Sujet de Thèse
Titre :
Reconnaissance de gestes et communication intracorps sécurisée (Secured Intrabody Communication - IBC)
Dates :
2018/05/14 - 2019/11/14
Etudiant :
Description :
Contexte
Une Communication Intra corps (IBC) est une technique qui utilise le corps humain comme milieu de transmission pour signaux fournissant un canal efficace pour interconnecter des dispositifs dans des réseaux de capteurs corporels. L'IBC est basée sur un couplage de champ proche, de telle manière que la majorité du signal est limité par la surface du corps, limitant ainsi l'énergie rayonnée dans l'air. Cette caractéristique rend l'IBC appropriée pour une utilisation basses fréquences avec des signaux de faible puissance, réduisant ainsi la consommation, ce qui permet la miniaturisation et l'atténuation des interférences externe.

Plusieurs aspects peuvent être étudiés dans le domaine de l'IBC:
- l'initiation et arrêt de la communication IBC, notamment la détection et la reconnaissance du geste contrôlé et/ou instinctif de début/ fin de communication
- la transmission des données, avec ses techniques de modulation, ses protocoles, correction d'erreurs, sécurité, etc
- la sécurité de la personne
Cette thèse concerne essentiellement ce premier point, mais aussi son couplage avec le deuxième (par exemple, l'envoi d'un signal type qui permettra de valider le geste et éliminer les fausses détections, voir d'un code qui permettra la reconnaissance de l'appareil qui a initié la communication).

Objectif
L'objectif de cette thèse est de proposer un prototype de système de IBC basé sur la norme NFC, couramment utilisée pour le payement sans contact et disponible dans la plupart des téléphones portables. En bref, il s'agit d'un système permettant d'établir la communication entre le téléphone et les terminaux NFC à travers le corps humain. L'objectif est de déterminer si le contact avec l'électrode couplé à la communication intra humaine individuelle est une signature suffisamment robuste pour constituer une clé personnelle d'ouverture du canal de transmission. Cette clé serait générée à partir des caractéristiques extraites d'une part du geste volontaire et spontané vis-à-vis de l'électrode pour la mise en contact entre l'émetteur (l'antenne NFC, le canal (le corps) et le récepteur (le terminal de réception) et d'autre part des spécificités du canal de transmission.

Etat de l'art
La nature du canal de transmission (le corps humain) a une forte influence sur les signaux recueillis. Il existe différentes méthodes pour la modélisation ce canal, entre les circuits électriques équivalents (basés sur des modèles paramétriques des tissus), les modèles numériques et des modèles de type fonction de transfert [1-6]. Dans tous les cas, on peut noter que les signaux sont filtrés par le canal de transmission. Nous n'avons pas trouvé des travaux se focalisant sur le versant traitement du signal pour apporter des solutions robustes aux problèmes de la définition, détection et caractérisation des signaux d'intérêt, comme les gestes spontanés ou contrôlés d'utilisateurs. La détection des événements / patterns particuliers est difficile, à la fois à cause d'un rapport signal/ bruit faible et des distorsions dues à la propagation. De plus, les signaux d'intérêt sont dépendants de conditions de propagation, de la variabilité inter et intra sujet.

Objectifs opérationnels et déroulement de la thèse
1) Vu qu'il s'agit d'un prototype original d'IBC (bande de fréquence spécifique, normes prédéfinies, contraintes d'implémentation matérielle fortes), la première partie de la thèse est dédiée à l'instrumentation, qui doit être conçue en fonction de ces contraintes. Elle passera par des étapes d'analyse des modèles de source/antenne/canal de transmission, ainsi que par la validation et la possible amélioration de l'instrumentation (antennes, démodulation, filtrage et numérisation). Cette partie est effectuée avec la collaboration directe de Orange Labs.

2) Détection des patterns sur le signal (geste instinctif, geste volontaire). Les questions posées sont : peut-on détecter de manière fiable l'intention d'initier une communication à partir du geste instinctif ? Doit-on recourir un un geste volontaire/ contrôlé ? Doit-on associer au geste un signal type (pré hand-shake) pour valider l'existence d'un canal IBC conforme (par exemple, qui ne s'éloigne pas trop des modèles de corps pré-existants) ? Ces questions font appel à des techniques de détection/segmentation à partir des signaux à mauvais SNR (pour la première partie) et à des techniques d'identification / filtrage optimal (e.g. Wiener) pour la deuxième partie. Elles sont nécessaires pour détecter, extraire et caractériser les événements transitoires qui correspondent aux gestes utilisateur à partir du signal propagé par le corps et reçu par le téléphone. La littérature dans le domaine du pré-traitement (débruitage, rejet de perturbations, détection) est très abondante. Une approche de choix pour l'extraction et la caractérisation d'événements transitoires dans un signal bruité sont les décompositions temps-échelle, qui permettent simultanément la mise en oeuvre d'outils de débruitage [7,8],

Références
[1] T. G. Zimmerman, "Personal area networks: Near-field intra body communication", IBM Syst. J., vol. 35, no. 34, pp. 609-617, 1996.
[2] M. Seyedi, B. Kibret, D.T.H. Lai, M. Faulkner, A survey on intrabody communications for body area network applications, IEEE Trans. Biomed. Eng., 60 (8), pp. 2067-2079, 2013
[3] Z. Lucev, I. Krois, M. Cifrek, A capacitive intrabody communication channel from 100 kHz to 100 MHz, IEEE Trans. Instrum. Meas., 61 (12), pp. 3280-3289, 2012
[4] M.D. Pereira, G.A. Alvarez-Botero, F.R. de Sousa, Characterization and modeling of the capacitive HBC channel, IEEE Trans. Instrum. Meas., 64 (10), pp. 2626-2635, 2015
[5] J.H. Hwang, T.W. Kang, S.O. Park, Y.T. Kim, Empirical channel model for human body communication, IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., 14, pp. 694-697, 2015
[6] J.H. Hwang, T.W. Kang, Y.T. Kim, S.O. Park, Measurement of transmission properties of HBC channel and its impulse response model, IEEE Trans. Instrum. Meas., 65 (1), pp. 177-188, 2016
[7] R. Ranta, V. Louis-Dorr, C. Heinrich, D. Wolf, Iterative wavelet-based denoising methods and robust outlier detection, IEEE Signal Processing Letters, 12 (8) pp. 557-560, 2005
[8] C. Lacaux, A. Muller-Gueudin, R. Ranta, S. Tindel, Convergence and performance of the peeling wavelet denoising algorithm, Metrika, 77 (4), pp. 509-537, 2014
Mots clés :
IBC, reconaissance de gestes, classification, identification
Département(s) : 
Biologie, Signaux et Systèmes en Cancérologie et Neurosciences