Créer la vie sur ordinateur

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1 Créer la vie sur ordinateur Pierre-Louis Candau Tilh Thibault Guez Seijin Kobayashi Marie Ivchtchenko Valentin Waeselynck* L idée initiale de notre projet était de concevoir une forme de vie artificielle et d en tirer des résultats quant aux mécanismes et à l évolution de la complexité des organismes. Plus précisément, il s agissait de répondre aux objectifs suivants : Créer une forme de vie qui répond aux critères de la Vie Artificielle énoncés par J.D. Farmer et A. Belin. Implémenter sur ordinateur un univers dans lequel ces êtres vivants puissent évoluer et dont on peut contrôler l environnement Observer les évolutions de ces êtres vivants à l échelle de la lignée ainsi que leur adaptabilité relative vis-à-vis d un environnement donné. Le PSC a abouti par l implémentation de deux modèles complémentaires de Vie Artificielle dans lesquels nous avons pu assister à l émergence d organismes complexes. Partant du fantasme commun de créer une forme de vie artificielle, nous avons réussi à abstraire certaines caractéristiques du vivant et à concrétiser celles-ci sous la forme de programme informatique fonctionnel et abouti. Nous avons pu mettre en évidence des propriétés de la Vie telles que la sélection naturelle, l adaptation au milieu, l évolution... Adresse électronique de contact : valentin.weselynck@polytechnique.edu *Nous acceptons que nos noms apparaissent dans les supports de communication de l Ecole Polytechnique.

2 PROJET SCIENTIFIQUE COLLECTIF Reconnaissance de gestes et interprétation de la langue des signes française Tuteur : Éric Sibony Coordinateur : Jean-Marc Steyaert Cadre militaire referent : CBA Cazalis Groupe d informatique INF02: Pedro Veras Bezerra da Silva, Giiasiddin Bakhtovarshoiev, Pierre- Alexandre Murena, Pierre-Edouard Thiéry, Mathieu Andreux Ce projet d informatique, s intitulant «Reconnaissance de gestes et interprétation de la langue des signes française», effectué de septembre 2012 à mai 2013, avait pour objectif de concevoir un système automatisé capable de reconnaître certains signes de la langue des signes française (LSF) parmi un corpus connu et de fournir leur traduction en direct. Nous avons choisi un système non intrusif utilisant une caméra 3D, la Kinect développée par Microsoft, ainsi que des méthodes d apprentissage statistique supervisé, qui nous semblaient adaptées au vu de l état de l art en matière de reconnaissance. En nous appuyant sur la structure des signes de la LSF, principalement sur le mouvement des mains, la forme prise par celles-ci et l expression du visage, nous avons alors découpé le problème initial en trois sous-problemes : l analyse initiale de la configuration des mains, de leur position et de l expression du visage. Si l obtention des trajectoires des mains a été rendue aisée grace au kit de développement logiciel fourni avec la Kinect, l analyse du visage et des mains ont quant à elles nécessité des techniques d apprentissage. En nous fondant sur des développements récents utilisant la Kinect, nous avons adapté une méthode utilisant efficacement des forêts de decision aléatoires à nos moyens informatiques et temporels. Pour l étude du visage, nous avons développé une méthode innovante qui se fonde, en première approximation, sur les coordonnées de différents points des lèvres. Pour classifier des coordonnées d ensembles de points, nous avons décidé d utiliser des chaînes de Markov cachées ou HMM, dont l efficacié ne fait plus de doute. L implémentation informatique du système a été réalisée en C#, langage orienté objet adapté aux environnements Microsoft, société qui développe la Kinect. Nous avons tout d abord développé un système de communication avec la Kinect propre à nos besoins, puis mis en place une base de données permettant de stocker des ensembles d apprentissage. Enfin, nous avons codé les différents algorithmes utilisés, en exploitant le plus possibles les possibilités de l orienté objet et en tenant compte des limitations de calcul sur réels à précision non arbitraire. Dans la mesure où le projet tel qu il est presenté est très ambitieux, les contraintes de temps et de programmation nous ont poussés à faire des choix. Nous avons décidé de privilégier les méthodes que nous avions développées par nous-mêmes. Même s il a été impossible de tester de façon exhaustive l ensemble du code, nous avons pu néanmoins grâce à ce choix judicieux obtenir des résultats intéressants. Ces derniers concernent la détection d expression du visage ainsi que la première partie de classification de la configuration des mains, qui correspond à l extraction d une zone particulière d une image de profondeur. Au final, nous tirons un bilan positif de ce projet, qui grâce au large champ qu il couvrait nous a fait découvrir de nouveaux thèmes scientifiques passionnants. Nous estimons en outre avoir apporté des résultats intéressants et utiles. Ce projet a enfin constitué une excellente initiation au travail en équipe et aux problèmes engendrés par une telle forme d organisation.

3 Programmation d une intelligence artificielle pour le pilotage d un drone autonome en milieu subaquatique o Membres de l équipe : Guillaume Dupré, Stéphane Horte, Chloé Macur, Lauriane Barthélémy, Guillaume Burger, Zoujhair Fard o Prise en main et amélioration d un sous-marin conçu par un groupe d X2010. Nous avons repris un drone sous-marin conçu par des X2010. Ce dernier ne fonctionnait plus, car le circuit électronique avait été endommagé. Nous avons donc refait intégralement le câblage. Nous avons également changé la centrale inertielle pour une nouvelle, plus adaptée à notre drone. Le code laissé par nos prédécesseurs a dû être assimilé. Ces derniers nous avaient laissé un code en C++ de plusieurs pages. Nous l avons amélioré, simplifié, et surtout adapté à notre centrale. Actuellement nous arrivons à lire les informations de la centrale et à diriger les moteurs du sousmarin pour le déplacer selon le programme donné. o o En partenariat avec Thalès, Eiscom, SubSeaTech, Sysnav Contact : guillaume.burger@polytechnique.edu

4 Projet SpiderBot PSC X2011 Michel Blancard, Adrien Haegel, Alexandre Nolin, Hong-Ahn Vu, Robin Goix, Nathan Skrzypczak Ce projet consiste en la réalisation d'un robot capable de se déplacer à la verticale sur diverses surfaces. L'idée initiale ayant conduit à sa conception est la recherche d'une solution automatisée pour le lavage des vitres de buildings. Ceci nous à conduit à développer essentiellement un support mobile permettant également d'embarquer les outillages dédiés à d'autres fins. La solution technique retenue est celle de l'utilisation d'un système pneumatique et de ventouses, tout en déportant la source de l'aspiration pour cause de contraintes de poids et de budget. Le tout reposant sur une structure de bois, alliant légèreté et robustesse. La réalisation a ainsi aboutit à une plate forme entièrement contrôlable depuis un code haut niveau, permettant la réalisation de mouvements complexes aussi bien dans la manipulation des outils embarqués que du repérage dans la réactivité à son environnement et aux obstacles rencontrés. Nous acceptons que nos noms apparaissent dans les supports de communication de l École Polytechnique. Partenaires : Contact : spiderbot@robot.polytechnique.org

5 Numérisation 3D au service du patrimoine culturel Membres de l'équipe : Bertrand Piloix Marion Pilté Lucio Pimentel Paiva Sybille Rosset Jean-Mathieu Teissier Nous acceptons que nos noms apparaissent dans des supports de communication de l'école. Résumé du projet : Ce PSC se focalise sur la numérisation en 3D d'objets relativement petits, comme par exemple des bustes. La sauvegarde sous forme numérique est de nos jours un enjeu majeur pour les musées. Ces derniers utilisent des moyens très coûteux pour archiver leurs collections. Or, il existe maintenant des capteurs à moindre coût à l'instar de la Kinect. Le but de notre PSC est double : déterminer si la qualité des données acquises est suffisante pour des musées, et permettre dans tous les cas une utilisation par des particuliers. Résultats essentiels obtenus : Nous avons reconstitué le buste sur ordinateur, puis nous avons obtenu la surface totale de l'objet. Contact : marion.pilte@polytechnique.edu

6 Automates cellulaires et application à la génération de musique Projet Scientifique Commun 2012/2013 Le point de départ de notre projet a été les travaux déjà existants dans le champ de l informatique musicale, notamment les générateurs de musique de Wolfram. A partir de là, nous avons voulu construire nos propres générateurs en élargissant le périmètre scientifique de travail, depuis les automates cellulaires en informatique jusqu à la théorie générale des probabilités en mathématiques. Nous avons abouti à la création de plusieurs générateurs classés dans deux catégories : la composition, c est-à-dire la génération de musique ab nihilo, et celle à partir d un morceau musical, l improvisation. Dans la première, l originalité a été de maitriser et concilier la dimension probabiliste des générateurs et les règles purement musicales : les partitions multipistes obtenues aléatoirement sont harmonieuses et structurées. Nous avons également construit un générateur d improvisations sur le morceau de son choix, qui présente la flexibilité de pouvoir ajuster à son gré le degré de fidélité de l improvisation par rapport au morceau. Tuteur de projet : Dominique Rossin, auquel nous adressons nos énièmes remerciements chaleureux. L équipe : Tous les membres du groupe, présents ci-dessus, autorisent l Ecole Polytechnique à rendre publics nos noms ainsi que cette page. Nous contacter : arthur.jung@polytechnique.edu

7 PSC - PAGE PUBLIQUE COVOITURAGE DYNAMIQUE ET ENCOMBREMENT DU TRAFIC ROUTIER N de groupe : INF 08 Membres : Etienne CALLIES (Porte-parole), Clément CHOUKROUN, Guillermo DURAND, Thibault FERBER et Corentin LECOMTE (nous acceptons de figurer sur des rapports de communication de l Ecole Polytechnique). Adresse contact : etienne.callies@polytechnique.edu Le covoiturage tant à la mode est-il réellement une bonne affaire? On dit que l augmentation du taux d occupation des véhicules réduit les encombrements du trafic. Mais peut-on donner un résultat quantitatif à cette affirmation? Nous voulons répondre à ces questions par des simulations numériques. Après un bref état de l art du covoiturage dynamique, nous concluons que le seul covoiturage efficace possible est celui des voitures autonomes, qui n existent pas... encore! Ce qui nous permettra d écarter de notre étude l autostop amélioré que proposent certaines applications de Smartphone. Lorsqu il s agit de se poser la question du meilleur parcours pour ramasser et déposer des individus, se posent très vite la question : que veut dire "meilleur"? Nous proposerons une fonction de coût paramétrable. Vient ensuite le problème de l implémentation d un algorithme qui termine et si possible en donnant une solution acceptable. L algorithme déterministe donne la meilleure solution mais en une complexité factorielle. Le recuit simulé, que nous présentons dans un deuxième temps, répond à la demande. Après avoir modélisé les encombrements du trafic dans notre application, il nous reste à en tirer des résultats. Dans une ville légèrement embouteillée, il faut une masse critique de 50% de participation au covoiturage pour observer une diminution des embouteillages. Avec une participation optimale de 70%, les temps de trajet sont similaires à ceux obtenus sans covoiturage. Ainsi la perte de temps liée aux détours et aux attentes est, au meilleur des cas, compensée par la réduction d embouteillage, mais en général le covoiturage augmente les temps de trajet.

8 Saisie optique fluide Arnaud Albalat, Jean Ashton, Nguyen-Nhut Doan, Zelda Mariet et Clément Pit--Claudel. Motivation de l'étude Le 26 juillet 2012, Jean Lorenceau, chercheur à l ICM, publiait dans la revue Current Biology les résultats de ses plus récents travaux. Dans son article, M. Lorenceau présentait une illusion d optique qui, en dépit du mouvement naturellement erratique de l œil humain, permettait de tracer du regard des trajectoires continues. M. Lorenceau y décrivait en outre les applications de cette nouvelle technique à l écriture avec les yeux. Ayant eu vent de cette découverte, nous avons rapidement conçu le projet de l utiliser pour développer une nouvelle méthode de saisie sur ordinateur, dont nous espérions qu'elle accélérerait significativement la frappe pour les utilisateurs handicapés : il s'agissait non plus de saisir les lettres une par une, mais plutôt de dessiner avec les yeux une trajectoire sur un clavier virtuel, qu'un algorithme décoderait pour en déduire les mots saisis. Productions Le produit essentiel de notre projet est un logiciel d'écriture par saisie optique fluide à l'aide d'une simple webcam, dont le code est entièrement modulaire, commenté et documenté, afin d'être facilement utilisable et modifiable par une tierce personne. Au cours de notre projet nous avons aussi réalisé une analyse de l'eyetracker TOBII pour cette société, ainsi qu une publication sur nos algorithmes d eyetracking munie d une base de données de test. Résultats obtenus Pour développer notre logiciel, nous avons décomposé notre projet selon deux axes : Repérer la position du regard sur un écran pendant une saisie optique fluide pour en déduire la trajectoire du regard. Écrire un algorithme de reconnaissance de trajectoire adapté aux trajectoires générées par saisie optique fluide. A une distance de 50 cm entre la webcam et les yeux, la position du regard sur l'écran est déterminée avec une précision de l'ordre de 2,5 cm, qui permet de distinguer approximativement 32 zones à l écran. Pour évaluer notre algorithme de reconnaissance de trajectoire, nous lui avons soumis des trajectoires construites automatiquement, auxquelles nous avons ajouté un bruit gaussien. Sur les 1000 mots les plus fréquents de la langue française, l'algorithme en reconnaît au moins 960 si l écart-type du bruit gaussien est inférieur à 6 pixels. Notre projet a été réalisé avec la collaboration de Jean Lorenceau, qui a entraîné deux de nos membres à la maîtrise du mouvement reverse-phi, permettant de tracer des trajectoires fluides avec le regard. Adresse électronique de contact : jean.ashton@polytechnique.edu

9 Contact : marc.aubertin@polytechnique.edu Ecole Polytechnique aariiii PSC X2011aaaa aa aaaaaiiii Un nouveau système d authentification Membres de l équipe Argenson Arthur Aubertin Marc Darcet Amaury Pasquet Jean-Maxime Rovani Philippe Tantin Adrien L équipe accepte que ces noms apparaissent dans les moyens de support de l école. Descriptif - Motivation de l étude Nous avons eu l ambition de mettre au point un système d authentification innovant et plus fiable que les systèmes simples existants (mots de passe, empreintes digitales). Ce système est basé sur la reconnaissance de signature effectuée sur pavé tactile ou autre. Enfin, il apparaît qu un tel mode d authentification n existe pas encore. - Résultats obtenus Ce projet nous a permis d implémenter en langage JAVA un logiciel de reconnaissance de signature. Des campagnes de tests ont été effectuées afin d améliorer le rendu et la précision de l authentification. Le logiciel final permet ainsi une identification facile, performante et difficilement violable.

10 MODIFICATION ET OPTIMISATION SONORE PAR TRAITEMENT INFORMATIQUE DE L INTERVENTION D UN CONFERENCIER Projet réalisé par : ADDI CYRIL - BRES ÉMILE - NEIRAC LUCIE PLAIN NICOLAS - SALMON ALOÏS - WEIL GREGORY L'objectif de notre Projet Scientifique Collectif est de développer un logiciel capable de modifier en temps réel la voix d'un orateur afin de la rendre plus agréable à l'écoute, typiquement lors d'une conférence dans un amphithéâtre. Cette idée nous est née lors d une table ronde à laquelle nous avons assisté et au cours de laquelle nous avons pu remarquer que l élocution des différents intervenant intervenait de manière notoire sur leu capacité à capter notre attention. Afin de mener notre projet à bon terme, nous avons commencé par déterminer notre rayon d action. Un très grand nombre de paramètres entre en jeu dans le processus de transmission d une information par voie orale et nous avons fait le choix de ne nous intéresser qu à l aspect purement acoustique du problème. Notre objectif était donc de transformer par traitement informatique la voix d un orateur afin de lui conférer l élocution du rhéteur idéal. Nous avons donc eu à définir la notion de belle voix. Pour cela, nous avons déterminé les caractéristiques de la voix humaine qui jouent un rôle dans le bon déroulement d un discours. Un orateur peut rencontrer des problèmes s il a une voix trop aigue, si elle est monochromatique, si son débit de parole est trop élevé ou encore s il prononce régulièrement des sons trahissant son hésitation. Nous avons finalement pris la décision de doter notre logiciel de quatre fonctionnalités principales : - Modifier le pitch, c'est-à-dire la fréquence fondamentale de la voix de l utilisateur («pitch») - Atténuer la dynamique du signal vocal sans modifier sa composition en fréquences («atténuateur») - Modifier la composition en fréquences du signal vocal («égaliseur») - Compresser le signal vocal, c'est-à-dire atténuer les variations naturelles de sa dynamique («compresseur») Nous avons également choisi de créer une fonctionnalité «Réverbération», afin de permettre à l utilisateur d ajouter une dimension à son discours. 1

11 Il nous a ensuite été nécessaire de nous familiariser avec le logiciel de programmation Puredata qui présente l avantage de gérer l audio de manière numérique et en temps réel. Nous avons porté une attention particulière à l aspect visuel, à l ergonomie ainsi qu à la possibilité d enregistrer les paramètres du logiciel afin de créer des profils types de modification de la voix. Afin de valider la viabilité des patchs et d appréhender l effet induit par une modification de la voix en temps réel sur l élocution d un orateur, nous avons effectué régulièrement des tests de MOOSTIIC dans l amphithéâtre Poincaré. Une fois les différents patchs finalisés, proposé aux élèves de la promotion de participer à un sondage. Celui-ci présentait divers enregistrements audio dont certains étaient modifiés par l action de MOOSTIIC. Les sondés étaient alors invités à donner leur avis sur les diverses voix qu ils entendaient et cela nous a permis d évaluer l efficacité de notre logiciel. Parallèlement à ce travail technique, nous avons évalué la position du logiciel MOOSTIIC sur le marché des logiciels de modification de la voix, afin d entrevoir ce qu il pourrait apporter à des professionnels en quête d un outil de travail de qualité.