摘要：
本帖參考T. Richter等人發表在SMPTE Motion Imaging Journal的文章JPEG-XS—A High-Quality Mezzanine Image Codec for Video Over IP。超高清（UHD）內容的生產，需要更多的帶寬用來傳輸和交換數據；基於IP協議棧的基礎架構則更多的靈活性。在生產工作流程中的母片壓縮技術可以減少必要的數據傳輸容量，甚至可以使用舊的、支持HD的基礎架構。這類編解碼器設計的主要難點是滿足超低延遲並且保持高質量的同時，降低設計複雜性。考慮到這一點，聯合圖像專家組（JPEG）委員會啓動了一個名爲JPEG-XS的工作組，應對此需求。本文介紹了此類編解碼器的具體要求、標準題案的結果、核心實驗的階段進展，及對所選技術的一些評述。
引言
現今，視頻製作行業可以看到兩個主要趨勢。一種趨勢是將分辨率提高到4K（UHD-1）甚至8K（UHD-2），再加上更高的動態範圍（HDR），這導致圖像數據和帶寬需求的巨大增加。第二是擺脫專用佈線和基礎設施，如數字分量串行接口（SDI），並使用現成的基礎設施和基於以太網的信息技術。現在的問題是：這些視頻數據流在未壓縮時以哪種方式可以在3~40 Gbits / s的帶寬上有效地傳輸。
業內成熟的方法是使用壓縮。然而由於必須在典型生產設施的交付鏈內處理數據，壓縮–解壓多次循環（generation losses）將導致延遲或質量連續降級。一些解決方案例如HEVC或JPEG 2000，具有高複雜性和高成本。出於這個原因，JPEG委員會於2016年啓動了一項針對IP視頻應用的低複雜度、低延遲母版圖像壓縮編解碼器的項目，要求各方提出相關的編碼技術。這個新工作項目的名稱是JPEG-XS，xs是extra speed及extra small的縮寫。
JPEG標準化
國際標準化組織/國際電工委員會（ISO / IEC）JTC1 SC29 WG1工作組，以JPEG名稱更爲人所知。近年來JPEG致力於圖像壓縮的新應用，例如HDR，低延遲，及向後兼容部署的標準。圖1顯示了標準化過程。
2016年，委員會調查了這些新應用領域的潛力，並要求業界提供證據；這使得我們對母版圖像(mezzanine image)編解碼器標準化的需求有了更好的認識。目前，儘管缺乏標準化已經一定程度上阻礙了其在業界的廣泛應用，在這個特定的應用領域中已經出現了多個專有編解碼器。
圖1. JPEG標準化過程的簡化方案
要求
在2015年10月19日至23日在比利時布魯塞爾舉行的第70次會議和2016年2月22日至26日在加利福尼亞州拉霍亞舉行的第71次會議上，JPEG委員會確定了對所需新工作項目的要求。相關要求如下：
- RGB / 444和YCbCr 444/422圖像格式，每個部分採樣精度高達12位;
- 視覺無損壓縮，即沒有可見的質量下降;
- 端到端（壓縮 - 解壓縮）延遲最大32線; maximal 32 lines end-to-end (compression–decompression) latency
- 低複雜度，定義爲特定現場可編程門陣列（FPGA）的最大百分比;
- 無需外部幀緩衝。特別是，各個幀應獨立解碼;
- 多代穩健性，即在多次壓縮-解壓縮循環中最小的連續性質量降級;
- 支持多種平臺，例如FPGA，專用集成電路（ASIC），圖形處理單元（GPU）和中央處理器（CPU）;
- 在當今的標準計算機上實現UHD-1格式的實時軟件實施功能。
在最壞的情況下，壓縮比需要高達6：1，這相當於24位RGB 444內容的比特率爲4 bpp。出於核心實驗的目的，JPEG委員會認爲比特率甚至需要低至3 bpp。
JPEG還確定了以下標杆，以便將提案與現有技術進行比較：JPEG 2000，使用tiles或precincts以延遲約束模式運行，以達到32線延遲; 以及VC-2（SMPTE 2042-1-2009 / 2042-2-2009）標準，基於BBC開發的Dirac編解碼器，解決了一個非常相似的情況。anchors也包括JPEG和HEVC，即使兩者的延遲約束，以及HEVC錨的複雜性約束並沒有滿足要求。
JPEG-XS標準化過程
JPEG-XS標準化始於2015年7月6日至10日在波蘭華沙舉行的第69屆JPEG會議上以ISO / IEC 21112的新工作項目申請，雖然在第71次會議期間仍繼續提出要求的改進和徵集建議的準備，圖1展示了所有ISO過程的典型佈局。該標準已經設計爲由多個部分組成，其中的第一部分描述了核心編碼系統。本文的其餘內容就會着重介紹這一部分，而其他部分仍在準備中。他們將在第2部分中描述配置文件和緩衝模型，以及第3部分中介紹容器格式–最主要的是文件格式和通過SDI鏈接的傳輸。第4和第5部分傳統意義上定義了一致性測試和參考軟件。TABLE 1則列出了所有當前考慮的內容以及發佈國際標準文件草案的預期目標日期。
提案
提案提交分爲兩個階段。在第一階段，締約方將在2016年6月第72次日內瓦會議上表明興趣需求，對他們想要提出的技術提供概述。在第二階段，必須在2017年9月之前提交準備運行的二進制文件，然後對生成的流文件進行主觀（即人爲觀察）和客觀的評估。以下是日內瓦會議收到的提案。
- 用於IP視頻編碼的低複雜度基於小波的靜態圖像編碼器。爲簡化設計，此處僅使用Haar小波。碼率控制由反饋迴路完成，該回路觀察輸出碼率並控制量化器。
- 基於DCT的提議，包括平坦度檢測器以避免在平滑圖像區域中缺陷被阻擋，以及用於屏幕內容編碼的調色板模式編碼器。碼率分配逐線進行，超額碼率可用於後續線。
- VC-2的修改版本，將延遲限制爲呼叫中請求的線路數。與第一個提議和JPEG 2000類似，VC-2基於離散小波變換。
- 源自JPEG-LS（無損JPEG）的編解碼器，其通過JPEG-LS傳輸圖像的二次採樣版本，然後基於可用碼率，殘餘信號以恢復全分辨率。
- JPEG 2000的修改版本通過基於低複雜度MelCoder的熵編碼器替換高複雜度嵌入式塊編碼和優化截取內嵌碼塊（EBCOT）編碼器，該編碼器一次發送多個位平面並使用基於幀統計的啓發式算法來分配碼率。
- 基於小波的編解碼器，它結合了波形係數組，並通過一元代碼傳輸每組中的位平面數，然後是小波數據的原始傳輸。與第一個提案不同，此提案基於5/3濾波器。
- HEVC的簡化版本，僅使用I幀壓縮，並將CTU大小限制爲8×8塊，可用預測方向的數量限制爲4個。
2016年10月在中國成都舉行的第73次會議期間對提案進行了評估，包括基於PSNR的客觀測量，以及遵循ISO / IEC 29170-2中規定的測試協議的主觀評估。此外，支持者必須根據FPGA實現所需的查找表數量的近似計數來估計其編解碼器的複雜性。爲了在再壓縮下測試編解碼器的穩定性，在10次壓縮-解壓縮循環後也測量了其主觀和客觀質量。有關評估程序的詳細信息，請參閱參考資料。
JPEG委員會認爲基於JPEG 2000的提案和基於HEVC的提議的複雜性太高，無法集成到FPGA目標架構中。此外，儘管HEVC提案在第一次壓縮-解壓縮循環中表現出良好的性能，但在第十次循環的時候質量顯著降低。除了複雜性，基於JPEG 2000的提議總體上表現得相當不錯，雖然它的碼率分配基於逐幀啓發式，導致場景切換質量下降，但這被認爲是不重要的。基於VC-2的提案由於與其他提交相比性能不佳而被淘汰，儘管它的複雜性非常適合調用；在基於JPEG-LS的提案上可以觀察到同樣的問題，該提議在整個測試集中無法達到很高的目標質量。最後，第一個提案被其支持者撤回，並且進而支持了第二個基於DCT的提案，該提案看起來更有希望被實施。
經過多次討論，仍有兩項提案。它們提供了始終如一的良好性能和低到足以滿足呼叫要求的複雜性，即基於DCT的提議-上面列表中的第二個-以及基於小波的技術，上面列表中的第六個。最終決定將兩種候選技術合併爲一個通用測試模型，並在此測試模型的基礎上繼續標準化。2017年初推出了第一版JPEG-XS（“XSM”）測試模型。
整個2017年，XSM組合軟件的工作不停在進行，JPEG成員提出了編碼引擎的多個附加擴展和增強，這些擴展和增強已經並且正在通過所謂的核心實驗進行研究，這些實驗研究候選技術的質量改進和複雜性。在2017年10月的會議上，委員會計劃發佈JPEG-XS的第一個“委員會草案”（CD）版本，基本上凍結了核心技術，並將正在進行的開發限制爲微小的改進和更正。計劃於2018年中期由委員會發布最終國際標準。
XSM測試模型編碼器概述
圖2概述了1.1.3 XSM測試模型中當前的JPEG-XS編碼器設計。在第一步中，輸入樣本被放大，並且通過適當的移位去除所有DC偏移，使得信號在零附近對稱。然後通過可逆的顏色變換將RGB分量去相關，這與JPEG 2000標準的可逆顏色分量變換（RCT）相同。然後，5/3小波執行圖像信號的能量壓縮，通常通過五次水平和一次垂直變換。然後在該步驟之後進行預量化，該預量化包括8位downshift，然後是常規量化，取決於碼率分配過程，可以去除額外的位平面。然後對得到的quantization bucket indices進行熵編碼。
圖2 JPEG-XS編碼過程概述
遵循JPEG-XS的低複雜度設計目標，熵編碼非常簡單。首先，將小波係數組合成四個水平相鄰係數的組，即編碼組。對於每個編碼組，計算組合的所有四個係數的數據密度最大的位平面。該位平面計數在標準中稱爲“MSB位置”，它是唯一經歷可變長度編碼的量。
- 第一步中，形成8個編碼組的重要性組，即32個係數，並且發送每個重要性組的單個位標誌，指示該組中的任何編碼組是否完全攜帶數據。如果設置了重要性標誌，則跳過整個重要性組，並且解碼器假定該組內的所有32個係數爲零。
- 在第二步中，傳輸所有剩餘重要性編碼組的MSB位置。JPEG-XS爲MSB位置編碼提供多種編碼工具：MSB位置傳輸原始數據，每個編碼組4位; 或者，MSB位置是從它們的左鄰居或頂鄰居預測的，並且預測殘差是以一元代碼發送的。可選地，run-length代碼可以跳過空編碼組的overrun。
- 第三，對於所有重要性編碼組，量化小波係數的絕對值被傳輸。這包括從MSB位置到量化器選擇的位平面的所有位。
- 第四，對於所有非零係數，符號位直接傳輸。
以下部分詳細介紹了能量壓縮和碼率分配以及JPEG-XS要求如何影響變換選擇和碼率分配策略。
能量壓縮和碼率分配的設計約束
低延遲的要求對JPEG-XS的設計有幾個意義，最顯著的是去相關變換選擇和碼率分配。前者的目的是能量壓縮，即圖像數據應僅用幾個係數表示; 而碼率分配必須通過量化器調整信息損失，以生成符合輸出信道帶寬要求的碼流。由於期望的總壓縮比相對適中，熵編碼在JPEG-XS標準中僅起很小的作用。因此，JPEG-XS的設計主要是碼率分配問題，以及合適的能量壓縮的選擇。
對於編碼器處的能量壓縮，32線的最大端到端等待時間最多留下16線等待時間，即去相關變換的時間。在實際情況下，碼率分配，緩衝和碼流構建需要額外的線路。
現在，在收到的所有提案中，有能量壓縮的以下策略。
- 基於預測方案的空間域策略。JPEG-LS變體可以被分類爲這樣的策略，但是殘差的二次採樣和傳輸可以被認爲是Haar小波或2×2DCT的應用。雖然如實驗所示，這些方法的整體性能似乎不夠，但是由於能量壓縮，這裏將延遲限制在了兩路。
- 基於DCT的策略，就如兩個提議所使用的：第二個提議，它將其與調色板模式相結合，並將DCT大小限制爲4×4塊以保持低複雜度，而衍生/限制HEVC變體部署了8×8DCT。雖然DCT也必然更復雜，但大多數保留是由於HEVC後端的複雜性。如第二個提議所示，DCT可以滿足目標要求，但需要採取額外的預防措施以避免在低速情況下的阻塞缺陷。有關這方面的更多信息，請參閱參考資料。
- 基於離散小波變換的策略，由所有其他提議部署，包括JPEG 2000和VC-2的變體。 所有提交的共同點是垂直小波濾波器必須相對較短，並且只能進行非常有限數量的垂直小波分解（TABLE 2）。如其中所列，5/3小波可以在一個或兩個分解級別中運行，但較長的13/7小波只能在單個垂直分解級別中運行。水平小波分解的數量沒有限制；收到的提案一般可以進行五次水平分解。基於小波的方法能夠滿足JPEG-XS的質量和複雜性要求。本文還研究了小波濾波器對編碼效率的影響，並給出了結果。
碼率控制是JPEG-XS的第二個關鍵組件。當然，可用於碼率分配目的的圖像數據越多，其操作就越精確，圖像質量就越好。
- 提出的一些策略基於啓發式算法，使用前一幀的統計信息來分配當前幀的碼率。例如，由於JPEG-XS的要求所施加的延遲限制，基於JPEG 2000的提議無法使用完整的EBCOT第2層碼率分配。然而，在係數參數發生顯著變化的情況下，任何啓發式算法在場景切換上都具有質量降級的可能。雖然這種質量降級會被場景切換所掩蓋，因此通常對於人類觀察者來說是不可見的，但在傳輸後對材料進行後處理的應用中，它們仍然可能是令人不希望看到的。他們會引入一個本應該避免的額外錯誤源。
- 其他提案使用逐線路碼率分配，如果帶寬和延遲超出，則在當前線路上無法完成的部分可在下一個線路完成。一個DCT建議中包含的碼率分配包括檢測阻塞缺陷，併爲易受此類缺陷影響的塊分配更多碼率。
- 另一種方法是在更大look-ahead window上運行碼率分配，因此具有已經在當前線路上爲未來關鍵內容分配碼率的優勢。顯然，窗口的大小不能超過最大容許延遲，因爲編碼器必須延遲其編碼過程，直到完整的超前窗口變得可用。
- 最後，一些提議使用了碼率控制環路方法，該方法觀察目前爲止所用碼率，並根據需要調整量化。控制環路方法在一個提議中通過人類視覺模型進行了改進，使得量化缺陷仍保持低於剛纔明顯的差異。
總體而言，經過試驗發現，儘管在13/7濾波器等替代小波濾波器上的實驗仍未完成，但顯然基於前瞻窗口的方法效果最好。初步結果將在稍後介紹。雖然較長的濾波器longer filters可提供更好的質量，但它們也減少了碼率分配器可用的look-ahead量。在碼率分配所花費的延遲和能源壓縮引入的延遲之間進行權衡是委員會正在進行的工作。
並行處理
低延遲是JPEG-XS的一個特點，而並行處理則是其另一個特點：GPU和矢量化CPU實現是預想標準的一個重要應用領域。小波變換和顏色去相關變換對於並行化來說是微不足道的，而熵編碼則需要我們更多去關注。並行解碼的多種設計選擇如下：
- 將係數關聯到編碼組中有助於在配備現代矢量指令的CPU上對解碼進行矢量化。
- 在“能量壓縮和碼率分配的設計約束”中討論的四個熵編碼階段中，實際上都只編碼單個數據項，即編碼組的MSB位置。所有其他元素都是直接複製到比特流中的。MSB位置編碼使用極其簡單的字母表，即一元編碼。該編碼將正值N通過N 1位發送，後跟0 comma bit。一元編碼可以並行解碼，因爲它是自同步的。通過從一元編碼比特流內的任意位置開始，最多隻有初試符號位會被錯誤解碼，而所有後續符號都一定能被正確地解碼。通過在略微重疊的塊上運行多個解碼器，該方法可用於設計完全並行的一元字母熵解碼器。最後，水平和垂直預測相對而言容易並行化。
實驗和結果
爲了評估和演示JPEG-XS編碼系統的性能並提供市場上可用技術的更完整圖景，我們測量了解決相關用例的多個圖像靜止圖像編解碼器的碼率-失真曲線。特別的，我們測量了以下編解碼器和配置。
- JPEG（ISO / IEC 10918-1），由斯圖加特大學JPEG XT參考軟件代表。編解碼器配置爲444輸入，優化的霍夫曼編碼和Trellis量化器優化。請注意，測試配置調整爲最佳視覺質量，而不是最佳PSNR。此外，JPEG不保證延遲也不保證預算約束。在覈心實驗中，其在該測試中的主要目的是提供anchor。
- JPEG 2000（ISO / IEC 15444-1），具有低延遲配置。在這種特定模式下，每個幀被分成條帶，每個條帶高8個像素，每個條帶獨立編碼。此配置是典型的廣播應用，限制了延遲和帶寬，但不提供理想的碼率/失真性能。特別的，這裏的測試使用的是Accusoft軟件，因爲它有所需的模式。
- VC-2（SMPTE 2042-1-2009 / 2042-2-2009）作爲基於小波的靜止圖像編解碼器，專爲廣播應使用用而開發。VC-2的變體也參與了JPEG內部核心實驗。在這裏配置爲5/3小波（與JPEG-XS相同），具有低延遲，三個小波分解和1×2切片。爲了測試，已經部署了VC-2參考實現。圖像首先升級爲12位，然後轉換爲YCbCr，最後用VC2壓縮。
- Apple ProRes，一種基於DCT的mezzanine codec，也面向廣播市場。 與JPEG類似，它不提供延遲或帶寬約束的編碼，並且僅提供五種單獨的（僅近似的）目標比特率配置。在本文中，我們在所有可用配置中運行ProRes，並測量每種可能組合中的碼率和失真。每個配置在圖中作爲一個點輸入，使其形狀稍微不規則。如果需要，輸入和輸出將轉換爲16位422 YUV，並且在轉換444 RGB中的重建圖像之後始終測量PSNR。
- JPEG-XS，有三個配置：初始配置與初始1.0.0 XSM軟件提供的配置相同，即具有單個垂直和五個水平分解級別的5/3小波，具有水平或垂直預測，符號和重要編碼。這與第一個（1.0）XSM軟件可用的功能相對應。
- JPEG-XS的第二種更高級配置，它增加了諸如第二垂直分解級別和MSB位置的附加高級熵編碼模式（例如基於標記樹的模式）的功能。這對應於XSM版本1.1.3和編碼工具，會在2017年10月的第77次會議上在JPEG-XS的CD階段提供。
- JPEG-XS的第三個版本，不包括任何延遲約束和全幀碼率分配。除此之外，第三個配置與第二個配置相同。
源取自JPEG-XS核心實驗測試集，雖然數據被轉換並縮減爲8-bpp RGB 444用於所有編解碼器，但是可以用JPEG壓縮。對於Apple ProRes，實驗中包含有從444 RGB到422 YUV的依賴於配置的轉換，並且圖中的每個數據點都對應於編解碼器的一共五種可能配置之一。不幸的是，ProRes的碼率控制只能進行非常粗略的調整。在444-RGB空間中一致地測量了PSNR。圖3顯示了此測試中包含的圖像。
選擇包含在測試中的圖像。從左到右，從上到下依次爲：AlexaDrums，一個自然場景。 AppleBaseball：混合自然和屏幕內容，FemaleHorseFly：具有高度紋理化圖像區域的平滑漸變，Hintergrundmusik：高度紋理化的人工內容，Lake：具有平坦區域和高度結構化區域的自然圖像，HuaweiMap：包含渲染街道地圖的屏幕截圖，RichterScreenContent：混合文本和自然圖像的混合光柵內容，以及Tools：來自國際電信聯盟測試集的過度銳化圖像。
圖3. 測試圖像
圖4顯示了圖3中列出的源材料上所有選定編解碼器的碼率-失真性能。此處以PSNR與比特率作圖。請注意，比例因圖像而異，因爲性能取決於源的複雜性。
可用的多個小波濾波器的碼率-失真性能如圖5所示。熵編碼工具僅限於WD1.0中提供的設置，即沒有部署高級編碼技術。然而，小波濾波器在具有兩個而不是一個垂直分解水平的5/3濾波器和具有單個垂直分解水平的13/7濾波器之間變化。碼率分配窗口和碼率分配器預測配置爲儘可能大，同時仍確保延遲不大於32線。特別的，這裏簡單的單級5/3濾波器具有最大的前瞻量，接着是13/7濾波器和兩級5/3濾波器（這是所有濾波器中提供最少前瞻量的）。即使13/7和兩級5/3濾波器的延遲完全相同，後者只允許以四線爲一組進行碼率分配，與單級13/7濾波器不同，導致對兩級濾波器的前瞻量有了額外的限制。
圖4. 所有測試編解碼器的碼率/失真性能
圖5. 各種選擇的小波的碼率/失真性能
討論
根據以上的內容，JPEG-XS與JPEG 2000的低延遲變體相比甚至更優。它在自然和流暢的內容上表現得特別好，儘管基於DCT的方法（如JPEG和Apple ProRes）在複雜內容上具有一定的優勢。但請注意，兩個編解碼器都不包含碼率控制，因此不能滿足與JPEG-XS相同的一組要求。鑑於編解碼器的簡單性，結果非常有前景，並且在與TABLE 3中列出的用例相近的比特率下顯示出更具有競爭力的編碼性能。
將2017年8月工作草案4.1 / XSM版本1.1.2中的最新版JPEG-XS與2016年末的初始版本1.0.0進行比較，結果顯示編碼性能平均提高了約2 dB。這主要歸功於於兩個垂直級別的小波分解，但其他編碼工具（如行程編碼）同樣也有助於提高編碼增益。
諸如“FemaleHorseFly”圖像之類的複雜圖像顯示了延遲約束編碼的侷限性。像JPEG或ProRes這樣的編解碼器在這裏比延遲受限的編解碼器（例如JPEG-XS或用於測試的受約束的JPEG 2000變體）表現得更好。放鬆此約束將會顯著提高編碼性能，這在各種JPEG-XS配置的直接比較中證明了這一點。然而，這裏測試的“全幀”變體超出了JPEG-XS標準的要求。
圖5顯示，對於非常低的比特率，選擇兩級小波分解可以將碼率/失真性能提高多達3dB，這也是在JPEG-XS要求之外的。13/7濾波器的性能介於單級和雙級5/3濾波器之間。 對於符合標準要求的比特率，13/7濾波器大約能達到兩級濾波器的性能，甚至在一種特定情況下-即非常複雜的“Hintergrundmusik”圖像-優於所有其他濾波器。但是，目前還不清楚這種濾波器是否會包含在標準中。
JPEG-XS標準的目標是更加適中的壓縮因子，最高達2：1，這些因素未在本文生成的圖表中顯示。另外，我們也沒有觀察到超過5 bpp後的任何特定變化，並且圖表可以外推超過8 bpp而不改變編解碼器彼此的相對性能。
結論
新的JPEG-XS標準爲mezzanine壓縮編解碼器提供了優化的解決方案，其中探索了設計空間，以便以最小的資源消耗和最低的延遲在針對壓縮因子從2：1到6：1的應用中實現相對高的壓縮質量。根據計劃，JPEG標準將於2018年完成，並且也會在2018年完成第一次實施。
相關鏈接
1. 高吞吐量JPEG 2000（HTJ2K）：新的算法和機會
參考文獻
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