En quoi la technologie JPEG XS est-elle différente des autres codecs ? 

11.03.20 15:46 Par Julie

Article updated in July 2021

Parlons un peu avec notre expert en technologie de compression, Antonin Descampe !

Antonin Descampe is co-founder of intoPIX and member of the JPEG committee since 2005. He will explain how the JPEG XS technology differs from other codecs & what are the advantages of JPEG XS compared to other existing codecs.

What is JPEG XS and how does it differ from JPEG 2000, Motion JPEG and various MPEG standards ?

        

The main difference between JPEG XS and existing codecs from JPEG, MPEG or other standardization Committees is that compression efficiency is not the main target. Whereas other codecs primarily focus on their compression efficiency, disregarding latency 

ou la complexité, JPEG XS répond à la question suivante : "Comment pouvons-nous finalement remplacer la vidéo non compressée ?". L'objectif du JPEG XS 

est donc de permettre l'augmentation des résolutions, des fréquences d'images et du nombre de flux, tout en préservant tous les avantages d'un flux non compressé, à savoir l'interopérabilité, la qualité visuelle sans perte, la robustesse multigénérationnelle, la faible consommation d'énergie, la faible latence dans l'encodage et le décodage, la facilité d'implémenter, la petite taille sur puce (pas de DDR supplémentaire) et la rapidité du logiciel fonctionnant sur les réseaux généraux CPU et GPU.


Aucun autre codec ne remplit simultanément cet ensemble d'exigences strictes. Il peut ainsi "rivaliser" avec le non compressé dans tous ses aspects et

réduire considérablement la bande passante / les données vidéo.

How can we ultimately replace uncompressed video?

What sort of compression will be reasonable with JPEG XS and what are the compression choices for a 8K video with JPEG XS ?

 

In a nutshell, we can say that the typical operating points for visually lossless quality with JPEG XS are around 10:1. 

Cependant, il est important de tenir compte de la résolution et du type de contenu pour déterminer un taux de compression maximal. Par exemple, le contenu naturel atteint généralement des taux de compression plus élevés pour un niveau de qualité donné. 

En outre, "qualité sans perte visuelle" peut également signifier différents niveaux de qualité. Au cours de son développement, JPEG XS a été testé par rapport aux procédures d'évaluation de la qualité les plus strictes (ISO/IEC 29170-2, "Procédure d'évaluation pour le codage sans perte visuelle"), à la recherche du seuil garantissant un "scintillement indiscernable" entre l'image originale et l'image compressée - une mesure souvent appelée "transparence visuelle".

Sur la base de nos tests, incluant différents types de contenu (contenu d'écran, images générées par ordinateur (CGI) et images naturelles), nous avons défini le tableau suivant. Le débit binaire compressé le plus faible du tableau définit des cas d'utilisation jouant avec le contenu naturel, tandis que le débit binaire supérieur définit des cas de contenu ou d'utilisation plus complexes nécessitant une transparence visuelle totale.

 

Formats XS Bitrates Réseau IP & Cartographie SDI
HD 720p60
HD 1080i60/p30
 70 - 195 Mbps5 to 14 streams over 1GbE  
50 to 140 streams over 10 GbE
 HD 1080p60 150 - 390 Mbps 2 to 6 streams over 1GbE 
25 to 66 streams over 10 GbE
4K 2160p30
 250 Mbps - 750 Mbps 1 to 4 streams over 1 GbE
3 to 10 streams over 2.5 GbE
13 to 40 streams over 10 GbE
 4K 2160p60 500 Mbps - 1,4 Gbps1 to 2 streams over 1 GbE
 1 to 5 streams over 2.5 GbE
7 to 20 streams over 10 GbE
Single 3G-SDI / single HD-SDI
8K 4320p60 2 Gbps - 5,6 Gbps1 stream over 2.5 GbE
 1 to 5 streams over 10 GbE
Single 3G-SDI / single 6G-SDI / single 12G-SDI
8K 4320p120 4 Gbps - 12,8 Gbps 1 to 2 streams over 10 GbE
single 6G-SDI / single 12G-SDI

Le JPEG XS est spécifiquement destiné aux applications vidéo haut de gamme, telles que la diffusion, la contribution à la diffusion, les applications de réalité virtuelle, etc. Pourquoi JPEG XS et non H.264 ou H.265 ?

Video applications like broadcasting, broadcast contribution, virtual reality applications, … require features that MPEG-4 AVC / H.264 or HEVC / H.265 do not offer. 

Le JPEG XS aune complexité beaucoup plus faibleque n'importe quel codec inter-trames comme ceux du MPEG. Cela conduit à une implémentation beaucoup moins chère, à une petite empreinte FPGA et il n'est pas nécessaire de stocker les trames dans un DDR supplémentaire.. Il présente également une complexité plus équilibrée entre l'encodeur et le décodeur, ce qui le rend plus adapté aux environnements où vous disposez du même nombre d'encodeurs et de décodeurs. Les encodeurs MPEG-4 AVC / H.264 sont beaucoup plus complexes que le décodeur.

Il y a également une énorme différence en termes de consommation d'énergie. Le MPEG-4 AVC / H.264 et le HEVC / H.265 nécessitent beaucoup de mémoire en raison de leur schéma inter-trames / GOP. Ils ne seraient donc jamais utilisés pour réduire la consommation d'énergie/interfaces dans un appareil électronique, car ils sont très complexes et consomment déjà beaucoup d'énergie par eux-mêmes. Le JPEG XS ne nécessite pas une telle mémoire puisqu'il s'agit d'une technologie de compression basée sur la ligne. 


In terms of latency, using MPEG-4 AVC / H.264 and HEVC / H.265 in a live production workflow with multiple encoding & decoding steps would lead to a compiled latency of many seconds. JPEG XS has a microsecond-latency and can thus be run throughout a whole live production workflow without even inducing the latency of a single MPEG-4 AVC / H.264 encoding-decoding step. Even though we need H.265 for the last mile to distribute it to the consumers, we try to avoid any additional latency in the production workflow before distribution. Aside broadcast, applications that JPEG XS targets need real-time transmission, such as autonomous driving systems, KVM extension, VR/AR gear, … A delay of > 100 milliseconds would make these applications unusable (or in case of an autonomous car even lead to a crash). JPEG XS stays well below this measure at < 1 millisecond for combined encoding and decoding. 

En fait, le JPEG XS ne vise pas seulement les applications vidéo haut de gamme, mais convient partout où la vidéo non compressée est actuellement utilisée et doit maintenir des niveaux de qualité élevés, tout en voulant gagner en efficacité - et qui ne voudrait pas cela ? Par conséquent, l'accent est également mis sur l'électronique grand public comme les appareils mobiles, les voitures, les téléviseurs et autres écrans, etc. 


What is the status of the JPEG XS standardization process ?*

Concerning the status of the standardization process itself, JPEG XS consists of 5 parts which all have published first editions.

While Part-1 (Core coding system) relates to the actual compression algorithm, Part-2 (Profiles and buffer models) defines several profiles that can be seen as operating points suited for particular applications or content type. In Part-3 (Transport and container formats) and in other standardization activities, various file formats and transport formats are specified, allowing to store or stream one or several JPEG XS code streams (see table hereunder). Part-4 (Conformance testing) and Part-5 (Reference software) handle everything related to conformance testing and reference software to support and guide implementers with developing compliant JPEG XS products.

Since the publication of the first editions of the JPEG XS standards, the focus of the JPEG Committee went into further enhancing and improving XS to support new features and use cases. Most notably is the development of new coding tools dedicated to compression of Color Filter Array (CFA) data, mostly known as Bayer patterns. These new tools will make JPEG XS even more suited for use cases involving image sensor data compression, like the ones found in the automotive industry or in professional cameras. And, in addition, new profiles are provided to support 4:2:0 chroma sampling and mathematically lossless compression. Initially, these new developments were planned as amendments to Part-1 and Part-2, however this decision was changed in favor of going for a complete second edition of JPEG XS (all five parts).

 

Outre ce processus, il existe plusieurs liaisons en cours entre les organismes de normalisation et les organisations industrielles telles que AIMS, VSF, SMPTE, TICO Alliance, IETF, etc. Lors du dernier IP Showcase au NAB, il y a eu une présentation sur le JPEG XS dans le ST2110-22. Plusieurs fournisseurs de services de diffusion travaillent déjà à la mise en œuvre dans leurs prochains produits.

 ARTICLESDESCRIPTIONS  SITUATION ACTUELLE LES DATES DE PUBLICATION PRÉVUES
 ISO/CEI 21122-1 Partie 1 : Système de codage de basePublié  1st edition published in 2019
2nd edition in Q4 2021
 ISO/CEI 21122-2 Partie 2 : Profils et modèles de tamponsPublié 1st edition published in 2019
2nd edition in Q1 2022
 ISO/CEI 21122-3 Partie 3 : Formats de transport et de conteneursPublié  1st edition published in 2019
2nd edition in Q4 2020
 ISO/CEI 21122-4 Partie 4 : Tests de conformitéPublié

 1st edition published in 2020

2nd edition in Q1 2022
 ISO/CEI 21122-5 Partie 5 : Logiciel de référence Publié

1st edition published in 2020

2nd edition in Q1 2022

 ISO/CEI 21122-1:2019/AMD1 Amendement 1, partie 1 : capacités étendues pour le JPEG XSCanceled in favor of 2nd edition N/A
 ISO/IEC 21122-2:2019/AMD1 Amendement 1 , partie 2: Extension des profilsCanceled in favor of 2nd edition N/A
 IETF RFC JPEG -XS RTPJPEG -XS RTP payload Draft formally adopted by IETF payload WG Q4 2020
 SMPTE 2110-22 Compressed essence in ST 2110PubliéPublié
 ISO/IEC 13818-1:2019/AMD1 Encapsuleur MPEG-2 Transport Stream (TS) pour JPEG XSPubliéPublié
 SMPTE ST 2124 Wrapper MXF pour JPEG XS Projet final en cours de révision Q3 2020
 VSF TR-07Technical recommendation on JPEG XS over MPEG-2 TS Projet final en cours de révision Q4 2021 
 VSF TR-08Technical recommendation on JPEG XS over SMPTE ST 2110  Projet final en cours de révision QA 2021

* Dates and schedule updated in July 2021


We hope this will have given you a better understanding of the JPEG XS technology and its advantages against other codecs. Please feel free to contact us if you want more information about the JPEG XS technology, we would be happy to talk about it with you !

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