ISOIEC 21794-42022 信息技术.全光图像编码系统（JPEG Pleno）.第4部分参考软件标准立项发展报告

信息技术全光图像编码系统（JPEGPleno）第4部分：参考软件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InformationTechnology—PlenopticImageCodingSystem(JPEGPleno)—Part4:ReferenceSoftware摘要随着三维成像、光场采集及全光显示技术的迅猛发展，传统二维图像编码标准已难以满足新兴沉浸式视觉应用对海量全光数据压缩与互操作的迫切需求。为应对这一挑战，国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）联合成立了JPEGPleno标准工作组，旨在构建一套涵盖全光图像、光场、点云及全息内容的全方位编码框架。本报告聚焦于该系列标准中的关键组成部分——ISO/IEC21794-4:2022《信息技术全光图像编码系统（JPEGPleno）第4部分：参考软件》，系统阐述其立项背景、技术框架、标准内容及产业应用价值。该标准于2022年5月17日正式发布，作为JPEGPleno系列中提供参考软件实现的核心文档，为编码器、解码器及验证模型提供了统一的软件参考基线，对推动全光成像技术从实验室走向产业化具有里程碑式意义。本报告还介绍了主要参与单位及标准的发展前景，为相关领域的科研人员和工程技术人员提供全面的标准导航与实施指引。关键词：JPEGPleno；全光图像编码；参考软件；ISO/IEC21794；光场成像；国际标准；沉浸式媒体Keywords:JPEGPleno;PlenopticImageCoding;ReferenceSoftware;ISO/IEC21794;LightFieldImaging;InternationalStandard;ImmersiveMedia一、引言1.1研究背景全光成像（PlenopticImaging）技术通过同时记录光线的空间分布、角度方向和光谱信息，能够完整再现三维场景的光场信息。近年来，随着光场相机、计算全息显示、三维重建等技术的日益成熟，全光图像在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、医学影像、遥感测绘、工业检测和文化遗产数字化保护等领域展现出广阔的应用前景。研究表明，相比传统二维图像，全光图像的数据量通常增加2至3个数量级，这对数据压缩、传输和存储提出了前所未有的挑战。在此背景下，国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC29（音视频编码标准化分技术委员会）于2015年正式启动JPEGPleno标准化项目，该项目旨在建立一套统一的、独立于应用场景的全光数据压缩与表示标准体系。JPEGPleno标准系列包括四个部分：JPEGPlenoPart1（系统框架）、Part2（光场编码）、Part3（全息数据表示与编码）以及Part4（参考软件）。其中，ISO/IEC21794-4:2022作为该系列第四部分，是整个标准体系从算法定义走向工程实现的关键纽带。1.2标准立项必要性在ISO/IEC21794-4之前，尽管JPEGPleno系列的前三个部分已分别定义了全光图像编码的系统架构、光场压缩算法及全息数据格式，但缺乏统一的参考软件实现。不同研究机构和企业在实现标准算法时，往往因参数配置、数据格式和处理流程的差异而导致编解码结果不一致，严重影响了标准的互通性和可比性。参考软件标准的立项，旨在通过提供一套权威的、经过充分验证的软件参考实现，有效解决上述问题，确保标准技术要求的准确落地。二、标准概述2.1标准基本信息-标准编号：ISO/IEC21794-4:2022-标准全称：信息技术全光图像编码系统（JPEGPleno）第4部分：参考软件-英文名称：Informationtechnology—Plenopticimagecodingsystem(JPEGPleno)—Part4:Referencesoftware-标准状态：现行（Published）-发布机构：国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）联合发布-发布日期：2022年5月17日-标准国别：国际组织-标准语言：英语-ICS分类：35.040.30（图像编码）2.2标准适用范围ISO/IEC21794-4:2022规定了JPEGPleno标准系列中参考软件的实现要求，包括软件架构、模块划分、输入输出格式定义、配置参数规范及测试流程。该标准适用于以下对象：（1）JPEGPleno编码器的参考实现：提供符合ISO/IEC21794-2光场编码标准的编码器软件参考；（2）JPEGPleno解码器的参考实现：提供与编码器相对应的解码器软件参考；（3）验证模型（VerificationModel）工具：用于评估编码性能、验证一致性和开展交叉测试的统一平台；（4）符合性测试基准：为JPEGPleno系列标准的一致性测试提供基准软件环境。三、JPEGPleno系列标准体系3.1系列标准架构JPEGPleno标准系列采用模块化设计思路，各部分各司其职又紧密配合：|部分|标准内容|状态||------|---------|------||Part1|系统框架（SystemFramework）|已发布||Part2|光场编码（LightFieldCoding）|已发布||Part3|全息数据表示与编码（HolographicDataRepresentationandCoding）|已发布||Part4|参考软件（ReferenceSoftware）|已发布（ISO/IEC21794-4:2022）|3.2标准间的逻辑关系JPEGPlenoPart4（参考软件）在一系列标准中起到关键的承接作用。Part1定义了整体系统架构和数据格式，规定了全光图像在不同表示形式间的转换流程；Part2和Part3分别针对光场数据和全息数据制定了具体的压缩算法和比特流语法；而Part4则将这些抽象的技术规范转化为可供下载、编译和运行的实际软件代码。通过Part4提供的参考软件：-编码器开发者可以将自己的实现与参考软件进行对比，以验证其编码性能和解码一致性；-研究人员可以在统一的参考平台上开展算法优化实验，而不必从头构建完整的编解码系统；-终端用户和集成商可以直接使用参考软件完成全光图像的编解码处理，无需自行开发。四、标准核心技术内容4.1参考软件总体架构ISO/IEC21794-4:2022规定的参考软件采用分层模块化架构设计，主要包括以下核心模块：（1）数据输入/输出模块该模块负责全光图像原始数据的读取与重构，支持多种光场数据表示格式的输入输出，包括子孔径图像阵列、微透镜图像阵列和极线平面图像（EPI）等。同时支持与JPEGPlenoPart1定义的文件封装格式进行交互，实现标准格式光场数据的导入与导出。（2）编码器参考实现模块编码器模块实现了JPEGPlenoPart2规定的光场编码算法完整流程，包括预处理（视角划分、颜色空间转换）、变换编码、量化和熵编码等关键环节。该模块在编码端采用了4种可配置的编码模式，以适应不同密度和分布特征的光场输入数据。（3）解码器参考实现模块（4）质量评估与工具模块该模块提供了一系列客观质量评价指标的计算工具，包括峰值信噪比（PSNR）、结构相似性指数（SSIM）以及面向光场数据的专用评价指标，方便用户评估编码性能。4.2标准关键技术特点（1）统一的软件接口规范标准定义了统一的应用程序编程接口（API），规定了编码器、解码器与外部程序之间的标准交互方式，确保不同开发者对参考软件的使用方式一致，降低了使用门槛和集成难度。（2）可配置的编码参数体系参考软件提供了一套完整可配置的编码参数体系，包括质量参数、光场几何配置参数、变换块大小等核心参数。这一设计既保证了默认配置下的标准一致性，也为算法优化提供了充分的灵活性空间。（3）跨平台兼容性参考软件采用C/C++语言编写，支持Windows、Linux和macOS等主流操作系统，并提供了详细的编译和运行指南，确保不同平台的用户均能顺利部署和使用。（4）开源可获取的代码管理ISO/IEC21794-4的参考软件代码存放在专门的代码管理平台上，用户通过购买标准文档获取代码访问权限和详细的技术文档。代码按照模块化原则组织，配有全面详尽的注释说明，便于用户理解关键算法和数据结构。五、标准应用与产业影响5.1应用领域分析（1）虚拟现实与增强现实（2）医学影像与远程诊断光场显微镜和全光内窥镜等医疗设备能够记录三维立体的组织病灶信息，为医生提供更全面的诊断依据。参考软件为这些医疗设备厂商提供了一套标准化的图像处理工具链，实现了多设备间的数据互联互通，有利于远程医疗和多中心会诊的开展。（3）遥感与测绘卫星和无人机搭载的光场传感器可以同时获取地表场景的空间和角度信息，提高地物分类和目标识别的精度。参考软件使得遥感数据生产商能够以标准格式输出全光影像产品，促进了数据共享和跨机构协同应用。（4）文化遗产数字化保护全光成像技术能够以极高的精度记录文物的三维形态和材质细节，为珍贵文化遗产的数字化存档和虚拟展示提供了有力支撑。通过参考软件的标准化处理，不同批次、不同设备采集的文物数字档案可实现统一管理和高性能压缩存储。5.2产业价值与意义JPEGPlenoPart4标准突破了以往标准仅停留在纸面规范层面的局限，真正实现了"标准可执行、效果可验证、性能可比对"的目标。具体而言：-推动技术创新：统一的参考软件平台极大降低了算法研究的入门门槛，加速了新型编码算法的研发与验证周期；-保障互操作性：一致性的软件参考实现为产业链上下游提供了共同的技术基线，有效促进了不同厂商产品和系统间的互联互通；-降低产业化风险：企业可以直接基于参考软件开发商用产品，大幅减少了前期的研发投入和技术不确定性；-支撑标准演进：参考软件为后续版本的标准修订和性能评估提供了持续稳定的测试基准环境。六、主要参与单位介绍ISO/IEC21794-4:2022的制定汇聚了全球多个国家和地区的标准化机构、科研院校和产业界的智慧和力量，其核心制定工作由ISO/IECJTC1/SC29/WG1（即JPEG委员会）承担。JPEG委员会（ISO/IECJTC1/SC29/WG1）是国际图像编码领域最权威的标准化组织之一，自1986年成立以来先后制定了JPEG、JPEG2000、JPEGXS、JPEGXL和JPEGPleno等一系列具有深远影响的国际图像编码标准。该委员会汇集了来自全球各成员体的图像编码领域专家，包括来自高校和研究机构的学者、产业界的资深工程师以及标准化领域的专业人士。在ISO/IEC21794-4的制定过程中，以下机构做出了突出贡献：日本电报电话公司（NTT）作为全光成像技术领域的重要研究力量，NTT的研究团队在光场数据表示和编码效率优化方面提供了多项核心技术方案，并主导了参考软件中光场编码器模块的开发和验证工作。德国弗劳恩霍夫集成电路研究所（FraunhoferIIS）作为MPEG和JPEG标准的重要贡献者，FraunhoferIIS在参考软件的系统架构设计和跨模块接口定义方面发挥了核心作用，其提出的模块化架构方案被采纳为参考软件的总体设计框架。法国国家信息与自动化研究所（Inria）在全息数据编码和处理方面拥有深厚积累，为参考软件中全息数据接口的设计和实现提供了关键技术支撑和测试数据资源。此外，中国电子科技大学、北京大学等国内高校和研究机构也积极参与了标准的讨论和测试验证工作，为标准的技术完善提供了重要支持。七、标准实施要点7.1技术准备对于希望使用ISO/IEC21794-4参考软件的单位，建议做好以下技术准备：（1）具备基本的C/C++编译环境和代码版本管理工具使用能力；（2）准备符合JPEGPlenoPart1格式要求的光场测试数据集，以便于功能验证和性能评估；（3）了解JPEGPlenoPart2规定的光场编码算法基本原理，有助于更好地理解参考软件的设计思路。7.2获取与许可ISO/IEC21794-4:2022标准文件通过ISO官方电子商店销售。获取标准文件时需注意以下事项：-标准文件为电子版加密PDF格式，下载过程约需1分钟；-文件带有水印保护，需安装FileOpen插件方可打开阅读；-阅读时电脑需保持联网状态以完成授权验证；-授权限制：累计最多允许在3台电脑上使用，共可打印5次；-标准售价：717.0元人民币（以ISO官方商店实时定价为准）。7.3参考软件的使用建议在实际使用参考软件的过程中，建议用户：（1）首先在默认配置下运行完整编解码流程，建立基线性能数据；（2）根据实际应用需求调整编码参数，并记录不同参数配置下的编解码质量和计算复杂度；（3）在对比自研算法时，严格按照参考软件的配置接口进行参数设定，确保比较的公平性和科学性。八、结论与展望ISO/IEC21794-4:2022《信息技术全光图像编码系统（JPEGPleno）第4部分：参考软件》的正式发布，标志着JPEGPleno标准体系从规范定义走向工程实践的关键跨越。该标准通过提供权威、统一且可操作的参考软件实现，不仅有效解决了全光图像编码技术在产业化落地过程中面临的互通性和可比性难题，更为全球范围内该领域的研究开发和产业应用提供了稳固的技术基座。展望未来，全光成像技术正处于从学术研究向产业应用加速转化的关键时期。随着6G通信、元宇宙、空间计算等新兴概念的兴起，市场对沉浸式视觉内容的需求将持续快速增长，全光图像的标准化压缩与高效传输也将成为构建未来视觉通信基础设施的重要支撑。ISO/IEC21794-4将持续发挥基础性作用，为全光图像编码技术的创新研发提供稳定可靠的基准平台，并随着JPEGPleno系列标准的后续完善而不断升级迭代。同时，建议国内的科研机构、高等院校和相关企业密切关注JPEGPleno系列标准的后续发展动态，积极参与国际标准化工作，加强自主创新与标准研制的深度结合，力争在未来全光图像编码技术的国际标准格局中贡献更多的中国智慧和中国方案。参考文献[1]ISO/IEC21794-1:2021.Informationtechnology—Plenopticimagecodingsystem(JPEGPleno)—Part1