Thème A - Signal et Information : Théorie et Méthodes

Le contexte scientifique des recherches relevant du Thème A est orienté vers les aspects méthodologiques (ou transverses) communs à de nombreuses applications en traitement du signal, ainsi que vers des thèmes applicatifs (problèmes inverses, modèles de poursuite, séparation de sources, classification de signaux, analyse decisionnelle, modèles à mémoire longue,...), liés à des questions plus ciblées, correspondant, en général, à une application particulière.

Les principaux thèmes méthodologiques regroupent des problématiques issues de :

• la théorie de l'information, qui offre une vision alternative de l'estimation statistique, dont l'impact sur des problèmes classiques de traitement du signal comme la sélection de modèles, la reconnaissance de forme, la prédiction ou le débruitage est certainement un des points clés pour les années à venir.
• la théorie des processus à invariance d'échelle, qui repose sur les concepts d'autosimilarité, de (multi-)fractalité ou de longue mémoire, et dont l'importance croissante dans de nombreux domaines (télétrafic informatique, physique, biologie, finance...) nécessite le développement d'outils nouveaux.
• les approches algorithmiques de l'inférence statistique, rendues nécessaires par la complexité des modèles permettant de rendre compte, avec une certaine vraisemblance, des situations complexes rencontrées en pratique (les mots-clés correspondant à ce thème sont les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov, les méthodes numériques d'optimisation, éventuellement stochastiques, ainsi que les techniques dites " particulaires ").
• les méthodes de statistique fonctionnelle non paramétrique : l'approche non paramétrique des problèmes d'estimation, qui constitue une des avancées majeures en statistique mathématique depuis une vingtaine d'années, est également un outil d'importance pour le traitement du signal. A ce jour, les contributions les plus significatives sur ce point concernent l'estimation spectrale (stationnaire et non stationnaire), le débruitage ou les méthodes non linéaires de prédiction.
• les méthodes d'approximation et de représentation des signaux : ces méthodes reposent soit sur des techniques de type " Support-Vector Machines " au sens de Vapnik ou sur des représentations creuses de signaux dans un but de codage d'entropie minimale, de débruitage ou de compression efficace, qui ont connu un essor considérable ces dernières années.

Les travaux seront effectués dans un large esprit d'ouverture vers les autres communautés, tout en respectant la spécificité d'ISIS. Une des perspectives du Thème A sera, en faisant évoluer les thématiques développées en son sein, d'attirer davantage de chercheurs de laboratoires de mathématiques appliquées, afin de favoriser l'émergence de recherches interdisciplinaires en statistique, analyse harmonique, théorie de l'information et traitement du signal et des images.

Thème B - Forme, Mouvement, Structure de Scènes

Le Thème B se propose d'explorer, selon une approche " orientée modèles ", les problématiques liées à l'analyse de formes et de scènes (naturelle, virtuelle ou hybride), statiques ou dynamiques, en imagerie multidimensionnelle. Conjointement aux aspects théoriques, ce Thème s'intéresse à la mise en œuvre des modèles, tant au niveau des méthodes numériques (schémas, complexité, convergence, stabilité, précision) que sur le plan algorithmique (structures de données, implantations). Les domaines d'applications apparaissent extrêmement vastes et font partie intégrante des préoccupations du Thème B. Ces domaines, directement reliés aux orientations et priorités sectorielles définies au niveau national (Actions Spécifiques CNRS-STIC, ACI, RNRT, RNTS, RIAMM...) et européens (5ème et 6ème PCRD) incluent :

• l'imagerie médicale (ingénierie pour la santé, télémédecine, recherche médicale) ;
• la télédétection (gestion des ressources, de l'environnement et du cadre de vie) ;
• la vision par ordinateur (interaction homme-machine, machines et véhicules intelligents) ;
• la télésurveillance (défense et sécurité, transports, domotique) ;
• le contrôle non-destructif (sciences des produits et des procédés) ;
• la conception (XAO) et la simulation ;
• le codage de scènes hybrides (télécommunications, normalisation MPEG-4) ;
• l'accès par le contenu (indexation multimédia, normalisation MPEG-7);
• la synthèse d'images et l'animation (services multimédias, réalité virtuelle et augmentée).

De façon plus fine, les Thèmes couverts se déclineront en 5 axes :

• Maillages et Géométrie Discrète (modélisation géométrique et topologique de données surfaciques et volumiques, en particulier sur la base de la représentation discrète sous forme de pixels, de voxels ainsi que sur la base d'un mode de représentation plus abstrait en termes de maillages. Applications à la segmentation, la reconstruction, le codage, le filtrage de formes).
• Mouvement - Déformation — Evolution (modélisation et analyse de phénomènes dynamiques en imagerie multidimensionnelle, en particulier dans le cas d'évolutions non rigides et non stationnaires, impliquant une modification complexe de la géométrie des objets ou de la structure de la scène imagée).
• 3D Multimodal
• Géométrie pour la Vision (élaboration d'outils théoriques et méthodologiques permettant la perception volumique de la scène observée).
• Vision Dynamique et Active (techniques d'asservissement visuel, développement de stratégies de perception et d'action).

Le Thème B souhaite promouvoir la coopération méthodologique pluridisciplinaire au travers de Journées Thématiques communes avec les autres Thèmes du GdR ISIS. Parmi les synergies envisageables, on peut citer la modélisation de la variabilité morphologique, le filtrage statistique de forme/mouvement et l'analyse de séries temporelles (Thème A) ; l'étude d'algorithmes spécifiques en adéquation avec une architecture dédiée pour un traitement temps-réel vidéo (Thème C) ; le codage de formes non rigides et la protection de contenus 3D (Thème D) ; l'indexation par le mouvement et par la forme (Thème E).

Le Thème B insiste également sur l'ouverture conceptuelle vers les domaines connexes de la physique (champs, milieux), des mathématiques fondamentales (analyse différentielle, EDP, probabilités et statistiques) et des mathématiques appliquées (optimisation, analyse numérique). Ce dernier point se traduira via des collaborations inter-GdR (Journées Thématiques et Actions Incitatives communes), notamment avec les GdR MSPC pour la composante mathématique, ALP pour les aspects de simulation et d'infographie, I3 sur les thématiques réalité virtuelle/hybride et les interfaces homme - machine, et CASSINI en ce qui concerne les systèmes d'information géographique.

Thème C - Adéquation Algorithme Architecture

Les recherches en traitement du signal et des images conduisent généralement à des algorithmes qui sont implantés sur stations de travail afin de les simuler. Les applications industrielles qui utilisent ces algorithmes nécessitent de réaliser leurs implantations sur des architectures spécifiques de calculateurs et/ou de circuits intégrés, car il s'agit de respecter des contraintes de temps réel (plusieurs latences et cadences dans les cas les plus complexes) et des contraintes d'embarquabilité (encombrement, consommation...).

Le Thème C, qui joue donc un rôle transversal vis à vis des autres thèmes à l'origine des algorithmes à implanter, traite de cette problématique particulièrement difficile à maîtriser dans un contexte où, aussi bien les processeurs qui sont la base des calculateurs que les circuits intégrés spécifiques, évoluent très rapidement.

L'adéquation algorithme architecture consiste à étudier simultanément les aspects algorithmiques et architecturaux en prenant en compte leurs inter-relations. Ceci conduit à développer des méthodologies, plus ou moins formelles, permettant de réaliser l'implantation optimisée d'un algorithme (minimisation des composants logiciels et matériels) tout en réduisant les temps de développement. On vise à améliorer d'une part les techniques de prototypage rapide pouvant aller jusqu'à la production de code de série et d'autre part la conception conjointe logiciel-matériel. Les méthodes formelles utilisent des modèles mathématiques pour décrire l'algorithme, l'architecture et les implantations possibles en tenant compte des contraintes de temps réel et d'embarquabilité. Ceci permet d'effectuer des vérifications formelles le plus tôt possible dans le cycle de développement conduisant à diminuer les tests en temps réel, de poser des problèmes d'optimisation pour dimensionner au mieux les architectures, et enfin de générer automatiquement du code sûr et efficace sous la forme d'exécutable pour les calculateurs et de " net-lists " pour les circuits intégrés. Dans ce contexte, il est indispensable de suivre l'évolution des applications et celle de la technologie de l'électronique numérique et analogique qui constitue les fondements des architectures.

Notre communauté entretient depuis des années des relations avec la communauté ARP des architectures généralistes, du temps réel et des réseaux, aussi bien que du parallélisme qui joue un rôle fondamental dans nos approches méthodologiques. Nous voulons accroître ces relations ainsi que celles établies avec la communauté CAO en ce qui concerne les outils logiciels associés à nos méthodologies.

Thème D -Télécommunications : compression, transmission, protection

Le Thème D fédère les personnes et les laboratoires travaillant sur la problématique des couches basses des télécommunications (essentiellement transmission et accès multiple), sur les applications liées à la compression des sources (compression audio, parole et vidéo) et sur la protection des données dans le but d'éviter essentiellement le piratage. Le domaine couvert considère des sources d'information que l'on comprime afin de les transmettre ou de les inclure dans une base de données. Ces données sont éventuellement protégées par un tatouage. Elles sont ensuite transmises sur des canaux qui peuvent être satellites, radio, filaires,... Bien sûr, il peut y avoir plusieurs utilisateurs qui partagent la ressource, ce qui impose aussi l'étude de l'accès multiple.

Ce Thème devrait, de plus, être ouvert à des collaborations avec d'autres domaines. Parmi ces collaborations " transversales ", on peut citer :

• les descripteurs contextuels de formes et d'objets 3D pour l'étude MPEG7, version 2 ;
• le développement de méthodes de tatouage d'images pour la protection des données qui interagissent non seulement avec les algorithmes de codage de source utilisés, mais aussi avec les transmissions, car on peut modéliser une partie de ce problème comme la transmission d'une information à un débit très faible, mais sur un canal extrêmement perturbé ;
• la modélisation et la représentation de canaux de façon à concevoir un système de télécommunications mieux adapté, que ce soit dans sa partie transmission, multi-accès, mais aussi éventuellement codage de source adapté au canal ;
• la propagation radio et les antennes pour l'étude du traitement de signal multi-capteurs qui est un sujet extrêmement important dans l'étude des systèmes multi-antennaires ;
• l'interaction avec les réseaux; plusieurs problèmes faisant partie de cet axe D mettent en jeu les réseaux, que ce soit par les outils mis en jeu, ou bien parce que les solutions au problème posé font intervenir les deux domaines. On peut citer par exemple, le fait que les algorithmes de routage et les codes LDPC (Low Density Parity Check) utilisent des outils très similaires de la théorie des graphes; on voit aussi apparaître des interactions très fortes entre la couche physique et la couche MAC (multi-accès) d'un système, notamment pour l'étude des réseaux ad hoc ; on peut aussi citer les liens étroits entre les algorithmes de compression et les protocoles associés à la transmission multi-média (par exemple, les protocoles H323 de l'union internationale des télécommunications concernant la transmission de la parole et de la vidéo sur IP).

Evidemment, aux thématiques développées ci-dessus et qui montrent les possibilités d'ouverture des domaines couverts par l'axe D, se superposent des thématiques internes. Si on considère que le domaine va du codage de source vers l'accès multiple en passant par la protection et la transmission, on peut citer les thématiques suivantes :

• la compression géométrique ;
• le codage vidéo basé objet ainsi que l'hypervidéo interactive ;
• l'accès aléatoire à l'image et à la vidéo, le codage conjoint source-canal et le codage multi-description; ces techniques recouvrent déjà le codage source et le codage canal (voir même l'accès) ;
• les techniques d'égalisation qui peuvent être adaptées aussi à la détection multi-utilisateurs, le décodage des codes espace-temps linéaires, l'annulation d'interféreurs dans les réseaux cellulaires. Ces techniques extrêmement puissantes sont très liées au traitement de signal, mais aussi au codage de canal.
• les techniques d'accès, principalement le CDMA (ou accès multiple par répartition par les codes) et l'OFDM (utilisant des modulations à porteuses multiples). N'oublions pas que la troisième génération de communications avec les mobiles utilise le CDMA, mais que les réseaux locaux sans fil, les boucles locales radio à grand débit et même les futurs systèmes dits de quatrième génération utilisent ou devraient utiliser l'OFDM.
• les techniques MIMO (multi-antennaires) regroupant les codes espace-temps et le traitement du signal multi-capteurs sont à la base des futurs systèmes radio à très grand débit.
• les techniques itératives (turbo-codes, turbo-détection ou -égalisation, codes sur les graphes,...) ont permis, grâce aux turbo-codes de s'approcher des limites de Shannon, en ce qui concerne la transmission de l'information.
• les techniques de détection et de codage pour les canaux à plusieurs utilisateurs (diffusion, collision, canal additif,...) qui peuvent constituer d'excellents outils pour la fusion entre les couches physiques et MAC.

On voit la richesse de ce futur axe D à l'intérieur duquel devraient se développer non seulement des sujets relativement classiques, mais aussi de nouveaux domaines qui permettront l'apparition de nouveaux systèmes permettant l'échange de médias de plus en plus variés dans des conditions de propagation difficiles et entre plusieurs acteurs.

Thème E - Images, Modèles et Systèmes : Traitement, Analyse, Indexation

Dans la chaîne de traitement, l'activité relative à ce Thème se situe principalement dans les étages amont. A partir de la matière de base (données " pixel "), l'objectif est d'extraire l'information pertinente afin d'alimenter les systèmes situés en aval : bases de données, systèmes de décision, interprétation de haut niveau,... Dès cet instant il importe de faire état de l'importance d'une réflexion profonde sur le caractère physique de l'information à traiter. Ce point est fondamental si on veut appliquer à bon escient des opérations de filtrage, de restauration voire de reconstruction. Par ailleurs, dans ce domaine, les progrès viennent de la définition et de l'exploitation de modèles décrivant les données et/ou les traitements, permettant d'incorporer les connaissances a priori, tout en restant suffisamment simples pour être exploitables sur des données volumineuses. Les secteurs concernés comprennent :

• l'imagerie couleur,
• l'imagerie multicomposantes (multi-canaux, multi-sources, multi-modalités),
• les séquences temporelles,
• l'imagerie volumique , ou plus généralement nD (n > 2).

Grâce aux nouveaux dispositifs d'acquisition d'images en 2D ou 3D, les domaines d'application de l'imagerie s'accroissent. Parmi ceux-ci, on peut citer la gestion de bases de données multimédia, la télédétection (par satellites ou non), l'analyse de matériaux par microscopie (nombreux secteurs industriels), la prospection sismique, l'imagerie biomédicale,... L'exploitation de ces systèmes n'est possible que si leur fiabilité est garantie et la complexité de leur mise en œuvre maîtrisée. Les systèmes de traitement doivent notamment prendre en compte :

• la variabilité intrinsèque (caractère aléatoire ou imprécis) des images,
• la dimension radiométrique et géométrique (discrète ou continue),
• les relations topologiques entre entités,
• les sources d'informations complémentaires (bande sonore de documents audio-visuels),
• l'existence de plusieurs échelles d'analyse,
• le contrôle de performance, en ligne et hors ligne.

Un certain nombre de modèles sont disponibles : modèles statistiques, structurels, morphologiques, variationnels,... Ils sont issus soit de la communauté signal-image, soit de communautés voisines (parole, physique, mathématique, biologie...). L'enjeu est de faire converger et co-exister ces différents modèles, d'intégrer des sources d'informations auxiliaires et de fournir une méthodologie pour le dimensionnement et le paramétrage de ces systèmes.