《現代電影技術》｜崔強：基于HTJ2K算法和國產GPU實現的數字電影圖像編解碼技術研究

本文刊發于《現代電影技術》2025年第11期

專家點評

近年來，基于圖像高分辨率、高幀率（HFR）、高動態范圍（HDR）、廣色域（WCG）、沉浸式音頻等新興視聽技術的高新技術格式電影發展迅猛，顯著提升了電影的技術品質、視聽體驗和產業效益，但其高圖像碼率和高數據量對攝制發行放映也提出了很高要求，迫切需要采用更加高效可行的圖像壓縮編碼技術來應對上述需求。圖像壓縮編碼是數字電影技術系統的基石，數字電影自誕生以來就采用JPEG 2000核心編碼系統（ISO/IEC 15444-1）進行圖像壓縮編碼。HTJ2K（高吞吐量JPEG 2000，ISO/IEC 15444-15）算法由ISO/IEC下設的聯合圖像專家組（JPEG）于2019年推出，其通過采用FBCOT塊編碼算法替代EBCOT塊編碼算法，顯著降低計算復雜度，大幅提高解碼速度和系統吞吐量。特別是在處理碼率高于500 Mbps圖像時，HTJ2K的技術優勢愈加明顯，相對于JPEG 2000，其解碼速度提升可超過30倍，從而為高新技術格式電影的發展與應用提供了一種高效可行的圖像編解碼解決方案。《基于HTJ2K算法和國產GPU實現的數字電影圖像編解碼技術研究》一文，詳盡闡述了HTJ2K的算法原理、關鍵技術及其在電影行業應用的技術優勢，提出了基于HTJ2K算法和國產GPU實現的數字電影圖像編解碼方法，通過采用CPU/GPU異構協同計算架構和并行算法設計，并在摩爾線程S4000 GPU和MUSA編程框架下完成實證分析。本文的研究成果為采用HTJ2K算法和國產GPU用于電影制作發行放映提供了技術驗證，也為電影核心裝備的國產化研制提供了借鑒參考。可以預見，未來隨著國家科技自立自強戰略的大力實施和積極推進，基于國產芯片器件、自研技術和核心軟硬件系統的電影科技自主可控生態體系將愈加成熟完善。

——徐濤

正高級工程師

中國電影科學技術研究所

（中央宣傳部電影技術質量檢測所）副所長

【項目信息】中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）基本科研業務費項目“在國產GPU上實現高吞吐量JPEG2000的數字電影序列幀編解碼”（2024?DKS?6）。

作 者 簡 介

崔 強

文強

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）高級工程師，主要研究方向：數字電影、軟件工程、圖像處理、數字媒體技術。

摘要

為滿足數字電影對高分辨率、高幀率、高動態范圍等技術的發展需求，解決傳統JPEG 2000解碼速度慢、難以適配國產設備的問題，本文通過算法優化與軟硬件協同設計，基于國產GPU及MUSA編程框架，提出了基于CPU/GPU異構協同計算架構的數字電影高吞吐量JPEG 2000（HTJ2K）編解碼方案，通過離散小波變換（DWT）、量化/反量化及FBCOT算法編解碼的并行化實現，結合共享內存優化與數據布局調整，在嚴格遵循DCI規范的基礎上，實現了2K/4K/8K分辨率圖像的高效處理。該成果為國產數字電影設備提供了低成本、高效率的圖像編解碼解決方案，有助于打破國外技術壟斷，推動國產LED顯示與4K/8K標準的自主發展，對實現中國電影行業全鏈路技術自主可控具有較大應用價值。

關鍵詞

HTJ2K；GPU；數字電影；JPEG 2000

1引言

當前，圖像數據的產生和傳輸呈爆發式增長，無論是在醫學影像、衛星遙感圖像，還是在高清視頻監控、數字圖書館等領域，都需采用高效的圖像壓縮技術，以減少數據存儲和傳輸成本。JPEG 2000（J2K）憑借其優越的壓縮性能，被廣泛應用于諸多領域。然而，由于J2K算法計算復雜度較高，難以滿足高吞吐量的要求。2019年，聯合圖像專家組（JPEG）推出了高吞吐量JPEG 2000（High?Throughput JPEG 2000, HTJ2K）壓縮技術，以略微降低編碼效率為代價，將J2K的解碼速度提高至少10倍。HTJ2K是JPEG 2000標準的第15部分（Rec.ITU-T T.814 | ISO/IEC 15444-15），其不僅保留了J2K原有的功能和特點，而且比傳統J2K更快、更高效。

本文聚焦數字電影領域對高分辨率（HR）、高幀率（HFR）、高動態范圍（HDR）、廣色域（WCG）內容的處理需求，針對傳統J2K在解碼速度與國產設備適配性上的不足，展開基于國產硬件與算法優化的研究，在摩爾線程S4000國產圖形處理器（GPU）及元計算統一系統架構（MUSA）編程框架下，構建異構協同計算架構，實現基于HTJ2K算法的編解碼。

2電影行業應用HTJ2K的技術優勢

為給觀眾帶來更加極致、更具沉浸感的視聽體驗，電影行業不斷推動高分辨率、高幀率、廣色域等一系列全新技術方案的應用與演進。在這些新技術方案的背景下，J2K編解碼運算量較大的劣勢逐漸凸顯，難以滿足電影未來的發展需求。

2.1 HTJ2K支持更高技術格式的電影圖像編解碼

近年來，應用圖像高分辨率、高幀率、高動態范圍、廣色域等新興視聽技術的高新技術格式電影成為現代電影技術發展的新趨勢新特點。高分辨率意味著畫面包含更多像素，能夠提升畫面清晰度與細節表現；高幀率技術能夠提升畫面的流暢度和真實感，有效減少快速運動中的模糊和卡頓，使動作清晰平滑；高動態范圍則極大地增強了畫面的對比度、層次感和立體感，能同時展現高光和暗部的豐富細節，使視覺效果更接近人眼所見；而廣色域通過顯著增加可顯示的色彩數量和色階，使畫面色彩更加豐富、鮮艷、真實，過渡自然，從而更精準地還原電影創作者的色彩意圖。高幀率、高動態范圍和廣色域等技術在電影中的綜合應用，給電影圖像編解碼帶來了數據量的幾何級增長和編解碼復雜度的大幅提升，對數據存儲和網絡傳輸帶寬構成巨大壓力。同時，由于需要處理更精細的畫面信息，編解碼器在進行幀內預測和運動補償時涉及更復雜的算法，顯著提高了編解碼的計算要求和處理時間。

例如，李安執導的《比利·林恩的中場戰事》采用120 FPS、4K和 3D 格式進行拍攝和制作，超高技術規格為觀眾帶來了極致的清晰度、流暢性和超強的真實沉浸感。然而，相較于標準的24 FPS電影，其產生的數據量約是標準影片的10倍[1]。為適應電影高新技術格式的發展趨勢，電影行業亟需更高效率的新一代圖像編解碼技術實現海量電影數據的高效處理。在相同的硬件條件下，HTJ2K解碼速度較J2K提升5~30倍[2]，且輸入碼流越大，速率提升越明顯。同時，HTJ2K算法中定義了新的文件格式JPH，該文件格式提供了高樣本精度以支持高動態范圍，而J2K幾乎局限于8 bit位深。

2.2 終端解碼可免費使用HTJ2K

VVC、MPEG-4等其他視頻編解碼標準需繳納授權費才可使用。例如，在使用MPEG-4標準時，編碼與解碼環節均需支付授權費，硬件設備通常按0.25~0.50美元/臺收取費用，軟件按拷貝數量收取0.25~0.50美元/份[3]。而當前J2K的專利主要聚焦于編碼器實現，而解碼器的專利覆蓋范疇相對較窄。HTJ2K作為J2K國際標準系列中的一員，在實際應用中無需支付費用，能顯著降低技術應用門檻，減少企業和用戶的成本負擔，從而加速技術的推廣和普及。對于國產化而言，無專利費用可避免因專利授權問題導致的成本增加，使國產設備制造商能以更具競爭力的價格推出產品，有利于國產技術和設備的自主研發，實現相關領域技術的自主可控。

2.3 HTJ2K算法完全兼容現有電影工作流程

應用HTJ2K算法不會改變電影原工作流程，只需用HTJ2K編解碼器替換原J2K編解碼器即可。目前已經有國際標準化組織（ISO）和電影電視工程師協會（SMPTE）發布的相關標準引入對HTJ2K的支持，具體包括：

（1）SMPTE ST 422:2019《素材交換格式—將JPEG 2000碼流映射到MXF 通用容器中》（

Material Exchange Format—Mapping JPEG 2000 Codestreams into the MXF Generic Container

）。該標準旨在把J2K碼流映射至素材交換格式（MXF）通用容器（Generic Container）內。因HTJ2K是對原始J2K Part 1（J2K-1）的加強與替代，所以其和J2K-1碼流結構高度兼容，這使其能夠很大程度上“透明地”適配SMPTE ST 422最初為J2K-1所定義的MXF映射。

（2）SMPTE ST 428-24《數字電影發行母版—打包圖像》（

D?Cinema Distribution Master—Packed Image

），于2024年7月發布。該標準屬于數字電影發行母版（DCDM）系列標準的組成部分，其明確了DCDM圖像映射至數學無損（Mathematically Lossless）J2K碼流的方式，此類碼流被命名為Packed Image。HTJ2K作為J2K標準的構成部分，其編碼器在無損模式下生成的碼流，外部結構遵循SMPTE ST 428-24的規定，可充當DCDM Packed Image 的有效載荷。

（3）SMPTE ST 2067-40:2021《互操作母版格式—應用規范#4: 影院中間格式》（

Interoperable Master Format—Application #4: Cinema Mezzanine

）。該標準已更新，在使用 ISO/IEC 15444-15的無損模式時，明確要求編碼器必須使用HTJ2K的高吞吐量（HT）塊編碼器生成數學無損的J2K碼流。

（4）SMPTE ST 2067-21《互操作母版格式—應用規范#2E：工作室母版》（

Interoperable Master Format—Application #2E: Studio Master

）明確引入了對HTJ2K編碼的支持。使用 SMPTE ST 2067-21能更高效地處理和交換用于工作室母版的 4K/8K、高動態范圍內容，從而顯著加快互操作母版格式（IMF）文件的生成、質量控制（QC）和分發工作流程。該標準允許使用 HTJ2K 編碼來創建或交換用于特輯和連續劇的工作室母版；在最新的修訂版（SMPTE ST 2067-21 5ED）中，該標準正在進一步增加對8K分辨率的支持，并完善了HTJ2K碼流的約束文檔，以適應更高的技術規格要求。

2.4 采用HTJ2K算法有助于管理電影資產

從2005年數字電影倡導組織（DCI）提出《數字電影系統規范》（

Digital Cinema System Specification

, DCSS） 1.0版開始，數字電影的存檔便采用J2K對圖像內容進行編碼。為解決數字電影存檔問題，HTJ2K算法在設計之初就考慮了相應解決方案，能夠實現J2K和HTJ2K圖像內容的互相轉換。HTJ2K引入了HT塊編碼算法，通過其可逆轉碼的核心特性，解決了電影資產管理中的效率與功能平衡問題。該機制允許將存儲在J2K-1格式（例如IMF規范中使用的格式）中的現有電影資產無損轉碼為HTJ2K格式進行存儲和分發，從而使解碼和處理的吞吐量顯著提高，大幅降低了計算負載和能源消耗。盡管HTJ2K為提高編解碼速率犧牲了J2K-1完整的質量可伸縮性功能，但其能夠無損地逆轉碼回J2K-1格式，從而在需要時完全恢復原始代碼流的所有質量分層、剖面和豐富功能（如互動瀏覽或舊系統兼容性）。這種雙向無損轉換確保了資產的數據完整性和互操作性，允許電影行業自由選擇最適合當前任務的格式。

3HTJ2K算法原理概述

3.1 總體流程

HTJ2K 作為J2K的一部分，在編解碼流程上和J2K基本相同。HTJ2K 圖像編碼過程主要包括預處理、變換編碼、量化、快速最優截斷編碼（Fast Block ? based Coding with Optimal Truncation, FBCOT）算法編碼等步驟。首先，對輸入圖像進行預處理，如顏色空間轉換和直流分量（DC）電平位移。然后，通過離散小波變換將圖像分解成不同頻率子帶。之后，對變換系數進行量化，降低數據精度以達到編碼目的。最后，使用基于塊的FBCOT算法進行編碼，進一步提高壓縮比。解碼過程則是編碼過程的逆操作。圖1顯示了HTJ2K編解碼所涉及的流程。

圖 1　HTJ2K編解碼流程圖

3.2 關鍵技術

HTJ2K的關鍵技術主要體現在解碼速度和高吞吐量兩方面，采用基于塊的FBCOT算法替代了J2K使用的優化截斷嵌入式塊編碼（Embedded Block Coding with Optimized Truncation, EBCOT）算法，FBCOT算法在圖像完成J2K第1部分或第2部分定義的多分量變換、非線性點變換、可逆或不可逆的離散小波變換處理后，針對生成HT塊編碼過程中產生的清理通道（Cleanup）、顯著性傳播通道（SigProp）和幅值細化通道（MagRef）采用優化快速選擇操作，顯著提高解碼速度[4]。圖2以三種顏色清晰標示了編碼過程的三個核心通道：首先執行的清理通道、緊隨其后的顯著性傳播通道以及最終的幅值細化通道。圖中顯示，HTJ2K編碼技術與傳統的J2K編碼技術在處理流程上完全一致。兩者的根本區別在于其內部實現：HTJ2K并非改變了流程結構，而是通過采用全新的高速熵編碼核心替代了J2K中基于算術編碼的復雜瓶頸，從而在保持相同壓縮效率的同時，實現了編碼速度數量級的提升。

圖 2　FBCOT與EBCOT算法對比

4基于國產GPU的HTJ2K實現

本文提出基于HTJ2K算法和國產GPU的2K、4K、8K分辨率的數字電影序列幀TIFF文件無損編解碼方法。國產芯片采用摩爾線程MTT S4000 GPU，基于第三代MUSA內核架構，配備了Tensor核心，單卡支持48 GB顯存和768 GB/s的顯存帶寬。MUSA是摩爾線程推出的GPU編程框架[5]，該架構提供了豐富的編程接口和工具，使開發者可方便地利用GPU的并行處理能力執行多種計算任務。在HTJ2K的實現中，使用MUSA架構內核函數，將HTJ2K的編解碼算法并行化，從而提高了數據處理能力，其核心技術包括異構協同計算架構和并行算法設計兩方面。

4.1 異構協同計算架構

本文方法通過異構協同計算架構（圖3），將CPU與GPU的優勢充分結合，實現了計算資源的優化配置。在中央處理器主機端（CPU Host），軟件負責用戶交互、任務調度及數據預處理等關鍵環節；而在圖形處理器設備端（GPU Device），則依托GPU強大的并行計算能力，完成圖像編解碼的核心計算任務[6]。這種分工明確的處理流程，不僅提高了編解碼效率，還確保了系統的穩定性和可靠性。同時，異構協同計算架構還具有良好的擴展性和靈活性，可便捷適配不同類型的國產GPU，為未來的軟件升級和功能擴展提供了有力支持。

圖 3　異構協同計算架構

本文開發的HTJ2K編解碼控制軟件（圖4），作為異構協同計算架構中的CPU Host處理流程，主要承擔用戶交互、任務調度及數據預處理等核心功能。本軟件采用模塊化設計，主要包括圖形用戶界面層（基于GTK3構建用戶界面并處理交互）、業務邏輯層（作為圖形用戶界面與核心庫間的橋梁，負責文件輸入和輸出、參數轉換、線程及日志管理）、核心編解碼層（調用摩爾線程庫執行實際編解碼計算）、GPU監控層（通過libmtml獲取硬件狀態）及圖像工具層（封裝TIFF等圖像數據的讀寫與內存管理功能）。核心編解碼層是作為異構協同計算架構中的GPU，其則專注于執行計算密集型的并行任務，該層主要承擔HTJ2K編解碼的核心計算工作，通過MTJPEG2K庫實現高效的數據編解碼。

圖 4　HTJ2K編解碼控制軟件界面

4.2 并行算法設計

在HTJ2K的編碼和解碼過程中，涉及大量的數學運算，如離散小波變換、分塊 (Tile)并行處理等。GPU的并行處理能力可顯著提高這些運算的速度，從而提高HTJ2K編解碼的速度[7]。

離散小波變換需將圖像劃分為多個尺寸適宜的分塊。在DCI規范中，對J2K碼流的分塊劃分和編碼風格有明確要求，代碼塊（Code Block）為32×32[8]，以優化編碼效率[7]。每個分塊獨立進行離散小波變換，利用GPU強大的線程并行性，為每一分塊分配一組線程。在 GPU 的線程管理體系中[9]，線程束（Warp）是重要的執行單元。在處理圖像時，可將一個分塊劃分為多個并行任務（Parallel Task）塊，每一并行任務塊分配一個線程束進行并行計算[10]。

由于編解碼的計算依賴于符號的上下文信息，并行化難度較大。本文采用流水線并行的創新方式，將圖像劃分為多個條帶，每個條帶獨立進行編解碼[11]。在GPU上，不同條帶的編解碼任務可并行執行。為減少上下文信息傳遞的開銷，通過合理的緩存機制[12]，為每個條帶設置獨立的上下文信息緩存。在編解碼過程中，線程優先從緩存中讀取上下文信息進行概率估計和編碼操作[13]。當緩存中的信息過時或不足時，再從全局內存中更新緩存。這樣可有效減少對全局內存的頻繁訪問，提高編解碼的并行效率[14]。同時，通過對條帶的合理劃分，確保不同條帶的編解碼任務能夠在GPU的各計算核心上均衡分配[15]，避免出現計算資源閑置或過載的情況，進一步提升整體編碼速度[16—18]。

5實驗對比分析

5.1 實驗環境和實驗設計

實驗平臺選型為摩爾線程的D800服務器、S4000 GPU。CPU采用Intel? Xeon? Gold 6430處理器，擁有32個核心，運行Ubuntu 22.04操作系統。在該平臺上部署自行開發的HTJ2K編解碼控制軟件，并從JPEG官網下載HTJ2K 的源代碼，編譯完成后可生成OpenJPH[19]軟件。

實驗采用黑盒測試方法，對軟件的編碼和解碼功能進行逐一驗證，確保編解碼功能的正確性。測試分為功能測試和性能測試2個部分。功能測試使用HTJ2K編解碼控制軟件和OpenJPH軟件完成2K、4K、8K分辨率的TIFF文件編碼后，分別解碼對方軟件編碼后的文件，以驗證功能的正確性。性能測試使用2K、4K、8K分辨率的TIFF文件，使用HTJ2K編解碼控制軟件和OpenJPH軟件分別進行編碼和解碼，并記錄時間對比分析。

5.2 實驗結果與分析

實驗結果表明，HTJ2K編解碼控制軟件和OpenJPH軟件可互相解碼對方的編碼軟件，證明HTJ2K編解碼控制軟件的編解碼功能符合HTJ2K算法。

實驗數據表明，在處理從2K到8K不同分辨率的16 bit 4∶4∶4無損壓縮圖像時，GPU在編碼和解碼兩個環節均展現出遠勝于CPU的性能效率。具體來看，在2K分辨率下，GPU的編碼用時（0.069 s）較CPU（0.154 s）縮短了超過一半，而其解碼用時（0.026 s）更是呈現出數量級的領先優勢；當分辨率升至4K時，GPU的編碼與解碼用時（0.249 s）均為CPU（0.729 s）的約34%，性能提升接近3倍；最終，在負載最重的8K分辨率下，GPU的處理用時（1.050 s）穩定地維持在CPU用時（2.136 s）的一半以下，將其性能優勢擴大到約兩倍。這一趨勢有力地證實，GPU憑借其強大的并行計算能力，不僅能顯著加速圖像處理流程，而且尤其擅長應對高分辨率數據帶來的巨大計算挑戰，是高效處理高性能圖像編碼與解碼任務的理想選擇。

6結語

本文以國產GPU為硬件基礎，結合HTJ2K算法構建電影編解碼解決方案，為電影放映技術路徑提供了新的替代方案[20]。憑借全球第一的電影市場體量、日趨完善的產業鏈基礎與持續旺盛的觀影需求，未來全力發展國產4K/8K數字電影播放系統，或將成為我國實現電影放映設備全面自主可控的發展機遇。這不僅關乎產業升級，更關乎國家在關鍵文化裝備領域的戰略安全。

在技術儲備層面，一批國內企業已在GPU等核心芯片環節取得實質性突破，逐步填補自主產業鏈的空白。例如，龍芯中科技術股份有限公司依托自主指令系統，持續優化其集成GPU的渲染效能；海思半導體有限公司在高端視頻編解碼芯片領域技術積累深厚；上海兆芯集成電路股份有限公司則擁有x86架構下的GPU研發能力；航錦科技股份有限公司與摩爾線程智能科技（北京）股份有限公司等新興力量，也分別在專用與全功能GPU領域加速布局。這些核心芯片技術的進步，與我國已在全球確立產業優勢的LED顯示技術（從材料、面板到整機）相結合，共同為構建從“芯”到“屏”的全鏈路、自主知識產權國產電影放映系統奠定了堅實基礎。

尤為關鍵的是，當前主導全球數字影院建設的DCI規范，其標準仍主要圍繞2K/4K分辨率構建，對下一代8K放映并未形成明確指引，這一“標準空窗期”，恰恰為我國提供了實現彎道超車的戰略機遇。這不僅能徹底打破國外技術在放映設備領域的長期壟斷，更將助力中國在全球范圍內率先實現8K電影放映系統從無到有的體系化突破，在新一代電影技術的全球格局中牢牢占據主導地位。

參考文獻

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