1.2 Normes de compression en codage d’images fixes
1.2.2 Les standards de codage d’images
Le groupe JPEG (Joint Picture Expert Group) JTC1/SC29/WG1 a ´et´e form´e par l’ITU et l’ISO dans le but de collaborer `a la normalisation d’un standard de codage d’images. Ce groupe a donn´e naissance `a la norme tr`es utilis´ee du codage d’images fixes JPEG [JPEG] en 1992. Cette norme d´efinit une segmentation de l’image en blocs de taille 8×8. Ces blocs sont ensuite transform´es avec la DCT, puis les coefficients sont quantifi´es et cod´es `a l’aide d’un codeur entropique. On retrouve une partie du sch´ema global de cette norme dans le sch´ema de la norme H.264/AVC. En effet, pour les slices I, si l’on enl`eve le module de codage pr´edictif Intra, on obtient le mˆeme sch´ema (d´ecoupage en bloc, transform´e, quantification, codage entropique).
Le groupe JPEG a normalis´e le standard JPEG 2000 en 2001 [JPEG2000]. Pour cette norme, le groupe s’est fix´e, en plus de l’objectif de proposer un standard plus efficace que JPEG, des contraintes sur le format des images d´ecodables, et sur le type de contenu de ces images. JPEG 2000 a ´et´e con¸cu pour pouvoir coder des images naturelles, m´edicales, des images de texte, des graphiques etc. L’id´ee est d’avoir une seule norme pour toutes les applications. Ce standard comporte un mode de compression sans perte en plus du mode de compression avec pertes. Il est possible de d´efinir des r´egions d’int´erˆet (ROI). Son principal atout est sa scalabilit´e en r´esolution. C’est-`a-dire que d’un mˆeme flux JPEG 2000 on peut extraire plusieurs r´esolutions d’une mˆeme image sans d´ecoder l’image dans sa plus haute r´esolution.
Le codage de JPEG 2000 s’effectue en cinq ´etapes. La premi`ere est une ´etape de pr´etraitement consistant `a d´ecouper l’image en “tuiles” puis `a d´ecorr´eler les composantes de couleur de ces tuiles `a l’aide d’une transform´ee. Le d´ecoupage en tuiles permet de r´eduire l’espace m´emoire durant l’appli- cation de l’algorithme, en segmentant l’ex´ecution tuile par tuile. L’autre utilit´e est de permettre de
d´ecoder uniquement une partie de l’image. Le d´ecoupage en tuiles engendre une baisse de l’efficacit´e globale de codage. La norme JPEG 2000 permet donc d’utiliser une seule tuile par image.
La deuxi`eme ´etape transforme les pixels des tuiles avec la transform´ee en ondelettes discr`ete (DWT pour Discrete Wavelet Transform). Cette transform´ee permet une repr´esentation multir´eso- lution. La transform´ee int´egr´ee dans JPEG 2000 est la transform´ee en ondelettes de Daubechies avec des filtres 9/7 [ABMD92] pour le codage avec pertes et la transform´ee en ondelettes r´eversible avec des filtres 5/3 pour le codage sans perte. Dans cette transform´ee, chaque tuile est d’abord filtr´ee avec un filtre passe-bas et un filtre passe-haut sur les lignes, suivi d’un sous-´echantillonnage d’un facteur deux. A cette ´etape nous obtenons deux signaux qui sont chacun filtr´es et sous-´echantillonn´es passe- haut et passe-bas sur les colonnes. Nous obtenons alors quatre sous-bandes, dont les coefficients repr´esentent les fr´equences verticales et horizontales du signal original. La sous-bande filtr´ee passe- bas en lignes puis passe-bas en colonnes donne une imagette d’approximation. Les trois autres sous-bandes contiennent les d´etails horizontaux, verticaux et diagonaux, comme illustr´e dans la figure 1.6. Pour la d´ecomposition en niveaux sup´erieurs, on appliquera le mˆeme proc´ed´e sur les coefficients d’approximation.
Comme les autres standards de codage d’image et de vid´eo avec pertes, la norme JPEG 2000 utilise une ´etape de quantification. Dans cette ´etape, les coefficients des sous-bandes sont quantifi´es uniform´ement avec une zone morte centrale. Chaque sous-bande peut avoir son propre coefficient de quantification adapt´e au contenu [Use01]. Les coefficients quantifi´es de chaque sous-bande sont d´ecoup´es en blocs et les coefficients de ces blocs sont ensuite cod´es avec un codage arithm´etique. Enfin, les bitstreams de chacun de ces blocs sont rang´es dans le bitstream final.
Figure 1.6 – D´ecomposition en ondelettes de l’image Lena sur trois niveaux avec un banc de filtres 9/7.
Le standard JPEG 2000 offre des gains significatifs par rapport `a son pr´ed´ecesseur JPEG et propose de nombreuses fonctionnalit´es nouvelles. Les gains obtenus par rapport `a JPEG sont de environ 10% `a haut d´ebit et ils atteignent 50% `a bas d´ebit [CC00]. Ce codeur d’image a modifi´e l’´etape fondamentale de JPEG : la transform´ee. Comme on l’a vu pr´ec´edemment, le codage de la norme H.264/AVC propose un codage pr´edictif des blocs dans le domaine pixel. Cependant les autres ´etapes de codage sont sensiblement ´equivalentes au codage de la norme JPEG. Il est alors int´eressant de comparer ces deux normes afin d’´evaluer ces deux diff´erentes strat´egies de codage.
Les ´etudes comparatives entre JPEG 2000 et le codage Intra H.264/AVC sont nombreuses et ob- tiennent g´en´eralement les mˆemes conclusions. Dans [MWG05] le profil High de la norme H.264/AVC
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est compar´e au standard JPEG 2000 sur des images monochromes. Les performances des deux co- deurs sont identiques pour cette configuration. Cependant, si la transform´ee DCT 8×8 est d´esactiv´ee, le standard JPEG 2000 obtient de meilleures performances. Des tests identiques ont ´et´e pr´esent´es dans [GMW04] et [Top05] sur un ensemble de s´equences HD et rapportent une sup´eriorit´e du codage Intra du profil High par rapport `a JPEG 2000 aux alentours de 0.2-1.0 dB. Dans [ODE06] et [ODE07] JPEG 2000 est compar´e au profil Main et au profil High de H.264/AVC, utilisant uniquement des slices Intra (nous noterons dans la suite ces configurations Main III et High III). JPEG 2000 obtient de meilleurs r´esultats que le Main III pour les s´equences de haute r´esolution. Cependant, pour les s´equences de basse r´esolution, le Main III et le High III sont syst´ematiquement plus efficaces que JPEG 2000. Notons que dans [ODE07] les outils utilis´es du profil High III et de JPEG 2000 ont ´et´e choisis pour obtenir la meilleure efficacit´e de codage pour chacune des deux normes. Le profil High III est meilleur en moyenne que JPEG 2000 pour toutes les r´esolutions. N´eanmoins, pour certaines s´equences JPEG 2000 est plus efficace. Le standard MJPEG 2000 [MJPEG2000], qui est l’extension de JPEG 2000 pour les s´equences vid´eo, est compar´e au profil Main III de la norme H.264/AVC et au codeur PACC dans [MGC03]. Le codeur PACC [MC97] est un codeur d’image et de vid´eo bas´e sur les ondelettes. Notons que MJPEG 2000, comme son pr´ed´ecesseur MJPEG [MJPEG], exploite uniquement les redondances spatiales dans la vid´eo. Des r´esultats similaires `a l’´etat de l’art sont obtenus. Le codeur PACC obtient une meilleure efficacit´e de codage que le profil Main III pour ces basses r´esolutions. Il aurait ´et´e int´eressant de le comparer au profil High III.
Pour que l’´etude soit compl`ete, il faut aussi comparer l’efficacit´e en termes de complexit´e de calcul. Dans [ARK+04] les deux normes sont compar´ees en termes de d´ebit-distorsion avec des mesures objectives (PSNR) et subjectives (MOS pour “Mean Opinion Score”) de la qualit´e. Les auteurs proposent aussi une ´etude de complexit´e au niveau du d´ecodeur pour le JM 7.3 [JM] de la norme H.264/AVC en donnant le nombre d’op´erations pour chacune des ´etapes du d´ecodage. L’´etude de complexit´e de JPEG 2000 est faite sur l’impl´ementation Jasper [Jasper]. La conclusion obtenue par les auteurs est que l’Intra d’H.264/AVC est plus efficace que JPEG 2000 en termes de qualit´e objective et subjective, n´eanmoins JPEG 2000 a une complexit´e de calcul moindre. Cette conclusion est un peu hˆative puisque le JM n’est pas un code optimis´e. Le but de ce logiciel est seulement informatif, il ne refl`ete absolument pas la complexit´e r´eelle de la norme. De mˆeme, l’impl´ementation Jasper ne refl`ete pas la complexit´e de calcul de JPEG 2000 puisqu’il est, lui aussi, un logiciel `a but informatif.
Dans le chapitre 3 nous allons, pour confirmer les r´esultats de l’´etat de l’art, comparer l’efficacit´e du codage de la norme H.264/AVC pour le profil Baseline III et le profil High III avec la norme JPEG 2000.