信息技术.沉浸式媒体的编码表示.第21部分基于几何的点云压缩（G-PCC）参考软件标准立项发展报告

信息技术沉浸式媒体的编码表示第21部分:基于几何的点云压缩（G-PCC）参考软件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Informationtechnology—Codedrepresentationofimmersivemedia—Part21:ReferencesoftwareforGeometry-basedPointCloudCompression(G-PCC)摘要随着元宇宙、自动驾驶、三维地图、增强现实（AR）/虚拟现实（VR）等新兴技术的蓬勃发展，三维点云数据作为沉浸式媒体的核心载体，其海量数据的压缩与高效传输成为制约产业发展的关键技术瓶颈。为此，国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）联合技术委员会下的运动图像专家组（MPEG）制定了新一代点云压缩标准——基于几何的点云压缩（G-PCC）。本标准，即ISO/IEC23090-21:2024，作为该系列标准的重要组成部分，正式定义了G-PCC的参考软件。本报告旨在系统阐述该标准的立项背景、核心内容、技术特点及其对相关产业的深远影响。研究表明，该参考软件标准不仅为G-PCC算法的验证、性能评估和互操作性测试提供了权威的基准平台，还极大地降低了技术开发门槛，促进了点云压缩技术在自动驾驶、文化遗产保护、沉浸式通信等领域的商业化应用。报告最后对该标准未来在实时编码、跨平台适配及与AI技术融合等方向的发展趋势进行了展望。关键词：沉浸式媒体；点云压缩；G-PCC；参考软件；MPEG-1；ISO/IEC23090-21Keywords:ImmersiveMedia;PointCloudCompression;G-PCC;ReferenceSoftware;MPEG-I;ISO/IEC23090-211.引言1.1研究背景在信息化社会迈向智能化社会的进程中，视觉信息的采集与呈现方式正经历着从二维平面到三维空间的根本性变革。点云（PointCloud）作为最基础的三维数据表示形式之一，通过海量空间点集精确描绘物体的三维形状与表面纹理，广泛应用于高精度地图、工业检测、影视特效、文化遗产数字化等领域。然而，一个高精度的点云数据往往包含数百万乃至数十亿个点，其原始数据量可达数GB甚至TB级别，对存储、传输和处理能力提出了严苛挑战。因此，高效的点云压缩技术成为推动相关产业落地的关键。MPEG（MovingPictureExpertsGroup）作为国际上最权威的视音频编码标准制定组织，于2017年启动了点云压缩（PCC）标准化工作，并在2019年形成两大技术路线：基于几何的PCC（G-PCC）和基于视频的PCC（V-PCC）。G-PCC主要针对静态点云、表面点云，通过八叉树、三角面片等几何模型进行编码，在保持几何精度的同时实现高压缩比。为规范和验证G-PCC编码器的实现，同时为开发者提供一个统一的测试与对比平台，MPEG亟需定义一套与之配套的参考软件标准。1.2标准概况本标准ISO/IEC23090-21:2024，全称《信息技术沉浸式媒体的编码表示第21部分：基于几何的点云压缩（G-PCC）参考软件》，由ISO/IECJTC1/SC29（音视频、图像编码与多媒体信息表示分技术委员会）下的WG7（MPEG沉浸式媒体编码组）负责制定。发布日期为2024年3月15日，标准状态为现行。该标准是MPEG-I（ISO/IEC23090）系列标准中关键的一环，旨在为G-PCC编码器、解码器提供标准的、可移植的、功能完备的参考实现。它不仅是技术规范的落地验证工具，更是连接算法研究与产业应用的重要桥梁。2.标准核心技术内容2.1总体架构与功能该标准定义的参考软件，其核心功能是实现对G-PCC比特流的标准编解码。软件架构通常设计为模块化，主要包含以下核心组件：*编码器端（Encoding）：*预处理模块：包括坐标量化、移除重复点等，将原始点云数据转换为适合编码的结构。*几何编码模块：采用八叉树（Octree）或三角面片（TriangleSoup,Trisoup）两种模式，对点的几何位置信息进行分层或预测编码，是G-PCC的核心技术。*属性编码模块：对与几何位置相关联的属性（如颜色、反射率、法向量等）进行编码。主要采用区域自适应分层变换（RAHT）、预测变换或提升变换（LiftingTransform）等技术。*算术编码模块：使用上下文自适应的二进制算术编码（CABAC）对几何和属性的语法元素进行熵编码，生成最终比特流。*解码器端（Decoding）：*执行编码器的逆过程，包括算术解码、几何重建、属性重建和后处理，输出重建的点云数据。*公共测试条件（CTC）配置文件：参考软件集成了MPEG定义的公共测试条件，允许用户通过预设参数配置（如几何量化步长、属性压缩率、编码模式选择等）在统一的条件下测试点云数据。这确保了不同研究机构或企业测试结果的可比性。2.2关键技术要点*几何压缩技术：*参考软件对八叉树编码进行了优化，包括对点云稀疏性的自适应处理、通过搜索“最佳”分裂节点来提高编码效率。对于Trisoup模式，软件通过重建物体的表面三角网格而非递归划分空间，适合表示具有连续表面的物体。*属性压缩技术：*软件实现了RAHT变换，该变换基于八叉树结构，通过沿树结构进行一维变换，有效利用了点云属性的空间相关性。同时，软件也提供了提升变换方案，该方案通过预测和更新阶跃对属性信号进行小波变换，具有良好的压缩性能和渐进式解码特性。*编码模式决策：*软件包含多种模式决策逻辑，如根据点云的密度和分布特征，自动在八叉树和Trisoup之间切换，或在不同的属性预测和变换方案之间切换，以寻求最优的率失真性能（RDPerformance）。*互操作性支持：*参考软件严格遵循比特流语法规范（ISO/IEC23090-9），确保了任何符合标准的编码器生成的比特流都能被该参考软件正确解码，反之亦然。这是保证产业生态健康发展的基石。3.标准的技术演进与行业需求3.1从V-PCC到G-PCC的互补生态在MPEG的点云压缩体系中，V-PCC（面向动态点云）和G-PCC（面向静态/表面点云）形成了技术互补。与V-PCC将点云投影到二维平面相比，G-PCC直接在三维空间进行编码，在保持几何结构完整性方面具有优势，尤其适合自动驾驶中的激光雷达（LiDAR）点云（几何精度要求高）和文化遗产扫描（细节保留要求高）。本参考软件的出现，使得行业开发者能够快速理解G-PCC的算法细节，并基于此进行优化，避免了重复开发基础算法。3.2产业驱动的标准化进程点云压缩技术的标准化进程由多头产业需求共同驱动：1.自动驾驶与智慧交通：车载激光雷达每秒产生数千万点，必须高效压缩后才能在V2X（车联万物）或边缘云端之间传输。G-PCC参考软件为车规级芯片的编解码器开发提供了参考设计，确保不同供应商的设备可互联互通。3.测绘与地理信息：大规模三维地形、建筑物的点云数据量极为庞大。G-PCC参考软件为相关GIS（地理信息系统）软件的开发者提供了标准化的压缩解压接口。4.主要参与单位及标委会介绍4.1标准制定机构：ISO/IECJTC1/SC29/WG7该标准由ISO/IECJTC1/SC29（Informationtechnology—Codingofaudio,picture,multimediaandhypermediainformation，音视频、图像编码与多媒体信息表示分技术委员会）下的WG7（MPEGImmersiveMediaCodingGroup，MPEG沉浸式媒体编码组）主导制定。SC29是国际标准化领域最负盛名的团队之一，其前身包括著名的MPEG。WG7专注于下一代沉浸式媒体的编码技术，包括点云、全向视频和光场。该工作组汇聚了来自全球顶尖高校、研究机构（如FraunhoferIIS、MitsubishiElectric、Samsung、华为、腾讯等）的数百位科学家与工程师。WG7通过定期的面对面会议和线上协作，讨论技术提案、验证算法性能、制定统一的技术规范。在制定G-PCC参考软件标准的过程中，WG7负责核心算法的选定（从大量提案中评选出最优方案）、参考软件代码的校核与验证、公共测试条件的确定等关键环节，确保了标准的全球普适性和技术领先性。4.2贡献方介绍（以FraunhoferHeinrichHertzInstitute为例）在G-PCC标准的制定中，弗劳恩霍夫海因里希-赫兹研究所（FraunhoferHeinrichHertzInstitute，HHI）是极具代表性的贡献者。该研究所位于德国柏林，是世界领先的图像处理和通信技术研究机构，也是MPEG标准的主要贡献者之一。在G-PCC参考软件标准中的角色：FraunhoferHHI的团队在点云压缩领域拥有深厚的技术积累。他们在标准的早期探索阶段提出了多项关键算法，例如在属性压缩中的改进RAHT变换和预测方案。HHI不仅贡献了部分技术，还承担了参考软件核心代码开发与维护工作。其开发的参考软件版本（TMC13-TestModelforCategory3）最终演变为ISO/IEC23090-21的基础。HHI团队确保了代码的平台独立性（兼容Windows和Linux系统）、严谨的编码格式实现以及对各种点云数据集（如来自MicrosoftVoxelizedModel的测试数据集）的兼容性。产学研结合的典范：FraunhoferHHI的参与模式代表了国际标准制定的典型“产学研结合”路径。研究所的科研成果（算法提案）通过标准化的方式转化为可被产业界直接使用的工具（参考软件）。这种模式加速了技术从实验室到商业产品的转化，例如，许多基于G-PCC的编码器（如苹果、高通等公司的产品）均以HHI提供的参考软件为基础进行优化和定制。通过参与WG7的会议和制定ISO标准，HHI的技术领导者地位得以巩固，同时也为全球点云压缩技术生态的繁荣做出了不可替代的贡献。5.标准的行业影响与应用案例5.1对行业生态的构建*降低开发壁垒：在参考软件标准出现之前，开发者需要从零开始实现复杂的G-PCC算法，耗时且易出错。现在，任何企业或个人均可通过该标准获得学术界和工业界共同认可的、经过充分测试的参考实现，极大缩短了产品开发周期。*提供性能标杆：参考软件定义了编码器和解码器的“基准线”。当厂商开发自定义优化（如面向特定硬件的加速、率失真优化模式）时，可通过与参考软件的对比，准确评估其优化的相对收益。*确保互操作性：参考软件作为一个“黄金参考”充当了不同编码器实现之间的桥梁。上游的编码器开发者可以使用参考软件验证其生成比特流的合法性，下游的播放器或渲染引擎开发者可以在参考软件上测试解码的准确性，从而保证了标准执行的一致性。5.2典型应用场景1.自动驾驶高精地图更新：某导航科技公司开发实时地图更新系统，利用G-PCC编码器将安装在车队上的激光雷达采集的城市点云压缩后回传至云端。公司在开发过程中采用了参考软件作为基础，对代码进行裁剪并移植到嵌入式GPU上。通过参考软件测试，确保了压缩后的地图数据（码流）能被云端兼容，实现了多供应商设备间的无缝协作。2.文化遗产数字化保存：欧洲某博物馆对珍贵雕塑进行高精度三维扫描，生成了5亿个点的点云模型。数据量约7GB，无法直接进行Web端展示。研究人员利用G-PCC参考软件进行压缩测试，在视觉质量损失极小（使用D1-PSNR评估指标）的情况下，将数据压缩至400MB，实现了在普通网页浏览器上的快速加载，极大地促进了文化资源的线上传播。6.结论与展望ISO/IEC23090-21:2024是点云压缩技术从学术研究走向大规模产业应用的关键里程碑。该标准的发布，标志着基于几何的点云压缩（G-PCC）技术已经拥有了成熟、稳定且公认的参考实现。它不仅向整个产业界提供了一个即插即用的技术基线，还通过确保互操作性，构建了一个开放、健康的生态系统，有力推动了自动驾驶、元宇宙、智慧城市等前沿领域的商业落地。展望未来，该参考软件标准的发展将主要集中在以下几个方向：1.面向实时性（低延迟）的优化：当前参考软件更侧重于性能验证，而未来版本或补充文档将可能探索硬件加速（如GPU、FPGA、ASIC）的接口和优化方案，以满足车载实时编码或在线直播点云流的严格时延要求。2.与AI/深度学习的融合：尽管标