Séparation de sources en mélanges convolutifs : application aux signaux astrophysiques et audio

Source separation of convolutive mixtures : Applications in astrophysics and audio processing

• Auteur / Autrice : Mostafa Bella
• Direction : Shahram Hosseini, Hicham Saylani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 24/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....) en cotutelle avec Université Ibn Zohr (Agadir)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Khalid Sabri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : El Hassan Ait Laasri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Danielle Nuzillard, Hicham Ghennioui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles -- Spectres

Télescope spatial Euclid

Séparation de sources (traitement du signal)

Mots clés libres

Traitement des signaux audio

Séparation de sources

Mélanges convolutifs

Astrophysique

Source separation

Audio processing

Astrophysics

Convolutive mixtures

Résumé

Le but de cette thèse est de développer des méthodes de séparation de sources adaptées aux domaines de l'astrophysique et de l'audio. La séparation de sources a pour but de retrouver un ensemble de signaux inconnus, appelés sources, à partir d'un ensemble de mélanges de ces sources. Pour le domaine de l'astrophysique, cette thèse vise le développement de nouvelles méthodes de séparation des spectres de galaxies adaptées à la mission spatiale Euclid. L'objectif principal du satellite Euclid est de comprendre la nature de l'énergie noire. Pour atteindre cet objectif, Euclid est équipé d'un spectrographe sans fente proche infrarouge qui mesurera les spectres de millions de galaxies. Ces spectres seront ensuite analysés pour estimer les décalages spectraux vers le rouge (redshifts) des galaxies observées. Cependant, ces estimations sont affectées par une confusion résultant de la superposition des spectres des objets astronomiques voisins. Ainsi, une étape de décontamination efficace est nécessaire pour minimiser les erreurs dans les mesures des redshifts. Nous avons ainsi développé plusieurs méthodes de séparation adaptées à Euclid et basées sur trois approches différentes. Les deux premières approches reposent sur un modèle de mélange linéaire instantané, tandis que la troisième approche s'appuie sur un modèle de mélange convolutif plus réaliste. Pour le domaine de l'audio, cette thèse vise le développement de nouvelles méthodes de séparation aveugle de sources (SAS) pour des mélanges linéaires convolutifs (sous)-déterminés de signaux audio, en se basant sur la parcimonie des sources dans le domaine temps-fréquence (TF). En effet, les méthodes de SAS existantes basées sur la parcimonie restent très limitées, en particulier dans le cas des mélanges sous-déterminés (pour lesquels il y a moins de mélanges que de sources). Comme elles sont fondées pour la plupart sur l'hypothèse d'Orthogonalité W-Disjointe (WDO) (qui stipule qu'une seule source au maximum est présente en chaque point TF), elles souffrent de problèmes d'artefacts au niveau des signaux séparés, ce qui peut être très gênant dans le domaine de l'audio. Nous avons ainsi développé deux nouvelles méthodes de SAS capables d'atténuer ces artefacts, et ce avec des hypothèses de parcimonie beaucoup moins restrictives que celles faites par les méthodes fondées sur l'hypothèse WDO, tout en introduisant de nouvelles techniques pour estimer en aveugle les paramètres de mélange et les sources.

The goal of this thesis is to develop source separation methods adapted to the fields of astrophysics and audio processing. Source separation aims to recover a set of unknown signals, called sources, from a set of mixtures of these sources. For the field of astrophysics, this thesis aims to develop new methods for separating galaxy spectra, adapted to the Euclid space mission. The main objective of the Euclid satellite is to understand the nature of dark energy. To achieve this goal, Euclid is equipped with a slitless near-infrared spectrograph that will measure the spectra of millions of galaxies. These spectra will then be analyzed to estimate the spectral redshifts of the observed galaxies. However, these estimates are affected by the confusion resulting from the superposition of spectra of neighboring astronomical objects. Thus, an effective decontamination step is needed to minimize errors in redshift measurements. We have therefore developed several source separation methods adapted to Euclid, based on three different approaches. The first two are based on a linear instantaneous mixing model, while the third is based on a more realistic convolutive mixing model. For the audio processing field, this thesis aims to develop new blind source separation (BSS) methods for (under)-determined linear convolutive mixtures of audio signals, based on the sparsity of sources in the time-frequency (TF) domain. Indeed, existing BSS methods based on sparsity remain very limited, especially in the under-determined case (for which there are fewer mixtures than sources). Since most of them are based on the W-Disjoint Orthogonality (WDO) assumption (which stipulates that no more than one source is present in each TF bin), they suffer from artifact problems at the level of the separated signals, which can be very annoying in the audio domain. We have therefore developed two new BSS methods capable of reducing this artifact problem, with much less restrictive sparsity assumptions than those made by methods based on the WDO assumption, while introducing new techniques for blindly estimating mixing parameters and sources.