Traitement des signaux et images en temps réel ("implantation de H.264 sur MPSoC")

Cette thèse est élaborée en cotutelle entre l université Badji Mokhtar (Laboratoire LERICA) et l université de bourgogne (Laboratoire LE2I, UMR CNRS 5158). Elle constitue une contribution à l étude et l implantation de l encodeur H.264/AVC. Durent l évolution des normes de compression vidéo, une réalité sure est vérifiée de plus en plus : avoir une bonne performance du processus de compression nécessite l élaboration d équipements beaucoup plus performants en termes de puissance de calcul, de flexibilité et de portabilité et ceci afin de répondre aux exigences des différents traitements et satisfaire au critère Temps Réel . Pour assurer un temps réel pour ce genre d applications, une solution reste possible est l utilisation des systèmes sur puce (SoC) ou bien des systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) implantés sur des plateformes reconfigurables à base de circuit FPGA. L objective de cette thèse consiste à l étude et l implantation des algorithmes de traitement des signaux et images et en particulier la norme H.264/AVC, et cela dans le but d assurer un temps réel pour le cycle codage-décodage. Nous utilisons deux plateformes FPGA de Xilinx (ML501 et XUPV5). Dans la littérature, il existe déjà plusieurs implémentations du décodeur. Pour l encodeur, malgré les efforts énormes réalisés, il reste toujours du travail pour l optimisation des algorithmes et l extraction des parallélismes possibles surtout avec une variété de profils et de niveaux de la norme H.264/AVC.Dans un premier temps de cette thèse, nous proposons une implantation matérielle d un contrôleur mémoire spécialement pour l encodeur H.264/AVC. Ce contrôleur est réalisé en ajoutant, au contrôleur mémoire DDR2 des deux plateformes de Xilinx, une couche intelligente capable de calculer les adresses et récupérer les données nécessaires pour les différents modules de traitement de l encodeur. Ensuite, nous proposons des implantations matérielles (niveau RTL) des modules de traitement de l encodeur H.264. Sur ces implantations, nous allons exploiter les deux principes de parallélisme et de pipelining autorisé par l encodeur en vue de la grande dépendance inter-blocs. Nous avons ainsi proposé plusieurs améliorations et nouvelles techniques dans les modules de la chaine Intra et le filtre anti-blocs. A la fin de cette thèse, nous utilisons les modules réalisés en matériels pour la l implantation Matérielle/logicielle de l encodeur H.264/AVC. Des résultats de synthèse et de simulation, en utilisant les deux plateformes de Xilinx, sont montrés et comparés avec les autres implémentations existantesThis thesis has been carried out in joint supervision between the Badji Mokhtar University (LERICA Laboratory) and the University of Burgundy (LE2I laboratory, UMR CNRS 5158). It is a contribution to the study and implementation of the H.264/AVC encoder. The evolution in video coding standards have historically demanded stringent performances of the compression process, which imposes the development of platforms that perform much better in terms of computing power, flexibility and portability. Such demands are necessary to fulfill requirements of the different treatments and to meet "Real Time" processing constraints. In order to ensure real-time performances, a possible solution is to made use of systems on chip (SoC) or multiprocessor systems on chip (MPSoC) built on platforms based reconfigurable FPGAs. The objective of this thesis is the study and implementation of algorithms for signal and image processing (in particular the H.264/AVC standard); especial attention was given to provide real-time coding-decoding cycles. We use two FPGA platforms (ML501 and XUPV5 from Xilinx) to implement our architectures. In the literature, there are already several implementations of the decoder. For the encoder part, despite the enormous efforts made, work remains to optimize algorithms and extract the inherent parallelism of the architecture. This is especially true with a variety of profiles and levels of H.264/AVC. Initially, we proposed a hardware implementation of a memory controller specifically targeted to the H.264/AVC encoder. This controller is obtained by adding, to the DDR2 memory controller, an intelligent layer capable of calculating the addresses and to retrieve the necessary data for several of the processing modules of the encoder. Afterwards, we proposed hardware implementations (RTL) for the processing modules of the H.264 encoder. In these implementations, we made use of principles of parallelism and pipelining, taking into account the constraints imposed by the inter-block dependency in the encoder. We proposed several enhancements and new technologies in the channel Intra modules and the deblocking filter. At the end of this thesis, we use the modules implemented in hardware for implementing the H.264/AVC encoder in a hardware/software design. Synthesis and simulation results, using both platforms for Xilinx, are shown and compared with other existing implementationsDIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Modélisation d'un canal minier Ultra Large Bande(UWB) en utilisant les réseaux de neurones Artificiels RBF

Dans un environnement m1mer, le besoin d'un système de communication fiable est primordial. Ce type d'environnement étant complexe, le déploiement des systèmes de communication nécessite une connaissance parfaite du milieu de propagation. La modélisation d'un canal présente une matière très intéressante dans le domaine de recherche, et elle a été traitée dans plusieurs travaux en se basant sur des modèles traditionnels permettant de déterminer le comportement du canal de propagation selon des modèles analytiques, empiriques ou stochastiques. Dans notre projet d'étude, on s'intéresse à la modélisation du canal ultra-large bande (Ultra-Wide band UWB) dans un environnement minier en se basant sur une méthode différente des méthodes traditionnelles ; l'utilisation des réseaux de neurones artificiels RBF (réseaux à fonction de base radiale). Le canal de transmission UWB est un canal à trajets multiples, surtout au cas des applications à l'intérieur. Dans notre recherche, on s'est basé sur des mesures réalisées par LR TCS dans la mine CANMET à V al d'or située à 500km au nord de Montréal, Canada. Ces mesures ont servi comme base de données pour entrainer et créer l'architecture du réseau de neurones RBF. Dans un travail antérieur, la modélisation du canal en utilisant les réseaux de neurones est réalisée, mais en utilisant les réseaux de neurones multicouches MLP (Multi Layer Perceptron), et en s'intéressant seulement à l'affaiblissement de parcours en visibilité directe (line of sight, LOS). Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à estimer l'affaiblissement du parcours1 (Path Joss) sur toute la bande UWB, et la phase du signal reçu, en considérant les deux types de trajets : en visibilité directe (LOS) et en visibilité non directe (non line of sight, NLOS). Les résultats obtenus montrent la capacité de ce type de réseau à modéliser le canal UWB dans un environnement minier avec une haute précision

Analyse, commande et intégration d'un mécanisme parallèle entraîné par des câbles pour la réalisation d'une interface haptique comme métaphore de navigation dans un environnement virtuel

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique

Transformation de l'intonation : application à la synthèse de la parole et à la transformation de voix

The work presented in this thesis lies within the scope of prosody conversion and more particularly the fundamental frequency conversion which is considered as a prominent factor in prosody processing. This document deals with the different steps necessary to build such a conversion system : stylization, clustering and conversion of melodic contours. For each step, we propose a methodology that takes into account the issues and difficulties encountered in the previous one. A B-spline based approach is first proposed to model the melodic contours. Then to represent the melodic space of a speaker, a HMM based approach is introduced. To finish, a prosody transformation methodology using non-parallel corpora based on a speaker adaptation technique is derived. The results we obtain tend to show that it is necessary to model the evolution of the melody and to drive the transformation system by using morpho-syntactic information.Les travaux de cette thèse se situent dans le cadre de la transformation de la prosodie en se focalisant sur la fréquence fondamentale, F0, facteur jugé proéminent dans le traitement de la prosodie. En particulier, nous nous intéressons aux différentes étapes nécessaires à la construction d'un tel système : la stylisation, la classification et la transformation des contours mélodiques. Pour chaque étape, nous proposons une méthodologie qui tient compte des problèmes qui se sont posés à l'étape précédente. Tout d'abord, un modèle B-spline est proposé pour la stylisation des contours mélodiques. Ensuite, pour représenter l'espace mélodique du locuteur, une approche par modèles de Markov est introduite. Enfin, une méthodologie de transformation de la prosodie à partir de corpus non parallèles par une technique d'adaptation au locuteur est présentée. Les résultats obtenus tendent à montrer qu'il est nécessaire de traiter la dynamique du F0 et de piloter la transformation par des informations d'ordre morphosyntaxique

Analyse et conception de modèle de mesure de la qualité d'expérience perçue lors de la diffusion de la vidéo dans les réseaux sans-fil hétérogènes

Plusieurs travaux ont été réalisés pour analyser l’impact de facteurs liés à l’encodage ou au réseau d’accès sur la variation de la qualité perçue d’une vidéo. Certains de ces travaux ont restreint leur étude en développant des modèles dont les facteurs sont essentiellement orientés sur un seul aspect : soit l’encodage de la vidéo ou le réseau d’accès. Une meilleure estimation de qualité nécessite toutefois une approche non discriminante prenant en compte ces deux types de facteurs. Peu de travaux se sont penchés sur des modèles basés sur une approche non discriminante intégrant l’impact des pertes de paquets sur les réseaux et le débit d’encodage sur la qualité d’expérience. Les modèles proposés dans ces travaux ne prennent généralement pas en compte l’impact de la vitesse du contenu vidéo, le changement de définition et de codec. Dans ce mémoire, nous analysons l’impact de facteurs liés à l’encodage, au contenu vidéo et au réseau d’accès sur la variation de la qualité perçue d’une vidéo. Nous proposons deux modèles pour l’estimation de la qualité perçue d’une vidéo en fonction de ces facteurs. Le premier modèle proposé est essentiellement orienté vers des facteurs liés à l’encodage. Ce modèle fait distinction la plupart des modèles d’autres auteurs dans cette même catégorie. En effet, il prend en compte l’impact de la vitesse du contenu vidéo, le changement de définition et de codec. Le second modèle proposé fait distinction de celui de l’Union Internationale des Télécommunications. En effet, il prend en compte l’impact de la vitesse du contenu vidéo. Ce modèle est basé sur une approche non discriminante. Cela fait distinction des modèles dont les facteurs sont essentiellement orientés sur un seul aspect : soit l’encodage de la vidéo ou le réseau d’accès

Etude et implantation d'algorithmes de compression d'images dans un environnement mixte matériel et logiciel

Le sujet de cette thèse est la contribution au développement et à la conception d’un système multimédia embarqué en utilisant la méthodologie de conception conjointe logicielle/matérielle (codesign). Il en a découlé la constitution d’une bibliothèque des modules IP (Intellectual Property) pour les applications vidéo. Dans ce contexte, une plateforme matérielle d’acquisition et de restitution vidéo a été réalisée servant de préalable à l’évaluation de la méthodologie de conception en codesign et à toute étude d’algorithme de traitement vidéo. On s’est intéressé en particulier à l’étude et à l’implantation de la norme de compression vidéo H.263 de l’organisme UIT-T. La fréquence de fonctionnement de la plateforme est de 120 MHz. L’ensemble du développement est exécuté par le processeur NIOS II sous le système d’exploitation μClinux. Le codeur H.263 ainsi développé, grâce aux différents accélérateurs matériels pour le SAD, TCD/TCDI et Q/QI permet de coder des séquences vidéo [email protected] main purpose of this thesis was to contribute to the development and to the design of an embedded system for multimedia by using the HW/SW methodology (codesign). A library of flexible IP cores (Intellectual Property) for video applications was created. Within this framework, a hardware platform for video acquisition and video restitution was achieved in order to evaluate the codesign methodology approach and to study the video processing algorithm. We have studied and implemented the H.263 video encoder from the UIT-T organism. The frequency of our platform is about 120 MHz. The whole development was executed under μClinux Operating System and controlled by the NIOS II processor. The H.263 encoder was developed with different hardware accelerators for the SAD, TCD/TCDI and Q/QI operations and permits finally to code video sequences at QCIF@15Hz

Etude et Implantation d'Algorithmes de Compression d'Images dans un Environnement Mixte Matériel et Logiciel

The main purpose of this thesis was to contribute to the development and to the design of anembedded system for multimedia by using the HW/SW methodology (codesign). A library offlexible IP cores (Intellectual Property) for video applications was created. Within thisframework, a hardware platform for video acquisition and video restitution was achieved inorder to evaluate the codesign methodology approach and to study the video processingalgorithm. We have studied and implemented the H.263 video encoder from the UIT-Torganism. The frequency of our platform is about 120 MHz. The whole development wasexecuted under μClinux Operating System and controlled by the NIOS II processor. TheH.263 encoder was developed with different hardware accelerators for the SAD, TCD/TCDIand Q/QI operations and permits finally to code video sequences at [email protected] sujet de cette thèse est la contribution au développement et à la conception d’un systèmemultimédia embarqué en utilisant la méthodologie de conception conjointelogicielle/matérielle (codesign). Il en a découlé la constitution d’une bibliothèque des modulesIP (Intellectual Property) pour les applications vidéo. Dans ce contexte, une plateformematérielle d’acquisition et de restitution vidéo a été réalisée servant de préalable àl’évaluation de la méthodologie de conception en codesign et à toute étude d’algorithme detraitement vidéo. On s’est intéressé en particulier à l’étude et à l’implantation de la norme decompression vidéo H.263 de l’organisme UIT-T. La fréquence de fonctionnement de laplateforme est de 120 MHz. L’ensemble du développement est exécuté par le processeurNIOS II sous le système d’exploitation μClinux. Le codeur H.263 ainsi développé, grâce auxdifférents accélérateurs matériels pour le SAD, TCD/TCDI et Q/QI permet de coder desséquences vidéo QCIF@15Hz

Contribution au pronostic d'une pile à combustible de type PEMFC - approche par filtrage particulaire.

The development of new energy converters, more efficient and environment friendly, such as fuelcells, tends to accelerate. Nevertheless, their large scale diffusion supposes some guaranties in termsof safety and availability. A possible solution to do so is to develop Prognostics and HealthManagement (PHM) on these systems, in order to monitor and anticipate the failures, and torecommend the necessary actions to extend their lifetime. In this spirit, this thesis deals with theproposal of a prognostics approach based on particle filtering dedicated to PEMFCs.The reasoning focuses first on setting a formalization of the working framework and theexpectations. This is pursued by the development of a physic-based modelling enabling a state ofhealth estimation and its evolution in time. The state estimation is made thanks to particle filtering.Different variants of filters are considered on the basis of the literature and new proposals adaptedto PHM are proposed and compared to existing ones. State of health estimates given by the filter areused to predict the future state of the system and its remaining useful life. All the proposals arevalidated on four datasets from PEMFC following different mission profiles. The results show goodperformances for predictions and remaining useful life estimates before failure.Le développement de nouveaux convertisseurs d’énergie, plus efficients et plus respectueux del’environnement, tels que les piles à combustibles, tend à s’accélérer. Leur diffusion à grande échellesuppose cependant des garanties en termes de sécurité et de disponibilité. Une solution possiblepour ce faire est de développer des solutions de Prognostics and Health Management (PHM) de cessystèmes, afin de mieux les surveiller, anticiper les défaillances et recommander les actionsnécessaires à l’allongement de leur durée de vie. Dans cet esprit, cette thèse porte sur la propositiond’une approche de pronostic dédiée aux piles à combustibles de types PEMFC à l’aide de filtrageparticulaire.Le raisonnement s’attache tout d’abord à mettre en place une formalisation du cadre de travailainsi que des exigences de mise en. Ceci se poursuit par le développement d’un modèle basé sur laphysique permettant une estimation d’état de santé et de son évolution temporelle. L’estimationd’état est réalisée grâce à du filtrage particulaire. Différentes variantes de filtres sont considérées surla base d’une de la littérature et de nouvelles propositions adaptées au PHM sont formulées etcomparées à celles existantes. Les estimations d’état de santé fournies par le processus de filtragesont utilisées pour réaliser des prédictions de l’état de santé futur du système, puis de sa durée devie résiduelle. L’ensemble des propositions est validé sur 4 jeux de données obtenus sur des PEMFCsuivant des profils de mission variés. Les résultats montrent de bonnes performances deprédictions et d’estimations de durée de vie résiduelle avant défaillance

Prédiction des Paramètres Physiques des Couches Pétrolifères par Analyse des Réseaux de Neurones et Analyse Faciologique.

Characterization of the shaly sand reservoirs by well log data is a practical way of reservoirdescriptions in the oil fields. During the last few years several studies were conducted in thefield of petroleum engineering by applying artificial intelligence. This work represents apetrophysical-based method that uses well loggings and core plug data to predict well log datarecorded at depth in shaly sand reservoir of the Triassic Formation in Hassi R’Mel field(Algerian Sahara). In the study of oil reservoirs, the prediction of absolute permeability is afundamental key in reservoir descriptions which has a direct impact on, amongst others,effective completion designs, successful water injection programs and more efficient reservoirmanagement. The Triassic Formations of the Hassi R’Mel field are composed of sandstonesand shaly sand with dolomite. Logs from the 10 wells are the starting point for the reservoircharacterization. This work presents a hybrid neuro-fuzzy model based on the use of well logdata in porosity and permeability estimation. A fuzzy logic approach is used to calibrate thecalculated permeability and core permeability and neural network was developed in thismodel based on data available in the field. Fuzzy analysis is based on fuzzy logic and is usedto get the best related well logs with core porosity and permeability data. Neural network isused as a nonlinear regression method to develop transformation between the selected welllogs and core measurements. Porosity and permeability are predicted in these wells using thelinear regression and multilayer perceptron models are constructed. Their reliabilities arecompared using regression coefficients for predictions in uncored sections. This method ofintelligent technique is used as a powerful tool for reservoir properties estimation from welllogs in oil and natural gas development projects.La caractérisation des réservoirs argilo-gréseux par les données de diagraphies est un moyenpratique de la description des réservoirs dans les champs pétroliers. Au cours des dernièresannées, plusieurs études ont été menées dans le domaine de l'ingénierie pétrolière enappliquant l'intelligence artificielle. Ce travail représente une méthode basée sur lapétrophysique qui utilise des diagraphies de puits et des données de modules de base pourprédire et enregistrer les données en profondeur dans les réservoirs argilo-gréseux de laformation du Trias dans le champ de Hassi R'Mel (Sahara algérien).Dans l'étude des gisements de pétrole, la prédiction de la perméabilité absolue et de laporosité est un élément fondamental dans les descriptions de réservoirs ayant un impact directsur les autres paramètres pétrophysiques, les programmes d'injection d'eau et la bonne gestionde réservoir d’une manière plus efficace. Les formations du Trias du champ de Hassi R’Melsont composées de grès et de sable schisteux avec de la dolomie. Les enregistrementsdiagraphiques de 10 puits de ce champ sont le point de départ pour la caractérisation de sonréservoir. Ce travail présente un modèle hybride "neuro-fuzzy" basé sur l'utilisation desdonnées de diagraphies pour l’estimation de la porosité et de la perméabilité. Une approche dela logique floue (fuzzy logic) est utilisée pour comparer la perméabilité carotte et laperméabilité calculée à partir des réseaux de neurones ainsi que celles de la porosité,développées dans ce modèle sur la base des données disponibles au niveau des puits. Lalogique floue est utilisée pour le choix des meilleurs rapports de forage associés à la porositéet la base de données de perméabilité. Le réseau neuronal est utilisé comme méthode derégression non linéaire pour développer une transformation entre diagraphies de puitssélectionnés et mesures de porosité et de perméabilité. Cette technique de méthodeintelligente est utilisée comme un outil puissant pour l’estimation des propriétés des réservoirsd’après les paramètres diagraphiques et dans les projets de développement pétrolier et de gaznature