第3章 帧内预测：35种方向与模式详解

帧内预测，说白了就是用已经编好的像素去猜还没编的像素。H.265 比 H.264 多了不少花样，从 9 种模式直接干到了 35 种。嗯，这 35 种不是随便加的，每一条方向都有它的物理意义。

我刚开始接触 HEVC 时也觉得 35 种太多了，后来调过几个序列才发现——方向越细，纹理越复杂的块越省码率。你想想看，一个 45° 的斜条纹，用 H.264 的粗略方向去猜，残差能大一圈。

3.1 帧内预测的整体流程

先看一张整体图，把 35 种模式怎么来的、怎么选的说清楚。

流程不复杂，但每一步都有坑。我后面会一个一个说。

3.2 35 种预测模式的分类

H.265 的帧内模式分三大类：

3.3 33 种角度预测方向

角度模式从 2 到 34，覆盖了从近乎水平到近乎垂直的各个方向。具体对应关系如下：

每个角度模式对应一个 角度偏移量，范围从 -32 到 +32（以 1/32 像素精度为单位）。这个偏移量决定了参考像素的插值位置。

3.4 角度预测的插值实现

角度预测不是简单复制参考像素，而是要做 分数像素插值。H.265 用 1/32 像素精度，比 H.264 的 1/4 像素细得多。

插值公式如下：

// 角度偏移量: intraPredAngle (范围 -32 ~ 32)
// 参考像素: ref[]
// 预测位置: (x, y)

// 计算投影位置
int offset = (y * intraPredAngle) >> 5;  // 等效于除以 32
int idx = x + offset;
int fact = (y * intraPredAngle) & 31;     // 取小数部分

// 双线性插值
if (fact == 0) {
    pred[x][y] = ref[idx + 1];            // 整数位置，直接取
} else {
    pred[x][y] = ((32 - fact) * ref[idx + 1] + fact * ref[idx + 2] + 16) >> 5;
}

这段代码我调过很多次。有个细节容易忽略：offset 可能是负数，意味着要往反方向取参考像素。边界处理稍不注意就会数组越界。

3.5 DC 模式

DC 模式最简单，也最容易被低估。它的预测值就是参考像素的均值：

// 对于 N×N 块
int sum = 0;
for (int i = 0; i < N; i++) {
    sum += refTop[i];     // 上方参考像素
    sum += refLeft[i];    // 左侧参考像素
}
int dcVal = (sum + N) >> (log2(N) + 1);  // 均值，四舍五入

// 所有像素用同一个值
for (int y = 0; y < N; y++)
    for (int x = 0; x < N; x++)
        pred[x][y] = dcVal;

DC 模式在平坦区域表现极好，码率几乎为零。但遇到渐变或纹理，残差会很大。我建议编码器在 RMD 阶段给 DC 一个「保底名额」，别让它被过早淘汰。

3.6 Planar 模式

Planar 模式是 H.265 新增的，H.264 没有。它用水平和垂直两个方向的线性插值做平均，能很好地拟合平滑渐变。

// 水平插值
int horVal = (N - 1 - x) * refLeft[y] + (x + 1) * refTopRight;
// 垂直插值
int verVal = (N - 1 - y) * refTop[x] + (y + 1) * refBottomLeft;
// 最终预测值
pred[x][y] = (horVal + verVal + N) >> (log2(N) + 1);

注意 refTopRight 和 refBottomLeft 分别是右上角和左下角的参考像素。这两个值决定了渐变的方向和幅度。

3.7 帧内编码优化策略

35 种模式全算一遍，计算量太大。实际编码器必须做优化。我常用的策略有这几个：

1. RMD 粗选：用 SATD（Hadamard 变换后的绝对差和）快速排序，只保留 Top 3–8 个模式。
2. MPM 机制：从相邻 CU 的模式中继承 3 个最可能模式，加入候选列表。MPM 命中率通常超过 60%。
3. 模式分组跳过：如果 DC 和 Planar 的 SATD 已经很小，跳过大部分角度模式。
4. CU 尺寸自适应：大 CU（32×32、64×64）角度模式可以少算几个，小 CU（4×4、8×8）必须算全。

3.8 避坑指南

最后说几个我实际项目中遇到的坑：

• 参考像素不可用：图像边界或 slice 边界处，参考像素可能不存在。处理方式是填充最近的可用像素，或者用 DC 值代替。
• 角度模式索引越界：当 offset 为负且绝对值很大时，idx 可能小于 0。一定要做 clamp。
• Planar 模式的参考像素顺序：H.265 标准里 refTopRight 和 refBottomLeft 的获取方式有严格定义，别搞反了。
• DC 模式的边界滤波：对于 4×4 块，DC 预测值在边界处要做平滑滤波，否则会有块效应。

嗯，帧内预测这部分内容不少，但核心就三件事：方向选对、插值算准、候选剪够。把这三点吃透了，H.265 的帧内编码你就掌握了七八成。