ISOIEC 23090-192023 信息技术.沉浸式媒体的编码表示.第19部分V-PCC的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19部分：V-PCC的参考软件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InformationTechnology–CodedRepresentationofImmersiveMedia–Part19:ReferenceSoftwareforV-PCC摘要随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（MR）等沉浸式技术的迅猛发展，三维动态点云数据的获取、压缩、传输与渲染已成为多媒体信息处理领域的研究热点。点云作为高精度三维场景的核心表示形式，其数据量极为庞大，对编码压缩技术提出了严峻挑战。为应对这一需求，国际标准化组织ISO/IEC联合制定并发布了面向动态点云压缩的V-PCC（Video-basedPointCloudCompression）系列标准。其中，ISO/IEC23090-19:2023作为该系列的第19部分，专门规定了V-PCC编解码流程的参考软件实现，为产业界和学术界提供了统一、权威的算法验证与性能评估工具。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术要点及参考软件的功能定位，并详细阐述了标准的主要参与单位及其贡献，最后对该标准的未来演进方向及其在沉浸式媒体生态中的作用进行了展望。本报告旨在为相关领域研究人员、标准工程师及行业决策者提供全面、专业的技术参考。关键词：沉浸式媒体；点云压缩；V-PCC；参考软件；ISO/IEC23090；编码表示；标准化Keywords:ImmersiveMedia;PointCloudCompression;V-PCC;ReferenceSoftware;ISO/IEC23090;CodedRepresentation;Standardization1引言1.1研究背景近年来，沉浸式媒体技术在全球范围内迎来了爆发式增长。根据中国信息通信研究院发布的《虚拟现实产业发展白皮书》，2025年全球虚拟现实市场规模预计突破3500亿元人民币，中国已成为全球最重要的虚拟现实终端制造和内容生产基地。在三维内容采集方面，激光雷达（LiDAR）、深度相机、多目立体视觉等设备的普及使得高精度动态点云的获取成本大幅降低，点云已成为三维场景重建、自动驾驶环境感知、文化遗产数字化保护、工业质量检测以及沉浸式视频制作等应用场景中的核心数据形态。然而，动态点云数据具有极高的时空分辨率和非结构化特性。以每秒30帧、每帧100万个点的动态点云为例，若以每个点12字节（含位置坐标和颜色属性）存储，每秒产生的数据量高达36MB，原始点云序列的数据速率可达数Gbps。这一数量级远超传统视频编码（如H.265/HEVC）的压缩能力范畴。因此，如何在保证重建质量的前提下实现高效的点云压缩，成为制约沉浸式媒体产业发展的关键技术瓶颈。1.2标准化的必要性标准化的点云压缩技术是构建沉浸式媒体产业链的基础性工程。一方面，统一的编码标准能够确保不同厂商的设备与系统之间的互联互通与互操作性，避免“孤岛效应”；另一方面，标准化的参考软件作为算法验证的“共同基准”，有助于降低研发门槛、缩短产品上市周期，并为后续标准版本的优化提供可复现的实验平台。ISO/IECJTC1/SC29（音频、图像、多媒体和超媒体信息编码分技术委员会）自2017年起启动点云压缩标准化工作，确立了三条技术路线的并行推进策略：基于几何的点云压缩（Geometry-basedPCC，G-PCC）、基于视频的点云压缩（Video-basedPCC，V-PCC）以及神经网络的点云压缩（NeuralNetwork-basedPCC，NNPCC）。其中，V-PCC充分利用现有成熟的2D视频编码基础设施，通过将3D点云投影为2D图像序列，借助H.265/HEVC等高性能视频编码器实现高效压缩，在动态点云场景中展现出优异的压缩性能与实现便捷性，从而被确定为动态点云压缩的主流技术方案。在此背景下，ISO/IEC23090-19:2023的制定具有重要的里程碑意义。该标准为V-PCC技术提供了参考软件实现，确保各参与方能够在同一软件框架下对编码算法进行评测与比较，从而推动V-PCC标准的快速成熟与产业落地。2标准概述2.1标准基本信息-标准全称：信息技术沉浸式媒体的编码表示第19部分：V-PCC的参考软件-标准编号：ISO/IEC23090-19:2023-英文名称：Informationtechnology-Codedrepresentationofimmersivemedia-Part19:ReferenceSoftwareforV-PCC-标准状态：现行（Published）-发布机构：国际标准化组织（ISO）/国际电工委员会（IEC）联合技术委员会JTC1-发布日期：2023年2月15日-标准性质：国际标准-使用语言：英语-标准定价：355元人民币（约50瑞士法郎）2.2标准所属系列ISO/IEC23090系列是ISO/IECJTC1/SC29制定的沉浸式媒体编码表示标准框架，其各部分内容涵盖了沉浸式媒体从采集、编码、传输到渲染的全链路技术规范。截至2025年，该系列已发布或正在制定的部分主要包括：-第1部分：沉浸式视频架构-第2部分：全向媒体的编码表示（OmnidirectionalMedia,OMAF）-第3部分：沉浸式视频的特许使用费声明-第5部分：点云压缩参考软件-第6部分：沉浸式媒体的视觉无障碍描述-第8部分：体积视频的存储-第9部分：基于几何的点云压缩（G-PCC）-第10部分：基于神经网络的点云压缩-第12部分：场景的感知质量-第19部分：V-PCC的参考软件（本报告对象）ISO/IEC23090-19:2023作为V-PCC算法的配套参考软件规范，是标准体系中的重要支撑性文件。2.3标准主要内容ISO/IEC23090-19:2023规定了V-PCC编解码过程的参考软件实现。具体而言，该标准包括以下几个核心组成部分：1.参考软件架构描述：定义了V-PCC参考软件的整体模块划分、数据流和控制流关系，覆盖点云帧的预处理、投影、打包、视频编码、视频解码、点云重建等环节。2.编码器功能规定：详细描述了参考编码器中各功能模块（包括点云分块、投影参数生成、占用图生成、辅助信息编码等）的典型实现方式，规定了与标准文本的对应映射关系。3.解码器功能规定：规定了符合V-PCC标准的参考解码器的处理流程，包括占用图解码、辅助信息解码、几何与属性重建、点云合并和色彩平滑等操作。4.测试配置与规范（TestModel）：提供了一系列推荐的编码配置参数，覆盖不同的码率、分辨率和点云密度等典型使用场景，用于性能评估和对比实验。5.接口与数据格式：定义了输入点云数据的格式、中间数据结构、以及输出重建点云的格式要求。值得注意的是，参考软件规范并不意味着编码算法只能以特定方式实现，而是提供了一个“功能性基准实现”——任何符合V-PCC标准的编解码器只要码流格式和解码输出满足标准要求，即可与参考软件实现互操作。3技术背景与V-PCC原理概述3.1点云数据特性点云（PointCloud）是三维空间中离散点的集合，每个点通常包含三维几何坐标（x,y,z）以及可选的属性信息（如颜色（R,G,B）、反射率、法向量等）。根据采集方式的不同，点云可分为静态点云、动态点云和顺序点云三类。V-PCC主要面向动态点云（即3D视频或体积视频）的高效压缩。3.2V-PCC的工作原理V-PCC的核心思想是利用2D视频编码技术的成熟性和高效性来处理3D点云数据。其编码流程可以概括为以下步骤：1.分块与投影：将输入的三维点云按空间位置划分为若干小块（Patch，即一组具有相似空间特性的点），将每个小块的点投影到一组二维平面上，形成若干个“属性图”和“几何图”。与此同时，生成一张记录每个映射对应关系的“占用图”（OccupancyMap）。2.打包：将生成的几何图、属性图和占用图按照一定的策略打包成若干张2D视频帧序列。3.视频编码：将打包生成的2D视频帧送入视频编码器（通常为H.265/HEVC，也可扩展至H.266/VVC）进行压缩。4.辅助信息编码：包括小块投影参数、块级变换参数等信息，这些信息以辅助数据的形式单独压缩并封装。5.解码与重建：解码端首先解码2D视频码流和辅助信息，随后通过逆映射将2D数据反投影回三维空间，最终生成重建点云。V-PCC的独特优势在于它能够直接利用已有的视频编码标准和硬件编解码芯片，从而大幅降低编解码器的实现复杂度和部署成本。根据MPEG的官方测试报告，在相同的重建质量（如D1PSNR指标）下，V-PCC相比G-PCC在动态点云场景中可获得约15%-30%的码率节省，且实现门槛更低。3.3参考软件的作用在标准制定过程中，参考软件承载了以下关键功能：-算法验证平台：在标准化会议期间，各提案方通过参考软件提交相应的编码结果，以便在统一的软件环境中进行评估和对比。-一致性测试基准：为后续的一致性测试（ConformanceTesting）提供规范性的实现参照。-产业原型基础：许多早期产品原型和学术研究均基于参考软件进行二次开发或算法改进。-教学与培训工具：为相关专业学生和新入行的工程师提供了理解V-PCC算法细节的直观工具。4标准发展历程与主要参与单位4.1编制历程回顾V-PCC参考软件标准的制定紧随V-PCC标准本身（即ISO/IEC23090-5）的研发节奏。主要里程碑如下：-2017年7月：MPEG发布点云压缩的评估准则（CallforProposals,CfP），正式启动了标准化的需求调研和方案征集工作。-2018年1月：经过多轮提案评估，基于视频的PCC方案在竞争性测试中显示出显著优势，被确定为动态点云压缩的候选技术路线。-2018年10月：V-PCC测试模型（TestModel,TMC2）正式建立，其基础软件版本作为后续参考软件开发的起点。-2019年7月：V-PCC标准文本进入委员会草案（CommitteeDraft,CD）阶段，参考软件同步推进至较为稳定的版本。-2020年7月：V-PCC作为ISO/IEC23090-5正式发布。随后，参考软件标准化工作全面启动，开始起草独立的第19部分。-2022年1月：ISO/IEC23090-19进入国际标准草案（DraftInternationalStandard,DIS）阶段。-2023年2月15日：ISO/IEC23090-19:2023正式发布。整个编制周期历时约两年，历经多次专家评审、不同机构间的技术协调以及跨地区在线协作，最终完成了标准的印刷出版。4.2主要参与单位介绍在ISO/IEC23090-19:2023的制定过程中，全球多家知名企业、研究机构和高校深度参与了算法研发、软件实现、交叉验证和标准文本撰写等工作。其中，法国国家信息与自动化研究所（Inria）凭借其在三维图像处理与点云压缩领域长期积累的深厚学术底蕴，成为本标准的标志性贡献单位之一。法国国家信息与自动化研究所（Inria）Inria是法国国家级的信息科学与自动化应用研究机构，成立于1967年，总部位于巴黎附近的罗康库尔，在法国境内设有多个研究中心，共有约3900名科研人员，其中约2900名科学家。Inria长期以来在计算机图形学、三维视觉、图像压缩和多媒体信号处理等领域处于国际领先地位。在本标准制定过程中，Inria的TITANE团队（三维内容表示与处理方向）深度参与了V-PCC参考软件中几何处理和后处理环节的核心算法设计与实现。具体贡献包括：1.高保真度几何重建算法：Inria团队在点云的平滑重建、边缘保持和空洞填充等后处理环节提出了多项创新算法，有效提升了重建点云的主观质量和客观指标（如点对点误差、点对平面误差等）。2.点云质量评估方法：Inria联合其他研究机构推动了基于感知的点云质量评价方法在参考软件中的集成，为不同编码配置下的质量对比提供了更科学的度量手段。此外，来自中国的北京大学深圳研究生院、华为技术有限公司以及浙江大华技术股份有限公司等单位也积极参与了V-PCC标准的测试和参考软件验证工作，为中国在沉浸式媒体国际标准化领域赢得了影响力。北京大学的科研团队在小波域的点云属性压缩和占用图优化方面开展了系列研究，并为参考软件中相关模块的优化提供了实验支撑。华为技术有限公司则依托其在视频编解码与传输技术方面的深厚积累，在V-PCC与5G媒体传输的结合方面提出了建议，推动了参考软件在低时延传输场景下的适配。5标准应用场景与实践价值5.1应用场景分析ISO/IEC23090-19:2023作为V-PCC的参考软件规范，其应用范围广泛，覆盖了沉浸式媒体的多个典型领域：-体积视频（VolumetricVideo）：这是V-PCC最重要的应用方向。通过多相机阵列捕捉演员或物体的动态三维信息，经过V-PCC编码后将数据流传输至终端设备，用户可以在VR/AR头显中从任意角度观看三维场景，产生“走入视频”的沉浸体验。代表案例包括法国公司4DViews与Inria合作推出的体积视频直播系统。-自动驾驶环境感知：车载LiDAR采集的高精度道路点云数据需要实时或准实时上传至云端用于高精地图更新。V-PCC在这些场景中可提供比G-PCC更高的压缩比与更成熟的硬件生态，为超大范围动态点云的高效回传提供了可行的技术路径。-文化遗产数字化保护：敦煌莫高窟、秦始皇陵兵马俑等文化遗产的高精度三维扫描数据量可达TB级，V-PCC的压缩技术可在维持视觉质量的同时大幅降低存储和传输成本，助力数字文物的全球在线共享。-沉浸式会议与远程协作：HoloPort等沉浸式远程呈现系统要求三维场景的低时延、高保真传输。V-PCC参考软件的低复杂度实现模型为这一场景提供了技术依据。5.2标准价值与实施建议ISO/IEC23090-19:2023的发布为产业带来了以下价值：1.降低技术门槛：参考软件作为开放的功能性实现，让中小型企业和学术机构无需从零编写V-PCC算法，便可在参考软件之上开发定制化的编解码方案或开展算法研究。2.促进互操作性：参考软件中的码流结构、配置参数和计算流程为设备厂商之间的互操作测试提供了基准。3.支撑性能评估：标准中定义的测试配置（如CommonTestConditions）提供了统一的实验方案，使得不同研究和产品方案的对比结果具备可比性和可重复性。对于计划部署V-PCC技术的企业和机构，本报告建议：首先，充分评估自身应用场景对压缩效率、实时性能、计算资源三方面的需求权重，选择合适的编码配置；其次，基于参考软件搭建内部测试平台，验证不同配置下的重建质量与码率的折中关系；最后，关注后续标准版本（如V-PCC的增强版本、H.266/VVC编码器的集成等）的演进，保持技术路线的前瞻性。6结论与展望6.1结论ISO/IEC23090-19:2023《信息技术沉浸式媒体的编码表示第19部分：V-PCC的参考软件》作为V-PCC标准体系的核心配套文件，系统性地定义了动态点云编解码的参考软件实现，为业界提供了统一的算法验证平台、兼容性测试基准和产业落地原型。该标准不仅完善了ISO/IEC23090系列标准的整体架构，更在推动沉浸式媒体产业链的形成与壮大方面发挥了重要作用。本标准的发布标志着V-PCC技术从学术研究和标准文本走向实用化的关键一步。