Reconstruction de phase et de signaux audio avec des fonctions de coût non-quadratiques

Phase retrieval and audio signal reconstruction with non-quadratic cost functions

• Auteur / Autrice : Pierre-Hugo Vial
• Direction : Cédric Févotte, Thomas Oberlin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunication
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Rémi Gribonval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Févotte, Thomas Oberlin, Rémi Gribonval, Matthieu Kowalski, Caroline Chaux, Irène Waldspurger, Paul Magron
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matthieu Kowalski, Caroline Chaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Divergences de Bregman

Traitement du signal

Mots clés libres

Traitement du signal audio

Reconstruction de phase

Optimisation

Apprentissage automatique

Audio signal processing

Phase retrieval

Optimisation

Machine learning

Résumé

La reconstruction de signaux audio consiste à estimer des signaux sonores à partir de représentations incomplètes ou dégradées. Ce problème peut être formulé comme un problème inverse. Ces derniers sont fréquemment traités à l'aide de stratégies d'optimisation ou d'apprentissage automatique. Dans cette thèse, on propose de modifier la fonction de coût dans les problèmes inverses liés à la reconstruction de signaux audio. On considère principalement le problème de reconstruction de phase, un problème fréquent lors de la manipulation de spectrogrammes audio. Un premier axe de ces travaux étudie l'optimisation de fonctions de coût non-quadratiques pour la reconstruction de phase. Ce problème est étudié dans deux contextes: la reconstruction de signaux audio à partir d'un spectrogramme et la séparation de sources. Nous proposons une nouvelle formulation du problème à l'aide des divergences de Bregman, ainsi que des algorithmes pour leur résolution. Un second axe considère l'apprentissage de la fonction de coût à partir d'un jeu de données. On utilise le cadre des réseaux de neurones dépliés, obtenus à partir d'algorithmes itératifs. On propose un réseau de neurones construit via le dépliement de l'algorithme des directions alternées et incluant des fonctions d'activations paramétrées. On explicite la relation entre l'apprentissage de ses paramètres et de la fonction de coût pour la reconstruction de phase. Enfin, on conduit un travail expérimental pour chaque méthode exposée dans cette thèse afin d'évaluer leur performance et leur potentiel pour la reconstruction de signaux audio.

Audio signal reconstruction consists in recovering sound signals from incomplete or degraded representations. This problem can be cast as an inverse problem. Such problems are frequently tackled with the help of optimization or machine learning strategies. In this thesis, we propose to change the cost function in inverse problems related to audio signal reconstruction. We mainly address the phase retrieval problem, which is common when manipulating audio spectrograms. A first line of work tackles the optimization of non-quadratic cost functions for phase retrieval. We study this problem in two contexts: audio signal reconstruction from a single spectrogram and source separation. We introduce a novel formulation of the problem with Bregman divergences, as well as algorithms for its resolution. A second line of work proposes to learn the cost function from a given dataset. This is done under the framework of unfolded neural networks, which are derived from iterative algorithms. We introduce a neural network based on the unfolding of the Alternating Direction Method of Multipliers, that includes learnable activation functions. We expose the relation between the learning of its parameters and the learning of the cost function for phase retrieval. We conduct numerical experiments for each of the proposed methods to evaluate their performance and their potential with audio signal reconstruction.