Brevet FR2969892A1 — publié le 20120629

Procédé et dispositif d'adaptation de débit d'un flux vidéo compressé transmis dans un environnement contraint La présente invention porte sur un procédé et un dispositif d'adaptation de débit d'un flux vidéo compressé en vue d'une transmission sur un canal à débit contraint. Elle s'applique avantageusement à un flux vidéo pour lequel chaque image est compressée séparément des autres, c'est-à-dire sans prendre en compte les redondances temporelles pouvant exister et sans appliquer de méthodes de prédiction de mouvement. ~o L'invention s'applique notamment aux flux vidéo compressés à l'aide des standards « Motion JPEG » ou « Motion JPEG 2000 ». Dans la suite de la description, il sera fait référence au standard Motion JPEG2000 ou M-JPEG2000 étant entendu que l'invention s'applique de façon identique à tout codeur image ou vidéo similaire pour lequel chaque 15 image est compressée séparément à l'intérieur du flux vidéo. Un des problèmes que cherche à résoudre l'invention concerne l'adaptation des caractéristiques d'un flux compressé M-JPEG2000 aux contraintes d'un canal de transmission à débit limité, typiquement un canal 20 de transmission radio. Un flux compressé délivré par un codeur JPEG2000 possède la capacité de regrouper, dans un même flux, plusieurs versions de la même image à différentes résolutions mais aussi à différents niveaux de qualité. On parle classiquement de scalabilité pour désigner la capacité d'un codeur source à produire, dans un unique flux, plusieurs versions de la 25 même image accessibles pour l'utilisateur. En particulier, un flux compressé selon la norme M-JPEG2000 est un flux à multi résolutions spatiales. Il est classiquement composé de sous-bandes obtenues suite à l'application d'une transformée en ondelettes à une image. Chaque sous-bande représente l'image d'origine à une résolution inférieure. Connaissant le débit maximal 30 disponible sur la liaison de transmission, il est possible d'adapter le flux compressé en supprimant certaines sous-bandes de façon à respecter le débit contraint. Le flux compressé résultant de cette adaptation aboutira, après décodage, à une image de résolution plus faible. Un problème à résoudre dans ce contexte concerne la sélection des sous-bandes à transmettre de façon à minimiser la distorsion induite sur l'image finale. L'adaptation de débit peut également être effectuée, à l'opposé, en augmentant le débit total du flux par application d'un code correcteur d'erreurs sur une ou plusieurs sous-bandes de façon à minimiser la distorsion résultant de l'impact d'erreurs de transmission sur ces sous-bandes. ~o De plus, les décodeurs M-JPEG permettent de mettre en oeuvre des techniques de masquage d'erreur s'appuyant sur la corrélation temporelle existant entre plusieurs images successives. Ainsi, certaines parties d'une image décodée peuvent être reconstruites à partir des informations présentes dans une ou plusieurs images antérieures dans le flux. La 15 redondance temporelle existant entre certaines images successives peut être exploitée en amont afin de reconstruire à la résolution maximale une image reçue à une résolution inférieure. On connait la demande de brevet française du Demandeur publiée 20 sous le numéro FR2944935. Elle décrit un procédé d'estimation du débit et de la distorsion d'une image compressée par un codeur source de type JPEG2000. Ce procédé permet d'estimer la distorsion induite par l'impact d'erreurs de transmission sur certaines parties d'un flux compressé JPEG 2000. Par contre, elle ne prend pas en compte la capacité d'un décodeur M- 25 JPEG 2000 à masquer les erreurs résultant de la perte entière d'une sous-bande à partir d'une compensation de mouvement entre une image clef et l'image reçue. La présente invention propose un dispositif et un procédé permettant 30 d'adapter finement le débit d'un flux compressé M-JPEG2000 en estimant l'impact final en termes de distorsion de la perte d'une sous-bande ou de la transmission d'une ou plusieurs images du flux à une résolution inférieure. L'invention prend en compte la capacité du décodeur à compenser les erreurs à partir de la corrélation temporelle entre deux images successives. L'invention permet d'adapter le débit de chaque image pour minimiser la distorsion globale de la séquence vidéo. L'invention est mise en oeuvre sur un flux compressé et peut être exécutée dans un dispositif de transcodage délocalisé du codeur source. L'invention a notamment pour objet un procédé d'adaptation du débit d'un flux vidéo comportant une pluralité N d'images compressées Icn à une pluralité de résolutions spatiales et/ou une pluralité de couches de qualité, lesdites images étant compressées séparément les unes des autres, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : définir au moins une image clef Io parmi lesdites images que comporte le flux, pour chaque image compressée Icn courante et pour chaque point de troncature k correspondant à une résolution spatiale et/ou une couche de qualité disponible pour cette image, exécuter les étapes suivantes : - tronquer ladite image compressée Icn courante audit point 20 de troncature k afin de produire une image compressée et tronquée le n consommant un débit Dkn, - Décompresser l'image clef compressée Ico, l'image compressée Icn courante et l'image compressée et tronquée ICkn, 25 - déterminer, à partir de l'image tronquée décompressée Ikn, une image reconstruite IRn à la résolution spatiale et/ou couche de qualité de l'image clef lo en compensant les mouvements estimés entre l'image clef Io et l'image courante tronquée Ik n, 30 - déterminer une estimée de la distorsion Qk n entre l'image reconstruite IRn et l'image courante In décompressée, déterminer pour toutes les images I' dudit flux vidéo, hormis la ou les images clefs lo, les points de troncature knopt optimum qui N minimisent la somme des distorsions E4nP` et qui respectent n=1 l'inégalité suivante EDnkP` produire un flux vidéo compressé adapté en débit, composé de la ou des images clefs Ico et des images compressées et tronquées en auxdits points de troncature knopt optimum. Dans un aspect particulier de l'invention, les distorsions h,k n sont déterminées par un calcul d'erreur quadratique moyenne ou de PSNR. Dans une variante de réalisation le procédé selon l'invention comporte en outre les étapes suivantes : déterminer, pour chaque image compressée Icn courante, pour 15 chaque point de troncature k et pour chaque rendement R; de codes correcteurs, pris dans un ensemble de codes correcteurs donné, le débit D,~'k = Dn consommé par ladite image compressée R; Icn protégée par ledit code correcteur de rendement R;, déterminer, pour chaque image compressée Icn courante, pour 20 chaque point de troncature k et pour chaque rendement R; de codes correcteurs, une estimée de la distorsion 0''kn entre d'une part une image reconstruite IRn à partir de l'image clef Io et de l'image compressée, tronquée Ickn, protégée par ledit code correcteur et corrompue par des erreurs dont la probabilité 25 d'apparition Pae est connue et d'autre part l'image courante In décompressée, déterminer pour toutes les images In dudit flux vidéo, hormis la ou les images clefs lo, les codes correcteur de rendements optimum R, qui minimisent la somme des distorsions N n E&Pl'-°°` et qui n n=1 N respectent l'inégalité suivante ~Dnp' le' D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, un synoptique d'une chaine de transmission d'un flux vidéo compressé comportant un dispositif d'adaptation de débit selon l'invention, la figure 2, un organigramme illustrant le procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 3, un synoptique d'un dispositif d'adaptation de débit selon 10 l'invention. La figure 1 décrit un synoptique d'une chaine de transmission d'un flux vidéo compressé. Un codeur source 101 réalise la compression d'une séquence vidéo comportant une pluralité d'images. Cette compression est 15 effectuée par exemple en respectant le standard M-JPEG ou M-JPEG2000. Le flux résultant compressé est transmis à travers un premier canal de propagation 110, avantageusement un canal filaire à débit non contraint puis est reçu par un dispositif 102, selon l'invention, d'adaptation du débit dudit flux compressé. Une telle adaptation est réalisée en diminuant le débit utile 20 du flux par suppression de certaines de ses composantes ou/et en augmentant le débit total par insertion de données de redondance en vue de protéger telle ou telle partie du flux. Le dispositif 102 selon l'invention produit en sortie un flux compressé adapté qui est transmis sur un canal 120 de propagation à débit contraint. En bout de chaine, le flux est reçu par un 25 décodeur source 103 qui réalise le décodage du flux compressé et éventuellement la reconstruction d'une partie du flux par masquage d'erreurs. La figure 2 représente, sous forme d'un organigramme, le procédé 30 selon l'invention mis en oeuvre par le dispositif 102 d'adaptation de débit. Dans une étape préalable 200, une image, parmi la pluralité d'images composant le flux vidéo reçu, est sélectionnée comme image clef lo. Cette image est transmise intégralement et consomme un débit donné D,o. L'image clef Io sert par la suite d'image référence pour estimer le mouvement entre cette image et une image ultérieure dans le flux. Dans un mode particulier de l'invention, l'image clef est choisie initialement comme étant la première du flux vidéo puis est mise à jour au cours du procédé selon des modalités décrites ultérieurement. Le procédé selon l'invention vise notamment à adapter le débit transmis pour chaque image compressée. Pour une image In ultérieure à l'image clef Io au sein du flux, une étape de troncature 201 est appliquée. L'image compressée Icn est composée, notamment, d'une pluralité de sous-bandes chacune relative à une résolution spatiale ou une couche de qualité donnée. L'étape de troncature 201 consiste à supprimer une ou plusieurs sous-bandes du flux compressé, ou tout autre élément équivalent du flux compressé, dans le but de produire un flux compressé contenant l'image originale à une résolution spatiale différente et/ou avec un niveau de qualité différent. Par la suite l'indice k désignera un point de troncature associé à une résolution spatiale particulière et/ou une couche de qualité parmi celles disponibles effectivement dans le flux compressé correspondant à l'image Icn. Cet indice est utilisé à des fins purement descriptives et ne présume pas d'une hiérarchie particulière dans les résolutions spatiales ou les couches de qualités. Par souci de simplicité, l'invention est à présent décrite en considérant uniquement une troncature du flux aboutissant à une variation de la résolution spatiale. L'étape 201 consiste à tronquer une ou plusieurs sous bandes de l'image compressée Icn, de façon à ce que l'image compressée tronquée Ickn corresponde à une image décodée de résolution k. Dans une étape 202, l'image clef compressée Ico, l'image compressée Icn et l'image compressée tronquée Ickn sont décodées de façon à produire une image clef Io décodée, une image In courante décodée et une image Ikn courante décodée à la résolution spatiale k. Dans une étape 203, une estimation et une compensation de mouvement est réalisée entre l'image clef lo et l'image courante Ikn à la résolution spatiale k. Si le mouvement entre l'image clef Io et l'image courante In est faible ou homogène dans un nombre limité de zones de l'image alors l'étape 203 de compensation de mouvement permet de générer une image reconstruite IRn très proche de l'image courante In à la résolution spatiale la plus élevée, c'est-à-dire celle de l'image clef lo. Au contraire si le mouvement entre les deux images est important ou quasi-aléatoire alors l'image reconstruite IRn présentera une distorsion élevée avec l'image courante In. Avantageusement, la méthode utilisée pour estimer et compenser le mouvement est la même que celle réalisée in fine par le décodeur 103. Toute méthode connue permettant d'estimer le mouvement entre deux images d'un flux vidéo et permettant de produire un vecteur de compensation de mouvement est compatible de l'invention. Dans une étape 204, une distorsion Ak n est calculée entre l'image IRn reconstruite à partir de l'image courante Ikn décodée à la résolution associée d'indice k et l'image courante In. A cette distorsion est associé le débit utile Dkn de l'image compressée tronquée Ickn. La distorsion Akn est, par exemple, prise égale à l'erreur quadratique moyenne entre les deux images ou à la mesure du PSNR (« Peak Signal to Noise Ratio »). Les étapes 201,202,203,204 sont réitérées pour l'ensemble K des sous bandes disponibles pour la compression de l'image courante IN. Lorsque tous les couples {Ak n, Dk n} de distorsion et débit ont été calculés pour une image, le procédé est réitéré pour l'ensemble N des images qui composent le flux. Dans une étape finale 205, un choix d'adaptation de débit est réalisé en sélectionnant le point de troncature, d'indice knopt le plus optimum pour chaque image du flux. Cette sélection est réalisée de façon à minimiser la somme des distorsions estimées à l'étape 204 pour chaque image tout en garantissant que le débit total du flux compressé est inférieur à un débit maximum égal au débit disponible sur le lien de transmission moins le débit Dio consommé par l'image clef lo éventuellement compressée faiblement. L'étape 205 consiste donc à déterminer l'ensemble des indices { k" opt } pour N n variant entre 1 et N qui minimise la somme EAk:' tout en respectant n=1 N l'inégalité ED'k° respecte les contraintes d'optimisation précitées. Les images compressées tronquées Eck aux résolutions et/ou aux couches de qualité associées à l'indice k= k" opt sont choisies pour être 10 transmises à travers le canal de propagation vers leur destination. L'image clef lo qui est, par exemple, la première image du flux vidéo considéré, peut être mise à jour au cours du déroulement du procédé. Le choix d'une nouvelle image clef lo peut être déterminé par une entité externe 15 au procédé et peut être modifié à tout instant. Si l'image courante ln est définie comme image clef, alors elle remplace l'image clef précédente lo et le procédé se poursuit de la façon décrite. Dans une variante de réalisation de l'invention, l'image clef est mise à jour lorsque la distorsion moyenne, sur l'ensemble des résolutions 20 disponibles, entre l'image courante I" et l'image reconstruite IR" est supérieure à un seuil donné. Lorsque ce seuil est dépassé, l'image courante In devient l'image clef lo. Dans une autre variante de réalisation de l'invention (non représentée 25 à la figure 2), le procédé détermine en outre le rendement du code correcteur à appliquer sur l'image compressée tronquée en fonction d'une consigne de rapport signal à bruit sur le canal de transmission. En effet si la consigne de débit de transmission est suffisante, il peut être avantageux d'augmenter le possibles des sommes débit du flux compressé par ajout de données de redondance de façon à protéger ce flux contre les erreurs de transmission et ainsi minimiser la distorsion de l'image décodée. Dans une étape supplémentaire 204bis (non représentée à la figure 2), le calcul du couple débit/distorsion est effectué en outre pour plusieurs rendements de code correcteurs appliqué à chaque point de troncature d'indice k et chaque image d'indice n. Soit R; le rendement d'un code correcteur, parmi les NR codes correcteurs disponibles, appliqué à l'image compressée tronquée 'Cr,. L'indice i est utilisé pour identifier un rendement ~o R; parmi ceux disponibles. L'indice i peut prendre des valeurs entières entre 1 et le nombre de rendements disponibles NR. Le débit total consommé par cette image compressée tronquée est alors égal à Dn,k = D--!-i . La distorsion R, est recalculée également en prenant en compte l'impact des erreurs de transmission engendrées par un canal de propagation qui présente une 15 probabilité d'apparition d'erreur P'ae donnée pour un rendement de code correcteur R; et un rapport signal à bruit cible. La probabilité d'apparition d'erreur peut être estimée à partir de courbes de probabilité d'erreur du code correcteur en fonction du rapport signal à bruit sur un canal gaussien. Elle peut également être mesurée par des moyens externes à l'invention. La 20 distorsion entre l'image reconstruite IRn et l'image courante In en prenant en compte la probabilité d'apparition d'erreur P'ae peut s'exprimer à l'aide de la relation suivante 4i,k = Akn + (1- (1-Pa`e)T.k.') OkO,n avec TI1,k,Î la taille n ae s en bits, de l'image tronquée compressée Ickn protégée par le code correcteur de rendement R; ,Ok n est la distorsion précédemment calculée à l'étape 204 25 lorsque l'impact des erreurs de transmission n'est pas pris en compte et Qk o,n est la distorsion engendrée lorsque l'image tronquée compressée Ickn est totalement corrompue ou perdue. L'étape 204bis du procédé selon l'invention aboutit donc, après itération sur l'ensemble des codes correcteurs disponibles, à une liste de couples distorsion et débit {o''k n, D''k n} pour chaque image d'indice n, chaque résolution spatiale d'indice k et chaque code correcteur d'indice i. L'étape 205 est ensuite adaptée pour déterminer, pour chaque image, non seulement le point de troncature optimum knopt mais également le rendement de code correcteur optimal inopt afin de minimiser la distorsion N totale E0`n"k p` sur le flux vidéo tout en respectant la contrainte de débit cible n=1 donnée par l'inégalité ED;°°"k P` détermination de l'ensemble des couples d'indices { kn opt , in opt }. Les images compressées tronquées Eck n aux points de troncature k= kn opt et protégées par un code correcteur R; d'indice i= in opt sont choisies pour être transmises à travers le canal de propagation vers leur destination. Les codes correcteurs utilisés peuvent être des codes convolutifs ou des codes en blocs, systématiques. Leur rendement doit être déterminable ainsi que la probabilité d'apparition d'erreur pour un flux binaire protégé par un tel code correcteur et transmis sur un canal de propagation de rapport signal à bruit connu. Ils peuvent être intégrés dans le flux compressé en utilisant les marqueurs de redondance fournis par la norme JPWL (partie 11 du standard JPEG 2000). La figure 3 représente un synoptique du dispositif d'adaptation de débit 102 selon l'invention. Le dispositif 102 reçoit un flux vidéo compressé 300 transmis par un codeur source 101 et produit en sortie un flux vidéo compressé 310 dont le débit est adapté au débit cible du canal de propagation 120 par troncature d'une partie des résolutions spatiales et optionnellement par application d'un code correcteur d'erreurs. Le dispositif 102 selon l'invention comporte des moyens adaptés à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Une image clef lo est déterminée soit par des moyens extérieurs à l'invention soit par les moyens propres à l'invention décrits précédemment. Un dispositif de troncature 301 délivre, à partir d'une image compressée Icn, une image compressée tronquée Ickn à la résolution spatiale et/ou la couche de qualité correspondant au point de troncature d'indice k ainsi que son débit Dkn associé. Un décodeur source 302 réalise la décompression de l'image clef Ico, de l'image compressée courante Icn et de l'image compressée tronquée Ickn. Un dispositif 303 d'estimation et de compensation de mouvement produit, à partir de l'image clef décompressée lo et de l'image Ikn tronquée au point de troncature k, une image reconstruite IRn à la résolution spatiale la plus élevée, c'est-à-dire celle de l'image clef. Le dispositif 303 est avantageusement identique aux moyens mis en oeuvre par le décodeur source 103 pour réaliser un masquage d'erreurs sur une image décompressée. La distorsion 4kn entre l'image courante In et l'image reconstruite IRn est déterminée, pour chaque image In et chaque point de troncature k envisagé par des moyens de calcul 304. Dans une variante de réalisation de l'invention, une nouvelle distorsion 4''k n et un nouveau débit D''k n sont déterminés, par des moyens de calcul 304bis confondus ou non avec les moyens de calcul 304, pour chaque rendement R; de code correcteur appliqué à l'image compressée tronquée Ickn. Des moyens 305 de résolution numérique déterminent l'ensemble optimum, selon l'invention, de points de troncature et de rendements de code d'indices { kn opt , in opt } qui permettent de minimiser la distorsion moyenne sur le flux vidéo composé de l'ensemble des images compressées séparément tout en respectant la consigne de débit maximum disponible sur le canal de transmission. Le flux vidéo compressé adapté 310 est composé des images compressées tronquées Ickn aux points de troncature kn opt déterminés par les moyens de résolution 305 et optionnellement protégées par les codes correcteurs de rendement R;, avec i= in opt, également déterminés par les moyens 305. Le flux 310 est ensuite transmis vers sa destination. Sans sortir du cadre de l'invention et comme indiqué ci-dessus, la décomposition du flux compressé 300 en sous-bandes associées à des résolutions spatiales différentes peut être remplacée, sans aucune modification du procédé selon l'invention, par une décomposition en paquets associés à différents niveaux de qualité pour la même image. La troncature du flux effectuée à l'étape 301 n'aura alors pas pour effet de faire varier la résolution spatiale de l'image mais de faire varier son niveau de qualité. REVENDICATIONS1. Procédé d'adaptation du débit d'un flux vidéo (300) comportant une pluralité N d'images compressées (Icn) à une pluralité de résolutions spatiales et/ou une pluralité de couches de qualité, lesdites images étant compressées séparément les unes des autres, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : définir au moins une image clef (lo) parmi lesdites images que 10 comporte le flux, pour chaque image compressée (Icn) courante et pour chaque point de troncature (k) correspondant à une résolution spatiale et/ou une couche de qualité disponible pour cette image, exécuter les étapes suivantes : 15 - tronquer (301) ladite image compressée (Icn) courante audit point de troncature (k) afin de produire une image compressée et tronquée (Ick n) consommant un débit (Dkn), - décompresser (302) l'image clef compressée (Ica), l'image compressée (Icn) courante et l'image compressée et 20 tronquée (Ickn), - déterminer (303), à partir de l'image tronquée décompressée (Ikn), une image reconstruite (IRn) à la résolution spatiale et/ou couche de qualité de l'image clef (lo) en compensant les mouvements estimés entre l'image 25 clef (lo) et l'image courante tronquée (Ik n), - déterminer (304) une estimée de la distorsion (AI' n) entre l'image reconstruite (IRn) et l'image courante (In) décompressée, déterminer (305) pour toutes les images (In) dudit flux vidéo (300), 30 hormis la ou les images clefs (lo), les points de troncature (knopt)N optimum qui minimisent la somme des distorsions IOnP` et qui n=1 respectent l'inégalité suivante 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les distorsions (Ok 10 n) sont déterminées par un calcul d'erreur quadratique moyenne ou de PSNR. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : 15 déterminer (304bis), pour chaque image compressée (Icn) courante, pour chaque point de troncature (k) et pour chaque rendement (R;) de codes correcteurs, pris dans un ensemble de k codes correcteurs donné, le débit D''k = Dn consommé par ladite R; image compressée (Icn) protégée par ledit code correcteur de 20 rendement (R;), déterminer (304bis), pour chaque image compressée (Icn) courante, pour chaque point de troncature (k) et pour chaque rendement (R;) de codes correcteurs, une estimée de la distorsion (A''kn) entre d'une part une image reconstruite (IRn) à partir de 25 l'image clef (lo) et de l'image compressée, tronquée (Ickn), protégée par ledit code correcteur et corrompue par des erreurs dont la probabilité d'apparition Pae est connue et d'autre part l'image courante (In) décompressée,déterminer (305) pour toutes les images (In) dudit flux vidéo (300), hormis la ou les images clefs (lo), les codes correcteur de rendements optimum R.,, qui minimisent la somme des distorsions tops N et qui respectent l'inégalité suivante n=1 N n E Dn p k" « Dm* - DIo , n=1 produire un flux vidéo compressé (310) adapté en débit, composé de la ou des images clefs (Ico) et des images compressées et tronquées (Ickn) auxdits points de troncature (knopt) optimum et protégées par les codes correcteurs de rendement optimum Ri:. p 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la distorsion (É'k n) est déterminée à l'aide de la relation suivante nk = (1- Pi 1T",k,i k + (1- (1- paie )Ti,k,f ).Don , avec P'ae la probabilité d'apparition d'erreur donnée pour un rendement de code correcteur R; et un rapport signal à bruit cible, Tn,k,; la taille, en bits, de l'image tronquée compressée Ickn protégée par le code correcteur de rendement R; et Oko,n la distorsion engendrée lorsque l'image tronquée compressée en est totalement corrompue ou perdue. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'image clef (lo) est initialement choisie comme la première image dudit flux vidéo (300) et est mise à jour à l'image courante (In) lorsque la distorsion (h,k n A''k n) dépasse un seuil donné. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les images dudit flux vidéo (300) sont compressées à l'aide du standard M-jpeg 2000. 7. Dispositif (102) d'adaptation de débit adapté à recevoir un flux vidéo (300) comportant une pluralité d'images compressées (Ici) à une pluralité de résolutions spatiales et à délivrer un flux vidéo (310) compressé dont le débit est inférieur à un débit cible et dont la distorsion moyenne est minimisée, ledit dispositif (102) comportant des moyens adaptés à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 6.