Résultats objectifs des essais, Phase II du VQEG
7.2 Caractéristiques fondées sur les gradients spatiaux
Les caractéristiques déduites des gradients spatiaux peuvent servir à caractériser les distorsions perçues au niveau des contours. Par exemple, une perte générale d'informations relatives aux contours résulte d'un flou tandis qu'un excès d'informations relatives aux contours horizontaux et verticaux peut être lié à une distorsion due à une subdivision en blocs ou à un pavage. Les composantes Y du flux vidéo d'origine et du flux vidéo traité sont filtrées au moyen d'un filtre d'accentuation des contours horizontaux et d'un filtre d'accentuation des contours verticaux. Ces flux vidéo filtrés sont ensuite subdivisés en régions S-T à partir desquelles on extrait les caractéristiques, ou les statistiques récapitulatives, permettant de quantifier l'activité spatiale en fonction de l'angle d'orientation. Ces caractéristiques sont ensuite coupées à l'extrémité inférieure afin d'émuler les seuils de perceptibilité. Les filtres d'accentuation des contours, la taille de la région S-T et les seuils de perceptibilité ont été choisis sur la base de flux vidéo conformes à la Recommandation UIT-R BT.601 qui ont été évalués subjectivement à une distance de visualisation de six hauteurs d'image. La Fig. 28 présente un aperçu de l'algorithme utilisé pour extraire les caractéristiques fondées sur les gradients spatiaux.
1683-28
Yo Yp
fo(s, t) fp(s, t)
Application des seuils de perceptibilité Extraction des
caractéristiques des régions S-T
Filtre d'accentuation
des contours verticaux
Filtre d'accentuation
des contours horizontaux
FIGURE 28
Aperçu de l'algorithme utilisé pour extraire les caratéristiques fondées sur les gradients spatiaux
Filtre d'accentuation
des contours horizontaux Extraction des
caractéristiques des régions S-T Application des
seuils de perceptibilité
Filtre d'accentuation
des contours verticaux
7.2.1 Filtres d'accentuation des contours
Les images Y (de luminance) du flux vidéo d'origine et du flux vidéo traité sont d'abord traitées par des filtres d'accentuation des contours horizontaux et verticaux qui accentuent les contours tout en réduisant le bruit. Les deux filtres présentés sur la Fig. 29 sont appliqués séparément. Le premier (filtre de gauche) accentue les différences entre pixels horizontaux tout en procédant à un lissage vertical et le second (filtre de droite) accentue les différences entre pixels verticaux tout en procédant à un lissage horizontal.
1683-29
Les deux filtres sont transposés l'un de l'autre, ont une taille de 13 13, et ont pour coefficients de pondération: c: constante fixant la largeur du filtre passe-bande et
k: constante de normalisation choisie de manière que chaque filtre présente le même gain qu'un véritable filtre de Sobel [Jain, 1989].
L'expérience a montré que le filtrage optimal en passe-bande horizontal pour une distance de visualisation égale à six hauteurs d'image était réalisé pour un filtre avec c 2 présentant une réponse crête d'environ 4,5 cycles/degré. Les coefficients de pondération utilisés pour le filtre passe-bande sont les suivants:
[–0,0052625; –0,0173446; –0,0427401; –0,0768961; –0,0957739; –0,0696751; 0; 0,0696751;
0,0957739; 0,0768961; 0,0427401; 0,0173446; 0,0052625]
Il est à noter que les filtres de la Fig. 29 présentent une réponse passe-bas uniforme. Cette réponse a généré la meilleure évaluation de qualité et présente de plus l'avantage d'être efficace sur le plan des calculs (dans le cas du filtre de gauche de la Fig. 29 par exemple, il suffit de sommer les pixels d'une colonne et de multiplier le résultat par le coefficient de pondération).
7.2.2 Description des caractéristiques fSI13 et fHV13
Le présent paragraphe décrit l'extraction de deux caractéristiques d'activité spatiale des régions S-T de flux vidéo d'origine et traité aux contours accentués comme décrits au § 7.2.1. Ces caractéristiques servent pour la détection de dégradations spatiales telles que le flou et la subdivision en blocs. Le filtre présenté sur la Fig. 29 (à gauche) accentue les gradients spatiaux suivant la direction horizontale, H, alors que le transposé de ce filtre (à droite) accentue les gradients spatiaux suivant la direction verticale, V. On peut tracer pour chaque pixel la réponse de ces filtres H et V sur un diagramme à deux dimensions comme celui de la Fig. 30: la réponse du
filtre H correspond à l'abscisse et la réponse du filtre V correspond à l'ordonnée. Pour un pixel donné de l'image repéré par sa ligne i, sa colonne j et le temps t, les réponses des filtres H et V seront respectivement notées H(i, j, t) et V(i, j, t). On peut convertir ces réponses en coordonnées polaires (R, ) en utilisant les relations suivantes:
i, j,t Hi, j,t2 Vi, j,t2
R
et (102)
t j i H
t j i tg V
t j
i , ,
, , ,
, 1
1683-30
2
2
H V
R V(i, j, t)
H(i, j, t)
H V
FIGURE 30
Subdivision de l'activité spatiale horizontale (H) et verticale (V) en distribution HV (à gauche) et HV (droite)
rmin rmin
La première caractéristique, qui est une mesure de l'information SI globale, est désignée par fSI13 car les images ont été préalablement traitées par les filtres 13 13 présentés sur la Fig. 29. Cette caractéristique se calcule simplement comme l'écart type (std, standard deviation) sur la région S-T des échantillons R(i, j, t). Elle est ensuite coupée au seuil de perceptibilité P (ce qui signifie que fSI13
est fixé à P si le calcul de std donne un résultat inférieur à P). On obtient ainsi:
std , , / , , RégionS T
13 R i j t i j t
-fSI P (103)
Cette caractéristique est sensible aux modifications affectant la quantité globale d'activité spatiale au sein d'une région S-T donnée. Par exemple, un flou localisé entraîne une diminution de la quantité d'activité spatiale alors qu'un bruit accroît cette dernière. Le seuil P recommandé pour cette caractéristique est de 12.
La seconde caractéristique, fHV13, est sensible aux modifications de distribution angulaire (ou d'orientation) de l'activité spatiale. On calcule les images complémentaires avec les distributions de gradients spatiaux représentées en ombragé sur la Fig. 30. L'image avec les gradients horizontaux et verticaux, notée HV, contient les pixels R(i, j, t) correspondant à des contours horizontaux ou
verticaux (les pixels correspondant à des contours diagonaux sont mis à zéro). L'image avec les gradients diagonaux, notée HV, contient les pixels R(i, j, t) correspondant à des contours diagonaux (les pixels correspondant à des contours horizontaux ou verticaux sont mis à zéro). Les amplitudes de gradient R(i, j, t) inférieures à rmin sont mises à zéro dans les deux images pour garantir des calculs exacts de . On peut représenter mathématiquement les pixels de HV et HV de la façon suivante:
Pour les calculs de HV et HV ci-dessus, il est recommandé d'utiliser une valeur de 20 pour rmin et une valeur de 0,225 radians pour . La caractéristique fHV13 pour une région S-T donnée est ensuite obtenue comme étant le rapport entre la moyenne de HV et la moyenne de HV, ces moyennes étant coupées à leur seuil de perceptibilité P. On obtient ainsi:
caractéristique fHV13 est sensible aux modifications de distribution angulaire de l'activité spatiale au sein d'une région S-T donnée. Par exemple, si les contours horizontaux et verticaux sont plus flous que les contours diagonaux, la valeur de fHV13 du flux vidéo traité sera moins élevée que celle du flux vidéo d'origine. D'autre part, si des contours horizontaux ou verticaux erronés sont introduits (par exemple sous forme de distorsions liée à une subdivision en blocs ou à un pavage), la valeur de fHV13
du flux vidéo traité sera alors plus élevée que celle du flux vidéo d'origine. La caractéristique fHV13
fournit aussi un moyen simple pour tenir compte des variations de sensibilité du système visuel humain en fonction de l'angle d'orientation10.
1 0 Cet exposé de la caractéristique fHV13, quoique globalement valable, est quelque peu simplifié. Par exemple, lorsqu'il rencontre certaines formes, le filtre fHV13 se comporte d'une manière qui peut être contraire à l'intuition (par exemple un coin formé par une ligne horizontale et une ligne verticale conduira à une énergie diagonale).