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HM参考帧管理分析
HEVC采用了参考帧集（RPS）的技术来管理已解码的帧，用作后续图像的参考。与之前的视频编码标准中参考帧管理策略不同的是，HEVC中的RPS技术，通过直接在每一帧开始的片头码流中传输DPB中各个帧的状态变化，而H.264/AVC中的滑动窗和MMCO(Memory Management Control Opreation) 这两种参考帧管理技术，是通过传输每一个片的DPB的相对变化来实现，一旦发生数据丢失，将会有持续的影响。
H.265帧间预测帧分为：低延时P帧、低延时B帧，随机接入B帧。
- P帧为单向预测帧–前向预测，但是P帧中的编码单元可以为帧间预测块（前向预测）也可以为帧内预测块。P帧一般有4个参考帧，编码器根据率失真代价准则，在4个参考帧中搜索当前块的匹配块；
- B帧采用双向预测，B帧中的编码单元可以采用帧间预测（前向预测、后向预测、双向预测都可以），也可以是帧内预测。B帧一般有2个参考帧列表（List0、List1），一般每个参考列表都有两个参考帧。List0为前向参考列表，存放都是当前帧前面的帧（即POC小于当前帧的POC），List1为后向参考列表，存放当前帧后面的帧（即POC大于当前帧的POC），有时候也有前面的帧，但是对于LowDelay B则不然，List0和List1存放的都是当前帧前面的帧，这是为了适应低延时 的要求
1、参考帧管理的基本知识
H.263 H.264/AVC HEVC中都采用了多帧参考技术，来提高帧间预测的准确性。解码已经完成的图像，被缓存在DPB中，供后续帧用作参考图像，因此，标准需要对DPB中的图像进行管理。DPB中的每一个图像，有3种状态“Unused for reference”、“Used for short-term reference”和“Used for long-term reference”，这3种状态之间的转化，是通过解码图像标记过程进行控制的。
H.264/AVC中采用了滑动窗和MMCO两种方式。滑动窗管理方式，是以DPB可以存放的帧数为窗口，随着当前解码的图像，以先入先出的方式，将新的解码图像移入，将超出窗口的解码图像移出，因此，DPB中保存的是最近解码的多个图像。MMCO是通过在码流中传输控制命令，完成对DPB中图像的状态标记的，它可以将一个“Used for reference（short-term or long-term）”标记为“Unused for reference”，也可以将当前帧或者“Used for short-term referene”的帧标记为“Used for long-term reference”等。
2、HEVC参考帧集技术（RPS）
为了增强参考帧管理的抗差错能力，HEVC采用了参考帧集技术，它通过直接在每一帧开始的片头码流中传输DPB中各个帧的状态变化，将当前帧以及后续帧可能用到的参考帧在DPB中都进行描述，描述以POC作为一帧的身份标识。因此，它不需要依赖于前面帧的DPB状态，从而增强了抗差错性能。简言之，每帧的第一个片中包含一个RPS，它是由一组“δ POC”（当前帧POC与其POC的差）和“是否用作当前帧/后续帧的参考”这些标识信息组成，DPB根据片头中RPS的描述，对参考帧进行标记。例如，POC=4的B帧，只能参考POC=0的I帧，其RPS为{(δPOC=3,UsedByCurPic)}；POC=3的B帧，可以参考POC=4和POC=2的两个B帧，其RPS为{(δPOC=-1,UsedByCurPic),(δPOC=1,UsedByCurPic)};若POC=0的I帧，不再出现在RPS中，则它被标记为“Unused for reference”，然后从DPB中移除。
参考帧RPS更新：
- 在解码POC=1的帧前，DPB中3个参考帧，分别是POC=0，4，2的帧；
- 当接到POC=1的片头中传输的RPS信息（描述了解码POC=1的帧时，DPB的状态，即POC=0和2的帧用作当前帧的short-term参考，POC=4的帧用作后续帧的参考）后，对DPB中的帧进行状态标记，将POC=0和2的帧标记为“Used for short-term reference”，并且保留POC=4的帧，以用作后续参考；然后解码POC=1的帧，解码完成，将POC=1的帧放入DPB中。此时，DPB中有POC=0,4,2,1四帧；
- 当接收到POC=3的片头中传输的RPS信息（描述了解码POC=3的帧时，DPB中，POC=2和4的帧用作当前帧的short-term参考，POC=0的帧用作后续帧的参考，POC=1的帧不再用作参考）后，对DPB中的帧进行状态标记，将POC=2和4的帧标记为“Used for short-term reference”，将POC=1的帧移出DPB，然后解码POC=3的帧，解码完成，将其放入DPB中。此时，DPB中有POC=0,4,2,3四帧；
3、RPS预测
从上述描述中可以看出，在用POC值对参考帧进行身份描述时，不同帧的RPS中的多个δPOC值的差值是相同的，例如上述中，POC为1的帧的RPS描述中，δPOC值分别是{1,-3,1}，POC为3的帧的RPS描述中，δPOC值分别为{3,-1,1}。因此不同帧的RPS描述中，δPOC值仍然可以进行预测，即δRPS=δPOC(RPScurr)-δPOC(RPSref)，以进一步减少传输代价。
4、HM中的多参考帧配置
参考软件HM在RA配置中采用了Hierachical-B的GOP结构，参考帧数目为4（或者3），但在编码配置中，活动的参考帧数目为2，即只对最近的两个参考帧进行运动估计和运动补偿。与此类似，在LowDelay配置下，参考帧数目为4，活动的参考帧数目为4。
5、HM多参考帧优化选择
从前分析中，HEVC及其参考软件HM都支持多参考帧技术，HM中可以配置4或者2个活动参考帧，这使得每个PU的运动估计的复杂度成倍增加。HEVC参考软件中仍然采用传统的块匹配技术进行运动矢量的搜索，并选择最佳的预测方向和参考帧索引。其过程可以简单总结为一下流程：
- 从ListX=0开始（即前向预测），将参考帧索iRefIndex设置为0；
- 在当前iRefIndex下，生成高级运动矢量预测（AMVP）候选列表，并进行AMVP索引的选择；
- 以 2 中选中的AMVP为起始点，在当前iRefIndex帧内，以SA(T)D+λpred*Bits为代价进行运动估计，得到最佳的运动矢量和最小代价；
- 设置iRefIndex=iRefIndex+1，重复步骤 2 到 3，得到当前iRefIndex下的最佳运动矢量和最小代价；直到参考帧队列ListX中的所有标记为“Used for reference”的参考帧都完成最佳运动矢量和最小代价计算，并从中挑选出代价最小的iRefIndex作为当前预测方向下，最佳的参考索引；
- 将ListX=1（即后向预测），重复 2 到 4，并挑选代价最小的iRefIndex作为当前预测方向下的最佳参考索引；
- 固定以List0（或List1）中最佳的参考索引和运动矢量为双向预测中的其中之一，对List1（或者List0）中所有参考索引进行 2 到 4 步骤，并找到最佳的双向预测参考索引和运动矢量；
- 比较前向预测、后向预测、以及双向预测的最小代价，选择出最佳的预测方向；
