8kHDR低延时视频编码标准JPEGXS概述

付文杰　黄建秋

【摘  要】近年来，图像、视频已经成为人们广泛使用的信息获取方式，且人们对分辨率的追求也越来越高。随着网络带宽不断增加，硬件设备性能不断提升，高清视频4kHDR已经开始普及，8kHDR也开始广泛研究，在广播行业尤为显著。针对节省网络带宽方面的研究，传统的高压缩比编码标准复杂度较高，在处理高分辨率视频时，无法容易地利用GPU、FPGA等硬件设备进行有效加速，DNXHR、ProRes、XAVC 等视频压缩处理方法在处理8kHDR时也难以做到实时处理。本文介绍的JPEG XS视频处理方法是JPEG委员会制定的新国际标准。其低延时、低复杂度，且可以高效地在FPGA、ASIC、CPU、GPUs实现的特点，使8kHDR格式运用到一些有实时性要求的实际场景中成为现实。

【关键词】编解码;JPEGXS; 4KHDR; 8KHDR;低延时

1 .JPEG XS技术简介

JPEG XS是JPEG委员会（正式名称为ISO/IEC SC29 WG1）制定的新国际标准。该标准可在低压缩比场景下，提供视觉无损图像压缩。该压缩算法有较高的并行度，可以对ASICs、FPGAs、CPUs和GPUs等多种技术实现最佳支持。JPEG XS典型压缩比大约为10：1，也可以根据视频分辨率、帧率和码率限制进一步提高压缩比。

随着视频带宽需求持续增长，信道的容量也在不斷增长（如即将普及的5G网络），但这仍满足不了人们对更高分辨率、更高清晰度、更多新视频类型的追求。广播行业的视频流处理和传输充分体现了这个问题：制造商目前正在从HD高清切换到UHD超高清，需要12G-SDI或10Gbps以太网，对于更高分辨率的8kHDR，也已开始研究。对于8K这种大幅面视频，在码率允许的情况下，利用常见的轻量级压缩方案DNXHR、ProRes、XAVC等来进行压缩，处理速度已难达到要求。工程上亟需一种方便格式转换、视觉质量无损、功耗低、编解码延时低、易于实现、芯片尺寸小、可在通用CPU上运行的快速软件。在这种情况下，JPEG委员会推出了一个标准化的轻量级编解码器JPEG XS。

2. JPEG XS编解码器的主要特征

（1）视觉无损的质量。在高达10：1的典型压缩比情况下，该技术可以达到视觉无损的压缩质量，即使压缩率在30倍左右，其质量仍能和XAVC压缩质量持平。

（2）多代鲁棒性。由于其压缩算法的变换系数采用原始编（按bit位截断），即使经过多次压缩后，图像的质量与第一次压缩后的质量仍非常接近，适用于视频的前期制作。

（3）GPU、FPGA和ASIC环境进行并行加速。

（4）计算复杂度低。在图像的压缩编码过程中，该技术与传统的视频编解码方法不同，没有复杂的变换和预测模式，编码单元码流独立，熵编码复杂度低。

（5）延迟低。能做到行级延迟的传输解码延迟，在实时性要求很高的场景需求下有着非常大的运用价值。

3. JPEG XS编码流程

JPEGXS编码标准的主要编码流程如图1所示，主要包含了以下步骤：

3.1平移及系数缩放

在变换前后，结合小波变换和分数据类型编码算法的特性，通过移位和添加常数的方法，将系数幅度值限定在特定范围，从而达到提高压缩质量的目的。

3.2小波变换

JPEGXS采用的变换方法是小波变换。小波变换要求垂直分解级别要少，而对于5/3小波变换方法，其垂直分解最多只有2次;13/7小波，最多一次。 小波变换对于并行化处理来说是微不足道的。小波变换同时具备了空间和频域局部变换的特性，结合JPEGXS编码单元的划分，有效将编码区域内的空域和频域相关性进行划分，然后再按每个band进行编码，从而消除其频域冗余，实现有效压缩。

3.3分区域编码

通过将图像按空间划分为slice，precinct编码结构，再将每个空间区域的小波变换分量分为若干packet，packet内每个小波分量对应的系数依次编码。每个packet内，对一个小波分量的4个连续系数组的幅值水平进行熵编码，实际系数值则采用原始编码，直接把系数的有效位比特写进码流。每个packet字节对齐，可以做到独立编码，从而可实现高效并行编码和解码。 此划分方式可以充分利用硬件的多核心并行特点。

3.4码率控制

码率控制制约着编码器的速度，也是编码器的关键技术之一。作为一种轻量级压缩编码标准，JPEGXS的码率控制较为简单，目标码率平均分配到每个precinct编码单元，然后调节当前precinct的每个band系数的有效bit位保留数目，来实现精确的码率控制。

4.总结

本文主要介绍了最新一代视频编码标准JPEGXS。JPEGXS是一种新的视觉无损低延迟轻量级图像编码国际标准。该标准具有计算复杂度低，图像压缩质量好，互操作性强等特性。与其他现有的编解码器相比，质量评估显示出非常好的性能。在工程上利用GPU、FPGA等处理大幅面图像时，其高并行度的算法特性使处理过程的并发优化实现变得非常方便，从而达到实时处理8KHDR的目的。在未来8KHDR视频图像处理的运用上有着非常重要的作用。

参考文献

[1]https：//jpeg.org/jpegxs/.

[2]https：//jpeg.org/static/whitepapers/jpeg-xs-whitepaper.pdf

[3]Thomas， Richter， Joachim，等. SMPTE Periodical - JPEG-XS—A High-Quality Mezzanine Image Codec for Video Over IP[J]. Smpte Motion Imaging Journal， 2018.

[4]ISO/IEC 21122-1 Information technology — JPEG XS low-latency lightweight image coding system —Part 1： Core coding system

[5]SO/IEC 21122-2 Information technology — JPEG XS low-latency lightweight image coding system —Part 2： Profiles and buffer models

[6]ISO/IEC 21122-3 Information technology — JPEG XS low-latency lightweight image coding system —Part 3： Transport and container formats