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Transformée Mojette

La transformĂ©e Mojette est une application de la gĂ©omĂ©trie discrĂšte. Plus prĂ©cisĂ©ment, c’est une version discrĂšte exacte de la transformĂ©e de Radon (ThĂ©orĂšme de Radon). Depuis 1994, cette transformĂ©e a Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©e par le laboratoire IRCCyN – UMR CNRS 6597 Ă  Nantes.

La premiĂšre caractĂ©ristique de la transformĂ©e Mojette est de n’utiliser que des additions et des soustractions. De plus, celle-ci est redondante. La transformĂ©e utilise la gĂ©omĂ©trie discrĂšte pour rĂ©partir l'information sur un support de gĂ©omĂ©trie discrĂšte. Puis, sur ce support, on projette l'opĂ©rateur Mojette dans les directions discrĂštes partageant l'information sur les projections. Quand le nombre de projections est suffisant, l'information initiale peut ĂȘtre reconstruite. La transformĂ©e Mojette a dĂ©jĂ  Ă©tĂ© utilisĂ©e dans de nombreux domaines d'application dans les problĂ©matiques du traitement du signal.

Les principaux domaines d’investigation sont :

  • Le stockage distribuĂ© sur disques ou rĂ©seau
  • L’envoi de paquets sur les rĂ©seaux
  • La tomographie mĂ©dicale
  • Le tatouage d’images et le chiffrement d’images

Historique

AprĂšs un an de recherche, la premiĂšre communication introduisant la « TransformĂ©e Mojette » a eu lieu en mai 1995 dans la premiĂšre Ă©dition du congrĂšs national « CORESA » au CCETT de Rennes. Elle sera suivie par de nombreuses publications dans le monde entier. En 2011, le livre "The Mojette transform: theory and applications" chez ISTE-WILEY fut bien reçu par la communautĂ© scientifique. Tout cela a encouragĂ© les enseignants-chercheurs de l’IRCCyN Ă  continuer le travail de recherche sur ce sujet.

Jean-Pierre GuĂ©don, Professeur des UniversitĂ©s et concepteur de la transformĂ©e, la nomme la «TransformĂ©e Mojette ». Le mot « Mojette » vient du nom des haricots blancs en VendĂ©e, Ă©crit initialement « Moghette ou Mojhette». Dans de nombreux pays, le haricot sec est donc un outil pĂ©dagogique de base reprĂ©sentant une unitĂ© exacte qui permet d'apprendre l'addition simplement et visuellement. Le choix du nom « Mojette » permet donc de souligner le fait que la transformĂ©e n’use que d'addition ou soustraction entiĂšres. Il est intĂ©ressant de voir que depuis longtemps, les mojettes servent Ă  compter.

Un dicton vendĂ©en dit qu'il faut savoir "compter ses mojettes" c'est-Ă -dire son argent. Dans le monde anglo-saxon, on parle aussi de "bean counter" ce qui reprĂ©sente le petit fonctionnaire non zĂ©lĂ© qui fait les additions. Une vieille expression anglaise dit "he knows how many beans make five ", ce qui veut dire : "il connait son affaire" et qui se rĂ©fĂšre Ă  une personne qui est fĂ©rue de puzzles mathĂ©matiques. Cette expression provient des temps des abaques anglaises oĂč les haricots servaient Ă  noter les incrĂ©ments dans les calculs.

L’objectif original de la « TransformĂ©e Mojette » Ă©tait de crĂ©er un outil de mathĂ©matique discret qui permette de diviser le plan de Fourier en secteur angulaire et radial. La premiĂšre tentative d’application fut l’encodage de l’image psychovisuelle reproduisant le canal de la vision humaine. Cependant, elle ne fut jamais rĂ©alisĂ©e.

Mathématiques

La définition "brute" de la transformée Mojette est celle-ci :


La figure 1 suivante permet d'expliciter en partie la transformée.

Figure 1 : une grille 4x4 avec ses 16 pixels, ses 4 projections et ses 22 bins

On part de la fonction f(k,l) reprĂ©sentĂ©e par les 16 pixels p1 Ă  p16. Ces valeurs possibles de la fonction au point (k,l) diffĂ©rent selon les applications. Cela peut ĂȘtre une valeur binaire 0 ou 1 comme souvent utilisĂ©s pour diffĂ©rencier le fond et la forme. Cela peut ĂȘtre une valeur ternaire comme dans le jeu Mojette. Cela peut ĂȘtre Ă©galement un ensemble fini de valeurs entiĂšres entre 0 et (n-1), ou souvent on prend un ensemble de cardinal Ă©gal Ă  une puissance de 2 ou bien un nombre premier. Mais cela peut encore ĂȘtre les entiers ou les rĂ©els avec un nombre infini de possibilitĂ©s, mĂȘme si cette derniĂšre idĂ©e ne sera quasiment jamais exploitĂ©e.

Avec les indices "k" comme "kolonne" et "l" comme "ligne", on définit un repÚre cartésien. Mais ici nous n'aurons besoin que des coordonnées entiÚres. En rouge sur la figure 2, on voit que l'on a choisi arbitrairement le point bas gauche comme origine (position 0,0) et le sens des 2 axes. Dans chaque pixel est noté en rouge ses coordonnées.

Figure 2 : les repĂšres de la grille 4x4 et des projections

Pour les projections, le systÚme de coordonnées est donné par celui de la grille. En effet, on respecte 2 impératifs :

  • le pixel (0,0) se projette toujours sur le point 0 de la projection (cela provient de la linĂ©aritĂ© de l'opĂ©rateur Mojette)
  • le sens de la projection est fixĂ© "anti-horaire" comme en trigonomĂ©trie lorsque l'on va de 0° Ă  180°.

Cela donne donc nécessairement les positions des bins comme écrit en bleu sur la figure 2. La correspondance est avec la formule (1) : les points rouges correspondent à l'indice (k,l) et les points bleus à l'indice b. Donc il ne reste que les valeurs (p,q) à éclaircir pour avoir tous les éléments de la transformée.

Ces 2 valeurs (p,q) sont précisément celles qui caractérisent la transformée Mojette. Elles définissent l'angle de projection. La figure 3 montre des flÚches de couleur correspondant chacune (par le code de couleur) à la projection indexée par (p,q). Pour l'angle 90°, la projection est représentée en dessous de la grille pour plus de commodités mais la direction est bien montante. Le tableau 1 fait la correspondance entre les angles en degrés et les valeurs de p et q.

Figure 3 : les projections de direction (p,q) de la grille 4x4
0°p=1q=0b-l=0
45°p=1q=1b+k-l=0
90°p=0q=1b+k=0
135°p=-1q=1b+k+l=0

Tableau 1 : les correspondances d'angles de projections avec l'Ă©quation de direction b + qk - pl = 0

Les seuls angles valides en Mojette sont donnés par les rÚgles suivantes :

1) un angle est donné par la direction de projection en ligne et colonne

2) une direction est composée de deux entiers (p,q) avec pgcd(p,q)=1

3) un angle est toujours compris entre 0 et 180° ce qui veut dire que q n'est jamais négatif


Ces rÚgles permettent d'avoir une unicité dans la correspondance d'un angle. Par exemple, pour 45°, la rÚgle 2 interdit de définir l'angle par les couples (2,2) ou (3,3) et la rÚgle 3 interdit d'utiliser (-2,-2) ou (-1,-1). Seul l'angle (p=1,q=1) répond à la fois aux 3 rÚgles.

Applications & RĂ©alisations

Le stockage distribué sur disques ou réseau

Le domaine d’application le plus important utilisant la « TransformĂ©e Mojette » est le stockage distribuĂ© sur disques ou sur rĂ©seaux. Aujourd’hui, le stockage « Mojette » permet d’augmenter par 2 l’espace de stockage disponible (ou de façon Ă©quivalente, une rĂ©duction de 50 % des coĂ»ts d’équipements pour un volume donnĂ© Ă  stocker), d’entretien et d’énergie par rapport aux technologies actuelles.

En 2010, Pierre Évenou, ingĂ©nieur de recherche de l’équipe IVC au laboratoire IRCCyN, dĂ©cide de crĂ©er la start-up Fizians (aujourd'hui renommĂ©e Rozo Systems) qui dĂ©veloppe le logiciel RozoFS. Il s'agit d'un logiciel libre qui offre un systĂšme de fichiers distribuĂ©s. La distribution de ces donnĂ©es repose sur le transformĂ©e Mojette afin d'apporter de la protection aux donnĂ©es ainsi qu'aux applications qui y accĂšdent. Il s'agit d'utiliser les propriĂ©tĂ©s de la transformĂ©e Mojette comme code d'effacement. Plusieurs applications Ă©manent de cette technique telles que le Cloud Computing et Cloud Storage, la virtualisation des serveurs de stockage ou encore l’archivage des donnĂ©es.

L’envoi de paquet sur les rĂ©seaux

GrĂące Ă  la redondance de la transformĂ©e, l’envoi de paquet peut ĂȘtre fragmentĂ© sans risque de perte. En parallĂšle, la propriĂ©tĂ© de n’utiliser que des additions et des soustractions permet d’augmenter la vitesse de transmission des informations. Enfin, l’information ne pouvant ĂȘtre reconstruite qu’en ayant l’angle original des projections, elle apporte aussi une sĂ©curisation des donnĂ©es.

Cette application a été retenue par Thales Cholet pour ses réseaux ad hoc (sans fil et en utilisant les terminaux pour transmettre les messages entre eux) afin de le sécuriser et d'avoir plusieurs chemins entre la source et la destination. En 2002, la start-up PIBI a utilisé cette technologie pour proposer des services de paiement sécurisé sur Internet.

La tomographie médicale

Dans le domaine de l’imagerie mĂ©dicale, les propriĂ©tĂ©s de la « TransformĂ©e Mojette » permettent de crĂ©er un mapping direct et de rĂ©soudre le problĂšme du calcul des angles. Cependant, l’acquisition de l’image utilisant la transformĂ©e Mojette n’a pas Ă©tĂ© encore dĂ©veloppĂ©. La problĂ©matique d’obtenir des valeurs exactes en utilisant des acquisitions de donnĂ©es qui ne sont qu’approximatifs a Ă©tĂ© Ă©tudiĂ©e mais doivent ĂȘtre continuĂ©. Par contre, le post-traitement des images mĂ©dicales est opĂ©rationnel car l’acquisition des donnĂ©es est dĂ©jĂ  faite.

Ces rĂ©sultats sont utilisĂ©s par les sociĂ©tĂ©s Keosys en 2001 par JĂ©rĂŽme Fortineau et Qualiformed crĂ©Ă©e en 2006 par StĂ©phane Beaumont. Le Pr. GuĂ©don et le laboratoire IRCCyN ont Ă©tĂ© fortement impliquĂ©s dans la crĂ©ation de ces entreprises. Ils ont permis de financer dĂ©jĂ  plusieurs thĂšses et participĂ© Ă  des projets de recherche continuant Ă  dĂ©velopper l’application en tomographie mĂ©dicale. Les rĂ©sultats ont permis de dĂ©poser des brevets et de les implĂ©menter sur leurs Ă©quipements de traitement d’images.

Le tatouage d’images et le chiffrement d’images

La cryptographie et le watermarking ont fait aussi partie des recherches effectuĂ©es au laboratoire IRCCyN pour dĂ©velopper les applications de la transformĂ©e. Elle apporte des solutions pour la sĂ©curisation et l’authentification.

En cryptographie, l’instabilitĂ© de la transformĂ©e Mojette permet de sĂ©curiser les donnĂ©es. Le fait que la transformĂ©e soit exacte permet de chiffrer les informations et ne permet aucun Ă©cart mĂȘme minime. En tatouage d’image, la transformĂ©e est trĂšs efficace en fingerprinting. En insĂ©rant des marques « TransformĂ©e Mojette » sur image, on peut authentifier les documents en utilisant les mĂȘmes propriĂ©tĂ©s qu’en cryptographie.

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