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De la musique à la pollution des eaux, itinéraire d’un analyste en signal

Pierre Comon a été nommé Fellow de l’European Association of Signal Processing (EURASIP) pour l’ensemble de sa carrière, et notamment pour ses apports dans la séparation de sources dans un signal. Le développement de ce nouvel outil a pu être mis en application au cours de ses recherches dans les domaines des communications numériques, de la santé et actuellement de l’environnement. Rencontre avec un expert et un précurseur dans son domaine.

Quand on échange avec Pierre Comon, directeur de recherche CNRS au laboratoire Grenoble Image, Parole, Signal, Automatique (GIPSA-lab - CNRS/Grenoble INP/Université Grenoble Alpes), on se rend vite compte qu’on a affaire à un passionné et un homme de convictions. Passionné par son métier, dont il détaille les fondements mathématiques avec patience. Et convaincu de la cause environnementale, sur laquelle il concentre l’application de ses recherches dorénavant.

Pierre Comon a commencé ses recherches sur le traitement du signal un peu avant les années 90. À l’époque, les analyses de données ne se faisaient qu’avec des statistiques d’ordre 2, c’est-à-dire en mettant deux éléments en relation. « Aller au-delà semblait insoluble », pointe Pierre Comon. Mais en s’appuyant sur les outils informatiques qui devenaient de plus en plus puissants, Pierre Comon réussit le tour de force d’exploiter les statistiques d’ordre supérieur à 2. Cela ouvrait la possibilité de séparer deux sources à partir d’un enregistrement de deux signaux sans avoir besoin de les connaître, autrement dit « en aveugle ». Par exemple, deux instruments, ou deux locuteurs, pouvaient être séparés à partir d’une bande sonore, dès lors que celle-ci avait été enregistrée en stéréo. En effet, il était nécessaire qu’il y ait autant de pistes d’enregistrements que de sources différentes. Pierre Comon a ainsi construit un nouvel outil de traitement du signal, appelé analyse en composantes indépendantes (ACI).

Pour réaliser ces avancées, les données sont représentées par des objets appelés tenseurs. « Il faut imaginer un tableau, avec ses lignes et ses colonnes, mais en trois dimensions : cela forme un cube », explicite le chercheur. Les tenseurs permettent ainsi de représenter des fonctions qui dépendent de plus de deux variables. Au départ, Pierre Comon s’est intéressé aux tenseurs symétriques, qui exploitaient pour se construire les statistiques évoquées précédemment. Puis il a utilisé les tenseurs non symétriques, qui offrent plus de possibilités, car ils se basent sur les données elles-mêmes. En effet, la nécessité d’avoir autant de pistes que de sources disparaissait, permettant la séparation de plus de locuteurs ! De plus, ces nouveaux outils étaient plus rapides, ne décomposant plus les étapes d’identification du mélange puis de démélange, mais réalisant tout en parallèle. Le nombre de locuteurs que l’on pourra séparer ne devient pas pour autant illimité, il sera restreint par le nombre d’échantillons réunis, donc de données selon toutes les dimensions, et par le « bruit » qui parasite les données.

En parallèle de ces avancées sur les outils mathématiques de démélange, Pierre Comon teste l’application de ces outils. D’abord dans le domaine médical en 2011, pour se concentrer ensuite sur la chimiométrie, c’est-à-dire l’analyse des composants chimiques qui sont présents dans un mélange. « C’est un acte militant que d’œuvrer au rapprochement de mon domaine d’expertise avec un champ d’application essentiel pour la protection de l’environnement », souligne Pierre Comon. La capacité de ses outils à séparer des éléments différents d’un mélange, sans avoir besoin de les identifier au préalable, prend une nouvelle dimension avec le domaine de la chimiométrie ! En effet, jusqu’à maintenant les analyses d’eau ne s’effectuent que sur une liste définie de produits toxiques préalablement identifiés. Mais sans apporter la certitude qu’il n’y en ait pas d’autres, qui n’avaient simplement pas été listés… « Là, on trouve tous les composés, même si on ne les cherche pas » précise Pierre Comon.

Pour mener ce travail, Pierre Comon s’est rapproché du laboratoire Protée (Université de Toulon), spécialisé dans la détection des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans les liquides. En effet, les HAP, présents dans les peintures ou les pesticides, sont très toxiques même à très faible concentration. Pour réaliser les analyses et obtenir des données, le laboratoire utilise la spectrométrie fluorescente : une lumière est envoyée vers le liquide, et certains composés du liquide (notamment toxiques) réémettent de la lumière pendant un bref instant à une autre fréquence. En exploitant les données d’intensité et de fréquence d’émission fluorescente (respectivement, la quantité et la fréquence de la lumière renvoyée), de fréquence d’excitation (fréquence de la lumière émise au départ) couplées au numéro de l’expérience, cela permet de créer un tenseur qui amène à l’analyse du mélange et de ses composants.

Ces résultats sont prometteurs… Reste la mise en application industrielle, par exemple pour équiper les centrales d’épuration d’eau de ce type d’analyse, ou pour développer un détecteur très bas coût pour permettre aux médecins généralistes de réaliser dans leur cabinet des analyses d’urines. « Je suis très volontaire pour que ces recherches soient transférées rapidement, indique Pierre Comon, je pense que ça pourrait apporter d’énormes progrès, aussi bien environnementaux que médicaux. Si un industriel est intéressé, qu’il n’hésite pas ! ».