Codage par pr´ediction

Le codage pr´edictif Intra exploite les redondances spatiales conjointement avec une pr´ediction et une transformation du r´esiduel engendr´e. Il peut ˆetre d´efini par quatre attributs principaux : le partitionnement du macrobloc (forme et taille des partitions), l’ordre de parcours des partitions, les pr´edicteurs utilis´es pour calculer le r´esiduel et naturellement la transformation de ce r´esiduel. Nous ´etudierons donc dans cette section les diff´erentes possibilit´es propos´ees dans la litt´erature pour ces quatre attributs.

1.2.1.1 Partitionnement

Le codage Intra de la norme H.264/AVC utilise trois partitionnements du macrobloc : 16×16, 8×8 et 4×4 comme montr´e dans la figure 1.3. Ces trois partitionnements sont mis en comp´etition au niveau macrobloc. Dans [Wie01] les partitionnements utilis´es pour le codage Inter de la norme H.264/AVC (16×16, 16×8, 8×16, 8×8, 8×4, 4×8, 4×4) ont ´et´e propos´es pour le codage Intra. Dans cette proposition, le codage Intra dispose du mˆeme partitionnement que le codage Inter, am´eliorant ainsi l’efficacit´e de ce codage grˆace `a la multiplication des possibilit´es de codage. Dans [ZZM+<sub>04]</sub> les auteurs proposent de d´ecouper le macrobloc en deux parties ´egales, en fonction des contours traversant ce macrobloc. Ce d´ecoupage peut ˆetre vertical ou horizontal. Finalement dans [DEY+<sub>07]</sub> deux nouveaux modes, de taille 16×16 et 8×8, sont ajout´es aux modes Intra de la r´ef´erence. Ces nouveaux modes contiennent des partitions g´eom´etriques d´ecoup´ees `a l’aide de lignes param´etriques, le codage de cette segmentation pour les modes Inter ayant ´et´e propos´e dans [BDB05]. De plus, les auteurs utilisent une interpolation lin´eaire des pixels adapt´ee `a ces partitions g´eom´etriques. Ce travail est int´eressant puisqu’il n’est pas bas´e sur un partitionnement carr´e ou rectangulaire du macrobloc comme dans les standards et la majorit´e des propositions. Ces partitionnements am´eliorent le sch´ema de r´ef´erence.

(a) Intra 16×16 (b) Intra 8×8 (c) Intra 4×4

Figure 1.3 – Partitionnements de l’Intra de la norme H.264/AVC. Le signal de r´ef´erence pour le premier bloc est repr´esent´e en gris. Les num´eros `a l’int´erieur des blocs correspondent `a l’ordre de parcours des partitionnements.

1.2.1.2 Ordre de parcours des partitions

La norme H.264/AVC utilise un ordre lexicographique dit “raster” pour le parcours des blocs 8×8 et 4×4 d’un macrobloc, comme nous pouvons le voir dans la figure 1.3. Cet ordre permet uniquement d’avoir un signal de r´ef´erence en haut et `a gauche. La m´ethode BIP (Bidirectional Intra Prediction) [STC07] utilise un ordre de parcours qui commence par le bloc le plus en bas `a droite d’un groupe de quatre blocs, ce qui permet d’utiliser des pr´edictions bidirectionnelles. Cet ordre propos´e pour les blocs 4×4 et 8×8 est repr´esent´e dans la figure 1.4. Dans cette m´ethode, la distance spatiale entre les pixels du bloc 1 et les pixels de r´ef´erence est plus ´elev´ee que dans la norme H.264/AVC. Cependant les pixels de r´ef´erence du bloc 2 proviennent de 3 directions (en haut, `a gauche et en bas), de mˆeme pour le bloc 3 (en haut, `a gauche et `a droite). Pour le bloc 4, les pixels de r´ef´erence entourent le bloc, permettant ainsi d’augmenter l’efficacit´e de la pr´ediction Intra. Ce concept d’ordres de parcours multiples pour une partition a ´et´e d´ecrit dans [GLH04]. Les auteurs proposent d’utiliser cette m´ethode pour un partitionnement compos´e de quatre blocs, ce qui repr´esente 24 ordres de parcours possibles. Cependant seulement deux ou quatre ordres de parcours sont utilis´es dans les r´esultats exp´erimentaux. Notons que cette description inclut le cas de la m´ethode BIP. Dans [LHS06] les auteurs proposent d’utiliser la m´ethode DPCM (Differential Pulse Code Modulation) pour chaque bloc 4×4. Pour cette m´ethode, chaque pixel est pr´edit `a l’aide d’un pixel pr´ec´edemment d´ecod´e, horizontal ou vertical en fonction de la pr´ediction choisie. Cette technique peut seulement ˆetre appliqu´ee au codage sans perte. Cette m´ethode est judicieuse car elle utilise les pixels voisins du pixel `a pr´edire, mais elle ne peut pas ˆetre utilis´ee pour un codage avec pertes. Dans [Tom07] l’image est “retourn´ee” verticalement et/ou horizontalement engendrant ainsi quatre images possibles. L’image donnant le meilleur coˆut d´ebit-distorsion est alors s´electionn´ee. L’efficacit´e de la m´ethode repose sur les caract´eristiques asym´etriques de la pr´ediction Intra. Le meilleur gain est obtenu sur une image contenant uniquement des rayures que les huit directions des pr´edicteurs des modes Intra 4×4 et 8×8 ne peuvent pr´edire efficacement. Il serait int´eressant de

Normes de compression en codage d’images fixes 17

tester cette m´ethode au niveau bloc.

(a) Intra 4×4 BIP (b) Intra 8×8 BIP

Figure 1.4 – Ordre de parcours de l’Intra 8×8 et l’Intra 4×4 dans la m´ethode BIP.

1.2.1.3 Pr´edicteurs Intra

Le calcul des pr´edicteurs est l’attribut le plus ´etudi´e dans la litt´erature. Rappelons que la norme H.264/AVC utilise quatre pr´edicteurs pour le partitionnement 16×16 et neuf pr´edicteurs pour les partitionnements 4×4 et 8×8. Ces pr´edicteurs sont calcul´es avec la ligne en haut et la colonne de gauche du bloc courant qui appartiennent `a des blocs d´ej`a d´ecod´es. Pour le mode 16×16, le pr´edicteur vertical est une copie de la ligne au-dessus du macrobloc pour chacune des lignes du pr´edicteur. De mˆeme le pr´edicteur horizontal est une copie de la colonne de gauche dans chacune des colonnes du pr´edicteur. Le troisi`eme pr´edicteur (DC) est la moyenne de la ligne du haut et de la colonne de gauche. Ce pr´edicteur correspond `a une pr´ediction, dans le domaine transform´e, du premier coefficient du bloc. Enfin le pr´edicteur plane est la moyenne, pixel `a pixel (dans le sens diagonal), de la ligne du haut et la colonne de gauche. Les neufs pr´edicteurs Intra, repr´esent´es dans la figure 1.5, sont le pr´edicteur DC et huit autres pr´edicteurs correspondant `a huit directions, incluant les directions verticale et horizontale. Les pr´edicteurs pour les blocs de taille 8×8 sont construits de la mˆeme mani`ere. Les indices des pr´edicteurs Intra 4×4 et 8×8 subissent eux aussi une forme de pr´ediction. En effet, si le pr´edicteur est ´egal au pr´edicteur le plus probable, un seul bit sera transmis au d´ecodeur dans le cas du CAVLC ou un seul bit sera utilis´e pour la binarisation dans le cas du CABAC. Si le pr´edicteur n’est pas ´egal `a ce pr´edicteur le plus probable, la valeur du pr´edicteur sera cod´ee ou binaris´ee avec 4 bits. Le pr´edicteur le plus probable est calcul´e en fonction des deux blocs voisins en haut et `a gauche.

En consid´erant que l’outil de compensation de mouvement sous-pixellique est efficace pour l’ex- ploitation des redondances temporelles, dans [PPJ07] de nouveaux pr´edicteurs sont g´en´er´es `a l’aide des filtres utilis´es pour la cr´eation du demi pixel. Cependant cette m´ethode engendre des gains faibles sans mˆeme que l’information li´ee `a ces nouveaux modes de codage n’ait ´et´e cod´ee. Dans [MTKY07a] l’analogie avec les multiples images de r´ef´erence pour la compensation de mouvement est faite pour

les pr´edicteurs spatiaux. Les pr´edicteurs sont calcul´es avec plusieurs lignes ou colonnes de r´ef´erence au lieu d’une seule ligne et une seule colonne voisines dans la r´ef´erence. Dans [MTKY07b] les auteurs proposent des pr´edictions Intra pond´er´ees, g´en´er´ees avec un gradient. Dans [TYTA07] diff´erents en- sembles de directions pour les pr´edicteurs Intra sont utilis´es. Ces directions sont ajout´ees entre les huit directions des modes Intra 4×4 et 8×8. Cette m´ethode augmente le nombre de pr´edicteurs pour la comp´etition et les gains obtenus sont plus encourageants (pr`es de 3% en profil Baseline Intra) que ceux obtenus avec les m´ethodes [PPJ07] et [MTKY07a]. L’augmentation du nombre de pr´edicteurs pour le codage Intra a aussi ´et´e ´etudi´e dans [ZZM+_{04] pour le standard vid´eo AVS. Ce standard} utilise, comme H.264/AVC, une pr´ediction spatiale pour le codage des images Intra. Les pr´edicteurs ajout´es proviennent de trois techniques : 32 directions contre 8 pour la r´ef´erence, des r´esolutions multiples dans le mˆeme esprit que l’article [PPJ07], des lignes de r´ef´erences multiples comme dans [MTKY07a].

A l’oppos´e de ces travaux qui multiplient le nombre de pr´edictions possibles, les auteurs du papier [MT05] proposent d’ajouter un mode de taille 16×16 qui prend en consid´eration pour chaque bloc 4×4 les blocs 4×4 pr´ec´edemment d´ecod´es, ce qui correspond au mode Intra 4×4 avec un seul pr´edicteur pour tout le macrobloc au lieu des 16 n´ecessaires pour la r´ef´erence. Lorsque l’on ´etudie la s´election des modes Intra, ce nouveau mode remplace `a la fois le mode 16×16 classique mais aussi le mode 4×4. Cela signifie que le d´ebit des pr´edicteurs de l’Intra 4×4 est parfois trop ´elev´e par rapport aux possibilit´es de codage offertes.

D’autres m´ethodes proposent d’am´eliorer le sch´ema de pr´ediction `a l’aide d’un raffinement de l’erreur de pr´ediction. Dans [HNEY+<sub>07], le choix d’utiliser ou non le raffinement bas´e sur des ca-</sub> ract´eristiques des blocs voisins est fait `a l’aide du crit`ere d´ebit-distorsion bloc par bloc ou macrobloc par macrobloc. Dans [YNK07] une DCT 1D est utilis´ee pour calculer l’´energie des blocs voisins. Cette ´energie est ensuite ajout´ee aux pr´edicteurs Intra utilis´es. L’id´ee est de garder l’´energie des blocs voisins qui est perdue avec le processus de construction des pr´edicteurs Intra.

Dans la recherche de pr´edicteurs toujours plus ´elabor´es, les auteurs de [YC02] et [KSK04] pro- posent, en analogie avec la compensation de mouvement du codage Inter, l’utilisation de pr´edicteurs provenant d’une recherche ´equivalente `a celle de l’estimation de mouvement. Les vecteurs provenant de cette recherche sont cod´es de la mˆeme mani`ere que ceux des modes Inter. Dans [KTCS06] un “template matching” est utilis´e pour la cr´eation de nouveaux pr´edicteurs pour le codage Intra.

Finalement les partitionnements et les ordres de parcours de partitions propos´es dans [DEY+_07], [GLH04] et [STC07] requi`erent la cr´eation de pr´edicteurs adapt´es `a ces modifications.

1.2.1.4 Transform´ee

Les r´esiduels Intra de la norme H.264/AVC peuvent ˆetre transform´es, comme les r´esiduels Inter, soit avec une DCT 4×4 soit avec une DCT 8×8. Dans [Wie01] la taille de la transform´ee DCT est adapt´ee `a chaque taille des nouvelles partitions propos´ees pour le codage Intra. Le mˆeme auteur a aussi propos´e [Wie03] d’utiliser une taille de transform´ee adapt´ee au partitionnement du macrobloc pour le codage Inter avec succ`es. Enfin dans [Kar07], un ensemble de transform´ees KLT est associ´e `a chaque direction de pr´ediction (`a chaque pr´edicteur de l’Intra). Dans ce cas, la transform´ee est adapt´ee `a la direction exploit´ee par le pr´edicteur s´electionn´e.

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Figure 1.5 – Les neuf pr´edicteurs des blocs Intra 4×4 de la norme H.264/AVC.

La transform´ee est une ´etape incontournable en codage d’images. Cet outil est int´egr´e dans les normes de compression d’image sans mˆeme utiliser un module de pr´ediction. Comme nous allons le voir dans la section suivante, ces codages peuvent parfois ˆetre plus efficaces que le codage Intra d’H.264/AVC.