H.266/VVC 关键帧内预测技术

在 VVC 中，帧内预测过程分为三个步骤：首先，从当前 CU 左侧和上方相 邻块获取参考像素，并对获取的参考像素值进行平滑滤波。其次，基于参考像素 预测得到当前 CU 像素值。最后为了提高预测像素值的精度，平滑滤波得到的预 测 CU 边界。

（1）更多样的角度模式

在 H.266/VVC 中，为了能充分捕捉视频中呈现的精细边缘方向以提高视频 压缩效果，将 H.265/HEVC 编码中已有的 35 个角度方向细分增加到了 65 个，并 保留了 Planar 模式及 DC 模式，如图 2-2 所示，红色箭头方向为 H.266/VVC 新 增的角度方向，所有 CU 大小的帧内亮度预测和帧内色度预测都可以使用如图 2-2 所示的帧内预测模式。

由于帧内角度预测模式数量的增加，并考虑了相邻两个帧内模式可用的基础 上，为了使得最有可能的模式(Most probable modes，MPMs)生成的列表复杂度低， 将 MPMs 的数量增加到了 6 个。在 H.266/VVC 中，由默认帧内预测模式、相 邻 CU 帧内预测模式及导出的帧内预测模式三个方面构建 MPMs 列表。

通过参考左侧和上方相邻 CU 的帧内模式来构造 MPMs 列表，如图 所 示，其中 A 代表左下方相邻的已编码块模式，B 代表左侧相邻的已编码块模式， C 代表左上方相邻的已编码块模式，D 代表上方相邻的已编码块模式，E 代表右 上方相邻的已编码块模式，则统一的 MPMs 列表的构造如下：

1）没有相邻块时，默认 Planar 模式。

2）左侧和上方都是非角度模式，MPMs 列表为｛Planar，DC，垂直（50）， 水平（18），垂直?4，垂直+4｝。

3）左侧和上方其中一个为角度模式，另一个为非角度模式，设置左侧和上 方中模式最大的为 Max，MPMs 列表为｛Planar，Max，DC，Max-1，Max+1， Max-2｝。

4）左侧相邻已编码块和上方相邻已编码块都为角度模式。设置左侧和上方 模式最大的为 Max1，Max2，如果两者差值在 2~62 之间，其 MPMs 列表为｛Planar， B，D，DC，Max1-1，Max1+1｝。反之，MPMs 列表为｛Planar，B，D，DC，Max1- 2，Max1+2｝

5）如果都为角度模式且相同，MPMs 列表为｛Planar，B，B-1，B+1，DC， B-2｝。

在生成 MPMs 列表的过程中，通过不断删除重复的模式，保证只有唯一的 模式可以被包含在 MPMs 列表中。

因为 H.266/VVC 采用了四叉树划分、二叉树划分及三叉树划分的多类型树 划分结构，所以 CU 形状可能为正方形或矩形。但是由于传统的帧内角度预测方 向的范围为 45 度到负 135 度，而为了使得多叉树划分产生的非正方形块支持 65 种角度预测方向，在 H.266/VVC 中提出了广角预测模式以使帧内预测方向能够 超出传统的帧内预测方向的范围。广角帧内预测示例如图 2-4 所示，定义了 长度为 2W+1 的上部参考像素，以及长度为 2H+1 的左侧参考像素。通过广角帧 内预测，自动地替换掉了部分传统的帧内角度预测模式，保证帧内预测模式总数 量不变，并且保持原有的帧内模式编码方式，如图 所示，黑色虚线箭头为新 增的宽角度模式的方向。

在广角帧内预测模式下，通过当前块的宽高比来决定哪些传统的帧内预测模 式被替代成广角模式。如表 所示，当宽高之比等于 2 时，模式 2，3，4，5， 6，7 将自适应地替换为 67，68，69，70，71，72 模式。被改变的模式使用未变 前的模式序号发送至编码器，在解码器解码后将其重新变为广角模式。

在广角帧内预测下，两个垂直相邻的预测像素点可以使用两 个不相邻的参考像素点。为了减少像素样本间隙 Δpα 增大带来的负面影响，使用 了低通参考样本滤波和边缘平滑技术减小影响。

（2）位置决定的帧内预测组合

为了使预测像素值与相邻的重构参考像素值之间的边界平滑，并通过对定向 预测像素值提供平面效应来完善预测像素值，在 H.266/VVC 中提出了位置决定 的帧内预测组合技术。根据像素点位置，PDPC 将未滤波的参考像素值和滤波 后的参考线像素预测生成的预测像素值进行线性组合，并参考该线性组合得到当前块的预测像素值。在一般情况下，同一帧图像中像素之间的间隔距离越小，意 味着像素之间存在极强的相关性，通过上述规律，在 PDPC 中将相邻 CU 的参考 像素与当前 CU 的待预测像素之间的间隔距离设为权重，距离离得越近，计算出 来的权重越大，反之，参考像素与待遇测像素的间隔距离越远，计算出来的权重越小。

PDPC 技术应用于大小大于 4×4 的块，以及适用于以下帧内模式：Planar 模 式，DC 模式，水平模式（模式 18），垂直模式（模式 50），左下角模式及其八个 相邻的角度模式（模式 2~10），以及右上角模式及其八个相邻的角度模式（模式 58~66）。

在 PDPC 中，如果使用的帧内模式为 DC，Planar，水平和垂直模式时，则不 需要额外对边界进行平滑滤波，而在 HEVC 中 DC 模式、水平、垂直模式的情况 下，是必须使用边界滤波器。

位置决定的帧内预测组合的权重 wT、wL 和 wTL 和比例因子 nscale 根据当 前 CU 的高度和宽度以及当前像素点的位置的变化而变化，表 2-2 显示了权重 wT、wL 和 wTL 的定义，nscale 是由当前块的形状和帧内预测模式共同定义的位 移值，位移值和宽高相关，计算公式如式(2-2)所示。通常，宽高值小则 nscale 为 0，大则 nscale 为 2，多数情况 nscale 为 1。