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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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

2Jean-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,

IM) et un tronc commun.– la 3ième année est constituée de

filières (VIMM, LOG, SAR, STREAM)

• La facteur commun et central est l’informatique.

• Genèse du moduleenvironnement, objectifs, thème

• Système pédagogique connaissances,savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques

• Contenus de TPnumériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser

• Évaluationnotation, sondage

• Conclusions


Les objectifs du module S.S.I.

À l’origine, plusieurs préoccupations

1. présenter un savoir motivant et utile pour les élèves

2. inclure des expérimentations pour l’apprentissage d’un savoir-faire

3. participer aux thèmes-clés de la formation de l’ESSI et s’insérer dans le contexte technologique et professionnel actuel.





• Conclusions


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)





• Conclusions


Les connaissances du moduleCe fil d’Ariane amène à introduire

des connaissances sur :– La numérisation du signal audio,

l’échantillonnage et la quantification– La transformée de Fourier et la FFT– Le spectre et le spectrogramme – Les filtres rectangulaires – Le découpage temporel d’un signal– Le sous-échantillonnage et le sur

échantillonnage– L’énergie d’un signal– …





• Conclusions


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 …





• Conclusions


Les auxiliaires pédagogiquesLe module S.S.I. utilise :1. une URL locale pour les textes, tests,

outils et données sonores du module http://www-local.essi.fr/ModuleSSI

2. et pour les TP un ordinateur person-nel muni d’une 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.42. le traitement du son, ici Goldwave.





• Conclusions


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, 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 l’auto-évaluationréalisés en html et placés sur l’URL





• Conclusions


Les contenus des travaux pratiquesPour analyser ou éditer un son numérique, on utilise avec profit

le logiciel shareware Goldwave (cf. www.goldwave.com)

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 …)





• Conclusions


Les contenus des travaux pratiques1. 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, apparaît à l’écoute 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 l’intensité du son initial :

piano_c3

8 bit -1

8 bitbitB 16

1/8bitB 8

bitB 8

8

8





• Conclusions


Les contenus des travaux pratiquesOn 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.

Hz10000

)(Hzf

Hz5500

Bbc.wav





• Conclusions


Les contenus des travaux pratiquesAvec un banc de 8 filtres rectangulaires, on décompose le signal Bbc.wav en 8 bandes de fréquences à l’aide de MATLAB. Puis on le reconstruit exactement en additionnant les bandes, ou à peu près en exploitant leur importance relative (énergie)

B1+B2+B3+B50,94 ECompression 2

Bande 10,72 ECompression 8

BBc.wav ouB1+B2+…+B8Énergie ECompression 1





• Conclusions


Les contenus des travaux pratiques

h1

h2

…

hM

…

Allocation de bits

auxbandesselon

l’énergiedes signaux

M

M

M

M

M

M

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 % (c’est à dire qu’on néglige ) .

Bbc.wav

Algorithme d’allocation:Taux de compression

Étage de filtresinterpolateurs

sur-échantillonnageDécimation

Étage de filtresAnti aliasing

… …

M*hM

M*h2

M*h1





• Conclusions

Miyyi ...1,05.0 22

1y

2y

8y

y

recy


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 d’impact sur les élèves par sondage– 50% de la classe répond (environ 50 élèves),– 25% des réponses restent anonymes.

Quelques résultats : – Relation avec l’informatique évidente à 100%– Intérêt du module dans le cursus de l’ESSI :

61% oui, 31% oui plutôt, 8% non ou sans avis (?)– Utilisation de l’URL du module :

fréquente 27%, occasionnelle 59%, rare 14%. – Utilité des questionnaires ciblés :

oui, 90% ; il faut les développer, 70%.





• Conclusions


Conclusions1. Notre formation analyse le son numérique de

l’ordinateur multimédia à partir de concepts tirés du traitement numérique du signal.

2. Pour accroître l’efficacité pédagogique, elle inclut une détection des erreurs de la classe.

3. Avec les moyens logiciels et matériels cités, elle s’adjoint la possibilité d’expérimenter et donc d’enseigner un savoir-faire.

4. Elle utilise une URL à plusieurs titres, pour récupérer des données en TP, pour consulter les exemples du cours, pour s’auto-évaluer.

Comment évoluer vers un environnement mieux balisé, plus interactif, et facilitant l’apprentissage autonome et individualisé ?





• Conclusions


Zoom





• Conclusions


Pitch de SheepBaa.wav





• Conclusions


Sommaire• La genèse du module S.S.I.

environnement, objectifs, thème central

• Le système pédagogique utiliséconnaissances et savoir-faire, auxiliaires et techniques pédagogiques

• Les contenus de travaux pratiquesnumériser, quantifier, filtrer, analyser, compresser, …

• Évaluation du modulenotation, sondage final des élèves

• Conclusions

Documents

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