【HEVC学习与研究】33、编码一个CU（帧内部分）2：帧内预测各种模式的实现

2023-11-23 04:48
文章标签 实现 学习 模式 编码 预测 部分 33 研究 cu hevc

本文主要是介绍【HEVC学习与研究】33、编码一个CU（帧内部分）2：帧内预测各种模式的实现，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

HEVC中一共定义了35中帧内编码预测模式，编号分别以0-34定义。其中模式0定义为平面模式（INTRA_PLANAR），模式1定义为均值模式（INTRA_DC），模式2~34定义为角度预测模式（INTRA_ANGULAR2~INTRA_ANGULAR34），分别代表了不同的角度。具体的示意图如标准文档的图8-1所示：


这三大类的预测方法均有实现的代码。首先看最简单的Intra_DC模式，该模式同角度预测模式实现在同一个函数Void TComPrediction::xPredIntraAng(...)中：

Void TComPrediction::xPredIntraAng(Int bitDepth, Int* pSrc, Int srcStride, Pel*& rpDst, Int dstStride, UInt width, UInt height, UInt dirMode, Bool blkAboveAvailable, Bool blkLeftAvailable, Bool bFilter )
{//......// Do the DC predictionif (modeDC){Pel dcval = predIntraGetPredValDC(pSrc, srcStride, width, height, blkAboveAvailable, blkLeftAvailable);for (k=0;k<blkSize;k++){for (l=0;l<blkSize;l++){pDst[k*dstStride+l] = dcval;}}}//......
}
在这个函数中可以看到，Intra_DC模式中所有预测块的像素值都是同一个值dcval，这个值是由一个函数predIntraGetPredValDC计算得到： 

Pel TComPrediction::predIntraGetPredValDC( Int* pSrc, Int iSrcStride, UInt iWidth, UInt iHeight, Bool bAbove, Bool bLeft )
{Int iInd, iSum = 0;Pel pDcVal;if (bAbove){for (iInd = 0;iInd < iWidth;iInd++){iSum += pSrc[iInd-iSrcStride];}}if (bLeft){for (iInd = 0;iInd < iHeight;iInd++){iSum += pSrc[iInd*iSrcStride-1];}}if (bAbove && bLeft){pDcVal = (iSum + iWidth) / (iWidth + iHeight);}else if (bAbove){pDcVal = (iSum + iWidth/2) / iWidth;}else if (bLeft){pDcVal = (iSum + iHeight/2) / iHeight;}else{pDcVal = pSrc[-1]; // Default DC value already calculated and placed in the prediction array if no neighbors are available}return pDcVal;
}
在该函数中，编码器通过判断上方和左方参考像素是否有效而选择将相应的数据（指针pSrc指向的数据）累加到iSum中，并对这些参考数据取平均返回。所以，在DC模式下，所有预测像素值都是同一个值，也即参考数据的均值，这也是DC模式命名的由来。

第二种预测模式时平面模式，该模式定义在xPredIntraPlanar函数中。

Void TComPrediction::xPredIntraPlanar( Int* pSrc, Int srcStride, Pel* rpDst, Int dstStride, UInt width, UInt height )
{assert(width == height);Int k, l, bottomLeft, topRight;Int horPred;Int leftColumn[MAX_CU_SIZE], topRow[MAX_CU_SIZE], bottomRow[MAX_CU_SIZE], rightColumn[MAX_CU_SIZE];UInt blkSize = width;UInt offset2D = width;UInt shift1D = g_aucConvertToBit[ width ] + 2;UInt shift2D = shift1D + 1;// Get left and above reference column and rowfor(k=0;k<blkSize+1;k++){topRow[k] = pSrc[k-srcStride];leftColumn[k] = pSrc[k*srcStride-1];}// Prepare intermediate variables used in interpolationbottomLeft = leftColumn[blkSize];topRight   = topRow[blkSize];for (k=0;k<blkSize;k++){bottomRow[k]   = bottomLeft - topRow[k];rightColumn[k] = topRight   - leftColumn[k];topRow[k]      <<= shift1D;leftColumn[k]  <<= shift1D;}// Generate prediction signalfor (k=0;k<blkSize;k++){horPred = leftColumn[k] + offset2D;for (l=0;l<blkSize;l++){horPred += rightColumn[k];topRow[l] += bottomRow[l];rpDst[k*dstStride+l] = ( (horPred + topRow[l]) >> shift2D );}}
}
首先从参考数据中获取的是顶行和左列的数据，并记录一下左下角和右上角的两个像素值。然后计算底行和右列的数据，方法是用左下角的像素减去 顶行相应位置的像素得到底行，右上角的像素减去左列相应位置的像素得到右列。预测块中每个像素的数据，就是对应的四个边的像素值的平均。

第三种预测模式，即mode=2~34时采用角度预测模式。实现的方式在xPredIntraAng中:

Void TComPrediction::xPredIntraAng(Int bitDepth, Int* pSrc, Int srcStride, Pel*& rpDst, Int dstStride, UInt width, UInt height, UInt dirMode, Bool blkAboveAvailable, Bool blkLeftAvailable, Bool bFilter )
{Int k,l;Int blkSize        = width;Pel* pDst          = rpDst;// Map the mode index to main prediction direction and angleassert( dirMode > 0 ); //no planarBool modeDC        = dirMode < 2;Bool modeHor       = !modeDC && (dirMode < 18);Bool modeVer       = !modeDC && !modeHor;Int intraPredAngle = modeVer ? (Int)dirMode - VER_IDX : modeHor ? -((Int)dirMode - HOR_IDX) : 0;//计算当前模式同水平/垂直模式之间的角度差Int absAng         = abs(intraPredAngle);Int signAng        = intraPredAngle < 0 ? -1 : 1;// Set bitshifts and scale the angle parameter to block sizeInt angTable[9]    = {0,    2,    5,   9,  13,  17,  21,  26,  32};Int invAngTable[9] = {0, 4096, 1638, 910, 630, 482, 390, 315, 256}; // (256 * 32) / AngleInt invAngle       = invAngTable[absAng];absAng             = angTable[absAng];intraPredAngle     = signAng * absAng;// ......// Do angular predictionselse{Pel* refMain;Pel* refSide;Pel  refAbove[2*MAX_CU_SIZE+1];Pel  refLeft[2*MAX_CU_SIZE+1];// Initialise the Main and Left reference array.if (intraPredAngle < 0){for (k=0;k<blkSize+1;k++){refAbove[k+blkSize-1] = pSrc[k-srcStride-1];}for (k=0;k<blkSize+1;k++){refLeft[k+blkSize-1] = pSrc[(k-1)*srcStride-1];}refMain = (modeVer ? refAbove : refLeft) + (blkSize-1);refSide = (modeVer ? refLeft : refAbove) + (blkSize-1);// Extend the Main reference to the left.Int invAngleSum    = 128;       // rounding for (shift by 8)for (k=-1; k>blkSize*intraPredAngle>>5; k--){invAngleSum += invAngle;refMain[k] = refSide[invAngleSum>>8];}}else{for (k=0;k<2*blkSize+1;k++){refAbove[k] = pSrc[k-srcStride-1];}for (k=0;k<2*blkSize+1;k++){refLeft[k] = pSrc[(k-1)*srcStride-1];}refMain = modeVer ? refAbove : refLeft;refSide = modeVer ? refLeft  : refAbove;}if (intraPredAngle == 0){for (k=0;k<blkSize;k++){for (l=0;l<blkSize;l++){pDst[k*dstStride+l] = refMain[l+1];}}if ( bFilter ){for (k=0;k<blkSize;k++){pDst[k*dstStride] = Clip3(0, (1<<bitDepth)-1, pDst[k*dstStride] + (( refSide[k+1] - refSide[0] ) >> 1) );}}}else{Int deltaPos=0;Int deltaInt;Int deltaFract;Int refMainIndex;for (k=0;k<blkSize;k++){deltaPos += intraPredAngle;deltaInt   = deltaPos >> 5;deltaFract = deltaPos & (32 - 1);if (deltaFract){// Do linear filteringfor (l=0;l<blkSize;l++){refMainIndex        = l+deltaInt+1;pDst[k*dstStride+l] = (Pel) ( ((32-deltaFract)*refMain[refMainIndex]+deltaFract*refMain[refMainIndex+1]+16) >> 5 );}}else{// Just copy the integer samplesfor (l=0;l<blkSize;l++){pDst[k*dstStride+l] = refMain[l+deltaInt+1];}}}}// Flip the block if this is the horizontal modeif (modeHor){Pel  tmp;for (k=0;k<blkSize-1;k++){for (l=k+1;l<blkSize;l++){tmp                 = pDst[k*dstStride+l];pDst[k*dstStride+l] = pDst[l*dstStride+k];pDst[l*dstStride+k] = tmp;}}}}
}
在图8.1中可以看出，模式18的预测方向相当于对角线预测。所以以模式18为分界线，2~17分为水平模式(modeHor)，18~33分为垂直模式(modeVer)，这样区分有利于减少代码的冗余。另外，从该图中也可以看出，模式10和26即相当于水平模式和垂直模式，在代码中也定义了两个宏HOR_IDX和VER_IDX表示，然后计算当前模式同水平/垂直模式之间的角度差，用intraPredAngle表示。intraPredAngle不同的取值对应的预测方向可以参考图8-2：

图中可见，intraPredAngle的取值可能出现正值或负值。当intraPredAngle取非负值时，垂直模式下只参考上方的参考点，水平模式下只参考左方的参考点；当intraPredAngle取负值的时候，refMain会依照refSide中的数据进行部分扩充，因此会同时参考左方和上方两部分的参考点。当intraPredAngle为0的时候，表示预测模式为10或者26，这是也就是水平或者垂直模式，直接复制参考像素的值就OK了；否则，会对角度做一个判断，如果对应的是参考像素中的整像素点那么就不需要进行计算，直接获取该点数据；如果对应的不是整像素点，那么会按照相邻两点按照“距离”进行加权平均作为参考像素点的值。

除此之外，这个函数还实现了对小于16×16尺寸块实现滤波操作，以及水平模式时将预测矩阵进行转置操作。

大致上Intra预测块的生成方法就这样了，下一个问题在于，参考像素是如何来的？pSrc指针指向的数据又是如何获取的？且听下回。


这篇关于【HEVC学习与研究】33、编码一个CU（帧内部分）2：帧内预测各种模式的实现的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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