Pour les êtres humains, le son n'a d'importance que pour son contenu. La voie est un langage parlé, la musique une intention artistique. Le processus physiologique est hautement développé, tout comme notre capacité à comprendre les processus sous-jacent. C'est un défi de faire exécuter la même tâche à un ordinateur: ses capacités n'égalent pas celles des humains lorsqu'il s'agit de comprendre le contenu d'un son composé de paroles et/ou d'instruments de musique. Dans la première partie nos recherches portent sur la séparation aveugle de source en n'utilisant qu'un seul microphone. Le problème de séparation de source audio apparaît dès que plusieurs sources audio sont présentes au même moment, mélangées puis acquises par des capteurs, un unique microphone dans notre cas. Dans ce genre de situation il est naturel pour un être humain de séparer et de reconnaître plusieurs locuteurs. Ce problème, connu sous le nom de Cocktail Problem à reçu beaucoup d'attention mais est toujours ouvert. Comme nous ne travaillons qu'avec une seule observation nous ne pouvons pas utiliser d'indice lié à la spatialisation et nous sommes dans l'obligation de modéliser les sources. La deuxième partie traite du traitement musical et est composée de plusieurs annexes. La tâche analysée est liée au traitement automatique de la musique, qui a pour but de comprendre un contenu musical afin d'en générer la partition. Cependant la musique ne peut pas être réduite à une succession de notes et un bon transcripteur devrait être capable de détecter les effets d'interprétations et la qualité de jeu du musicien.

Cette thèse étudie l'acquisition automatique par apprentissage d'un modèle de contexte pour un utilisateur dans un environnement ubiquitaire. Dans un tel environnement, les dispositifs peuvent communiquer et coopérer afin de former un espace informatique cohérent. Certains appareils ont des capacités de perception, utilisées par l'environnement pour détecter la situation - le contexte - de l'utilisateur. D'autres appareils sont capables d'exécuter des actions. La problématique que nous nous sommes posée est de déterminer les associations optimales pour un utilisateur donné entre les situations et les actions. L'apprentissage apparaît comme une bonne approche car il permet de personnaliser l'environnement sans spécification explicite de la part de l'usager. Un apprentissage à vie permet, par ailleurs, de toujours s'adapter aux modifications du monde et des préférences utilisateur. L'apprentissage par renforcement est un paradigme d'apprentissage qui peut être une solution à notre problème, à condition de l'adapter aux contraintes liées à notre cadre d'application.

Ce mémoire synthétise les activités de recherche que j'ai menées de 2005 à 2012, sur la thématique de l'apprentissage statistique des données complexes, abordée par le biais de modèles probabilistes paramétriques génératifs. Plusieurs types de données complexes sont considérées. Les données issues de populations différentes ont été abordées en proposant des modèles de lien paramétriques entre populations, permettant d'adapter les modèles statistiques d'une population vers l'autre, en évitant une lourde collecte de nouvelles données. Les données de rang, définissant un classement d'objets selon un ordre de préférence, les données ordinales, qui sont des données qualitatives ayant des modalités ordonnées, et les données fonctionnelles, où l'observation statistique consiste en une ou plusieurs courbes, ont également été étudies. Pour ces trois types de données, des modèles génératifs probabilistes ont été définis et utilisés en classification automatique de données multivariées. Enfin les données de grande dimension, que l'on rencontre lorsque le nombre de variables du problème dépasse celui des observations, ont été étudiées dans un cadre de régression. Deux approches, fruits de deux thèses de doctorat que je co-encadre, sont proposés: l'une utilisant des algorithmes d'optimisation combinatoire pour explorer de façon efficace l'espace des variables, et l'autre définissant un modèle de régression regroupant ensemble les variables ayant un effet similaire.

Le concept de radar passif aéroporté repose sur l'utilisation de plusieurs antennes réseau, disposées sur une plateforme en vue de couvrir un angle solide large de détection, en s'appuyant sur l'utilisation de signaux d'opportunité provenant d'émetteurs au sol. La détection aéroportée à partir de signaux d'opportunité est intéressante, notamment pour assurer l'autoprotection d'un avion ou d'un hélicoptère ; en revanche elle constitue un défi technique notamment en raison du niveau des signaux interférents, en provenance de l'émetteur et des trajets multiples indirects (le fouillis), bien supérieur au niveau de signal utile diffusé par la cible à détecter. D'autres effets, tels que la structure arbitraire des signaux (forme d'onde non-radar) et sa conséquence sur les lobes secondaires en distance, contribuent à la complexité du traitement à mettre en œuvre.Le point de départ des recherches se situe à l'intersection des techniques de radar passif (utilisant la corrélation entre un signal de référence non connu a priori et les signaux diffus renvoyés par l'environnement) et les techniques de type STAP (Space Time Adaptive Processing) utilisées pour la détection des cibles mobiles par les radars aéroportés conventionnels. Dans ce contexte, les travaux de thèse permettent d'étendre d'une part la caractérisation et la qualification des signaux " radar passif " à une configuration aéroportée, d'autre part les techniques STAP à une configuration bistatique et à des signaux de forme arbitraire et non structurés comme des signaux radar. Les recherches mettent en évidence l'importance primordiale du trajet direct et des premiers échos de fouillis qui parasitent la caractérisation spatio-temporelle des échos reçus dans la case distance de la cible sous test. La caractéristique du fouillis, habituellement tracée dans le plan Doppler-angle, se trouve affectée par ces interférences qu'il faut éliminer au préalable. Pour cela, un premier filtre à réponse finie est mis en œuvre sur chaque capteur, puis le traitement STAP est appliqué à l'ensemble du réseau d'antennes.Les traitements proposés sont simulés et les performances en détection sont analysées. Une expérimentation est conduite, à l'aide d'un réseau de 4 antennes mobiles au sol. Les conditions sont réunies pour collecter des signaux de fouillis étalés en Doppler et analyser l'effet d'une forme d'onde non-radar. Les traitements d'élimination des interférences sont mis en œuvre et ainsi qualifiés expérimentalement.

La spectroscopie par transformation de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes tire parti d'un interféromètre sans partie mobile. Il mesure les interférences entre deux peignes de fréquences, sources lasers à large bande spectrale constituée de raies fines et équidistantes. Il améliore significativement le temps de mesure et la limite de résolution spectrale des spectromètres de Fourier. Néanmoins, les conditions sur la stabilité à court terme des peignes ne peuvent pas être remplies par les techniques d'asservissement classique. Jusqu'à présent, aucun spectre de qualité n'a pu être mesuré avec un très faible temps d'acquisition. Cette thèse présente le développement d'une méthode de correction en temps réel capable de compenser les fluctuations résiduelles des peignes et de restituer des spectres sans artefacts. La méthode, analogique, ne nécessite aucun asservissement ou traitement informatique a posteriori. Ses performances sont démontrées dans le proche infrarouge (1,5 µm) et le visible (520 nm), à l'aide d'oscillateurs femtosecondes fibrés. Des spectres moléculaires couvrant 12 THz sont mesurés en 500 µs à limite de résolution Doppler. Ils sont en excellent accord avec les données de la littérature. Pour la première fois, le plein potentiel de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences est démontré. Le domaine de l'infrarouge moyen est la région de prédilection de la spectroscopie moléculaire car la plupart des molécules y présentent des absorptions fortes et caractéristiques. Étendre la spectroscopie par peignes de fréquences à cette région est donc l'objectif suivant à atteindre. Dans cette optique, un peigne émettant autour de 3 µm est caractérisé. Il est basé sur la conversion non-linéaire par différence de fréquences d'un oscillateur à erbium élargi spectralement par une fibre fortement non-linéaire.

La spatialisation des champs sonores basses fréquences doit satisfaire des contraintes spécifiques qui interdisent l'utilisation des techniques de restitution sonore classiques. En revanche, certaines stratégies héritées du contrôle actif du bruit offrent une solution intéressante : il s'agit d'utiliser un réseau de haut-parleurs pour contrôler le champ sonore au niveau de microphones situés en surface de la zone dans laquelle on cherche à reproduire les sons. L'objectif de cette thèse est l'étude numérique et expérimentale de ces méthodes surfaciques de reproduction sonore. Dans un premier temps, on a simulé le comportement de dispositifs utilisant ce type de stratégie en conditions de champ libre. Ces simulations ont ensuite été confrontées aux résultats d'une expérience de contrôle actif réalisée en chambre anéchoïque. Finalement, on a réalisé une étude de faisabilité concernant l'utilisation des stratégies surfaciques de reproduction sonore dans un local dédié. Les résultats montrent que ce local pourrait permettre de reproduire avec précision des ondes planes basses fréquences se propageant autour d'un auditeur.

L'utilisation des nouveaux modes de communication et le développement de l'Internet suscitent un vif intérêt dans le milieu pédagogique. Dans ce milieu particulièrement, la structure narrative des documents revêt une importance capitale dans l'optimisation du transfert d'information. Les techniques hypermédias et hypertextes traditionnelles apportent une nouvelle dimension à la lecture mais elles ne permettent pas de respecter une stratégie didactique précise lors de l'élaboration de documents. L'approche proposée introduit des modes de composition de documents structurés basés sur des ontologies. Après avoir présenté l'état des recherches concernant les systèmes d'enseignements interactifs (SEI), la structure documentaire et les ontologies, les notions de Documents Virtuels Personnalisables (DVP), de Brique d'Information (BI) et de composition documentaire sont définies. La composition comporte quatre étapes : recherche d'information, filtrage, organisation et assemblage. L'automatisation de la composition impose que le SEI soit doté d'une connaissance du domaine et d'une connaissance didactique. Une Ontologie du Domaine et une Ontologie Pédagogique en fournissent les modèles. Les BI qui constituent un document font l'objet d'une qualification précise basée sur ces ontologies. Une méthode de composition de documents pédagogiques adaptatifs est proposée et implémentée dans un prototype nommé Sibyl. Cette méthode est basée sur l'association des ontologies. La prédétermination des rôles pédagogiques lors de la qualification des documents affecte néanmoins la pertinence de cette approche : les rôles peuvent être fonction de l'application et du contexte dans lequel les documents sont composés. Une méthodologie est alors introduite pour attribuer automatiquement des rôles à des BI en fonction des intentions d'un utilisateur et de son contexte d'apprentissage.

Dans ce travail nous avons ouvert des voies nouvelles pour la méthode des équations intégrales de frontière appliquée à la résolution des problèmes tridimensionnels de l'électromagnétisme en basse fréquence. Elles permettent de réaliser un maillage adaptatif associé à des résolutions approchées, locales, du système intégral. Dans le premier chapitre nous discutons brièvement les différentes méthodes numériques appliquées à l'électromagnétisme. Le deuxième chapitre est consacré à la méthode des équations intégrales de frontière. Nous y justifions nos choix particuliers (type et ordre des éléments discrétisant les frontières) et décrivons les algorithmes réalisés, par exemple pour la prise en compte des symétries ou périodicités des systèmes étudiés. Dans le troisième chapitre, nos méthodes de calcul des intégrales élémentaires, combinant l'analytique et le numérique, sont décrites et validées. Dans le chapitre quatre, nous présentons un estimateur d'erreur basé sur l'écart entre la valeur interpolée du potentiel et sa valeur calculée par la méthode intégrale elle-même. Pour finir, nous utilisons dans le chapitre cinq cet estimateur d'erreur pour réaliser automatiquement un. maillage adapté à chaque problème traité, en autorisant aussi un maillage « non-conforme ». Une méthode de résolution locale permet un gain important en temps de calcul pendant cette phase de maillage adaptatif. Le maillage final est séparé en domaines, ce qui permet d'améliorer le résultat par itérations entre ces domaines, et sans recourir à une résolution globale, très coûteuse pour des problèmes de grande taille.

Pour réaliser des simulations précises aux temps longs pour des vagues non linéaires, il faut faire appel à des algorithmes d'évolution temporelle précis. En particulier, la combinaison d'un pas de temps adaptatif avec un facteur intégrant est connue pour être très efficace. Nous proposons une modification de cette technique. Le principe consiste à soustraire un certain polynôme à une EDP. Puis, comme pour le facteur intégrant, nous faisons un changement de variable pour retirer la partie linéaire. Mais nous espérons retirer quelque chose de plus afin de rendre l'EDP moins raide pour les calculs numériques. Le polynôme choisi est une expansion de Taylor autour du temps initial de la solution. Afin de calculer les différentes dérivées nécessaires, nous utilisons le Dense Output qui donne la possibilité d'approximer les dérivées de la solution à tout temps. Une fois le facteur intégrant modifié appliqué, nous faisons appel à une avance temporelle classique afin de résoudre l'équation d'évolution. Il a été considéré plusieurs schémas de Runge-Kutta avec pas de temps adaptatif. Nous avons tiré avantage des méthodes emboîtées, afin de ne pas calculer de nouvelles fonctions et perdre du temps de calcul, en utilisant uniquement des données déjà calculées durant l'évolution temporelle. Les résultats numériques montrent que l'efficacité de notre méthode varie selon les cas. Par exemple, nous avons vérifié que plus le profil de l'onde est pentue, plus notre méthode est efficace. Pour le modèle de vagues non linéaires le plus compliqué à notre disposition, le modèle HOS, nous avons pu réduire le nombre de pas de temps de calcul jusqu'à près de 30 % avec un schéma de Runge-Kutta de Dormand-Prince et jusqu'à plus de 99 % pour un schéma de Bogacki-Shampine.

Afin de répondre à la problématique de la régulation multi-objectif et multi-mode des carrefours à feux, nous proposons trois modèles de programmation linéaire mixte en nombres entiers constituant les moteurs d'un système de régulation pleinement adaptatif, ainsi que deux procédures interactives d'optimisation multi-objectif permettant d'adapter itérativement une "politique de régulation" à la situation de trafic. Les critères pris en compte, tous à minimiser, sont le temps d'attente et le nombre d'arrêts des véhicules particuliers, et un critère dédié aux transports en commun permettant de fixer un temps d'attente souhaité pour chaque bus. Des expérimentations ont montré qu'un des trois modèles, dit hybride, se démarque positivement des deux autres. Ce modèle a alors été mis en œuvre avec une des deux procédures interactives, permettant de contrôler un trafic simulé sur une période d'une heure dans différents scénarios types, et comparé à un système de régulation semi-adaptatif.