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Régulation de débit pour MPEG-4 SVC

Stratégies d’encodage pour codeur vidéo scalable. Yohann Pitrey Encadrement : M. Babel, O. Déforges IETR – Équipe Image et Télédétection UMR 6164 INSA de Rennes 16 Septembre 2009. Régulation de débit pour MPEG-4 SVC. Plan. Introduction

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Régulation de débit pour MPEG-4 SVC

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Presentation Transcript

  1. Stratégies d’encodage pour codeur vidéo scalable Yohann PitreyEncadrement : M. Babel, O. DéforgesIETR – Équipe Image et Télédétection UMR 6164INSA de Rennes16 Septembre 2009 Régulation de débit pour MPEG-4 SVC

  2. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour codage vidéo scalable • Outils et méthodologie • Contributions • Conclusion et perspectives

  3. Codage vidéo Objectif :Réduire le volume de données nécessaire pour représenter une séquence d’images Applications : Stockage de vidéos : 4.7 Go MPEG-4 AVC : 4 heures Sans codage : 5 minutes 704 x 576 pixels25 img/seconde Transmission de vidéos :

  4. Solution 1: simulcast (flux vidéo indépendants) Codage vidéo et cibles hétérogènes Problème : Réseaux et terminaux hétérogènes

  5. Plusieurs couches scalabilité spatiale scalabilité en qualité scalabilité temporelle Codage vidéo scalable Solution 2 : codage vidéo scalable (un flux unique) Avantage : Codage conjoint des couches économie de données

  6. Amélioration du rapport qualité/débit Qualité Débit Débit sans régulation Débit avec régulation Débit consigne Débit Images Images Stratégies d’encodage • Optimisation débit/distorsion • Améliorer les outils de codage • Augmenter le rapport qualité/débit • Régulation de débit • Choisir les paramètres d’encodage • Respecter une consigne

  7. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils et méthodologie • Contributions • Conclusion et perspectives

  8. Cibles hétérogènes Contraintes deTransmission Contrainte de Latence faible Régulation de débit pour le Codage Vidéo Scalable Contexte actuel de diffusion de vidéos : Transmission Décodage Acquisition Lecture Encodage Contraintes : Décodage • Codage vidéo scalable • Régulation de débit : • Fine • Par couche • Complexité faible en calculs

  9. Plan • Introduction • Problématique :Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils et méthodologie • MPEG-4 SVC • Régulation de débit • Contributions • Conclusion et perspectives

  10. Séquence d’imagesnon compressée = * 011001001100011001001100101100111001 + = 11001000110011 Flux vidéo compressé Schéma de codage MPEG-4 AVC Codage entropique Prédiction Transformée Quantification

  11. Prédiction Transformée Quantification Couche de base Prédiction inter-couches Prédiction Transformée Quantification Rehaussement spatial Prédiction inter-couches Codage entropique Codage entropique Codage entropique Codage entropique Prédiction Transformée Quantification Rehaussement en qualité Prédiction inter-couches Flux vidéo compressé Prédiction Transformée Quantification Rehaussement temporel Schéma de codage scalable MPEG-4 SVC

  12. MPEG-4 SVC • Extension de la norme MPEG-4 AVC • Couche de base compatible avec MPEG-4 AVC • Un encodeur de référence : JSVM • Plan de vérification de la norme • Comparaison des performances avec MPEG-4 AVC • Configurations scalables types

  13. Intra Prédiction Bi-prédiction I P B Efficacité de codage Images B hiérarchiques B B B B B B Efficacité de codage B I P Types et Groupes d’Images • Types d’images • Différents outils de prédiction : • Intra image • Inter images, 1 image de référence • Inter images, 2 images de référence • Groupes d’images (GOP) hiérarchiques

  14. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils et méthodologie • MPEG-4 SVC • Régulation de débit • Contributions • Conclusion et perspectives

  15. Niveau séquence Niveau GOP Niveau image Niveau macrobloc Finesse Complexité Niveaux de régulation

  16. Répartition de budget • Budget : nombre de bits souhaité • Niveau GOP • Budget constant par GOP • Niveau image • Budget constant par image ou • Budget en fonction du type d’image

  17. Bloc transformé Bloc quantifié QP i j z Quantification -26 -4 -6 2 2 -1 0 0 -10 -1 -2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 -2 -4 1 1 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 -3 1 5 -1 -1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 -4 1 2 -1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 5 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 51 3 3 598 Codage entropique Transformée Prédiction Respect du budget • Niveau image : • Choix du paramètre de quantification (QP) : q = 0  quantification faible q = 51  quantification forte

  18. Problème :Comment choisir le QP ? Deux types d’approches : Recherche exhaustive : Encoder l’image avec toutesles valeurs de QP possibles  Forte complexité Modèle de débit : Approximation de la relation R(q) par une fonction paramétrique  Faible complexité Budget à respecter : Rt Valeur de QP optimale : Relation entre débit et QP : R q Respect du budget : stratégies

  19. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils utilisés • Contributions • Choix et validation d’un modèle de débit pour MPEG-4 SVC • Régulation en deux passes • Régulation et qualité d’image constante • Régulation en une passe • Conclusion et perspectives

  20. Relation ρ débit linéaire 1. Modèle linéaire de ρ(R) : Calcul du QP optimal : Débit (kb) 2. Relation ρ(q) : ρ Précision élevée Complexité faible • Corrélation ρ  R forte • Relation ρ(q) exacte • Relation ρ(R) linéaire • Relation ρ(q) simple Un modèle de débit adapté : Le ρ-domaine Définition : ρ = % de coefficients transformés annulés après quantification Points clés :

  21. Validation du ρ-domaine pour MPEG-4 SVC Deux hypothèses à vérifier : • relation ρ(q) valide • relation ρ(R) linéaire • Vérification expérimentale : • Tracé R(ρ) pour configurations scalables représentatives • Plan de Vérification MPEG-4 SVC • Encodage avec q = 0,…,51

  22. Relation R(ρ) pour SVC  Relation linéaire pour l’ensemble des configurations testées : Scalabilité spatiale Scalabilité en qualité Scalabilité temporelle

  23. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils utilisés • Contributionsapportées • Choix et validation d’un modèle de débit pour MPEG-4 SVC • Régulation en deux passes • Régulation et qualité d’image constante • Régulation en une passe • Conclusion et perspectives

  24. Régulation de débit Valeurs initiales Respect du budget : 2 passes 1ère passe : valeurs initiales 2ème passe : encodage final

  25. Compensation des erreurs Répartition de budget • Niveau GOP • Budget constant par GOP : • Niveau image • Budget constant par image : Cl = contrainte en bits par seconde Sl = taille d’un GOP de la couche l Fl = nb. d’img par sec. dans la couche l

  26. Résultats expérimentaux Débits par GOP Scalabilité spatiale - séquence HOCKEY

  27. Budget réel R(qt ) Rt Budget alloué R(qt+1) Résultats expérimentaux Débits par image Scalabilité spatiale - séquence HOCKEY Effet de seuil dû à la régulation niveau image :

  28. Variations de la qualité Effet de scintillement de la qualité : Scalabilité en qualité - séquence CITY

  29. Scalabilité en qualité – séquence HARBOUR Scalabilité temporelle – séquence CITY Variations de qualité : Origine des variations : B3 Efficacitéde codage PSNR B2 B1 P images Résultats : variations de la qualité

  30. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils utilisés • Contributionsapportées • Choix et validation d’un modèle de débit pour MPEG-4 SVC • Régulation en deux passes • Régulation et qualité d’image constante • Régulation en une passe • Conclusion et perspectives

  31. Efficacitéde codage Qualité constante par GOP Objectif : Obtenir un PSNR constant sur toutes les images d’un GOP. Problème : Différences d’efficacité de codage entre les types et niveaux d’images. • Efficacité de codage : • Liée à la relation entre débit et qualité • Relation difficile à caractériser

  32. Valeur d’un coefficient quantifié dans SVC : Coefficient transformé Terme de décalage constant Coefficient quantifié Relation Débit(1/2q/6) q : valeur de QP utilisée Relation PSNR(1/2q/6) Image 1 Image 2 PSNR constant Image 2 Image 1 b2 b1 1/(2q1/6) 1/(2q2/6) Lien entre débit et qualité

  33. Approximation linéaire de PSNR(1/(2q/6)) : Approximation linéaire de Débit(1/(2q/6)) : Relation Débit(1/2q/6) Relation PSNR(1/2q/6) Image 1 Image 2 PSNR constant Image 2 Image 1 b2 b1 1/(2q1/6) 1/(2q2/6) Approximation linéaire des relations

  34. Approximation linéaire de PSNR(1/(2q/6)) : Approximation linéaire de Débit(1/(2q/6)) : Mesure de l’efficacité de codaged’une image : Répartition de budget image : Calculée après la 1ère passe : qf : QP utilisé pour la 1ère passebf : débit obtenu par la 1ère passe Budget de l’image Budget du GOP Valeur relative de Kfdans le GOP Mesure d’efficacité de codage

  35. Résultats : Comparaison visuelle Budget constant par image : Budget selon l’efficacité de codage :

  36. Résultats : PSNR Budget constant par image : Scalabilité spatiale – séquence SOCCER Scalabilité en qualité – séquence HARBOUR Budget selon l’efficacité de codage : Scalabilité spatiale – séquence SOCCER Scalabilité en qualité – séquence HARBOUR

  37. Débits par image Résultats : précision de la régulation Débits par GOP Scalabilité spatiale – séquence HARBOUR

  38. Résultats : temps d’encodage Temps moyen d’encodage par image

  39. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils utilisés • Contributionsapportées • Choix et validation d’un modèle de débit pour MPEG-4 SVC • Régulation en deux passes • Régulation et qualité d’image constante • Régulation en une passe • Conclusion et perspectives

  40. B B B B B B B B B B B B B B P P P P Initialisation du modèle de débit • Besoin d’une phase d’initialisation • Modèle de débit :ρ0, R0, coefficients transformés • Mesure d’efficacité de codage Kf: qf et bf • Exploitation dépendances temporelles entre images : GOP précédent GOP courant ... ... Image courante Image de référencepour la régulation de débit

  41. Résultats : débits par image Débits par image (2 passes) Débits par image (1 passe) SOCCER – scalabilité en qualité

  42. Résultats : PSNR 2 passes 2 passes 1 passe 1 passe SOCCER – scalabilité en qualité HARBOUR – scalabilité spatiale

  43. Résultats : temps d’encodage Temps moyen d’encodage par image

  44. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils utilisés • Contributions apportées • Choix et validation d’un modèle de débit pour MPEG-4 SVC • Régulation en deux passes • Régulation et qualité d’image constante • Régulation en une passe • Conclusion et perspectives

  45. Conclusion • Objectif : • Développer un schéma de régulation de débit adapté à un codage vidéo scalable • MPEG-4 SVC • Contraintes applicatives fortes • Bilan des contributions : • Validation d’un modèle de débit sur MPEG-4 SVC • Régulation fine • Faible complexité • Qualité constante

  46. Plan • Introduction • Problématique : Régulation de débit pour le Codage vidéo scalable • Outils utilisés • Contributions apportées • Choix et validation d’un modèle de débit pour MPEG-4 SVC • Régulation en deux passes • Régulation et qualité d’image constante • Régulation en une passe • Conclusion et perspectives

  47. Image courante Corrélations des QP entre les couches : Image précédente de même type dans la même couche Même image dans la couche de base Travaux préliminaires • Régulation inter-couches • Initialisation du modèle de débit avec l’image de la couche de base • Problème de mise à l’échelle

  48. Travaux préliminaires Régulation en une passe Régulation inter-couches

  49. Répartition et selon efficacité de codage Répartition après correction HARBOUR – qualité Travaux préliminaires • Budget image adaptatif • Comparaison de la qualité a posteriori • Correction de la répartition de budget niveau image

  50. Perspectives • Prise en compte du buffer de transmission • Étude de différentes politiques de contrôle de buffer • Interdépendances des données inter-couches • Mesures perceptuelles de qualité

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