Manifeste depuis longtemps dans les sciences du vivant, le traitement du signal, apparaît plus tardivement dans la communauté réseaux. On est alors surpris de voir que deux systèmes complexes, aussi distants que le coeur et un réseau informatique, présentent du point de vue des lois d'échelle, des invariances très semblables. Sans dire qu'elles sont les signatures de structures comparables, ces propriétés font néanmoins appel aux mêmes outils d'analyse, d'estimation ou de modélisation, et c'est dans la conception de ceux-ci que se situe le travail présenté. Cette "unité méthodologique" est le fil conducteur qui m'a permis de décloisonner les différents domaines de recherche abordés. Dans une première partie je trace un bilan de mes différentes contributions aux sciences de l'information, classées selon deux grandes catégories: - Les représentations temps-fréquence dont l'objectif est un meilleur redéploiement de l'information contenue dans le signal pour mettre en évidence certaines organisations ou propriétés difficiles à identifier autrement; - Les outils statistiques qui, stimulés par les progrès accomplis sur les représentations en général et les ondelettes en particulier, augmentent en retour les possibilités d'exploitation de ces objets. Dans un deuxième temps, j'illustre avec les deux applications qui sont au centre de mon activité - étude des systèmes de communication et analyse du système cardiovasculaire - des résultats originaux et concrets issus de l'application de ces outils théoriques. Enfin, ces exemples me donnent l'occasion de conclure en défendant la vision d'une approche coopérative et globale de la complexité en vue d'une meilleure compréhension des mécanismes à l'origine des systèmes.

Les capteurs CMOS sont de plus en plus présents dans les produits de grande consommation comme les téléphones portables. Les images issues de ces capteurs nécessitent divers traitements numériques avant d'être affichées. Aujourd'hui, seuls des composants dédiés sont utilisés pour maintenir un niveau de consom- mation électrique faible. Toutefois leur flexibilité est fortement limitée et elle ne permet pas l'intégration de nouveaux algorithmes de traitement d'image. Ce manuscrit présente la conception et la validation de l'archi- tecture de calcul eISP entièrement programmable et originale capable de supporter la vidéo HD 1080p qui sera intégrée dans les futures générations de téléphones portables.

Au cours des dernières années, les services haut débit et les applications Internet ont explosé, provoquant un problème de saturation dans les réseaux et engendrant une augmentation de la demande de débit. Ceci a poussé les opérateurs à augmenter la capacité de leurs systèmes de transmission optiques WDM en introduisant les systèmes 100G et plus dans les réseaux coeurs. Avec les nouvelles possibilités offertes par les circuits numériques rapides, les systèmes optiques à réception cohérente ont attiré beaucoup d'attention durant ces dernières années. Outre l'amélioration de la sensibilité du récepteur, l'intérêt réside aussi dans l'augmentation de l'efficacité spectrale ainsi que la robustesse contre les effets de propagation dans les fibres. Dans cette thèse, nous développons des outils robustes de traitement numérique du signal spécifiques au canal optique et aux transmissions utilisant le multiplexage de polarisation(POLMUX) et des modulations de phase et d'amplitude (QAM). Ces algorithmes effectuent les opérations d'estimation de phase et de l'écart de fréquence, ainsi que d'égalisation et poursuite des variations du canal. L'optimisation de ces algorithmes est essentielle vu qu'ils sont à implémenter dans des circuits opérant à quelques dizaines de MHz. En outre, comme les QAMs sont plus sensibles aux distorsions du canal, il est essentiel de construire des algorithmes plus robustes et des estimateurs plus précis que ceux déjà proposés pour les modulations de phase. Nos algorithmes sont testés à travers des simulations d'un système POLMUX-16QAM et validés par un traitement offline des mesures expérimentales réalisées à HHI, Berlin dans le cadre du projet EURO-FOS

Nous nous intéressons aux approches par EDP pour la régularisation d´images scalaires et multivaluées définies sur des supports non plans et à leurs applications à des problèmes de traitement des images. Nous étudions la relation entre les méthodes existantes et les comparons en termes de performance et complexité d´implémentation. Nous développons de nouvelles méthodes numériques pour traiter des opérateurs de type divergence utilisés dans les méthodes de régularisation par EDPs sur des surfaces triangulées. Nous généralisons la technique de régularisation du Flot de Beltrami pour le cas des images définies sur des surfaces implicites et explicites. Des implémentations sont proposées pour ces méthodes, et des expériences sont exposées. Nous montrons aussi une application concrète de ces méthodes à un problème de cartographie rétinotopique.

Les récentes évolutions des technologies de l'information et de la communication font qu'il est aujourd'hui facile de consulter des catalogues de morceaux de musique conséquents. De nouvelles représentations et de nouveaux algorithmes doivent de ce fait être développés afin de disposer d'une vision représentative de ces catalogues et de naviguer avec agilité dans leurs contenus. Ceci nécessite une caractérisation efficace des morceaux de musique par l'intermédiaire de descriptions macroscopiques pertinentes. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur l'estimation de la structure des morceaux de musique : il s'agit de produire pour chaque morceau une description de son organisation par une séquence de quelques dizaines de segments structurels, définis par leurs frontières (un instant de début et un instant de fin) et par une étiquette représentant leur contenu sonore.La notion de structure musicale peut correspondre à de multiples acceptions selon les propriétés musicales choisies et l'échelle temporelle considérée. Nous introduisons le concept de structure "sémiotique" qui permet de définir une méthodologie d'annotation couvrant un vaste ensemble de styles musicaux. La détermination des segments structurels est fondée sur l'analyse des similarités entre segments au sein du morceau, sur la cohérence de leur organisation interne (modèle "système-contraste") et sur les relations contextuelles qu'ils entretiennent les uns avec les autres. Un corpus de 383 morceaux a été annoté selon cette méthodologie et mis à disposition de la communauté scientifique.En termes de contributions algorithmiques, cette thèse se concentre en premier lieu sur l'estimation des frontières structurelles, en formulant le processus de segmentation comme l'optimisation d'un coût composé de deux termes~: le premier correspond à la caractérisation des segments structurels par des critères audio et le second reflète la régularité de la structure obtenue en référence à une "pulsation structurelle". Dans le cadre de cette formulation, nous comparons plusieurs contraintes de régularité et nous étudions la combinaison de critères audio par fusion. L'estimation des étiquettes structurelles est pour sa part abordée sous l'angle d'un processus de sélection d'automates à états finis : nous proposons un critère auto-adaptatif de sélection de modèles probabilistes que nous appliquons à une description du contenu tonal. Nous présentons également une méthode d'étiquetage des segments dérivée du modèle système-contraste.Nous évaluons différents systèmes d'estimation automatique de structure musicale basés sur ces approches dans le cadre de campagnes d'évaluation nationales et internationales (Quaero, MIREX), et nous complétons cette étude par quelques éléments de diagnostic additionnels.

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire. / The clustering of neurons of similar properties is at the basis of the brain modular architecture and is considered as a strategy to optimized processing. One consequence of this clustering is the presence of functional maps in the primary visual cortex of several mammals based on features such as orientation, direction of motion and stimulus position (retinotopy). The first section of this thesis was aimed at characterizing the modular organization of functions in primary and higher-order areas. First, we investigated the possibility that a fundamental cell property, the receptive field center / surround suppression, could be orderly represented in the primary visual cortex. Second, we determined the level of modular organization in area 21a for two key properties, orientation and direction of motion. All studies were based on the optical imaging of intrinsic signals in anesthetized cats. Results indicate the presence of high and low surround suppression modules in the primary visual cortex (areas 17 and 18). To date, such organization has been discovered only in a higher-order area in primate. A modular organization for orientation, similar to the one observed in areas 17 and 18 was observed in area 21a. On the other hand, in contrast to area 18, no direction modules were discovered in area 21a. Overall, the first part of this thesis increased our knowledge about the anatomo-fonctional organization of cat visual cortex. They will also be instrumental to better understand the factors leading to the presence of a modular organization in the cortex. The second section of this thesis was directed to the development of a novel quantitative tool for the temporal analysis of optical imaging intrinsic signals. This new approach, based on Fourier decomposition, allowed to greatly increase the signal to noise ratio of the recordings. Until now, this analysis was only been based on single harmonic quantification, limiting its application for orientation and rétinotopy mapping only. A model exploiting higher harmonics was then developed to estimate additional parameters such as the receptive field size and direction selectivity. Thereafter, this model was validated with success by conventional approaches on the primary visual cortex.

Ce mémoire est composé de trois articles qui s’unissent sous le thème de la recommandation musicale à grande échelle. Nous présentons d’abord une méthode pour effectuer des recommandations musicales en récoltant des étiquettes (tags) décrivant les items et en utilisant cette aura textuelle pour déterminer leur similarité. En plus d’effectuer des recommandations qui sont transparentes et personnalisables, notre méthode, basée sur le contenu, n’est pas victime des problèmes dont souffrent les systèmes de filtrage collaboratif, comme le problème du démarrage à froid (cold start problem). Nous présentons ensuite un algorithme d’apprentissage automatique qui applique des étiquettes à des chansons à partir d’attributs extraits de leur fichier audio. L’ensemble de données que nous utilisons est construit à partir d’une très grande quantité de données sociales provenant du site Last.fm. Nous présentons finalement un algorithme de génération automatique de liste d’écoute personnalisable qui apprend un espace de similarité musical à partir d’attributs audio extraits de chansons jouées dans des listes d’écoute de stations de radio commerciale. En plus d’utiliser cet espace de similarité, notre système prend aussi en compte un nuage d’étiquettes que l’utilisateur est en mesure de manipuler, ce qui lui permet de décrire de manière abstraite la sorte de musique qu’il désire écouter. / This thesis is composed of three papers which unite under the general theme of large-scale music recommendation. The first paper presents a recommendation technique that works by collecting text descriptions of items and using this textual aura to compute the similarity between them using techniques drawn from information retrieval. We show how this representation can be used to explain the similarities between items using terms from the textual aura and further how it can be used to steer the recommender. Because our system is content-based, it is not victim of the usual problems associated with collaborative filtering recommenders like the cold start problem. The second paper presents a machine learning model which automatically applies tags to music. The model uses features extracted from the audio files and was trained on a very large data set constructed with social data from the online community Last.fm. The third paper presents an approach to generating steerable playlists. We first demonstrate a method for learning song transition probabilities from audio features extracted from songs played in professional radio station playlists. We then show that by using this learnt similarity function as a prior, we are able to generate steerable playlists by choosing the next song to play not simply based on that prior, but on a tag cloud that the user is able to manipulate to express the high-level characteristics of the music he wishes to listen to.

La thèse porte sur l'impact d'optimisations algorithmiques pour la synthèse automatique HLS pour ASIC. Ces optimisations algorithmiques sont des transformations de haut niveau, qui de part leur nature intrinsèque restent hors de porter des compilateurs modernes, même les plus optimisants. Le but est d'analyser l'impact des optimisations et transformations de haut niveau sur la surface, la consommation énergétique et la vitesse du circuit ASIC. Les trois algorithmes évalués sont les filtres non récursifs, les filtres récursifs et un algorithme de détection de mouvement. Sur chaque exemple, des gains ont été possibles en vitesse et/ou en surface et/ou en consommation. Le gain le plus spectaculaire est un facteur x12.6 de réduction de l'énergie tout en maitrisant la surface de synthèse et en respectant la contrainte d'exécution temps réel. Afin de mettre en perspective les résultats (consommation et vitesse), un benchmark supplémentaire a été réalisé sur un microprocesseur ST XP70 avec extension VECx, un processeur ARM Cortex avec extension Neon et un processeur Intel Penryn avec extensions SSE.

Les techniques en ondelettes pour l'étude des structures géophysiques dans le domaine atmosphérique sont passées en revue afin de compléter les outils couramment utilisés (FFT...). Leurs contributions résident dans l'analyse visuelle et de synthèse de l'information des phénomènes géophysiques multi-échelles et / ou non-stationnaires et de leur quantification. Notre étude porte également sur les ondes de gravité qui jouent un rôle essentiel dans la circulation générale et qui restent mal documentées dans la région tropicale de l'hémisphère Sud dû à un manque de mesures expérimentales. Les techniques en ondelettes sont appliquées aux mesures à haute résolution issues des radiosondages (La Réunion, Irène, Tromelin) et du Lidar Rayleigh (La Réunion) pour l'analyse des ondes de gravité dans la basse et moyenne atmosphère. Dans la première partie, nous rappelons principalement le contexte historique des techniques en ondelettes, les descriptions et les théories des structures ondulatoires, en particulier des ondes de gravité en région tropicale. Dans une seconde partie, nous présentons les techniques en ondelettes : la transformée en ondelettes continues et les analyses multirésolution et en paquets d'ondelettes. Leur utilisation pratique est illustrée sur des signaux académiques. Dans une troisième partie, des études géophysiques soulignent la variabilité multi-échelle de l'ozone induite par les ondes de gravité dans la basse atmosphère au-dessus de la Réunion et Irène. De nouvelles méthodes, issues de l'analyse en ondelettes, sont proposés pour estimer les paramètres d'ondes de gravité à partir des données température du Lidar et pour suivre leur évolution spatio-temporelle. Pour finir, une étude climatologique préliminaire des paramètres spectraux des modes cohérents, extraits des données de Tromelin par la transformée en ondulettes continues, révèle le rôle prépondérant de la génération des ondes de gravité en région tropicale, particulièrement en été.

Les systèmes sur puce intègrent sur un même substrat de silicium l'ensemble des organes nécessaires à la prise en charge des différentes fonctionnalités du système. Pour la partie dédiée aux traitements numériques, le microprocesseur central est souvent déchargé des applications critiques (traitement du signal et des images en général) par un accélérateur de traitement. C'est par rapport à l'architecture du coprocesseur que se pose la problématique de cette thèse. En effet, de nombreuses approches sont possibles pour ce dernier, et vouloir les comparer s'avère être une tâche complexe. Après avoir fait un état de l'art des différentes solutions architecturales de traitement flexibles, nous proposons un ensemble de métriques dans une optique de caractérisation. Nous illustrons alors notre méthode par la caractérisation et la comparaison d'architectures représentatives de l'état de l'art. Nous montrons que c'est par une exploitation efficace du parallélisme que les coprocesseurs peuvent améliorer significativement leurs performances. Or, malgré de réelles aptitudes, les accélérateurs ne sont pas toujours capables de tirer parti de ce potentiel. C'est pour cela que nous proposons une méthode générale de multiplexage matériel, qui permet d'améliorer les performances par l'exploitation du parallélisme dynamique (boucle et tâches). Par son application à un cas concret, un système baptisé Saturne, nous prouvons que par l'adjonction d'un contrôleur dédié au multiplexage matériel, les performances de l'accélérateur sont quasiment doublées, et ce avec un faible surcoût matériel.