Traitement du signal

Le traitement du signal est la discipline qui développe et étudie les techniques de traitement, d'analyse et d'interprétation des signaux. Parmi les types d'opérations envisageables sur ces signaux, on peut dénoter le contrôle, le filtrage, la compression de données, la transmission de données, le débruitage, la déconvolution, la prédiction, l'identification, la classification, etc.

Bien que cette discipline trouve son origine dans les sciences de l'ingénieur (spécifiquement l'électronique et l'automatique), elle fait actuellement beaucoup appel à de nombreux domaines des mathématiques, comme la théorie du signal, les processus stochastiques, les espaces vectoriels et l'algèbre linéaire et des mathématiques appliquées, surtout la théorie de l'information, l'optimisation ou encore l'analyse numérique.

Généralités

Les signaux à traiter peuvent provenir de sources particulièrement diverses, mais la majorité sont des signaux électriques ou devenus électriques avec capteurs et transducteurs (microphones, rétines, senseurs thermiques, optiques, de pression, de position, de vitesse, d'accélération et généralement de l'ensemble des grandeurs physiques et chimiques).

On peut distinguer principalement les signaux analogiques qui sont produits par divers capteurs, amplificateurs, convertisseurs numérique-analogique; les signaux numériques issus d'ordinateurs, de terminaux, de la lecture d'un support numérique ou d'une numérisation par un convertisseur analogique-numérique.

Le traitement peut être fait, sans numériser les signaux, par des circuits électroniques analogiques ou aussi des dispositifs optiques (traitement du signal optique). Il est de plus en plus fréquemment réalisé par traitement numérique du signal, avec ordinateurs, de microprocesseurs embarqués, de microprocesseurs spécialisés appelés DSP, de circuits reconfigurables (FPGA) ou de composants numériques dédiés (ASIC).

Il existe plusieurs branches spécifiques du traitement du signal, selon la nature des signaux reconnus. Surtout :

• Traitement de la parole (ou d'une façon plus générale du son) - pour l'analyse, la compression, la synthèse et la reconnaissance de la parole
• Traitement d'images - pour l'analyse, la restauration et la compression d'images fixes
• Traitement de la vidéo - pour l'analyse et la compression de séquences vidéo

Le traitement du signal peut avoir différentes finalités :

• la détection d'un signal
• l'estimation de grandeurs à mesurer sur un signal
• le codage, la compression du signal pour son stockage et sa transmission
• le perfectionnement de sa qualité (restauration) selon des critères physiologiques (pour l'écoute et la visualisation).

Le traitement d'un signal effectué dépend du but poursuivi. Surtout, les notions de signal et de bruit sont subjectives, elles dépendent de ce qui intéresse l'utilisateur. On utilise différentes mesures représentatives de la qualité d'un signal et de l'information contenue :

• Le rapport signal sur bruit, notion utilisée particulièrement souvent mais équivoque puisque tout dépend de ce qui est reconnu comme signal et comme bruit.
• Le nombre de bits effectifs Effective Number of Bits (ENOB) qui est une mesure de la qualité de conversion analogique-numérique.
• L'information de Fisher, utile surtout en estimation de paramètres. Elle peut être relative à un seul ou plusieurs paramètres (matrice d'information de Fisher).
• L'entropie, grandeur issue de la physique statistique et de la théorie de l'information (travaux de Shannon), utilisée dans les opérations de codage. Elle est une mesure de l'information «intrinsèque» du signal.

Applications

Parce qu'elles s'appliquent à l'ensemble des étapes d'une chaîne d'acquisition, d'analyse, de transfert et de restitution des données, les techniques du traitement du signal trouvent des applications dans quasiment l'ensemble des domaines de la technologie :

• dans les télécommunications : que ce soit dans le domaine de la téléphonie ou dans le transfert de données numériques terrestre ou via satellite, la compression des données est essentielle pour exploiter au mieux la bande passante disponible, et minimiser les pertes. La suppression d'échos est un autre domaine d'application.
• en audio : on cherche à perfectionner les techniques d'enregistrement et de compression pour obtenir la plus grande qualité sonore envisageable. Les techniques de correction d'écho permettent de diminuer les effets de réflexions acoustiques dans la pièce. Le traitement du son s'est beaucoup perfectionné grâce aux ordinateurs. Cependant, certains musiciens parlent davantage d'un son de nature différente que d'une simple amélioration qualitative (de même que le CD ne "sonne" pas comme le vinyl, et que certains groupes, par exemple Genesis, ont spécifiquement profité du "nouveau son" offert par le nouveau support). La synthèse sonore permet en outre de créer des sons artificiels ou de recréer les sons d'instruments naturels. Elle a été à l'origine de nombreux bouleversements en musique.
• l'analyse des échos permet d'obtenir des informations sur le milieu sur lequel les ondes se sont réfléchies. Cette technique est exploitée dans le domaine de l'imagerie radar ou sonar. En géophysique, en analysant les réflexions d'ondes acoustiques, on peut déterminer l'épaisseur et la nature des strates du sous-sol. Cette technique est utilisée dans le domaine de la prospection minière et dans la prédiction des tremblements de terre.
• en imagerie : on trouve des applications dans le domaine médical (reconstruction tomographique, imagerie par résonance magnétique - IRM), dans le spatial (traitement de photos satellite ou d'images radar). Ce domaine inclut aussi les techniques de reconnaissance de formes et de compression.
• le traitement de séquences vidéo concerne la compression, la restauration, la réalisation d'effets spéciaux, et l'extraction de descripteurs (reconnaissance de formes et textures, suivi de mouvements, caractérisation etc. ) pour produire des annotations automatiques dans une perspective de bases de données (recherche par le contenu).

Voir aussi

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