Codage d'images avec et sans pertes à basse complexité et basé contenu

by Yi Liu

Doctoral thesis in Traitement du signal et de l'image

Under the supervision of Olivier Déforges.

  • Alternative Title

    Lossy and lossless image coding with low complexity and based on the content


  • Abstract

    This doctoral research project aims at designing an improved solution of the still image codec called LAR (Locally Adaptive Resolution) for both compression performance and complexity. Several image compression standards have been well proposed and used in the multimedia applications, but the research does not stop the progress for the higher coding quality and/or lower coding consumption. JPEG was standardized twenty years ago, while it is still a widely used compression format today. With a better coding efficiency, the application of the JPEG 2000 is limited by its larger computation cost than the JPEG one. In 2008, the JPEG Committee announced a Call for Advanced Image Coding (AIC). This call aims to standardize potential technologies going beyond existing JPEG standards. The LAR codec was proposed as one response to this call. The LAR framework tends to associate the compression efficiency and the content-based representation. It supports both lossy and lossless coding under the same structure. However, at the beginning of this study, the LAR codec did not implement the rate-distortion-optimization (RDO). This shortage was detrimental for LAR during the AIC evaluation step. Thus, in this work, it is first to characterize the impact of the main parameters of the codec on the compression efficiency, next to construct the RDO models to configure parameters of LAR for achieving optimal or sub-optimal coding efficiencies. Further, based on the RDO models, a “quality constraint” method is introduced to encode the image at a given target MSE/PSNR. The accuracy of the proposed technique, estimated by the ratio between the error variance and the setpoint, is about 10%. Besides, the subjective quality measurement is taken into consideration and the RDO models are locally applied in the image rather than globally. The perceptual quality is improved with a significant gain measured by the objective quality metric SSIM (structural similarity). Aiming at a low complexity and efficient image codec, a new coding scheme is also proposed in lossless mode under the LAR framework. In this context, all the coding steps are changed for a better final compression ratio. A new classification module is also introduced to decrease the entropy of the prediction errors. Experiments show that this lossless codec achieves the equivalent compression ratio to JPEG 2000, while saving 76% of the time consumption in average in encoding and decoding.


  • Abstract

    Ce projet de recherche doctoral vise à proposer solution améliorée du codec de codage d’images LAR (Locally Adaptive Resolution), à la fois d’un point de vue performances de compression et complexité. Plusieurs standards de compression d’images ont été proposés par le passé et mis à profit dans de nombreuses applications multimédia, mais la recherche continue dans ce domaine afin d’offrir de plus grande qualité de codage et/ou de plus faibles complexité de traitements. JPEG fut standardisé il y a vingt ans, et il continue pourtant à être le format de compression le plus utilisé actuellement. Bien qu’avec de meilleures performances de compression, l’utilisation de JPEG 2000 reste limitée due à sa complexité plus importe comparée à JPEG. En 2008, le comité de standardisation JPEG a lancé un appel à proposition appelé AIC (Advanced Image Coding). L’objectif était de pouvoir standardiser de nouvelles technologies allant au-delà des standards existants. Le codec LAR fut alors proposé comme réponse à cet appel. Le système LAR tend à associer une efficacité de compression et une représentation basée contenu. Il supporte le codage avec et sans pertes avec la même structure. Cependant, au début de cette étude, le codec LAR ne mettait pas en oeuvre de techniques d’optimisation débit/distorsions (RDO), ce qui lui fut préjudiciable lors de la phase d’évaluation d’AIC. Ainsi dans ce travail, il s’agit dans un premier temps de caractériser l’impact des principaux paramètres du codec sur l’efficacité de compression, sur la caractérisation des relations existantes entre efficacité de codage, puis de construire des modèles RDO pour la configuration des paramètres afin d’obtenir une efficacité de codage proche de l’optimal. De plus, basée sur ces modèles RDO, une méthode de « contrôle de qualité » est introduite qui permet de coder une image à une cible MSE/PSNR donnée. La précision de la technique proposée, estimée par le rapport entre la variance de l’erreur et la consigne, est d’environ 10%. En supplément, la mesure de qualité subjective est prise en considération et les modèles RDO sont appliqués localement dans l’image et non plus globalement. La qualité perceptuelle est visiblement améliorée, avec un gain significatif mesuré par la métrique de qualité objective SSIM. Avec un double objectif d’efficacité de codage et de basse complexité, un nouveau schéma de codage LAR est également proposé dans le mode sans perte. Dans ce contexte, toutes les étapes de codage sont modifiées pour un meilleur taux de compression final. Un nouveau module de classification est également introduit pour diminuer l’entropie des erreurs de prédiction. Les expérimentations montrent que ce codec sans perte atteint des taux de compression équivalents à ceux de JPEG 2000, tout en économisant 76% du temps de codage et de décodage.


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