Salazie, l'application de l'outil de modélisation inverse met en évidence que les variations de vitesses de déplacement sont directement reliée aux processus de recharge et de tarissement de la nappe des brèches. Ces modèles s'avèrent particulièrement performants pour prédire les déplacements des grands glissements et comprendre leur fonctionnement. / The landslide activity is commonly controlled by the variation of hydraulic head inside the instable mass. Thus, the hydrogeological study of landslides is an essential step to predict landslide dynamic, and for the remediation choices. However, the aquifers developed in landslide are generally complexes. Actually, the comprehension of landslide hydrogeological functioning is a major problematic, especially for the deep-seated landslides.Under humid tropical climate, the Salazie landslides (Reunion Island) allow to implement an interesting study to characterized deep-seated landslide hydrogeology and functioning. In this study, we performed a multidisciplinary approach, combining geology, hydrochemistry and numerical modeling (global and deterministic);The geological study allows the construction of the deep seated landslide geological model (Grand Ilet sector). The Grand Ilet landslide, corresponding to 175 Mm3, is the most active part of deep seated instability whose the total volume is estimated at 370 Mm3. The volcano-detritic lithologies (i.e basic breccia) constitute the main geological formation of the unstable mass. This breccia is a present-day reactivation of an old destabilization (> 350 Ma). Furthermore, the extensive deformation generated by the landslide activity allows the formation of decompressed zones.Inside breccias, a continuous aquifer is identified. Here, the groundwater flows are controlled by the geometry of the landslide base. Natural land cover, soils properties, unsaturated zone thickness and warm temperature limit the groundwater recharge. Only the intense rainfall episode (80 mm/event) can generated the recharge of landslide aquifer. During these events, rapid transfers circulating inside the decompressed zones have a significant effect on hydraulic charge variations. A slow component is infiltrated inside the porous medium of breccias.The inverse modeling methods with bimodal Gaussian-Exponential transfer function is applied to study the Salazie landslides dynamic. The results show that landslide speed variations are directly controlled by groundwater level variations during the hydrologic cycle (recharge and recession stage). Consequently, the inverse model is a powerful tool for predicting deep-seated landslide movements and for studying how they function.

La Diagonalisation Conjointe par Congruence (DCC) d'un ensemble de matrices apparaît dans nombres de problèmes de traitement du signal, tels qu'en Analyse en Composantes Indépendantes (ACI). Les développements récents en ACI sous contrainte de non négativité de la matrice de mélange, nommée ACI semi-non négative, permettent de tirer profit d'une modélisation physique réaliste des phénomènes observés tels qu'en audio, en traitement d'image ou en ingénierie biomédicale. Par conséquent, durant cette thèse, l'objectif principal était non seulement de concevoir et développer des algorithmes d'ACI semi-non négative basés sur de nouvelles méthodes de DCC non négative où la matrice de passage recherchée est non négative, mais également d'illustrer leur intérêt dans le cadre d'applications pratiques de séparation de sources. Les algorithmes de DCC non négative proposés exploitent respectivement deux stratégies fondamentales d'optimisation. La première famille d'algorithmes comprend cinq méthodes semi-algébriques, reposant sur la méthode de Jacobi. Cette famille prend en compte la non négativité par un changement de variable carré, permettant ainsi de se ramener à un problème d'optimisation sans contrainte. L'idée générale de la méthode de Jacobi est de i) factoriser la matrice recherchée comme un produit de matrices élémentaires, chacune n'étant définie que par un seul paramètre, puis ii) d'estimer ces matrices élémentaires l'une après l'autre dans un ordre spécifique. La deuxième famille compte un seul algorithme, qui utilise la méthode des directions alternées. Un tel algorithme est obtenu en minimisant successivement le Lagrangien augmenté par rapport aux variables et aux multiplicateurs. Les résultats expérimentaux sur les matrices simulées montrent un gain en performance des algorithmes proposés par comparaison aux méthodes DCC classiques, qui n'exploitent pas la contrainte de non négativité. Il semble que nos méthodes peuvent fournir une meilleure précision d'estimation en particulier dans des contextes difficiles, par exemple, pour de faibles valeurs de rapport signal sur bruit, pour un petit nombre de matrices à diagonaliser et pour des niveaux élevés de cohérence de la matrice de passage. Nous avons ensuite montré l'intérêt de nos approches pour la résolution de problèmes pratiques de séparation aveugle de sources. Pour n'en citer que quelques-uns, nous sommes intéressés à i) l'analyse de composés chimiques en spectroscopie par résonance magnétique, ii) l'identification des profils spectraux des harmoniques (par exemple, de notes de piano) d'un morceau de musique mono-canal par décomposition du spectrogramme, iii) l'élimination partielle du texte se trouvant au verso d'une feuille de papier fin. Ces applications démontrent la validité et l'intérêt de nos algorithmes en comparaison des méthodes classique de séparation aveugle de source. / The Joint Diagonalization of a set of matrices by Congruence (JDC) appears in a number of signal processing problems, such as in Independent Component Analysis (ICA). Recent developments in ICA under the nonnegativity constraint of the mixing matrix, known as semi-nonnegative ICA, allow us to obtain a more realistic representation of some real-world phenomena, such as audios, images and biomedical signals. Consequently, during this thesis, the main objective was not only to design and develop semi-nonnegative ICA methods based on novel nonnegative JDC algorithms, but also to illustrate their interest in applications involving Blind Source Separation (BSS). The proposed nonnegative JDC algorithms belong to two fundamental strategies of optimization. The first family containing five algorithms is based on the Jacobi-like optimization. The nonnegativity constraint is imposed by means of a square change of variable, leading to an unconstrained problem. The general idea of the Jacobi-like optimization is to factorize the matrix variable as a product of a sequence of elementary matrices which is defined by only one parameter, then to estimate these elementary matrices one by one in a specific order. The second family containing one algorithm is based on the alternating direction method of multipliers. Such an algorithm is derived by successively minimizing the augmented Lagrangian function of the cost function with respect to the variables and the multipliers. Experimental results on simulated matrices show a better performance of the proposed algorithms in comparison with several classical JDC methods, which do not use the nonnegativity as constraint prior. It appears that our methods can achieve a better estimation accuracy particularly in difficult contexts, for example, for a low signal-to-noise ratio, a small number of input matrices and a high coherence level of matrix. Then we show the interest of our approaches in solving real-life problems. To name a few, we are interested in i) the analysis of the chemical compounds in the magnetic resonance spectroscopy, ii) the identification of the harmonically fixed spectral profiles (such as piano notes) of a piece of signal-channel music record by decomposing its spectrogram, iii) the partial removal of the show-through effect of digital images, where the show-through effect were caused by scanning a semi-transparent paper. These applications demonstrate the validity and improvement of our algorithms, comparing with several state-of-the-art BSS methods.

L’objet de cette thèse est le développement méthodologique et logiciel d’outils permettant de traiter les grands volumes de données multimodales et tomographiques produits sur Nanoscopium. La technique de microscopie en rayons X durs par balayage permet l’acquisition simultanée d’information par contraste d’absorption, de phase, de diffusion et de fluorescence X. L’association des techniques de balayage avec l’infrastructure d’acquisition rapide FLYSCAN permet de proposer aux futurs utilisateurs de la ligne Nanoscopium de faire des acquisitions tomographiques multimodales. Un des principaux enjeux de cette approche est le traitement en ligne des grands volumes de données générées durant l’acquisition. Le résultat principal de cette thèse est le logiciel MMXI, dédié au traitement et à la reconstruction des jeux de données multimodales 2D et 3D. Ce logiciel intègre un algorithme dédié à la lecture de gros volumes de données, différentes fonctions de réduction de données, deux algorithmes de reconstruction de phase (intégration dans l’espace de Fourrier et technique itérative) et des algorithmes de reconstruction tomographiques (rétroprojection filtré ou itérative). L’ensemble des méthodes implémentées, des applications permettant de valider ces développements ainsi que les perspectives d’évolution sont présentées dans ce manuscrit. / The subject of this thesis is the methodological and software development of tools for processing very large multimodal and tomographic datasets produced on Nanoscopium beamline in the SOLEIL synchrotron. Scanning hard X-ray imaging allows simultaneous acquisition of multimodal information, i.e. of images in which each pixel contains several types of data. Combining these scanning techniques with the FLYSCAN infrastructure, developed for fast data acquisition at Synchrotron SOLEIL, permits to perform multimodal tomographic imaging and tomographic reconstruction during routine user experiments. A main challenge of such imaging techniques is the online processing of the important amount of generated multimodal data. The main outcome of this thesis work is the MMX-I software which is dedicated to processing large 2D/3D multimodal dataset. This software includes an original algorithm for continuous reading of large data volumes, several reduction functions, two phase reconstruction algorithms (integration in Fourier space and iterative technics) and tomographic reconstruction technics (filtered back projection and iterative technics). Every implemented method as well as application allowing to validate the new developments and few evolution perspectives are presented in this thesis manuscript.

Dans de nombreux systèmes de traitement de l'information, le signal est numérisé, traité informatiquement, puis reconverti dans le domaine analogique. La faible bande passante de ces étapes de conversion numérique/analogique limite considérablement le débit d'informations traitées. Une solution purement analogique améliorerait donc considérablement le temps de traitement et la bande passante. Notre approche consiste à transférer le signal RF à traiter sur une porteuse optique puis à procéder à son traitement dans le domaine optique. L'étape de traitement est assurée par la traversée d'un cristal dopé en ions terres rares convenablement "programmé". Cette étape de programmation consiste à graver dans le profil d'absorption du cristal une fonction caractéristique de l'opération de traitement du signal à réaliser. Deux opérations ont ainsi été implémentées : 1) le renversement temporel de signaux RF : c'est l'opération consistant à générer analogiquement le signal renversé temporellement s(−t) d'un signal incident s(t). La fonction à graver dans le profil d'un cristal d'Er:YSO est alors un réseau spectral de pas variable. 2) l'analyse spectrale large bande instantanée : c'est l'opération permettant d'accéder au contenu spectral d'un signal. On impose au protocole de fournir instantanément le spectre d'un signal large bande. La fonction à graver dans le profil d'un cristal de Tm:YAG est alors un réseau spectro-spatial de pas variable. / Many signal processing devices rely on the digitalization of the incoming signal. After being processed by a computer, the signal needs to be converted back to its original analog form. Due to the limited bandwidth of analog-to-digital and digital-to-analog stages, the data flow rate is significantly limited. A purely analog solution would then significantly improve the processing time and bandwidth. In our approach, we first transfer the incoming RF signal on an optical carrier, allowing us to process it in the optical domain. For the processing stage, we propose to engrave the absorption profile of a rare earth ion-doped crystal with different shapes (each shape is specific to one processing operation). In this work, two operations are implemented: 1) time reversal of RF signals: we analogically generate the time reversed replica s(−t) of an incoming signal s(t). For this purpose, the shape to be engraved in the absorption profile of a Er:YSO crystal is a non-periodic spectral grating. 2) instantanous broadband spectral analysis: we want to instantaneously access the spectral components of a broadband signal. For this purpose, the shape to be engraved in the absorption profile of a Tm:YAG crystal is a spectro-spatial grating with a variable period.

L'objectif de cette thèse est de concevoir des algorithmes qui permettent la détection robuste d’objets et d’événements dans des vidéos en s’appuyant sur une analyse conjointe de données audio et visuelle. Ceci est inspiré par la capacité remarquable des humains à intégrer les caractéristiques auditives et visuelles pour améliorer leur compréhension de scénarios bruités. À cette fin, nous nous appuyons sur deux types d'associations naturelles entre les modalités d'enregistrements audiovisuels (réalisés à l'aide d'un seul microphone et d'une seule caméra), à savoir la corrélation mouvement/audio et la co-occurrence apparence/audio. Dans le premier cas, nous utilisons la séparation de sources audio comme application principale et proposons deux nouvelles méthodes dans le cadre classique de la factorisation par matrices non négatives (NMF). L'idée centrale est d'utiliser la corrélation temporelle entre l'audio et le mouvement pour les objets / actions où le mouvement produisant le son est visible. La première méthode proposée met l'accent sur le couplage flexible entre les représentations audio et de mouvement capturant les variations temporelles, tandis que la seconde repose sur la régression intermodale. Nous avons séparé plusieurs mélanges complexes d'instruments à cordes en leurs sources constituantes en utilisant ces approches.Pour identifier et extraire de nombreux objets couramment rencontrés, nous exploitons la co-occurrence apparence/audio dans de grands ensembles de données. Ce mécanisme d'association complémentaire est particulièrement utile pour les objets où les corrélations basées sur le mouvement ne sont ni visibles ni disponibles. Le problème est traité dans un contexte faiblement supervisé dans lequel nous proposons un framework d’apprentissage de représentation pour la classification robuste des événements audiovisuels, la localisation des objets visuels, la détection des événements audio et la séparation de sources.Nous avons testé de manière approfondie les idées proposées sur des ensembles de données publics. Ces expériences permettent de faire un lien avec des phénomènes intuitifs et multimodaux que les humains utilisent dans leur processus de compréhension de scènes audiovisuelles. / The goal of this thesis is to design algorithms that enable robust detection of objectsand events in videos through joint audio-visual analysis. This is motivated by humans’remarkable ability to meaningfully integrate auditory and visual characteristics forperception in noisy scenarios. To this end, we identify two kinds of natural associationsbetween the modalities in recordings made using a single microphone and camera,namely motion-audio correlation and appearance-audio co-occurrence.For the former, we use audio source separation as the primary application andpropose two novel methods within the popular non-negative matrix factorizationframework. The central idea is to utilize the temporal correlation between audio andmotion for objects/actions where the sound-producing motion is visible. The firstproposed method focuses on soft coupling between audio and motion representationscapturing temporal variations, while the second is based on cross-modal regression.We segregate several challenging audio mixtures of string instruments into theirconstituent sources using these approaches.To identify and extract many commonly encountered objects, we leverageappearance–audio co-occurrence in large datasets. This complementary associationmechanism is particularly useful for objects where motion-based correlations are notvisible or available. The problem is dealt with in a weakly-supervised setting whereinwe design a representation learning framework for robust AV event classification,visual object localization, audio event detection and source separation.We extensively test the proposed ideas on publicly available datasets. The experimentsdemonstrate several intuitive multimodal phenomena that humans utilize on aregular basis for robust scene understanding.

Ce travail s'inscrit dans le domaine du contrôle performatif de la synthèse vocale, et plus particulièrement de la modification temps-réel de signaux de voix pré-enregistrés. Dans un contexte où de tels systèmes n'étaient en mesure de modifier que des paramètres de hauteur, de durée et de qualité vocale, nos travaux étaient centrés sur la question de la modification performative du rythme de la voix. Une grande partie de ce travail de thèse a été consacrée au développement de Vokinesis, un logiciel de modification performative de signaux de voix pré-enregistrés. Il a été développé selon 4 objectifs: permettre le contrôle du rythme de la voix, avoir un système modulaire, utilisable en situation de concert ainsi que pour des applications de recherche. Son développement a nécessité une réflexion sur la nature du rythme vocal et sur la façon dont il doit être contrôlé. Il est alors apparu que l'unité rythmique inter-linguistique de base pour la production du rythme vocale est de l'ordre de la syllabe, mais que les règles de syllabification sont trop variables d'un langage à l'autre pour permettre de définir un motif rythmique inter-linguistique invariant. Nous avons alors pu montrer que le séquencement précis et expressif du rythme vocal nécessite le contrôle de deux phases, qui assemblées forment un groupe rythmique: le noyau et la liaison rythmiques. Nous avons mis en place plusieurs méthodes de contrôle rythmique que nous avons testées avec différentes interfaces de contrôle. Une évaluation objective a permis de valider l'une de nos méthodes du point de vue de la précision du contrôle rythmique. De nouvelles stratégies de contrôle de la hauteur et de paramètres de qualité vocale avec une tablette graphique ont été mises en place. Une réflexion sur la pertinence de cette interface au regard de l'essor des nouvelles interfaces musicales continues nous a permis de conclure que la tablette est la mieux adaptée au contrôle expressif de l'intonation (parole), mais que les PMC (Polyphonic Multidimensional Controllers) sont mieux adaptés au contrôle de la mélodie (chant, ou autres instruments).Le développement de Vokinesis a également nécessité la mise en place de la méthode de traitement de signal VoPTiQ (Voice Pitch, Time and Quality modification), combinant une adaptation de l'algorithme RT-PSOLA et des techniques particulières de filtrage pour les modulations de qualité vocale. L'utilisation musicale de Vokinesis a été évaluée avec succès dans le cadre de représentations publiques du Chorus Digitalis, pour du chant de type variété ou musique contemporaine. L'utilisation dans un cadre de musique électro a également été explorée par l'interfaçage du logiciel de création musicale Ableton Live à Vokinesis. Les perspectives d'application sont multiples: études scientifiques (recherches en prosodie, en parole expressive, en neurosciences...), productions sonores et musicales, pédagogie des langues, thérapies vocales. / This work belongs to the field of performative control of voice synthesis, and more precisely of real-time modification of pre-recorded voice signals. In a context where such systems were only capable of modifying parameters such as pitch, duration and voice quality, our work was carried around the question of performative modification of voice rhythm. One significant part of this thesis has been devoted to the development of Vokinesis, a program for performative modification of pre-recorded voice. It has been developed under 4 goals: to allow for voice rhythm control, to obtain a modular system, usable in public performances situations as well as for research applications. To achieve this development, a reflexion about the nature of voice rhythm and how it should be controlled has been carried out. It appeared that the basic inter-linguistic rhtyhmic unit is syllable-sized, but that syllabification rules are too language-dependant to provide a invariant inter-linguistic rhythmic pattern. We showed that accurate and expressive sequencing of vocal rhythm is performed by controlling the timing of two phases, which together form a rhythmic group: the rhythmic nucleus and the rhythmic link. We developed several rhythm control methods, tested with several control interfaces. An objective evaluation showed that one of our methods allows for very accurate control of rhythm. New strategies for voice pitch and quality control with a graphic tablet have been established. A reflexion about the pertinence of graphic tablets for pitch control, regarding the rise of new continuous musical interfaces, lead us to the conclusion that they best fit intonation control (speech), but that PMC (Polyphonic Multidimensional controllers) are better for melodic control (singing, or other instruments).The development of Vokinesis also required the implementation of the VoPTiQ (Voice Pitch, Time and Quality modification) signal processing method, which combines an adaptation of the RT-PSOLA algorithm and some specific filtering techniques for voice quality modulations. The use of Vokinesis as a musical instrument has been successfully evaluated in public representations of the Chorus Digitalis ensemble, for various singing styles (from pop to contemporary music). Its use for electro music has also been explored by interfacing the Ableton Live composition environnment with Vokinesis. Application perspectives are diverse: scientific studies (research in prosody, expressive speech, neurosciences), sound and music production, language learning and teaching, speech therapies.