预测编码(Prediction Coding)是指利用已编码的一个或几个样本值，根据某种模型或方法，对 当前的样本值进行预测，并对样本真实值和预测值之间的差值进行编码。
预测编码的原理
视频预测编码的主要思想是通过预测来消除像素间的相关性。根据参考像素位置的不同，视频 预测编码技术主要分为两大类：
- 帧内预测，即利用当前图像内已编码像素生成预测值；
- 帧间预测，即利用当前图像之前已编码图像的重建像素生成预测值。
预测编码的基本过程如下图所示：
对于当前输入像素值 x(n), 首先，利用已编码像素的重建值得到当前像素的预测值 p(n). 然后对二者的差值 e(n) 进行量化、熵编码，同时利用量化后的残差 e’(n) 与预测值 p(n) 得到 当前像素的重建值 x’(n), 用于预测之后待编码的像素。
对应的解码过程如右图所示，经过熵解码可得到当前像素预测误差的重建值 e’(n), 将其与预测值 p(n) 想家即可得到当前像素的重建值 x’(n)。
帧内预测的模式
HEVC 亮度分量帧内预测支持 5 种大小的 PU: 4x4/8x8/16x16/32x32/64x64，其中每一种大小 的 PU 都对应 35 种预测模式，包括 Planar 模式、DC 模式以及 33 种角度模式。所有预测模式 都使用相同模板。如图。
表：帧内预测 35 种模式编号
| 帧内模式编号 | 帧内模式名称 |
|---|---|
| 0 | Planar 模式 |
| 1 | DC 模式 |
| 2~34 | 33 种角度模式 |
Planar 模式适用于像素值缓慢变化的区域，它使用水平和垂直方向的两个线性滤波器，并将二者 的平均值作为当前块像素的预测值。DC 模式适用于大面积平坦区域，当前块预测值可由其左侧和上方 参考像素的平均值得到。角度模式主要用于视频内容中不同方向的纹理。
亮度模式的编码
HEVC 标准建立了一个帧内预测模式候选列表 candModeList，表中有 3 个候选预测模式，用于存储相邻 PU 的预测 模式。相邻 PU 的位置如下图所示。设 A 的预测模式为 ModeA, B 的预测模式为 ModeB。候选列表具体建立过程如下：
(1) 若 ModeA 与 ModeB 相同，则分以下两种情况进行。
- 若 ModeA 和 ModeB 都为 Planar 或 DC 模式，则：
candModeList[0]为 Planar 模式，candModeList[1]为 DC 模式，candModeList[2]为模式 26（垂直模式）。 - 若 ModeA 和 ModeB 都为角度模式，则：
candModeList[0]为 ModeA，candModeList[1]和candModeList[2]为与 ModeA 相邻的两个模式。
(2) 若 ModeA 与 ModeB 不同，则：candModeList[0]为 ModeA,candModeList[1]为 ModeB,candModeList[2]分为以下几种情况
- 若 ModeA 和 ModeB 都不是 Planar 模式，则
candModeList[2]为 Planar 模式。 - 若 ModeA 和 ModeB 都不是 DC 模式，则
candModeList[2]为 DC 模式。 - 否则
candModeList[2]为模式 26(垂直模式)。
当candModeList建立完成后，可利用该列表对当前 PU 模式信息进行编码，具体如下：
(1) 若当前 PU 最优模式(记为 ModeC)在candModeList中出现，则只需要编码 ModeC 在candModeList中的位置即可。
(2) 若 ModeC 未在candModeList中出现，则按以下步骤编码 ModeC。
- 将
candModeList中的候选模式按从小到大的顺序重新排列。 - 遍历重新排列后的 3 个候选模式，分别于 ModeC 进行比较，若
ModeC >= candModeList[i]则令 ModeC 自减1。遍历结束后对 ModeC 最终的值进行编码。
色度模式的编码
HEVC 色度分量帧内预测一共有5种模式： Planar 模式、垂直模式、水平模式、DC模式以及UI应亮度分量的预测模式。若对应亮度预测模式为前4种模式种的一种，则将其替换为角度预测模式种的模式34.
HEVC 直接对色度模式编号进行编码，具体方法如下：
表 色度模式编号
| 色度模式 | 亮度模式 | |||
|---|---|---|---|---|
| 模式0（Planar） | 模式26（垂直） | 模式10（水平） | 模式1（DC） | |
| 0 | 34 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 26 | 34 | 26 | 26 |
| 2 | 10 | 10 | 34 | 10 |
| 3 | 1 | 1 | 1 | 34 |
帧内预测的过程
HEVC 中，35 种预测模式是在 PU 的基础上定义的，而具体帧内预测过程的实现则是以 TU 为单位的。 标准规定 PU 可以以四叉树的形式划分 TU，且一个 PU 内的所有 TU 共享同一种预测模式。HEVC 帧内预测可分为以下 3 个步骤：
- 判断当前 TU 相邻参考像素是否可用并做相对应的处理
- 对参考像素进行滤波
- 根据滤波后的参考像素计算当前 TU 的预测像素值
相邻参考像素的获取
当前 TU 大小为 NxN,其参考像素按区域可分为 5 部分:左下(A)、左侧(B)、左上(C)、上方(D)和右上(E)，一共 4N+1 个点。 若当前 TU 位于图像边界，或 Slice、Tile的边界,则相邻参考像素可能会不存在或不可用。当参考像素不存在或不可用时,HEVC 标准 会使用最邻近的像素进行填充。
参考像素的滤波
AVC 在帧内预测时对某些模式下的参考像素进行了滤波，以更好地利用邻近像素之间的相关性，提高预测精度。HEVC 对其进行了扩展：首先 HEVC针对不同 大小的 TU 选择了不同数量的模式进行滤波；其次，在 AVC 滤波方法的基础上，HEVC 增加使用了一种强滤波方法。
预测像素的计算
对于不同的模式下，参考像素的计算方式不同，以 Planar 模式为例，预测像素可以看成是水平、垂直两个方向预测值得平均值。DC 模式、角度模式在此不在详述。