Perceptual models for high-refresh-rate rendering

Rendering realistic images requires substantial computational power. With new high-refresh-rate displays as well as the renaissance of virtual reality (VR) and augmented reality (AR), one cannot expect that GPU performance will scale fast enough to meet the requirements of immersive photo-realistic rendering with current rendering techniques. In this dissertation, I follow the dual of the well-known computer vision approach: vision is inverse graphics: to improve graphical algorithms, I consider the operation of the human visual system. I propose to model and exploit the limitations of the visual system in the context of novel high-refresh-rate displays; specifically, I focus on spatio-temporal perception, a topic that has received remarkably less attention than spatial-only perception so far. I present three main contributions. First, I demonstrate the validity of the perceptual approach by presenting a conceptually simple rendering technique motivated by our eyes' limited sensitivity to high spatio-temporal change which reduces the rendering load and transmission requirement of current-generation VR headsets without introducing perceivable visual artefacts. Second, I present two visual models related to motion perception: (a) a metric for detecting flicker; and (b) a comprehensive visual model to predict perceived motion quality on monitors with arbitrary refresh rates and monitor resolutions. Third, I propose an adaptive rendering algorithm that utilises the proposed models. All algorithms operate on physical colorimetric units (instead of display-referenced pixel values), for which I provide the appropriate display measurements and models. All proposed algorithms and visual models are calibrated and validated with psychophysical experiments

Character Recognition

Character recognition is one of the pattern recognition technologies that are most widely used in practical applications. This book presents recent advances that are relevant to character recognition, from technical topics such as image processing, feature extraction or classification, to new applications including human-computer interfaces. The goal of this book is to provide a reference source for academic research and for professionals working in the character recognition field

Construction de mosaïques de super-résolution à partir de la vidéo de basse résolution. Application au résumé vidéo et la dissimulation d'erreurs de transmission.

La numérisation des vidéos existantes ainsi que le développement explosif des services multimédia par des réseaux comme la diffusion de la télévision numérique ou les communications mobiles ont produit une énorme quantité de vidéos compressées. Ceci nécessite des outils d’indexation et de navigation efficaces, mais une indexation avant l’encodage n’est pas habituelle. L’approche courante est le décodage complet des ces vidéos pour ensuite créer des indexes. Ceci est très coûteux et par conséquent non réalisable en temps réel. De plus, des informations importantes comme le mouvement, perdus lors du décodage, sont reestimées bien que déjà présentes dans le flux comprimé. Notre but dans cette thèse est donc la réutilisation des données déjà présents dans le flux comprimé MPEG pour l’indexation et la navigation rapide. Plus précisément, nous extrayons des coefficients DC et des vecteurs de mouvement. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes en particulier intéressés à la construction de mosaïques à partir des images DC extraites des images I. Une mosaïque est construite par recalage et fusion de toutes les images d’une séquence vidéo dans un seul système de coordonnées. Ce dernier est en général aligné avec une des images de la séquence : l’image de référence. Il en résulte une seule image qui donne une vue globale de la séquence. Ainsi, nous proposons dans cette thèse un système complet pour la construction des mosaïques à partir du flux MPEG-1/2 qui tient compte de différentes problèmes apparaissant dans des séquences vidéo réeles, comme par exemple des objets en mouvment ou des changements d’éclairage. Une tâche essentielle pour la construction d’une mosaïque est l’estimation de mouvement entre chaque image de la séquence et l’image de référence. Notre méthode se base sur une estimation robuste du mouvement global de la caméra à partir des vecteurs de mouvement des images P. Cependant, le mouvement global de la caméra estimé pour une image P peut être incorrect car il dépend fortement de la précision des vecteurs encodés. Nous détectons les images P concernées en tenant compte des coefficients DC de l’erreur encodée associée et proposons deux méthodes pour corriger ces mouvements. Unemosaïque construite à partir des images DC a une résolution très faible et souffre des effets d’aliasing dus à la nature des images DC. Afin d’augmenter sa résolution et d’améliorer sa qualité visuelle, nous appliquons une méthode de super-résolution basée sur des rétro-projections itératives. Les méthodes de super-résolution sont également basées sur le recalage et la fusion des images d’une séquence vidéo, mais sont accompagnées d’une restauration d’image. Dans ce cadre, nous avons développé une nouvelleméthode d’estimation de flou dû au mouvement de la caméra ainsi qu’une méthode correspondante de restauration spectrale. La restauration spectrale permet de traiter le flou globalement, mais, dans le cas des obvi jets ayant un mouvement indépendant du mouvement de la caméra, des flous locaux apparaissent. C’est pourquoi, nous proposons un nouvel algorithme de super-résolution dérivé de la restauration spatiale itérative de Van Cittert et Jansson permettant de restaurer des flous locaux. En nous basant sur une segmentation d’objets en mouvement, nous restaurons séparément lamosaïque d’arrière-plan et les objets de l’avant-plan. Nous avons adapté notre méthode d’estimation de flou en conséquence. Dans une premier temps, nous avons appliqué notre méthode à la construction de résumé vidéo avec pour l’objectif la navigation rapide par mosaïques dans la vidéo compressée. Puis, nous établissions comment la réutilisation des résultats intermédiaires sert à d’autres tâches d’indexation, notamment à la détection de changement de plan pour les images I et à la caractérisation dumouvement de la caméra. Enfin, nous avons exploré le domaine de la récupération des erreurs de transmission. Notre approche consiste en construire une mosaïque lors du décodage d’un plan ; en cas de perte de données, l’information manquante peut être dissimulée grace à cette mosaïque

A review of digital video tampering: from simple editing to full synthesis.

Video tampering methods have witnessed considerable progress in recent years. This is partly due to the rapid development of advanced deep learning methods, and also due to the large volume of video footage that is now in the public domain. Historically, convincing video tampering has been too labour intensive to achieve on a large scale. However, recent developments in deep learning-based methods have made it possible not only to produce convincing forged video but also to fully synthesize video content. Such advancements provide new means to improve visual content itself, but at the same time, they raise new challenges for state-of-the-art tampering detection methods. Video tampering detection has been an active field of research for some time, with periodic reviews of the subject. However, little attention has been paid to video tampering techniques themselves. This paper provides an objective and in-depth examination of current techniques related to digital video manipulation. We thoroughly examine their development, and show how current evaluation techniques provide opportunities for the advancement of video tampering detection. A critical and extensive review of photo-realistic video synthesis is provided with emphasis on deep learning-based methods. Existing tampered video datasets are also qualitatively reviewed and critically discussed. Finally, conclusions are drawn upon an exhaustive and thorough review of tampering methods with discussions of future research directions aimed at improving detection methods

Beyond the pixels: learning and utilising video compression features for localisation of digital tampering.

Video compression is pervasive in digital society. With rising usage of deep convolutional neural networks (CNNs) in the fields of computer vision, video analysis and video tampering detection, it is important to investigate how patterns invisible to human eyes may be influencing modern computer vision techniques and how they can be used advantageously. This work thoroughly explores how video compression influences accuracy of CNNs and shows how optimal performance is achieved when compression levels in the training set closely match those of the test set. A novel method is then developed, using CNNs, to derive compression features directly from the pixels of video frames. It is then shown that these features can be readily used to detect inauthentic video content with good accuracy across multiple different video tampering techniques. Moreover, the ability to explain these features allows predictions to be made about their effectiveness against future tampering methods. The problem is motivated with a novel investigation into recent video manipulation methods, which shows that there is a consistent drive to produce convincing, photorealistic, manipulated or synthetic video. Humans, blind to the presence of video tampering, are also blind to the type of tampering. New detection techniques are required and, in order to compensate for human limitations, they should be broadly applicable to multiple tampering types. This thesis details the steps necessary to develop and evaluate such techniques

High-fidelity imaging : the computational models of the human visual system in high dynamic range video compression, visible difference prediction and image processing

As new displays and cameras offer enhanced color capabilities, there is a need to extend the precision of digital content. High Dynamic Range (HDR) imaging encodes images and video with higher than normal bit-depth precision, enabling representation of the complete color gamut and the full visible range of luminance. This thesis addresses three problems of HDR imaging: the measurement of visible distortions in HDR images, lossy compression for HDR video, and artifact-free image processing. To measure distortions in HDR images, we develop a visual difference predictor for HDR images that is based on a computational model of the human visual system. To address the problem of HDR image encoding and compression, we derive a perceptually motivated color space for HDR pixels that can efficiently encode all perceivable colors and distinguishable shades of brightness. We use the derived color space to extend the MPEG-4 video compression standard for encoding HDR movie sequences. We also propose a backward-compatible HDR MPEG compression algorithm that encodes both a low-dynamic range and an HDR video sequence into a single MPEG stream. Finally, we propose a framework for image processing in the contrast domain. The framework transforms an image into multi-resolution physical contrast images (maps), which are then rescaled in just-noticeable-difference (JND) units. The application of the framework is demonstrated with a contrast-enhancing tone mapping and a color to gray conversion that preserves color saliency.Aktuelle Innovationen in der Farbverarbeitung bei Bildschirmen und Kameras erzwingen eine Präzisionserweiterung bei digitalen Medien. High Dynamic Range (HDR) kodieren Bilder und Video mit einer grösseren Bittiefe pro Pixel, und ermöglichen damit die Darstellung des kompletten Farbraums und aller sichtbaren Helligkeitswerte. Diese Arbeit konzentriert sich auf drei Probleme in der HDR-Verarbeitung: Messung von für den Menschen störenden Fehlern in HDR-Bildern, verlustbehaftete Kompression von HDR-Video, und visuell verlustfreie HDR-Bildverarbeitung. Die Messung von HDR-Bildfehlern geschieht mittels einer Vorhersage von sichtbaren Unterschieden zweier HDR-Bilder. Die Vorhersage basiert dabei auf einer Modellierung der menschlichen Sehens. Wir addressieren die Kompression und Kodierung von HDR-Bildern mit der Ableitung eines perzeptuellen Farbraums für HDR-Pixel, der alle wahrnehmbaren Farben und deren unterscheidbaren Helligkeitsnuancen effizient abbildet. Danach verwenden wir diesen Farbraum für die Erweiterung des MPEG-4 Videokompressionsstandards, welcher sich hinfort auch für die Kodierung von HDR-Videosequenzen eignet. Wir unterbreiten weiters eine rückwärts-kompatible MPEG-Kompression von HDR-Material, welche die übliche YUV-Bildsequenz zusammen mit dessen HDRVersion in einen gemeinsamen MPEG-Strom bettet. Abschliessend erklären wir unser Framework zur Bildverarbeitung in der Kontrastdomäne. Das Framework transformiert Bilder in mehrere physikalische Kontrastauflösungen, um sie danach in Einheiten von just-noticeable-difference (JND, noch erkennbarem Unterschied) zu reskalieren. Wir demonstrieren den Nutzen dieses Frameworks anhand von einem kontrastverstärkenden Tone Mapping-Verfahren und einer Graukonvertierung, die die urspr ünglichen Farbkontraste bestmöglich beibehält

Content-prioritised video coding for British Sign Language communication.

Video communication of British Sign Language (BSL) is important for remote interpersonal communication and for the equal provision of services for deaf people. However, the use of video telephony and video conferencing applications for BSL communication is limited by inadequate video quality. BSL is a highly structured, linguistically complete, natural language system that expresses vocabulary and grammar visually and spatially using a complex combination of facial expressions (such as eyebrow movements, eye blinks and mouth/lip shapes), hand gestures, body movements and finger-spelling that change in space and time. Accurate natural BSL communication places specific demands on visual media applications which must compress video image data for efficient transmission. Current video compression schemes apply methods to reduce statistical redundancy and perceptual irrelevance in video image data based on a general model of Human Visual System (HVS) sensitivities. This thesis presents novel video image coding methods developed to achieve the conflicting requirements for high image quality and efficient coding. Novel methods of prioritising visually important video image content for optimised video coding are developed to exploit the HVS spatial and temporal response mechanisms of BSL users (determined by Eye Movement Tracking) and the characteristics of BSL video image content. The methods implement an accurate model of HVS foveation, applied in the spatial and temporal domains, at the pre-processing stage of a current standard-based system (H.264). Comparison of the performance of the developed and standard coding systems, using methods of video quality evaluation developed for this thesis, demonstrates improved perceived quality at low bit rates. BSL users, broadcasters and service providers benefit from the perception of high quality video over a range of available transmission bandwidths. The research community benefits from a new approach to video coding optimisation and better understanding of the communication needs of deaf people