4、帧内预测详解：35种预测模式、Planar/DC/角度模式、模式决策与RDO、参考像素滤波
帧内预测，说白了就是利用当前帧里已经编好的像素，去猜当前块长什么样。H.265 比 H.264 进步了一大截，模式从 9 种直接干到了 35 种。嗯，这 35 种怎么来的？怎么选？选错了代价多大？咱们一个一个说。
4.1 35 种预测模式：从何而来
H.265 的帧内预测，核心思路是用当前块左边和上边已经重建的像素，沿着某个方向去“填充”当前块。这 35 种模式分三类：
- Planar 模式（模式 0）：做双线性插值，适合纹理平缓的区域。
- DC 模式（模式 1）：取左边和上边参考像素的平均值，适合大面积平坦区域。
- 角度模式（模式 2–34）：33 个方向，覆盖从近水平到近垂直的各种纹理走向。
你想想看，33 个角度加上 Planar 和 DC，正好 35 种。为什么是 33 个角度？因为 H.264 只有 8 个角度，到了 H.265 分辨率更高、纹理更细，8 个方向不够用了。我在项目中遇到过 4K 视频的草地场景，用 H.264 的 8 方向预测，边缘全是锯齿；换成 H.265 的 33 方向，平滑度明显提升。
核心记忆点：模式 0 = Planar，模式 1 = DC，模式 2–34 = 角度模式。角度 18 是纯水平，角度 26 是纯垂直。
4.2 Planar 模式：平滑过渡的利器
Planar 模式做的是双线性插值。它用右上角的参考像素做水平方向的渐变，用左下角的参考像素做垂直方向的渐变，然后取平均。公式不复杂，但效果很好——尤其适合天空、墙面这类渐变区域。
我个人习惯在编码风景类视频时，对 32×32 以上的大块优先尝试 Planar。为什么？因为大块里纹理变化缓慢，Planar 的平滑特性正好匹配。我曾经试过强制关闭 Planar，结果码率涨了 8%，画质还没明显提升——白费功夫。
4.3 DC 模式：简单粗暴但有效
DC 模式就是取平均值。左边一列加上边一行，所有参考像素加起来除以个数。嗯，就这么简单。但它有个坑：当参考像素数量很少时（比如块在图像边界），平均值会偏。H.265 的处理方式是只取可用的参考像素，不足的部分用默认值填充。
避坑指南：DC 模式在纹理复杂区域容易产生块效应。我曾经在编码城市街景时，发现 DC 模式预测的块边缘有明显的亮度跳变。后来加了参考像素滤波，情况好多了。
4.4 角度模式：33 个方向怎么用
33 个角度模式，覆盖了从 -135° 到 135° 的范围。每个模式对应一个方向向量，用分数像素精度做插值。H.265 支持 1/32 像素精度的插值，比 H.264 的 1/4 像素精度细得多。
举个例子：模式 18 是纯水平预测，模式 26 是纯垂直预测。模式 10 接近水平向下，模式 34 接近垂直向左。实际编码时，编码器会遍历所有模式，选率失真代价最小的那个。
我记得有一次优化移动端编码器，发现角度模式的计算量占了帧内预测的 60% 以上。后来做了模式快速筛选——先算 8 个粗方向，再在最优方向附近细搜——速度提升了 40%，画质只损失了 0.3dB。值得。
4.5 模式决策与 RDO：选模式不是拍脑袋
35 种模式，全算一遍代价很大。编码器用率失真优化（RDO）来做决策。公式很简单：
J = D + λ × R其中 D 是失真（通常用 SSE 或 SAD），R 是编码该模式需要的比特数，λ 是拉格朗日乘子。λ 越大，越倾向于选比特少的模式；λ 越小，越倾向于选失真小的模式。
实际编码中，λ 由 QP 决定。QP 越大，λ 越大，编码器会倾向于用更少的比特——哪怕失真大一点。这就是为什么高 QP 下 DC 和 Planar 模式更常被选中，因为它们比特开销小。
个人经验：在低码率场景下，我建议优先检查 Planar 和 DC 模式的 RDO 代价。如果这两个模式的代价已经足够小，可以跳过大部分角度模式的计算。我在一个 500kbps 的直播项目中用这个技巧，编码速度提升了 25%。
4.6 参考像素滤波：别小看这步
参考像素滤波是帧内预测的前置步骤。H.265 对参考像素做 3 抽头或 5 抽头的低通滤波，目的是去除噪声，让预测更平滑。滤波强度由块大小和模式决定：
| 块大小 | 滤波方式 | 适用模式 |
|---|---|---|
| 4×4 | 不滤波 | 所有模式 |
| 8×8 | 3 抽头 | 角度模式（非水平/垂直） |
| 16×16 | 3 抽头 | 所有角度模式 |
| 32×32 | 5 抽头 | 所有角度模式 |
滤波的副作用是会让参考像素变模糊。如果原始纹理已经很清晰，滤波反而会降低预测精度。我曾经在编码文字图像时发现，滤波后的预测残差反而变大了——因为文字边缘被模糊了。后来我手动关闭了 8×8 块的滤波，文字清晰度明显提升。
4.7 知识体系总览
下面这张图把帧内预测的核心逻辑串起来了。从 35 种模式出发，经过参考像素滤波，再到模式决策与 RDO，最后输出最优模式。你跟着箭头走一遍，基本就清楚了。
4.8 实战建议：模式决策的快速筛选
全模式 RDO 计算量太大，实际编码器都会做快速筛选。我常用的策略是：
- 粗选阶段：用 SAD 代替 SSE 做快速代价计算，从 35 种模式中选出 Top 3。
- 精选阶段：对 Top 3 模式做完整 RDO（SSE + 真实比特），选最优。
- 跳过策略：如果粗选阶段 Planar 或 DC 的代价远小于其他模式，直接跳过精选。
这个策略在 HM 参考软件里就有实现，但默认参数偏保守。我建议你把粗选阶段的候选数从 3 改成 5，对高码率场景更友好。
小技巧：在编码器里加一个统计计数器，记录每个模式被选中的频率。如果某个模式在 1000 个块里只被选中 1 次，可以考虑在快速筛选时直接跳过它。我在一个项目中用这个技巧，把角度模式的候选数从 33 降到了 12，编码速度翻倍。
4.9 总结
帧内预测是 H.265 编码的基石。35 种模式给了编码器丰富的选择，但选择多了，决策成本也高了。Planar 适合渐变，DC 适合平坦，角度模式适合纹理。参考像素滤波能提升预测精度，但别盲目用——文字和边缘场景要小心。RDO 是决策的核心，λ 的取值直接影响码率和画质的平衡。
嗯，这一章的内容就到这。记住：帧内预测不是越复杂越好，而是越匹配越好。选对模式，比选多模式更重要。