Lossless and low-cost integer-based lifting wavelet transform

Discrete wavelet transform (DWT) is a powerful tool for analyzing real-time signals, including aperiodic, irregular, noisy, and transient data, because of its capability to explore signals in both the frequency- and time-domain in different resolutions. For this reason, they are used extensively in a wide number of applications in image and signal processing. Despite the wide usage, the implementation of the wavelet transform is usually lossy or computationally complex, and it requires expensive hardware. However, in many applications, such as medical diagnosis, reversible data-hiding, and critical satellite data, lossless implementation of the wavelet transform is desirable. It is also important to have more hardware-friendly implementations due to its recent inclusion in signal processing modules in system-on-chips (SoCs). To address the need, this research work provides a generalized implementation of a wavelet transform using an integer-based lifting method to produce lossless and low-cost architecture while maintaining the performance close to the original wavelets. In order to achieve a general implementation method for all orthogonal and biorthogonal wavelets, the Daubechies wavelet family has been utilized at first since it is one of the most widely used wavelets and based on a systematic method of construction of compact support orthogonal wavelets. Though the first two phases of this work are for Daubechies wavelets, they can be generalized in order to apply to other wavelets as well. Subsequently, some techniques used in the primary works have been adopted and the critical issues for achieving general lossless implementation have solved to propose a general lossless method. The research work presented here can be divided into several phases. In the first phase, low-cost architectures of the Daubechies-4 (D4) and Daubechies-6 (D6) wavelets have been derived by applying the integer-polynomial mapping. A lifting architecture has been used which reduces the cost by a half compared to the conventional convolution-based approach. The application of integer-polynomial mapping (IPM) of the polynomial filter coefficient with a floating-point value further decreases the complexity and reduces the loss in signal reconstruction. Also, the “resource sharing” between lifting steps results in a further reduction in implementation costs and near-lossless data reconstruction. In the second phase, a completely lossless or error-free architecture has been proposed for the Daubechies-8 (D8) wavelet. Several lifting variants have been derived for the same wavelet, the integer mapping has been applied, and the best variant is determined in terms of performance, using entropy and transform coding gain. Then a theory has been derived regarding the impact of scaling steps on the transform coding gain (GT). The approach results in the lowest cost lossless architecture of the D8 in the literature, to the best of our knowledge. The proposed approach may be applied to other orthogonal wavelets, including biorthogonal ones to achieve higher performance. In the final phase, a general algorithm has been proposed to implement the original filter coefficients expressed by a polyphase matrix into a more efficient lifting structure. This is done by using modified factorization, so that the factorized polyphase matrix does not include the lossy scaling step like the conventional lifting method. This general technique has been applied on some widely used orthogonal and biorthogonal wavelets and its advantages have been discussed. Since the discrete wavelet transform is used in a vast number of applications, the proposed algorithms can be utilized in those cases to achieve lossless, low-cost, and hardware-friendly architectures

Discrete Wavelet Transforms

The discrete wavelet transform (DWT) algorithms have a firm position in processing of signals in several areas of research and industry. As DWT provides both octave-scale frequency and spatial timing of the analyzed signal, it is constantly used to solve and treat more and more advanced problems. The present book: Discrete Wavelet Transforms: Algorithms and Applications reviews the recent progress in discrete wavelet transform algorithms and applications. The book covers a wide range of methods (e.g. lifting, shift invariance, multi-scale analysis) for constructing DWTs. The book chapters are organized into four major parts. Part I describes the progress in hardware implementations of the DWT algorithms. Applications include multitone modulation for ADSL and equalization techniques, a scalable architecture for FPGA-implementation, lifting based algorithm for VLSI implementation, comparison between DWT and FFT based OFDM and modified SPIHT codec. Part II addresses image processing algorithms such as multiresolution approach for edge detection, low bit rate image compression, low complexity implementation of CQF wavelets and compression of multi-component images. Part III focuses watermaking DWT algorithms. Finally, Part IV describes shift invariant DWTs, DC lossless property, DWT based analysis and estimation of colored noise and an application of the wavelet Galerkin method. The chapters of the present book consist of both tutorial and highly advanced material. Therefore, the book is intended to be a reference text for graduate students and researchers to obtain state-of-the-art knowledge on specific applications

A 2D DWT architecture suitable for the Embedded Zerotree Wavelet Algorithm

Digital Imaging has had an enormous impact on industrial applications such as the Internet and video-phone systems. However, demand for industrial applications is growing enormously. In particular, internet application users are, growing at a near exponential rate. The sharp increase in applications using digital images has caused much emphasis on the fields of image coding, storage, processing and communications. New techniques are continuously developed with the main aim of increasing efficiency. Image coding is in particular a field of great commercial interest. A digital image requires a large amount of data to be created. This large amount of data causes many problems when storing, transmitting or processing the image. Reducing the amount of data that can be used to represent an image is the main objective of image coding. Since the main objective is to reduce the amount of data that represents an image, various techniques have been developed and are continuously developed to increase efficiency. The JPEG image coding standard has enjoyed widespread acceptance, and the industry continues to explore its various implementation issues. However, recent research indicates multiresolution based image coding is a far superior alternative. A recent development in the field of image coding is the use of Embedded Zerotree Wavelet (EZW) as the technique to achieve image compression. One of The aims of this theses is to explain how this technique is superior to other current coding standards. It will be seen that an essential part orthis method of image coding is the use of multi resolution analysis, a subband system whereby the subbands arc logarithmically spaced in frequency and represent an octave band decomposition. The block structure that implements this function is termed the two dimensional Discrete Wavelet Transform (2D-DWT). The 20 DWT is achieved by several architectures and these are analysed in order to choose the best suitable architecture for the EZW coder. Finally, this architecture is implemented and verified using the Synopsys Behavioural Compiler and recommendations are made based on experimental findings

Efficient simultaneous encryption and compression of digital videos in computationally constrained applications

This thesis is concerned with the secure video transmission over open and wireless network channels. This would facilitate adequate interaction in computationally constrained applications among trusted entities such as in disaster/conflict zones, secure airborne transmission of videos for intelligence/security or surveillance purposes, and secure video communication for law enforcing agencies in crime fighting or in proactive forensics. Video content is generally too large and vulnerable to eavesdropping when transmitted over open network channels so that compression and encryption become very essential for storage and/or transmission. In terms of security, wireless channels, are more vulnerable than other kinds of mediums to a variety of attacks and eavesdropping. Since wireless communication is the main mode in the above applications, protecting video transmissions from unauthorized access through such network channels is a must. The main and multi-faceted challenges that one faces in implementing such a task are related to competing, and to some extent conflicting, requirements of a number of standard control factors relating to the constrained bandwidth, reasonably high image quality at the receiving end, the execution time, and robustness against security attacks. Applying both compression and encryption techniques simultaneously is a very tough challenge due to the fact that we need to optimize the compression ratio, time complexity, security and the quality simultaneously. There are different available image/video compression schemes that provide reasonable compression while attempting to maintain image quality, such as JPEG, MPEG and JPEG2000. The main approach to video compression is based on detecting and removing spatial correlation within the video frames as well as temporal correlations across the video frames. Temporal correlations are expected to be more evident across sequences of frames captured within a short period of time (often a fraction of a second). Correlation can be measured in terms of similarity between blocks of pixels. Frequency domain transforms such as the Discrete Cosine Transform (DCT) and the Discrete Wavelet Transform (DWT) have both been used restructure the frequency content (coefficients) to become amenable for efficient detection. JPEG and MPEG use DCT while JPEG2000 uses DWT. Removing spatial/temporal correlation encodes only one block from each class of equivalent (i.e. similar) blocks and remembering the position of all other block within the equivalence class. JPEG2000 compressed images achieve higher image quality than JPEG for the same compression ratios, while DCT based coding suffer from noticeable distortion at high compression ratio but when applied to any block it is easy to isolate the significant coefficients from the non-significant ones. Efficient video encryption in computationally constrained applications is another challenge on its own. It has long been recognised that selective encryption is the only viable approach to deal with the overwhelming file size. Selection can be made in the spatial or frequency domain. Efficiency of simultaneous compression and encryption is a good reason for us to apply selective encryption in the frequency domain. In this thesis we develop a hybrid of DWT and DCT for improved image/video compression in terms of image quality, compression ratio, bandwidth, and efficiency. We shall also investigate other techniques that have similar properties to the DCT in terms of representation of significant wavelet coefficients. The statistical properties of wavelet transform high frequency sub-bands provide one such approach, and we also propose phase sensing as another alternative but very efficient scheme. Simultaneous compression and encryption, in our investigations, were aimed at finding the best way of applying these two tasks in parallel by selecting some wavelet sub-bands for encryptions and applying compression on the other sub-bands. Since most spatial/temporal correlation appear in the high frequency wavelet sub-bands and the LL sub-bands of wavelet transformed images approximate the original images then we select the LL-sub-band data for encryption and the non-LL high frequency sub-band coefficients for compression. We also follow the common practice of using stream ciphers to meet efficiency requirements of real-time transmission. For key stream generation we investigated a number of schemes and the ultimate choice will depend on robustness to attacks. The still image (i.e. RF’s) are compressed with a modified EZW wavelet scheme by applying the DCT on the blocks of the wavelet sub-bands, selecting appropriate thresholds for determining significance of coefficients, and encrypting the EZW thresholds only with a simple 10-bit LFSR cipher This scheme is reasonably efficient in terms of processing time, compression ratio, image quality, as well was security robustness against statistical and frequency attack. However, many areas for improvements were identified as necessary to achieve the objectives of the thesis. Through a process of refinement we developed and tested 3 different secure efficient video compression schemes, whereby at each step we improve the performance of the scheme in the previous step. Extensive experiments are conducted to test performance of the new scheme, at each refined stage, in terms of efficiency, compression ratio, image quality, and security robustness. Depending on the aspects of compression that needs improvement at each refinement step, we replaced the previous block coding scheme with a more appropriate one from among the 3 above mentioned schemes (i.e. DCT, Edge sensing and phase sensing) for the reference frames or the non-reference ones. In subsequent refinement steps we apply encryption to a slightly expanded LL-sub-band using successively more secure stream ciphers, but with different approaches to key stream generation. In the first refinement step, encryption utilized two LFSRs seeded with three secret keys to scramble the significant wavelet LL-coefficients multiple times. In the second approach, the encryption algorithm utilises LFSR to scramble the wavelet coefficients of the edges extracted from the low frequency sub-band. These edges are mapped from the high frequency sub-bands using different threshold. Finally, use a version of the A5 cipher combined with chaotic logistic map to encrypt the significant parameters of the LL sub-band. Our empirical results show that the refinement process achieves the ultimate objectives of the thesis, i.e. efficient secure video compression scheme that is scalable in terms of the frame size at about 100 fps and satisfying the following features; high compression, reasonable quality, and resistance to the statistical, frequency and the brute force attack with low computational processing. Although image quality fluctuates depending on video complexity, in the conclusion we recommend an adaptive implementation of our scheme. Although this thesis does not deal with transmission tasks but the efficiency achieved in terms of video encryption and compression time as well as in compression ratios will be sufficient for real-time secure transmission of video using commercially available mobile computing devices

A family of stereoscopic image compression algorithms using wavelet transforms

With the standardization of JPEG-2000, wavelet-based image and video compression technologies are gradually replacing the popular DCT-based methods. In parallel to this, recent developments in autostereoscopic display technology is now threatening to revolutionize the way in which consumers are used to enjoying the traditional 2-D display based electronic media such as television, computer and movies. However, due to the two-fold bandwidth/storage space requirement of stereoscopic imaging, an essential requirement of a stereo imaging system is efficient data compression. In this thesis, seven wavelet-based stereo image compression algorithms are proposed, to take advantage of the higher data compaction capability and better flexibility of wavelets. [Continues.

A family of stereoscopic image compression algorithms using wavelet transforms

With the standardization of JPEG-2000, wavelet-based image and video compression technologies are gradually replacing the popular DCT-based methods. In parallel to this, recent developments in autostereoscopic display technology is now threatening to revolutionize the way in which consumers are used to enjoying the traditional 2D display based electronic media such as television, computer and movies. However, due to the two-fold bandwidth/storage space requirement of stereoscopic imaging, an essential requirement of a stereo imaging system is efficient data compression. In this thesis, seven wavelet-based stereo image compression algorithms are proposed, to take advantage of the higher data compaction capability and better flexibility of wavelets. In the proposed CODEC I, block-based disparity estimation/compensation (DE/DC) is performed in pixel domain. However, this results in an inefficiency when DWT is applied on the whole predictive error image that results from the DE process. This is because of the existence of artificial block boundaries between error blocks in the predictive error image. To overcome this problem, in the remaining proposed CODECs, DE/DC is performed in the wavelet domain. Due to the multiresolution nature of the wavelet domain, two methods of disparity estimation and compensation have been proposed. The first method is performing DEJDC in each subband of the lowest/coarsest resolution level and then propagating the disparity vectors obtained to the corresponding subbands of higher/finer resolution. Note that DE is not performed in every subband due to the high overhead bits that could be required for the coding of disparity vectors of all subbands. This method is being used in CODEC II. In the second method, DEJDC is performed m the wavelet-block domain. This enables disparity estimation to be performed m all subbands simultaneously without increasing the overhead bits required for the coding disparity vectors. This method is used by CODEC III. However, performing disparity estimation/compensation in all subbands would result in a significant improvement of CODEC III. To further improve the performance of CODEC ill, pioneering wavelet-block search technique is implemented in CODEC IV. The pioneering wavelet-block search technique enables the right/predicted image to be reconstructed at the decoder end without the need of transmitting the disparity vectors. In proposed CODEC V, pioneering block search is performed in all subbands of DWT decomposition which results in an improvement of its performance. Further, the CODEC IV and V are able to perform at very low bit rates(< 0.15 bpp). In CODEC VI and CODEC VII, Overlapped Block Disparity Compensation (OBDC) is used with & without the need of coding disparity vector. Our experiment results showed that no significant coding gains could be obtained for these CODECs over CODEC IV & V. All proposed CODECs m this thesis are wavelet-based stereo image coding algorithms that maximise the flexibility and benefits offered by wavelet transform technology when applied to stereo imaging. In addition the use of a baseline-JPEG coding architecture would enable the easy adaptation of the proposed algorithms within systems originally built for DCT-based coding. This is an important feature that would be useful during an era where DCT-based technology is only slowly being phased out to give way for DWT based compression technology. In addition, this thesis proposed a stereo image coding algorithm that uses JPEG-2000 technology as the basic compression engine. The proposed CODEC, named RASTER is a rate scalable stereo image CODEC that has a unique ability to preserve the image quality at binocular depth boundaries, which is an important requirement in the design of stereo image CODEC. The experimental results have shown that the proposed CODEC is able to achieve PSNR gains of up to 3.7 dB as compared to directly transmitting the right frame using JPEG-2000

Algorithms for compression of high dynamic range images and video

The recent advances in sensor and display technologies have brought upon the High Dynamic Range (HDR) imaging capability. The modern multiple exposure HDR sensors can achieve the dynamic range of 100-120 dB and LED and OLED display devices have contrast ratios of 10^5:1 to 10^6:1. Despite the above advances in technology the image/video compression algorithms and associated hardware are yet based on Standard Dynamic Range (SDR) technology, i.e. they operate within an effective dynamic range of up to 70 dB for 8 bit gamma corrected images. Further the existing infrastructure for content distribution is also designed for SDR, which creates interoperability problems with true HDR capture and display equipment. The current solutions for the above problem include tone mapping the HDR content to fit SDR. However this approach leads to image quality associated problems, when strong dynamic range compression is applied. Even though some HDR-only solutions have been proposed in literature, they are not interoperable with current SDR infrastructure and are thus typically used in closed systems. Given the above observations a research gap was identified in the need for efficient algorithms for the compression of still images and video, which are capable of storing full dynamic range and colour gamut of HDR images and at the same time backward compatible with existing SDR infrastructure. To improve the usability of SDR content it is vital that any such algorithms should accommodate different tone mapping operators, including those that are spatially non-uniform. In the course of the research presented in this thesis a novel two layer CODEC architecture is introduced for both HDR image and video coding. Further a universal and computationally efficient approximation of the tone mapping operator is developed and presented. It is shown that the use of perceptually uniform colourspaces for internal representation of pixel data enables improved compression efficiency of the algorithms. Further proposed novel approaches to the compression of metadata for the tone mapping operator is shown to improve compression performance for low bitrate video content. Multiple compression algorithms are designed, implemented and compared and quality-complexity trade-offs are identified. Finally practical aspects of implementing the developed algorithms are explored by automating the design space exploration flow and integrating the high level systems design framework with domain specific tools for synthesis and simulation of multiprocessor systems. The directions for further work are also presented

Robust light field watermarking with high spatial and angular fidelity

El término ocultación de información se refiere típicamente a la inserción secreta de datos en una señal anfitriona. La señal anfitriona puede ser una imagen, un archivo de audio, un video,... Las técnicas de ocultación de información se dividen generalmente en marca de agua digital, esteganografía y criptografía. Si la propia existencia del mensaje secreto incrustado debe permanecer en secreto, entonces el método de ocultación de información se conoce como esteganografía. Por el contrario, en la marca de agua digital, el usuario es consciente de la existencia del mensaje secreto. A diferencia de la esteganografía y la marca de agua, existe otra categoría de ocultación de información que cifra el mensaje secreto sin insertarlo en una señal anfitriona. Estos métodos se conocen como criptografía en la literatura técnica especializada. Los métodos de ocultación de información se han utilizado durante milenios. A modo de ejemplo, es conocido que Heródoto (485-525 a.c.) ya cita que Histiaeus, el gobernante de Mileto por designación del rey de reyes persa Darío El Grande estaba conspirando para derrocar el imperio persa. Sin embargo, nunca quiso levantar ninguna sospecha entre los que eran leales al rey de reyes ni perder la confianza que el rey Darío había depositado en él. Por ello, para instigar la revuelta Histiaeus afeitó la cabeza de uno de sus esclavos y tatuó un mensaje secreto sobre su cuero cabelludo. Tras dejar crecer el pelo del sirviente, éste viajó sin despertar sospechas hasta el destinatario del mensaje. En la era reciente, la esteganografía se usa ampliamente para la comunicación encubierta. En la esteganografía, la señal anfitriona se usa simplemente para transmitir un mensaje secreto importante. La señal anfitriona no importa por sí misma, pero es de suma importancia no llamar la atención de los expertos en seguridad. La señal anfitriona generalmente se elige entre los medios típicos que no causan sospechas. Es por eso que el mensaje transmitido no está encriptado en esteganografía. En otras palabras, un mensaje cifrado hace sonar inmediatamente las alarmas, pero es menos probable que un mensaje sin cifrar llame la atención. Como ejemplo, se cuenta que en 1966, el comandante en jefe estadounidense Jeremiah Denton se vio obligado a participar en una entrevista televisiva que se transmitió en Estados Unidos. Fingiendo sentirse incómodo con las luces cegadoras de la televisión, parpadeó en código Morse deletreando la palabra "T-O-R-T-U-R-E". Al igual que la marca de agua, el rápido crecimiento de la comunicación por Internet ha proporcionado un medio perfecto para que los sistemas de esteganografía transmitan los datos ocultos sin causar sospechas graves. A diferencia de la esteganografía, los métodos de marca de agua digitales pueden no tener ningún deseo de ocultar la existencia del mensaje incrustado. La marca de agua se define como la inserción imperceptible del mensaje secreto en la señal anfitriona. Esto es exactamente lo contrario de lo que ocurre en la esteganografía, en la que la señal anfitriona no tiene importancia real y se usa simplemente como cobertura. La marca de agua digital se usa ampliamente para la protección de derechos de autor, autenticación, detección/corrección de errores, comunicación encubierta y monitoreo de transmisiones. Se espera que cada plataforma de marca de agua: • Incruste tanta información como sea posible. El envío de información secreta es el principal motivo de explotación de las técnicas de marca de agua. Esto es especialmente importante en la comunicación encubierta. • Genere una marca de agua lo más imperceptible posible sobre la señal anfitriona. La diferencia detectable entre la propia anfitriona y la anfitriona tras el marcado anula el propósito de la marca de agua. • Sea lo más robusto posible contra ataques sobre la señal anfitriona. En el contexto de las marcas de agua, el ataque se refiere a cualquier alteración intencionada o no de los valores de la señal marcada. Obviamente, la realización perfecta de estas tres características sigue siendo un desafío y, dependiendo de la aplicación, se puede priorizar una o dos de estas características. El rápido crecimiento de la demanda de marcas de agua puede contribuir razonablemente a la creciente preocupación por la protección de los derechos de autor en las últimas décadas. A pesar de las enormes oportunidades que ofrece Internet para compartir la información a gran escala, la duplicación ilegal, la manipulación y el intercambio de información ha aumentado sin descanso. Esto impone serias preocupaciones a los autores y editores que dedican mucho tiempo y esfuerzo a la creación de contenidos. El rápido desarrollo de los métodos de marca de agua fue una respuesta prevista a la implacable tendencia al alza de la piratería. La marca de agua ha desempeñado un papel activo en la protección de los derechos de autor, la detección de manipulaciones, la autenticación y la comunicación encubierta. El número de artículos de investigación publicados sobre marcas de agua muestra la importancia absoluta de las marcas de agua en nuestra era. Otra categoría de ocultación de información es la criptografía, que se define básicamente como un método para proteger la información y las comunicaciones mediante el uso de códigos, de modo que solo los lectores autorizados pueden decodificar y leer el mensaje. Así, en criptografía el mensaje secreto se implementa sin usar señal de cobertura. La mayoría de los sistemas criptográficos utilizan conceptos matemáticos y un conjunto de cálculos basados en reglas. El contenido se cifra y se proporciona una clave de descifrado solo a los receptores autorizados. El contenido cifrado se transmite a través de Internet, pero los receptores no autorizados difícilmente pueden descifrar el contenido codificado. A diferencia de la marca de agua, el cifrado no tiene ningún control sobre la redistribución del contenido descifrado por parte del usuario autorizado. Puede ser que un cliente compre una clave de descifrado válida y, después del descifrado, redistribuya el contenido de forma masiva. Por lo tanto, la criptografía puede proteger el contenido antes del descifrado, pero una vez descifrado, el contenido no tiene más protección. Cabe mencionar que los sistemas de cifrado cifran el mensaje secreto y la existencia del mensaje secreto es clara. Por el contrario, los sistemas esteganográficos están optimizados específicamente para ocultar la existencia del mensaje secreto. Dependiendo de la aplicación, los sistemas de marca de agua pueden ocultar la existencia de la marca de agua o en algunos casos hacer pública la existencia de la marca de agua. Como el ámbito de esta tesis pertenece a la marca de agua, la esteganografía y la criptografía no se tratan más a fondo. Además, centraremos el contenido en el uso de señales anfitrionas tipo imagen. Según el dominio en el que se realiza la marca de agua, los métodos de marca de agua se dividen en métodos de dominio espacial y métodos de dominio de transformación. Los métodos de dominio espacial alteran los valores de los píxeles en el dominio espacial y, en comparación con el dominio de transformación, normalmente implican una complejidad computacional mucho menor. Por el contrario, el dominio de transformación primero convierte los píxeles de la imagen en el dominio de transformación. Los píxeles transformados a menudo se denominan coeficientes en la literatura. Aparentemente, dicha transformación puede ser costosa desde el punto de vista computacional, pero el compromiso es que la robustez suele ser mayor que la de los métodos de dominio espacial. Normalmente, se aplica una transformación directa en la imagen y, después de la inserción de la marca de agua, se aplica una transformación inversa para recuperar la imagen con marca de agua en el dominio espacial. Algunas transformaciones comunes en la literatura de marcas de agua son (pero no se limitan a) la transformada de coseno discreta (DCT), transformada de ondícula (wavelet) discreta (DWT), Contourlet, Curvelet, Ridgelet, análisis de componentes principales (PCA), transformada de Karhunen-Loeve (KLT) y descomposición en valor singulares (SVD). Algunos otros métodos utilizan tanto el dominio espacial como el dominio de transformación para implementar la marca de agua. Estos enfoques a menudo se denominan métodos híbridos en la bibliografía. Si no se requiere información previa de la imagen anfitriona para la extracción de la marca de agua, entonces el método de marca de agua se conoce como ciego; de lo contrario, se denomina no ciego. Si se utiliza alguna información secundaria (no la imagen anfitriona) para la extracción de la marca de agua, el método de marca de agua se denomina semi-ciego. Si la imagen anfitriona se puede recuperar después de la extracción de la marca de agua, el método se denomina de marcado reversible; de lo contrario, se conoce como método de marca de agua irreversible. En los últimos años, el campo luminoso (lightfield, LF) se ha utilizado cada vez más para la representación de imágenes 3D. Básicamente, el LF es una función vectorial que describe la cantidad de luz que fluye en todas direcciones a través de cada punto del espacio. Michael Faraday fue el primero en proponer (en una conferencia de 1846 titulada "Pensamientos sobre las vibraciones de los rayos") que la luz debería interpretarse como un campo, muy parecido a los campos magnéticos en los que había estado trabajando durante varios años. La denominación “campo luminoso” fue acuñada por Andrey Gershun en un artículo clásico de 1936 sobre las propiedades radiométricas de la luz en el espacio tridimensional. Desde un punto de vista óptico-geométrico, todo lo que percibimos visualmente, está iluminado por los rayos provenientes de fuentes de luz que se propagan a través del espacio hasta llegar a nuestro ojo. Básicamente, el LF describe la intensidad de cada rayo de luz en la escena en función del ángulo visual, la longitud de onda, el tiempo y la posición de visualización. Así, registra todo lo que potencialmente puede ser visto por un dispositivo óptico omnidireccional que es (supuestamente) capaz de capturar cada rayo del espacio. Levoy y Hanrahan definieron el LF como la función que describe la totalidad de los rayos de luz que atraviesan un volumen 3D dado. En otras palabras, el LF puede entenderse como la descripción de un conjunto denso de rayos de luz, cada uno de los cuales se origina en el vértice de un cono. Cada punto de un volumen 3D se considera como el vértice de un cono que transmite un número infinito de rayos con diferentes inclinaciones. Así, aparte del tiempo y la longitud de onda, el LF se representa típicamente usando cinco parámetros: posición del punto considerado (3 coordenadas espaciales) y dirección del rayo (2 ángulos directores). En realidad, la invariancia en propagación de los rayos (de acuerdo con la Óptica Geométrica), permite reducir su dimensional a 4D. Convencionalmente, a los valores obtenidos para un punto fijo del espacio en función de las 2 coordenadas angulares se le denomina imagen elemental (EI). Si (idealmente) se proporciona el LF de una escena, entonces es posible reconstruir la misma escena 3D sin pérdida de información. En la práctica, lo que realmente se captura en el mundo real es una submuestra del LF, no el conjunto completo de todos los rayos de la escena. Los dispositivos usados en esta captura se denominan de modo genérico cámaras LF. La principal diferencia entre una cámara LF y una convencional es que la primera captura los rayos individuales que inciden en un punto determinado del sensor de captura, mientras que la segunda registra la suma de todos los rayos que inciden en un punto específico del sensor. Esto facilita la reconstrucción 3D precisa de la escena recuperando los rayos individuales. El LF se puede adquirir de varias formas. En la configuración multicámara, se usa una matriz de cámaras 2D. En este caso, las dimensiones espaciales del LF están determinadas por las características intrínsecas de las cámaras, mientras que las dimensiones angulares están determinadas por el número y la disposición de las cámaras. Las cámaras pueden estar distribuidas en superficie plana, circular, rectangular o esférica. Esta configuración suele ser costosa y voluminosa. Además, la calibración de las cámaras puede llevar bastante tiempo. Otra alternativa es capturar el LF deslizando una sola cámara horizontal y verticalmente. A diferencia del sistema multicámara, la configuración de una sola cámara es mucho más barata y puede grabar el LF con mayor densidad. Sin embargo, la adquisición de LF por una sola cámara lleva mucho más tiempo que la de varias cámaras, lo que prácticamente hace que sea imposible grabar escenas dinámicas. Las cámaras LF estáticas también se pueden utilizar para capturar el LF. En ellas se emplea un único sensor estático y alguna distribución espacial de lentes (típicamente, una matriz de microlentes) para muestrear el LF. A pesar de los numerosos métodos propuestos para la marca de agua sobre el LF, ninguno de ellos está adaptado para proteger la enorme cantidad de información angular incorporada en el LF. Se trata en todos los casos de aplicar los algoritmos ya desarrollados sobre imágenes 2D al LF con sus 4 dimensiones. El principal objetivo de esta tesis es lograr métodos de marca de agua LF maximizando la protección de la información espacial y angular al mismo tiempo. Según el conocimiento del autor, hay muy pocos trabajos que aborden los métodos de marca de agua personalizados para LF. Algunos artículos también han discutido la marca de agua de objetos 3D y el video de visualización libre, que, aunque con similitudes, es bastante diferente de la marca de agua sobre el LF. Cualquier método propuesto para la marca de agua del LF deberá tener sumo cuidado de no arruinar ni la información espacial ni angular del LF. A través de esta tesis se han propuesto dos métodos de marca de agua. El primer método propuesto se basa en la DCT y la SVD, y trata de aprovechar el hecho de que los datos de LF generalmente tienen una correlación muy alta en las dimensiones espaciales y espectrales. Se supone que cualquier transformada como la DCT compacta la información en unos pocos coeficientes al proporcionar una descorrelación máxima. La transformada DCT es una aproximación de la KLT que descorrelaciona perfectamente los coeficientes. A diferencia de la base de funciones de la KLT, que dependen de la señal de entrada, las funciones base de la DCT están fijadas. Aunque la descorrelación de la DCT puede ser ligeramente menor que la de KLT y la descorrelación alcanzada es marginalmente menor, su costo computacional es menor debido a la eliminación del tedioso cálculo de las funciones básicas de la KLT. Además, en comparación con otras transformadas como la transformada de Fourier, los coeficientes transformados no tienen parte imaginaria y, por lo tanto, requieren menos datos para procesar. El hecho de que la DCT compacta la energía de la señal en pocos coeficientes lo hace muy interesante para la compresión y la marca de agua. En este primer método propuesto, se parte del LF anfitrión y de una clave secreta como entrada. Según la clave secreta, para cada píxel de la marca de agua se seleccionan bloques de píxeles del LF original, a los que se aplica la DCT. Los coeficientes de los bloques transformados se ordenan en zigzag y se eligen los primeros coeficientes para incrustar la marca de agua. La razón de no incrustar la marca de agua en todos los coeficientes DCT es aumentar la robustez del método propuesto. Es bien sabido en la literatura que los coeficientes de baja frecuencia mejoran la robustez del método de marca de agua y los coeficientes de alta frecuencia son extremadamente propensos al ruido y otros ataques. Después de elegir los coeficientes DCT seleccionados, se factorizan utilizando la SVD. El valor singular correspondiente se utiliza para incrustar la marca de agua (el valor la marca de agua en el píxel considerado en la clave secreta). Cada bloque lleva un bit de la marca de agua. Según el bit de marca de agua, el valor singular aumenta o disminuye. El incremento o decremento del valor singular se determina mediante el factor de ganancia. Se requerirá el valor singular en el procedimiento de extracción para que se guarde en la imagen de referencia. Luego, se realiza la SVD inversa para obtener los coeficientes DCT del LF con marca de agua. Para generar el LF con marca de agua en el dominio espacial, se lleva a cabo la DCT inversa. Este proceso se repite hasta que todos los bits de marca de agua se incrustan en el LF del host. Para extraer la marca de agua incrustada, se necesitan el LF con marca de agua, la imagen de referencia y la clave secreta. La clave secreta utilizada para la extracción de la marca de agua tiene que ser idéntica a la del procedimiento de incrustación, de lo contrario, la extracción de la marca de agua incrustada fallará. Si se introduce la clave secreta correcta en el sistema de extracción, los bloques correspondientes se ordenan a partir de los píxeles del LF marcado. La DCT y la SVD se realizan exactamente de la misma manera que para el procedimiento de inclusión. A continuación, el valor singular se compara con el valor correspondiente de la imagen de referencia. Si el valor singular es mayor que el valor correspondiente de la imagen de referencia, el bit de marca de agua extraído se considera uno; de lo contrario, se asume que es cero. La lógica detrás de este argumento es que si el bit de marca de agua incrustado es cero, entonces el valor singular ha disminuido por el factor de ganancia. Por el contrario, si el bit de marca de agua incrustado es uno, entonces el valor singular se ha incrementado en el factor de ganancia. Por tanto, el bit de marca de agua incrustado se puede extraer comparando el valor singular y el píxel correspondiente de la imagen de referencia. Después de extraer la marca de agua incrustada, los coeficientes DCT del bloque con marca de agua se obtienen mediante la SVD inversa. Antes de aplicar la SVD inversa, el valor singular del bloque con marca de agua se reemplaza con el píxel correspondiente de la imagen de referencia. Posteriormente, se aplica la DCT inversa a los coeficientes DCT para obtener el LF del anfitrión recuperado. Este proceso se repite hasta que se extraen todos los bits de la marca de agua. La transparencia del LF con marca de agua se ha verificado objetiva y subjetivamente. Subjetivamente, el LF con marca de agua y el anfitrión parecían idénticos y no se detectó ninguna diferencia visual entre los dos campos de luz. Para garantizar la transparencia absoluta del LF con marca de agua, las partes de alta frecuencia del LF se han ampliado y no se encontraron diferencias visuales. Desde una perspectiva objetiva, la relación señal pico-ruido PSNR de la imagen con marca de agua fue mucho más que suficiente para permitir la detección de cualquier diferencia por el sistema visual humano (HVS) de acuerdo con los criterios objetivos establecidos en la literatura especializada. A diferencia de la mayoría de los métodos de marca de agua, la tasa de error de bits (BER) sobre la marca de agua recuperada permanece en cero independientemente de la intensidad del marcado y la marca de agua incrustada se puede extraer sin errores. Otra métrica que se utiliza para evaluar el rendimiento del método propuesto de manera objetiva es la similitud estructural media (MSSIM). La premisa básica de la MSSIM es que la percepción por el HVS de la calidad de la imagen se ve muy afectada por la similitud estructural del contenido de la imagen en lugar de los valores absolutos de los píxeles. También incorpora la intensidad media y el contraste de la imagen, que desempeñan un papel clave en la percepción de la calidad de la imagen por parte del HVS. La MSSIM siempre se mantiene por encima del $99 \%$ en los experimentos realizados. La robustez del método propuesto se ha medido frente al ruido gaussiano, la compresión JPEG y el filtrado de mediana. El método propuesto muestra una buena robustez frente a los ataques antes mencionados. Las simulaciones realizadas confirman la absoluta necesidad de utilizar pocos coeficientes DCT. Aunque el LF con marca de agua puede degradarse predominantemente por el ruido, la marca de agua se puede extraer. Como la mayor parte de la energía de la señal se concentra en coeficientes de baja frecuencia de la DCT, proporcionan más robustez frente al ruido gaussiano. Esta hipótesis se confirma completamente con las simulaciones. Las simulaciones también mostraron la importancia absoluta de la explotación de la DCT. La exclusión de la DCT conduce a resultados catastróficos. El método propuesto también exhibe una buena robustez contra el filtrado de mediana y la compresión JPEG, específicamente para el factor de calidad más común de % 100 \% $. Para la justificación de la propuesta del segundo método de marcado, es interesante seguir el siguiente razonamiento. Aunque la DCT se usa ampliamente en la compresión de imágenes/video y marcas de agua, el supuesto subyacente es la independencia de los bloques adyacentes, ya que se comprime cada bloque por separado. Esto provoca artefactos notables, especialmente en velocidades de refresco bajas. Por el contrario, la DWT se aplica globalmente y no introduce artefactos de bloque. Como era de esperar, existe una similitud visual sustancial entre las EI vecinas en las direcciones horizontal, vertical y diagonal. En otras palabras, cada EI tiene una correlación mucho más alta con las EIs vecinas que con las demás. Nos referimos a la correlación de los píxeles de la misma EI como intracorrelación, mientras que la correlación entre las IE se denomina

Toward Resilience and Data Reduction in Exascale Scientific Computing

Because of the ever-increasing execution scale, reliability and data management are becoming more and more important for scientific applications. On the one hand, exascale systems are anticipated to be more susceptible to soft errors ,e.g. silent data corruptions, due to the reduction in the size of transistors and the increase of the number of components. These errors will lead to corrupted results without warning, making the output of the computation untrustable. On the other hand, large volumes of highly variable data are produced by scientific computing with high velocity on exascale systems or advanced instruments, and the I/O time on storing these data is prohibitive due to the I/O bottleneck in parallel file systems. In this work, we leverage algorithm-based fault tolerance (ABFT) and error-bound lossy compression to tackle the two problems, in order to support efficient scientific computing on exascale systems.We propose an efficient fault tolerant scheme to tolerant soft errors in Fast Fourier Transform (FFT), one of the most important computation kernels widely used in scientific computing. Traditional redundancy approaches will at least double the execution time or resources, limiting the usage in practice because of the large overhead. Previous works on offline ABFT algorithms for FFT mitigate this problem by providing resilient FFT with lower overhead, but these algorithms fail to make progress in vulnerable environments with high error rates because they can only detect and correct errors after the whole computation finishes. We propose an online ABFT scheme for large-scale FFT inspired by the divide-and-conquer nature of the FFT computation. We devise fault tolerant schemes for both computational and memory errors in FFT, with both serial and parallel optimizations. Experimental results demonstrate that the proposed approach provides more timely error detection and recovery as well as better fault coverage with less overhead, compared to the offline ABFT algorithm.To alleviate the I/O bottleneck in the parallel file systems, we work on a prediction-based error-bounded lossy compressor to significantly reduce the size of scientific datasets while retaining the accuracy of the decompressed data, with adaptive prediction algorithms and compression models. We first propose a regression-based predictor for better prediction accuracy than traditional approaches under large error bounds, followed by an adaptive algorithm that dynamically selects between the traditional Lorenzo predictor and the proposed regression-based predictor, leading to very high compression ratios with little visual distortion. We further unify the prediction-based model and transform-baed model by using transform-based compressors as a predictor, with novel optimizations toward efficient coefficient encoding for both the two models. The proposed adaptive multi-algorithm design provides better compression ratios given the same distortion, significantly reducing storage requirements and I/O time.We further adapt the compression algorithms and compressors to different requirements and/or objectives in realistic scenarios. We leverage a logarithmic transform to precondition the data, which turns a relative-error-bound compression problem into an absolute-error-bound compression problem. This transform aligns two different error requirements while improving the compression quality, efficiently reducing the workload for compressor design. We also correlate the compression algorithm with system information to achieve better I/O performance compared to traditional single compressor deployment. These studies further improve the efficiency of lossy compression from the perspective of efficient I/O in the context of scientific simulation, making scientific applications running on exascale systems more efficient