Les Pensées Répétitives Négatives (PRN) font référence à des pensées récurrentes, prolongées et relativement incontrôlables au sujet de nos expériences négatives passées, actuelles ou anticipées. Ce processus transdiagnostique serait impliqué dans de nombreux troubles psychologiques, dont les troubles de l’usage de l’alcool (TUA). Cette thèse s’inscrit dans une démarche processuelle afin d’étudier l’impact des PRN sur la consommation d’alcool chez des patients souffrant d’un TUA. La recension systématique des travaux concernant la relation entre PRN et consommation d’alcool a souligné des interrogations concernant l’influence du sexe et de la symptomatologie anxio-dépressive sur ce lien. Afin de répondre à ces questions laissées sans réponses par la littérature, nous avons menées une étude écologique en temps réel via l’utilisation d’une application électronique qui enregistraient les PRN, les émotions et la consommation d’alcool chez des patients souffrant d’un TUA, suivis en ambulatoire. Pour mener à bien cette étude, deux outils transdiagnostiques d’évaluation des PRN ont d’abord été validés. Le Perseverative Thinking Questionnaire a permis l’évaluation transdiagnostique des PRN-traits, soit la tendance habituelle à utiliser des PRN et le Momentary Ruminative Self-Focus Inventory, a permis d’examiner les PRN-états, soient le recours aux PRN au moment de la passation. Les résultats de la thèse démontrent que les PRN expliquent la consommation d’alcool. Ils sont discutés en lien avec la formulation métacognitive triphasique des problèmes d’alcool. L’intérêt de valider la prise en charge transdiagnostique des PRN dans le cadre des TUA est également développée. / Repetitive Negative Thinking (RNT) refers to a style of recurring, relatively uncontrollable and prolonged thoughts about one’s current, past or anticipated negative experiences. This transdiagnostic mental process is shared across a wide range of psychological disorders, including alcohol use disorders (AUD). The current thesis examined the link between RNT and alcohol use among patients suffering from an AUD in a processual perspective. The systematic review of the literature on the relationship between RNT and alcohol use highlighted some questions about the impact of sex and anxious or depressed symptoms. To address these unanswered questions, we conducted an ecological study in real time through the use of an electronical application assessing RNT, mood and alcohol consumption among AUD patients. To accomplish this aim, two transdiagnostic scales evaluating RNT were validated. The Perseverative Thinking Questionnaire assessed RNT-traits which is the habitual tendency to have RNT, and the Momentary Ruminative Self-Focus Inventory examined RNT-state which is the use of RNT at the time of the assessment. Results of this thesis demonstrated that the link between RNT and alcohol use was direct. They are discussed according to the triphasic metacognitive formulation of problem drinking. The interest of validating the Rumination-focused Cognitive and Behavioural Therapy for AUD patients is developed.Repetitive Negative Thinking (RNT) refers to a style of recurring, relatively uncontrollable and prolonged thoughts about one’s current, past or anticipated negative experiences. This transdiagnostic mental process is shared across a wide range of psychological disorders, including alcohol use disorders (AUD). The current thesis examined the link between RNT and alcohol use among patients suffering from an AUD in a processual perspective. The systematic review of the literature on the relationship between RNT and alcohol use highlighted some questions about the impact of sex and anxious or depressed symptoms. To address these unanswered questions, we conducted an ecological study in real time through the use of an electronical application assessing RNT, mood and alcohol consumption among AUD patients. To accomplish this aim, two transdiagnostic scales evaluating RNT were validated. The Perseverative Thinking Questionnaire assessed RNT-traits which is the habitual tendency to have RNT, and the Momentary Ruminative Self-Focus Inventory examined RNT-state which is the use of RNT at the time of the assessment. Results of this thesis demonstrated that the link between RNT and alcohol use was direct. They are discussed according to the triphasic metacognitive formulation of problem drinking. The interest of validating the Rumination-focused Cognitive and Behavioural Therapy for AUD patients is developed.

Les actinomycètes sont des bactéries ubiquitaires et certains sont reconnus comme potentiellement pathogènes pour l’Homme, dans l’air de certains lieux de travail. C’est notamment le cas dans l’air des plates-formes de compostage où les concentrations peuvent atteindre des valeurs relativement élevées. L’exposition des salariés à ce type de bioaérosols peut être la cause de pathologies diverses (notamment des pneumopathies d’hypersensibilité). Bien que le problème soit reconnu, la bibliographie démontre un manque de connaissances à propos de l’évaluation du risque : aucune méthode globale de prélèvement et d’analyse n’est, à l’heure actuelle, standardisée pour l’étude de ces bioaérosols, si bien qu’il n’existe aucune relation dose-effets pour la plupart de ces agents ni même de valeur limite d’exposition professionnelle. Les méthodes traditionnellement utilisées ne sont pas sans inconvénient (sous-estimation de la concentration réelle notamment) et le plus souvent non-spécificiques. C’est pourquoi l’objectif de la thèse, ici décrite, est le développement et l’évaluation de la technique de biologie moléculaire qu’est la PCR temps réel pour la quantification de bactéries dans ces bioaérosols. La méthode a tout d’abord été développée et optimisée notamment par le dessin d’oligonucléotides, par la comparaison de protocoles d’extraction d’ADN et par la réalisation de gammes étalons. Elle a ensuite été comparée aux techniques plus traditionnelles, encore largement utilisées, que sont le dénombrement du bacteries cultivable par mise en culture et l’épifluorescence, à la fois sur des cultures de cellules et sur des bioaérosols expérimentaux. Ce n’est qu’après l’avoir caractérisé qu’elle a été appliquée sur des bioaérosols prélevés en conditions réelles d’exposition, sur des plates-formes de compostage.La méthode développée, basée sur une extraction d’ADN et une PCR temps réel, permet la quantification de l’ADN de Thermoactinomyces vulgaris (basée sur l’amplification du gène GyrB), de Thermobifida fusca et T. alba (gène ecf) et des streptomycètes mésophiles (ARNr 23S). La PCR permet l’obtention de résultats fortement corrélés à ceux issus du dénombrement sur milieux gélosés mais offre de réels avantages par rapport à la culture. Comme ces quantifications prennent en compte n’importe quelle forme de la bactérie (cellules végétatives et spores), la PCR dépasse les inconvénients de sous-estimation liés aux méthodes traditionnelles. La technique a un réel avantage de spécificité, elle est répétable et sensible. Les campagnes de prélèvements effectuées sur 5 plates-formes de compostage en France ont permis de mesurer les concentrations en bactéries mésophiles et thermophiles par culture et d’établir celles en Thermoactinomyces vulgaris, Thermobifida sp. et Streptomyces sp. par PCR. L’étude confirme que les activités de compostage sont génératrices de bioaérosols avec parfois des valeurs relativement élevées selon les points échantillonnés. Elle met également en exergue des informations comme la distribution granulométrique du bioaérosol ou l’adéquation entre le type de prélèvement effectué et l’analyse par PCR. Les travaux menés, du développement de la méthode qPCR appliquée au groupe des actinomycètes à son application sur des échantillons environnementaux, apportent de nombreuses données pour la quantification des actinomycètes aéroportés. Ils ont permis d’acquérir des éléments de validation concernant la méthode mise en place et ont livré les seules mesures de concentrations disponibles à l’heure actuelle, pour T. vulgaris, Thermobifida sp., et les streptomycètes mésophiles dans l’air des plates-formes de compostage / Actinomycetes are ubiquitous bacteria and some can be potentially pathogen for Humans in the air of some working areas. It’s notably the case in composting plants where bacteria concentrations can reach high values. Workers exposure to these inhalable bioaerosols can be source of various diseases (hypersensitivity pneumonitis notably). Although this problem is admitted, bibliography reveals a lack of knowledge about risk assessment: currently, none global method for bioaerosols sampling and analysis is standardized. So much that neither dose-effects relationship for most of these bacteria, nor Threshold Limit Value exists. Traditional methods, that are used, have some drawbacks (concentrations underestimation notably) and most often, aren’t specific.It’s the reason why the aim of the thesis, here described, is the development and the evaluation of the biomolecular technique of real time PCR for the quantification of bacteria in these bioaerosols. First, this method was developed and improved by oligonucleotides design, by comparison of many DNA extraction protocols and by the construction of standard ranges. Then, the method was compared to traditional widely used methods such as cultivable bacteria counting by cultures and epifluorescence microscopy, both on cells culture samples and experimental bioaerosols. After this characterization, the analytic method was applied on environmental bioaerosols sampled on real exposure conditions (composting plants).The method that we have developed, based on DNA extraction and real-time PCR, allows the quantification of Thermoactinomyces vulgaris DNA (based on gyrB gene amplification), of Thermobifida fusca and T. alba (ecf gene) and of mesophilic streptomycetes (rDNA 23S). The results obtained by PCR are strongly correlated with those obtained by counting on agar but PCR method offers more advantages than cultures. As PCR quantifies any form of the bacteria (vegetative cells and spores), the method goes over the drawbacks of traditional methods, like underestimation. The method has a real advantage of specificity, it’s also repeatable and sensitive. Sampling campaigns realized on 5 composting plants implanted in France have permitted measuring mesophilic and thermophilic bacteria concentrations by culture and establishing Thermoactinomyces vulgaris, Thermobifida sp. and Streptomyces sp. ones by PCR. The study confirms that composting activities release bioaerosols. And according to the localization of the sampling, the values could be rather high. It also underlines some informations as particles size distribution of the bioaerosol or the adequacy between sampling apparatus and PCR analysis. The works carried out, from qPCR method development for actinomycetes group to its application on environmental samples, give a lot of datas concerning airborne actinomycetes quantification. It permit to validate the developed method and give the only currently available measures for T. vulgaris, Thermobifida sp., and mesophilic streptomycetes in the air of composting plants

La vérification et la validation des composants logiciels des systèmes temps réel est un des enjeuxmajeurs pour le développement de systèmes automatisés. Les modèles de tels systèmes doiventêtre vérifiés, et la conformité de leur implémentation par rapport à leur modèle doit être validée. Nous nous plaçons dans le cadre des systèmes récursifs temps réels modélisables par des automates à pile temporisés avec deadlines (TPAIO). Les deadlines imposent des conditions de progression du temps. L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes de génération de tests pour les TPAIO.Nos contributions sont les suivantes. Premièrement, une relation de conformité pour les TPAIO est introduite. Deuxièmement, une méthode polynomiale de génération de tests à partir d’un TPAIO déterministe avec deadline lazy est définie. Elle consiste à définir un algorithme de calcul d’un automate temporisé d’accessibilité incomplet en respectant les contraintes de pile. Cette méthode est incomplète. L’incomplétude n'étant pas un problème car l’activité de test est par essence incomplète. Troisièmement, nous définissons une méthode générant des cas de tests à partir d’un TPAIO déterministe avec sorties seulement et deadline delayable seulement. Elle d’applique aux abstractions de programmes récursifs temporisés. Elle consiste à générer des cas de tests en calculant un testeur sur-approximé. Finalement, nous avons proposé une généralisation du processus de génération de tests à partir d’un TPAIO général avec entrées/sorties et avec deadlines quelconques. La capacité de cette dernière méthode à détecter des implémentations non conformes est évaluée par une technique de mutation. / The verification and validation of software components for real-time systems is a major challenge for the development of automated systems. The models of such systems must be verified and the conformance of their implementation w.r.t their model must be validated. Our framework is that of real-time recursive systems modelled by timed pushdown automata with deadlines (TPAIO). The deadlines impose time progress conditions. The objective of this thesis is to propose test generation methods from TPAIO.Our contributions are as follows. Firstly, a conformance relation for TPAIO is introduced. Secondly, a polynomial method of test generation from a deterministic TPAIO with only lazy deadlines is defined. It consists of defining a polynomial algorithm that computes a partial reachability timed automaton by removing the stack constraints. This method is incomplete. The incompleteness is not a problem because software testing is an incomplete activity by nature. Thirdly, we define a method for generating test cases from a deterministic TPAIO with only outputs and delayable deadlines. It applies to the abstractions of timed recursive programs. It consists of generating test cases by computing an over-approximated tester. Finally, we propose a generalization of the test generation process from a non deterministic TPAIO with any deadlines. Its ability to detect non conform implementation is assessed by a mutation technique.

La motivation qui a initié le projet de recherche ANR « Démonstrateur Gun Launched Micro Air Vehicle » est le besoin d’avoir un engin portatif qui permettrait d’obtenir rapidement des images d’une zone d’intérêt située à quelques centaines de mètres, avec la possibilité de pouvoir observer l’intérieur des bâtiments à travers leurs fenêtres ou en allant les explorer directement. Pour répondre à ce besoin, l’Institut franco-allemand de recherche de St Louis a eu l’idée de lancer un minidrone hélicoptère avec un canon. Le GLMAV, sous la forme d’un projectile, est lancé à partir d‘un tube portable à une distance de 500 m et une altitude de 100 m, où il pourra commencer à transmettre des images de la zone à observer. L’utilisation d’un système hybride projectile/minidrone a deux principaux avantages : cela permet d’augmenter l’autonomie du drone, et les premières images de la zone d’intérêt sont obtenues très rapidement. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la phase de transition, passer d’un projectile à un mini hélicoptère. Un modèle aérodynamique détaillé du GLMAV a été obtenu sur toute son enveloppe de vol. En prenant en compte les difficultés rencontrées lors de la phase de transition (perturbations des capteurs dues à l’accélération de 2500g au lancement, conditions initiales variables), nous avons développé une stratégie de commande, et une loi de commande en vitesse basée sur la technique du backstepping. Cette stratégie de commande a été validée en simulation. La loi de commande en orientation a été validée sur le prototype du GLMAV. Des travaux sur le flux optique, pour obtenir les vitesses latérales, ont été commencés. / The motivation that initiated the ANR research project "Démonstrateur Gun Launched Micro Air Vehicle" is the need to have a portable system which would permi tto quickly obtain images of an zone of interest placed at some hundred of meters, with the possibility to observe inside buildings either by their windows or by going inside them.To answer this need, the French-German Research Institute of St Louis got the idea o fusing a gun launched rotorcraft-MAV. The GLMAV, in its projectile form, is launched from a portable launching tube to a distance of 500m and a height of 100m, where it will collect and transmit visual information from the scene. The use of a projectile/rotorcraft-MAV hybrid system has two main advantages : it allows extending the MAV range,and the first images of the interest zone are obtained very quickly. During this PhD, we studied the transition phase, the passage from a projectile to a rotorcraft-MAV. A detailed aerodynamic model of the GLMAV has been obtained over his whole flight envelope. Taking into account the difficulties encountered during the transition phase (perturbation of the sensors caused by the 2500g acceleration at the launch, varying initial conditions),we developed a control strategy, and a velocity control law based on the backstepping methodology. This control strategy has been validated in simulation. The attitude control law has been validated on the GLMAV prototype. Studies on optical flow, to obtain the lateral velocities of the GLMAV, have been started.

La migration vers la résolution HD de la plupart des applications multimédias visuelles a nécessité la création de nouveaux standards de compression vidéo tels que le H264/AVC (Advanced Video Coding) et le HEVC (High Efficiency Video Coding). Ces standards sont caractérisés par des hautes performances de codage en termes de taux de compression et qualité vidéo par rapport aux normes précédentes. Cependant, ces performances entraînent de grandes complexités de calcul ce qui rend difficile d'assurer un encodage en temps réel pour la résolution HD sur des processeurs monocœurs programmables qui sont les plus répandus. De plus, comme actuellement les systèmes embarqués sont de plus en plus utilisés dans diverses applications multimédias, concevoir une solution logicielle embarquée pour l'encodeur H264/AVC constitue ainsi un défit très difficile puisqu'il faut répondre aux exigences de l'embarqué au niveau des ressources matérielles comme la mémoire et de la consommation d'énergie. Les récents systèmes embarqués dotés de la technologie multicœur représentent une solution attractive pour surmonter ces problèmes. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse à exploiter la performance de la nouvelle génération de DSP multicœurs de Texas Instruments pour concevoir un encodeur H264/AVC embarqué de résolution HD fonctionnant en temps réel. Nous visons une solution logicielle, caractérisée par une forte flexibilité, par rapport aux IPs existants, qui permet de tout paramétrer (qualité, débit etc). Cette flexibilité logicielle permet aussi l'évolutivité de système en suivant les améliorations de codage comme la migration vers la nouvelle norme HEVC, partiellement abordée dans cette thèse. Nous présentons ainsi les diverses optimisations appliquées que ce soient algorithmiques, architecturales et structurelles afin d'améliorer la vitesse d'encodage sur un seul cœur DSP avant de passer à une implémentation multicœur. Ensuite, nous proposons des implémentations parallèles de l'encodeur H264/AVC sur différentes unités de calcul en exploitant le parallélisme potentiel au sein de la chaîne d'encodage afin de satisfaire la contrainte de temps réel tout en assurant une bonne performance de codage en termes de qualité vidéo et débit binaire. Nous étudions également le problème d'allocation des ressources (ressources de calcul, ressources mémoire, ressources de communication) avec de fortes contraintes temporelles d'exécution. Finalement, cette thèse ouvre la voie vers l'implémentation de la nouvelle norme de codage vidéo HEVC sur deux systèmes embarqués monocœurs dans le but de préparer une solution logicielle embarquée pour les futurs travaux de recherche / The trend toward HD resolution in most of visual multimedia applications has involved the emergence of a large number of video compression standards such as H.264/AVC (Advanced Video Coding) and HEVC (High Efficiency Video Coding). These standards are characterized by high coding performances in terms of compression ratio and video quality compared to previous standards. However, these performances come with large computational complexities which make it difficult to meet real-time encoding for HD resolution on the most common single-core programmable processors. Moreover, as embedded systems have become increasingly used in various multimedia applications, designing an embedded software solution for the H264/AVC encoder represents another difficult challenge since we have to meet the embedded requirements in terms of hardware resources such as memory and power consumption. The new embedded systems with multicore technology represent an attractive solution to overcome these problems. In this context, this thesis is interested in exploiting the performance of the new generation of Texas Instruments multicore DSPs to design an embedded real-time H264/AVC high definition video encoder. We aim a software solution, characterized by high flexibility that allows setting all parameters (quality, bitrate etc) compared to existing IPs. This software flexibility allows also the system scalability by following the coding enhancements as the migration to the newest HEVC standard. Thus, we present the algorithmic, architectural, and structural optimizations which are applied to improve the encoding speed on a single DSP core before moving to a multicore implementation. Then, we propose parallel implementations of the H264/AVC encoder exploiting the multicore architecture of our platform and the potential parallelism in the encoding chain in order to meet real-time constraints while ensuring a good performance in terms of bitrate and video quality. We also explore the problem of resources allocation (computing resources, storage resources, communication resources) with hard execution time constraints. Finally, this thesis opens the way towards the implementation of the new HEVC video coding standard on two embedded systems in order to prepare a software solution for future research

Les architectures de communication avionique actuelles impliquent un poids et des coûts d'intégration importants à cause de la quantité croissante du câblage et des connecteurs utilisés. Afin de répondre à ces besoins émergents, nous avons proposé dans cette thèse l'intégration des technologies sans fil dans le contexte avionique comme principale solution pour diminuer le poids et la complexité dus au câblage. Tout d’abord, nous avons conçu un réseau avionique de secours basé sur la technologie HRUWB, implémentant un protocole d'arbitrage TDMA et des divers mécanismes de fiabilité pour garantir les exigences de déterminisme et de sûreté. Par la suite, nous avons procédé à l'évaluation des performances de notre proposition en termes de délais en se basant sur des méthodes analytiques. Par ailleurs, nous avons étudié différentes solutions afin d’améliorer les marges d'évolutivité et de fiabilité du système. Enfin, nous avons validé notre réseau proposé à travers une étude de cas avionique réaliste; et les résultats obtenus ont mis en évidence la capacité de notre proposition à garantir les exigences du système en termes de déterminisme et de fiabilité. / The current avionics communication architecture inherits significant weight and integration costs due to the increasing quantity of wires and connectors. In addition, avionics interconnects are still subject to structural failure and fire hazard which decrease reliability and ramify the maintenance. To cope with these arising issues, integrating wireless technologies in avionics context is proposed in this thesis as a main solution to decrease the wiring-related weight and complexity.To achieve this aim, we design an alternative backup avionic network based on HR-UWB technology implementing a TDMA arbitration protocol and various reliability mechanisms to guarantee predictability and reliability requirements.Afterwards, we conduct analytical performance evaluation of our proposal in terms of delays. Moreover, we investigate different solutions to reach further enhancements on the system scalability and reliability.Finally, the validation of our proposal through a realistic avionics case study has been conduced, and the obtained results highlight its ability to guarantee the system requirements in terms of predictability and reliability.

Les robots collaboratifs sont de plus en plus présents dans nos vies quotidiennes. En milieu industriel, ils sont une solution privilégiée pour rendre les chaînes de montage plus flexibles, rentables et diminuer la pénibilité du travail des opérateurs. Pour permettre une collaboration fluide et efficace, les robots doivent être capables de comprendre leur environnement, en particulier les actions humaines.Dans cette optique, nous avons décidé d’étudier la reconnaissance de gestes techniques afin que le robot puisse se synchroniser avec l’opérateur, adapter son allure et comprendre si quelque chose d’inattendu survient.Pour cela, nous avons considéré deux cas d’étude, un cas de co-présence et un cas de collaboration, tous les deux inspirés de cas existant sur les chaînes de montage automobiles.Dans un premier temps, pour le cas de co-présence, nous avons étudié la faisabilité de la reconnaissance des gestes en utilisant des capteurs inertiels. Nos très bons résultats (96% de reconnaissances correctes de gestes isolés avec un opérateur) nous ont encouragés à poursuivre dans cette voie.Sur le cas de collaboration, nous avons privilégié l’utilisation de capteurs non-intrusifs pour minimiser la gêne des opérateurs, en l’occurrence une caméra de profondeur positionnée avec une vue de dessus pour limiter les possibles occultations.Nous proposons un algorithme de suivi des mains en calculant les distances géodésiques entre les points du haut du corps et le haut de la tête. Nous concevons également et évaluons un système de reconnaissance de gestes basé sur des Chaînes de Markov Cachées (HMM) discrètes et prenant en entrée les positions des mains. Nous présentons de plus une méthode pour adapter notre système de reconnaissance à un nouvel opérateur et nous utilisons des capteurs inertiels sur les outils pour affiner nos résultats. Nous obtenons le très bon résultat de 90% de reconnaissances correctes en temps réel pour 13 opérateurs.Finalement, nous formalisons et détaillons une méthodologie complète pour réaliser une reconnaissance de gestes techniques sur les chaînes de montage. / Collaborative robots are becoming more and more present in our everyday life. In particular, within the industrial environment, they emerge as one of the preferred solution to make assembly line in factories more flexible, cost-effective and to reduce the hardship of the operators’ work. However, to enable a smooth and efficient collaboration, robots should be able to understand their environment and in particular the actions of the humans around them.With this aim in mind, we decided to study technical gestures recognition. Specifically, we want the robot to be able to synchronize, adapt its speed and understand if something unexpected arises.We considered two use-cases, one dealing with copresence, the other with collaboration. They are both inspired by existing task on automotive assembly lines.First, for the co-presence use case, we evaluated the feasibility of technical gestures recognition using inertial sensors. We obtained a very good result (96% of correct recognition with one operator) which encouraged us to follow this idea.On the collaborative use-case, we decided to focus on non-intrusive sensors to minimize the disturbance for the operators and we chose to use a depth-camera. We filmed the operators with a top view to prevent most of the potential occultations.We introduce an algorithm that tracks the operator’s hands by calculating the geodesic distances between the points of the upper body and the top of the head.We also design and evaluate an approach based on discrete Hidden Markov Models (HMM) taking the hand positions as an input to recognize technical gestures. We propose a method to adapt our system to new operators and we embedded inertial sensors on tools to refine our results. We obtain the very good result of 90% of correct recognition in real time for 13 operators.Finally, we formalize and detail a complete methodology to realize technical gestures recognition on assembly lines.

Le phénomène du cocktail party fait référence à notre remarquable capacité à nous concentrer sur une seule voix dans des environnements bruyants. Dans cette thèse, nous concevons, implémentons et évaluons une approche computationnelle nommée GCC-NMF pour résoudre ce problème. GCC-NMF combine l’apprentissage automatique non supervisé par la factorisation matricielle non négative (NMF) avec la méthode de localisation spatiale à corrélation croisée généralisée (GCC). Les atomes du dictionnaire NMF sont attribués au locuteur cible ou à l’interférence à chaque instant en fonction de leurs emplacements spatiaux estimés. Nous commençons par étudier GCC-NMF dans le contexte hors ligne, où des mélanges de 10 secondes sont traités à la fois. Nous développons ensuite une variante temps réel de GCC-NMF et réduisons par la suite sa latence algorithmique inhérente de 64 ms à 2 ms avec une méthode asymétrique de transformée de Fourier de courte durée (STFT). Nous montrons que des latences aussi faibles que 6 ms, dans la plage des délais tolérables pour les aides auditives, sont possibles sur les plateformes embarquées actuelles. Nous évaluons la performance de GCC-NMF sur des données publiquement disponibles de la campagne d’évaluation de séparation des signaux SiSEC. La qualité de séparation objective est quantifiée avec les méthodes PEASS, estimant les évaluations subjectives humaines, ainsi que BSS Eval basée sur le rapport signal sur bruit (SNR) traditionnel. Bien que GCC-NMF hors ligne ait moins bien performé que d’autres méthodes du défi SiSEC en termes de métriques SNR, ses scores PEASS sont comparables aux meilleurs résultats. Dans le cas de GCC-NMF en ligne, alors que les métriques basées sur le SNR favorisent à nouveau d’autres méthodes, GCC-NMF surpasse toutes les approches précédentes sauf une en termes de scores PEASS globaux, obtenant des résultats comparables au masque binaire idéale. Nous montrons que GCC-NMF augmente la qualité objective et les métriques d’intelligibilité STOI et ESTOI sur une large gamme de SNR d’entrée de -30 à 20 dB, avec seulement des réductions mineures pour les SNR d’entrée supérieurs à 20 dB. GCC-NMF présente plusieurs caractéristiques souhaitables lorsqu’on le compare aux approches existantes. Contrairement aux méthodes d’analyse de scène auditive computationnelle (CASA), GCC-NMF ne nécessite aucune connaissance préalable sur la nature des signaux d’entrée et pourrait donc convenir aux applications de séparation et de débruitage de source dans un grand nombre de domaines. Dans le cas de GCC-NMF en ligne, seule une petite quantité de données non étiquetées est nécessaire pour apprendre le dictionnaire NMF. Cela se traduit par une plus grande flexibilité et un apprentissage beaucoup plus rapide par rapport aux approches supervisées, y compris les solutions basées sur NMF et les réseaux neuronaux profonds qui reposent sur de grands ensembles de données étiquetées. Enfin, contrairement aux méthodes de séparation de source aveugle (BSS) qui reposent sur des statistiques de signal accumulées, GCC-NMF fonctionne indépendamment pour chaque trame, ce qui permet des applications en temps réel à faible latence. / Abstract: The cocktail party phenomenon refers to our remarkable ability to focus on a single voice in noisy environments. In this thesis, we design, implement, and evaluate a computational approach to solving this problem named GCC-NMF. GCC-NMF combines unsupervised machine learning via non-negative matrix factorization (NMF) with the generalized cross-correlation (GCC) spatial localization method. Individual NMF dictionary atoms are attributed to the target speaker or background interference at each point in time based on their estimated spatial locations. We begin by studying GCC-NMF in the offline context, where entire 10-second mixtures are treated at once. We then develop an online, instantaneous variant of GCC-NMF and subsequently reduce its inherent algorithmic latency from 64 ms to 2 ms with an asymmetric short-time Fourier transform (STFT) windowing method. We show that latencies as low as 6 ms, within the range of tolerable delays for hearing aids, are possible on current hardware platforms. We evaluate the performance of GCC-NMF on publicly available data from the Signal Separation Evaluation Campaign (SiSEC), where objective separation quality is quantified using the signal-to-noise ratio (SNR)-based BSS Eval and perceptually-motivated PEASS toolboxes. Though offline GCC-NMF underperformed other methods from the SiSEC challenge in terms of the SNR-based metrics, its PEASS scores were comparable with the best results. In the case of online GCC-NMF, while SNR-based metrics again favoured other methods, GCC-NMF outperformed all but one of the previous approaches in terms of overall PEASS scores, achieving comparable results to the ideal binary mask (IBM) baseline. Furthermore, we show that GCC-NMF increases objective speech quality and the STOI and ETOI speech intelligibility metrics over a wide range of input SNRs from -30 dB to 20 dB, with only minor reductions for input SNRs greater than 20 dB. GCC-NMF exhibits a number of desirable characteristics when compared existing approaches. Unlike computational auditory scene analysis (CASA) methods, GCC-NMF requires no prior knowledge about the nature of the input signals, and may thus be suitable for source separation and denoising applications in a wide range of fields. In the case of online GCC-NMF, only a small amount of unlabeled data is required to pre-train the NMF dictionary. This results in much greater flexibility and significantly faster training when compared to supervised approaches including NMF and deep neural network-based solutions that rely on large, supervised datasets. Finally, in contrast with blind source separation (BSS) methods that rely on accumulated signal statistics, GCC-NMF operates independently for each time frame, allowing for low latency, real-time applications.

Cette thèse s’intègre dans le cadre du projet Européen FACETS. Pour ce projet, des systèmes matériels mixtes analogique-numérique effectuant des simulations en temps réel des réseaux de neurones doivent être développés. Le but est d’aider à la compréhension des phénomènes d’apprentissage dans le néocortex. Des circuits intégrés spécifiques analogiques ont préalablement été conçus par l’équipe pour simuler le comportement de plusieurs types de neurones selon le formalisme de Hodgkin-Huxley. La contribution de cette thèse consiste à la conception et la réalisation des circuits numériques permettant de gérer la connectivité entre les cellules au sein du réseau de neurones, suivant les règles de plasticité configurées par l’utilisateur. L’implantation de ces règles est réalisée sur des circuits numériques programmables (FPGA) et est optimisée pour assurer un fonctionnement temps réel pour des réseaux de grande taille. Des nouvelles méthodes de calculs et de communication ont été développées pour satisfaire les contraintes temporelles et spatiales imposées par le degré de réalisme souhaité. Entre autres, un protocole de communication basé sur la technique anneau à jeton a été conçu pour assurer le dialogue entre plusieurs FPGAs situés dans un système multicarte tout en garantissant l’aspect temps-réel des simulations. Les systèmes ainsi développés seront exploités par les laboratoires partenaires, neurobiologistes ou informaticiens. / This work has been supported by the European FACETS project. Within this project, we contribute in developing hardware mixed-signal devices for real-time spiking neural network simulation. These devices may potentially contribute to an improved understanding of learning phenomena in the neo-cortex. Neuron behaviours are reproduced using analog integrated circuits which implement Hodgkin-Huxley based models. In this work, we propose a digital architecture aiming to connect many neuron circuits together, forming a network. The inter-neuron connections are reconfigurable and can be ruled by a plasticity model. The architecture is mapped onto a commercial programmable circuit (FPGA). Many methods are developed to optimize the utilisation of hardware resources as well as to meet real-time constraints. In particular, a token-passing communication protocol has been designed and developed to guarantee real-time aspects of the dialogue between several FPGAs in a multiboard system allowing the integration of a large number of neurons. The global system is able to run neural simulations in biological real-time with high degree of realism, and then can be used by neurobiologists and computer scientists to carry on neural experiments.

Les systèmes embarqués en temps réel (RTES) sont soumis à des contraintes temporelles. Dans ces systèmes, l'exactitude du résultat ne dépend pas seulement de l'exactitude logique du calcul, mais aussi de l'instant où ce résultat est produit (Stankovic, 1988). Les systèmes doivent être hautement prévisibles dans le sens où le temps d'exécution pire-cas de chaque tâche doit être déterminé. Une analyse d’ordonnancement est effectuée sur le système pour s'assurer qu'il y a suffisamment de ressources pour ordonnancer toutes les tâches. La mémoire cache est un composant matériel utilisé pour réduire l'écart de performances entre le processeur et la mémoire principale. L'intégration de la mémoire cache dans un RTES améliore généralement la performance en terme de temps d'exécution, mais malheureusement, elle peut entraîner une augmentation du coût de préemption et de la variabilité du temps d'exécution. Dans les systèmes avec mémoire cache, plusieurs tâches partagent cette ressource matérielle, ce qui conduit à l'introduction d'un délai de préemption lié au cache (CRPD). Par définition, le CRPD est le délai ajouté au temps d'exécution de la tâche préempté car il doit recharger les blocs de cache évincés par la préemption. Il est donc important de pouvoir prendre en compte le CRPD lors de l'analyse d’ordonnancement. Cette thèse se concentre sur l'étude des effets du CRPD dans les systèmes uni-processeurs, et étend en conséquence des méthodes classiques d'analyse d’ordonnancement. Nous proposons plusieurs algorithmes d’affectation de priorités qui tiennent compte du CRPD. De plus, nous étudions les problèmes liés à la simulation d'ordonnancement intégrant le CRPD et nous établissons deux résultats théoriques qui permettent son utilisation en tant que méthode de vérification. Le travail de cette thèse a permis l'extension de l'outil Cheddar - un analyseur d'ordonnancement open-source. Plusieurs méthodes d'analyse de CRPD ont été également mises en oeuvre dans Cheddar en complément des travaux présentés dans cette thèse. / Real-time embedded systems (RTES) are subject to timing constraints. In these systems, the total correctness depends not only on the logical correctness of the computation but also on the time in which the result is produced (Stankovic, 1988). The systems must be highly predictable in the sense that the worst case execution time of each task must be determined. Then, scheduling analysis is performed on the system to ensure that there are enough resources to schedule all of the tasks.Cache memory is a crucial hardware component used to reduce the performance gap between processor and main memory. Integrating cache memory in a RTES generally enhances the whole performance in term of execution time, but unfortunately, it can lead to an increase in preemption cost and execution time variability. In systems with cache memory, multiple tasks can share this hardware resource which can lead to cache related preemption delay (CRPD) being introduced. By definition, CRPD is the delay added to the execution time of the preempted task because it has to reload cache blocks evicted by the preemption. It is important to be able to account for CRPD when performing schedulability analysis.This thesis focuses on studying the effects of CRPD on uniprocessor systems and employs the understanding to extend classical scheduling analysis methods. We propose several priority assignment algorithms that take into account CRPD while assigning priorities to tasks. We investigate problems related to scheduling simulation with CRPD and establish two results that allows the use of scheduling simulation as a verification method. The work in this thesis is made available in Cheddar - an open-source scheduling analyzer. Several CRPD analysis features are also implemented in Cheddar besides the work presented in this thesis.