ISOIEC 21122-12024 信息技术JPEG XS低延迟轻量级图像编码系统第1部分核心编码系统标准立项发展报告

信息技术JPEGXS低延迟轻量级图像编码系统第1部分：核心编码系统标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Informationtechnology—JPEGXSlow-latencylightweightimagecodingsystem—Part1:Corecodingsystem摘要关键词：JPEGXS；轻量级图像编码；低延迟；小波变换；ISO/IEC21122-1；专业广播；实时视频Keywords:JPEGXS;LightweightImageCoding;LowLatency;WaveletTransform;ISO/IEC21122-1;ProfessionalBroadcasting;Real-timeVideo正文一、引言与研究背景在信息技术飞速发展的今天，图像与视频数据已成为信息交互的核心载体。特别是在专业广播、影视制作、沉浸式娱乐、工业视觉检测及自动驾驶等前沿领域，对图像质量、传输带宽和处理实时性的要求达到了前所未有的高度。传统的图像压缩标准，如广为人知的JPEG（JointPhotographicExpertsGroup），虽然在网络浏览和消费级摄影中取得了巨大成功，但其较高的编码复杂度和显著的延迟特性，已无法满足专业级实时系统的严苛需求。JPEG2000标准虽在质量和分级压缩方面有所改进，但其计算复杂度依然较高，对于需要亚毫秒级延迟的应用场景显得力不从心。在上述背景下，JPEG委员会（ISO/IECJTC1/SC29/WG1）自2017年起启动了针对新兴应用需求的“轻量级”图像编码标准的研究与制定工作，旨在探索一种全新的技术路径：在不牺牲视觉质量的前提下，将编码器的计算复杂度降低一个数量级，同时将端到端延迟压缩到微秒级。这一努力最终催生了JPEGXS系列标准。ISO/IEC21122-1:2024作为该系列的第一个也是核心部分，正式定义了JPEGXS的核心编码系统，为后续部分（如编码配置文件、传输协议等）提供了基础框架。二、标准主要技术内容与创新点ISO/IEC21122-1:2024标准的核心目标是提供一种具有“视觉无损”质量、超低延迟和低复杂度的图像编码解决方案。其主要技术内容和创新点包括：1.基于离散小波变换（DWT）的轻量级框架：-标准摒弃了传统的基于块的离散余弦变换（DCT），转而采用离散小波变换（DWT）作为核心变换工具。DWT能够将图像分解为不同频率的子带，更适合于处理局部特征和边缘信息。-为了兼顾质量与复杂度，JPEGXS并未采用JPEG2000中复杂的嵌入式块编码（EBCOT）和率失真优化算法，而是设计了一套全新的、高度优化的编码流程，显著降低了计算量。2.低延迟架构设计：-逐行/逐块处理：传统编码器需等待整个帧图像数据才能开始处理。JPEGXS核心编码系统支持对图像行或小切片进行独立编码和解码，实现流水线式的处理方式。-固定码率控制：标准采用精确的固定码率（CBR，ConstantBitRate）控制机制，无需复杂的多遍率失真优化。编码器根据设定的目标比特率，在编码过程中实时调整量化步长，确保输出码流长度精确可控，从而避免了缓冲延迟。典型的端到端延迟可控制在1-16行像素时间内，对于4K/8K视频而言，延迟仅为微秒级别。3.高效的量化与熵编码：-标准使用经过精心设计的均匀量化器，并采用了基于上下文的自适应熵编码技术，如Golomb-Rice码或类似的低复杂度VLC码，实现了在低计算代价下的高效压缩。-编码器在对小波系数进行量化后，并非简单地输出符号，而是通过优化扫描顺序和编码器内部状态管理，进一步提升了编码效率。4.可配置性与谱系支持：-为了适应从消费级（如直播推流）到专业级（如广电制作）的不同应用场景，标准定义了多种“编码配置文件”（Profiles）。不同Profile规定了不同的图像位深支持、颜色空间、分辨率限制和编码复杂度级别（如Light,Main,High等）。-支持从8-bit到16-bit的深精度像素数据，以及多种颜色采样格式（如4:2:2、4:4:4），满足专业影视制作中对色彩保真度的最高要求。5.视觉无损质量：-在典型应用场景下（如压缩比2:1至20:1），JPEGXS编码产生的图像在主观评测中达到“视觉无损”水平。即使在极高的压缩比下，其引入的伪影也远低于传统压缩标准，这对于需要多次编辑和再压缩的专业流程至关重要。三、标准的技术优势与应用领域相较于现有标准，ISO/IEC21122-1:2024所定义的JPEGXS技术具备显著优势：|特性|JPEGXS(ISO/IEC21122-1)|JPEG|JPEG2000||:---|:---|:---|:---||核心特点|低延迟、低复杂度、视觉无损|通用、广泛支持|高图像质量、渐进传输||延迟|微秒级(行级)|帧级|帧级(典型)||计算复杂度|极低(便于硬件实现)|中等|高(特别是编码端)||压缩效率|中等(固定码率下质量稳定)|在高压缩比下质量下降|高(率失真性能优秀)||主要应用|专业广播、远程制作、VR/AR、云游戏|网络图片、数码相机|医学影像、数字影院|基于上述优势，JPEGXS标准主要应用于以下领域：-沉浸式媒体与XR：VR/AR头显需要处理高分辨率、高帧率的渲染画面。任何由编解码引入的延迟都会导致用户在转动头部时产生明显的眩晕感。JPEGXS的极致低延迟特性使其成为头显无线连接（Wi-Fi6/7）或USB连接的理想编解码器。-云游戏与实时互动应用：云游戏需要将服务器生成的游戏画面近乎实时地压缩并传输到客户端设备上。JPEGXS的低延迟保证了操作的即时响应，同时其轻量级特性降低了对终端设备硬件解码能力的要求。-工业视觉与机器视觉：在自动化产线上，视觉系统需要处理高速流动的产品图像并进行精确的分析。JPEGXS的结合了高保真度和实时性，支持在嵌入式系统中实现高效的实时视觉检测。四、介绍主要参与单位：国际标准化组织/国际电工委员会第一联合技术委员会（ISO/IECJTC1）及JPEG委员会ISO/IECJTC1（国际标准化组织/国际电工委员会第一联合技术委员会）是全球信息技术领域最权威的标准化机构。其主要职责是制定涵盖信息系统的设计、开发、应用、管理和安全等各个方面的国际标准。JTC1的正式成员来自全球166个国家和地区的国家标准化机构，共同推动全球信息技术的互操作性、兼容性和安全性。JPEG委员会（正式名称为ISO/IECJTC1/SC29/WG1，即“编码音频、图片、多媒体及超媒体信息分技术委员会”下的第1工作组）是JTC1旗下最负盛名且成果最丰富的工作组之一。自1986年成立以来，JPEG委员会制定了一系列影响深远的图像编码标准，包括：-JPEG(ISO/IEC10918系列)：全球最广泛使用的图像格式之一，推动了数码摄影和互联网图片的普及。-JPEG2000(ISO/IEC15444系列)：面向更高端应用，如医学影像、专业数字影院，以其出色的图像质量和功能（如无损压缩、渐进传输）著称。-JPEGXR(ISO/IEC29199系列)：致力于在照片级质量上提供比JPEG更优越的压缩效率，并支持HDR（高动态范围）图像。-JPEGXS(ISO/IEC21122系列)：本报告讨论的核心内容，代表了JPEG委员会对轻量级、低延迟编码方向的最新贡献。JPEG委员会的核心运作包括：-需求驱动：委员会定期分析行业发展趋势，识别未来图像处理面临的关键技术挑战和应用需求。-开放协作：来自全球学术界、工业界、广播公司、芯片制造商、软件公司等的顶级专家在委员会框架下公开、公平地贡献技术提案，进行深入的测试与比较。-标准化流程：遵循严格的标准化流程，从技术提案（CallforProposals）、探索实验（ExplorationExperiments）、制定工作草案（WorkingDraft）、委员会草案（CommitteeDraft）、国际标准草案（DraftInternationalStandard）最终到正式国际标准（InternationalStandard），确保标准的严谨性、稳定性和成熟度。-广泛参与：吸引了如索尼、松下、苹果、微软、英特尔、高通、杜比、Netflix、BBC、NHK等超过50家世界顶尖的技术公司和组织参与。对于ISO/IEC21122-1:2024标准，JPEG委员会投入了大量资源。他们不仅定义了核心编码算法，还设计了用于测试和验证硬件IP核的参考软件和一致性测试程序。JPEG委员会还积极与行业联盟（如AIMS、V-Nova、SMPTE等）合作，确保JPEGXS能够无缝地集成到现有的广播、影视和IT基础设施中。可以说，JPEG委员会的深厚技术积累和跨行业的协调能力，是ISO/IEC21122-1:2024标准能够成功问世并被业界广泛接纳的关键。五、结论与展望展望未来，ISO/IEC21122-1标准的发展将呈现以下几个趋势：1.生态系统的完善与商用加速：随着标准尘埃落定，各大半导体厂商（如FPGA/ASIC供应商）、编解码硬件IP提供商以及专业视频设备制造商将加速推出基于JPEGXS的硬件解决方案。例如，具备JPEGXS硬编解码能力的FPGA和ASIC芯片已经或即将进入市场，这将极大降低设备成本，并促进其在现网中大规模部署。2.标准的持续演进与迭代：JPEG委员会已将工作重点转向为扩展部分，如ISO/IEC21122-2（编码配置文件与层）、ISO/IEC21122-3（传输与文件格式）的修订与完善。未来，委员会可能会根据新的应用需求，探索更高压缩效率的模式（如探索深度神经网络辅助的编码技术）、支持更高的动态范围（HDR）和更宽色域（WCG）的优化方案，以及针对机器视觉的特点进行定制化的压缩算法。3.向新兴领域的渗透：除了现有的专业广电和云游戏领域，JPEGXS标准有望在自动驾驶汽车领域（确保摄像头数据的低延迟实时传输与处理）、远程医疗（特别是手术直播、远程诊断）、以及物联网（IoT）中的视觉智能节点等领域发挥关键作用。其低功耗、低复杂度的特性使其特别适合嵌入到边缘设备中。4.与其他标准的深度融合：JPEGXS旨在作为底层数据层与更上层的传输协议和系统级标准协同工作。例如，在专业广播领域，它将与SMPTEST2110标准（专业媒体通过IP网络的传输）深度集成，成为实现全IP化、远程化、去中心