Efficient compression for scalable transmission of digital holograms

par Anas El Rhammad

Thèse de doctorat en Signal, images, automatique et robotique

Sous la direction de Marco Cagnazzo, Patrick Gioia et de Antonin Gilles.

Soutenue le 11-02-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec Télécom Paris (Palaiseau) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Picart.

Le jury était composé de Frédéric Dufaux, Cristian Perra.

Les rapporteurs étaient Peter Schelkens, Christine Guillemot.

  • Titre traduit

    Compression efficace pour une transmission scalable des hologrammes numériques


  • Résumé

    Contrairement à la stéréoscopie, l'holographie permet une visualisation 3D la plus naturelle et confortable possible. En revanche, les hologrammes numériques contiennent une grande quantité de données avec peu de corrélations. Dans la première partie de ce travail, nous avons introduit deux méthodes de compression des hologrammes numériques. Tout d'abord, nous avons décomposé l'hologramme en faisceaux lumineux en utilisant les ondelettes de Gabor. Pour des fins de compression, nous avons compacté l'expansion obtenue en utilisant l'algorithme du guillemotleft Matching Pursuitguillemotright. Ensuite, nous avons conçu un schéma de codage spécifique aux coefficients et indices des atomes de Gabor. L'approche proposée a atteint une meilleure performance par rapport aux codeurs classiques.Deuxièmement, en exploitant la dualité entre les ondelettes de Gabor et les faisceaux lumineux émis par l'hologramme, nous avons développé un schéma de codage scalable en termes de point de vue et qualité. En effet, seuls les atomes de Gabor qui émettent la lumière dans la fenêtre de l'observateur considéré sont sélectionnés, triés et puis encodés. Le débit binaire a été considérablement réduit, sans dégrader la qualité de reconstruction par rapport à celle obtenue en encodant la totalité de l'hologramme.Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons conçu deux architectures serveur-client pour une transmission progressive d'hologrammes en fonction de la position d'observateur à l'aide d'un codage scalable. Dans la première solution, un flux binaire scalable à grain fin est généré en ligne par le serveur, après chaque notification client concernant la position de l'utilisateur. Les résultats expérimentaux ont révélé que la méthode proposée permet une visualisation rapide en décodant les premiers atomes reçus en plus d'une augmentation progressive de la qualité.Enfin, pour réduire la latence causée par la charge de calcul au moment du codage, nous avons proposé une deuxième solution où l'intégralité de l'expansion de Gabor est encodée hors ligne par le serveur, puis décodée en ligne suivant la trajectoire de l'observateur. Pour permettre un codage scalable, nous avons regroupé les atomes de Gabor à la suite d'une décomposition par blocs du plan de l'observateur. Ensuite, les atomes de chaque bloc sont affectés à différents niveaux de qualité et codés par paquets. Les tests de simulation ont montré que l'architecture proposée permet une transmission à faible latence sans augmenter significativement le coût d'encodage.


  • Résumé

    Contrary to conventional stereoscopy, holography provides the most natural and comfortable 3D visualization. However, digital holograms contain massive amount of data with very few correlations. In the first part of this work, we introduced two methods for digital holograms compression. First, we proposed a redundant light beams-based decomposition of holograms using the Gabor wavelets. For compression purposes, we sparsified the obtained expansion using the Matching Pursuit algorithm. Then, we designed a specific encoder framework for the coefficients and indexes of Gabor atoms. The proposed approach achieved better compression performance compared to the state of the art methods. Second, by exploiting the duality between Gabor wavelets and diffracted light beams, we developed a viewpoint-quality scalable coding scheme. Indeed, for a given observer's position, only the Gabor atoms that emit light into the viewer's window are selected, sorted and then encoded. The bit rate has been significantly reduced, without degrading the reconstruction quality obtained by encoding the whole hologram. In the second part of this work, we designed two server-client architectures for a view-dependent progressive transmission of holograms using scalable coding. In the first solution, a fine-grain scalable bitstream is generated online by the server, after each client notification about the user's position. Experimental results reveal that this method enables a rapid visualization by decoding the first received atoms in addition to a progressive increase of quality.Finally, to reduce the latency caused by the computational burden of encoding, we proposed a second solution where the whole Gabor expansion is encoded offline by the server, and then decoded online with respect to the viewer’s trajectory. To enable a scalable compression, we grouped the Gabor atoms following a block-based decomposition of the observer plane. Then, the atoms of each block are assigned to different quality levels and encoded in packets. Simulations tests show that the proposed architecture allows a low-latency transmission without significantly increasing the encoding rate.

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