3.1 帧内预测模式扩展
3.1 帧内预测模式扩展
本节摘要：帧内预测的教科书定义是"用相邻已解码像素外推当前块"。VVC在这条老路上做了三步扩展：角度模式从33个翻倍到65个并引入宽角度适配长条块；参考像素从一行扩到多行（MRL）；块内部再切子块独立预测（ISP）。本节逐个拆解，并给出每个工具"在什么内容上值钱"的判据。
本节是第3章三节中的第一站：先把"沿方向猜"这门老手艺推到极限，3.2节再引入"按矩阵猜"的新引擎。前置依赖只有第2章的CU概念——所有预测都在CU的几何边界内发生。
从经典三件套说起
任何一代标准的帧内预测都从三个基本款出发：
- Planar（平面）：假设块内像素是平滑渐变的平面，四边参考像素加权平均。适合大面积渐变（天空、虚化背景）；
- DC（均值）：整块取参考像素均值。适合恒定区域（墙面、纯色字幕底）；
- 角度（Directional）：沿某个方向把参考像素"抄"进块内。适合有明确走向的结构（边缘、纹理、文字笔画）。
H.264有9个模式（8方向+DC/Plane简化版），HEVC扩到35个（33方向+Planar+DC），VVC扩到65方向+Planar+DC（亮度共约67个候选）。数量翻倍的逻辑很直接：QTMT允许的长条块（比如32×8）自带强方向性，33个方向对它来说像"用八个罗盘方位导航"——方向分辨率不够，预测就会在边缘处过冲或欠冲，残差瞬间变大。
角度模式的几何：细到2度的罗盘
HEVC的33方向覆盖180度，相邻方向夹角约5.7度；VVC的65方向把间隔压到接近一半。更关键的是宽角度模式（wide-angle）：传统角度模式隐含假设"块接近方形"，其可用的方向范围以45度对角线为界。对32×8的横条块，真正需要的方向（近乎水平掠射）超出传统范围——VVC允许宽长比大的块使用"越界"的宽角度模式，替代裁剪规则。一句话：块越细长，罗盘越要往极端方向开。
MRL：把参考行从一行扩到多行
传统帧内预测只用紧邻的一圈参考像素。但很多结构（周期纹理、细密条纹）的信息在一行里不够——就像裁缝只看布边一寸，猜不出整匹布的花纹周期。VVC的**多参考行（Multiple Reference Lines，MRL）**允许选择更远的第二行、第三行参考像素（跳过紧邻行）。
什么时候远行反而更好？两个典型场景：一是紧邻行本身被污染（前一区域的振铃伪影、字幕边缘的噪点），跳过它能拿到更干净的参考；二是周期纹理，远行恰好对齐纹理相位时预测命中率高。语法上MRL只传一个行索引，代价极小。
ISP：块内的再切分
**帧内子块划分（Intra Sub-Partitions，ISP）**把一个帧内编码的CU按维度切成2个或4个子块，串行预测、串行重建：第一个子块预测重建完成后，它的重建值立刻成为第二个子块的参考像素。这打破了"整块只能用块外参考"的限制——自己刚重建的部分成为自己的参考。
收益场景：强方向内容（垂直文字笔画、栏杆）里，块内后半段与前半段高度相似，ISP让预测链式接力，残差逐子块衰减。代价也很明确：子块必须串行处理（前块重建完才能预测后块），并行度受损——所以ISP只对帧内启用且限制子块数量，这是又一个"压缩收益与流水线纪律"的折中样本（呼应2.2节主题）。
PDPC：位置相关的预测修正
**位置相关预测组合（Position Dependent Intra Prediction Combination，PDPC）**是个小而美的补丁：对Planar以及接近水平/垂直的角度模式，预测值不再直接采用，而是与相邻参考像素按位置加权混合——离参考边近的位置多信参考，块中心多信预测。它无缝内建在解码流程里，无需信令开关，是"白送的增益"型工具。
各工具速查与失效场景
| 工具 | 一句话机制 | 值钱的内容 | 失效或反噬的场景 |
|---|---|---|---|
| 65方向+宽角度 | 更细的方向罗盘 | 细长结构、强走向边缘 | 接近各向同性的噪点纹理 |
| MRL多参考行 | 换一行更干净的参考 | 周期纹理、紧邻行被污染 | 参考行距离拉开后相关性衰减 |
| ISP子块划分 | 块内串行链式预测 | 强方向、自相似内容 | 并行度下降，硬件流水线不满 |
| PDPC | 位置加权混合修正 | 平滑区域、近水平垂直模式 | 强方向斜纹（已由角度模式覆盖） |
⚠️ 排错视角：若你在编码日志里看到某序列开MRL后码率不降反升，先查内容是否为大颗粒噪点纹理——远参考行在低相关内容上引入的索引开销盖过了预测收益。工具不是万金油，RD搜索才是裁判。
三问三答：把易错点钉死
问：块切得越小、参考越近，帧内预测是不是就越好？
不是。切小块要付划分标志的比特，参考太近则容易被邻域伪影污染——每多一档自由度都有信令价格。RD搜索的职责就是在"更准的预测"与"更多的标志"之间找平衡点，这也是2.1节划分账本在帧内的延伸。看到"最小块必最优"的直觉，直接判错。
问：MRL跳到第二、三行参考，边界处怎么处理？
参考行采样与对齐规则标准里有精确约定（含与多参考行配合时的边界样点填补）。实现偏差不报错、只漂移——对齐测试时MRL与MIP同属高发错位点，值得成对覆盖。
问：65个模式的信令怎么压？
不是平铺65选一。模式按"最可能模式"（邻块模式推导的短名单）优先编码——候选命中时几个比特搞定，长尾模式才付全价。这套"先猜后兜底"的信令与4.2节MV预测子、5.3节上下文建模一脉相承，是整个标准信令设计的底色。
一段历史注脚
方向模式的扩张史本身就是块划分史的镜像：H.264的9模式配16×16宏块刚好；HEVC的35模式配四叉树；VVC的65+宽角度配QTMT细长块——每次划分自由度升级，方向分辨率都跟着升一级。读标准演进的这条暗线，比背模式数字更有用。
本节要点回顾
- 方向翻倍与宽角度是QTMT的配套：细长块需要越界的角度罗盘，形状自由与方向自由成对出现；
- MRL换行参考：跳过被污染或不对齐的紧邻行，索引开销极小；
- ISP链式预测：块内自参考，代价是串行化，只在帧内且限子块数；
- PDPC无信令修正：位置加权混合，白送增益；
- 每个工具都有失效面：噪点、低相关、强并行需求分别是它们的天敌。