ISOIEC 21794-52024 信息技术 全光图像编码系统 第5部分全息术标准立项发展报告

信息技术全光图像编码系统第5部分：全息术标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport：Informationtechnology—Plenopticimagecodingsystem(JPEGPleno)—Part5:Holography摘要随着数字成像技术和全息显示技术的快速发展，三维图像的高效编码与传输已成为信息技术领域的核心挑战之一。本标准立项发展报告聚焦于国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）联合发布的ISO/IEC21794-5:2024《信息技术全光图像编码系统第5部分：全息术》。该标准作为JPEGPleno系列标准的重要组成部分，专门针对全息数据的编码、压缩与表示制定了统一的国际技术规范。本研究系统梳理了标准的背景、主要内容、技术框架及其在三维成像、全息显示、文化遗产保护、远程医疗诊断等领域的应用前景。报告详细介绍了标准的技术要点，包括全息数据的预处理、变换编码、量化及熵编码等关键技术环节，并分析了标准在提升全息数据压缩效率、保证重构质量方面的技术优势。同时，报告深入解析了标准的主要参与单位——国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC29/WG1（JPEG委员会）的职责范围与工作机制。结论部分指出，该标准的发布标志着全息图像编码领域迈入规范化、国际化的新阶段，为全息技术的产业化应用奠定了坚实的技术基础，预计将在未来五年内显著推动全息通信、三维教学内容分发、增强现实等新兴领域的技术迭代与市场拓展。关键词：全息术；全光图像编码；JPEGPleno；三维图像压缩；国际标准；ISO/IEC21794-5Keywords:Holography;PlenopticImageCoding;JPEGPleno;3DImageCompression;InternationalStandard;ISO/IEC21794-5正文一、引言全息术作为一种能够完整记录和再现物体光波前信息的先进成像技术，自二十世纪中期问世以来，经过数十年的技术积累，已从最初的实验室研究逐步走向商业应用。全息图像以其独特的立体再现能力、高分辨率特性和丰富的深度信息，在医学影像、工业检测、文化遗产数字化保护、三维显示及安全防伪等领域展现出巨大的应用潜力。然而，全息数据固有的高维度特性——包含振幅、相位、波长等多元信息——导致其数据量远超传统二维图像和视频，这对数据的存储、传输和处理提出了严峻挑战。例如，一张高分辨率的数字全息图的数据量可能达到吉字节量级，若无高效的编码压缩技术，全息技术的规模化应用将面临极大障碍。在此背景下，国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC29/WG1（即JPEG委员会）自2015年起启动了JPEGPleno标准化项目，旨在为全光图像（包括全息图、光场图像、点云等）建立统一、高效的编码框架。作为该系列标准的核心组成部分，ISO/IEC21794-5:2024《信息技术全光图像编码系统第5部分：全息术》于2024年11月正式发布，标志着全息数据编码领域迎来了第一个真正意义上的国际通用标准。本报告将从标准的技术内容、应用价值、参与单位等方面进行全面分析，以期为相关领域的研究人员、技术开发者和行业决策者提供参考。二、标准编制背景与意义（一）技术发展驱动全息成像技术的演进经历了从光学全息到数字全息，再到计算机生成全息（CGH）的发展历程。当前，高分辨率空间光调制器、超快计算算法、深度学习重构技术的成熟，使得实时全息显示成为可能。然而，全息数据的编码标准长期缺位，导致不同系统间的互操作性差、数据交换效率低下。例如，一台医疗全息显微镜生成的数据格式与全息影院系统的存储格式可能完全不同，造成数据兼容性问题。ISO/IEC21794-5:2024的发布正是为了解决这一痛点，通过定义统一的数据编码格式和压缩算法，消除技术壁垒。（二）产业需求驱动从产业层面看，数字远程医疗、沉浸式教育、元宇宙、三维直播等新兴业态对全息数据的高效传输与实时解码提出了明确需求。据市场研究机构预测，全球全息显示市场将在2025至2030年间保持超过25%的年复合增长率，相关数据服务市场规模预计在2027年突破百亿美元。在此背景下，标准的缺失将成为产业扩容的主要瓶颈。本标准通过提供经过验证的压缩方案（目标压缩比可达50:1至100:1），使得全息数据能够在现有网络基础设施（如5G/6G、宽带以太网）上实现低延迟传输，为商业化落地铺平道路。（三）政策与法规衔接本标准在研制过程中充分考虑了与现有国际标准体系的衔接性，特别是与ISO/IEC15444系列（JPEG2000）、ISO/IEC23090系列（MPEG-I）的兼容性。这种设计理念有助于将全息编码纳入更广的数字媒体生态系统中，使下游应用无需重复开发底层接口。此外，标准中规定的知识产权许可政策遵循ISO/IEC的FRAND（公平、合理、非歧视）原则，为全球用户的合法使用提供了法律保障。三、标准主要技术内容（一）适用范围与定义ISO/IEC21794-5:2024明确规定了全息数据的编码表示、压缩算法、比特流语法和编码流程。该标准适用于两种主要类型的全息数据：1.数字全息图（DigitalHolograms）：通过数字传感器（如CCD、CMOS）直接记录干涉条纹的全息数据；2.计算机生成全息图（CGH）：通过算法基于三维模型计算生成的全息数据。标准定义了“全息数据单元”、“光场采样点”、“量化参数集”等核心术语，为后续技术规范建立了统一的语言基础。（二）编码技术框架标准的编码框架遵循“预处理—变换—量化—熵编码”的四层架构，具体技术要点包括：1.预处理模块为提升压缩效率，标准要求在编码前对原始全息数据进行必要的预处理。这包括：-归一化：将振幅和相位信息映射到统一动态范围；-重组：根据全息数据的空间相关性特征，将复数值重新组织为适合块变换的数据结构；-滤波：可选的去噪或增强步骤，以改善重构质量。2.变换编码模块标准引入了两种主要变换技术：-块基变换：基于离散余弦变换（DCT）或离散小波变换（DWT）的2D图像变换，适用于局部相关性强的小块数据；-全息专用变换：基于角谱传播理论或菲涅耳衍射积分的专用变换，用于捕获全息数据的全局频率特征。标准还允许通过元数据指示所选变换类型，实现编码器的灵活配置。3.量化与熵编码模块量化过程采用均匀量化器配合死区处理，以减少高频噪声的影响。量化参数在比特流中以码流元数据形式传输，支持自适应调整。熵编码环节使用算术编码算法（基于Context-AdaptiveBinaryArithmeticCoding，CABAC算法改进而来），实现了接近信息论理论极限的压缩效率。4.码流语法与文件格式标准规定了解码器必须识别的比特流语法，包括：-文件头（标识符、版本号、全息图尺寸）；-压缩参数集（量化表、变换类型、块大小）；-码流分段标志及合法性校验字段；-可选的元数据扩展（如波长、视角、采样间距等物理参量）。此外，标准还定义了基于ISOBMFF（ISOBaseMediaFileFormat）的容器格式，便于与MPEG系统的集成。（三）性能评估与验证在标准研制过程中，JPEG委员会组织了多次主观和客观质量评估实验，使用了包括PSNR、SSIM、VMAF及全息专用质量指标（如均方根重构误差、衍射效率）在内的多种评价标准。测试数据覆盖了医学组织切片、工业工件、艺术雕塑等多种场景。结果显示，在压缩比为30:1时，典型全息数据的重构图像仍可达到“视觉无损”级别（SSIM≥0.95），为高保真应用提供了有力支撑。四、标准修订参与单位介绍ISO/IEC21794-5:2024由国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC29/WG1——通常称为JPEG委员会——负责制定与维护。JPEG委员会是ISO和IEC联合技术委员会（JTC1）下属的第29分委员会（SC29）旗下的第一工作组（WG1），其全称为“CodingofStillPictures”（静止图像编码），在全球图像压缩标准领域占据着无可争议的领军地位。（一）组织架构与历史沿革JPEG委员会成立于1988年，最初旨在为静止图像压缩制定单一标准（即经典的JPEG标准）。三十余年来，该委员会已发布了JPEG（ISO/IEC10918系列）、JPEG2000（ISO/IEC15444系列）、JPEGXR（ISO/IEC29199系列）、JPEGXS（ISO/IEC21122系列）等多个影响深远的编码标准，涵盖了从文件压缩到视频接口、从医学影像到卫星遥感等广泛领域。2015年，委员会决定拓展其工作范围至全光成像领域，启动了JPEGPleno项目（ISO/IEC21794系列），本报告所讨论的全息术部分即为此系列的第5部分。（二）成员组成与工作模式JPEG委员会的成员来自全球40余个国家的国家标准化机构、跨国企业、研究机构及行业协会。主要的活跃贡献者包括：-企业与硬件厂商：如索尼、松下、三星、爱立信、华为等，主要提供编码器/解码器芯片设计、算法优化及测试床；-高校与研究机构：如瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、中国科学技术大学、日本电报电话公司（NTT）实验室等，负责基础算法创新和质量评价方法研究；-行业用户：包括全息显示设备制造商、医学影像设备提供商、文化保护机构等，基于实际应用场景提出需求并验证标准草案。委员会采用“面对面会议+线上协作”的双轨制工作模式，每年举办至少三次全体会议，并定期组织联席论坛以协调与其他标准化组织的技术议题。每个阶段（如提案征集、工作组草案、委员会草案、国际标准最终草案）均需经过严格的投票和审查程序，确保标准的成熟度与共识基础。（三）核心作用与贡献对于ISO/IEC21794-5:2024，JPEG委员会的具体贡献可归纳为：1.技术规范制定：组织专家评审并整合了全球提交的多个候选编码方案，最终选定了一种兼顾压缩效率和实现复杂度的方法作为基础；2.一致性测试：开发了参考软件和测试数据集，供各厂商进行编码器/解码器一致性验证；3.互操作性保障：举办了多次跨厂商互操作测试活动，确保不同实现之间的比特流可以正确交换和解码；4.知识产权管理：建立专利池数据库，逐一排查潜在的标准必要专利，确保使用者能够合法、公平地获取标准技术。五、标准应用前景分析ISO/IEC21794-5:2024的发布将催生多项商业与科研领域的革命性应用：-全息通信：在远程会议、远程手术指导中，通过标准化的压缩码流实现低带宽下高保真度的全息人像传输；-沉浸式娱乐：全息电影、3D虚拟现实直播可以直接在消费级终端上解码播放，无需专用硬件；-文化遗产保护：博物馆可将珍贵文物以全息格式数字化存档并全球共享，保持三维细节的完整性；-工业生产：全息无损检测系统可以在压缩率50:1的情况下保留微米级缺陷信息，适合云端处理；-教育训练：军事模拟、医学解剖教学等场景依赖实时全息交互，标准化的编码协议可保证跨平台兼容。六、结论ISO/IEC21794-5:2024《信息技术全光图像编码系统第5部分：全息术》作为全球首个全息数据编码国际标准，填补了该领域长期存在的空白。标准提供了一个高效、灵活、可扩展的压缩框架，能够在不显著损失重构质量的前提下将全息数据量压缩至原来的百分之一以下，同时通过统一的比特流语法确保不同厂商设备间的互操作性。由JPEG委员会主导的研制过程保证了标准的开放性、权威性和持续演进能力。展望未