AV1：帧间预测（一）参考帧管理

AV1中帧类型

在H.26X系列标准中，根据帧允许的预测模式可以将帧分为I帧、P帧和B帧，根据帧在码流中前后的参考关系又可以分为IRAP、RADL等。AV1也类似地将帧分为4种类型，在码流中用frame_type来标识帧类型。

KEY_FRAME：相当于IDR帧；

INTER_FRAME：相当于265中的P/B帧；

INTRA_ONLY_FRAME：相当于265中的I帧；

SWITCH_FRAME(S-FRAME)：当码流在不同分辨率间切换时可以插入S-FRAME来代替部分IDR帧，S-FRAME可以参考不同分辨率的帧；

AV1中帧的显示顺序

由于后向参考的存在使得帧的编码顺序和显示顺序可能不同，在H265中为了按正确的顺序播放视频，使用POC来控制解码后帧的显示。而AV1中没有POC，为了按正确顺序播放帧AV1采用show_frame / showable_frame / show_existing_frame机制来完成这一功能。这三个语法元素都写在frame_header中。

show_frame：当前帧解码完后是否立刻输出。对于解码顺序在播放顺序前的帧该值为0。

showable_frame:这个标志只在show_frame=0时有意义，它是指当前帧是否可以显示。AV1有一个ARNR技术，它会对GPB帧进行一些时域滤波产生ARF帧，ARF帧只用作参考而不显示。

show_existing_frame：输出图像是否已经在DPB中。这个语法元素是为了显示那些延迟输出的图像。

frame_to_show_map_idx：当show_existing_frame=1时输出对应帧。

参考帧管理

AV1中解码后的帧放入DFB（Decoded Frame Buffer）中，其作用类似于265中的DPB。DFB最多只能放8帧，其中7帧可以作为参考帧。AV1为这7个参考帧分别命名，

参考帧名称	含义
LAST_FRAME	POC小于当前帧的图像中最近的帧
LAST2_FRAME	POC小于当前帧的图像中第二接近的帧
LAST3_FRAME	POC小于当前帧的图像中第三接近的帧
GOLDEN_FRAME	POC小于当前帧的I帧或者GPB帧，类似于长期参考帧
BWDREF_FRAME	POC大于当前帧的图像中最接近当前帧的
ALTREF2_FRAME	POC大于当前帧的图像中第二接近当前帧的
ALTREF_FRAME	POC大于当前帧的图像中离当前帧最远的图像

注意，上面参考帧和当前帧的位置关系只是建议不是必须的，例如ALFREF_FRAME的POC可以小于当前帧。

AV1中参考帧管理涉及两个方面，一个是DFB管理，一个是当前帧如何在DFB中找到自己的参考帧。

DFB管理

更新类型Update Type

update type不是编码标准的一部分，它是编码器为了进行码率控制和参考帧管理而引入的，包括KF_UPDATE, LF_UPDATE, GF_UPDATE, ARF_UPDATE, OVERLAY_UPDATE, INTNL_OVERLAY_UPDATE, INTNL_ARF_UPDATE等7种。frame_update_type在编码前由帧类型和其在GOP中的位置决定。

更新类型	备注
KF_UPDATE	IDR
LF_UPDATE	不被其他帧参考的B帧
ARF_UPDATE	GPB
INTNL_ARF_UPDATE	层级高于GPB帧，低于普通B帧的帧
INTNL_OVERLAY_UPDATE	参考GPB，同时被其他B帧参考的图像的延迟输出帧
OVERYLAY_UPDATE	GPB的延迟输出帧
GF_UPDATE

DFB更新过程

AV1通过语法元素refresh_frame_flags 来管理DFB状态。refresh_frame_flags 是一个8比特数据，每一位对应DFB中的一个位置，某位置1表示当前帧解码后替换DFB中的该帧。

DFB具体更新过程为：

1、每帧图像编码前根据帧类型和其在GOP中的位置决定更新类型frame_update_type。

2、DPB中的帧根据和当前帧的位置关系等被分为三类：arf_stack、lst_stack、gld_stack。每类包含对应类型的参考帧。

1、当前帧编码完后检查DFB是否填满，若未填满则将当前帧加入DFB。若DFB已填满则根据每类帧的数量和类型选择最老的一帧替换掉。并根据该帧在DFB中的位置计算refresh_frame_flags 。

参考列表构建：

DFB构建完毕后当前帧需要使用DFB中的帧构建自己的参考列表，av1规定参考列表只能包含7帧。

DPB中的帧被分为三类：arf_stack、lst_stack、gld_stack。
确定后向的参考帧,将arf_stack中的POC最大的帧作为ALTREF_FRAME（这一帧一般是当前GOP的GPB）；如果alt_stack中还有其他帧，则第0帧作为BWDREF_FRAME，第1帧作为ALTREF2_FRAME。若alf_stack中只有1帧则将其作为BWDREF_FRAME。
确定前向的参考帧,将lst_stack中的第0帧作为LAST_FRAME，第1帧作为LAST2_FRAME，如果lst_stack中还有帧则将第2帧作为LAST3_FRAME。
确定GOLDEN_FRAME,将golden_stack中的第0帧作为GOLDEN_FRAME，若golden_stack中还有帧且BWDREF_FRAME或者ALTREF_FRAME或者LAST3_FRAME未被指定，则用第1帧填充。
从后向前检查所有帧类型是否都已经被指定，如果还有一些帧还没有被指定，那么它分别在arf_ref、last_ref和golden_ref队列中寻找仍然没有被分配的帧，并将它指定为所需要的帧类型。
如果有些参考帧类型仍然没有被指定，那就将golden_ref中的第0帧指定为该类型的参考帧。
填充之后所有类型的参考帧都是可用的。编码器会记录下所有类型的参考帧在DPB中的位置，并把结果写入码流。这样解码器拿到DFB之后立刻就可以组合出参考帧队列。
这些参考帧类型有可能会有重复。在实际编码时需要进行去重，避免重复搜索。

参考列表如何在码流中传输？构建完参考列表后需要在码流中写入每个参考帧对应在DFB中的位置，相关语法元素为ref_frame_idx

i：0-6，0表示LAST_FRAME,1表示LAST2_FRAME，2表示LAST3_FRAME，3表示GOLDEN_FRAME，4表示BWDREF_FRAME，5表示ALTREF2_FRAME，6表示ALTREF_FRAME。那ref_frame_idx[LAST_FRAME]=5 就表示DPB 下标为5的位置上存在的帧(ref_frame_map[5])就是当前帧的LAST_FRAME。

ref_frame_idx的值有2种传输方式，当frame_refs_short_signaling=0的时候，所有的参考值都是显示传递的，也就是直接通过码流读取到的，当frame_refs_short_signaling=1的时候，只有last_frame_idx和gold_fame_idx是显示传递的，其他参考值则是通过计算得到的。