AV1标准特色编码工具简介

作为新一代性能优异的开源编码标准，AV1收到越来越多企业的青睐。AV1编码标准继承自Google在2011年构建VP8及2013年的VP9标准，有谷歌等30多家企业在2015年成立的开放媒体联盟（Alliance for Open Media， AOM）进行开发和维护，并在2018年6月发布了1.0版本。得益于先进的编码工具，AV1在相同的编码质量下，相比于VP9和HEVC可节约30%的码率。

1. 编码单元划分结构

AV1中最大编码单元尺寸扩展到128 $\times$ 128，同时对于递归划分中的每个编码单元，共有十种方式划分到下一级别，如上图。需要注意的是，只有四叉树的划分方式得到的中间编码单元，可以进行进一步划分（上图中R块）。

2. 帧内预测技术

AV1对原有帧内预测技术进行了全面的升级，同时新增了多种新的预测模式。可分三个方面来说：（1）对原有角度模式和对角度平滑模式进行扩展；（2）消除颜色分量间的冗余，引入跨分量预测模式；（3）帧内屏幕内容视频等人工合成视频，引入帧内块复制（Intra Block Copy， IBC）和色板模式（Palatte）。

帧内预测角度模式扩展为56个，VP9支持8种角度预测模式，预测角度为$45°$ ~$207°$，AV1进行预测角度精细化$3°$为间隔，设计56个角度预测模式。帧内非角度模式在VP9中的DC和TM模式上增加三个，分别为SMOOTH_V、SMOOTH_H和SMOOTH模式，通过对水平或垂直方向进行二次插值，或求平均以生成预测像素。同时TM模式更新为PAETH模式。

基于循环滤波的帧内预测技术。解决目标边界空间相关性减弱的现象，AV1增加FILTER_INTRA模式，将帧内预测看成一个二维不可分马尔卡夫过程。为此，AV1设计了5种滤波帧内模式，每种模式用一个集合（包含8个7抽头滤波器系数）表示，7抽头滤波器刻画了每$4\times 2$的patch与相邻7个参考像素的相关关系。在编码时，如果选择此帧内预测模式，首先要从5个中选择一个filter intra mode，然后当前块以$4\times 2$的patchs逐个预测，每个patch从8个滤波权重中选择一组。（与VVC中ISP比较相似）。

CfL（chroma from Luma）类似于VVC中的CCLM不再赘述。Palatte模式和IBC模式与HEVC的SCC扩展标准中工具类似。

3. 帧间预测技术

• AV1支持最多7个预测参考帧，除LAST(nearest past) frame, GOLDEN(distant past) frame and ALTREF(temporal filtered future) frame三帧外，增加了two near past frames (LAST2 and LAST3) and two future frames (BWDREF and ALTREF2)四帧参考帧，一个典型的gold-frame group的多层预测结构如上图所示。
• OBMC（Overlapped Block Motion Compensation），提升运动边界像素的预测值
• WMC（Warped Motion Compensation），除了平移运动外，AV1增加全局仿射运动补偿和局部仿射运动补偿两种运动补偿模式。
• ACP（Advanced Compound Prediction），各种各样的加权预测方式

4. 变换

主要是扩展了变换核个数，以及对于帧内亮度编码块可进一步进行TU的划分。

5. 环内滤波和编码后处理

环内滤波的部分是AV1的一大特色。HEVC和VVC中环内滤波的部分一般就DF、SAO和ALF三种，AV1有很多环内滤波器，有些是针对特定应用场景设计的。

• CDEF（Constrained Directional Enhancement Filter）：
• Loop Restoration Filters：
• Frame Super-resolution：
• Film Grain Synthesis：