Compression des images et des vidéos numériques. Dix années de recherches au CNRS

325 Pages·2004·33.09 MB·French

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
4 Table des matières
III Mes publications significatives 213
A Image Coding Using Wavelet Transform 217
B 3D Scan-based Wavelet Transform and Quality Control for Vi-
deo Coding 235
C Pyramidal Lattice Vector Quantization for Multiscale Image
Coding 247
D LatticeCodebookEnumerationforGeneralizedGaussianSource265
E Distortion-RateModelsforEntropy-CodedLatticeVectorQuan-
tization 275
F Fractal Image Compression Based on Delaunay Triangulation
and Vector Quantization 289
G Optimal Decoder for Block-Transform Based Video Coders 301