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帧内预测之角度预测

在视频压缩技术的不断发展中，现代视频编码标准（如H.266/VVC）不断地优化帧内预测机制，以提高压缩效率和质量。与HEVC相比，VVC在帧内预测模式上有了显著的增强，引入了新的角度预测模式和改进的预测技巧。这份文档将详细介绍VVC在帧内预测中的创新点，包括新的角度预测模式、MPM列表构建方法、宽角度预测模式以及滤波处理技术。

1. 帧内模式编码（MPM列表的构建）

在VVC中，帧内预测模式的编码采用了与HEVC类似的方法，但细节上有所不同。传统的帧内预测模式有67种（包括Planar、DC以及传统的角度预测模式）。为了减少数据量，编码器会先构建最可能模式列表（MPM），其中包含6个主要预测模式。

• MPM列表构造方法：

  • 如果左边块和上边块不可参考，则默认设置为Planar模式。
  • 如果左边块和上边块均为非角度模式，则MPM列表包含：Planar、DC、V、H、V–4、V+4。
  • 如果左边块和上边块中有一个是角度模式，另一个非角度模式，则基于较大模式构造MPM列表，包含：Planar、Max、Max–1、Max+1、Max–2、Max+2。
  • 如果左边块和上边块均为角度模式且不相等：
    • 如果Max - Min ≤ 62，则包含：Planar、Left、Above、Min+1、Max–1、Min+2。
    • 如果Max - Min = 2，则包含：Planar、Left、Above、Min+1、Min–1、Max+1。
    • 其他情况包含：Planar、Left、Above、Min–1、Min+1、Max–1。
  • 如果左边块和上边块是相同的角度模式，则包含：Planar、Left、Left–1、Left+1、Left–2、Left+2。

• 索引编码：

  • MPM索引的第一个二进制位用于CABAC上下文编码。
  • 需要删除重复模式，确保MPM列表中的模式唯一性。

2. 宽角度预测模式

在VVC中，帧内预测块可以是矩形，这与传统的正方形预测块不同。为了适应矩形块，VVC引入了宽角度预测模式。

• 宽角度预测模式的定义：

  • 宽角度预测模式扩展了传统的角度预测模式，新增了-1到-14以及67到80的模式。
  • 宽角度预测模式与传统角度预测模式共享相同的索引，因此解码端无需额外的转换，模式总数保持不变。

• 宽角度预测模式的应用：

  • 如图所示，宽角度预测模式替换传统角度模式的具体模式数取决于块的宽高比。
  • 表格展示了不同宽高比下的替换情况，例如：
    • W/H == 16：替换模式2至14为宽角度模式67至80。
    • W/H == 8：替换模式2至13为宽角度模式67至78。
    • W/H == 4：替换模式2至11为宽角度模式67至76。
    • 等等。

• 参考像素的处理：

  • 宽角度预测模式需要定制的参考像素，如上图所示。
  • 具体的参考像素选择和处理方法如上表所示。

3. 四抽头插值滤波器和参考像素的平滑

在HEVC中，角度预测模式使用两抽头线性插值滤波器。VVC对此进行了改进，采用四抽头插值滤波器，提高预测精度。

• 滤波器类型：

  • 角度预测模式分为三类：
    • A. 垂直或水平模式（HOR_IDX、VER_IDX）：不进行滤波处理，直接使用参考像素。
    • B. 非分数角度模式（如-14、-12、-10、-6、2、34、66、72、76、78、80）和Planar模式：
      • 若满足特定条件（如refIdx=0、TU尺寸大于等于32、亮度块无ISP处理等），则使用[1 2 1]滤波器进行低通滤波。
    • C. 其他模式：在MRL索引=0且当前块不是ISP块时，使用插值滤波器生成分数位置和整数位置的参考像素。
      • 插值滤波器根据不同的nTbS值（如2、3、4、5、6、7）选择DCTIF或SIF滤波器。

• 插值滤波器设置：

  • minDistVerHor为相邻模式距离的最小值。
  • nTbS为 лог2(W) + log2(H)。根据表格中的阈值选择滤波器类型：
    • 如表所示，当minDistVerHor超过阈值时，使用SIF滤波器，否则使用DCTIF滤波器。

通过以上机制，VVC在帧内预测中不仅增加了预测模式的数量，还通过滤波器优化提升了预测精度，为视频编码提供了更强的灵活性和效率。

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