Methods for improving the backward compatible High Dynamic Range compression

par David Gommelet

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Christine Guillemot et de Michaël Ropert.

Soutenue le 25-09-2018

à Rennes 1 , dans le cadre de MATHSTIC , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) , Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Rennes, Bretagne-Atlantique) (laboratoire) et de SIROCCO (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Méthodes pour améliorer la compression HDR (High Dynamic Range) rétro compatible


  • Résumé

    Ces dernières années, les contenus vidéos ont évolué très rapidement. En effet, les télévisions (TV) ont rapidement évolué vers l’Ultra Haute résolution (UHD), la Haute Fréquence d’images (HFR) ou la stéréoscopie (3D). La tendance actuelle est à l’imagerie à Haute Dynamique de luminance (HDR). Ces technologies permettent de reproduire des images beaucoup plus lumineuses que celles des écrans actuels. Chacune de ces améliorations représente une augmentation du coût de stockage et nécessite la création de nouveaux standards de compression vidéo, toujours plus performant. La majorité des consommateurs est actuellement équipé de TV ayant une Dynamique Standard (SDR) qui ne supportent pas les contenus HDR et ils vont lentement renouveler leurs écrans pour un HDR. Il est donc important de délivrer un signal HDR qui puisse être décodé par ces deux types d’écrans. Cette rétro compatibilité est rendue possible par un outil appelé TMO (Tone Mapping Operator) qui transforme un contenu HDR en une version SDR. Au travers de cette thèse, nous explorons de nouvelles méthodes pour améliorer la compression HDR rétro compatible. Premièrement, nous concevons un TMO qui optimise les performances d’un schéma de compression scalable où une couche de base et d’amélioration sont envoyées pour reconstruire les contenus HDR et SDR. Il est démontré que le TMO optimal dépend seulement de la couche SDR de base et que le problème de minimisation peut être séparé en deux étapes consécutives. Pour ces raisons, nous proposons ensuite un autre TMO conçu pour optimiser les performances d’un schéma de compression utilisant uniquement une couche de base mais avec un modèle amélioré et plus précis. Ces deux travaux optimisent des TMO pour images fixes. Par la suite, la thèse se concentre sur l’optimisation de TMO spécifiques à la vidéo. Cependant, on y démontre que l’utilisation d’une prédiction pondérée pour la compression SDR est aussi bon voir meilleur que d’utiliser un TMO optimisé temporellement. Pour ces raisons, un nouvel algorithme et de nouveaux modes de prédictions pondérées sont proposés pour gérer plus efficacement la large diversité des changements lumineux dans les séquences vidéos.


  • Résumé

    In recent years, video content evolved very quickly. Indeed, televisions (TV) quickly evolved to Ultra High Definition (UHD), High Frame Rate (HFR) or stereoscopy (3D). The recent trend is towards High Dynamic range (HDR). These new technologies allow the reproduction of much brighter images than for actual displays. Each of these improvements represents an increase in storage cost and therefore requires the creation of new video compression standards, always more efficient. The majority of consumers are currently equipped with Standard Dynamic Range (SDR) displays, that cannot handle HDR content. Consumers will slowly renew their display to an HDR one and it is therefore of great importance to deliver an HDR signal that can be decoded by both SDR and HDR displays. Such backward compatibility is provided by a tool called Tone Mapping Operator (TMO) which transforms an HDR content into an SDR version. In this thesis, we explore new methods to improve the backward compatible HDR compression. First, we design a Tone Mapping to optimize scalable compression scheme performances where a base and an enhancement layer are sent to reconstruct the SDR and HDR content. It is demonstrated that the optimum TMO only depends on the SDR base layer and that the minimization problem can be separated in two consecutive minimization steps. Based on these observations, we then propose another TMO designed to optimize the performances of compression schemes using only a base layer but with an enhanced and more precise model. Both of these works optimize TMO for still images. Thereafter, this thesis focuses on the optimization of video-specific TMO. However, we demonstrate that using a weighted prediction for the SDR compression is as good or even better than using a temporally optimized TMO. Therefore, we proposed a new weighted prediction algorithm and new weighted prediction modes to handle more efficiently the large diversity of brightness variations in video sequences.


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