O codificador aritmético binário adaptativo ao contexto adotado (CABAC – Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding) pelo padrão H.264/AVC a partir de perfil Main é o estado-da-arte em termos de eficiência de taxa de bits. Entretanto, o CABAC ocupa 9.6% do tempo total de processamento e seu throughput é limitado pelas dependências de dados no nível de bit (LIN, 2010). Logo, atingir os requisitos de desempenho em tempo real nos níveis mais altos do padrão H.264/AVC se torna uma tarefa árdua em software, sendo necesário então, a aceleração do CABAC através de implementações em hardware. As arquiteturas de hardware encontradas na literatura para o CABAC focam no Codificador Aritmético Binário (BAE - Binary Arithmetic Encoder) enquanto que a Binarização e Modelagem de Contextos (BCM – Binarization and Context Modeling) fica em segundo plano ou nem é apresentada. O BCM e o BAE juntos constituem o CABAC. Esta dissertação descreve detalhadamente o conjunto de algoritmos que compõem o BCM do padrão H.264/AVC. Em seguida, o projeto de uma arquitetura de hardware específica para o BCM é apresentada. A solução proposta é descrita em VHDL e os resultados de síntese mostram que a arquitetura alcança desempenho suficiente, em FPGA e ASIC, para processar vídeos no nível 5 do padrão H.264/AVC. A arquitetura proposta é 13,3% mais rápida e igualmente eficiente em área que os melhores trabalhos relacionados nestes quesitos. / Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) adopted in the H.264/AVC main profile is the state-of-art in terms of bit-rate efficiency. However, CABAC takes 9.6% of the total encoding time and its throughput is limited by bit-level data dependency (LIN, 2010). Moreover, meeting real-time requirement for a pure software CABAC encoder is difficult at the highest levels of the H.264/AVC standard. Hence, speeding up the CABAC by hardware implementation is required. The CABAC hardware architectures found in the literature focus on the Binary Arithmetic Encoder (BAE), while the Binarization and Context Modeling (BCM) is a secondary issue or even absent in the literature. Integrated, the BCM and the BAE constitute the CABAC. This dissertation presents the set of algorithms that describe the BCM of the H.264/AVC standard. Then, a novel hardware architecture design for the BCM is presented. The proposed design is described in VHDL and the synthesis results show that the proposed architecture reaches sufficiently high performance in FPGA and ASIC to process videos in real-time at the level 5 of H.264/AVC standard. The proposed design is 13.3% faster than the best works in these items, while being equally efficient in area.

This thesis work regards free viewpoint TV. The main idea is that users can switch between multiple streams in order to find views of their own choice. The purpose is to provide fast switching between the streams, so that users experience less delay while view switching. In this thesis work we will discuss different video stream switching methods in detail. Then we will discuss issues related to those stream switching methods, including transmission and switching. We shall also discuss different scenarios for fast stream switching in order to make services more interactive by minimizing delays. Stream switching time varies from live to recorded events. Quality of service (QoS) is another factor to consider which can be improved by assigning priorities to the packets. We will discuss simultaneous stream transmission methods which are based on predictions and reduced quality streams for providing fast switching. We will present prediction algorithm for viewpoint prediction, propose system model for fast viewpoint switching and make evaluation of simultaneous stream transmission methods for free viewpoint TV. Finally, we draw our conclusions and propose future work. / Degree project

3D television using multiple views rendering is receiving increasing interest. In this technology a number of video sequences are transmitted simultaneously and provides a larger view of the scene or stereoscopic viewing experience. With two views stereoscopic rendition is possible. Nowadays 3D displays are available that are capable of displaying several views simultaneously and the user is able to see different views by moving his head. The thesis work aims at implementing a demonstration system with a number of simultaneous views. The system will include two cameras, computers at both the transmitting and receiving end and a multi-view display. Besides setting up the hardware, the main task is to implement software so that the transmission can be done over an IP-network. This thesis report includes an overview and experiences of similar published systems, the implementation of real time video, its compression, encoding, and transmission over the internet with the help of socket programming and finally the multi-view display in 3D format.  This report also describes the design considerations more precisely regarding the video coding and network protocols.

Disertační práce se zabývá metodami a prostředky pro hodnocení kvality obrazu ve videosekvencích, což je velmi aktuální téma, zažívající velký rozmach zejména v souvislosti s digitálním zpracováním videosignálů. Přestože již existuje relativně velké množství metod a metrik pro objektivní, tedy automatizované měření kvality videosekvencí, jsou tyto metody zpravidla založeny na porovnání zpracované (poškozené, například komprimací) a originální videosekvence. Metod pro hodnocení kvality videosekvení bez reference, tedy pouze na základě analýzy zpracovaného materiálu, je velmi málo. Navíc se takové metody převážně zaměřují na analýzu hodnot signálu (typicky jasu) v jednotlivých obrazových bodech dekódovaného signálu, což je jen těžko aplikovatelné pro moderní komprimační algoritmy jako je H.264/AVC, který používá sofistikovené techniky pro odstranění komprimačních artefaktů. V práci je nejprve podán stučný přehled dostupných metod pro objektivní hodnocení komprimovaných videosekvencí se zdůrazněním rozdílného principu metod využívajících referenční materiál a metod pracujících bez reference. Na základě analýzy možných přístupů pro hodnocení video sekvencí komprimovaných moderními komprimačními algoritmy je v dalším textu práce popsán návrh nové metody určené pro hodnocení kvality obrazu ve videosekvencích komprimovaných s využitím algoritmu H.264/AVC. Nová metoda je založena na sledování hodnot parametrů, které jsou obsaženy v transportním toku komprimovaného videa, a přímo souvisí s procesem kódování. Nejprve je provedena úvaha nad vlivem některých takových parametrů na kvalitu výsledného videa. Následně je navržen algoritmus, který s využitím umělé neuronové sítě určuje špičkový poměr signálu a šumu (peak signal-to-noise ratio -- PSNR) v komprimované videosekvenci -- plně referenční metrika je tedy nahrazována metrikou bez reference. Je ověřeno několik konfigurací umělých neuronových sítí od těch nejjednodušších až po třívrstvé dopředné sítě. Pro učení sítí a následnou analýzu jejich výkonnosti a věrnosti určení PSNR jsou vytvořeny dva soubory nekomprimovaných videosekvencí, které jsou následně komprimovány algoritmem H.264/AVC s proměnným nastavením kodéru. V závěrečné části práce je proveden rozbor chování nově navrženého algoritmu v případě, že se změní vlastnosti zpracovávaného videa (rozlišení, střih), případně kodéru (formát skupiny současně kódovaných snímků). Chování algoritmu je analyzováno až do plného vysokého rozlišení zdrojového signálu (full HD -1920 x 1080 obrazových bodů).

Cette thèse est élaborée en cotutelle entre l’université Badji Mokhtar (Laboratoire LERICA) et l’université de bourgogne (Laboratoire LE2I, UMR CNRS 5158). Elle constitue une contribution à l’étude et l’implantation de l’encodeur H.264/AVC. Durent l’évolution des normes de compression vidéo, une réalité sure est vérifiée de plus en plus : avoir une bonne performance du processus de compression nécessite l’élaboration d’équipements beaucoup plus performants en termes de puissance de calcul, de flexibilité et de portabilité et ceci afin de répondre aux exigences des différents traitements et satisfaire au critère « Temps Réel ». Pour assurer un temps réel pour ce genre d’applications, une solution reste possible est l’utilisation des systèmes sur puce (SoC) ou bien des systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) implantés sur des plateformes reconfigurables à base de circuit FPGA. L’objective de cette thèse consiste à l’étude et l’implantation des algorithmes de traitement des signaux et images et en particulier la norme H.264/AVC, et cela dans le but d’assurer un temps réel pour le cycle codage-décodage. Nous utilisons deux plateformes FPGA de Xilinx (ML501 et XUPV5). Dans la littérature, il existe déjà plusieurs implémentations du décodeur. Pour l’encodeur, malgré les efforts énormes réalisés, il reste toujours du travail pour l’optimisation des algorithmes et l’extraction des parallélismes possibles surtout avec une variété de profils et de niveaux de la norme H.264/AVC.Dans un premier temps de cette thèse, nous proposons une implantation matérielle d’un contrôleur mémoire spécialement pour l’encodeur H.264/AVC. Ce contrôleur est réalisé en ajoutant, au contrôleur mémoire DDR2 des deux plateformes de Xilinx, une couche intelligente capable de calculer les adresses et récupérer les données nécessaires pour les différents modules de traitement de l’encodeur. Ensuite, nous proposons des implantations matérielles (niveau RTL) des modules de traitement de l’encodeur H.264. Sur ces implantations, nous allons exploiter les deux principes de parallélisme et de pipelining autorisé par l’encodeur en vue de la grande dépendance inter-blocs. Nous avons ainsi proposé plusieurs améliorations et nouvelles techniques dans les modules de la chaine Intra et le filtre anti-blocs. A la fin de cette thèse, nous utilisons les modules réalisés en matériels pour la l’implantation Matérielle/logicielle de l’encodeur H.264/AVC. Des résultats de synthèse et de simulation, en utilisant les deux plateformes de Xilinx, sont montrés et comparés avec les autres implémentations existantes / This thesis has been carried out in joint supervision between the Badji Mokhtar University (LERICA Laboratory) and the University of Burgundy (LE2I laboratory, UMR CNRS 5158). It is a contribution to the study and implementation of the H.264/AVC encoder. The evolution in video coding standards have historically demanded stringent performances of the compression process, which imposes the development of platforms that perform much better in terms of computing power, flexibility and portability. Such demands are necessary to fulfill requirements of the different treatments and to meet "Real Time" processing constraints. In order to ensure real-time performances, a possible solution is to made use of systems on chip (SoC) or multiprocessor systems on chip (MPSoC) built on platforms based reconfigurable FPGAs. The objective of this thesis is the study and implementation of algorithms for signal and image processing (in particular the H.264/AVC standard); especial attention was given to provide real-time coding-decoding cycles. We use two FPGA platforms (ML501 and XUPV5 from Xilinx) to implement our architectures. In the literature, there are already several implementations of the decoder. For the encoder part, despite the enormous efforts made, work remains to optimize algorithms and extract the inherent parallelism of the architecture. This is especially true with a variety of profiles and levels of H.264/AVC. Initially, we proposed a hardware implementation of a memory controller specifically targeted to the H.264/AVC encoder. This controller is obtained by adding, to the DDR2 memory controller, an intelligent layer capable of calculating the addresses and to retrieve the necessary data for several of the processing modules of the encoder. Afterwards, we proposed hardware implementations (RTL) for the processing modules of the H.264 encoder. In these implementations, we made use of principles of parallelism and pipelining, taking into account the constraints imposed by the inter-block dependency in the encoder. We proposed several enhancements and new technologies in the channel Intra modules and the deblocking filter. At the end of this thesis, we use the modules implemented in hardware for implementing the H.264/AVC encoder in a hardware/software design. Synthesis and simulation results, using both platforms for Xilinx, are shown and compared with other existing implementations

Le développement de réseaux de vidéosurveillance, civils ou militaires, pose des défis scientifiques et technologiques en termes d’analyse et de reconnaissance des contenus des flux compressés. Dans ce contexte, les contributions de cette thèse portent sur : - une méthode de segmentation automatique des objets mobiles (piétons, véhicules, animaux …) dans le domaine compressé, - la prise en compte des différents standards de compression les plus couramment utilisés en surveillance (MPEG-2, MPEG-4 Part 2 et MPEG-4 Part 10 / H.264 AVC), - une chaîne de traitement multi-flux optimisée depuis la segmentation des objets jusqu’à leur suivi et description. Le démonstrateur réalisé a permis d’évaluer les performances des approches méthodologiques développées dans le cadre d’un outil d’aide à l’investigation, identifiant les véhicules répondant à un signalement dans des bases de données de plusieurs dizaines d’heures. En outre, appliqué à des corpus représentatifs des différentes situations de vidéosurveillance (stations de métro, carrefours, surveillance de zones en milieu rural ou de frontières ...), le système a permis d’obtenir les résultats suivants : - analyse de 14 flux MPEG-2, 8 flux MPEG-4 Part 2 ou 3 flux AVC en temps réel sur un coeur à 2.66 GHZ (vidéo 720x576, 25 images par seconde), - taux de détection des véhicules de 100% sur la durée des séquences de surveillance de trafic, avec un taux de détection image par image proche des 95%, - segmentation de chaque objet sur 80 à 150% de sa surface (sous ou sur-segmentation liée au domaine compressé). Ces recherches ont fait l’objet du dépôt de 9 brevets liés à des nouveaux services et applications rendus opérationnels grâce aux approches mises en oeuvre. Citons entre autres des outils pour la protection inégale aux erreurs, la cryptographie visuelle, la vérification d’intégrité par tatouage ou l’enfouissement par stéganographie / The increasing deployment of civil and military videosurveillance networks brings both scientific and technological challenges regarding analysis and content recognition over compressed streams. In this context, the contributions of this thesis focus on: - an autonomous method to segment in the compressed domain mobile objects (pedestrians, vehicles, animals …), - the coverage of the various compression standards commonly used in surveillance (MPEG-2, MPEG-4 Part 2, MPEG-4 Part 10 / H.264 AVC), - an optimised multi-stream processing chain from the objects segmentation up to their tracking and description. The developed demonstrator made it possible to bench the performances of the methodological approaches chosen for a tool dedicated to help investigations. It identifies vehicles from a witness description in databases of tens of hours of video. Moreover, while dealing with corpus covering the different kind of content expected from surveillance (subway stations, crossroads, areas in countryside or border surveillance …), the system provided the following results: - simultaneous real time analysis of up to 14 MPEG-2 streams, 8 MPEG-4 Part 2 streams or 3 AVC streams on a single core (2.66 GHz; 720x576 video, 25 fps), - 100% vehicles detected over the length of traffic surveillance footages, with a image per image detection near 95%, - a segmentation spreading over 80 to 150% of the object area (under or over-segmentation linked with the compressed domain). These researches led to 9 patents linked with new services and applications that were made possible thanks to the suggested approaches. Among these lie tools for Unequal Error Protection, Visual Cryptography, Watermarking or Steganography

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.

Cette thèse est élaborée en cotutelle entre l'université Badji Mokhtar (Laboratoire LERICA) et l'université de bourgogne (Laboratoire LE2I, UMR CNRS 5158). Elle constitue une contribution à l'étude et l'implantation de l'encodeur H.264/AVC. Durent l'évolution des normes de compression vidéo, une réalité sure est vérifiée de plus en plus : avoir une bonne performance du processus de compression nécessite l'élaboration d'équipements beaucoup plus performants en termes de puissance de calcul, de flexibilité et de portabilité et ceci afin de répondre aux exigences des différents traitements et satisfaire au critère " Temps Réel ". Pour assurer un temps réel pour ce genre d'applications, une solution reste possible est l'utilisation des systèmes sur puce (SoC) ou bien des systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) implantés sur des plateformes reconfigurables à base de circuit FPGA. L'objective de cette thèse consiste à l'étude et l'implantation des algorithmes de traitement des signaux et images et en particulier la norme H.264/AVC, et cela dans le but d'assurer un temps réel pour le cycle codage-décodage. Nous utilisons deux plateformes FPGA de Xilinx (ML501 et XUPV5). Dans la littérature, il existe déjà plusieurs implémentations du décodeur. Pour l'encodeur, malgré les efforts énormes réalisés, il reste toujours du travail pour l'optimisation des algorithmes et l'extraction des parallélismes possibles surtout avec une variété de profils et de niveaux de la norme H.264/AVC.Dans un premier temps de cette thèse, nous proposons une implantation matérielle d'un contrôleur mémoire spécialement pour l'encodeur H.264/AVC. Ce contrôleur est réalisé en ajoutant, au contrôleur mémoire DDR2 des deux plateformes de Xilinx, une couche intelligente capable de calculer les adresses et récupérer les données nécessaires pour les différents modules de traitement de l'encodeur. Ensuite, nous proposons des implantations matérielles (niveau RTL) des modules de traitement de l'encodeur H.264. Sur ces implantations, nous allons exploiter les deux principes de parallélisme et de pipelining autorisé par l'encodeur en vue de la grande dépendance inter-blocs. Nous avons ainsi proposé plusieurs améliorations et nouvelles techniques dans les modules de la chaine Intra et le filtre anti-blocs. A la fin de cette thèse, nous utilisons les modules réalisés en matériels pour la l'implantation Matérielle/logicielle de l'encodeur H.264/AVC. Des résultats de synthèse et de simulation, en utilisant les deux plateformes de Xilinx, sont montrés et comparés avec les autres implémentations existantes

Les travaux de cette thèse sont destinés à la conception d'outils algorithmiques permettant d'accroître le facteur de compression des standards actuels de codage vidéo, tels que H.264/AVC. Pour cela, une étude préalable portant sur un ensemble de méthodes de restauration d'image a permis d'identifier et d'inspecter deux axes de recherche distincts. La première partie est fondée sur des méthodes d'analyse et de synthèse de texture. Ce type de procédé, aussi connu sous le nom de template matching, est couramment utilisé dans un contexte de codage vidéo pour prédire une portion de la texture de l'image suite à l'analyse de son voisinage. Nous avons cherché à améliorer le modèle de prédiction en prenant en compte les spécificités d'un codeur vidéo de type H.264/AVC. En particulier, la fonction débit/distorsion utilisée dans les schémas de codage vidéo normatifs se base sur une mesure objective de la qualité. Ce mécanisme est par nature incompatible avec le concept de synthèse de texture, dont l'efficacité est habituellement mesurée selon des critères purement perceptuels. Cette contradiction a motivé le travail de notre première contribution. La deuxième partie des travaux de cette thèse s'inspire des méthodes de régularisation d'image basée sur la minimisation de la variation totale. Des méthodes ont été élaborées originellement dans le but d'améliorer la qualité d'une image en fonction de la connaissance a priori des dégradations qu'elle a subies. Nous nous sommes basés sur ces travaux pour concevoir un modèle de prédiction des coefficients transformés obtenus à partir d'une image naturelle, qui a été intégré dans un schéma de codage vidéo conventionnel.