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1 Insérez ici votre logo Insert here your logo! Atelier laboratoires virtuels Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur.

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2 1 Insérez ici votre logo Insert here your logo! Atelier laboratoires virtuels Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Jean-Paul Stromboni … Ecole Supérieure de Sciences Informatiques de lUniversité de Nice Sophia Antipolis …. Voir le module « Signaux et Systèmes pour lInformatique » (S.S.I.) en tronc commun de la première année de lESSI, accessible par

3 2 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Sommaire La genèse du module S.S.I. environnement, objectifs, thème central Le système pédagogique utilisé connaissances et savoir-faire, auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Les contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser, … Évaluation du module notation, sondage final des élèves Conclusions

4 3 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Lenvironnement du module LESSI recrute à Bac+2 pour 3ans des élèves dhorizons divers: –la 1 ère année est un tronc commun qui contient le module S.S.I. –la 2 ième année inclut deux filières II et IM en plus dun tronc commun. –la 3 ième année est constituée de filières: VIMM, LOG, SAR, STREAM… Le facteur commun est linforma- tique, et le logiciel plutôt que le matériel, sous toutes ses formes. Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

5 4 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les objectifs du module S.S.I. À lorigine, plusieurs préoccupations 1.provoquer la demande de connaissance des élèves, 2.inclure des expérimentations et lapprentissage dun savoir-faire 3.participer aux thèmes-clés de la formation de lESSI et sinsérer dans le contexte technologique et professionnel actuel. Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

6 5 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Le thème du module On focalise sur les fonctionnalités audio de lordinateur multimédia. Le fil dAriane est la compression du signal audio numérique avec : –Le principe de la compression MPEG audio layer 3 (fichiers mp3) –Le principe du CODEC mu-law (fichiers au, ou wav) Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

7 6 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les connaissances du module Ce fil dAriane amène à introduire des connaissances : –La numérisation du signal audio –Le spectre et le spectrogramme, –La transformée de Fourier et la FFT –Les filtres rectangulaires –Le découpage temporel dun signal –Le sous-échantillonnage dun signal –La quantification du signal audio analogique – … Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

8 7 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les objectifs opérationnels Ainsi que des compétences : –Reconnaître un signal numérique, et extraire et discuter les paramètres. –Respecter la contrainte de Shannon. –Exploiter spectre et spectrogramme. –Calculer et appliquer un filtre. –Évaluer rapport signal sur bruit (SNR) et bruit de quantification. –Décomposer un signal en bandes de fréquence puis le recomposer. –Découper une fenêtre temporelle, décimer, sur échantillonner … Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

9 8 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les auxiliaires pédagogiques Le module S.S.I. utilise : une URL locale pour y déposer les textes, outils, et données du module URL cf. aussi et en travaux pratiques (TP) : un ordinateur personnel muni dune carte son un casque microphone + haut-parleur à brancher sur la carte son des logiciels pour : 1. la simulation, ici MATLAB (version V.4) 2. le traitement du son, ici Goldwave. Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

10 9 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les techniques pédagogiques Cours magistraux 12 présentations PowerPoint dune heure Première diapo : « objectifs de la séance » Diapo finale : « pour vous tester sur ce cours » Travaux pratiques et travaux dirigés 12 séances de deux heures, – 3 TD pour travailler les points théoriques – 9 TP sur machine, les données sur lURL Questionnaires ciblés sur un chapitre 5 questions, 10mn de temps élève, pour détecter et corriger les erreurs collectives et individuelles, rendus et corrigés en TP QCM pour aider lauto-évaluation 8 réalisés en html et placés sur lURL Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

11 10 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les attitudes pédagogiques directives : TP à exécuter dans un ordre et avec un timing imposés lenseignant est central et dirige les binômes durant la séance de TP, pas ou peu dexistence du groupe certains TP sont présentés comme un problème à résoudre (expérience) … utilisation systématique de graphiques et de sons pour assimiler les relations des concepts et des techniques vus en cours avec la pratique: – représentations graphiques temporelle et fréquentielle des signaux audio considérés – audition des sons étudiés et modifiés Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

12 11 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus des travaux pratiques Pour analyser ou éditer un son numérique, on utilise avec profit le logiciel shareware Goldwave (cf. Le fichier SheepBaa.wav, «free effect» de hollywoodedge.com, 182 ko, est numérisé en monophonie, 8 bits, Hz (zoom pour voir le pitch, max, min, moy, pas de quantification, Te …) Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

13 12 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus de travaux pratiques Avec laide de MATLAB, le son piano_c3.wav quantifié sur B=16 bits est progressivement quantifié sur 15, 14, 13 … 8 bits. Avec la dégradation du rapport signal sur bruit (ou SNR), apparaît à lécoute un bruit de quantification audible. Pour montrer que le CODEC u-law diminue ce bruit et restaure le rapport signal sur bruit, on divise lintensité initiale du son pour accroître la dégradation. Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions piano_c3 8 bit 8 bit 1/8 8 8

14 13 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus de travaux pratiques On simule avec Matlab un filtre rectangulaire, de longueur 256 points et de bande passante 0–1000Hz à 11111Hz, et on met en évidence leffet du filtre sur le son Bbc.wav (11111Hz) et dans le domaine des fréquences sur les spectrogrammes. Bbc.wav Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

15 14 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus de travaux pratiques Avec un banc de 8 filtres rectangulaires, on sait décomposer avec MATLAB le signal de Bbc.wav en 8 bandes de fréquences. Puis on le reconstruit exactement en additionnant les bandes, ou à peu près en exploitant leur importance relative (énergie) B1+B2+B3+B5 0,94 E Bbc.wav Bande 1 0,78 E signal énergie E Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions B1+B2+…+B8 E

16 15 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus de travaux pratiques h1h1 h2h2 … hMhM … Allocation de bits aux bandes selon lénergie des signaux On peut reproduire le principe du CODEC mp3 avec MATLAB en pointant leffet de la décimation, du sur-échantillonnage, et en simulant un algorithme simple dallocation de bits basé sur lénergie instantanée des signaux des bandes. Ici, avec M = 8 bandes de fréquence, le taux de compression prévu est 3,57 pour un seuil dénergie de 5 %. Bbc Algorithme dallocation: Taux de compression Étage de filtres interpolateurs sur-échantillonnage Décimation Étage de filtres Anti aliasing … … M*h M M*h 2 M*h 1 Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

17 16 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Notation du module Deux contrôles (intermédiaire et final) déterminent la note. Ils interrogent : sur les cours (connaissance) et sur les travaux dirigés (savoir-faire) Les questionnaires ciblés donnent un bonus de note : notés sur 3 niveaux, ils détectent à la volée les erreurs répétitives. Les compte-rendus de TP facultatifs donnent aussi un bonus de note : Ils présentent un rapport dexpérimentation, avec les constatations, les interprétations faites, et leur vérification théorique ou expérimentale. Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

18 17 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Sondage final des élèves Avec un formulaire sur lURL en fin de module : –50% de la classe répond (environ 50 élèves), –25% des réponses restent anonymes. Quelques tendances : –Intérêt du module dans le cursus de lESSI : oui 61% et plutôt oui 31%, non 2% et sans avis 6% –Utilisation de lURL du module : fréquente 27%, occasionnelle 59%, rare 14%. –Chapitre le plus intéressant: compresser (35%), filtrer (20%), quantifier (20%), 25% sans avis –Rédaction de compte-rendus de TP : formatrice pour 75% des sondés, inutile pour 25%. –Utilité des questionnaires ciblés : oui, 90%, dont 70% qui pensent quil faut les développer. –Il faut plus de TD sans machine pour 64% des sondés … Les souhaits dorientation des élèves peuvent constituer également une indication Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

19 18 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Conclusions Cette formation étudie le son numérique et lordinateur multimédia, à partir de concepts issus du traitement numérique du signal. Pour accroître son efficacité pédagogique, el- le instaure une détection et une correction des erreurs individuelles et collectives. Avec les moyens logiciels et matériels cités, elle sadjoint à « faible » coût la possibilité dexpérimenter et dacquérir un savoir-faire LURL est utilisée à plusieurs niveaux, pour récupérer des données en TP, consulter les exemples du cours, ou sauto évaluer Comment faire évoluer cette URL vers un environnement de-learning mieux balisé, plus interactif et permettant un apprentissa- ge autonome ? Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

20 19 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Zoom Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

21 20 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Pitch de SheepBaa.wav Genèse du module environnement, objectifs, thème Plan du système pédagogique connaissances, savoir-faire auxiliaires, techniques, attitudes pédagogiques Contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions


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