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摘要随着三维显示、数字全息显微术、全息数据存储及全息干涉计量等技术的快速发展，全息数据的海量性与其高效表示、压缩、存储和传输之间的矛盾日益突出。为应对这一挑战，国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC29（编码音频、图像、多媒体和超媒体信息分技术委员会）联合国际电工委员会（IEC）正式发布了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JPEGPleno标准体系中专用于数字全息数据编码与表示的核心组成部分。该标准定义了全息数据的高层次数据模型、通用表示格式及面向全息图压缩所需的元数据框架，为全息数据在不同设备、不同应用场景下的互操作性奠定了基础。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制过程、核心技术内容及其产业应用价值，并对标准后续演进方向进行了展望，旨在为相关行业用户、科研机构及标准化工作者提供系统性的技术参考。关键词：全光图像编码；JPEGPleno；全息术；数据表示；数字全息；国际标准；互操作性Keywords:Plenopticimagecoding;JPEGPleno;Holography;Datarepresentation;Digitalholography;Internationalstandard;Interoperability一、引言1.1研究背景全息术（Holography）自1948年由英国物理学家DennisGabor提出以来，经历了从光学全息到数字全息的深刻变革。进入21世纪，随着高分辨率图像传感器、高性能计算以及激光技术的迅猛发展，数字全息技术已从实验室走向工业测量、生物医学成像、文物保护、三维显示、安全防伪等众多应用领域。与传统的二维成像技术不同，数字全息记录的是物体光波的振幅与相位完整信息，因此能够实现对物体三维形貌的真实再现。然而，数字全息数据所蕴含的信息量极为庞大。以一幅典型的数字全息图为例，其原始数据量往往是同分辨率自然图像的数十倍乃至上百倍。以一亿像素级全息图为例，若以8位灰度量化，单幅数据量即达100MB，这为数据的存储、传输及实时处理带来了极大挑战。因此，如何对全息数据进行高效编码与压缩，同时确保重建图像质量的可控性，成为制约全息技术大规模应用的关键瓶颈之一。1.2JPEGPleno标准体系概述为应对包括全息数据在内的新型成像数据的编码需求，国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC29/WG1（即JPEG委员会）于2015年正式启动了JPEGPleno标准项目。JPEGPleno是一个面向新型成像模态的标准化框架，旨在为光场（Plenoptic）图像、点云、全息图等超越传统二维图像的数据类型提供统一的编码与表示标准。JPEGPleno标准体系由多个部分构成，其中：-ISO/IEC21794-1规定了全光图像编码系统的架构与核心框架；-ISO/IEC21794-2针对光场图像编码制定了技术规范；-ISO/IEC21794-3定义了点云数据的表示与压缩方案；-ISO/IEC21794-4给出了全光图像的参考软件和符合性测试方法；-ISO/IEC21794-5即本报告所聚焦的全息术编码标准。JPEGPleno框架的突出设计理念在于，各数据模态采用统一的系统架构，同时各组成部分具有独立的编码策略和语法定义，从而兼顾了系统的整体性和各模态的专用性。1.3ISO/IEC21794-5:2024标准定位与意义ISO/IEC21794-5:2024作为JPEGPleno标准家族中专用于全息术的部分，其核心任务是为数字全息数据提供标准化的表示格式与编码工具。该标准的发布标志着全息数据编码从学术研究走向国际标准化的重要里程碑，为全息显示设备制造商、全息测量仪器厂商、医学影像系统集成商以及文化遗存数字化机构等提供了统一的技术规范，可有效降低系统集成的复杂度、促进跨平台数据交换。二、标准立项背景与编制过程2.1立项需求分析ISO/IEC21794-5的立项工作可追溯至2016年JPEG委员会在法国圣马洛举行的第72次工作会议。彼时，随着数字全息显微技术在生命科学领域的快速渗透以及全息三维显示技术的商业化探索，多个成员国和关联机构向JPEG委员会提出了针对全息数据编码标准化的迫切需求。经过充分论证，JPEG委员会决定在JPEGPleno框架下设立专门的全息编码子项目（AhGonJPEGPlenoHolography）。2.2编制历程该标准的编制过程历经了需求征集、技术方案征集、核心实验评估、参考软件开发和FDIS投票等阶段。关键里程碑包括：-2017年7月：在日内瓦第74次会议上正式成立全息编码特别工作组，确定标准范围和技术路线；-2018—2019年：发布第一版全息数据压缩核心实验（CoreExperiment）计划，全球多家高校和研究机构参与提案评估；-2020—2022年：完成全息数据表示格式（HologramRepresentationFormat）的技术定型，并对多种压缩方案进行比较测试；-2023年：进入委员会草案（CD）和国际标准草案（DIS）阶段，收到各国家体反馈意见并完成逐条处理；-2024年11月6日：经各成员国最终投票通过后，ISO/IEC21794-5:2024正式向全球发布。2.3主要参与机构标准编制过程中，来自中国、日本、美国、德国、法国、韩国、挪威等国的数十位专家深度参与了技术讨论与验证工作。其中重点参与机构包括日本庆应义塾大学、挪威科技大学、法国南特大学、德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会、中国北京大学、北京航空航天大学等。三、标准核心技术内容3.1适用范围与基本框架ISO/IEC21794-5:2024规定了全息数据的表示格式及其数据流的语法和语义，适用于以下类型的全息数据：-数字全息图（DigitalHologram）：通过图像传感器直接采集的干涉条纹图样；-计算全息图（Computer-GeneratedHologram,CGH）：通过计算机算法计算生成的全息图；-全息数据压缩码流：经过本编码系统压缩后的全息数据位流。该标准定义了从原始全息数据采集到重建显示的全链路数据表示规范，包括全息图的空间分辨率、量化精度、像素间距、波长参数、记录距离等物理参数的标准化元数据描述。3.2全息数据的高层数据模型ISO/IEC21794-5:2024提出了分层的全息数据模型架构，将全息数据分为以下几个关键层次：-场景层（SceneLayer）：描述全息记录场景的物理参数，包括照明波长、记录几何布局、物体的三维空间范围等；-采集层（AcquisitionLayer）：记录全息采集设备的参数信息，如传感器尺寸、像素间距、曝光参数、参考光与物光的强度比等；-数据表示层（RepresentationLayer）：定义全息数据的数值表示方式，涵盖实值全息图（如振幅型或相位型）和复值全息图（含振幅与相位双通道）的表示约定；-编码层（CodingLayer）：规范压缩码流的语法结构与解码器操作规程。各层之间通过标准化的元数据字段进行关联，确保不同设备和不同算法之间数据解析的一致性。3.3全息图压缩技术框架在压缩框架方面，ISO/IEC21794-5:2024针对全息数据的特点提供了一套灵活的编码工具集：-变换编码模块：支持离散余弦变换（DCT）和小波变换两种变换内核。小波变换因其出色的多分辨率特性和能量聚集能力，在稀疏全息图压缩中展现出显著优势；-量化与熵编码：引入了基于上下文建模的自适应算术编码器，能够有效利用全息图中局部统计特性进行高效编码；-复值全息图编码策略：针对复值全息图，标准规定了以幅度-相位或实部-虚部两种分解模式进行编码，并支持在两种模式间切换以适应不同数据特征；-质量可伸缩编码：支持空间分辨率和信噪比的渐进式解码，使得接收端能够根据带宽和显示设备能力自适应地选择解码质量层级。3.4元数据定义与互操作性保障全息数据的正确呈现高度依赖精确的物理参数信息。ISO/IEC21794-5:2024在元数据设计上充分考虑了全息数据特有的光学参数表达需求，定义了涵盖以下维度的元数据类型：-光学参数类：波长、偏振状态、参考光类型（平面波/球面波）；-几何参数类：像素间距、传感器-物体距离、记录角度范围；-数值格式类：位深、是否为复值表示、数据布局方式（如宏像素排列）。这些标准化元数据的引入，为不同厂商的全息显示设备正确重建全息场景提供了必要的信息保障，也为全息数据的长期保存和跨平台交换奠定了坚实基础。3.5与JPEGPleno其他部分的协同作为JPEGPleno框架的组成部分，ISO/IEC21794-5:2024在文件封装格式和系统架构层面与ISO/IEC21794-1保持一致。全息数据可以嵌入JPEGPleno统一文件格式中，与光场图像、点云等数据进行联合存储与传输。这种设计为面向沉浸式媒体和三维场景重建的多模态应用提供了良好的扩展性。四、标准应用场景与产业意义4.1全息三维显示随着全息显示技术在近眼显示、车载抬头显示（HUD）、展览展示等领域的商业化进程加速，对高保真全息内容分发和传输的需求日益迫切。ISO/IEC21794-5:2024所规定的通用全息数据格式，为内容制作商、分发平台和显示终端之间建立了标准化的数据接口，显著降低了全息显示系统的内容适配成本。4.2全息显微成像与生物医学数字全息显微术因其无标记、定量相位成像等独特优势，在活细胞观测、组织病理筛查及药物筛选等领域展现了广阔的应用前景。该标准为不同品牌、不同型号的全息显微系统之间实现数据互通提供了技术保障，并为大通量筛查场景下全息数据的有效压缩和快速传输提供了规范化工具。4.3工业检测与全息计量在精密制造领域，数字全息干涉计量被广泛用于形貌测量、微形变分析和无损检测。利用ISO/IEC21794-5:2024定义的元数据规范和编码方案，检测数据可在保障测量精度的前提下实现高效归档与传输，有助于构建标准化的全息检测数据管理系统。4.4文化遗存数字化保护全息技术为珍贵文物的三维数字化记录提供了全新的手段。标准化全息数据格式有利于文化遗产数字档案的长期保存和跨机构共享，对于推动文化遗产数字化保护工作的规范化发展具有深远意义。五、标准修订参与单位介绍在ISO/IEC21794-5:2024的编制过程中，北京大学信息科学技术学院作为国内核心参与单位之一，在标准需求分析和技术方案评估中发挥了重要作用。北京大学数字全息研究团队长期从事数字全息成像与计算全息显示领域的研究工作，在基于压缩感知的全息数据获取、稀疏表示与低复杂度全息图生成等方向积累了丰富的科研经验。在标准编制过程中，该团队重点参与了全息数据表示格式的讨论与验证工作，负责对标准中复值全息图编码策略的合理性进行核心实验评估，并针对压缩性能与重建质量的均衡提出了多项技术建议，部分建议已被标准采纳。此外，该团队还承担了标准草案在国内的技术推广工作，多次组织国内学术研讨会和产业对接活动，为促进国内全息领域产学研用各方对ISO/IEC21794-5:2024的理解和应用提供了重要支撑。六、结论与展望ISO/IEC21794-5:2024的正式发布是全息数据编码标准化进程中的一个里程碑事件。该标准为全息数据定义了一套完整的、可扩展的表示与编码框架，为全息技术在三维显示、生物医学成像、工业检测和文化保护等领域的规模化应用提供了关键的互操作性保障。展望未来，该标准的演进将聚焦于以下方向：-深度学习编码工具的引入：随着神经网络的压缩方法逐渐成熟，未来版本的修订有望引入基于深度学习的全息图编解码方案，以实现更高的压缩效率；-面向全息视频的编码扩展：当前标准主要面向静态全息图，面向全息视频序列的时间冗余消除和实时编解码需求将成为下一阶段的重要研究方向；-与新兴显示技术的进一步整合：随着全息近眼显示器件和全息光波导技术的进步，标准需持续更新以适应新型显示硬件对数据格式的新要求；-与JPEGAI等新标准化项目的协同：JPEG委员会正在推进的JPEGAI学习型图像编码标准，有望与全息编码技术深度融合，催生出更加高效的端到端全息数据编码方案。可以预见，ISO/IEC21794-5:2024将在推动全息技术标准化应用、促进跨领域数据融合共享方面发挥日益重要的作用，为全息科技的产业化发展奠定坚实的技术基石。参考文献[1]ISO/IEC21794-5:2024,Informationtechnology—Plenopticimagecodingsyst