Décodage par liste de vidéos assisté par apprentissage profond dans des systèmes de transmission vidéo sujets aux erreurs

Deep learning-assisted video list decoding in error-prone video transmission systems

• Auteur / Autrice : Yujing Zhang
• Direction : François-Xavier Coudoux, Stéphane Coulombe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 23/09/2024
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France en cotutelle avec École de technologie supérieure (Montréal, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Marco Pedersoli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François-Xavier Coudoux, Stéphane Coulombe, Hassan Rabah, Anissa Mokraoui, Farida Cheriet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hassan Rabah, Anissa Mokraoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Données -- Transmission

Vidéocommunications

Apprentissage profond

Mots clés libres

Transmission vidéo

Décodage par liste

Évaluation de la qualité de l'image

Réseau neuronal convolutif

Transformateur de vision

Video transmission

List decoding

Image quality assessment

Convolutional neural network

Vision Transformer

Résumé

Au cours des dernières années, les applications vidéo ont connu un développement rapide. Par ailleurs, l’expérience en matière de qualité vidéo s’est considérablement améliorée grâce à l’avènement de la vidéo HD et à l’émergence des contenus 4K. En conséquence, les flux vidéo ont tendance à représenter une plus grande quantité de données. Pour réduire la taille de ces flux vidéo, de nouvelles solutions de compression vidéo telles que HEVC ont été développées.Cependant, les erreurs de transmission susceptibles de survenir sur les réseaux peuvent provoquer des artefacts visuels indésirables qui dégradent considérablement l'expérience utilisateur. Diverses approches ont été proposées dans la littérature pour trouver des solutions efficaces et peu complexes afin de réparer les paquets vidéo contenant des erreurs binaires, en évitant ainsi une retransmission coûteuse et incompatible avec les contraintes de faible latence de nombreuses applications émergentes (vidéo immersive, télé-opération). La correction d'erreurs basée sur le contrôle de redondance cyclique (CRC) est une approche prometteuse qui utilise des informations facilement disponibles sans surcoût de débit. Cependant, elle ne peut corriger en pratique qu'un nombre limité d'erreurs. Selon le polynôme générateur utilisé, la taille des paquets et le nombre maximum d'erreurs considéré, cette méthode peut conduire non pas à un paquet corrigé unique, mais plutôt à une liste de paquets possiblement corrigés. Dans ce cas, le décodage de liste devient pertinent en combinaison avec la correction d'erreurs basée CRC ainsi qu'avec les méthodes exploitant l'information sur la fiabilité des bits reçus. Celui-ci présente toutefois des inconvénients en termes de sélection de vidéos candidates. Suite à la génération des candidats classés lors du processus de décodage de liste dans l'état de l'art, la sélection finale considéra souvent le premier candidat valide dans la liste finale comme vidéo reconstruite. Cependant, cette sélection simple est arbitraire et non optimale, la séquence vidéo candidate en tête de liste n'étant pas nécessairement celle qui présente la meilleure qualité visuelle. Il est donc nécessaire de développer une nouvelle méthode permettant de sélectionner automatiquement la vidéo ayant la plus haute qualité dans la liste des candidats.Nous proposons de sélectionner le meilleur candidat en fonction de la qualité visuelle déterminée par un système d'apprentissage profond (DL). Considérant que la distorsion sera gérée sur chaque image, nous considérons l’évaluation de la qualité de l’image plutôt que l’évaluation de la qualité vidéo. Plus précisément, chaque candidat subit un traitement par une méthode d'évaluation de la qualité d'image (image quality assessment, IQA) sans référence basée sur l'apprentissage profond pour obtenir un score. Par la suite, le système sélectionne le candidat ayant le score IQA le plus élevé. Pour cela, notre système évalue la qualité des vidéos soumises à des erreurs de transmission sans éliminer les paquets perdus ni dissimuler les régions perdues. Les distorsions causées par les erreurs de transmission diffèrent de celles prises en compte par les mesures de qualité visuelle traditionnelles, qui traitent généralement des distorsions globales et uniformes de l'image. Ainsi, ces métriques ne parviennent pas à distinguer la version corrigée des différentes versions vidéo corrompues. Notre approche revisite et optimise la technique de décodage de liste classique en lui associant une architecture CNN d’abord, puis Transformer pour évaluer la qualité visuelle et identifier le meilleur candidat. Elle est sans précédent et offre d'excellentes performances. En particulier, nous montrons que lorsque les erreurs de transmission se produisent dans une trame intra, nos architectures basées sur CNN et Transformer atteignent une précision de décision de 100%. Pour les erreurs dans une image inter, la précision est de 93% et 95%, respectivement.

In recent years, video applications have developed rapidly. At the same time, the video quality experience has improved considerably with the advent of HD video and the emergence of 4K content. As a result, video streams tend to represent a larger amount of data. To reduce the size of these video streams, new video compression solutions such as HEVC have been developed.However, transmission errors that may occur over networks can cause unwanted visual artifacts that significantly degrade the user experience. Various approaches have been proposed in the literature to find efficient and low-complexity solutions to repair video packets containing binary errors, thus avoiding costly retransmission that is incompatible with the low latency constraints of many emerging applications (immersive video, tele-operation). Error correction based on cyclic redundancy check (CRC) is a promising approach that uses readily available information without throughput overhead. However, in practice it can only correct a limited number of errors. Depending on the generating polynomial used, the size of the packets and the maximum number of errors considered, this method can lead not to a single corrected packet but rather to a list of possibly corrected packets. In this case, list decoding becomes relevant in combination with CRC-based error correction as well as methods exploiting information on the reliability of the received bits. However, this has disadvantages in terms of selection of candidate videos. Following the generation of ranked candidates during the state-of-the-art list decoding process, the final selection often considers the first valid candidate in the final list as the reconstructed video. However, this simple selection is arbitrary and not optimal, the candidate video sequence at the top of the list is not necessarily the one which presents the best visual quality. It is therefore necessary to develop a new method to automatically select the video with the highest quality from the list of candidates.We propose to select the best candidate based on the visual quality determined by a deep learning (DL) system. Considering that distortions will be assessed on each frame, we consider image quality assessment rather than video quality assessment. More specifically, each candidate undergoes processing by a reference-free image quality assessment (IQA) method based on deep learning to obtain a score. Subsequently, the system selects the candidate with the highest IQA score. To do this, our system evaluates the quality of videos subject to transmission errors without eliminating lost packets or concealing lost regions. Distortions caused by transmission errors differ from those accounted for by traditional visual quality measures, which typically deal with global, uniform image distortions. Thus, these metrics fail to distinguish the repaired version from different corrupted video versions when local, non-uniform errors occur. Our approach revisits and optimizes the classic list decoding technique by associating it with a CNN architecture first, then with a Transformer to evaluate the visual quality and identify the best candidate. It is unprecedented and offers excellent performance. In particular, we show that when transmission errors occur within an intra frame, our CNN and Transformer-based architectures achieve 100% decision accuracy. For errors in an inter frame, the accuracy is 93% and 95%, respectively.