Optimisation des techniques de compression d'images fixes et de vidéo en vue de la caractérisation des matériaux : applications à la mécanique

Optimization of compression techniques for still images and video for characterization of materials : mechanical applications

• Auteur / Autrice : Tarek Saad Omar Eseholi
• Direction : Patrick Corlay, François-Xavier Coudoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique. Acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Yannis Pousset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Corlay, François-Xavier Coudoux, Pierre-Emmanuel Mazeran, Maxence Bigerelle, Anne-Sophie Descamps, Delphine Notta-Cuvier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Emmanuel Mazeran

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Machines à vecteurs de support

Compression vidéo

Mots clés libres

Big data

Mécanique

Science des matériaux

Compression et analyse des données

Traitement de l'information

Codage vidéo à haute efficacité (HEVC)

Big data

Mechanics

Materials science

Data compression and analysis

High efficiency video coding (HEVC)

Support vector machine (SVM)

Résumé

Cette thèse porte sur l’optimisation des techniques de compression d'images fixes et de vidéos en vue de la caractérisation des matériaux pour des applications dans le domaine de la mécanique, et s’inscrit dans le cadre du projet de recherche MEgABIt (MEchAnic Big Images Technology) soutenu par l’Université Polytechnique Hauts-de-France. L’objectif scientifique du projet MEgABIt est d’investiguer dans l’aptitude à compresser de gros volumes de flux de données issues d’instrumentation mécanique de déformations à grands volumes tant spatiaux que fréquentiels. Nous proposons de concevoir des algorithmes originaux de traitement dans l’espace compressé afin de rendre possible au niveau calculatoire l’évaluation des paramètres mécaniques, tout en préservant le maximum d’informations fournis par les systèmes d’acquisitions (imagerie à grande vitesse, tomographie 3D). La compression pertinente de la mesure de déformation des matériaux en haute définition et en grande dynamique doit permettre le calcul optimal de paramètres morpho-mécaniques sans entraîner la perte des caractéristiques essentielles du contenu des images de surface mécaniques, ce qui pourrait conduire à une analyse ou une classification erronée. Dans cette thèse, nous utilisons le standard HEVC (High Efficiency Video Coding) à la pointe des technologies de compression actuelles avant l'analyse, la classification ou le traitement permettant l'évaluation des paramètres mécaniques. Nous avons tout d’abord quantifié l’impact de la compression des séquences vidéos issues d’une caméra ultra-rapide. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré que des taux de compression allant jusque 100 :1 pouvaient être appliqués sans dégradation significative de la réponse mécanique de surface du matériau mesurée par l’outil d’analyse VIC-2D. Finalement, nous avons développé une méthode de classification originale dans le domaine compressé d’une base d’images de topographie de surface. Le descripteur d'image topographique est obtenu à partir des modes de prédiction calculés par la prédiction intra-image appliquée lors de la compression sans pertes HEVC des images. La machine à vecteurs de support (SVM) a également été introduite pour renforcer les performances du système proposé. Les résultats expérimentaux montrent que le classificateur dans le domaine compressé est robuste pour la classification de nos six catégories de topographies mécaniques différentes basées sur des méthodologies d'analyse simples ou multi-échelles, pour des taux de compression sans perte obtenus allant jusque 6: 1 en fonction de la complexité de l'image. Nous avons également évalué les effets des types de filtrage de surface (filtres passe-haut, passe-bas et passe-bande) et de l'échelle d'analyse sur l'efficacité du classifieur proposé. La grande échelle des composantes haute fréquence du profil de surface est la mieux appropriée pour classer notre base d’images topographiques avec une précision atteignant 96%.

This PhD. thesis focuses on the optimization of fixed image and video compression techniques for the characterization of materials in mechanical science applications, and it constitutes a part of MEgABIt (MEchAnic Big Images Technology) research project supported by the Polytechnic University Hauts-de-France (UPHF). The scientific objective of the MEgABIt project is to investigate the ability to compress large volumes of data flows from mechanical instrumentation of deformations with large volumes both in the spatial and frequency domain. We propose to design original processing algorithms for data processing in the compressed domain in order to make possible at the computational level the evaluation of the mechanical parameters, while preserving the maximum of information provided by the acquisitions systems (high-speed imaging, tomography 3D). In order to be relevant image compression should allow the optimal computation of morpho-mechanical parameters without causing the loss of the essential characteristics of the contents of the mechanical surface images, which could lead to wrong analysis or classification. In this thesis, we use the state-of-the-art HEVC standard prior to image analysis, classification or storage processing in order to make the evaluation of the mechanical parameters possible at the computational level. We first quantify the impact of compression of video sequences from a high-speed camera. The experimental results obtained show that compression ratios up to 100: 1 could be applied without significant degradation of the mechanical surface response of the material measured by the VIC-2D analysis tool. Then, we develop an original classification method in the compressed domain of a surface topography database. The topographical image descriptor is obtained from the prediction modes calculated by intra-image prediction applied during the lossless HEVC compression of the images. The Support vector machine (SVM) is also introduced for strengthening the performance of the proposed system. Experimental results show that the compressed-domain topographies classifier is robust for classifying the six different mechanical topographies either based on single or multi-scale analyzing methodologies. The achieved lossless compression ratios up to 6:1 depend on image complexity. We evaluate the effects of surface filtering types (high-pass, low-pass, and band-pass filter) and the scale of analysis on the efficiency of the proposed compressed-domain classifier. We verify that the high analysis scale of high-frequency components of the surface profile is more appropriate for classifying our surface topographies with accuracy of 96 %.