L'objectif de cette thèse est le déploiement et l'évaluation d'une plate-forme de télé-échographie mobile, utilisée pour fournir un diagnostic et des soins à distance dans des milieux médicalement isolés. La plateforme intègre de nouveaux concepts qui permettent de l’utilisation de la télé-échographie robotisée sur les réseaux sans fil 3G, 4G et 5G pour satisfaire au transfert de qualité des vidéos ultrasonores pour un diagnostic médical robuste. Ce travail contribue au domaine des Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication appliquées au secteur de la santé et en particulier à la robotique médicale téléopérée. Les principales contributions de la thèse sont : I. Un état de l’art des systèmes télé-robotiques appliqués au médical menée sur la base de publications écrites entre 2004 et 2016, II. L'évaluation objective et subjective (clinique) de la qualité vidéo a démontré que les normes H.264/AVC et HEVC peuvent atteindre une qualité vidéo sans perte de diagnostic à des débits (1024 et 2048 Kbps) bien en deçà des débits de données supportés par les réseaux 4G. Les normes de codage vidéo antérieures (Mpeg-4, Mpeg-2) ne peuvent pas être utilisées pour le diagnostic clinique à ces débits car elles présentent une perte d'information pour le diagnostic médical, III. Les experts médicaux ont apprécié la réactivité dynamique mécanique de la plate-forme en raison du faible délai présenté par les canaux LTE. La limitation la plus importante soulevée par l'expert médical, empêchant une évaluation globale clinique favorable au diagnostic, était le positionnement initial du robot sur le corps du patient et son déplacement vers l'obtention d’une échographie cardiaque, Les résultats fournissent une forte indication que la plate-forme télé-échographie robotisée peut être utilisée pour fournir un diagnostic fiable et à distance sur les réseaux sans fil émergents 4G et au-delà. / The objective of this Thesis was the deployment and evaluation of an end-to-end mobile tele-echography platform used to provide remote diagnosis and care within medically isolated settings. The platform integrates new concepts that enable robotized tele-echography over commercially available 4G and beyond mobile networks for rendering diagnostically robust medical ultrasound video. It contributes to the field of Information and Communication technologies applied in the healthcare sector. The main contributions of the Thesis are: I. A systematic review on the state of the art in medical telerobotic systems was conducted based on publications of the last decade, and more specifically between the years 2004 to 2016. II. Both objective and subjective (clinical) video quality assessment demonstrated that H.264/AVC and HEVC standards can achieve diagnostically-lossless video quality at bitrates (1024 and 2048 Kbps) well within the LTE supported data rates. Earlier video coding standards (Mpeg-4 & Mpeg-2) cannot be employed for clinical diagnosis at these rates as they present loss of clinical information.III. Medical experts highly appreciated the proposed platform’s mechanical dynamic responsiveness due to the low end-to-end delay (latency) facilitated by LTE-channels. The most important limitation raised by the medical expert and prevented higher overall rating and ultimately clinical QoE was the robot initial positioning on the patient’s body and navigation towards obtaining the cardiac ultrasound. IV. Results provides a strong indication that the proposed robotized tele-echography platform can be used to provide reliable, remote diagnosis over emerging 4G and beyond wireless networks.

Les schémas de Codage Vidéo Linéaire (CVL) inspirés de SoftCast ont émergé dans la dernière décennie comme une alternative aux schémas de codage vidéo classiques. Ces schémas de codage source-canal conjoint exploitent des résultats théoriques montrant qu’une transmission (quasi-)analogique est plus performante dans des situations de multicast que des schémas numériques lorsque les rapports signal-à-bruit des canaux (C-SNR) diffèrent d’un récepteur à l’autre. Dans ce contexte, les schémas de CVL permettent d’obtenir une qualité de vidéo décodée proportionnelle au C-SNR du récepteur.Une première contribution de cette thèse concerne l’optimisation de la matrice de précodage de canal pour une transmission de type OFDM de flux générés par un CVL lorsque les contraintes de puissance diffèrent d’un sous-canal à l’autre. Ce type de contrainte apparait en sur des canaux DSL, ou dans des dispositifs de transmission sur courant porteur en ligne (CPL). Cette thèse propose une solution optimale à ce problème de type multi-level water filling et nécessitant la solution d’un problème de type Structured Hermitian Inverse Eigenvalue. Trois algorithmes sous-optimaux de complexité réduite sont également proposés. Des nombreux résultats de simulation montrent que les algorithmes sous-optimaux ont des performances très proches de l’optimum et réduisent significativement le temps de codage. Le calcul de la matrice de précodage dans une situation de multicast est également abordé. Une seconde contribution principale consiste en la réduction de l’impact du bruit impulsif dans les CVL. Le problème de correction du bruit impulsif est formulé comme un problème d’estimation d’un vecteur creux. Un algorithme de type Fast Bayesian Matching Pursuit (FBMP) est adapté au contexte CVL. Cette approche nécessite de réserver des sous-canaux pour la correction du bruit impulsif, entrainant une diminution de la qualité vidéo en l'absence de bruit impulsif. Un modèle phénoménologique (MP) est proposé pour décrire l’erreur résiduelle après correction du bruit impulsif. Ce modèle permet de d’optimiser le nombre de sous-canaux à réserver en fonction des caractéristiques du bruit impulsif. Les résultats de simulation montrent que le schéma proposé améliore considérablement les performances lorsque le flux CVL est transmis sur un canal sujet à du bruit impulsif. / SoftCast based Linear Video Coding (LVC) schemes have been emerged in the last decade as a quasi analog joint-source-channel alternative to classical video coding schemes. Theoretical analyses have shown that analog coding is better than digital coding in a multicast scenario when the channel signal-to-noise ratios (C-SNR) differ among receivers. LVC schemes provide in such context a decoded video quality at different receivers proportional to their C-SNR.This thesis considers first the channel precoding and decoding matrix design problem for LVC schemes under a per-subchannel power constraint. Such constraint is found, e.g., on Power Line Telecommunication (PLT) channels and is similar to per-antenna power constraints in multi-antenna transmission system. An optimal design approach is proposed, involving a multi-level water filling algorithm and the solution of a structured Hermitian Inverse Eigenvalue problem. Three lower-complexity alternative suboptimal algorithms are also proposed. Extensive experiments show that the suboptimal algorithms perform closely to the optimal one and can reduce significantly the complexity. The precoding matrix design in multicast situations also has been considered.A second main contribution consists in an impulse noise mitigation approach for LVC schemes. Impulse noise identification and correction can be formulated as a sparse vector recovery problem. A Fast Bayesian Matching Pursuit (FBMP) algorithm is adapted to LVC schemes. Subchannels provisioning for impulse noise mitigation is necessary, leading to a nominal video quality decrease in absence of impulse noise. A phenomenological model (PM) is proposed to describe the impulse noise correction residual. Using the PM model, an algorithm to evaluate the optimal number of subchannels to provision is proposed. Simulation results show that the proposed algorithms significantly improve the video quality when transmitted over channels prone to impulse noise.

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...)

Les programmes flux de données (" data flow " en anglais) sont des programmes décrits sous la forme d'un graphe afin de mettre en évidence un certain nombre de propriétés, comme le parallélisme disponible, la localité des données, la certitude de ne pas avoir d'inter-blocages, etc. Ma thèse présente les problématiques liées à la mise en place d'une infrastructure de compilation pour ce type de programmes. Cette infrastructure a pour but de compiler, analyser, transformer, et exécuter un programme flux de données sur différentes plateformes, depuis des composants logiques programmables jusqu'à des processeurs multi-coeurs avec mémoire partagée. Nous présentons les aspects théoriques associés aux problèmes de compilation, d'analyse et d'ordonnancement des programmes flux de données, ainsi que les aspects pratiques et les résultats obtenus concernant la génération de code et l'exécution de ces programmes.

L'objectif de cette thèse est de valider l'hypothèse selon laquelle le codage par objets vidéo peut permettre d'obtenir des gains significatifs en utilisant le codage dynamique (mise en concurrence de plusieurs codeurs pour chaque objet vidéo). Afin de répondre à cet objectif, différents points ont été étudiés. Le premier point concerne l'étude de la segmentation en objet vidéo de manière automatique. Nous avons proposé un modèle d'objet faisant intervenir la notion de suivi long terme via la représentation d'un objet sous la forme mouvement/texture (avec l'utilisation d'un maillage actif pour représenter le mouvement). Un algorithme de clustering 3D a été développé basé sur ce modèle. Dans un deuxième temps, nous nous sommes attaché à l'amélioration des techniques de codage objet via la hiérarchisation ("scalabilité") du flux vidéo. Pour cela, nous utilisons un schéma de codage ondelette 3D et nous introduisons notamment un codage de contours avec perte. Enfin le dernier point étudié concerne le codage dynamique d'objets vidéo (mise en concurrence de plusieurs codeurs pour chaque objet vidéo). Les codeurs utilisés sont : le codeur H264/AVC, un codeur ondelette 3D, un codeur 3D et un codeur par mosaïque. La répartition automatique des débits permet d'obtenir des résultats dépassant ceux produits par chaque codeur pris séparément, tout en offrant le découpage du flux en objets vidéo. Mots clés : Segmentation en objets vidéo, segmentation long terme, modèle d'objet vidéo, fonctionelle d'énergie, clustering, maillage actif, mosaïque, codage vidéo, codage d'objet vidéo, décorrélation mouvement texture forme, hiérarchisation : scalabilté, ondelettes spatiotemporelles, ondelette 3D, codage de contour, codage de forme, prolongement : padding, codage dynamique, codage concurrentiel, optimisation débit-distorsion, répartition des débits, antialiasing.

Les limites de l'ondelette séparable standard, dans le cas 2D, sont bien connues. Le support rectangulaire fixe de l'ondelette ne permet pas d'exploiter la géométrie des images et en particulier les corrélations le long de contours courbes. Ceci se traduit par une dispersion de l'énergie des coefficients dans le domaine ondelette et produit un phénomène de rebonds gênant visuellement lors d'une approximation avec un petit nombre de coefficients. Pour y remédier, une seconde génération d'ondelettes est née. L'approche la plus courante est de déformer le noyau d'ondelette pour l'adapter au contenu géométrique d'une image. <br />Dans cette thèse, nous proposons d'aborder le problème d'adaptativité sous un angle différent. L'idée est de déformer le contenu d'une image pour l'adapter au noyau d'ondelette séparable standard. La déformation est modélisée par un maillage déformable et le critère d'adaptation utilisé est le coût de description de l'image déformée. Une minimisation énergétique similaire à une estimation de mouvement est mise en place pour calculer les paramètres du maillage. A l'issue de cette phase d'analyse, l'image est représentée par une image déformée de moindre coût de codage et par les paramètres de déformation. Après codage, transmission et décodage de ces inforrnations, l'image d'origine peut être synthétisée en inversant la déformation. Les performances en compression de ce schéma par analyse-synthèse spatiales sont étudiées et comparées à celles de JPEG2000. Visuellement, on observe une meilleure reconstruction des contours des images avec une atténuation significative de l'effet rebond. <br />Conservant l'idée d'adapter le contenu des images à un noyau de décomposition fixe, nous proposons ensuite un schéma de codage par analyse-synthèse spatio-temporelles dédié à la vidéo. L'analyse prend en entrée un groupe d'images (GOF) et génère en sortie un groupe d'images déformées dont le contenu est adapté à une décomposition 3D horizontale-verticale-temporelle fixe. Le schéma est conçu de sorte qu'une seule géométrie soit estimée et transmise pour l'ensemble du GOF. Des résultats de compression sont présentés en utilisant le maillage déformable pour modéliser la géométrie et le mouvement. Bien qu'une seule géométrie soit encodée, nous montrons que son coût est trop important pour permettre une amélioration significative de la qualité visuelle par rapport à un schéma par analyse-synthèse exploitant uniquement le mouvement.

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.