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UNIVERSITE DE NANTES

ÉCOLE DOCTORALE

" SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L"INFORMATION ET DE

MATHEMATIQUES »

Année : 2010

Thèse de Doctorat de l"Université de Nantes

Spécialité : A

UTOMATIQUE ET INFORMATIQUE APPLIQUEE

Présentée et soutenue publiquement par

Fadi BOULOS

le 12 février 2010

à Polytech"Nantes

Transmission d"images et de vidéos sur réseaux à pertes de paquets : mécanismes de protection et optimisation de la qualité perçue Jury Rapporteurs : Rik VAN DE WALLE Professeur, université de Ghent, Belgique François-Xavier COUDOUX Professeur, université de Valenciennes Examinateurs : Gerardo RUBINO Directeur de recherche INRIA, IRISA Rennes Patrick LE CALLET Professeur, université de Nantes Benoît PARREIN Maître de conférences, université de Nantes Membre invité : David HANDS Responsable d"équipe, British Telecommunications plc, Angleterre

Directeur de Thèse : Patrick LE CALLET

Co-encadrant : Benoît PARREIN

Laboratoire : Institut de Recherche en Communications et Cybernétique de Nantes (IRCCyN) Composante de rattachement du directeur de thèse : Polytech"Nantes

N° ED 503 -082

Remerciements

Jevou draitoutd"abordremercierMM.F rançoi s-XavierCoudouxetRikVandeW alled"avoir

acceptélatâchede rappor termathè seet d"avoircontribuéàl"améliorationdela qualitédecette

thèse. Jere mercieM.GérardoRubinod"avoiraccepté d"examiner mathèseetM.DavidHands d"avoirfaitledéplaceme ntpourp articiper aujurydethèse.JeremercieégalementDavede m"avoirdonnélachance devivreune bell eexpérience enAngle terre. Jetiensà exprimerma sincèregratitud eenversmes encadrantsB enoîtP arreinetPatrickLe Calletpou rleursconseilsav isésetpour avoirrenducesannéesagréableset fructueuses. Ungrand merciauxmembres del"équip eIVC pourl"ambiancequirègne dansnotre labora- toire:Jean-Pierr epou rsesconseilspaternels;Flore ntpourlesdiffére ntss ervicesinf ormatiques rendus(etles nouveautésMac) ;Olivier, SylvainetRomainpourlaséancedesportheb do- madaire;Romualdpour lestestssubjectifse tlesexpressions d"argotq uej"aiapprises;David (Chen)pour letravail qu"il afaitetpourl"équipeefficacequ" onaformée;Guillaum epou rles liftsdusoiret les discussions para-académique s;Eddypourle séchangesphilosop hiquesqu"on aeus; Nicopoura voirtoujoursréussià réglerm esproblèmesd"informatique; Marcuspourles discussionsscientifiquespous sées;Jiazipoursapuissantemachinedecalcul; Vincentpourles

leçonssurlasociété franç aise;Y ohannpoursonhumeuragréable; HélèneetKarinepourleur

aidetoujoursacc ompagnéed"unsourire. Jeremer ciemesamisàNantes(quej en"os eraipascommencerànommer parpeur d"en oublierquelqu"u n)pouravoirrendumonséjourtrèsagréable ;Khalilpour sonéternellebonne humeur,sonhumouretlesdisc ussions existentiellesqu"onaeues;toutema famillep ours on encouragementcontinuetsaconfiance enmoi;mesparents pourm "av oirtoujoursmotivéà atteindrel"excellence;Man alpourêtredans mavie.

À mes parents

Table des matières

Introduction générale 15

I Problématique des transmissions multimédias sur IP 17

1 Services multimédias sur réseaux à qualité de service non garantie 19

1.1 Qualité de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.1 Les paramètres de qualité de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.2 Évolution de l"Internet multimédia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.1.3 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.2 Qualité d"usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.2.2 Évaluation de la qualité d"usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.2.2.1 Méthodes subjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.2.2.2 Métriques objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.2.3 Relation entre qualité de service et qualité d"usage . . . . . . . . . . . . . 29

1.3 La vidéo comme service multimédia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.3.1 Les principes de codage H.264/AVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.3.2 Adaptation du flux H.264/AVC aux réseaux de paquets . . . . . . . . . . 32

1.3.3 Vulnérabilité du flux H.264/AVC aux erreurs de transmission . . . . . . . 33

2 État de l"art des mécanismes d"amélioration de la qualité de service et de la

qualité d"usage 37

2.1 Amélioration de la qualité de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.1 Classification de trafic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.2 Codage réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.2 Amélioration de la qualité d"usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.1 Codes correcteurs d"erreurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.1.1 Principe des codes correcteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.1.2 Codes correcteurs d"erreurs avec protection inégale . . . . . . . . 45

5

TABLE DES MATIÈRES6

2.2.2 Codage et décodage robustes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.2.2.1 Codage vidéo H.264/AVC robuste . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.2.2.2 Méthodes de compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.2.3 Approches hybrides de protection de contenus vidéos . . . . . . . . . . . . 57

2.3 Discussion générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

II Amélioration des qualités de service et d"usage par transforma- tion Mojette 63

3 La transformation Mojette comme opérateur de codage réseau 65

3.1 Le mode d"opération du codage réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.1.1 Codage et décodage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.1.2 Applications du codage réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.2 La transformation Mojette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.2.1 Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.2.2 Application de la transformation Mojette au codage réseau . . . . . . . . 71

3.2.3 Performances et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4 Protection inégale perceptuelle de flux hiérarchiques par transformation Mo-

jette77

4.1 Graduabilité du flux JPEG 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.2 Allocation optimale de redondance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3 Contribution perceptuelle des incréments de qualité . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.4 Protection inégale par transformation Mojette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.5 Évaluation de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.6 Extension à la vidéo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

III Vers une hiérarchie perceptuelle guidée par le contenu de sources vidéos 89

5 Caractérisation perceptuelle des effets de pertes de paquets 91

5.1 Impact perceptuel d"une perte de paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.1.1 Travaux antérieurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.1.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.1.2.1 Sur la caractérisation de l"effet perceptuel des pertes de paquets 94

5.1.2.2 Sur l"introduction des pertes de paquets . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2 Simulation contrôlée de pertes de paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.1 Caractéristiques du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

TABLE DES MATIÈRES7

5.2.2 Mise en oeuvre du simulateur de pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.3 Méthodologie générale des tests subjectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.3.1 Les observateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.3.2 L"environnement de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3.3 Traitement des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3.4 Classes de méthodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3.4.1 La méthodologie choisie pour nos travaux . . . . . . . . . . . . . 100

5.4 Première caractérisation des effets perceptuels des pertes de paquets . . . . . . . 101

5.4.1 Les séquences de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.4.2 Création des séquences dégradées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.4.2.1 Codage et décodage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.4.2.2 Motifs de pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.4.2.3 Choix de la position temporelle des pertes . . . . . . . . . . . . 104

5.4.3 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.4.3.1 Qualité visuelle sans pertes de paquets . . . . . . . . . . . . . . 106

5.4.3.2 Influence combinée du débit et des pertes sur la qualité . . . . . 106

5.4.3.3 Qualité moyenne par débit en fonction du nombre de paquets

perdus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.4.3.4 Influence de la distribution des pertes sur la qualité visuelle . . . 108

5.4.3.5 Impact perceptuel du changement de scène en présence de pertes

de paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.4.3.6 Impact perceptuel de la position spatiale de la perte dans l"image 111

5.5 Identification de la relation entre le taux de pertes et la qualité visuelle . . . . . 113

5.5.1 Environnement de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.5.2 Séquences de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.5.2.1 Caractérisation de l"information spatiale . . . . . . . . . . . . . . 115

5.5.2.2 Caractérisation de l"information temporelle . . . . . . . . . . . . 115

5.5.2.3 Classification des contenus des séquences . . . . . . . . . . . . . 115

5.5.3 Motifs de pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.5.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.5.4.1 Perte d"une partie de l"image I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.5.4.2 Perte d"une image I entière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6 Étude du déploiement de l"attention visuelle en visualisation de séquences

vidéos125

6.1 L"attention visuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.1.1 Les mouvements oculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.1.2 Les mécanismes de sélection de l"attention visuelle . . . . . . . . . . . . . 127

6.2 Saillance ou régions d"intérêt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

TABLE DES MATIÈRES8

6.3 Le test de suivi des mouvements oculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

6.3.1 Objectifs du test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

6.3.2 Le dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6.3.3 Les séquences vidéos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.3.4 Codage et motifs de pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.3.5 Le déroulement de l"expérimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.3.6 Des données oculométriques à la saillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.3.6.1 L"algorithme de création des séquences de saillance . . . . . . . 137

6.3.6.2 Choix des valeurs des paramètres de l"algorithme . . . . . . . . . 139

6.4 Résultats et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.4.1 L"impact d"une perte sur le déploiement de l"attention visuelle . . . . . . 140

6.4.2 Pertes, attention visuelle et qualité visuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

IV Protection de régions d"intérêt au sein de flux vidéos 149

7 Amélioration de la robustesse de flux vidéos H.264/AVC par protection des

régions d"intérêt 151

7.1 Description de l"approche proposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

7.1.1 Des séquences de saillance aux régions d"intérêt . . . . . . . . . . . . . . . 152

7.1.2 Algorithme restrictif de prédiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

7.2 Première évaluation de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

7.2.1 Motifs de pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

7.2.2 La métrique objective de qualité VQM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

7.2.3 Résultats expérimentaux et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

7.3 Amélioration des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

7.3.1 Limitations du codage restrictif intra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

7.3.1.1 Identification des dépendances intra et inter-images . . . . . . . 164

7.3.1.2 Suivi de la propagation spatio-temporelle des dégradations . . . 164

7.3.2 Modification de la méthode de robustesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

7.3.2.1 Surcoût du codage intra contraint . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

7.3.2.2 Performances en présence de pertes . . . . . . . . . . . . . . . . 167

7.4 Discussion générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

7.4.1 Complexité de notre approche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

7.4.2 Choix de la métrique de qualité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

7.4.3 Comparaison de notre méthode avec d"autres techniques d"amélioration

de robustesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

TABLE DES MATIÈRES9

8 Extension de la méthode d"amélioration de robustesse des flux vidéos H.264/AVC

175

8.1 L"outil FMO au service des régions d"intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

8.1.1 Rappel sur l"organisation flexible de macroblocs FMO . . . . . . . . . . . 176

8.1.2 Codage intra dans les régions d"intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

8.1.3 Dépendance entre les régions d"intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

8.2 Tests subjectifs de qualité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8.2.1 Objectifs visés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8.2.2 Codage des séquences de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

8.2.3 Motifs de pertes utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

8.3 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

8.3.1 Importance perceptuelle de la région d"intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . 183

8.3.1.1 Étude du casIE <1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

8.3.1.2 Étude du casIE≥1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

8.3.2 Surcoût du codageRdI intraen l"absence de pertes . . . . . . . . . . . . . 185

8.3.2.1 Dégradation de qualité due à l"utilisation de FMO . . . . . . . . 185

8.3.2.2 Dégradation de qualité due au codageRdI intra. . . . . . . . . 186

8.3.3 Évaluation des performances des méthodes proposées . . . . . . . . . . . . 188

8.3.3.1 Performances deRdI intrapar contenu . . . . . . . . . . . . . . 188

8.3.3.2 Performances deRdI intrasur tous les contenus . . . . . . . . . 188

8.3.3.3 Performances du schémacodage RdI. . . . . . . . . . . . . . . . 190

8.3.3.4 Performances deRdI intraen présence de pertes autour de la RdI191

8.3.3.5 Performances ducodage RdI inter. . . . . . . . . . . . . . . . . 191

8.4 Discussion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Conclusion générale et perspectives 198

Bibliographie203

Introduction générale

11

Introduction générale13

Internet multimédia

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