VTM23.1中如何解决帧间预测导致的编码效率降低问题？

Question

在VTM23.1中，帧间预测可能导致编码效率降低的主要原因包括运动矢量精度不足、参考帧选择不够优化以及块分割策略不灵活等问题。为解决这些问题，VTM23.1引入了多种改进技术：首先，通过增强的运动矢量精度（如亚像素插值滤波器优化）提高运动补偿准确性；其次，采用更灵活的多参考帧选择机制，结合权重预测和参考帧列表重构，提升时间冗余消除效率；最后，利用自适应块分割（如QTBT结构）和改进的仿射运动模型，更好地匹配复杂运动场景。这些技术共同作用，显著缓解了帧间预测带来的编码效率损失问题。

Answer 1

1. 帧间预测编码效率降低的主要原因分析

在视频编码标准VTM23.1中，帧间预测是压缩效率提升的关键技术之一。然而，实际应用中可能会因以下问题导致编码效率下降：

• 运动矢量精度不足： 运动估计过程中，整像素或低精度亚像素插值可能导致运动补偿误差增大。
• 参考帧选择不够优化： 传统方法仅依赖固定参考帧列表，无法灵活适应复杂场景中的时间冗余分布。
• 块分割策略不灵活： 固定大小的宏块划分难以满足不同运动模式下的最佳匹配需求。

上述问题直接影响了帧间预测的准确性与效率，因此需要引入更先进的技术来解决这些问题。

2. 提升运动矢量精度的技术改进

为了提高运动矢量精度，VTM23.1引入了亚像素插值滤波器优化技术：

技术名称	主要作用
亚像素插值滤波器	通过更高阶的滤波器设计，减少亚像素位置上的插值误差。
高精度运动矢量表示	支持更精细的分数像素位移表示，从而提升运动补偿的准确性。

这些技术使得运动矢量能够更精确地反映实际运动轨迹，从而有效降低残差信号的能量。

3. 多参考帧选择机制的优化

针对参考帧选择不够优化的问题，VTM23.1采用了以下改进措施：

1. 权重预测： 引入加权预测模型，根据不同参考帧间的相关性调整权重系数，进一步消除时间冗余。
2. 参考帧列表重构： 动态调整参考帧列表顺序，优先选择与当前块最相关的参考帧，提高预测精度。

以下是参考帧选择优化的流程图：

graph TD;
            A[输入参考帧列表] --> B{评估参考帧相关性};
            B -->|高相关性| C[调整列表顺序];
            B -->|低相关性| D[保留默认顺序];
            C --> E[输出优化后的参考帧列表];
            D --> E;

4. 自适应块分割与仿射运动模型的改进

为了解决块分割策略不灵活的问题，VTM23.1引入了QTBT（Quadtree plus Binary Tree）结构：

        if (block_size > min_block_size) {
            // Quadtree 分割
            divide_quadtree(block);
        } else {
            // Binary Tree 分割
            divide_binary_tree(block);
        }
    

此外，VTM23.1还改进了仿射运动模型，允许每个子块独立计算运动参数，从而更好地适应复杂运动场景。这种自适应分割与运动建模的结合，显著提升了帧间预测的灵活性和准确性。

通过上述多种技术的协同作用，VTM23.1成功缓解了帧间预测带来的编码效率损失问题，为新一代视频编码标准奠定了坚实基础。