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Mis à jour : 28 Septembre 2016

© C. Févotte

Cédric Févotte est chercheur au CNRS, spécialiste du traitement du signal. Il est lauréat d’un Best Paper Award 2014 décerné par la IEEE Signal Processing Society pour son article "Multichannel Nonnegative Matrix Factorization in Convolutive Mixtures for Audio Source Separation" écrit en collaboration avec Alexey Ozerov (Technicolor). Rencontre avec un pionnier de la séparation de sources sonores.

Le traitement du signal est une discipline qui mêle mathématiques appliquées et physique. Un signal est le support physique d’une information, et son traitement consiste à essayer d’extraire cette information. Les signaux sont partout, il en existe de différents types : radars, audio, cosmiques, sismiques, etc. Il s’agit ainsi d’une vaste thématique touchant de nombreux secteurs.

Après des études d’ingénieur, Cédric Févotte a réalisé sa thèse sur le traitement du signal à l’IRCCyN (Nantes), avec notamment des applications biomédicales. Au cours de son post-doctorat à l’Université de Cambridge, il a commencé à s’intéresser plus particulièrement au traitement des signaux audio. Ce sont les signaux acoustiques qui peuvent être perçus par l’oreille humaine, répartis en trois grandes catégories : la parole, la musique et les sons dit environnementaux. Il a choisi de se pencher plus précisément sur le problème de séparation de sources. Le chercheur explique : « Dans un signal musical, il y a généralement plusieurs sources, correspondant aux différents instruments et à la voix du chanteur, si tant est qu’il y en ait un. Le traitement consiste à séparer les signaux mélangés pour en extraire les différentes sources ».

Le traitement du signal, un champ transdisciplinaire

Cette décomposition des signaux peut servir dans l’édition musicale, outil utilisé par les ingénieurs du son pour enlever des sources gênantes dans un enregistrement ou pour faire un remix d’une chanson. Elle peut également servir dans d’autres contextes audio : « Par exemple, en l’utilisant pour des prothèses auditives, il s’agit de séparer le signal émit par le locuteur du bruit environnant. De même pour le téléphone portable, il est possible de débruiter les sons nuisibles tels que les voitures lorsqu’on passe un appel dans la rue pour faciliter la communication », précise-t-il.

Cédric Févotte explique son engouement pour ce domaine d’étude : « Il y a encore beaucoup de travaux et de sujets ouverts dans le traitement du signal. Cette thématique générale a des applications dans de nombreux domaines ». Les premières recherches ont commencé à la fin des années quatre-vingt-dix, mais ce n’est que récemment que les scientifiques ont produit des résultats applicables à des problèmes réels. « Elle a désormais un impact dans le biomédical, en essayant de séparer des contributions de différentes parties corporelles dans des enregistrements de type électrocardiogramme et électromyogramme, on peut faciliter le diagnostic médical. En astronomie, elle trouve une application lorsqu’on observe des signaux qui arrivent de l’espace, elle permet de séparer les contributions de différents objets observés ou d’éliminer les perturbations au moment où elles arrivent sur terre telle que la pollution lumineuse », explique le spécialiste.

Une problématique soulevée pour un usage tangible

La particularité de l’article primé de Févotte & Ozerov est qu’il est l’un des premiers à s’attaquer efficacement au cas où il y a plus de sources que de mélanges, en particulier dans des conditions d’enregistrement modérément réverbérantes. Un mélange est une combinaison de sources, et peut être plus ou moins difficiles à séparer. Cédric Févotte précise : « Dans un enregistrement stéréophonique, il y a deux mélanges qui proviennent du canal droit et du canal gauche. Si on a seulement deux sources à séparer telles qu’une voix et une guitare, on est dans un problème assez bien posé. Le fait qu’il y ait autant de mélanges que de sources permet d’inverser facilement le mélange. Cependant, quand on a plus de sources comme trois instruments pour seulement deux mélanges, on arrive dans des conditions où on va avoir du mal à inverser le mélange, ce qui pose des problèmes mathématiques ». Autre facteur qui participe à la difficulté d’un problème, la question de la réverbération. « Typiquement dans une salle de cours classique, il va y avoir beaucoup d’écho, ce qui va se traduire par de la réverbération sur les signaux enregistrés. Cela va donc perturber le traitement audio. Nous avons alors proposé dans cet article une méthode de traitement capable de fonctionner dans le cadre des cas les plus complexes  ».

L’application concrète de cette méthode a eu lieu lors d’un projet de recherche financé par l’Agence Nationale de Recherche(ANR), en partenariat avec des ingénieurs du son des studios Copra de Paris. « On a appliqué notre méthode de séparation à des enregistrements qu’ils avaient besoin de traiter pour faire du remastering en son 5.1 home cinema. Ils ont pu décomposer l’enregistrement stéréo, séparer les différents sources pour pouvoir les remixer sur différentes enceintes, créant ainsi un enregistrement multicanal adapté », déclare Cédric Févotte. Néanmoins, il insiste sur le fait que son travail n’est pas de créer et de vendre un logiciel destiné aux ingénieurs du son, mais bel bien de contribuer à fournir des outils méthodologiques pour l’édition musicale : « Nous avons déposé un brevet avec l’entreprise Audionamix qui travaillait également sur ce projet. Il est en cours d’évaluation et pourra être ensuite exploité par d’autres entreprises d’édition qui souhaiteraient intégrer cette technologie dans leurs produits  ».

Vers de nouvelles perspectives

Quant à sa nomination au Best Paper Award 2014, le chercheur en est fier mais garde la tête froide : « Bien sûr il s’agit d’un petit prix. Je n’ai pas obtenu un prix Nobel, ni la médaille Fields ! Mais c’est une forme de reconnaissance à laquelle je suis sensible  ». Rappelons que les Best Paper Awards sont décernés par la IEEE Signal Processing Society, une société savante internationale qui édite les principales revues de traitement du signal. Elle donne jusqu’à six prix par an qui couronnent les travaux parus dans les revues durant les cinq années précédemment écoulées. « Cela concerne beaucoup d’articles. Donc le fait de sortir du lot parmi des centaines d’autres papiers, c’est tout de même une belle récompense », souligne Cédric Févotte.

Arrivé au laboratoire Lagrange (OCA-CNRS-UNS) il y a plus de deux ans à la faveur d’une mutation, le chercheur souhaitait élargir ses horizons : « Cela faisait longtemps que je travaillais sur cette thématique de décomposition et de séparation des signaux audio. J’avais un petit peu le sentiment d’être arrivé au bout de quelque chose. Donc je me suis dis que c’était une bonne idée de changer de laboratoire et de m’attaquer à des problèmes d’une autre discipline. » Cédric Févotte plongea alors lentement dans les méandres du cosmos. Actuellement dans l’équipe Signal & Image, il apporte une plus-value et un angle nouveau dans les projets astronomiques de Lagrange. « En astronomie, on s’intéresse beaucoup au problème de débruitage et de reconstruction d’images à partir de données acquises par des télescopes et interféromètres  », affirme-t-il.

Le spécialiste poursuit sur ses travaux actuels : « En ce moment, je m’intéresse avec mes collègues aux traitements de données mesurées par des interféromètres et spectrographes, notamment dans le cadre des projets européens LOFAR et MUSE. Ce sont deux instruments de conceptions complètement différentes mais qui s’occupent de mesurer des données qui proviennent de l’espace pour reconstruire et analyser des images d’objets célestes. Et cela va encore ici poser des problèmes de décomposition des signaux parce qu’il peut y avoir de nombreux facteurs incommodants à la bonne réception des données, tels que les diverses sources lumineuses provenant d’autres objets ou de la Terre. C’est dans cet environnement là que j’essaie d’apporter mes connaissances. ». Pour le futur, on ne peut souhaiter que d’autres belles collaborations et réussites à Cédric Févotte.

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Mis à jour : 28 Septembre 2016

Image couleur de la comète Lovejoy C/2014 Q2 réalisée avec un réfracteur grand champ le 11 janvier 2015, 3 jours après son passage au plus prés de la terre (70 millions de km).

Cette image finale est le résultat de la compilation de 14 images individuelles de 240s d’exposition, l’acquisition a été faite en verrouillant le suivi de l’instrument sur le mouvement propre de la comète, ce qui a provoqué le tracé des étoiles en forme de filé.

Au moment de la prise de vue, la comète était faiblement visible à l’œil nu dans la constellation du taureau comme une petite boule « cotonneuse », la queue ne pouvant être mise en évidence que par la photographie, quant à La couleur verte de l’astre chevelu elle s’expliquerait par la fluorescence de certains gaz comme le cyanogène.

Enfin cette comète, découverte par l’astronome amateur australien Terry Lovejoy, est une comète a très longue période (plus de 10 000 ans), elle continue de s’approcher du soleil ou elle passera au plus près le 30 janvier 2015.

Crédit : D. Albanèse, OCA / Géoazur.

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Mis à jour : 28 Septembre 2016

En mesurant le rapport isotopique entre le Deutérium et l’Hydrogène (appelé rapport D/H) de l’eau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (Altwegg et al., Science, 12/11/2014), la sonde Rosetta vient de valider une prédiction fondamentale du modèle d’évolution du Système Solaire habituellement appelé « modèle de Nice ».

Le modèle de Nice décrit comment le Système Solaire a évolué vers sa structure actuelle, depuis la formation des planètes géantes. La caractéristique fondamentale du modèle est que les orbites des planètes géantes auraient drastiquement changé lors d’une phase d’instabilité dynamique, il y a 4,1 milliards d’années. En conséquence de cette instabilité, la population de petits corps qui était à l’origine au-delà de l’orbite de Neptune aurait été violemment perturbée et dispersée ; ses restes peupleraient aujourd’hui la ceinture de Kuiper située juste au-delà de Neptune et le nuage de Oort, situé à des dizaines de milliers d’Unités Astronomiques du Soleil (Brasser et Morbidelli, 2013).

La ceinture de Kuiper et le nuage d’Oort sont aujourd’hui les réservoirs d’où viennent les comètes à courte et longue période, respectivement. Le modèle de Nice prédit que ces deux populations de comètes sont statistiquement identiques du point de vue physique car leurs réservoirs sont issus de la même population originelle de petits corps. Les comètes pourraient être assez diverses entre elles mais les deux populations à courte et longue période devraient respecter cette diversité, plus ou moins dans les mêmes proportions. Or, les observations des comètes jusqu’à présent semblaient contredire cette prédiction. En effet, la valeur du rapport isotopique D/H de la vapeur d’eau des comètes à longue période, mesurée précisément pour 3 objets (les comètes de Halley, Hale-Bopp et Hyakutake), était assez élevé (environs 2 fois la valeur de l’eau terrestre), alors que le rapport D/H de la première comète à courte période observée (Hartley II) était terrestre. Ces résultats pouvaient suggérer une différence systématique du rapport D/H dans les comètes des deux populations. Les auteurs du modèle de Nice, confiant dans leur modèle, se défendaient en invoquant les pièges des statistiques faites sur un petit nombre d’objet… tout en gardant leur souffle.

La sonde Rosetta vient de leur donner raison. La valeur du rapport D/H de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko mesuré par la sonde se trouve être semblable (même supérieur) à celle mesuré pour les trois comètes à longues périodes. En ajoutant à cela l’observation récente depuis le sol de la comète à longue période 153P/Ikeya-Zhang , pour laquelle le Deutérium n’a pas été détecté (impliquant un rapport D/H bien inférieur à celui des autres comètes à longue période précédemment observées), ce résultat implique qu’il n’y a pas une différence évidente entre les populations des comètes provenant du nuage d’Oort et de la ceinture de Kuiper, en accord avec la prédiction du modèle de Nice. Sur la base de ces mesures du rapport D/H, la même diversité semble bien être présente dans les deux populations. L’observation d’un plus grand nombre de comètes reste cependant nécessaire pour vérifier si les proportions entre comètes à haut et faible rapport D/H sont effectivement les mêmes dans les deux populations.

Référence : Brasser, R., Morbidelli, A. 2013. Oort cloud and Scattered Disc formation during a late dynamical instability in the Solar System. Icarus 225, 40-49.

Photo : © CNES/Rosetta/MPS for OSIRIS TESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM, 2014

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Mis à jour : 28 Septembre 2016

Communiqué de l’ESO du 24 novembre 2014

L’étude des étoiles géantes rouges permet aux astronomes de comprendre le futur du soleil. Cela permet aussi d’étudier comment ces étoiles enrichissent les galaxies des éléments nécessaires à la vie. Une des géantes rouges les plus célèbres se nomme Mira A et se trouve dans un système binaire situé à 400 années lumières de la terre. Avec cette nouvelle image, le télescope ALMA nous révèle la vie secrète de Mira.

Mira A est une vieille étoile qui a commencé à éjecter les atomes produits durant son évolution et enrichit ainsi notre galaxie. Le compagnon de Mira A, appelé Mira B, orbite autour de Mira à une distance équivalente à deux fois la distance entre la Terre et Neptune.
Nous savions que le vent de Mira A, relativement lent, modelait doucement le gaz et la poussière autour de cette étoile. Les observations du télescope ALMA confirment maintenant que son compagnon est une étoile d’un tout autre type, avec un vent complètement différent. Mira B est une naine blanche, dense et chaude avec un vent stellaire intense et rapide.

Ces nouvelles observations montrent comment les vents de ces deux étoiles ont créé une nébuleuse complexe et fascinante. La bulle en forme de cœur au centre de l’image est formée par le vent énergétique de Mira B à l’intérieur du vent plus calme de Mira A. Ce cœur, qui a été formé il y a environ 400 ans, et le reste du gaz entourant ce couple stellaire montrent que l’interaction entre ces étoiles a conduit à la formation de cet étrange et spectaculaire environnement.

En étudiant des étoiles comme Mira A et Mira B, les scientifiques espèrent découvrir comment les étoiles de notre galaxie vivant en couple diffèrent de celles vivant seules lorsqu’elles injectent dans la voie lactée les éléments qu’elles ont créés durant leurs vies. Malgré la distance séparant ces deux étoiles, Mira A et son compagnon ont un impact important l’une sur l’autre. Ces observations permettent donc de mieux comprendre l’influence d’un compagnon sur la mort d’une étoile.

Les astronomes ont pu montrer, au moyen d’observations avec ALMA ou d’autres télescopes, que d’autres vieilles étoiles mourante avaient aussi des environnements complexes Il n’est cependant pas toujours facile de savoir si ces étoiles vivent seules, comme le soleil, ou en couple, comme Mira. Ces observations de Mira A, son partenaire et leur bulle en forme de cœur nous apportent donc une meilleure compréhension de la fin de vie des étoiles en couple.

Ces nouvelles observations de Mira A et de son partenaire sont présentées dans cet article dans Astronomy & Astrophysics :http://adsabs.harvard.edu/abs/2014A%26A...570L..14R

Crédit : ESO/S. Ramstedt (Uppsala University, Sweden) & W. Vlemmings (Chalmers University of Technology, Sweden)

Contact chercheur :
Éric Lagadec (OCA - Laboratoire J.-L. Lagrange) l 04 92 00 19 79 l eric.lagadec@oca.eu