Design and evaluation of sparse models and algorithms for audio inverse problems

Dans le contexte général de la résolution de problèmes inverses en acoustique et traitement du signal audio les défis sont nombreux. Pour la résolution de ces problèmes, leur caractère souvent mal posé nécessite de considérer des modèles de signaux appropriés. Les travaux de cette thèse montrent sur la base d'un cadre algorithmique générique polyvalent comment les différentes formes de parcimonie (à l'analyse ou à la synthèse, simple, structurée ou sociale) sont particulièrement adaptées à la reconstruction de signaux sonores dans un cadre mono ou multicanal. Le cœur des travaux de thèse permet de mettre en évidence les limites des conditions d'évaluation de l'état de l'art pour le problème de désaturation et de mettre en place un protocole rigoureux d'évaluation à grande échelle pour identifier les méthodes les plus appropriées en fonction du contexte (musique ou parole, signaux fortement ou faiblement dégradés). On démontre des améliorations de qualité substantielles par rapport à l'état de l'art dans certains régimes avec des configurations qui n'avaient pas été précédemment considérées, nous obtenons également des accélérations conséquentes. Enfin, un volet des travaux aborde la localisation de sources sonores sous l'angle de l'apprentissage statistique « virtuellement supervisé ». On montre avec cette méthode des résultats encourageants sur l'estimation de directions d'arrivée et de distance.Today's challenges in the context of audio and acoustic signal processing inverse problems are multiform. Addressing these problems often requires additional appropriate signal models due to their inherent ill-posedness. This work focuses on designing and evaluating audio reconstruction algorithms. Thus, it shows how various sparse models (analysis, synthesis, plain, structured or “social”) are particularly suited for single or multichannel audio signal reconstruction. The core of this work notably identifies the limits of state-of-the-art methods evaluation for audio declipping and proposes a rigourous large-scale evaluation protocol to determine the more appropriate methods depending on the context (music or speech, moderately or highly degraded signals). Experimental results demonstrate substantial quality improvements for some newly considered testing configurations. We also show computational efficiency of the different methods and considerable speed improvements. Additionally, a part of this work is dedicated to the sound source localization problem. We address it with a “virtually supervised” machine learning technique. Experiments show with this method promising results on distance and direction of arrival estimation