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

2 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, IM) et un tronc commun. –la 3 ième année est constituée de filières (VIMM, LOG, SAR, STREAM) La facteur commun et central est linformatique. Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

3 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.présenter un savoir motivant et utile pour les élèves 2.inclure des expérimentations pour 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 Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

4 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 Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

5 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 sur : –La numérisation du signal audio, léchantillonnage et la quantification –La transformée de Fourier et la FFT –Le spectre et le spectrogramme –Les filtres rectangulaires –Le découpage temporel dun signal –Le sous-échantillonnage et le sur échantillonnage –Lénergie dun signal – … Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

6 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 en extraire les paramètres. –Respecter la contrainte de Shannon. –Exploiter spectre et spectrogramme. –Calculer et appliquer un filtre. –Évaluer le rapport signal sur bruit et relier au 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 Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

7 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 : 1.une URL locale pour les textes, tests, outils et données sonores du module et pour les TP un ordinateur person- nel muni dune carte son 3.un casque (micro+haut-parleurs) à connecter à la carte son 4.et deux logiciels pour : 1. la simulation, ici MATLAB version V.4 2. le traitement du son, ici Goldwave. Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

8 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, travaux dirigés 12 séances de deux heures, – 3 TD pour travailler les points théoriques – 9 TP sur machine pour la pratique Questionnaires ciblés sur un chapitre 5 questions (10mn de temps élève) pour détecter et corriger les erreurs collectives et individuelles, rendu et corrigé en TP QCM pour aider lauto-évaluation réalisés en html et placés sur lURL Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

9 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 Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

10 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus des travaux pratiques 1.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, apparaît à lécoute un bruit de quantification audible. 2.On montre que le CODEC u-law diminue le bruit de quanti- fication et restaure le rapport signal sur bruit. Pour cela, on accroît la dégradation en divisant par 8 lintensité du son initial : piano_c3 8 bit 8 bit 1/8 8 8 Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

11 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus des 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 Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

12 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus des travaux pratiques Avec un banc de 8 filtres rectangulaires, on décompose le signal Bbc.wav en 8 bandes de fréquences à laide de MATLAB. 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 Compression 2 Bande 1 0,72 E Compression 8 BBc.wav ou B1+B2+…+B8 Énergie E Compression 1 Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

13 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Les contenus des 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 % (cest à dire quon néglige ). Bbc.wav 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 Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

14 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Évaluation du module et impact Évaluation, notation Les deux examens notés interrogent : sur les cours mais aussi sur les travaux pratiques (savoir-faire) Les questionnaires ciblés détectent les erreurs répétitives, notés sur 3 niveaux, interviennent en bonus de note. Les compte-rendus de TP facultatifs (bonus de note) Évaluation dimpact sur les élèves par sondage –50% de la classe répond (environ 50 élèves), –25% des réponses restent anonymes. Quelques résultats : –Relation avec linformatique évidente à 100% –Intérêt du module dans le cursus de lESSI : 61% oui, 31% oui plutôt, 8% non ou sans avis (?) –Utilisation de lURL du module : fréquente 27%, occasionnelle 59%, rare 14%. –Utilité des questionnaires ciblés : oui, 90% ; il faut les développer, 70%. Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

15 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Conclusions 1.Notre formation analyse le son numérique de lordinateur multimédia à partir de concepts tirés du traitement numérique du signal. 2.Pour accroître lefficacité pédagogique, elle inclut une détection des erreurs de la classe. 3.Avec les moyens logiciels et matériels cités, elle sadjoint la possibilité dexpérimenter et donc denseigner un savoir-faire. 4.Elle utilise une URL à plusieurs titres, pour récupérer des données en TP, pour consulter les exemples du cours, pour sauto-évaluer. Comment évoluer vers un environnement mieux balisé, plus interactif, et facilitant lapprentissage autonome et individualisé ? Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

16 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à laide de lordinateur multimédia Zoom Genèse du module environnement, objectifs, thème Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

17 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 Système pédagogique connaissances, savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques Contenus de TP numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser Évaluation notation, sondage Conclusions

18 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 et techniques pédagogiques Les contenus de travaux pratiques numériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser, … Évaluation du module notation, sondage final des élèves Conclusions