Compression des images et des vidéos numériques : dix années de recherches au CNRS

326 Pages·2017·33.44 MB·French

by  Marc Antonini

Compression des images et des vidéos numériques: dix
années de recherches au CNRS
Marc Antonini
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MarcAntonini. Compressiondesimagesetdesvidéosnumériques: dixannéesderecherchesauCNRS.
Interface homme-machine [cs.HC]. Université Nice Sophia Antipolis, 2003. ￿tel-00473186￿
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COMPRESSION DES IMAGES ET DES
VIDEOS NUMERIQUES
DIX ANNEES DE RECHERCHES AU CNRS
Marc ANTONINI
Habilitation à Diriger des Recherches présentée à l’Université de Nice-Sophia Antipolis
le 20 octobre 2003 devant le jury composé de
Claude Labit, Directeur de Recherche à l’INRIA, président
Robert M. Gray, Professeur à l’Université de Stanford, Rapporteur
Jean-Marc Chassery, Directeur de Recherche au CNRS, Rapporteur
Benoît Macq, Professeur à l’Université Catholique de Louvain-la-Neuve, Rapporteur
Michel Barlaud, Professeur à l’Université de Nice-Sophia Antipolis, membre
spécialitéAUTOMATIQUE TRAITEMENT DU SIGNAL ET DES IMAGES
Université de Nice-Sophia Antipolis
Couverture dessinée par Anaïs Antonini
`aAna¨ıs,
Renata, et mes parents

Montravailderecherchea´et´er´ealis´eauseindulaboratoireI3S,UMR6070
du CNRS et de l’Universit´e de Nice-Sophia Antipolis, dans l’´equipe CReATIVe
dirig´ee par le Professeur Michel Barlaud. Je tiens tout d’abord `a remercier les
diff´erentsdirecteursquiontdirig´ecelaboratoiredurantcesdixderni`eresann´ees
pourm’avoirfaitb´en´eficierd’excellentesconditions detravailqui m’ont permis
de mener `a bien mes travaux de recherche.
Je tiens `a remercier Monsieur Claude Labit, Directeur de Recherche `a l’IN-
RIA, de faire partie de mon jury et de me faire l’honneur d’en avoir accept´e la
pr´esidence.
Monsieur Robert M. Gray, Professeur `a l’Universit´e de Stanford aux Etats-
Unis, et sp´ecialiste mondial en th´eorie de l’information m’a fait le grand hon-
neur d’accepter de participer au jury et d’ˆetre rapporteur de mes travaux. Qu’il
me soit ici permis de lui exprimer ma profonde reconnaissance.
MonsieurJean-MarcChassery,DirecteurderechercheauCNRS,m’afaitle
grandplaisirdejugermontravailderecherche.Jetiens`aleremercierpourl’at-
tention apport´ee lors de la lecture de ce document. J’ai v´eritablement appr´eci´e
ses remarques et ses conseils depuis plusieurs ann´ees, au cours de nombreuses
discussions enrichissantes. Je lui sais gr´e d’avoir accept´e d’ˆetre rapporteur de
mon HDR.
Monsieur Benoˆıt Macq, Professeur `a l’Universit´eCatholique de Louvain-la-
Neuve,m’afaitlagrandejoiedejugermontravailetd’ˆetreundesrapporteurs.
Je le remercie pour le temps qu’il a consacr´e a` la lecture et l’analyse d´etaill´ee
de ce document ainsi que pour avoir accept´e spontan´ement cette tˆache.
Je r´eserve une place particuli`ere aux remerciements `a l’attention de Mon-
sieur Michel Barlaud, Professeur `a l’Universit´e de Nice-Sophia Antipolis. Mi-
chel m’a form´e `a la recherche depuis mon entr´ee en th`ese en 1988. Je veux
saluer ici la volont´e et le dynamisme dont il fait preuve pour animerson´equipe
de recherche et je le remercie pour l’int´erˆet qu’il a toujours port´e sur mon tra-
vail ainsi que pour la confiance qu’il m’a accord´ee tout au long de ces ann´ees.
Qu’il sache que je lui en suis reconnaissant et que mon Amiti´e lui est acquise.
J’associedanscesremerciementstouslesmembresdulaboratoireI3Setpar-
ticuli`erement Madame Micheline Hagn´er´e, assistante de l’´equipe CReATIVe,
pour son devouement, son aide pr´ecieuse et son efficacit´e dans la r´esolution
des probl`emes administratifs de l’´equipe.
Enfin, tout acte de recherche n’´etant effectivement que la concr´etisation
personnelle d’un travail collectif et le fruit de nombreuses collaborations, je
tiens `a remercier ici toutes les personnes, collaborateurs, ´etudiants avec qui
j’ai eu le plaisir de travailler de mani`ere directe ou indirecte durant ces dix
derni`eres ann´ees. Qu’ils y trouvent une expression de ma reconnaissance.

Table des matières
1 Avant-propos 13
2 Résumé synthétique de mes activités 15
I Mon rapport d’activités 19
1 Curriculum Vitae 21
2 Activités d’encadrement et d’enseignement 23
2.1 Encadrement de doctorants (dix doctorants encadrés) . . . . . 23
2.1.1 Thèses soutenues (six thèses soutenues) . . . . . . . . . 23
2.1.2 Thèses en cours (quatre en cours). . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Encadrementdepost-doctorants(deuxpost-doctorantsencadrés) 25
2.3 Encadrement de DEAet ingénieurs (quarante stagiaires encadrés) 25
2.4 Activités d’enseignement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1 Participation à la formation doctorale STIC . . . . . . . 25
2.4.2 Participation à l’enseignement en Ecoles d’Ingénieurs. . 26
2.5 Participation à des jurys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Activités nationales et internationales 29
3.1 Participation à des contrats industriels . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Valorisation : dépot de brevets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Collaborations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Par le GDR-PRC ISIS du CNRS . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Au niveau national . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3 Au niveau Européen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.4 Au niveau international . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Activité internationale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.1 Participation à des congrès internationaux . . . . . . . . 38
2 Table des matières
3.4.2 Séjours à l’étranger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.3 Accueil de chercheurs étrangers . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Valorisation culturelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.1 Rédaction de chapitres de livres. . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.2 Publications et conférences vulgarisatrices . . . . . . . . 40
3.6 Administration de la recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6.1 Responsabilités au sein du GDR-PRC ISIS . . . . . . . 40
3.6.2 Responsabilités internationales . . . . . . . . . . . . . . 41
3.6.3 Review d’articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.6.4 Activités au sein du laboratoire I3S UMR 6070 . . . . . 41
4 Liste de mes publications 43
II Mes travaux de recherche 59
1 Introduction générale 61
2 La transformée en ondelettes 65
2.1 Pourquoi les ondelettes? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2 Les ondelettes pour les images 2D . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2.1 La biorthogonalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2.2 Nos travaux avec Ingrid Daubechies et les filtres “9-7” . 69
2.2.3 Le quinconce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.2.4 La transformée “au fil de l’eau” . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3 Les ondelettes 2D+t pour les vidéos . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.3.1 La scalabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.3.2 La transformée temporelle au fil de l’eau . . . . . . . . . 83
2.4 Les ondelettes pour les maillages 3D . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.4.1 Maillages et surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.4.2 Le codage sur M-canaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.4.3 Erreur Quadratique Moyenne du signal reconstruit . . . 88
2.4.4 Lifting et échantillonnage sur une grille triangulaire . . 90
2.5 Conclusion-Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.6 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3 Le compromis débit-distorsion 101
3.1 Problème de l’allocation des ressources binaires . . . . . . . . . 101
3.2 Solution proposée basée sur des modèles . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.1 Le basé modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.2 Solution proposée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.3 Le basé modèles et JPEG-2000 . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.4 La solution satellitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Table des matières 3
3.3 Prise en compte de l’hétérogénéité des canaux . . . . . . . . . . 120
3.3.1 La transmission sur canaux bruités . . . . . . . . . . . . 120
3.3.2 Approche proposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.3.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4 Maillage 3D et distance surfacique . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.1 Le problème posé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.2 Information tangentielle ou information normale? . . . 136
3.4.3 Critère proposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.4.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.5 Conclusion-Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.6 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4 La quantification vectorielle et les réseaux réguliers de points149
4.1 La quantification vectorielle algébrique . . . . . . . . . . . . . . 149
4.2 Le dénombrement sur des hyper-sphères . . . . . . . . . . . . . 152
4.2.1 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.2.2 Le cas pyramidal : les séries Nu . . . . . . . . . . . . . . 153
4.2.3 Le cas elliptique : les séries thêta modifiées . . . . . . . 154
4.3 L’indexage pour des distributions de type Gaussienne généralisée 161
4.3.1 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3.2 Les fonctions thêta généralisées . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3.3 Principe de la méthode proposée . . . . . . . . . . . . . 162
4.3.4 Algorithme d’indexage proposé . . . . . . . . . . . . . . 164
4.4 Quantification vectorielle et compression . . . . . . . . . . . . . 164
4.4.1 Conception d’un QVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.4.2 Modélisations de la distorsion et du débit . . . . . . . . 166
4.5 Conclusion-Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.6 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5 Le problème de décodage optimal 175
5.1 Le besoin d’un décodage efficace . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.2 La réduction des artefacts de compression . . . . . . . . . . . . 178
5.2.1 Dans le cadre des images fixes. . . . . . . . . . . . . . . 178
5.2.2 Dans le cadre des vidéos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.3 La réduction des bruits de transmission, d’acquisition et de sto-
ckage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.4 Conclusion-Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.5 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6 Conc lus ion e t pro je t de re che r che 207