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Séminaire

Challenges in imaging and sensing in photon-starved regimes

Auteur : McLaughlin Stephen

Seminar of TeSA, Toulouse, December 8, 2021.

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How many photons per pixel do we need to construct an image? This apparently simple question is rather complicated to answer as it is dependent on what you want to use the image for. Computational imaging and sensing combines measurement and computational methods often when the measurement conditions are weak, few in number, or highly indirect (e.g. when the measurements are few in number, the information of interest is indirectly observed, or in challenging observation conditions). The recent surge in the development of sensors, together with a new wave of algorithms allowing on-chip, scalable and robust data processing, has induced an increase of activity with notable results in the domain of low flux imaging and sensing.

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Traitement du signal et des images / Autre

Article de journal

A Variational Marginalized Particle Filter for Jump Markov Nonlinear Systems with Unknown Transition Probabilities

Auteurs : Cheng Cheng et Tourneret Jean-Yves

Signal Processing, vol. 188, article 108226, November 2021.

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This paper studies a new variational marginalized particle filter for jointly estimating the state and the system mode parameters of jump Markov nonlinear systems. Contrary to the Markovian assumption usually considered to model the evolution of the system modes, we introduce conjugate prior distributions for the system mode parameters. The joint posterior distribution of the state and system mode parameters is then marginalized with respect to the mode variables. The remaining state vector is sampled using a sequential Monte Carlo algorithm, and the mode parameters are sampled using variational Bayesian inference. In order to obtain analytical solutions for the different variational distributions, we use an extended factorized approximation simplifying the variational distributions. A comprehensive simulation study is conducted to compare the performance of the proposed approach with the state-of-the-art for a modified nonlinear benchmark model and maneuvering target tracking scenarios.

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Traitement du signal et des images / Localisation et navigation

Thèse de Doctorat

Le problème de flot insécable: application à la gestion des communications d'une constellation de satellites.

Auteur : Lamothe François

Defended on November 29, 2021.

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Le problème de la transmission de ressources indivisibles au travers d’un réseau est un problème générique présent dans de nombreuses applications. En effet, ce type de problème se retrouve dans des industries telles que le transport de fret ou encore les télécommunications (réseaux optiques, communications satellitaires, ...). L’amélioration des méthodes de résolution pour ce problème représente donc un enjeu important qu’il convient d’aborder sous plusieurs angles. Premièrement, améliorer la qualité des solutions trouvées permet d’augmenter l’efficacité des systèmes que ce problème affecte. Deuxièmement, accélérer la résolution de ce problème est important dans les applications où le temps de calcul est très restreint, mais aussi lorsque les instances du problème de transmission considéré sont de grande taille. Ce dernier point représente un enjeu important dans l’application industrielle qui motive cette thèse : la constellation de satellites de télécommunication Telesat. En effet, cette industrie tend à construire des constellations contenant de plus en plus de satellites afin d’augmenter le débit internet que le système est capable de transmettre. On peut ainsi constater cette évolution en comparant les 66 satellites de la constellation Iridium (2018) avec les 288 satellites de la constellation Telesat (à venir en 2022) ou encore les 10 000 satellites envisagés dans la constellation Starlink (annoncée pour 2024). En parallèle de l’augmentation du nombre de satellites, on constate aussi une augmentation du nombre d’utilisateurs de ces constellations. Celle ci s’explique à la fois par l’accroissement de la richesse de la population, l’essor de nouvelles applications telles que les accès internet dans les avions ou les bateaux mais aussi tout simplement par l’augmentation de la capacité et de la qualité des services de télécommunication par satellite. La combinaison de ces facteurs tend à créer des problèmes de transmission de ressources de plus en plus difficiles à résoudre ce qui nécessite des algorithmes de résolution plus performants. Or, dans le cadre de la constellation Telesat que nous étudions en partenariat avec Thalès Alenia Space et le Centre National d’études spatiales, le débit total transmis par la constellation est estimé aux alentours de 7 Térabits par seconde. Si l’on considère qu’un utilisateur moyen demande aux alentours de 5 Mégabits par seconde, une hausse de 5% de la capacité de transmission de la constellation due à une meilleure gestion des ressources de communications représente une possibilité d’accès au service de la constellation pour des centaines de milliers d’utilisateurs supplémentaires. Ce chiffre peut sembler faible en comparaison avec la population mondiale actuelle, mais une telle constellation n’est pas destinée à concurrencer le réseau Internet terrestre chargé de fournir la majeure partie du débit demandé. En effet, le rôle de la constellation Telesat est de compléter le réseau terrestre dans les zones où celui-ci est trop cher à construire ou pour les utilisateurs inaccessibles tels que ceux au milieu des océans. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de transmission de la ressource indivisible qu’est le débit des utilisateurs dans une constellation. Ce problème correspond à un problème classiquement étudié dans la littérature des problèmes de flots, sous le nom de problème de flot insécable. Bien que ses propriétés théoriques soient bien connue et que de nombreuses approches de résolution existent, celles-ci manquent d’efficacité lorsque la taille du problème est importante. Nous tentons de combler cette lacune en proposant des algorithmes présentant de bonnes performances sur de grandes instances de ce problème. D’autre part, l’introduction de la dynamique de la constellation dans le problème nous mène à nous intéresser au problème de flot insécable dynamique. Ce problème est peu étudié dans la littérature, c’est pourquoi nous étendons l’ensemble des méthodes de résolution testées sur ce problème en proposant différentes approches et en les comparant expérimentalement sur des jeux d’instances que nous proposons. Enfin, nous étudions des méthodes de décomposition permettant de renforcer la relaxation linéaire du problème flot insécable. En effet, cette relaxation linéaire est à la base de la plupart des méthodes de résolution proposées dans la littérature. Le calcul d’une relaxation puissante est donc un enjeu de la résolution du problème de flot insécable. Après avoir présenté et réimplémenté deux méthodes de la littérature, nous proposons une nouvelle méthode de décomposition s’inspirant des deux méthodes précédentes. Une étude empirique montre que la nouvelle méthode proposée possède un avantage compétitif important sur les grandes instances du problème de flot insécable.

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Réseaux / Systèmes spatiaux de communication

Présentation de soutenance de thèse

Le problème de flot insécable: application à la gestion des communications d'une constellation de satellites.

Auteur : Lamothe François

Defended on November 29, 2021.

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Le problème de la transmission de ressources indivisibles au travers d’un réseau est un problème générique présent dans de nombreuses applications. En effet, ce type de problème se retrouve dans des industries telles que le transport de fret ou encore les télécommunications (réseaux optiques, communications satellitaires, ...). L’amélioration des méthodes de résolution pour ce problème représente donc un enjeu important qu’il convient d’aborder sous plusieurs angles. Premièrement, améliorer la qualité des solutions trouvées permet d’augmenter l’efficacité des systèmes que ce problème affecte. Deuxièmement, accélérer la résolution de ce problème est important dans les applications où le temps de calcul est très restreint, mais aussi lorsque les instances du problème de transmission considéré sont de grande taille. Ce dernier point représente un enjeu important dans l’application industrielle qui motive cette thèse : la constellation de satellites de télécommunication Telesat. En effet, cette industrie tend à construire des constellations contenant de plus en plus de satellites afin d’augmenter le débit internet que le système est capable de transmettre. On peut ainsi constater cette évolution en comparant les 66 satellites de la constellation Iridium (2018) avec les 288 satellites de la constellation Telesat (à venir en 2022) ou encore les 10 000 satellites envisagés dans la constellation Starlink (annoncée pour 2024). En parallèle de l’augmentation du nombre de satellites, on constate aussi une augmentation du nombre d’utilisateurs de ces constellations. Celle ci s’explique à la fois par l’accroissement de la richesse de la population, l’essor de nouvelles applications telles que les accès internet dans les avions ou les bateaux mais aussi tout simplement par l’augmentation de la capacité et de la qualité des services de télécommunication par satellite. La combinaison de ces facteurs tend à créer des problèmes de transmission de ressources de plus en plus difficiles à résoudre ce qui nécessite des algorithmes de résolution plus performants. Or, dans le cadre de la constellation Telesat que nous étudions en partenariat avec Thalès Alenia Space et le Centre National d’études spatiales, le débit total transmis par la constellation est estimé aux alentours de 7 Térabits par seconde. Si l’on considère qu’un utilisateur moyen demande aux alentours de 5 Mégabits par seconde, une hausse de 5% de la capacité de transmission de la constellation due à une meilleure gestion des ressources de communications représente une possibilité d’accès au service de la constellation pour des centaines de milliers d’utilisateurs supplémentaires. Ce chiffre peut sembler faible en comparaison avec la population mondiale actuelle, mais une telle constellation n’est pas destinée à concurrencer le réseau Internet terrestre chargé de fournir la majeure partie du débit demandé. En effet, le rôle de la constellation Telesat est de compléter le réseau terrestre dans les zones où celui-ci est trop cher à construire ou pour les utilisateurs inaccessibles tels que ceux au milieu des océans. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de transmission de la ressource indivisible qu’est le débit des utilisateurs dans une constellation. Ce problème correspond à un problème classiquement étudié dans la littérature des problèmes de flots, sous le nom de problème de flot insécable. Bien que ses propriétés théoriques soient bien connue et que de nombreuses approches de résolution existent, celles-ci manquent d’efficacité lorsque la taille du problème est importante. Nous tentons de combler cette lacune en proposant des algorithmes présentant de bonnes performances sur de grandes instances de ce problème. D’autre part, l’introduction de la dynamique de la constellation dans le problème nous mène à nous intéresser au problème de flot insécable dynamique. Ce problème est peu étudié dans la littérature, c’est pourquoi nous étendons l’ensemble des méthodes de résolution testées sur ce problème en proposant différentes approches et en les comparant expérimentalement sur des jeux d’instances que nous proposons. Enfin, nous étudions des méthodes de décomposition permettant de renforcer la relaxation linéaire du problème flot insécable. En effet, cette relaxation linéaire est à la base de la plupart des méthodes de résolution proposées dans la littérature. Le calcul d’une relaxation puissante est donc un enjeu de la résolution du problème de flot insécable. Après avoir présenté et réimplémenté deux méthodes de la littérature, nous proposons une nouvelle méthode de décomposition s’inspirant des deux méthodes précédentes. Une étude empirique montre que la nouvelle méthode proposée possède un avantage compétitif important sur les grandes instances du problème de flot insécable.

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Réseaux / Systèmes spatiaux de communication

Séminaire

One, Two or Many Frequencies: Synchrosqueezing, EMD and Multicomponent Signal Analysis

Auteur : McLaughlin Stephen

Seminar of TeSA, Toulouse, November 23, 2021.

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Many signals from the physical world, e.g. speech or physiological records, can be modelled as a sum of amplitude and frequency-modulated (AM/FM) waves often called modes. In the last few decades, there has been an increasing interest in designing new accurate representations and processing methods for these type of signals. Consequently, the retrieval of the components (or modes) of a multicomponent signal is a central issue in many audio processing problems. The most commonly used techniques to carry out the retrieval are time-frequency or time-scale based signal representations. For the former, spectrogram reassignment techniques, reconstruction based on minimization of the ambiguity function associated with the Wigner-Ville distribution, synchrosqueezing using the short time Fourier transform or Fourier ridges have all been successfully used. For the latter, i.e., time-scale representations, wavelet ridges have also proven to be very efficient, the emphasis is on the importance of the wavelet choice with regard to the ridge representation. Synchrosqueezing techniques have also been developed within the wavelet framework. In this talk, I will discuss Empirical mode decomposition and synchrosqueezing methods and their use in analysis of multimode signals.

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Traitement du signal et des images / Autre

Article de journal

How to Introduce Expert Feedback in One-Class Support Vector Machines for Anomaly Detection ?

Auteurs : Lesouple Julien, Baudoin Cédric, Spigai Marc et Tourneret Jean-Yves

Signal Processing, vol. 188, pp. 108197, November 2021.

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Anomaly detection consists of detecting elements of a database that are different from the majority of normal data. The majority of anomaly detection algorithms considers unlabeled datasets. However, in some applications, labels associated with a subset of the database (coming for instance from expert feedback) are available providing useful information to design the anomaly detector. This paper studies a semi-supervised anomaly detector based on support vector machines, which takes the best of existing supervised and unsupervised support vector machines algorithms. The proposed algorithm allows the maximum proportion of vectors detected as anomalies and the maximum proportion of errors in the supervised data to be controlled, through two hyperparameters defining these proportions. Simulations conducted on various benchmark datasets show the interest of the proposed semi-supervised anomaly detection method.

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Traitement du signal et des images / Systèmes spatiaux de communication

A marginalised particle filter with variational inference for non‐linear state‐space models with Gaussian mixture noise

Auteurs : Cheng Cheng, Tourneret Jean-Yves et Lu Xiaodong

IET Radar, Sonar and Navigation, pp. 1-11, October 6, 2021.

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This work proposes a marginalised particle filter with variational inference for non‐linear state‐space models (SSMs) with Gaussian mixture noise. A latent variable indicating the component of the Gaussian mixture considered at each time instant is introduced to specify the measurement mode of the SSM. The resulting joint posterior distribution of the state vector, the mode variable and the parameters of the Gaussian mixture noise is marginalised with respect to the noise variables. The marginalised posterior distribution of the state and mode is then approximated by using an appropriate marginalised particle filter. The noise parameters conditionally on each particle system of the state and mode variable are finally updated by using variational Bayesian inference. A simulation study is conducted to compare the proposed method with state‐of‐the‐art approaches in the context of positioning in urban canyons using global navigation satellite systems.

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Traitement du signal et des images et Réseaux / Localisation et navigation

Generalized Isolation Forest for Anomaly Detection

Auteurs : Lesouple Julien, Baudoin Cédric, Spigai Marc et Tourneret Jean-Yves

Pattern Recognition Letters, vol. 149, pp. 109-119, September, 2021.

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This letter introduces a generalization of Isolation Forest (IF) based on the existing Extended IF (EIF). EIF has shown some interest compared to IF being for instance more robust to some artefacts. However, some information can be lost when computing the EIF trees since the sampled threshold might lead to empty branches. This letter introduces a generalized isolation forest algorithm called Generalized IF (GIF) to overcome these issues. GIF is faster than EIF with a similar performance, as shown in several simulation results associated with reference databases used for anomaly detection.

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Traitement du signal et des images / Systèmes spatiaux de communication

Randomized rounding algorithms for large scale unsplittable flow problems

Auteurs : Lamothe François, Rachelson Emmanuel, Hait Alain, Baudoin Cédric et Dupé Jean-Baptiste

Springer Link, Journal of Heuristics, September, 2021.

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Unsplittable flow problems cover a wide range of telecommunication and transportation problems and their efficient resolution is key to a number of applications. In this work, we study algorithms that can scale up to large graphs and important numbers of commodities. We present and analyze in detail a heuristic based on the linear relaxation of the problem and randomized rounding. We provide empirical evidence that this approach is competitive with state-of-the-art resolution methods either by its scaling performance or by the quality of its solutions. We provide a variation of the heuristic which has the same approximation factor as the state-of-the-art approximation algorithm. We also derive a tighter analysis for the approximation factor of both the variation and the state-of-the-art algorithm. We introduce a new objective function for the unsplittable flow problem and discuss its differences with the classical congestion objective function. Finally, we discuss the gap in practical performance and theoretical guarantees between all the aforementioned algorithms.

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Réseaux / Systèmes spatiaux de communication

Thèse de Doctorat

Répartition de flux dans les réseaux de contenu, application à un contexte satellite.

Auteur : Thibaud Adrien

Defended on September 2, 2021.

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With the emergence of video-on-demand services such as Netflix, the use of streaming has exploded in recent years. The large volume of data generated forces network operators to define and use new solutions. These solutions, even if they remain based on the IP stack, try to bypass the point-to-point communication between two hosts (CDN, P2P, ...). In this thesis, we are interested in a new approach, Information Centric Networking, which seeks to deconstruct the IP model by focusing on the desired content. The user indicates to the network that he wishes to obtain a data and the network takes care of retrieving this content. Among the many architectures proposed in the literature, Named Data Networking (NDN) seems to us to be the most mature architecture. For NDN to be a real opportunity for the Internet, it must offer a better Quality of Experience (QoE) to users while efficiently using network capacities. This is the core of this thesis : proposing a solution to NDN to manage user satisfaction. For content such as video, throughput is crucial. This is why we have decided to maximize the throughput to maximize the QoE. The new opportunities offered by NDNs, such as multipathing and caching, have allowed us to redefine the notion of ow in this paradigm. With this definition and the ability to perform processing on every node in the network, we decided to view the classic congestion control problem as finding a fair distribution of flows. In order for the users' QoE to be optimal, this distribution will have to best meet the demands. However, since the network resources are not infinite, tradeoffs must be made. For this purpose, we decided to use the Max-Min fairness criterion which allows us to obtain a Pareto equilibrium where the increase of a ow can only be done at the expense of another less privileged flow. The objective of this thesis was then to propose a solution to the newly formulated problem. We thus designed Cooperative Congestion Control, a distributed solution aiming at distributing the flows fairly on the network. It is based on a cooperation of each node where the users' needs are transmitted to the content providers and the network constraints are re-evaluated locally and transmitted to the users. The architecture of our solution is generic and is composed of several algorithms. We propose some implementations of these and show that even if a Pareto equilibrium is obtained, only local fairness is achieved. Indeed, due to lack of information, the decisions made by the nodes are limited. We also tested our solution on topologies including satellite links (thus offering high delays). Thanks to the emission of Interests regulated by our solution, we show that these high delays, and contrary to state-of-the-art solutions, have very little impact on the performance of CCC.

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Réseaux / Systèmes spatiaux de communication

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