Introduction

Les maladies du Système Nerveux Central (SNC) sont des maladies invalidantes affectant jusqu'à un milliard de personnes dans le monde entier, indépendamment de l'âge. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS), ces troubles sont l'un des enjeux majeurs de la recherche scientifique du 21 ème siècle à cause de l'absence de traitements efficaces, que ce soit pour les enfants ou pour les adultes. L'échec thérapeutique des maladies cérébrales est lié, entre autre, à l'existence de «barrières» entre le sang et le SNC, en particulier, la Barrière Hématoencéphalique (BHE). Pendant des années, les transporteurs ABC et SLC ont été largement étudiés dans l'organisme adulte. Mais, il y a une croyance répandue parmi les pédiatres, neurologues et les neuroscientifiques que la BHE chez l'embryon, le foetus, le nouveau-né et l'enfant est «immature», ce qui peut influencer la pharmacocinétique et la pharmacodynamique des médicaments dans le cerveau. Cependant, les connaissances actuelles sur l'état fonctionnel de la BHE dans l'organisme immature restent très limitées. Ainsi, d'un point de vue clinique et dans la perspective de développer de nouveaux médicaments avec une efficacité optimisée dans le SNC des enfants, il est important de 1) comprendre le rôle des transporteurs d'efflux de la BHE dans le cerveau immature et 2) élucider les mécanismes qui régulent leur expression fonctionnelle dans des conditions normales et pathologiques, notemment inflammatoires, parce que des modifications dans les composantes structurales et fonctionnelles de l'unité neurovasculaire ont été rapportées dans une longue liste de pathologies du SNC chez les enfants et les adultes (Stolp et Dziegielewska, 2009;Zlokovic, 2008) .

Objectifs

Les objectifs de ce travail de thèse sont de trois ordres:

1-Etudier l'ontogenèse de quelques protéines de structure et de transport de la BHE du stade post-natal jusqu'au stade adulte, en prenant comme modèle d'étude le rat.

2-Etudier les mécanismes moléculaires de régulation de l'activité de quatres transporteurs impliqués dans le phénomène de résistance aux médicaments (P-glycoprotéine (P-gp), Breast Cancer resistence protein (bcrp), Organic Anion Transporter 3 (oat3) et Organic Anion-Transporting Polypeptide (oatp1a4).

3-Comparer l'impact de l'inflammation cérébrale aigue sur la régulation de la P-gp et la bcrp entre sujets jeunes et adultes.

Notre méthodologie de travail s'est articulée comme suit:

1 -Développement d'outils de recherche: -Composantes structurales : Claudine-3, Claudine-5 et Zonula-Ocludens-1 (ZO-1).

-Transporteurs ABC: abcb1, abcc1, abcc4, abcc5, abcc6 et abcg2.

-Transporteurs SLC: slc22a8, slco1a4, slc2a1, slc15a2, slc7a7 et slc7a8.

Résulats et Discussion

Les principaux résultats obtenus de l'étude descriptive de l'ontogenèse de la BHE sont les et al., 2004;Saunders et al., 2000;Conserver et al., 1995;Preston et al., 1995;Moos et Møllgård, 1993;Saunders, 1992;Tauc et al., 1984;Olsson et al., 1968). Il a été également montré que perméabilité de la BHE au mannitol (182 Da) dans le cerveau de rats âgés d'une semaine est identique à celle des rats adultes (Preston et al. (1995)). Chez l'homme, l'expression de Claudine-5 a été détectée dans l'endothélium capillaire du cerveau des foetus humains âgés de 14 semaines (Virgintino et al., 2004). De plus, il a été démontré que la BHE des embryons et nouveau-nés protége le cerveau de molécules de faible poids moléculaire, et ceci parce que lea JS sont formées et fonctionnellement efficaces dès les stades précoces de la vascularisation cérébrale (Daneman et al., 2010a;Ek et al., 2006;Johansson et al., 2006;Nitta et al., 2003). Pris ensemble, ces études suggèrent que, chez les mammifères, la barrière est formée dès la naissance (Butt et al., 1990). Nos résultats sont en accord avec ces données.

2) A la différence de Claudine-5 et ZO1, Claudine-3 est exprimée à P2 mais ce niveau décroit après la naissance; au P14, P21 et P84, ce gène est détecté à des niveaux d'expression très bas (figure 12 du rapport de thèse Harati, 2012).

Claudin-3 est une composante des JS. Elle est connue pour être impliquée lors de l'établissement au cours de la vie embryonaire (Liebner et al., 2008). Son expression élevée à la naissance est en accord avec ce rôle.

3) L'expression génique de la plupart des transporteurs ABC et SLC analysés varie en fonction de l'âge (figures 13, 14 respectivement du rapport de thèse Harati, 2012).

Les transporteurs étudiés sont impliqués dans les phénomènes de résistance aux médicaments.

Par conséquent, ces variations peuvent avoir un impact sur la biodisponibilité cérébrale des médicaments. Pour cela, cette étude gènique mérite d'être compléter par des études de fonctionalité. Chez les rats jeunes, contrairement aux adultes, l'inhibition de la GSK-3β in vivo diminue l'expression fonctionnelle de la bcrp, avec une tendance à la diminution pour la P-gp (Figure 15 du rapport de thèse Harati, 2012).

4) L'expression protéique

Résultats et Discussion

Les principaux résultats obtenus de l'étude descriptive de l'ontogenèse de la BHE sont les suivants:

(i) L'expression de β-caténine nucléaire varie d'une manière inverse à celle de P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4. En effet, l'expression de la β-cat nucléaire diminue de façon significative à P21 par rapport à P84 (figure 5 (iv) Chez les rats jeunes, contrairement aux adultes, l'inhibition de la GSK-3β in vivo diminue l'expression fonctionnelle de la bcrp, avec une tendance à la diminution pour la P-gp (figure 15 du rapport de thèse Harati, 2012).

Ces données montrent une régulation différentielle des transporteurs de médicaments dans le cerveau juvénile par comparaison aux adultes, après activation de la β-cat. Les résultats obtenus méritent d'être complétés chez les sujets jeunes. Pour cela, il serait intéressant de mesurer l'activité des transporteurs après blocage des récepteurs de l'ET-1 et activation de la β-cat. Cette information aidera à clarifier le rôle de l'interaction entre β-cat et l'ET-1 dans la régulation des transporteurs de la BHE.

Afin de vérifier si l'ET-1 est le facteur à l'origine des différences observées entre adultes et jeunes, il était important de comparer, entre les rats juvéniles et adultes, l'impact de l'ET-1 sur la régulation des transporteurs de la BHE.

Conclusion et Perspectives

En conclusion, en utilisant des modèles ex vivo, in vitro et in vivo de la BHE, cette étude a mis en évidence l'existence de différences fonctionnelles, en terme de passage de molécules,

Résumé

Dans la première partie de la thèse, nous avons mis en évidence les propriétés changeantes de la BHE au cours de l'ontogenèse, ainsi qu'une régulation différentielle des transporteurs d'efflux de médicaments BBB après activation de β-cat. Nous avons supposé que les mécanismes de régulation activées dans le cerveau adulte peuvent être différents de ceux dans le cerveau juvénile, et que le facteur à l'origine de différences peut être l'ET-1, un neuropeptide-cytokine.

D'autre part, plusieurs études ont fourni des preuves que l'âge pourrait influencer la réponse de l'organisme aux cytokines, qui à leur tour pourraient moduler l'expression et l'activité des transporteurs d'efflux de la BHE (Brochu et al., 2011;Miller, 2010;Salkeni et al., 2009;Stolp et Dzgieliewska, 2009;Hembury et Mabondzo, 2008;Ronaldson et Bendayan, 2006;Theron et al., 2003). Et comme dans la majorité des troubles du SNC, on note une composante inflammatoire (Miller, 2010), il est très important de comparer l'impact de l'inflammation sur la régulation des transporteurs d'efflux de la BHE entre les différents âges. Tel était l'objectif principal de la troisième partie de la thèse.

Dans cette étude, nous avons comparé l'impact de l'inflammation cérébrale aigue induite par l'ET-1 sur la régulation des transporteurs d'efflux de la BHE entre les rats juvéniles et adultes.

Plus précisément, nous avons évalué, ex vivo et in vivo, l'impact de l'injection icv de l'ET-1 sur l'expression et l'activité de deux transporteurs d'efflux cliniquement relevant, la P-gp et la bcrp.

Le schéma ci-dessous présente une illustration de notre modèle expérimental:

Illustration du modèle expérimental. Ensuite, après avoir comparé l'impact de l'ET-1 sur l'activité de transport de la P-gp et la bcrp entre sujets jeunes et adultes, nous avons cherché à comprendre les mécanismes qui sous-tendent cette régulation différentielle. Pour cela, nous avons étudié le rôle de la réponse neuroinflammatoire déclenchée par l'ET-1, car il est probable que la sécrétion de cytokines dans le cerveau contrôle la régulation des transporteurs de la BHE et soit à l' origine de la régulation différentielle de la P-gp et la bcrp observée entre sujets juvéniles et adultes (Miller et al, 2010;Hartz et al, 2004). Pour tester cette hypothèse, nous avons étudié deux processus qui se déroulent au cours de l'inflammation: 1) L'activation gliale: par quantification de la GFAP, un marqueur de cette activation, dans l'hippocampe et le cortex de cerveau de rats traités avec l'ET-1, et 2) la 4) Des voies de signalisation activées différemment selon l'âge.

Des rats mâles

Résultats et Discussion

Pour récapituler, cette étude avait plusieurs principales conclusions: Ainsi, pour comprendre les mécanismes à l'origine de la régulation différentielle, plusieurs pistes méritent d'être explorées :

1) Des propriétés différentes des composants de la BHE juvénile comparée à celle adulte, comme l'a montré notre étude de l'ontogenèse descriptive.

2) Des réponses neuro-inflammatoire différentes à cause des niveaux basaux de la GFAP différents selon les âges.

3) Des différences de maturation dans les récepteurs à l'ET-1.

4) Des voies de signalisation activées différemment selon l'âge.

Conclusion et Perspectives

Cette étude a apporté la preuve d'une régulation différentielle de deux transporteurs ABC de la BHE, la P-gp et la bcrp, entre les rats juvéniles et adultes sous l'impact de l'inflammation cérébrale aigue. Ces données soulignent une fois de plus l'importance de prendre en compte les propriétés spécifiques de la BHE juvénile. Les résultats obtenus suggèrent quelques interrogations sur les mécanismes et voies de signalisation à l'origine de la régulation différentielle entre les organismes jeunes et adultes. En perspective pour ce travail, il serait important de mener des études complémentaires dans le but de déterminer les mécanismes à l'origine de la régulation différentielle des transporteurs d'efflux de la BHE liée à l'âge.

En conclusion, notre étude a fournit des arguments sur l'intérêt de prendre en compte les propriétés spécifiques de la BHE pédiatrique et la distinguer de la BHE adulte lors des définitions des stratégies thérapeutiques destinées à traiter les maladies cérébrales chez les enfants.

  La BHE est une structure neurovasculaire spécialisée localisée au niveau du Microvaisseaux Cérébraux (MVC). Ses fonctions principales sont la protection du SNC et le maintien de son homéostasie. Plusieurs facteurs contribuent à ce rôle: 1) La présence de Jonctions Serrées (JS) entre les Cellules Endothéliales des Microvaisseaux Cérébraux (CEMVC) qui scellent l'espace entre les cellules adjacentes et limitent le passage paracellulaire de substances potentiellement neurotoxiques véhiculées par le sang dans le cerveau, 2) La présence d'un certain nombre de transporteurs d'influx et/ou d'efflux exprimés sur le côté luminale et/ou abluminale de l'unité neurovasculaire pour surmonter les JS et répondre au besoin du cerveau en nutriments et en énergie. Ces transporteurs appartiennent majoritairement à deux grandes familles (ATP-binding cassette (ABC) et SoLute Carrier (SLC)) qui facilitent le passage des nutriments (par exemple le glucose, les acides aminés, etc.) du sang vers le cerveau, et l'efflux des déchets métaboliques cérébaux et des substances neurotoxiques à l'extérieur du cerveau. Mais ces transporteurs d'efflux empêchent également les médicaments thérapeutiques de pénétrer dans le cerveau et d'atteindre leur site d'action, ce qui contribue à l'échec thérapeutique. Pour surmonter les transporteurs ABC et SLC, les recherches scientifiques visent à identifier les mécanismes de signalisation qui régulent ces transporteurs au niveau de la BHE afin de

  gènes de Claudine-5 et ZO1 sont bien exprimés à la naissance et gardent presque le même niveau d'expression tout au long de la maturation. Aucune différence significative n'a été observée entre les rats nouveau-nés et les adultes (figure 12 du rapport de thèse Harati, 2012). Claudine-5 et ZO1 sont des composantes essentielles des JS; ils ont un rôle clé dans l'établissement de ces jonctions, empêchant ainsi la diffusion passive paracellulaire des molécules entre le sang et le cerveau. Nos résultats ont montré que ces deux composantes sont bien exprimées à la naissance sans différences significatives entre les rats nouveau-nés et les adultes. Ces résultats sont en accord avec ceux de la littérature. En effet, il a été démontré que le BHE se développe pendant la vie foetale et elle est bien étanche à la naissance, en particulier pour les macromolécules (Ballabh

  descriptive met en évidence des modifications des propriétés de la BHE au cours de l'ontogenèse. Cependant, la question utlime qui se pose concerne les mécanismes de régulation de l'expression fonctionnelle de la P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 dans le cerveau immature ainsi que celui adulte. La nécessité de comprendre ces mécanismes reposent sur plusieurs faits : 1) Le rôle des mécanismes moléculaires régulant l'activité des transporteurs d'efflux de la BHE ne sont pas entièrement comprises, et 2) Ces études mécanistiques permetterons de trouver des cibles moléculaires pouvant être utilisés pour moduler l'activité des transporteurs d'efflux des médicaments et ainsi optimiser la biodisponibilité des médicaments dans le cerveau pédiatrique et adulte. Un mécanisme de signalisation impliqué dans la régulation des composantes structuralles de la BHE au cours du développement embryonnaire c'est la voie Wnt/β-caténine(Liebner et al., 2008). Dans cette voie, l'interaction des protéines Wnt avec des récepteurs membranaires conduit à l'inactivation d'une kinase, la Glycogène Synthase Kinase-3β (GSK-3β), ce qui conduit à la stabilisation de la β-caténine (β-cat) dans le cytoplasme et sa translocation dans le noyau, où il induit l'expression de gènes cibles(Logan et al., 2004) (figure9, 10 et 11 de la partie d'introduction du rapport de thèse Harati, 2012). Fait intéressant, lorsque nous avons établit le profil de β-cat au cours de la maturation, nous avons illustré pour la première fois une régulation négative de l'expression nucléaire de la β-cat au niveau des MVC, et ceci lorsque les transporteurs P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 sont à leur plus haut niveaux d'expression (figure5,Harati et al., 2012a). Ces résultats suggèrent un lien entre l'expression de la β-cat et celle des transporteurs de la BHE. Quoi qu'il en soit, le rôle de la voie Wnt/β-cat dans la régulation de la maturation de la BHE reste à préciser. La détermination de ce rôle fut un des objectifs principaux de cette étude.Pour ce faire, nous avons utilisé une approche in vivo qui repose sur l'activation de la β-cat dans le cerveau de rat et ceci par injection intracérébroventriculaire (icv) d'un inhibiteur de GSK-3β, le BIO (6-bromo-indirubine-3'Oxime). Ensuite, nous avons suivi l'expression génique et protéique cytoplasmique/nucléaire de β-cat ainsi que celle des transporteurs d'efflux dans des MVC isolés de rats jeunes (P21) et adulte (P84), en présence ou en absence de l'activateur de βcat. Nos résultats ont montré que l'activation in vivo de la β-cat nucléaire cérébrale augmente l'expression des ARNm de laP-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 (figures 6, Harati et al., 2012a). La modulation de l'activité de P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 par β-cat a également été déterminée par l'évaluation in vivo du coefficient (Kp,uu) qui est le ratio des concentrations cérébrales libres de substrats des transporteurs, administrés par vois iv, divisées par leurs concentrations plasmatiques(Hammarlund-Udenaes et al, 2008;.. Liu et al, 2005). Nos résultats ont montré que l'activation in vivo de la β-cat nucléaire dans le cerveau augmente l'activité de la bcrp, oat3 et oatp1a4 chez les adultes (figures 7 et 8,Harati et al., 2012a). Nous avons également mis en évidence le rôle d'une interaction entre la voie de signalisation Wnt/β-cat et celle de l'ET-1, un peptide vasodilatateur(Wright et al., 1998; Yanagisawa et al, 1988), dans la régulation de ces transporteurs au niveau de la BHE, et ceci chez les rats adultes. En effet, l'ET-1 a fait l'objet de plusieurs études de recherche in vitro menées dans notre laboratoire. Ces études, en plus d'autres études antérieures, avaient mis en évidence un rôle de l'ET-1 dans la régulation de l'activité de la P-gp au niveau de la BHE(Hawkins et al, 2010; Hembury et al., 2008; Bauer et al., 2007). Pour cela, nous avons testé l'hypothèse de l'interaction de la voie Wnt/β-cat avec l'ET-1 pour réguler les transporteurs d'efflux. Chez les adultes, l'inhibition de GSK3 in vitro et in vivo augmente l'ARNm de l'ET-1 (figure9deHarati et al., 2012a). Fait intéressant, lorsque nous avons bloqué le récepteur ETA de l'ET-1, l'activation des transporteurs médiée par l'activation de β-cat a diminué (figures 10 et 11de Harati et al., 2012a).

(

  iii) Chez le rat adulte, la modulation de la bcrp, oat3, oatp1a4 et dans une moindre mesure de la P-gp par la β-cat a été remarquablement liée à la modulation de la production d'ET-1 (figure10et figure11, Harati et al., 2012 a).Nous avons démontré que l'inhibition de la GSK-3β in vivo augmente l'expression de la β-cat(figure 6, Harati et al., 2012a), mais aussi celle de l'ET-1 au niveau des MVC (figure9,Harati et al., 2012a). Ces résultats suggèrent que la régulation de la bcrp, oat3, oatp1a4 et dans une moindre mesure de la P-gp peut impliquer l'ET-1 (figures 10 et 11, Harati et al., 2012a ). Pour cela nous avons étudié le rôle d'une interaction entre la signalisation Wnt/β-caténine et l'ET-1 dans la régulation des transporteurs de la BHE chez des rats adultes. L'inhibition de la GSK-3β, in vitro et in vivo, augmente l'expression génique de l'ET-1 (figure9,Harati et al., 2012a). Fait intéressant, lorsque nous avons bloqué le récepteur ETA pour l'endothéline-1, l'activation des transporteurs médiée par la β-cat a diminué(figures 10 et 11, Harati et al., 2012a).

  entre la BHE pédiatrique et celle adulte. De plus, les résultats ont mis en évidence une implication de la voie Wnt/β-caténine et l'ET-1 dans la régulation des transporteurs ABC et SLC de la barrière. Pris ensemble, ces arguments fournissent des preuves sur l'intérêt de prendre en compte les propriétés spécifiques de la BHE pédiatrique et la distinguer de la BHE adulte lors des définitions des stratégies thérapeutiques destinées à traiter les maladies cérébrales chez les enfants. Les résultats obtenus au cours de cette étude suggèrent quelques interrogations sur les mécanismes et voies de signalisation à l'origine de la régulation différentielle entre les organismes jeunes et adultes. Des études mécanistiques complémentaires permettront de comprendre cette régulation différentielle âge-dépendante. Dans ce contexte, il est suggéré qu'une réduction sélective, dans le cortex cérébral, des facteurs de transcription impliqués pourrait diminuer l'activité des transporteurs d'efflux des médicaments au niveau de la BHE et contribuer ainsi à l'amélioration des stratégies thérapeutiques destinées à traiter les maladies du SNC chez les enfants. 3. Régulation de l'expression et l'activité de P-glycoprotéine, bcrp, oat3 et oatp1a4 de la BHE par l'inflammation cérébrale aigue induite par l'endothéline-1 Cette étude a fait l'objet d'un article publié dans le journal de neuroinflammation (Décembre 2012) et intitulé: "Susceptibility of Juvenile and Adult Blood-Brain Barrier to Endothelin-1: Regulation of P-glycoprotein and Bcrp Expression and Transport Activity" (Harati et al., 2012b).

  Wistar à deux stades de la maturation cérébrale ont été utilisés dans nos expériences: Post-natal (P) P21 correspondant au stade pédiatrique et P84 correspondant au stade adulte chez l'homme. La démarche expérimentale a été articulée en plusieurs étapes: 1. Vérification des coordonnées stéréotaxiques des ventricules latérales chez les rats juvéniles et adultes: Le bleu de méthylène a été injecté par voie intracérébroventriculaire afin de visualiser l'implantation des canules d'injection dans les ventricules cérébraux latéraux. 2. Évaluation de l'intégrité de la BHE par l'évaluation du passage du Bleu d'Evans et du Baclofène ainsi que par la mesure de l'expression de l'ARNm d'une composante des JS, la ZO1: Pour ce faire, l'ET-1 (25 pmol/kg) a été administré par voie icv. Vingt-deux heures plus tard, une solution de 3% de Bleu d'Evans dissoute dans une solution saline à 0,9% aété administrée par voie intraveineuse (4ml/kg). Deux heures plus tard, les cerveaux ont été isolés et l'intégrité de la BHE a été évaluée en vérifiant l'absence de trace bleue et de l'albumine par immunohistochimie (IHC) et ceci dans le cortex et l'hippocampe. De plus, nous avons mésuré par PCR en temps réèl, l'expression génique de la ZO1 dans des MVC isolés 24h après traitement par l'ET-1. 3. Mesure de l'expression protéique de la P-gp et la bcrp dans des MVC isolés 24h après traitement par l'ET-1. 4. Mesure de l'activité de la P-gp et la bcrp, in vivo, 24h après l'injection d'ET-1: Vingt heures après le traitement par l'ET-1, des substrats pour la P-gp et la bcrp (1 mg/kg/h) ont été administrés par voie intraveineuse pendant quatre heures (état d'équilibre (stady state (ss)). Après perfusion, le sang a été prélevé, le cerveau a été isolé et les substrats administrés ont été quantifiées dans les deux compartiments par spectrométrie de masse. L'activité de transport de la P-gp et la bcrp a été estimée en évaluant le rapport entre les concentrations cérébrales libres des substrats (C) administrés et leurs concentrations plasmatiques. Ce rapport c'est le coefficient de partage, Kp, uu: Kp, uu = [Css totale, dans le cerveau / Css total, dans le plasma]x fub / fp. 5. Immunohistochimie de la GFAP (gliale fibrillaire acide Protein)), un marqueur de l'activation gliale(Raine, 1999), dans le cortex et l'hippocampe de cerveaux de rats. Afin d'évaluer si des réponses neuro-inflammatoires différentes pourraient contribuer à une régulation différentielle des transporteurs d'efflux, des rats à P21 et P84 correspondant aux stades juvéniles et adultes respectivement chez l'humain, ont été traités par l'ET-1 par voie intracérébroventriculaire. Vingt-quatre heures après l'administration d'ET-1, nous avons mesuré l'expression protéique de la P-gp (figure 2, Harati et al, 2012b) et la bcrp (figure 3, Harati et al., 2012b) dans des MVC isolés par immunoblot, et nous évalué leur activité de transport in vivo en mesurant le coefficient de partition (Kp, uu cerveau) des substrats des transporteurs d'efflux (Hammarlund-Udenaes et al., 2008; Liu et al., 2005) administrée par voie intraveineuse. Nous avons constaté que dans les conditions physiologiques normales, il n'y avait pas de différences dans l'expression protéique ainsi que dans l'activité de transport de la P-gp et la bcrp entre sujets juvéniles et adultes. Toutefois, l'exposition du cerveau juvénile à faible dose d'ET-1 ne modifie pas l'activité de transport de la P-gp (figure 4, Harati et al., 2012b) et conduit à une tendance à la baisse de l'activité de la bcrp (figure 5, Harati et al., 2012b), tandis que, dans le cerveau adulte, une augmentation significative de l'activité des deux transporteurs a été observé.

  du cerveau juvénile à faible dose d'ET-1 ne modifie pas l'activité de transport de la P-gp (figure 4, Harati et al., 2012b) et conduit à une tendance à la baisse de l'activité de la bcrp (figure 5, Harati et al., 2012b), tandis que, dans le cerveau adulte, une augmentation significative de l'activité des deux transporteurs a été observé.Dans les conditions physiologiques normales, nous avons constaté qu'il n'y avait pas de différences dans l'expression protéique ainsi que dans l'activité de transport de la P-gp et la bcrp entre sujets juvéniles et adultes. En revanche, l'ET-1 augmente l'activité de transport de la P-gp et la bcrp chez l'adulte. Ces résultats sont en accord avec des études précédentes; En effet, Baeur et ses collègues (2007) ont montré qu'une exposition des MVC de rats à l'ET-1 conduit à une augmentation de l'activité de la P-gp au niveau de la BHE(Bauer et al, 2007). Contrairement aux adultes, l'exposition du cerveau juvénile à faible dose d'ET-1 ne modifie pas l'activité de transport de la P-gp et conduit à une tendance à la baisse de l'activité de la bcrp. Ainsi, ces résultats donnent la preuve que les transporteurs P-gp et la bcrp de la BHE sont régulés différemment dans des conditions pathologiques dans le cerveau juvénile par rapport à l'adulte. L'exposition du cerveau juvénile à faible dose d'ET-1 entraine une activation gliale prononcée dans le cortex et l'hippocampe des rats juvéniles et adultes avec une différence dans les niveaux basaux de la GFAP entre les deux âges (Figure 6; Harati et al, 2012b). (iii) Lorsque les sujets juvéniles et adultes présentent un profil de cytokines/chemokines sécrétées similaire, l'activité des transporteurs de la BHE était toujours regulée d'une manière différente entre les deux âges. Ces résultats suggèrent l'implication des paramètres autre que la réponse inflammatoire dans la régulation différentielle de la P-gp et la bcrp au niveau de la BHE.

Résultats et discussion 1. L'ontogenèse de la barrière hémato-encéphalique : Etude descriptive

	Cette étude consiste à examiner dans des MVC isolés de cerveaux de rats nouveaux-nés, L'étude d'ontogenèse de la BHE a fait l'objet d'un article publié dans le journal suivant
	juvéniles et adultes, l'expression génique et protéique d'une série de transporteurs ABC et SLC « Journal of Molecular Pharmaceutics » (Septembre 2012) et intitulé :
	de la BHE, et ceci par PCR en temps réel et par Western-Blot. Cette étude consiste également à "P-
	mesurer, in vivo, l'activité de la P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 en calculant le rapport des
	concentrations du cerveau / plasma (Kp) des substrats connus de ces transporteurs lorsque
	administrés par voie intraveineuse. De plus, nous nous sommes intéressés aux mécanismes
	moléculaires régulant l'activité de ces transporteurs et qui peuvent être à l'origine des
	arguments sur
	l'intérêt de prendre en compte les propriétés spécifiques de la BHE pédiatrique et la distinguer de
	la BHE adulte, notamment lors des définitions des stratégies thérapeuthiques destinées à traiter
	les maladies du système nerveux central chez les enfants.

• Un modèle in vivo d'inflammation cérébrale aigue chez les rats jeunes et adultes: Ces modèles consistent à créer une inflammation cérébrale aigue en injectant en voie intracérébroventriculaire (icv) un neuropeptide connu pour ses actions inflammatoires, l'endothéline-1 (ET-1).



Un modèle in vitro de BHE de rat jeunes: Ce modèle consiste en une co-culture de cellules primaires astrocytaires et endothéliales cérébrales exprimant les différentes composantes de la BHE [(protéines jonctionnelles, transporteurs d'efflux (e.g. P-gp et bcrp)]. 2 -Etude d'ontogenèse de la BHE par l'établissement des profils de ses composantes structurales (jonctions serrées inter-endothéliales) et fonctionnelles (transporteurs ABC et SLC), du stade périnatal jusqu'au stade adulte. différences liées à l'âge. Notre étude s'est focalisée en particulier sur le rôle de la voie Wnt/βcaténine. 3-Etude de l'impact de l'inflammation cérébrale aigue médiée par l'ET-1 sur la régulation des transporteurs ABC de la barrière: Comparaison entre rats jeunes et adultes. Cette étude consiste à comparer, entre sujets jeunes et adultes, l'impact de l'injection icv de l'ET-1 sur l'expression et l'activité de la P-gp et de la bcrp, ex vivo et in vivo. Cette étude a pour finalité d'élucider le statut fonctionnel de la BHE au cours de l'ontogenèse, ainsi que les mécanismes de signalisation impliqués dans la régulation des transporteurs ABC et SLC de la barrière. Ces données pourraient ouvrir de nouvelles avenues thérapeutiques pour améliorer la pharmacothérapie cérébrale et ceci en ciblant les voies régulant l'activité des transporteurs d'efflux des médicaments. De plus, il est important de comprendre la régulation de ces transporteurs dans les conditions pathologiques notemment inflammatoires, chez les sujets juvéniles par comparaison aux sujets adultes. Ces données aideront à fournir des

glycoprotein, Breast cancer resistance protein, Organic anion transporter 3 and transporting peptide 1a4 during Blood-Brain Barrier Maturation: Involvement of Wnt/β- Catenin and Endothelin-1 Signaling" (Harati et al., 2012a).

	L'étude descriptive de l'ontogenèse de la BHE a été présentée sous forme de poster au cours du
	congrès suivant «14th Symposium on Signal Transduction in the Blood-Brain Barriers, Istanbul,
	Turkey» (Septembre 2011) :

"Functional Expression of ABC and SLC Transporters during Blood-Brain Barrier Maturation". 1.1. Résumé

	Nos connaissances actuelles sur l'état fonctionnel de la BHE dans l'organisme immature restent
	très limitées. Ainsi, d'un point de vue clinique et dans la perspective de développer de nouveaux
	médicaments avec une efficacité optimisée dans le SNC des enfants, il est important de 1)
	comprendre le rôle des transporteurs d'efflux de la BHE dans le cerveau immature et 2) élucider
	les mécanismes qui régulent leur expression fonctionnelle.
	Dans cette étude, nous avons établi le profil d'expression génique d'une série de composantes
	structuralles et fonctionnelles de la BHE au cours de la maturation cérébrale.
	Des rats mâles Wistar à quatre stades de la maturation ont été utilisés: Post-natal (P) P2
	correspondant au stade prénatal chez l'humain, P14 correspondant au stade nouveau-né, P21
	correspondant au stade pédiatrique et P84 correspondant au stade adulte chez l'humain.
	L'expression gènique des composantes de la BHE a été évaluée ex vivo dans les MVC, site de la
	BHE. Cette expression a été mesurée par PCR en temps réel. La méthode expérimentale est
	décrite dans l'article Harati et al., 2012a. Les composantes de la BHE étudiées sont les suivantes :

  ) L'activité des transporteurs P-gp et bcrp ne varie pas entre rats juvéniles et adultes tandis que celle d'oat3 et oatp1a4 augmente en passant du stade juvénile au stade adulte (figure 4, Harati et al., 2102a).

	Ces résultats montrent que le cerveau des enfants peut éventuellement être plus vulnérable aux
	neurotoxiques que celui adulte, et que la réponse du CNS aux médicaments peut varier en
	fonction de l'âge ce qui exige prudence lors de l'administration des médicaments aux enfants.
	6) L'activité des transporteurs ne corrèle pas toujours avec leur expression, d'où
	l'importance de mener les études de fonctionalité au cours des études sur les transporteurs
	d'efflux.
	2010, Daood et al, 2008). Notre étude a été réalisée au niveau des MVC, site de la BHE, et nos
	résultats montrent des variations âge-dépendantes de l'expression de P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4.
	Etant donné que ces transporteurs sont impliqués dans les phénomènes de résistance aux

de la P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 augmente avec la maturation cérébrale

(figures 2 et 3, Harati et al., 2012a)

.

Pour la première fois, nous avons établit l'expression génique et protéique de ces quatre transporteurs d'efflux des médicaments au niveau des MVC, site de la BHE, au cours de la maturation cérébrale. Des recherches antérieures avaient établit l'expression génique de la P-gp et la bcrp dans le cerveau à différents stades de développement: E13, E15, E18, P1, P14, P21 et l'âge adulte. Ces études avaient montré que l'expression de la P-gp augmente progressivement au cours du développement, alors que l'expression de la bcrp ne varie pas avec l'âge (Ek et al., médicaments, nous avons poursuivi notre étude en évaluant leur état fonctionnel au cours de la maturation cérébrale. 51.3. Conclusion et Perspectives Ces données suggèrent que la réponse du système nerveux central aux médicaments peut être âge-dépendante. Ces résultats suggèrent également que d'autres facteurs peuvent être à l'origine de la régulation fonctionnelle mais pas transcriptionnelle des transporteurs d'efflux de la BHE, ce qui souligne l'importance d'évaluer leur activité dans le but d'une meilleure évaluation des profils pharmacocinétiques des médicaments.

En perspective de cette étude descriptive, il est important d'évaluer l'état fonctionnel des autres composantes de la BHE au cours de la maturation du cerveau, afin d'avoir une vue d'ensemble sur le rôle de la BHE dans le cerveau immature. Ces études donneront une idée plus claire sur les modifications des propriétés de la barrière au cours de l'ontogenèse et permetteront de savoir 1) si le cerveau des enfants est plus vulnérable aux substances neurotoxiques que celui adulte et 2) si la réponse du SNC aux médicaments est liée à l'âge. Ces données fournisseront des arguments sur l'intérêt de prendre en compte les propriétés spécifiques de la BHE pédiatrique et la distinguer de la BHE adulte lors des définitions des stratégies thérapeutiques destinées à traiter les maladies cérébrales chez les enfants.

  ,Harati et al., 2012a).Plusieurs voies de signalisation ont été démontrées pour être impliquées dans la régulation du développement de la BHE au cours de la vie embryonaire. Cependant, les mécanismes régulant la maturation et la maintenance de la BHE sont encore peu étudiés. Parmi les nombreuses voies

	élucidées, nous nous sommes intéressés à une voie: Wnt/β-cat et ceci en se basant sur plusieurs
	évidences:
	1) La voie Wnt/β-cat est impliquée dans la régulation du développement de la BHE (Liebner et
	al., 2008). En effet, la stabilisation endothéliale spécifique de la β-cat in vivo induit la maturation
	de la barrière, alors que l'inactivation de la β-cat cause une régulation négative de la Claudine-3.
	2) Des études récentes ont montré que la β-cat régule les transporteurs d'efflux. En effet,
	l'activation des β-cat augmente l'expression de la P-gp, MRP-4 et BCRP dans des lignées de
	CEMVC humaines et de rats (Lim et al., 2008).
	(ii) Chez le rat adulte, l'administration du BIO augmente l'expression de la β-cat nucléaire. Cette
	augmentation s'accompagne d'une augmentation de l'expression fonctionnelle de la bcrp, oat3 et
	oatp1a4 dans les MVC (figures 6, 7 et 8; Harati et al., 2012a). Ces données suggèrent que le
	traitement des animaux par BIO, qui est associée à la surexpression de β-cat nucléaire, déclenche
	des voies signalisations impliquées dans la régulation de l'activité des transporteurs de la BHE.

Sur la base de ces résultats, nous nous sommes intéressés au rôle de la voie de signalisation Wnt/β-cat dans la maturation et la maintenance de la BHE. En premier, nous avons établit le profil de la β-cat nucléaire au cours de la maturation. Pour la première fois, nous avons illustré une diminution de l'expression génique et protéique de la β-cat nucléaire dans les MVC au cours de la maturation (figure

5

,

Harati et al., 2012a)

. Cette diminution se produit lorsque les expressions des transporteurs P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 sont à leurs plus hauts niveaux. Cette corrélation négative suggére un rôle potentiel de la voie de β-cat dans la régulation de des transporteurs de la BHE. Pour une meilleure démonstration du rôle de β-cat dans la régulation de la P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4, un inhibiteur de la GSK-3β , le BIO, a été administré par voie icv, et l'expression de la P-gp, bcrp, oat3 et oatp1a4 a été mesurée dans les MVC. Nous avons également mesuré l'activité de transport de ces transporteurs d'efflux/influx de la BHE, par évaluation du coefficient Kp,uu.

  kg d'ET-1, le cerveau juvénile présente une augmentation des IL-1β, MCP-1 et IL6 (fichier supplémentaire 2,Harati et al., 2012b). Malgré le niveau de ces cytokines dans le cerveau, nos résultats ont montré une diminution de l'activité de la bcrp. En revanche,

	l'augmentation de la dose d'ET-1 administrée ne change pas l'activité de la P-gp. Dans le cerveau
	adulte, l'activité de la P-gp et la bcrp augmente que ce soit après administration de 25 pmol / kg
	ou bien de 125 pmol / kg d'ET-1. Ces résultats suggèrent l'implication d'autres paramètres dans la
	régulation différentielle de la P-gp et la bcrp au niveau de la BHE.
	Ainsi, nous avons hypothétisé que, dans des conditions inflammatoires, les transporteurs d'efflux
	de la BHE sont régulés de manière différente selon l'âge et ceci en raison:
	1) Des propriétés différentes des composants de la BHE juvénile comparée à celle adulte, comme
	l'a montré notre étude de l'ontogenèse descriptive.
	2) Des réponses neuro-inflammatoire différentes à cause des niveaux basaux de la GFAP
	différents selon les âges (figure 6; Harati et al, 2012b).
	sécrétion de cytokines et chemokines. Nos résultats ont montré une activation gliale prononcée
	dans le cortex et l'hippocampe des rats juvéniles et adultes avec une différence dans les niveaux
	basaux de la GFAP entre les deux âges (Figure 6; Harati et al, 2012b). Quant aux
	cytokines/chemokines sécrétées, nos résultats ont montré que les cytokines suivantes: IL6, IL-1β,
	CCL2/MCP-1, TIMP-1 et IL-10 étaient significativement augmentées dans le cerveau adulte,
	contrairement au cerveau juvénile (figures 7, Harati et al., 2012b). Pour mieux comprendre si les

cytokines secretées sont à l'origine de la régulation différentielle de l'activité des transporteurs de la BHE entre juvéniles et adultes, nous avons augmenté la dose d'ET-1 administrée. A la dose de 125 pmol/3) Des différences de maturation dans les récepteurs à l'ET-1. Pour cela, nous avons établi le profil de l'ETA, l'un des deux récepteurs à l'ET-1, au cours de la maturation du cerveau. Nos résultats ont montré des différences significatives de l'expression d'ETA dans les MVC des sujets juvénile par comparaison aux adultes (figure 17 du rapport de thèse Harati, 2012).


Patricio A Galindo

Rhaleb Zayer

Complementary geometric and optical information for match-propagation-based 3D reconstruction

In this work, we consider the problem of propagation-based matching for 3D reconstruction, which deals with expanding a limited set of correspondences towards a quasi-dense map across two views. In general, propagation based methods capture well the scene structure. However, the recovered geometry often presents an overall choppy nature which can be attributed to matching errors and abrupt variations in the estimated local affine transformations. We propose to control the reconstructed geometry by means of a local patch fitting which corrects both the matching locations and affine transformations throughout the propagation process. In this way, matchings that propagate from geometrically consolidated locations bring coherence to both positions and affine transformations. Results of our approach are not only more visually appealing but also more accurate and complete as substantiated by results on standard benchmarks.

Introduction

This paper revisits the problem of match propagation across a pair of views in the context of quasi-dense matching [START_REF] Lhuillier | Quasi-dense reconstruction from image sequence[END_REF], and its extension to wide-baseline views which accounts for affine distortion [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF]. We focus on these approaches due to their inherent simplicity and minimal requirements, however the proposed solutions can be applied to other propagation approaches. Alternative approaches such as [START_REF] Chen | A volumetric stereo matching method: Application to image-based modeling[END_REF][START_REF] Cech | Efficient sampling of disparity space for fast and accurate matching[END_REF] which require image rectification and further problem reformulations will not be addressed here.

Propagation-based matching is the workhorse of many surface reconstruction approaches e.g. [START_REF] Lhuillier | A quasi-dense approach to surface reconstruction from uncalibrated images[END_REF][START_REF] Yao | 3d modeling and rendering from multiple wide-baseline images by match propagation[END_REF][START_REF] Furukawa | Accurate, dense, and robust multi-view stereopsis[END_REF][START_REF] Koskenkorva | Quasi-dense wide baseline matching for three views[END_REF]. In practice, it comes in different flavors, e.g. [START_REF] Lhuillier | Quasi-dense reconstruction from image sequence[END_REF][START_REF] Otto | A 'region-growing' algorithm for matching of terrain images[END_REF][START_REF] Ferrari | Simultaneous object recognition and segmentation by image exploration[END_REF], but they all require corrective steps and/or postprocessing techniques to filter out mismatches. Furthermore, the resulting geometry exhibits a choppy nature which is often not addressed directly and is left to mesh reconstruction algorithms, e.g. [START_REF] Kazhdan | Poisson surface reconstruction[END_REF]. Figures 1 and2 show typical chaps and clefts observed when performing scene reconstruction using a state of the art propagation approach, in this case [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF]. We are aware that the use of additional images can help reduce such effects relatively, e.g. [START_REF] Ylimaki | Robust and accurate multi-view reconstruction by prioritized matching[END_REF][START_REF] Furukawa | Accurate, dense, and robust multi-view stereopsis[END_REF], however, addressing the challenges of the fundamental problem on a pair of images remains necessary to take full advantage of the available data and can also be beneficial when additional views are accessible.

Fig. 1: Reconstruction from views 3-4 of the Herz-Jesu P8 dataset using [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] (right). Geometric artifacts are clearly visible in the closeups (middle). Whereas, the geometry of the scene is better captured with our approach (left).

In this paper, we argue that such problems can be resolved during the propagation process by including geometric cues which help consolidate the geometric reconstruction and the estimation of the local affine transformations, thus avoiding tedious post processing operations in the first place. The use of geometric information in propagation based methods is not new, for instance [START_REF] Habbecke | A surface-growing approach to multi-view stereo reconstruction[END_REF], proposes a splatting inspired approach based on local plane fitting. However, this approach is limited to narrow baselines and requires a relatively large number of images. Our approach, on the other hand, proceeds by fitting small surface patches on which initial 3D points are projected to adjust the matches and the local affine transformations. By operating in such way, the propagated information is confirmed by both optical and geometrical cues throughout the whole matching process.

In section 2, we outline the propagation algorithm using only optical information and in section 3, we proceed to outline and detail our approach. In section 4, results are shown and discussed.

Background

To keep this exposition succinct and self contained, we briefly summarize the key ideas in quasi-dense propagation and we adopt the formalisms of [START_REF] Lhuillier | Quasi-dense reconstruction from image sequence[END_REF][START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF]. The reader is referred to those papers and the references therein for a detailed description. Match propagation aims to obtain a larger number of matches between two views (I, I ) starting from an initial set of matches (seeds) S = {s(x, x ), x ∈ I, x ∈ I }. When dealing with wide-baseline views, it is preferable to have the fundamental matrix between the views as well as the local affine transforms A associated with the individual seeds [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF]. The affine transforms can Fig. 2: Reconstruction from views 2-3 of the Fountain P11 dataset using [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] (left). Geometric artifacts are clearly visible in the closeups (middle). Whereas, the geometry of the scene is better captured with our approach (right). be obtained using existing affine covariant region detectors [START_REF] Mikolajczyk | A comparison of affine region detectors[END_REF]. In order to reduce geometric distortions, the reference view for each seed is defined so as the affine transformation across the image pair is always magnifying. Similarity is measured using the zero-mean normalized cross-correlation (ZNCC) of geometrically normalized image patches. Once the initialization data is set, the match propagation operates on a priority queue based on correlation scores of the seeds and proceeds by repeating the following steps:

remove the seed s with best score from queue search new candidates in a neighborhood of s based on local affine transform compute correlation scores for all candidates append candidates to the matches and seeds if they have high correlation score, satisfy the epipolar constraint and are not yet filled update candidate's affine transform based on optical information mark the corresponding pixels as filled 3 Geometry based image match propagation

Overview

The central idea of our approach is to couple geometric and optical information in a complementary fashion, in the sense that they correct and confirm each other. In this regard, when a sufficient number of data points are available in a localized region, a surface fitting can be performed and subsequently the matches and their affine transformation will be updated geometrically.

In practice, three main recurrent stages take place in our method: propagation, region search, and update by surface fitting. In the next paragraphs we briefly describe these stages and we later explain them in greater algorithmic detail in the next sub-sections. i) Propagation: In a propagation step the best seed (s) from the queue is selected and new candidates within a neighborhood of s are obtained using its corresponding affine transform. Candidates with correlation scores which pass a minimum threshold and comply with map occupancy and epipolar constraints are added to the queue (see figure 3) and are marked as unconfirmed matches.

ii) Best candidate region querying: When new matches are found in the propagation step, the search for a suitable region for local surface fitting is initiated. This search is performed by sliding corresponding windows in the two image planes (depicted by the windows in figure 5). Candidate regions where the data points provide enough support for surface fitting are validated and sorted giving preference to the ones with the most confirmed points.

iii) Local fitting and re-projection: When a suitable region is found in the previous step a local surface patch fitting is performed. A sub-set of the points representing the core of the region (see figure 5), are then projected onto the local surface patch. These new positions are re-projected to the image planes to update the correspondences.

Points that re-project too far in the image planes or yield a large change in their affine transformation remain marked as unconfirmed. Matches which improve their correlation scores are updated and marked as confirmed. This update serves the purpose of correcting point locations as well as steering subsequent propagation (see figure 4).

Propagation

In principle, the propagation stage proceeds similarly to the wide baseline matching proposed in [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] but presents three important differences. First, newly propagated matches are not defined as final matches; instead, they are stored as unconfirmed matches. Second, the seeds sorting operation gives preference to geometrically confirmed seeds and checks for correlation score in a secondary sorting step. Third, new matches stemming from a geometrically confirmed seed can replace previous unconfirmed matches if their correlation score is higher. Note that this second set of conditions do not come into play from the beginning since it takes several propagation steps to obtain a set of geometrically confirmed matches. This categorization of points is depicted in figure 5 where blue indicates confirmed points and red indicates unconfirmed (replaceable) ones. In order to fix the ideas, we describe the steps of our propagation stage in algorithms 1 and 2. Note that the 3D positions originating from each pair of matches are obtained at this stage since they are needed for the later region search and surface fitting.

Candidate region querying

The goal at this stage is to identify regions with adequate point distribution and density to support a local patch fitting. The region querying is initiated once a set of new unconfirmed points are obtained. In order to steer clear from problematic regions during this search we avoid: i) areas which present large jumps, ii) points which do not remain within their respective patch perimeter when projected on the corresponding images planes. These requirements help prevent fitting and consequentially smoothing sharp features, e.g. the stairs in figure 9. On the other hand, we favor regions that present the most confirmed points so that the large bodies of confirmed points expand first instead of creating several isolated clusters of confirmed points. A typical scenario is shown in figure 5 where a set of confirmed matches (in blue) is surrounded by a set of unconfirmed points (in red). The green windows represent the support region (outer square) and the core window (inner square). Only unconfirmed points inside the core window will be fit in the next stage. In the same figure, the points inside the orange region represent newly matched points that enable a surface to be fit at the depicted location.

The conditions that define wether surface fitting can be performed are: Algorithm 1: Main match propagation. Parameter values used in all our experiments: min correlation = 0.75, t = 2, sd = 1. The FitSurfacePatch is summarized in algorithm 2. The SampsonDistance is defined as in [START_REF] Hartley | Multiple View Geometry in Computer Vision[END_REF] and the Sort function follows the conditions set in 3.1 points inside the support and core regions defined on the first image should also lay inside the corresponding support and core regions defined on the second image there should be at least one point in the core that was not yet confirmed regions inside the support window but to the north, south, east and west of the core window should be sufficiently populated (at least 50%) points inside the core window should be dense enough, any 2x2 window should contain at least one match(pixels)

The sizes of the windows in all of our experiments are 15 × 15 for the support and 5 × 5 for the core. These windows are defined in the view that presents the most fronto-parallel surface with respect to the image plane and are transformed to the other view using the affine transformation estimation of the point at the center of the window. Fig. 5: Searching for best region to fit a surface patch. Confirmed points are depicted in blue, unconfirmed ones in red. Points in the orange region were obtained in the preceding propagation step. In green, support (outer) and core (inner) windows.

Fit surface and update

In this stage, we perform a surface fitting to the selected points inside a region obtained in the previous stage. For this purpose we use a least squares quadratic polynomial fitting of the form ax 2 + by 2 + cxy + dx + ey + f [START_REF] Barnhill | Surface/surface intersection[END_REF]. Although it is possible to perform higher order fitting, we found in our experiments that quadratic fitting is fairly satisfactory for our purpose. The selected points used in this fitting stage are either part of the core region or of the support region. The core region encompasses a small set of points that are surrounded by a set of support points; this is because points should be fit and projected only when there is enough information to describe the local surface.

During the fitting process, the impact of each point in the least squares formulation can be controlled through a set of weights [START_REF] Barnhill | Surface/surface intersection[END_REF]. We formulate the weights as the product of three values: the correlation score of the corresponding matching points, the inverse 3D distance of the reconstructed point to the center of the region, and the nature of the point (confirmed or unconfirmed). More specifically, w = z 3 × (1 + is conf irmed)/distance(X, X c ), where z is elevated to the third power in order to stretch the range. Once the surface is fit, each 3d point p is projected to a point p that lies on the fitted surface.

Each newly obtained point p can then be reprojected to the image planes I and I , obtaining the respective matching image positions u r and u r . Furthermore, an estimation of the associated affine transformation is recovered. This affine transformation estimation (A G ) is obtained by sampling two additional points around p , projecting them to the image planes and computing the affine transformation that describes their local motion using the re-projection of p as center of coordinates. Once these new estimations are obtained, we first require that the new 2D matching points induce only a small adjustment of the initial matching positions. Namely, distance(u r , u) < γ and distance(u, u r ) < γ (with γ = 1.5 pixels used in all our experiments). In this manner we ensure that points near surface edges do not drift away from their original location. Next, we verify if A G does not represent a large change in transformation estimation with respect to the current estimation A. At the same time we need to verify that A G does not yield a large shear. Specifically, we verify if θ ≤ det(A)/det(A G ) ≤ 1/θ, with θ = 0.5 for all of our cases. We then define the eigen-values rations

eigratio g = eig1(A G )
eig2(A G ) and eigratio = eig1(A) eig2(A) and verify if θ ≤ eigratio g ≤ 1/θ and if θ ≤ eigratio g /eigratio1/ ≤ θ. A point will remain as unconfirmed is it does not fulfill all of these requirements. Note that the common use of θ for all the previous tests is not required. Independent values can be used for the three verifications but in all of our experiments the same value was used.

The steps described above are summarized in algorithm 2.

Input: region R, list of Matches, point Cloud, list of Seeds Output: Updated: Cloud, Matches and Seeds

w ← (z 3 × 1/distance(X, Xc) × (1 + is conf irmed)); perform least

Results

We tested our algorithm on various data sets comprising standard benchmarks as well as in-house acquired data. Typical results of our approach compared to those of Kannala and Brandt [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF], Brox and Malik [START_REF] Brox | Large displacement optical flow: Descriptor matching in variational motion estimation[END_REF] and Tola et al. [START_REF] Tola | Daisy: An efficient dense descriptor applied to widebaseline stereo[END_REF] are shown for the views 2-3 of the Fountain-P11 dataset (figures 6 and 7), and for the views 3-4 of the Herz-Jesu-P8 dataset (figures 8 and 9). Both datasets are provided in [START_REF] Strecha | On benchmarking camera calibration and multi-view stereo for high resolution imagery[END_REF]. We benchmarked our results measuring depth estimation error with respect to the ground truth, in a similar way as in [START_REF] Ylimaki | Robust and accurate multi-view reconstruction by prioritized matching[END_REF]. The benchmarked results are presented in figures 6 and 8 as error vs occupancy histogram graphs and as color coded depth estimation errors. We use the code provided by the authors of [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] to perform comparisons and we used similar values for the common parameters of the algorithms. We also use the code provided by the author of the variational matching method [START_REF] Brox | Large displacement optical flow: Descriptor matching in variational motion estimation[END_REF]. For the case of [START_REF] Tola | Daisy: An efficient dense descriptor applied to widebaseline stereo[END_REF], we use the code provided by the author to compute the DAISY dense descriptor in combination with our own implementation of a descriptor matching method that searches for matches within rectified images. Since such approach does not accurately represents what is proposed in [START_REF] Tola | Daisy: An efficient dense descriptor applied to widebaseline stereo[END_REF], we also compare our results to those presented in the later paper, following their own evaluation metrics (see figure 12). Notice that in both quantitative evaluations our method achieves better results.

In all cases our approach performs better than the state of the art pairwise propagation approach [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] and the other methods here tested. The depth error benchmarks presented in figures 6 and 8 clearly show that our method presents more accurate and more complete results.

In figure (6-top-right) it can be observed that our method attains 74.2% of the viewed Fountain scene with an error of less than 0.1; while the method of Kannala and Brandt achieves only 68.3%. In the same error vs occupancy graph we oppose our results to the combination of [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] with an MLS [START_REF] Barnhill | Surface/surface intersection[END_REF] in postprocessing. This combination leads only to a small improvement for errors in the lower range but an overall decay in the quality of the results is observed.

In figure (8-top-right) our method's score for errors lower than 0.1 in the viewed Herz-Jesu scene is 63.6%. The method of [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] as well as its combination with MLS post-processing yield only 58.4% and 50.9% of occupancy respectively.

The closeups to the fountain result presented in figure 7 illustrate the improvements gained by using our method. Our results do not exhibit the choppy characteristic of previous work and present a clearer and more accurate structure of the scene. The closeups to the Herz-Jesu result presented in figure 9 not only show that the quality is improved but also the total coverage. In this example the main stairs in the scene are accurately reconstructed thanks to the continuous interpretation and improvement of the matching results that lead to better propagations.

We also performed a comparison using two views of our own face dataset that comprises 1.3 mega-pixels images and two views (7 and 15) of the warrior dataset from [START_REF] Furukawa | 3d photography dataset[END_REF]. Results are presented in figures 10 and 11 were uncolored closeups are presented next to the full views of the results. In both cases the results are significantly better when our approach is used. Fig. 8: Result of our approach on the Herz-Jesu P8 views 3-4 (top-left). On the top-right, a chart illustrating the depth error vs occupancy of our algorithm, [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF], [START_REF] Brox | Large displacement optical flow: Descriptor matching in variational motion estimation[END_REF], [START_REF] Tola | Daisy: An efficient dense descriptor applied to widebaseline stereo[END_REF] (rectified) and [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] with MLS as post-processing.On the bottom, color coded depth error using our algorithm (left) and using [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] (right).

Conclusion and discussion

This paper presented propagation approach which congruently uses optical and geometric information to steer the propagation process. Although, many of underlying ideas are fairly simple, they lead to significant improvements both in the accuracy and completeness. Furthermore, as it could be argued that performing an equivalent MLS fitting as post processing would yield equivalent results, our comparisons to such a scenario, suggest that actually the results get worse. The reason being that in our case the subsequent matches depend on the fitting, whereas the use of fitting in post processing cannot alter how the matches are propagated.

Fig. 11: Results on views 7 and 15 of the warrior dataset from [START_REF] Furukawa | 3d photography dataset[END_REF]. The two views used are showed at the top row along with the 7 features matched. On the bottom row, our result (left) and results using [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] (right). Notice that our method returns less holes and it is able to reconstruct the warrior's hammer. Fig. 12: Comparisons of our results to those of DAISY [START_REF] Tola | Daisy: An efficient dense descriptor applied to widebaseline stereo[END_REF]. Results on the Fountain scene (left) and the Herz-Jesu scene (right) for pairs of images with increasing baselines. The charts present the percentage of correct depth estimations for each pair of views. A depth estimation is considered correct if it presents and error of less than 1% of the scene's depth range [START_REF] Tola | Daisy: An efficient dense descriptor applied to widebaseline stereo[END_REF] when compared to the laser scanned data.

Fig. 3 :

 3 Fig. 3: Illustration of a few propagation steps before performing any geometric updates.

Fig. 4 :

 4 Fig.4: Illustration of the geometric fitting steps. First, the candidate region is selected (a), the support and the core are colored in green and blue respectively. Second, local surface fitting is performed (b). Third, the core points are projected onto the surface (c).

Fig. 9 :Fig. 10 :

 910 Fig.9: Closeups on to results on Herz-Jesu P8 views 3-4 using[START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] (top) and using our method (bottom). A closeup to a portion of the main stairs (left) and to the left-most stairs in the scene (right)

  Set of seeds with local affine transforms, projection matrices P1,P2 Output: Matches, Seeds, 3D point Cloud

	while Seeds = ∅ do
	Sort(Seeds);
	foreach seed (x, x ) do
	Local = ∅ ;
	/* Local stores new candidates	*/
	foreach (u, u ) in N (x, x ) do
	if SampsonDistance(u, u ) < sd and ((map1(u) and map2(u ) are
	not filled) or (s is confirmed and correspondence occupying map1(u)
	and map2(u ) is not)) then
	Compute z = ZN CC(u, u ) and standard deviations d, d ;
	if z > min correlation and d > t and d > t then
	store (u,u ,z) in Local;
	end
	end
	end
	sort(Local);
	;
	store (X) in Cloud;
	end
	end
	while R ← BestCandidateRegionQuerying(map1,map2,Cloud,M atches)
	exists do
	FitSurfacePatch(R,Cloud,Seeds,M atches);
	end
	end
	end

Input: foreach L(u, u ) in Local do if map1(u) and map2(u ) are not taken then X ← Compute3D(u1, u2, P1, P2); AO ← UpdateAffineEstimationOptical(u,u ); mark map1(u) and map2(u ) as taken by an unconfirmed point; store (u,u ,AO) in Seeds; store (u,u ,AO) in Matches

Acknowledgments The authors would like to thank, the anonymous reviewers for their feedback on the paper, Juho Kannala for making his code publicly available, Christoph Strecha and Yasutaka Furukawa for their Multi-View datasets and Samuel Hornus for the face dataset. This work was funded by the ANR (Agence Nationale de la Recherche) under grant (PhysiGrafix ANR-09-CEXC-014-01).

Fig. 6: Results of our approach on the Fountain P11 views 2-3 (top-left). On the top-right, a chart illustrating the depth error vs occupancy of our algorithm, [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF], [START_REF] Brox | Large displacement optical flow: Descriptor matching in variational motion estimation[END_REF], [START_REF] Tola | Daisy: An efficient dense descriptor applied to widebaseline stereo[END_REF] (rectified) and [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] with MLS as post-processing.On the bottom color coded depth error using our algorithm (left) and using [START_REF] Kannala | Quasi-dense wide baseline matching using match propagation[END_REF] (right).


Marwa Meddeb

Marco Cagnazzo

Béatrice Pesquet-Popescu

REGION-OF-INTEREST BASED RATE CONTROL SCHEME FOR HIGH EFFICIENCY VIDEO CODING

Keywords: HEVC, Rate control, ROI coding

In this paper, we propose a new rate control scheme designed for the newest high efficiency video coding (HEVC) standard, and aimed at enhancing the quality of regions of interest (ROI). Our approach allocates a higher bit rate to the region of interest while keeping the global bit rate close to the assigned target value. This algorithm is developed for a videoconferencing system, where the ROIs (typically, faces) are automatically detected and each coding unit is classified in a region of the interest map. This map is given as input to the rate control algorithm and the bit allocation is made accordingly. Experimental results show that the proposed scheme achieves accurate target bit rates and provides an improvement in the region of interest quality, both in objective metrics and based on subjective quality evaluation.

INTRODUCTION

Rate control (RC) is an important tool that helps to deal with bit rate and compressed media quality fluctuations. RC methods have been widely studied and suitable schemes have been developed for specific applications [START_REF] Wu | Rate Control in Video Coding[END_REF]. This problem is also related to challenging issues such as resource availability, computational complexity and real-time [START_REF] Chen | Recent advances in rate control for video coding[END_REF]. In this paper, we consider RC for a specific class of applications, namely videoconferencing. In this context, one of the most interesting issues to focus on is the quality enhancement of regions of interest.

In videoconferencing systems (but also in other fields such as video surveillance and telemedicine), the subjective visual quality mainly depends on some important areas, called regions of interest (ROIs). Therefore, many contributions have introduced rate control algorithms based on ROIs. For example, in [START_REF] Yang | A ROI quality adjustable rate control scheme for low bitrate video coding[END_REF] a rate control scheme based on adjustable quality of the ROI has been proposed. The RC algorithm used the same quadratic model implemented in H.264/AVC to compute for each region a quantization parameter (QP) referring to a quality level chosen by the user. The same quadratic model is used in [START_REF] Chiang | Region-of-interest based rate control scheme with flexible quality on demand[END_REF] to compute the QP of each macroblock and then adjust it referring to an input saliency map and to the number of bits allocated to each region. For a video surveillance system, RC in [START_REF] Wu | A region-of-interest rate-control scheme for encoding traffic surveillance videos[END_REF] uses a linear rate-quantization (R-Q) model to decide the bit-stream length and then the QP of each region.

These techniques considered the quadratic RC model and are useful for H.264/AVC implementations [3] [4]. Meanwhile, the new HEVC standard has been recently finalized by ITU-T and ISO/IEC [START_REF] Sullivan | Overview of the high efficiency video coding (hevc) standard[END_REF] and many works have focused on rate control and developed new R-Q schemes for it. In the reference software two different schemes have been proposed. The first one is based on a quadratic model and the mean absolute difference (MAD) between the original and the reconstructed signal [START_REF] Choi | Rate control based on unified RQ model for HEVC[END_REF] [START_REF]Improvement of the rate control based on pixel-based URQ model for HEVC[END_REF]. In the second algorithm, an R-λ model that takes into account the hierarchical coding structure has been adopted [START_REF] Li | Rate control by R-lambda model for HEVC[END_REF]. Moreover, textured and non textured rate models for HEVC have been constructed to deal with more complex content and ensure more accurate rate control [START_REF] Lee | A frame-level rate control scheme based on texture and non-texture rate models for High Efficiency Video Coding[END_REF].

All the above-mentioned RC algorithms developed for HEVC do not take into account the importance of some regions of the frame. Therefore, we propose a new rate control scheme for videoconferencing systems at low bit rates which processes the faces and the background separately. Our proposed algorithm is based on the model implemented in the reference software HM. 10 [9] and enhanced with three main features; first, using Viola and Jones object detection method [START_REF] Viola | Rapid object detection using a boosted cascade of simple features[END_REF], we detect our ROI and generate automatically an ROI map. The target bit rate is allocated for each region considering a fixed weight. Then, the QP of each coding unit (CU) is computed referring to the rate model of the corresponding region and the allocated bit budget. Finally, the proposed method considers independent rate-distortion models for each region and different clipping of QP variation, taking into account the importance of each part of the image. Overall, we show that the quality of the ROI is improved and the bit rate limit is respected.

The paper is organized as follows. Section 2 describes the general rate control problem and HEVC solutions. Then, the proposed rate control approach is explained in Section 3. Section 4 provides a description of experimental results of the proposed method. Finally, conclusions are given in Section 5.

RELATED WORKS

The objective of RC is to achieve a target bit rate as near as possible to a given constant with a minimum quality distortion.

Knowing that quantization consists in reducing the bit rate of the compressed video signal, the major role of RC algorithms is to find for each sample the appropriate QP under the constraint R s (QP) ≤ R max . The fixed bit budget is R max and R s (QP) is the number of coding bits for the source sample s.

In video coding, RC usually incorporates rate distortion optimization (RDO). Knowing the QP given by the rate control, RDO consists in minimizing the cost

J = D(QP) + λ MODE R(QP) (1)
to achieve the optimized mode decision of each CU. Using a Lagrange multiplier λ MODE in (1), the distortion D(QP) is associated with the number of bits R(QP) to evaluate all possible coding modes and select the one that minimizes J [12] [START_REF] Wiegand | Rate-constrained coder control and comparison of video coding standards[END_REF].

Consequently, these problems need explicit rate-distortion models that relate the average bit rate to the QP. Several works have been done in perceptual quality and rate modeling. Different rate models have been developed, some of them based on simple linear expressions, others on more complex mathematical representations. For example, in [START_REF] Ma | A study on the rate distortion modeling for High Efficiency Video Coding[END_REF], the traditional linear model that was employed in TM5 for high bit rate video coding is studied for HEVC; R(QP) = C QP , where C is the model parameter. The quadratic model represented as

R(QP) = C 1 × MAD QP + C 2 × MAD QP 2 (2)
where C 1 and C 2 are the model parameters, has been adopted in VM8 for MPEG4 [START_REF] Yu | A new rate control algorithm for MPEG-4 Video Coding[END_REF], H.264/AVC [START_REF] Li | Adaptive rate control for h.264[END_REF] and also for HEVC [START_REF] Naccari | Quadratic modeling rate control in the emerging HEVC standard[END_REF].

The accuracy of these models has been enhanced by introducing the so-called complexity of the source, using the per pixel gradient value in the R-Q model in [START_REF] Sun | An adaptive frame complexity based rate quantization model for intra-frame rate control of high efficiency video coding (hevc)[END_REF]. The sum of absolute transformed differences (SAD) has been adopted in [START_REF] Si | Adaptive rate control for HEVC[END_REF]. The MAD between original frame and reconstructed one has been introduced in [START_REF] Choi | Rate control based on unified RQ model for HEVC[END_REF] as represented in [START_REF] Chen | Recent advances in rate control for video coding[END_REF]. In a different way, the RC has improved by considering a representation in the ρ domain [START_REF] Yoon | A new rate control method for hierarchical video coding in HEVC[END_REF] as proposed in [START_REF] He | Optimum bit allocation and accurate rate control for video coding via ρ-domain source modeling[END_REF] and by taking into account additional parameters, as the frame rate [START_REF] Ma | Modeling of rate and perceptual quality of compressed video as functions of frame rate and quantization stepsize and its applications[END_REF].

The most recent rate-distortion model in the HEVC test software is the R-λ model expressed as follows:

λ = α R β (3)
where α and β are the model parameters [START_REF] Li | Rate control by R-lambda model for HEVC[END_REF]. We note that this model defines a relationship between the rate in bits per pixel R and the Lagrange parameter λ which is used in RDO to decide the coding mode. Using this R-λ model, λ is generated first then the QP is computed. In our work, this model has been adopted and modified for our videoconferencing system. For visual quality, a distortion model is usually developed to help predicting the relationship between the quality degradation and the quantization step. In fact, the model and the used metric vary from one work to another [START_REF] Wu | Rate Control in Video Coding[END_REF].

As stated before, each model targets a specific video coding system under particular conditions. However, all rate control methods aim at allocating appropriate number of bits and at determining the quantization parameter of each encoding unit. The complete R-λ RC scheme in HEVC can be represented as follows:

Fig. 1. Rate control scheme As shown in Fig. 1, the controller operates at three main levels: group of pictures (GOP), frame and CU [START_REF] Sullivan | Overview of the high efficiency video coding (hevc) standard[END_REF]: i. GOP level: the input parameters are the target bit rate, the sequence frame rate, the GOP size and the virtual buffer occupancy. The rate control algorithm computes an average number of bits per GOP.

ii. Frame level: considering the average allocated bits per frame, a target bit is fixed for the current frame. The bit allocation takes into account the hierarchical level of each frame. Then, the R-λ model is used to compute the frame QP.

iii. CU level: the process is divided into three parts. First, the required number of allocated bits for the CU is computed using the frame budget, the cost of the coded CUs of the frame and the MAD of the CUs. Second, the budget is used in the R-λ model to compute λ and the QP of each CU. λ and QP variation are clipped referring to a fixed range. Finally, the last step is the RDO in order to find the optimized mode decision [START_REF] Ma | Rate-distortion analysis for H.264/AVC video coding and its application to rate control[END_REF], referring to the QP given by the second step. The unit is then coded and all the parameters are updated.

PROPOSED APPROACH

The proposed approach is based on the R-λ model for HEVC. The relationship between R and λ represented by (3) in Sec. 2 is used to compute QP of the frame and each CU of the image. This model has given better performances than the quadratic one [7] [8]. In this section we describe the proposed approach in our work and we focus on the two main steps of the rate control: the bit allocation at frame and CU levels and the computation of QP by the proposed model.

Fig. 2. ROI-based rate control scheme

Figure 2 shows the proposed ROI-based rate control scheme. The first step consists in detecting the faces in the scene and generating automatically an ROI map per frame, which will be given as input to our controller. The target bit rates allocated for the GOP and the current frame are obtained using the R-λ model. Then, the frame budget is divided into two parts according to a fixed factor K which is the ratio between the rate in bits per pixel of the ROI and the rate in bits per pixel of the rest of the frame (non-ROI). At the CU level, the ROI map is used to make a separate bit allocation for CUs of different regions. The R-λ model is applied for each CU using the allocated bit budget for the corresponding region (ROI or non-ROI). Once the CU is encoded, the model parameters of the corresponding region are updated, and the next CU is processed in a similar way.

Region bit allocation

We introduce the region bit allocation at two levels; at frame level to initialize a target amount of bits for each region, and at CU level to make independent bit allocation of CUs of different regions. At frame level, the positive constant K is selected. It represents the desired ratio between the ROI and non-ROI bit rates:

R r = K × R n ( 4
)
where the subscript r denotes the ROI and n the non-ROI. We assume that the current allocated bits per frame T Pic is the sum of the number of bits of the two regions T r for the ROI and T n for the non-ROI:

T Pic = T r + T n (5)
T n = R n × M × P n ( 6
)
where M is the total number of pixels of the frame and P n the area of non-ROI. From ( 4), ( 5) and ( 6), non-ROI bit rate R n is computed as follows:

R n = T Pic M (1 + P r (K -1)) (7)
At CU level, the bit allocation depends on the number of bits allocated per region and on the weights of CUs of the same region. For each CU of the ROI the allocated bits are:

T CUr = T r -T r i∈Ir w ir w CUr (8)
where T r is the effective number of bits of already encoded CUs of the ROI, I r is the set of indexes of ROI CU that have not yet been coded, and w CUr is the weight of the current CU of the ROI. Finally, the weight of each coding unit of index i is estimated by the MAD between the current unit p and the previous coded one p : 2 , where N is the number of pixels of the CU.

w i = ( 1 N j∈N |p j -p j |)

Region independent rate control models

Once the number of allocated bits for each CU is initialized, the QP is computed using the R-λ model. In our proposal the model of CUs from the ROI r is independent from the model of CUs of the non-ROI n. In fact, we have two models; in ROI, using the effective CU bits per pixel R CUr of each unit,

λ CUr = α r R βr CUr (9)
and for CUs from the non-ROI, using the effective CU bits per pixel R CUn ,

λ CUn = α n R βn CUn (10)
The model parameters are updated separately. For the ROI, the parameters α r and β r are updated referring to the original rate control algorithm [START_REF] Li | Rate control by R-lambda model for HEVC[END_REF], as follows:

λ r = α r R β r r (11)
α r = α r + 0.1 (ln λ r -ln λ r ) α r (12)
β r = β r + 0.05 (ln λ r -ln λ r ) ln R r , (13)
where α , β and λ are the old values of α, β and λ. In ( 11) and ( 13), R r is the effective number of bits per pixel after encoding the unit. The same update process is used for the CUs of the non-ROI.

QP and λ variation

The last modification consists in considering new clipping ranges for λ and QP, at CU level. Thus, we can make different clipping for CUs of ROI and the other CUs. We allow a larger QP range than in the reference algorithm, to accommodate differences in quality between the ROI and the non-ROI. We define ∆QP Pic > 2 and ∆QP CU > 1 that guarantee

QP Pic -∆QP Pic ≤ QP CU ≤ QP Pic + ∆QP Pic (14)
QP CU -∆QP CU ≤ QP CU ≤ QP CU + ∆QP CU [START_REF] Yu | A new rate control algorithm for MPEG-4 Video Coding[END_REF] where QP CU , QP Pic and QP CU are respectively the QPs of the current CU, the current picture and the previously encoded CU.

EXPERIMENTAL RESULTS

We implemented the proposed rate control scheme in the HM.10 of HEVC [START_REF]HEVC test model 10[END_REF]. To compute the ROI map, we used the Viola and Jones object detection method [START_REF] Viola | Rapid object detection using a boosted cascade of simple features[END_REF]. Then, a reference test is performed using the rate control algorithm described in [START_REF] Li | Rate control by R-lambda model for HEVC[END_REF]. This first test gives us the reference performance: the ratio K between ROI bit per pixel and non-ROI bit per pixel, the bit budget used for encoding each region and the PSNR of each region. Various sequences of different formats have been tested, with different bit partitioning, QP ranges and target bit rates. The examples reported here are "Johnny" and "Vidyo4" (1280x720 resolution with frame rate 60fps) [START_REF] Bossen | Common test conditions and software reference configurations[END_REF] as the face detection algorithm gives the best face detection performances for these two sequences. Using hierarchical bit allocation at frame level and an LCU size equal to 64x64, the budget constraint is respected. Table 1 shows that our modifications to the rate control algorithm do not impair considerably the rate-distortion performance. At 128 kbps, we can increase the ratio compared to the reference (K = 5.49) for "Johnny" and (K = 3.67) for "Vidyo4" by keeping an output bit rate close to the assigned value. The overall PSNR decreasing slightly as our approach tends to alter the background quality which consists 87 % and 91 % of the frame, respectively, for "Johnny" and "Vidyo4". Now we examine the quality of ROI and non-ROI for different bit rate ratios K. Table 2 shows the PSNR difference of each region between the proposed scheme and the original one. Overall, the bigger is K the better is the global quality of the ROI in the sequence and the lower is the PSNR of the non-ROI. We notice from Fig. 3 that the quality of the ROI is im-proved in all the GOPs while the quality of the non-ROI is decreased in all the GOPs. The performed tests show that the difference in quality of each region between the proposed scheme and the reference RC [START_REF] Li | Rate control by R-lambda model for HEVC[END_REF] is more important when K is bigger (as represented in Fig. 3). This means that our method allocates more bits to the ROI by improving its quality and respecting the overall bit rate constraint. Experimental results show both advantages in objective PSNR and subjective evaluation for ROI as represented in Fig. 4. We notice that, using our proposed scheme we can distinguish more details in the face and less artifacts, while the non-ROI does not present noticeable deterioration in visual quality.

CONCLUSION

In this paper, an ROI-based rate control for HEVC is proposed. The scheme achieves better visual quality in ROIs thanks to an independent processing at CU level of the two regions and a larger QP clipping range. The proposed algorithm shows better quality in ROI, while respecting the global bit rate constraint. This scheme is useful for videoconferencing systems by allowing a better representation of the facial expressions.

Fig. 3 .

 3 Fig. 3. ∆PSNR ROI and non-ROI for the last 25 GOPs of the sequence "Johnny"

Fig. 4 .

 4 Fig. 4. Subjective comparison of the face (ROI) for "Johnny" and "vidyo4" coded at 128kbps

Table 1 .

 1 The tested clipping ranges are (∆QP Pic , DeltaQP CU ) ∈ {(2, 1); (3, 2)} and the target bit rate evaluated is 128 kbps. Moreover, the tests are performed using a low delay B configuration with a GOP size equal to 4. Global performance at 128kbps

		Johnny			Vidyo4
	K	Bit rate PSNR	K	Bit rate PSNR
		(kbps)	(dB)		(kbps)	(dB)
	5.49 127.96 37.15	3.67 128.02 34.07
	7.69 127.93 36.85	5.01 127.86 33.95
	8.50 127.98 36.68	5.68 127.77 33.83

Table 2 .

 2 ∆ PSNR (dB) for each region at 128kbps

		Johnny			Vidyo4
	K	ROI non-ROI	K	ROI non-ROI
	7.69 0.56	-0.56	5.01 1.02	-0.25
	8.50 0.57	-0.76	5.65 1.11	-0.39
	9.00 0.66	-0.86	5.68 1.20	-0.41