Systèmes de transmission vidéo numérique

Cette thématique de recherche concerne l’étude de systèmes de vidéocommunications numériques originaux qui permettent l’optimisation de la qualité vidéo reçue.

Afin d’assurer une qualité vidéo de haut niveau à la réception chez l’usager, nous appliquons une approche conjointe des techniques de codage de source et de canal, afin d’optimiser les paramètres du système de transmission (Fig. 1).

Les travaux font essentiellement appel à deux domaines de compétences : le codage des images fixes et des vidéos (codage et transcodage MPEG-2, 4 – H.264 AVC/SVC) et les techniques de traitement du signal dédiées aux systèmes de télécoms (codage canal, modulations hiérarchiques, bit loading, estimation de canal).

Figure 1 : Illustration d’un système de transmission vidéo robuste basé sur une protection inégale par chargements des bits et des puissances.

Les domaines d’application visés sont la diffusion vidéo broadcast sur réseaux filaires (ADSL, lignes électriques, fibre optique) et sans fil, ainsi que la vidéosurveillance pour la sécurité dans les transports (programme de recherche CPER CISIT).

Dans ce second cas, l’objectif est d’étendre l’approche conjointe source/canal aux systèmes de transmission vidéo robustes MIMO-OFDM dans le cadre d’une application de vidéosurveillance entre un véhicule (bus, métro) et un poste de contrôle (sécurité dans les transports terrestres).

Les résultats obtenus ont donné lieu à plusieurs publications et ont été valorisés tout récemment dans le projet ANR TOSCANE : Transmission vidéo Optimisée Source/CAnal échelonNablE (2007-2010), en particulier via la mise en place d’un démonstrateur de diffusion de flux TVHD compressés SVC sur lignes ADSL2, avec optimisation de la qualité de bout en bout.

Sur les liaisons ADSL2 dont la capacité en débit est surtout limitée par la distance entre l'abonné et le central téléphonique, la qualité de diffusion de flux vidéo haut débit dépend fortement de cette distance. Nous avons proposé une solution complète de transmission de flux vidéo H264 AVC en haute définition qui permet d’augmenter de 1200 mètres la distance limite d'éligibilité aux services IPTV en HD par ADSL.

Afin de s’adapter au débit disponible sur la ligne téléphonique d’abonné, nous avons développé un transcodeur temps réel de flux H264/AVC Haute Définition à faible complexité capable de réduire d’un facteur 2 le débit vidéo initial. La transmission du flux vidéo adapté en débit par transcodage est ensuite optimisée grâce à une allocation adaptative des bits et des puissances sur les sous-canaux ADSL.

Figure 2

Dans le cas des transmissions PLC, les porteuses pilotes sont utilisées pour l’estimation du canal électrique et ne véhiculent donc pas d’information. Nous avons cherché à optimiser la distribution des puissances allouées à ces porteuses afin de maximiser la qualité de l’estimation du canal et donc de la transmission. Nous avons montré que même pour un canal où le bruit est fortement coloré (lignes électriques), une distribution uniforme de la puissance, facile à effectuer, est presque optimale.

Un des points clé dans l’optimisation de bout en bout d’une chaîne de transmission multiporteuses DMT (Discrete Multitone Modulation) ou OFDM (orthogonal Frequency Division Multiplex) est l’optimisation du débit binaire en tenant compte de la puissance allouée et des contraintes de compatibilité électromagnétiques (Fig. 2).

Pour cet objectif, nous avons développé un algorithme rapide d’allocation des bits et des puissances pour la transmission multiporteuses qui tient compte du taux d’erreur symbole, des contraintes spectrales de puissance d’émission (masque de puissance) et technologiques d’ordre de la modulation. L'algorithme proposé, offre des avantages significatifs : algorithme en O(N), où N est le nombre de porteuses, ne nécessitant pas l’ordonnancement préalable des porteuses.

Par rapport aux algorithmes de la même famille qui chargent tout le débit cible en deux ou trois étapes, la complexité de la phase finale de l’algorithme proposé (le reste des bits à charger) est presque dans tous les cas spécifiée à l’avance.

Figure 3 : Caractérisation du lien ADSL en fonction des paramètres physiques de la ligne et de l’environnement de transmission.

Dans le cas spécifique des applications de vidéo surveillance, nous avons proposé deux schémas de transmission vidéo innovants basés sur l’association des technologies MIMO avec un codage à descriptions multiples d’une part, et un codage scalable par régions d’intérêts basé sur l’outil FMO (Flexible Macroblock Ordering) d’autre part.

La philosophie de ces deux techniques est différente, mais chacune d’elles permet l’amélioration de la robustesse de la liaison sans fil et surtout l’amélioration de la qualité des signaux vidéos reçus même sur des canaux MIMO corrélés spatialement. La figure ci-dessous illustre les performances dans le cas de flux vidéo à l’intérieur d’un train (Fig. 4).

Figure 4: Illustration de la qualité vidéo reçue avec un schéma de transmission vidéo MIMO traditionnel (à gauche), et le schéma de transmission vidéo MIMO par zones d’intérêt proposé (à droite) : dans le second cas, on voit que les erreurs de transmission n’affectent pas la zone de l’agression sous surveillance.

L’extension de la méthodologie utilisée pour le transcodage H.264/AVC à d’autres schémas de codage vidéo (SVC, puis MVC pour des contenus audiovisuels 3D) est en cours de validation. Nous démarrons également en janvier 2011 une étude sur l’implémentation FPGA de techniques de pré-filtrage vidéo afin d’optimiser la compression H.264/AVC de flux TVHD.

Dans le cadre de la transmission sur lignes électriques, nous disposons via les câbles électriques de plusieurs canaux et nous envisageons d’effectuer une transmission robuste de flux de vidéo surveillance mettant en œuvre les technologies MIMO. Enfin, dans une autre thématique du groupe, une solution a été développée pour réaliser une transmission MIMO sur fibre optique. La transmission de flux Haute Définition scalables sans perte devrait être prochainement adaptée à un tel support de transmission.

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