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Analyse et traitement des signaux Méthodes et applications au son et à l’image

Analyse et traitement des signaux
Méthodes et applications au son et à l’image

Cet ouvrage s’adresse aux étudiants en fin de 1er cycle (Licence, DUT , BTS) et en début de Master. Son contenu est adapté aux formations en automatique, électronique, informatique, physique et mathématiques
appliquées.
Du multimédia aux télécommunications, du capteur à la mesure, du contrôle industriel à l’imagerie médicale, la plupart des secteurs scientifiques et techniques exploitent les méthodes d’analyse et de traitement des signaux. La connaissance et la maîtrise de cette discipline sont devenues indispensables aux techniciens, ingénieurs et  hercheurs.
Les objectifs de cet ouvrage sont les suivants :
• proposer une approche scientifique des signaux sonores et des images ;
• comprendre les opérations d’échantillonnage, de quantification et de synthèse d’un signal ;
• analyser ses composantes spectrales et mesurer ses relations de dépendance ;
• maîtriser et appliquer les méthodes de filtrage analogiques et numériques.
Dans cette nouvelle édition actualisée, des nouveautés sont introduites : la modélisation de la transformation 3D/2D, la calibration géométrique d’une prise de vue, la représentation d’un signal dans une base quelconque
et la transformation de Hilbert. Une place plus importante est consacrée aux exercices d’application qui complètent chaque chapitre.






Table des matières
INTRODUCTION 1
CHAPITRE 1 • PROPRIÉTÉS ET ACQUISITION DES SIGNAUX SONORES 5
1.1 Les sons et l’audition 5
1.2 Les sons musicaux 10
1.3 Effets Doppler sonores 17
1.4 Microphones 20
EXERCICES 24
CHAPITRE 2 • ACQUISITION ET REPRÉSENTATION DES IMAGES 27
2.1 Obtention des images réelles 28
2.2 Vision et représentation des images couleurs 31
2.3 Modélisation matricielle 36
2.4 Calibration d’un système de prise de vue 43

EXERCICES 46
CHAPITRE 3 • ÉCHANTILLONNAGE, QUANTIFICATION ET RESTITUTION DES SIGNAUX 49
3.1 Échantillonnage des signaux analogiques 50
3.2 Quantification des signaux 56
3.3 Aspects particuliers des opérations d’échantillonnage et de quantification 59
3.4 Interpolation à la restitution du signal 67
3.5 Génération de signaux numériques usuels 74
EXERCICES 80
CHAPITRE 4 • ANALYSE CORRÉLATIVE DES SIGNAUX 85
4.1 Relations statistiques entre plusieurs variables 86
4.2 Fonctions de corrélation monodimensionnelles de signaux analogiques et numériques 91


4.3 Détection de signaux périodiques 95
4.4 Identification de la RI d’un système par intercorrélation entrée-sortie 98
4.5 Mesure de retard entre signaux aléatoires par corrélation 99
4.6 Application à la comparaison et à la reconnaissance de signaux 102
EXERCICES 106
CHAPITRE 5 • DÉCOMPOSITION ET ANALYSE SPECTRALE DES SIGNAUX 109
5.1 Analyse de Fourier 110
5.2 Analyse spectrale des signaux analogiques 117
5.3 Analyse spectrale des signaux numériques 121
5.4 Méthodes d’estimation de la densité spectrale de puissance d’un signal numérique 129
Table des matières VII

5.5 Développement d’un signal en série de fonctions quelconques 130
EXERCICES 138
CHAPITRE 6 • FILTRAGE DES SIGNAUX ANALOGIQUES 143
6.1 Généralités 144
6.2 Filtres passifs en électroacoustique 149
6.3 Structures de filtrage actives 154
6.4 Filtres actifs programmables 160
6.5 Synthèse de filtres actifs sur cahier des charges 167
EXERCICES 178
CHAPITRE 7 • FILTRES NUMÉRIQUES À RÉPONSE IMPULSIONNELLE FINIE 185
7.1 Aspects généraux des filtres numériques linéaires 186
7.2 Structures usuelles des filtres numériques mono-dimensionnels 192
7.3 Filtres numériques à réponse impulsionnelle finie – Généralités 195

7.4 Synthèse de filtres RIF à phase linéaire par développement en séries de Fourier 197
7.5 Synthèse des filtres RIF par transformation de Fourier discrète 205
7.6 Synthèse récursive des filtres RIF 207
7.7 Transformation de Hilbert et signaux analytiques 211
EXERCICES 212
CHAPITRE 8 • FILTRES NUMÉRIQUES À RÉPONSE IMPULSIONNELLE INFINIE 223
8.1 Méthode de synthèse des filtres RII 224
8.2 Filtres récursifs génériques du second ordre 230
8.3 Filtres déphaseurs 232
8.4 Applications spécifiques aux signaux audionumériques 233
8.5 Filtrage numérique du bruit 240
8.6 Algorithme de Goertzel 242
EXERCICES

CHAPITRE 9 • PRÉDICTION LINÉAIRE ET FILTRAGE ADAPTATIF DES SIGNAUX 251
9.1 Compléments sur la quantification des signaux 252
9.2 Prédiction linéaire d’un signal numérique 254
9.3 Filtrage numérique adaptatif 260
EXERCICES 269
CHAPITRE 10 • TRAITEMENTS DES IMAGES NUMÉRIQUES 273
10.1 Traitement ponctuel des images numériques 273
10.2 Filtrage des images numériques 278
10.3 Analyse de la netteté d’une image numérique 285
10.4 Transformation de Hough d’une image 287













Electronique Appliquée Aux Hautes Fréquences

Dans le domaine des hautes fréquences ou radiofréquences il est coutume d’entendre que le passage de la théorie à la pratique est un exercice périlleux qui est une affaire de spécialiste où seule l’expérience compte. On peut s’étonner de cette réflexion qui permettrait de conclure aisément qu’il existe, dans ce domaine, deux approches du problème, l’une théorique, l’autre pratique, avec une faible corrélation entre les deux pproches.
Bien évidemment il n’en est rien. En radiofréquence, comme dans tous les domaines, la pratique n’est qu’une mise en application des règles théoriques élémentaires.
L’impression que, dans la pratique, un système, un sous-ensemble ou un composant ne suit pas les règles  héoriques établies ne peut provenir que d’une mauvaise compréhension, ou d’une simplification hasardeuse,  esdites règles.



Admettre et répandre l’idée qu’en radiocommunication seule l’expérience est importante semble quelque peu incorrect. L’expérience est certes un atout non négligeable mais elle a le même poids quels que soient le sujet  ou les techniques traitées.
En radiocommunication la question posée au concepteur peut se mettre sous une forme simple : comment  transmettre à distance une information m(t), analogique ou numérique, via un médium particulier avec un indice de qualité préalablement défini puis réaliser les équipements émetteurs et récepteurs pour un coût maximum donné.
À ces critères de conception on ajoutera un paramètre supplémentaire relatif au respect des normes en vigueur. Pour arriver aux produits finis, la méthodologie utilisée est généralement descendante, de la spécification en passant par éventuellement une phase de modélisation et simulation. Le premier travail consiste donc à réunir les différentes données du problème afin d’envisager une ou plusieurs solutions. Cette première étape, essentiellement théorique, permet de définir des architectures d’émetteurs et récepteurs. Les outils de CAO peuvent être un complément intéressant en proposant une modélisation et une vérification fonctionnelle Dans le domaine des hautes fréquences ou radiofréquences il est coutume d’entendre que le passage de la théorie à la pratique est un exercice périlleux qui est une affaire de spécialiste où seule l’expérience compte. On peut s’étonner de cette réflexion qui permettrait de conclure aisément qu’il existe, dans ce domaine, deux approches du problème, l’une théorique, l’autre pratique, avec une faible corrélation entre les deux approches.
Bien évidemment il n’en est rien. En radiofréquence, comme dans tous les domaines, la pratique n’est qu’une mise en application des règles théoriques élémentaires.
L’impression que, dans la pratique, un système, un sous-ensemble ou un composant ne suit pas les règles théoriques établies ne peut provenir que d’une mauvaise compréhension, ou d’une simplification hasardeuse, desdites règles.
Admettre et répandre l’idée qu’en radiocommunication seule l’expérience est importante semble quelque peu incorrect. L’expérience est certes un atout non négligeable mais elle a le même poids quels que soient le sujet ou les techniques traitées.
En radiocommunication la question posée au concepteur peut se mettre sous une forme simple : comment transmettre à distance une information m(t), analogique ou numérique, via un médium particulier avec un indice de qualité préalablement défini puis réaliser les équipements émetteurs et récepteurs pour un coût maximum
donné.
À ces critères de conception on ajoutera un paramètre supplémentaire relatif au respect des normes en vigueur. Pour arriver aux produits finis, la méthodologie utilisée est généralement descendante, de la spécification en passant par éventuellement une phase de modélisation et simulation. Le premier travail consiste donc à réunir les différentes données du problème afin d’envisager une ou plusieurs solutions. Cette première étape, essentiellement théorique, permet de définir des architectures d’émetteurs et récepteurs. Les outils de CAO peuvent être un complément intéressant en proposant une modélisation et une vérification fonctionnelle Dans le domaine des hautes fréquences ou radiofréquences il est coutume d’entendre que le passage de la théorie à la pratique est un exercice périlleux qui est une affaire de spécialiste où seule l’expérience compte. On peut s’étonner de cette réflexion qui permettrait de conclure aisément qu’il existe, dans ce domaine, deux approches du problème, l’une théorique, l’autre pratique, avec une faible corrélation entre les deux approches. Bien évidemment il n’en est rien. En radiofréquence, comme dans tous les domaines, la pratique n’est qu’une mise en application des règles théoriques élémentaires.
L’impression que, dans la pratique, un système, un sous-ensemble ou un composant ne suit pas les règles théoriques établies ne peut provenir que d’une mauvaise compréhension, ou d’une simplification hasardeuse, desdites règles.
Admettre et répandre l’idée qu’en radiocommunication seule l’expérience est importante semble quelque peu incorrect. L’expérience est certes un atout non négligeable mais elle a le même poids quels que soient le sujet ou les techniques traitées.
En radiocommunication la question posée au concepteur peut se mettre sous une forme simple : comment transmettre à distance une information m(t), analogique ou numérique, via un médium particulier avec un indice de qualité préalablement défini puis réaliser les équipements émetteurs et récepteurs pour un coût maximum
donné.
À ces critères de conception on ajoutera un paramètre supplémentaire relatif au respect des normes en vigueur. Pour arriver aux produits finis, la méthodologie utilisée est généralement descendante, de la spécification en passant par éventuellement une phase de modélisation et simulation. Le premier travail consiste donc à réunir les différentes données du problème afin d’envisager une ou plusieurs solutions. Cette première étape, essentiellement théorique, permet de définir des architectures d’émetteurs et récepteurs. Les outils de CAO peuvent être un complément intéressant en proposant une modélisation et une vérification fonctionnelle du système. Il est à noter qu’ils doivent être utilisés avec parcimonie et à bon escient car il existe une part non déterministe d’une chaîne de transmission qui ne peut être modélisée.
Ces synoptiques mettent en évidence les fonctions élémentaires telles que amplificateurs, mélangeurs, oscillateurs, PLL ou filtres, qui eux aussi pourront faire l’objet de simulations.
La conception des différentes briques ou fonctions élémentaires est la suite logique à l’affectation des performances pour chaque fonction.
Dans cet ouvrage les auteurs ont voulu donner aux lecteurs, qu’ils soient ingénieurs, chercheurs ou étudiants, l’essentiel des informations nécessaires pour mener à bien et réussir la conception d’équipements de transmissions. Aux règles de base théoriques essentielles sont associés des exemples pratiques qui trouvent
leur justification dans l’ensemble des chapitres.
Les diverses descriptions et exemples n’ont qu’un but didactique, expliquant le lien entre théorie et pratique, elles peuvent servir de source d’inspiration pour d’autres systèmes mais n’ont pas vocation à une duplication immédiate. Le parcours du concepteur est semé d’embûches, cet ouvrage voudrait être l’aidemémoire du concepteur qui ne doit pas oublier son objectif principal. Les études théoriques, la CAO, les mesures, les prototypes, ne sont que des étapes intermédiaires, qui ne sont justifiées que par l’objectif final.
Quelle que soit la phase de conception dans laquelle se trouve le concepteur, celui-ci ne devra pas manquer d’esprit critique. Dans une phase théorique on s’intéressera à la dimension donnée par une formule. On s’inquiétera des résultats numériques avec des ordres de grandeur déraisonnables. On limitera les résultats numériques à une précision juste suffisante. On évitera l’amas de résultats de simulation dans lequel il sera impossible d’extraire l’essentiel. Bien que l’on ait coutume de dire que l’expérience est difficilement transmissible, les auteurs ont souhaité mettre ici, à disposition des concepteurs, tous les ingrédients utiles et nécessaires, garantissant un certain succès des implémentations.
Dans cette nouvelle édition, les auteurs vous proposent des suppléments en ligne sur le site www.dunod.com qui correspondent aux modélisations des différentes notions de modulation et démodulation abordées ainsi qu’un tutoriel sur le logiciel Matlab.

Electronique Appliquee Aux Hautes Frequences -