Cette thèse est dédiée à l'amélioration des performances de compression vidéo. Deux types d'approches, conventionnelle et en rupture, sont explorées afin de proposer des méthodes efficaces de codage Intra et Inter pour les futurs standards de compression. Deux outils sont étudiés pour la première approche. Tout d'abord, des indices de signalisations sont habilement traités par une technique issue du tatouage permettant de les masquer dans les résiduels de luminance et de chrominance de façon optimale selon le compromis débit-distorsion. La forte redondance dans le mouvement est ensuite exploitée pour améliorer le codage des vecteurs de mouvement. Après observation des précédents vecteurs utilisés, un fin pronostic permet de déterminer les vecteurs résiduels à privilégier lors d'une troisième étape de modification de la distribution des résiduels. 90% des vecteurs codés sont ainsi pronostiqués, ce qui permet une nette réduction de leur coût. L'approche en rupture vient de la constatation que H.264/AVC et son successeur HEVC sont basés sur un schéma prédictif multipliant les choix de codage, les améliorations passent alors par un meilleur codage de la texture à l'aide d'une compétition accrue. De tels schémas étant bornés par la signalisation engendrée, il est alors nécessaire de transférer des décisions au niveau du décodeur. Une approche basée sur la détermination conjointe au codeur et au décodeur de paramètres de codage à l'aide de partitions causales et ainsi proposée et appliquée aux modes de prédiction Intra et à la théorie émergente de l'échantillonnage compressé. Des performances encourageantes sont reportées et confirment l'intérêt d'une telle solution innovante.

Ce manuscrit présente les travaux de recherche réalisés au cours de ma thèse, dont le but est de développer des algorithmes de correction d'erreurs dans un décodage numérique d'images et d'assurer un haut niveau de la qualité visuelle des images décodées. Nous avons utilisé des techniques d'analyse statistique pour détecter et dissimuler les artefacts. Une boucle de contrôle de la qualité est implémentée afin de surveiller et de corriger la qualité visuelle de l'image. Le manuscrit comprend six chapitres. Le premier chapitre présente les principales méthodes d'évaluation de la qualité des images trouvées dans l'état de l'art et introduit notre proposition. Cette proposition est en fait un outil de mesure de la qualité des vidéos (OMQV) qui utilise le système visuel humain pour indiquer la qualité visuelle d'une vidéo (ou d'une image). Trois modèles d'OMQV sont conçus. Ils sont basés sur la classification, les réseaux de neurones artificiels et la régression non linéaire, et sont développés dans le deuxième, troisième et quatrième chapitre respectivement. Le cinquièmechapitre présente quelques techniques de dissimulation d'artefacts présents dans l'état de l'art. Le sixième et dernier chapitre utilise les résultats des quatre premiers chapitres pour mettre au point un algorithme de correction d'erreurs dans les images. La démonstration considère uniquement les artefacts flou et bruit et s'appuie sur le filtre de Wiener, optimisé sur le critère du minimum linéaire local de l'erreur quadratique moyenne. Les résultats sont présentés et discutés afin de montrer comment l'OMQV améliore les performances de l'algorithme mis en œuvre pour la dissimulation des artefacts. / This report presents the research conducted during my PhD, which aims to develop an efficient algorithm for correcting errors in a digital image decoding process and ensure a high level of visual quality of decoded images. Statistical analysis techniques are studied to detect and conceal the artefacts. A control loop is implemented for the monitoring of image visual quality. The manuscript consists in six chapters. The first chapter presents the principal state of art image quality assessment methods and introduces our proposal. This proposal consists in a video quality measurement tool (VQMT) using the Human Visual System to indicate the visual quality of a video (or an image). Three statistical learning models of VQMT are designed. They are based on classification, artificial neural networks and non-linear regression and are developed in the second, third and fourth chapter respectively. The fifth chapter presents the principal state of art image error concealment technics. The latter chapter uses the results of the four former chapters to design an algorithm for error concealment in images. The demonstration considers blur and noise artefacts and is based on the Wiener filter optimized on the criterion of local linear minimum mean square error. The results are presented and discussed to show how the VQMT improves the performances of the implemented algorithm for error concealment.

Cette thèse propose un nouveau paradigme de représentation d'applications pour les machines virtuelles, capable d'abstraire l'architecture des systèmes informatiques. Les machines virtuelles actuelles reposent sur un modèle unique de représentation d'application qui abstrait les instructions des machines et sur un modèle d'exécution qui traduit le fonctionnement de ces instructions vers les machines cibles. S'ils sont capables de rendre les applications portables sur une vaste gamme de systèmes, ces deux modèles ne permettent pas en revanche d'exprimer la concurrence sur les instructions. Or, celle-ci est indispensable pour optimiser le traitement des applications selon les ressources disponibles de la plate-forme cible. Nous avons tout d'abord développé une représentation " universelle " d'applications pour machine virtuelle fondée sur la modélisation par graphe flux de données. Une application est ainsi modélisée par un graphe orienté dont les sommets sont des unités de calcul (les acteurs) et dont les arcs représentent le flux de données passant au travers de ces sommets. Chaque unité de calcul peut être traitée indépendamment des autres sur des ressources distinctes. La concurrence sur les instructions dans l'application est alors explicite. Exploiter ce nouveau formalisme de description d'applications nécessite de modifier les règles de programmation. A cette fin, nous avons introduit et défini le concept de " Représentation Canonique et Minimale " d'acteur. Il se fonde à la fois sur le langage de programmation orienté acteur CAL et sur les modèles d'abstraction d'instructions des machines virtuelles existantes. Notre contribution majeure qui intègre les deux nouvelles représentations proposées, est le développement d'une " Machine Virtuelle Universelle " (MVU) dont la spécificité est de gérer les mécanismes d'adaptation, d'optimisation et d'ordonnancement à partir de l'infrastructure de compilation Low-Level Virtual Machine. La pertinence de cette MVU est démontrée dans le contexte normatif du codage vidéo reconfigurable (RVC). En effet, MPEG RVC fournit des applications de référence de décodeurs conformes à la norme MPEG-4 partie 2 Simple Profile sous la forme de graphe flux de données. L'une des applications de cette thèse est la modélisation par graphe flux de données d'un décodeur conforme à la norme MPEG-4 partie 10 Constrained Baseline Profile qui est deux fois plus complexe que les applications de référence MPEG RVC. Les résultats expérimentaux montrent un gain en performance en exécution de deux pour des plates-formes dotées de deux cœurs par rapport à une exécution mono-cœur. Les optimisations développées aboutissent à un gain de 25% sur ces performances pour des temps de compilation diminués de moitié. Les travaux effectués démontrent le caractère opérationnel et universel de cette norme dont le cadre d'utilisation dépasse le domaine vidéo pour s'appliquer à d'autres domaine de traitement du signal (3D, son, photo...)

Les futures générations de réseaux sans fil posent beaucoup de défis pour la communauté de recherche. Notamment, ces réseaux doivent être en mesure de répondre, avec une certaine qualité de service, aux demandes d'un nombre important de personnes et d'objets connectés. Ce qui se traduit par des exigences assez importantes en termes de capacité. C'est dans ce cadre que les méthodes d'accès multiple non orthogonaux (NOMA) ont été introduit. Dans cette thèse, nous avons étudié et proposé une méthodes d'accès multiple basé sur la technique compute and forawrd et sur les réseaux de point (Lattice codes) tout en considérant différentes constructions de lattice. Nous avons également proposé des amélioration de l'algorithme de décodage de la méthode SCMA (Sparse code multiple access) basé sur les réseaux de points. Afin de simplifier les décodeurs multi-niveaux utilisés, nous avons proposé des expressions simplifiées de LLRs ainsi que des approximations. Finalement, nous avons étudié la construction D des lattices en utilisant les codes polaires. Cette thèse était en collaboration avec le centre de recherche de Huawei France. / Future generations of wireless networks pose many challenges for the research community. In particular, these networks must be able to respond, with a certain quality of service, to the demands of a large number of connected people and objects. This drives us into quite important requirements in terms of capacity. It is within this framework that non-orthogonal multiple access methods (NOMA) have been introduced. In this thesis, we have studied and proposed a multiple access method based on the compute and forward technique and on Lattice codes while considering different lattice constructions. We have also proposed improvements to the algorithm for decoding the Sparse code multiple access (SCMA) method based on Lattice codes. In order to simplify the multi-stage decoders used in here, we have proposed simplified expressions of LLRs as well as approximations. Finally, we studied the construction D of lattices using polar codes. This thesis was in collaboration with the research center of Huawei France.

Cette thèse propose un nouveau paradigme de représentation d’applications pour les machines virtuelles, capable d’abstraire l’architecture des systèmes informatiques. Les machines virtuelles actuelles reposent sur un modèle unique de représentation d’application qui abstrait les instructions des machines et sur un modèle d’exécution qui traduit le fonctionnement de ces instructions vers les machines cibles. S’ils sont capables de rendre les applications portables sur une vaste gamme de systèmes, ces deux modèles ne permettent pas en revanche d’exprimer la concurrence sur les instructions. Or, celle-ci est indispensable pour optimiser le traitement des applications selon les ressources disponibles de la plate-forme cible. Nous avons tout d’abord développé une représentation « universelle » d’applications pour machine virtuelle fondée sur la modélisation par graphe flux de données. Une application est ainsi modélisée par un graphe orienté dont les sommets sont des unités de calcul (les acteurs) et dont les arcs représentent le flux de données passant au travers de ces sommets. Chaque unité de calcul peut être traitée indépendamment des autres sur des ressources distinctes. La concurrence sur les instructions dans l’application est alors explicite. Exploiter ce nouveau formalisme de description d'applications nécessite de modifier les règles de programmation. A cette fin, nous avons introduit et défini le concept de « Représentation Canonique et Minimale » d’acteur. Il se fonde à la fois sur le langage de programmation orienté acteur CAL et sur les modèles d’abstraction d’instructions des machines virtuelles existantes. Notre contribution majeure qui intègre les deux nouvelles représentations proposées, est le développement d’une « Machine Virtuelle Universelle » (MVU) dont la spécificité est de gérer les mécanismes d’adaptation, d’optimisation et d’ordonnancement à partir de l’infrastructure de compilation Low-Level Virtual Machine. La pertinence de cette MVU est démontrée dans le contexte normatif du codage vidéo reconfigurable (RVC). En effet, MPEG RVC fournit des applications de référence de décodeurs conformes à la norme MPEG-4 partie 2 Simple Profile sous la forme de graphe flux de données. L’une des applications de cette thèse est la modélisation par graphe flux de données d’un décodeur conforme à la norme MPEG-4 partie 10 Constrained Baseline Profile qui est deux fois plus complexe que les applications de référence MPEG RVC. Les résultats expérimentaux montrent un gain en performance en exécution de deux pour des plates-formes dotées de deux cœurs par rapport à une exécution mono-cœur. Les optimisations développées aboutissent à un gain de 25% sur ces performances pour des temps de compilation diminués de moitié. Les travaux effectués démontrent le caractère opérationnel et universel de cette norme dont le cadre d’utilisation dépasse le domaine vidéo pour s’appliquer à d’autres domaine de traitement du signal (3D, son, photo…) / This thesis proposes a new paradigm that abstracts the architecture of computer systems for representing virtual machines’ applications. Current applications are based on abstraction of machine’s instructions and on an execution model that reflects operations of these instructions on the target machine. While these two models are efficient to make applications portable across a wide range of systems, they do not express concurrency between instructions. Expressing concurrency is yet essential to optimize processing of application as the number of processing units is increasing in computer systems. We first develop a “universal” representation of applications for virtual machines based on dataflow graph modeling. Thus, an application is modeled by a directed graph where vertices are computation units (the actors) and edges represent the flow of data between vertices. Each processing units can be treated apart independently on separate resources. Concurrency in the instructions is then made explicitly. Exploit this new description formalism of applications requires a change in programming rules. To that purpose, we introduce and define a “Minimal and Canonical Representation” of actors. It is both based on actor-oriented programming and on instructions ‘abstraction used in existing Virtual Machines. Our major contribution, which incorporates the two new representations proposed, is the development of a “Universal Virtual Machine” (UVM) for managing specific mechanisms of adaptation, optimization and scheduling based on the Low-Level Virtual Machine (LLVM) infrastructure. The relevance of the MVU is demonstrated on the MPEG Reconfigurable Video Coding standard. In fact, MPEG RVC provides decoder’s reference application compliant with the MPEG-4 part 2 Simple Profile in the form of dataflow graph. One application of this thesis is a new dataflow description of a decoder compliant with the MPEG-4 part 10 Constrained Baseline Profile, which is twice as complex as the reference MPEG RVC application. Experimental results show a gain in performance close to double on a two cores compare to a single core execution. Developed optimizations result in a gain on performance of 25% for compile times reduced by half. The work developed demonstrates the operational nature of this standard and offers a universal framework which exceeds the field of video domain (3D, sound, picture...)

Cette thèse concerne la restauration aveugle d’images (formulée comme un problème inverse mal-posé et mal-conditionné), en considérant particulièrement les systèmes SIMO. Dans un premier temps une technique d’identification aveugle de ce système où l’ordre du canal est inconnu (surestimé) est introduite. Nous introduisons d’abord une version simplifiée à coût réduit SCR de la méthode des relations croisées (CR). Ensuite, une version robuste R-SCR basée sur la recherche d’une solution parcimonieuse minimisant la fonction de coût CR est proposée. La restauration d’image est ensuite assurée par une nouvelle approche inspirée des techniques de décodage des signaux 1D et étendue ici aux cas de la restauration d’images en se basant sur une recherche arborescente efficace (algorithme ‘Stack’). Plusieurs améliorations de la méthode ‘Stack’ ont été introduites afin de réduire sa complexité et d’améliorer la qualité de restauration lorsque les images sont fortement bruitées. Ceci en utilisant une technique de régularisation et une approche d’optimisation all-at-once basée sur la descente du gradient qui permet de raffiner l’image estimée et mieux converger vers la solution optimale. Ensuite, les mesures de la qualité d’images sont utilisées comme fonctions de coûts (intégrées dans le critère global) et ce afin d’étudier leur potentiel pour améliorer les performances de restauration. Dans le contexte où l’image d’intérêt est corrompue par d’autres images interférentes, sa restauration nécessite le recours aux techniques de séparation aveugle de sources. Pour cela, une étude comparative de certaines techniques de séparation basées sur la propriété de décorrélation au second ordre et la parcimonie est réalisée. / This thesis concerns the blind restoration of images (formulated as an ill-posed and illconditioned inverse problem), considering a SIMO system. Thus, a blind system identification technique in which the order of the channel is unknown (overestimated) is introduced. Firstly, a simplified version at reduced cost SCR of the cross relation (CR) method is introduced. Secondly, a robust version R-SCR based on the search for a sparse solution minimizing the CR cost function is proposed. Image restoration is then achieved by a new approach (inspired from 1D signal decoding techniques and extended here to the case of 2D images) based on an efficient tree search (Stack algorithm). Several improvements to the ‘Stack’ method have been introduced in order to reduce its complexity and to improve the restoration quality when the images are noisy. This is done using a regularization technique and an all-at-once optimization approach based on the gradient descent which refines the estimated image and improves the algorithm’s convergence towards the optimal solution. Then, image quality measurements are used as cost functions (integrated in the global criterion), in order to study their potential for improving restoration performance. In the context where the image of interest is corrupted by other interfering images, its restoration requires the use of blind sources separation techniques. In this sense, a comparative study of some separation techniques based on the property of second-order decorrelation and sparsity is performed.