Atelier laboratoires virtuels Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia ---------- Jean-Paul Stromboni … Ecole Supérieure de Sciences Informatiques de l’Université de Nice Sophia Antipolis …. Voir le module « Signaux et Systèmes pour l’Informatique » (S.S.I.) en tronc commun de la première année de l’ESSI, accessible par http://www.essi.fr/SSI/SSI2002

Sommaire La genèse du module S.S.I. Le système pédagogique utilisé 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

L’environnement du module L’ESSI recrute à Bac+2 pour 3ans des élèves d’horizons divers: la 1ère année est un tronc commun qui contient le module S.S.I. la 2ième année inclut deux filières II et IM en plus d’un tronc commun. la 3ième année est constituée de filières: VIMM, LOG, SAR, STREAM… Le facteur commun est l’informa-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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les objectifs du module S.S.I. À l’origine, plusieurs préoccupations provoquer la demande de connaissance des élèves, inclure des expérimentations et l’apprentissage d’un savoir-faire participer aux thèmes-clés de la formation de l’ESSI et s’insérer 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Le thème du module On focalise sur les fonctionnalités audio de l’ordinateur multimédia. Le fil d’Ariane 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les connaissances du module Ce fil d’Ariane 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 d’un signal Le sous-échantillonnage d’un 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les auxiliaires pédagogiques Le module S.S.I. utilise : une URL locale pour y déposer les textes, outils, et données du module URL http://www-local.essi.fr/ModuleSSI cf. aussi http://www.essi.fr/SSI/SSI2002 et en travaux pratiques (TP) : un ordinateur personnel muni d’une carte son un casque microphone + haut-parleur à brancher sur la carte son des logiciels pour : la simulation, ici MATLAB (version V.4) 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les techniques pédagogiques Cours magistraux 12 présentations PowerPoint d’une 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 l’URL 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 l’auto-évaluation 8 réalisés en html et placés sur l’URL 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les attitudes pédagogiques directives : TP à exécuter dans un ordre et avec un timing imposés l’enseignant est central et dirige les binômes durant la séance de TP, pas ou peu d’existence 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les contenus des travaux pratiques Pour analyser ou éditer un son numérique, on utilise avec profit le logiciel shareware Goldwave (cf. www.goldwave.com) 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 Le fichier SheepBaa.wav, «free effect» de hollywoodedge.com, 182 ko, est numérisé en monophonie, 8 bits, 44100 Hz (zoom pour voir le pitch, max, min, moy, pas de quantification, Te …) Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les contenus de travaux pratiques Avec l’aide 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 l’écoute un bruit de quantification audible. Pour montrer que le CODEC u-law diminue ce bruit et restaure le rapport signal sur bruit, on divise l’intensité 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 m 8 bit m-1 1/8 8 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur 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 l’effet 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur 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) 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 Bande 1 0,78 E B1+B2+B3+B5 0,94 E Bbc.wav signal énergie E B1+B2+…+B8 E Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Les contenus de travaux pratiques On peut reproduire le principe du CODEC mp3 avec MATLAB en pointant l’effet de la décimation, du sur-échantillonnage, et en simulant un algorithme simple d’allocation de bits basé sur l’énergie instantanée des signaux des bandes. Ici, avec M = 8 bandes de fréquence, le taux de compression prévu est 3,57 pour un seuil d’énergie de 5 %. 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 Allocation de bits aux bandes selon l’énergie des signaux h1 M*h1 h2 M*h2 Bbc … … … … hM M*hM Étage de filtres interpolateurs Décimation Algorithme d’allocation: Taux de compression Étage de filtres Anti aliasing sur-échantillonnage Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur 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 d’expérimentation, 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Sondage final des élèves Avec un formulaire sur l’URL 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 l’ESSI : oui 61% et plutôt oui 31%, non 2% et sans avis 6% Utilisation de l’URL 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 qu’il faut les développer. Il faut plus de TD sans machine pour 64% des sondés … Les souhaits d’orientation 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia

Conclusions Cette formation étudie le son numérique et l’ordinateur 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 s’adjoint à « faible » coût la possibilité d’expérimenter et d’acquérir un savoir-faire L’URL est utilisée à plusieurs niveaux, pour récupérer des données en TP, consulter les exemples du cours, ou s’auto évaluer Comment faire évoluer cette URL vers un environnement d’e-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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur 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 Jean-Paul Stromboni – Un cours pour introduire le traitement du signal à l’aide de l’ordinateur multimédia