Apprentissage profond pour la compression d'image

Deep learning for image compression

• Auteur / Autrice : Thierry Dumas
• Direction : Christine Guillemot, Aline Roumy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, vision
• Date : Soutenance le 07/06/2019
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Rennes, Bretagne-Atlantique)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage profond

Compression d'images

Mots clés libres

Compression d'image

Apprentissage profond

HEVC

Image compression

Deep learning

HEVC

Résumé

Ces vingt dernières années, la quantité d’images et de vidéos transmises a augmenté significativement, ce qui est principalement lié à l’essor de Facebook et Netflix. Même si les capacités de transmission s’améliorent, ce nombre croissant d’images et de vidéos transmises exige des méthodes de compression plus efficaces. Cette thèse a pour but d’améliorer par l’apprentissage deux composants clés des standards modernes de compression d’image, à savoir la transformée et la prédiction intra. Plus précisément, des réseaux de neurones profonds sont employés car ils ont un grand pouvoir d’approximation, ce qui est nécessaire pour apprendre une approximation fidèle d’une transformée optimale (ou d’un filtre de prédiction intra optimal) appliqué à des pixels d’image. En ce qui concerne l’apprentissage d’une transformée pour la compression d’image via des réseaux de neurones, un défi est d’apprendre une transformée unique qui est efficace en termes de compromis débit-distorsion, à différents débits. C’est pourquoi deux approches sont proposées pour relever ce défi. Dans la première approche, l’architecture du réseau de neurones impose une contrainte de parcimonie sur les coefficients transformés. Le niveau de parcimonie offre un contrôle sur le taux de compression. Afin d’adapter la transformée à différents taux de compression, le niveau de parcimonie est stochastique pendant la phase d’apprentissage. Dans la deuxième approche, l’efficacité en termes de compromis débit-distorsion est obtenue en minimisant une fonction de débit-distorsion pendant la phase d’apprentissage. Pendant la phase de test, les pas de quantification sont progressivement agrandis selon un schéma afin de compresser à différents débits avec une unique transformée apprise. Concernant l’apprentissage d’un filtre de prédiction intra pour la compression d’image via des réseaux de neurones, le problème est d’obtenir un filtre appris qui s’adapte à la taille du bloc d’image à prédire, à l’information manquante dans le contexte de prédiction et au bruit de quantification variable dans ce contexte. Un ensemble de réseaux de neurones est conçu et entraîné de façon à ce que le filtre appris soit adaptatif à ces égards.

Over the last twenty years, the amount of transmitted images and videos has increased noticeably, mainly urged on by Facebook and Netflix. Even though broadcast capacities improve, this growing amount of transmitted images and videos requires increasingly efficient compression methods. This thesis aims at improving via learning two critical components of the modern image compression standards, which are the transform and the intra prediction. More precisely, deep neural networks are used for this task as they exhibit high power of approximation, which is needed for learning a reliable approximation of an optimal transform (or an optimal intra prediction filter) applied to image pixels. Regarding the learning of a transform for image compression via neural networks, a challenge is to learn an unique transform that is efficient in terms of rate-distortion while keeping this efficiency when compressing at different rates. That is why two approaches are proposed to take on this challenge. In the first approach, the neural network architecture sets a sparsity on the transform coefficients. The level of sparsity gives a direct control over the compression rate. To force the transform to adapt to different compression rates, the level of sparsity is stochastically driven during the training phase. In the second approach, the rate-distortion efficiency is obtained by minimizing a rate-distortion objective function during the training phase. During the test phase, the quantization step sizes are gradually increased according a scheduling to compress at different rates using the single learned transform. Regarding the learning of an intra prediction filter for image compression via neural networks, the issue is to obtain a learned filter that is adaptive with respect to the size of the image block to be predicted, with respect to missing information in the context of prediction, and with respect to the variable quantization noise in this context. A set of neural networks is designed and trained so that the learned prediction filter has this adaptibility.