Efficient compression of motion compensated residuals

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Rate distortion control in digital video coding

Lossy compression is widely applied for coding visual information in applications such as entertainment in order to achieve a high compression ratio. In this case, the video quality worsens as the compression ratio increases. Rate control tries to use the bit budget properly so the visual distortion is minimized. Rate control for H.264, the state-of-the-art hybrid video coder, is investigated. Based on the Rate-Distortion (R-D) slope analysis, an operational rate distortion optimization scheme for H.264 using Lagrangian multiplier method is proposed. The scheme tries to find the best path of quantization parameter (OP) options at each macroblock. The proposed scheme provides a smoother rate control that is able to cover a wider range of bit rates and for many sequences it outperforms the H.264 (JM92 version) rate control scheme in the sense of PSNR. The Bath University Matching Pursuit (BUMP) project develops a new matching pursuit (MP) technique as an alternative to transform video coders. By combining MP with precision limited quantization (PLO) and multi-pass embedded residual group encoder (MERGE), a very efficient coder is built that is able to produce an embedded bit stream, which is highly desirable for rate control. The problem of optimal bit allocation with a BUMP based video coder is investigated. An ad hoc scheme of simply limiting the maximum atom number shows an obvious performance improvement, which indicates a potential of efficiency improvement. An in depth study on the bit Rate-Atom character has been carried out and a rate estimation model has been proposed. The model gives a theoretical description of how the oit number changes. An adaptive rate estimation algorithm has been proposed. Experiments show that the algorithm provides extremely high estimation accuracy. The proposed R-D source model is then applied to bit allocation in the BUMP based video coder. An R-D slope unifying scheme was applied to optimize the performance of the coder'. It adopts the R-D model and fits well within the BUMP coder. The optimization can be performed in a straightforward way. Experiments show that the proposed method greatly improved performance of BUMP video coder, and outperforms H.264 in low and medium bit rates by up to 2 dB.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Livrable D3.3 of the PERSEE project : 2D coding tools

49Livrable D3.3 du projet ANR PERSEECe rapport a été réalisé dans le cadre du projet ANR PERSEE (n° ANR-09-BLAN-0170). Exactement il correspond au livrable D3.3 du projet. Son titre : 2D coding tool

State of the art in 2D content representation and compression

Livrable D1.3 du projet ANR PERSEECe rapport a été réalisé dans le cadre du projet ANR PERSEE (n° ANR-09-BLAN-0170). Exactement il correspond au livrable D3.1 du projet

Video coding based on fractals and sparse representations

Orientador: Hélio PedriniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Vídeos são sequências de imagens estáticas representando cenas em movimento. Transmitir e armazenar essas imagens sem nenhum tipo de pré-processamento necessitaria de enormes larguras de banda nos canais de comunicação e uma quantidade massiva de espaço de armazenamento. A fim de reduzir o número de bits necessários para tais dados, foram criados métodos de compressão com perda. Esses métodos geralmente consistem em um codificador e um decodificador, tal que o codificador gera uma sequência de bits que representa uma aproximação razoável do vídeo através de um formato pré-especificado e o decodificador lê essa sequência, convertendo-a novamente em uma série de imagens. A transmissão de vídeos sob restrições extremas de largura de banda tem aplicações importantes como videoconferências e circuitos fechados de televisão. Neste trabalho são abordados dois métodos destinados a essa aplicação, decomposição usando representações esparsas e compressão fractal. A ampla maioria dos codificadores tem como mecanismo principal o uso de transformações inversíveis capazes de representar imagens espacialmente suaves com poucos coeficientes não-nulos. Representações esparsas são uma generalização dessa ideia, em que a transformação tem como base um conjunto cujo número de elementos excede a dimensão do espaço vetorial onde ela opera. A projeção dos dados pode ser feita a partir de uma heurística rápida chamada Matching Pursuit. Uma abordagem combinando essa heurística com um algoritmo para gerar a base sobrecompleta por aprendizado de máquina é apresentada. Codificadores fractais representam uma aproximação da imagem como um sistema de funções iterativas. Para isso, criam e transmitem uma sequência de comandos, chamada colagem, capazes de obter uma representação da imagem na escala original dada a mesma imagem em uma escala reduzida. A colagem é criada de tal forma que, se aplicada a uma imagem inicial qualquer repetidas vezes, reduzindo sua escala antes de toda iteração, converge em uma aproximação da imagem codificada. Métodos simplificados e rápidos para a criação da colagem e uma generalização desses métodos para a compressão de vídeos são apresentados. Ao invés de construir a colagem tentando mapear qualquer bloco da escala reduzida na escala original, apenas um conjunto pequeno de blocos é considerado. O método de compressão proposto para vídeos agrupa um conjunto de quadros consecutivos do vídeo em um fractal volumétrico. A colagem mapeia blocos tridimensionais entre as escalas, considerando uma escala menor tanto no tempo quanto no espaço. Uma adaptação desse método para canais de comunicação cuja largura de banda é instável também é propostaAbstract: A video is a sequence of still images representing scenes in motion. A video is a sequence of extremely similar images separated by abrupt changes in their content. If these images were transmitted and stored without any kind of preprocessing, this would require a massive amount of storage space and communication channels with very high bandwidths. Lossy compression methods were created in order to reduce the number of bits used to represent this kind of data. These methods generally consist in an encoder and a decoder, where the encoder generates a sequence of bits that represents an acceptable approximation of the video using a certain predefined format and the decoder reads this sequence, converting it back into a series of images. Transmitting videos under extremely limited bandwidth has important applications in video conferences or closed-circuit television systems. Two different approaches are explored in this work, decomposition based on sparse representations and fractal coding. Most video coders are based on invertible transforms capable of representing spatially smooth images with few non-zero coeficients. Sparse representations are a generalization of this idea using a transform that has an overcomplete dictionary as a basis. Overcomplete dictionaries are sets with more elements in it than the dimension of the vector space in which the transform operates. The data can be projected into this basis using a fast heuristic called Matching Pursuits. A video encoder combining this fast heuristic with a machine learning algorithm capable of constructing the overcomplete dictionary is proposed. Fractal encoders represent an approximation of the image through an iterated function system. In order to do that, a sequence of instructions, called a collage, is created and transmitted. The collage can construct an approximation of the original image given a smaller scale version of it. It is created in such a way that, when applied to any initial image several times, contracting it before each iteration, it converges into an approximation of the encoded image. Simplier and faster methods for creating a collage and a generalization of these methods to video compression are presented. Instead of constructing a collage by matching any block from the smaller scale to the original one, a small subset of possible matches is considered. The proposed video encoding method creates groups of consecutive frames which are used to construct a volumetric fractal. The collage maps tridimensional blocks between the different scales, using a smaller scale in both space and time. An improved version of this algorithm designed for communication channels with variable bandwidth is presentedMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computaçã

3D Wavelet Transformation for Visual Data Coding With Spatio and Temporal Scalability as Quality Artifacts: Current State Of The Art

Several techniques based on the three–dimensional (3-D) discrete cosine transform (DCT) have been proposed for visual data coding. These techniques fail to provide coding coupled with quality and resolution scalability, which is a significant drawback for contextual domains, such decease diagnosis, satellite image analysis. This paper gives an overview of several state-of-the-art 3-D wavelet coders that do meet these requirements and mainly investigates various types of compression techniques those exists, and putting it all together for a conclusion on further research scope

Video Coding Using a Deformation Compensation Algorithm Based on Adaptive Matching Pursuit Image Decompositions

Today's video codecs employ motion compensated prediction in combination with block matching techniques. These techniques, although achieving some level of adaptivity in their latest versions, continue to rely on the decomposition of frames on a set of artificial primitives: blocks. This paper presents a new approach to video coding. A geometrically adaptive image decomposition scheme using an over-complete basis is used to represent the scene. Using Matching Pursuit (MP), we are able to express local features such as position, anisotropic scale and orientation in terms of a set of spatio-frequential primitives. In order to perform frame prediction, only the changes in the parameters that determine these functions from frame to frame will have to be coded. Such an approach, in addition to being able to catch displacements in images deals as well in a natural way with local scale deformations and local rotations

Contributions in image and video coding

Orientador: Max Henrique Machado CostaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A comunidade de codificação de imagens e vídeo vem também trabalhando em inovações que vão além das tradicionais técnicas de codificação de imagens e vídeo. Este trabalho é um conjunto de contribuições a vários tópicos que têm recebido crescente interesse de pesquisadores na comunidade, nominalmente, codificação escalável, codificação de baixa complexidade para dispositivos móveis, codificação de vídeo de múltiplas vistas e codificação adaptativa em tempo real. A primeira contribuição estuda o desempenho de três transformadas 3-D rápidas por blocos em um codificador de vídeo de baixa complexidade. O codificador recebeu o nome de Fast Embedded Video Codec (FEVC). Novos métodos de implementação e ordens de varredura são propostos para as transformadas. Os coeficiente 3-D são codificados por planos de bits pelos codificadores de entropia, produzindo um fluxo de bits (bitstream) de saída totalmente embutida. Todas as implementações são feitas usando arquitetura com aritmética inteira de 16 bits. Somente adições e deslocamentos de bits são necessários, o que reduz a complexidade computacional. Mesmo com essas restrições, um bom desempenho em termos de taxa de bits versus distorção pôde ser obtido e os tempos de codificação são significativamente menores (em torno de 160 vezes) quando comparados ao padrão H.264/AVC. A segunda contribuição é a otimização de uma recente abordagem proposta para codificação de vídeo de múltiplas vistas em aplicações de video-conferência e outras aplicações do tipo "unicast" similares. O cenário alvo nessa abordagem é fornecer vídeo com percepção real em 3-D e ponto de vista livre a boas taxas de compressão. Para atingir tal objetivo, pesos são atribuídos a cada vista e mapeados em parâmetros de quantização. Neste trabalho, o mapeamento ad-hoc anteriormente proposto entre pesos e parâmetros de quantização é mostrado ser quase-ótimo para uma fonte Gaussiana e um mapeamento ótimo é derivado para fonte típicas de vídeo. A terceira contribuição explora várias estratégias para varredura adaptativa dos coeficientes da transformada no padrão JPEG XR. A ordem de varredura original, global e adaptativa do JPEG XR é comparada com os métodos de varredura localizados e híbridos propostos neste trabalho. Essas novas ordens não requerem mudanças nem nos outros estágios de codificação e decodificação, nem na definição da bitstream A quarta e última contribuição propõe uma transformada por blocos dependente do sinal. As transformadas hierárquicas usualmente exploram a informação residual entre os níveis no estágio da codificação de entropia, mas não no estágio da transformada. A transformada proposta neste trabalho é uma técnica de compactação de energia que também explora as similaridades estruturais entre os níveis de resolução. A idéia central da técnica é incluir na transformada hierárquica um número de funções de base adaptativas derivadas da resolução menor do sinal. Um codificador de imagens completo foi desenvolvido para medir o desempenho da nova transformada e os resultados obtidos são discutidos neste trabalhoAbstract: The image and video coding community has often been working on new advances that go beyond traditional image and video architectures. This work is a set of contributions to various topics that have received increasing attention from researchers in the community, namely, scalable coding, low-complexity coding for portable devices, multiview video coding and run-time adaptive coding. The first contribution studies the performance of three fast block-based 3-D transforms in a low complexity video codec. The codec has received the name Fast Embedded Video Codec (FEVC). New implementation methods and scanning orders are proposed for the transforms. The 3-D coefficients are encoded bit-plane by bit-plane by entropy coders, producing a fully embedded output bitstream. All implementation is performed using 16-bit integer arithmetic. Only additions and bit shifts are necessary, thus lowering computational complexity. Even with these constraints, reasonable rate versus distortion performance can be achieved and the encoding time is significantly smaller (around 160 times) when compared to the H.264/AVC standard. The second contribution is the optimization of a recent approach proposed for multiview video coding in videoconferencing applications or other similar unicast-like applications. The target scenario in this approach is providing realistic 3-D video with free viewpoint video at good compression rates. To achieve such an objective, weights are computed for each view and mapped into quantization parameters. In this work, the previously proposed ad-hoc mapping between weights and quantization parameters is shown to be quasi-optimum for a Gaussian source and an optimum mapping is derived for a typical video source. The third contribution exploits several strategies for adaptive scanning of transform coefficients in the JPEG XR standard. The original global adaptive scanning order applied in JPEG XR is compared with the localized and hybrid scanning methods proposed in this work. These new orders do not require changes in either the other coding and decoding stages or in the bitstream definition. The fourth and last contribution proposes an hierarchical signal dependent block-based transform. Hierarchical transforms usually exploit the residual cross-level information at the entropy coding step, but not at the transform step. The transform proposed in this work is an energy compaction technique that can also exploit these cross-resolution-level structural similarities. The core idea of the technique is to include in the hierarchical transform a number of adaptive basis functions derived from the lower resolution of the signal. A full image codec is developed in order to measure the performance of the new transform and the obtained results are discussed in this workDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia Elétric

Colour image coding with wavelets and matching pursuit

This thesis considers sparse approximation of still images as the basis of a lossy compression system. The Matching Pursuit (MP) algorithm is presented as a method particularly suited for application in lossy scalable image coding. Its multichannel extension, capable of exploiting inter-channel correlations, is found to be an efficient way to represent colour data in RGB colour space. Known problems with MP, high computational complexity of encoding and dictionary design, are tackled by finding an appropriate partitioning of an image. The idea of performing MP in the spatio-frequency domain after transform such as Discrete Wavelet Transform (DWT) is explored. The main challenge, though, is to encode the image representation obtained after MP into a bit-stream. Novel approaches for encoding the atomic decomposition of a signal and colour amplitudes quantisation are proposed and evaluated. The image codec that has been built is capable of competing with scalable coders such as JPEG 2000 and SPIHT in terms of compression ratio