105 research outputs found

    Image and Video Coding Techniques for Ultra-low Latency

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    The next generation of wireless networks fosters the adoption of latency-critical applications such as XR, connected industry, or autonomous driving. This survey gathers implementation aspects of different image and video coding schemes and discusses their tradeoffs. Standardized video coding technologies such as HEVC or VVC provide a high compression ratio, but their enormous complexity sets the scene for alternative approaches like still image, mezzanine, or texture compression in scenarios with tight resource or latency constraints. Regardless of the coding scheme, we found inter-device memory transfers and the lack of sub-frame coding as limitations of current full-system and software-programmable implementations.publishedVersionPeer reviewe

    SLEPX: An Efficient Lightweight Cipher for Visual Protection of Scalable HEVC Extension

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    This paper proposes a lightweight cipher scheme aimed at the scalable extension of the High Efficiency Video Coding (HEVC) codec, referred to as the Scalable HEVC (SHVC) standard. This stream cipher, Symmetric Cipher for Lightweight Encryption based on Permutation and EXlusive OR (SLEPX), applies Selective Encryption (SE) over suitable coding syntax elements in the SHVC layers. This is achieved minimal computational complexity and delay. The algorithm also conserves most SHVC functionalities, i.e. preservation of bit-length, decoder format-compliance, and error resilience. For comparative analysis, results were taken and compared with other state-of-art ciphers i.e. Exclusive-OR (XOR) and the Advanced Encryption Standard (AES). The performance of SLEPX is also compared with existing video SE solutions to confirm the efficiency of the adopted scheme. The experimental results demonstrate that SLEPX is as secure as AES in terms of visual protection, while computationally efficient comparable with a basic XOR cipher. Visual quality assessment, security analysis and extensive cryptanalysis (based on numerical values of selected binstrings) also showed the effectiveness of SLEPX’s visual protection scheme for SHVC compared to previously-employed cryptographic technique

    Resource-Constrained Low-Complexity Video Coding for Wireless Transmission

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    High throughput image compression and decompression on GPUs

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    Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines GPU-freundlichen, intra-only, Wavelet-basierten Videokompressionsverfahrens mit hohem Durchsatz, das für visuell verlustfreie Anwendungen optimiert ist. Ausgehend von der Beobachtung, dass der JPEG 2000 Entropie-Kodierer ein Flaschenhals ist, werden verschiedene algorithmische Änderungen vorgeschlagen und bewertet. Zunächst wird der JPEG 2000 Selective Arithmetic Coding Mode auf der GPU realisiert, wobei sich die Erhöhung des Durchsatzes hierdurch als begrenzt zeigt. Stattdessen werden zwei nicht standard-kompatible Änderungen vorgeschlagen, die (1) jede Bitebebene in nur einem einzelnen Pass verarbeiten (Single-Pass-Modus) und (2) einen echten Rohcodierungsmodus einführen, der sample-weise parallelisierbar ist und keine aufwendige Kontextmodellierung erfordert. Als nächstes wird ein alternativer Entropiekodierer aus der Literatur, der Bitplane Coder with Parallel Coefficient Processing (BPC-PaCo), evaluiert. Er gibt Signaladaptivität zu Gunsten von höherer Parallelität auf und daher wird hier untersucht und gezeigt, dass ein aus verschiedensten Testsequenzen gemitteltes statisches Wahrscheinlichkeitsmodell eine kompetitive Kompressionseffizienz erreicht. Es wird zudem eine Kombination von BPC-PaCo mit dem Single-Pass-Modus vorgeschlagen, der den Speedup gegenüber dem JPEG 2000 Entropiekodierer von 2,15x (BPC-PaCo mit zwei Pässen) auf 2,6x (BPC-PaCo mit Single-Pass-Modus) erhöht auf Kosten eines um 0,3 dB auf 1,0 dB erhöhten Spitzen-Signal-Rausch-Verhältnis (PSNR). Weiter wird ein paralleler Algorithmus zur Post-Compression Ratenkontrolle vorgestellt sowie eine parallele Codestream-Erstellung auf der GPU. Es wird weiterhin ein theoretisches Laufzeitmodell formuliert, das es durch Benchmarking von einer GPU ermöglicht die Laufzeit einer Routine auf einer anderen GPU vorherzusagen. Schließlich wird der erste JPEG XS GPU Decoder vorgestellt und evaluiert. JPEG XS wurde als Low Complexity Codec konzipiert und forderte erstmals explizit GPU-Freundlichkeit bereits im Call for Proposals. Ab Bitraten über 1 bpp ist der Decoder etwa 2x schneller im Vergleich zu JPEG 2000 und 1,5x schneller als der schnellste hier vorgestellte Entropiekodierer (BPC-PaCo mit Single-Pass-Modus). Mit einer GeForce GTX 1080 wird ein Decoder Durchsatz von rund 200 fps für eine UHD-4:4:4-Sequenz erreicht.This work investigates possibilities to create a high throughput, GPU-friendly, intra-only, Wavelet-based video compression algorithm optimized for visually lossless applications. Addressing the key observation that JPEG 2000’s entropy coder is a bottleneck and might be overly complex for a high bit rate scenario, various algorithmic alterations are proposed. First, JPEG 2000’s Selective Arithmetic Coding mode is realized on the GPU, but the gains in terms of an increased throughput are shown to be limited. Instead, two independent alterations not compliant to the standard are proposed, that (1) give up the concept of intra-bit plane truncation points and (2) introduce a true raw-coding mode that is fully parallelizable and does not require any context modeling. Next, an alternative block coder from the literature, the Bitplane Coder with Parallel Coefficient Processing (BPC-PaCo), is evaluated. Since it trades signal adaptiveness for increased parallelism, it is shown here how a stationary probability model averaged from a set of test sequences yields competitive compression efficiency. A combination of BPC-PaCo with the single-pass mode is proposed and shown to increase the speedup with respect to the original JPEG 2000 entropy coder from 2.15x (BPC-PaCo with two passes) to 2.6x (proposed BPC-PaCo with single-pass mode) at the marginal cost of increasing the PSNR penalty by 0.3 dB to at most 1 dB. Furthermore, a parallel algorithm is presented that determines the optimal code block bit stream truncation points (given an available bit rate budget) and builds the entire code stream on the GPU, reducing the amount of data that has to be transferred back into host memory to a minimum. A theoretical runtime model is formulated that allows, based on benchmarking results on one GPU, to predict the runtime of a kernel on another GPU. Lastly, the first ever JPEG XS GPU-decoder realization is presented. JPEG XS was designed to be a low complexity codec and for the first time explicitly demanded GPU-friendliness already in the call for proposals. Starting at bit rates above 1 bpp, the decoder is around 2x faster compared to the original JPEG 2000 and 1.5x faster compared to JPEG 2000 with the fastest evaluated entropy coder (BPC-PaCo with single-pass mode). With a GeForce GTX 1080, a decoding throughput of around 200 fps is achieved for a UHD 4:4:4 sequence

    Semi-synchronous video for deaf telephony with an adapted synchronous codec

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    Magister Scientiae - MScCommunication tools such as text-based instant messaging, voice and video relay services, real-time video chat and mobile SMS and MMS have successfully been used among Deaf people. Several years of field research with a local Deaf community revealed that disadvantaged South African Deaf people preferred to communicate with both Deaf and hearing peers in South African Sign Language as opposed to text. Synchronous video chat and video relay services provided such opportunities. Both types of services are commonly available in developed regions, but not in developing countries like South Africa. This thesis reports on a workaround approach to design and develop an asynchronous video communication tool that adapted synchronous video codecs to store-and-forward video delivery. This novel asynchronous video tool provided high quality South African Sign Language video chat at the expense of some additional latency. Synchronous video codec adaptation consisted of comparing codecs, and choosing one to optimise in order to minimise latency and preserve video quality. Traditional quality of service metrics only addressed real-time video quality and related services. There was no such standard for asynchronous video communication. Therefore, we also enhanced traditional objective video quality metrics with subjective assessment metrics conducted with the local Deaf community.South Afric

    Network streaming and compression for mixed reality tele-immersion

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    Bulterman, D.C.A. [Promotor]Cesar, P.S. [Copromotor

    Deep Video Compression

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    Bitstream-based video quality modeling and analysis of HTTP-based adaptive streaming

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    Die Verbreitung erschwinglicher Videoaufnahmetechnologie und verbesserte Internetbandbreiten ermöglichen das Streaming von hochwertigen Videos (Auflösungen > 1080p, Bildwiederholraten ≥ 60fps) online. HTTP-basiertes adaptives Streaming ist die bevorzugte Methode zum Streamen von Videos, bei der Videoparameter an die verfügbare Bandbreite angepasst wird, was sich auf die Videoqualität auswirkt. Adaptives Streaming reduziert Videowiedergabeunterbrechnungen aufgrund geringer Netzwerkbandbreite, wirken sich jedoch auf die wahrgenommene Qualität aus, weswegen eine systematische Bewertung dieser notwendig ist. Diese Bewertung erfolgt üblicherweise für kurze Abschnitte von wenige Sekunden und während einer Sitzung (bis zu mehreren Minuten). Diese Arbeit untersucht beide Aspekte mithilfe perzeptiver und instrumenteller Methoden. Die perzeptive Bewertung der kurzfristigen Videoqualität umfasst eine Reihe von Labortests, die in frei verfügbaren Datensätzen publiziert wurden. Die Qualität von längeren Sitzungen wurde in Labortests mit menschlichen Betrachtern bewertet, die reale Betrachtungsszenarien simulieren. Die Methodik wurde zusätzlich außerhalb des Labors für die Bewertung der kurzfristigen Videoqualität und der Gesamtqualität untersucht, um alternative Ansätze für die perzeptive Qualitätsbewertung zu erforschen. Die instrumentelle Qualitätsevaluierung wurde anhand von bitstrom- und hybriden pixelbasierten Videoqualitätsmodellen durchgeführt, die im Zuge dieser Arbeit entwickelt wurden. Dazu wurde die Modellreihe AVQBits entwickelt, die auf den Labortestergebnissen basieren. Es wurden vier verschiedene Modellvarianten von AVQBits mit verschiedenen Inputinformationen erstellt: Mode 3, Mode 1, Mode 0 und Hybrid Mode 0. Die Modellvarianten wurden untersucht und schneiden besser oder gleichwertig zu anderen aktuellen Modellen ab. Diese Modelle wurden auch auf 360°- und Gaming-Videos, HFR-Inhalte und Bilder angewendet. Darüber hinaus wird ein Langzeitintegrationsmodell (1 - 5 Minuten) auf der Grundlage des ITU-T-P.1203.3-Modells präsentiert, das die verschiedenen Varianten von AVQBits mit sekündigen Qualitätswerten als Videoqualitätskomponente des vorgeschlagenen Langzeitintegrationsmodells verwendet. Alle AVQBits-Varianten, das Langzeitintegrationsmodul und die perzeptiven Testdaten wurden frei zugänglich gemacht, um weitere Forschung zu ermöglichen.The pervasion of affordable capture technology and increased internet bandwidth allows high-quality videos (resolutions > 1080p, framerates ≥ 60fps) to be streamed online. HTTP-based adaptive streaming is the preferred method for streaming videos, adjusting video quality based on available bandwidth. Although adaptive streaming reduces the occurrences of video playout being stopped (called “stalling”) due to narrow network bandwidth, the automatic adaptation has an impact on the quality perceived by the user, which results in the need to systematically assess the perceived quality. Such an evaluation is usually done on a short-term (few seconds) and overall session basis (up to several minutes). In this thesis, both these aspects are assessed using subjective and instrumental methods. The subjective assessment of short-term video quality consists of a series of lab-based video quality tests that have resulted in publicly available datasets. The overall integral quality was subjectively assessed in lab tests with human viewers mimicking a real-life viewing scenario. In addition to the lab tests, the out-of-the-lab test method was investigated for both short-term video quality and overall session quality assessment to explore the possibility of alternative approaches for subjective quality assessment. The instrumental method of quality evaluation was addressed in terms of bitstream- and hybrid pixel-based video quality models developed as part of this thesis. For this, a family of models, namely AVQBits has been conceived using the results of the lab tests as ground truth. Based on the available input information, four different instances of AVQBits, that is, a Mode 3, a Mode 1, a Mode 0, and a Hybrid Mode 0 model are presented. The model instances have been evaluated and they perform better or on par with other state-of-the-art models. These models have further been applied to 360° and gaming videos, HFR content, and images. Also, a long-term integration (1 - 5 mins) model based on the ITU-T P.1203.3 model is presented. In this work, the different instances of AVQBits with the per-1-sec scores output are employed as the video quality component of the proposed long-term integration model. All AVQBits variants as well as the long-term integration module and the subjective test data are made publicly available for further research
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