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Journal Paper

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

Authors: Lesouple Julien, Baudoin Cédric, Spigai Marc and 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.

Signal and image processing / Space communication systems

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Generalized Isolation Forest for Anomaly Detection

Authors: Lesouple Julien, Baudoin Cédric, Spigai Marc and 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.

Signal and image processing / Space communication systems

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Randomized rounding algorithms for large scale unsplittable flow problems

Authors: Lamothe François, Rachelson Emmanuel, Hait Alain, Baudoin Cédric and 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.

Networking / Space communication systems

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Conference Paper

Robust Hypersphere Fitting from Noisy Data Using an EM Algorithm

Authors: Lesouple Julien, Pilastre Barbara, Altmann Yoann and Tourneret Jean-Yves

In Proc. European Conference on Signal Processing (EUSIPCO), Dublin, Ireland, August 23-27, 2021.

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This article studies a robust expectation maximization (EM) algorithm to solve the problem of hypersphere fitting. This algorithm relies on the introduction of random latent vectors having independent von Mises-Fisher distributions defined on the hypersphere and random latent vectors indicating the presence of potential outliers. This model leads to an inference problem that can be solved with a simple EM algorithm. The performance of the resulting robust hypersphere fitting algorithm is evaluated for circle and sphere fitting with promising results.

Signal and image processing / Earth observation

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Journal Paper

Foldings of Periodic Nonuniform Samplings

Authors: Lacaze Bernard and Fabre Serge

IEEE Transactions on Circuits and Systems II : Express Briefs, August, 2021.

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Periodic Nonuniform Samplings of order N (PNSN) are interleavings of periodic samplings. For a base period T, simple algorithms can be used to reconstruct functions of spectrum included in an union of N intervals δk of length 1/T. In this paper we study the behavior of these algorithms when applied to any function. We prove that they result in N (or less) foldings on , each of δk holding at most one folding.

Signal and image processing / Other

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Conference Paper

SmartCoop Algorithm : Improving Smartphone Position Accuracy and Reliability via Collaborative Positioning

Authors: Verheyde Thomas, Blais Antoine, Macabiau Christophe and Marmet François-Xavier

In Proc. International Conference on Localization and GNSS (ICL-GNSS), Tampere, Finland, June 1-3, 2021.

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In recent years, our society is preparing for a paradigm shift toward the hyper-connectivity of urban areas. This highly anticipated rise of connected smart city centers is led by the development of low-cost connected smartphone devices owned by each one of us. In this context, the demand for low-cost, high-precision localization solutions is driven by the development of novel autonomous systems. The creation of a collaborative based network will take advantage of the large number of connected devices in today's city center. This paper validates the positioning performance increase of Android low-cost smartphones device present in a collaborative network. The assessment will be made on both simulated and collected smartphone's GNSS raw data measurements. We propose a collaborative method based on the estimation of distances between network mobile users used in a SMARTphone COOPerative Positioning algorithm (SmartCoop) . Previous analysis made on smartphone data allow us to generate simulated data for experimenting our cooperative engine in nominal conditions. The evaluation and analysis of this innovative method shows a significant increase of accuracy and reliability of smartphones positioning capabilities. Position accuracy improves by more than 3m, in average, for all smartphones within the collaborative network.

Digital communications / Localization and navigation

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Journal Paper

Insights on the Estimation Performance of GNSS-R Coherent and Noncoherent Processing Schemes

Authors: Ortega Espluga Lorenzo, Vilà-Valls Jordi and Chaumette Eric

IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Early Access, pp. 1-5, May 27, 2021.

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Parameter estimation is a problem of interest when designing new remote sensing instruments, and the corresponding lower performance bounds are a key tool to assess the performance of new estimators. In global navigation satellite systems reflectometry (GNSS-R), a noncoherent averaging is applied to reduce speckle and thermal noise, and subsequently the parameters of interest are estimated from the resulting waveform. This approach has been long regarded as suboptimal with respect to the optimal coherent one, which is true in terms of detection capabilities, but no analysis exists on the corresponding parameter estimation performance exploiting GNSS signals. First, we show that for certain signal models, both coherent and noncoherent Cramér-Rao bounds are equivalent, and therefore, any maximum likelihood estimation coherent/noncoherent combination scheme is efficient (optimal) at high signal-to-noise ratios. This is validated for an illustrative GNSS-R estimation problem. In addition, it is shown that considering the joint delay/Doppler/phase estimation problem, the noncoherent performance for the delay is still optimal, which is of practical importance for instance in altimetry applications.

Signal and image processing / Localization and navigation and Space communication systems

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PhD Thesis

Systèmes et Algorithmes de Traitement d'Images pour l'Estimation de Déformées de Structures d'Avion en Vol

Author: Demoulin Quentin

Defended on April 30, 2021.

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Contexte industriel Quels seront les moyens de transport aérien de demain ? Quelle technologie de rupture permettra de réaliser l’avion du futur ? L’industrie aérospatiale actuelle est confrontée à l’énorme défi de rendre ses véhicules plus durables, c’est-à-dire de créer des avions plus propres, plus écologiques et plus silencieux. Afin de relever ce défi, un important projet de développement d’Airbus consiste à concevoir des ailes plus intelligentes, dont les formes peuvent être optimisées pour les conditions de vol à la manière des oiseaux, ou à utiliser de nouveaux matériaux qui modifient les propriétés physiques de l’avion. Dans le cadre de la qualification et de la certification des avions, de nouveaux instruments doivent donc être proposés pour permettre ces évolutions technologiques. En particulier, de nouveaux moyens de mesure ou d’estimation des déformations des ailes doivent être proposés, permettant une meilleure compréhension des capacités des ailes et de leur comportement aérodynamique, grâce à une reconstruction 3D dynamique et dense en vol. En outre, ces recherches doivent être intégrées dans le plan de développement du centre d’essais en vol, dont les axes sont : • la réduction du cycle de certification des avions d’essai par l’accélération du développement et de l’installation des équipements, • la réduction de l’empreinte des instruments de mesure sur l’avion et de leurs contraintes opérationnelles, • la réduction des coûts d’installation des instruments d’essai en vol. Objectifs et enjeux Dans ce contexte industriel, l’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode de mesure de déformations des ailes répondant aux spécifications du centre d’essais en vol d’Airbus et de démontrer la faisabilité d’un système industriel. Dans un premier temps, le système proposé doit être capable de mesurer la flexion (élévation de l’aile) avec une incertitude inférieure à 10cm au bout de l’aile, pour une aile d’environ 30m de long, 10m de large, et capable de se déplacer dans un volume de 10m de haut. Deuxièmement, ce système devrait pouvoir effectuer des mesures pendant toute la durée d’un vol, c’est-à-dire jusqu’à 4 heures d’enregistrement, permettant l’acquisition de phénomènes dynamiques, soit une fréquence d’acquisition de l’ordre de 1 à 30Hz. Enfin, pour être intégré dans l’environnement d’essai en vol et suivre la ligne directrice du domaine, le système doit être rapide et facile à installer tout en restant aussi peu intrusif que possible, à savoir qu’il ne doit pas perturber ni le fonctionnement de l’avion et des autres essais ni l’équipage. Parallèlement, le monde des essais en 1 vol présente ses propres défis. La méthode proposée doit fonctionner dans un environnement non contrôlé, avec des variations de luminosité, d’éventuelles réflexions et ombres, des vibrations et des déformations de l’ensemble de l’avion. Il est à noter que les capteurs utilisés pour acquérir les mesures ne peuvent pas être installés n’importe où, et sont contraints d’être positionnés sur les hublots de l’avion.

Signal and image processing / Aeronautical communication systems

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PhD Defense Slides

Systèmes et Algorithmes de Traitement d'Images pour l'Estimation de Déformées de Structures d'Avion en Vol

Author: Demoulin Quentin

Defended on April 30, 2021.

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Contexte industriel Quels seront les moyens de transport aérien de demain ? Quelle technologie de rupture permettra de réaliser l’avion du futur ? L’industrie aérospatiale actuelle est confrontée à l’énorme défi de rendre ses véhicules plus durables, c’est-à-dire de créer des avions plus propres, plus écologiques et plus silencieux. Afin de relever ce défi, un important projet de développement d’Airbus consiste à concevoir des ailes plus intelligentes, dont les formes peuvent être optimisées pour les conditions de vol à la manière des oiseaux, ou à utiliser de nouveaux matériaux qui modifient les propriétés physiques de l’avion. Dans le cadre de la qualification et de la certification des avions, de nouveaux instruments doivent donc être proposés pour permettre ces évolutions technologiques. En particulier, de nouveaux moyens de mesure ou d’estimation des déformations des ailes doivent être proposés, permettant une meilleure compréhension des capacités des ailes et de leur comportement aérodynamique, grâce à une reconstruction 3D dynamique et dense en vol. En outre, ces recherches doivent être intégrées dans le plan de développement du centre d’essais en vol, dont les axes sont : • la réduction du cycle de certification des avions d’essai par l’accélération du développement et de l’installation des équipements, • la réduction de l’empreinte des instruments de mesure sur l’avion et de leurs contraintes opérationnelles, • la réduction des coûts d’installation des instruments d’essai en vol. Objectifs et enjeux Dans ce contexte industriel, l’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode de mesure de déformations des ailes répondant aux spécifications du centre d’essais en vol d’Airbus et de démontrer la faisabilité d’un système industriel. Dans un premier temps, le système proposé doit être capable de mesurer la flexion (élévation de l’aile) avec une incertitude inférieure à 10cm au bout de l’aile, pour une aile d’environ 30m de long, 10m de large, et capable de se déplacer dans un volume de 10m de haut. Deuxièmement, ce système devrait pouvoir effectuer des mesures pendant toute la durée d’un vol, c’est-à-dire jusqu’à 4 heures d’enregistrement, permettant l’acquisition de phénomènes dynamiques, soit une fréquence d’acquisition de l’ordre de 1 à 30Hz. Enfin, pour être intégré dans l’environnement d’essai en vol et suivre la ligne directrice du domaine, le système doit être rapide et facile à installer tout en restant aussi peu intrusif que possible, à savoir qu’il ne doit pas perturber ni le fonctionnement de l’avion et des autres essais ni l’équipage. Parallèlement, le monde des essais en 1 vol présente ses propres défis. La méthode proposée doit fonctionner dans un environnement non contrôlé, avec des variations de luminosité, d’éventuelles réflexions et ombres, des vibrations et des déformations de l’ensemble de l’avion. Il est à noter que les capteurs utilisés pour acquérir les mesures ne peuvent pas être installés n’importe où, et sont contraints d’être positionnés sur les hublots de l’avion.

Signal and image processing / Aeronautical communication systems

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Patent

Procédé de réduction des erreurs liées aux multi-trajets d'un signal acquis bruité

Authors: Marmet François-Xavier, Robert Thierry, Michel Patrice and Jardak Nabil

n° FR3101710 A1, April 9, 2021.

Signal and image processing / Localization and navigation

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Activity Report

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A new academic member in TeSA: IPSA!

TeSA post-docs hired at ENAC and IPSA

Julien Lesouple starts in October at ENAC and Lorenzo Ortega at IPSA
Congratulation!

EUSIPCO 2020

Conference talk of Julien Lesouple at EUSIPCO 2020

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