加权预测（Weighted Prediction, WP）**是现代视频编码标准中应对**光照变化、淡入淡出（Fade-in/Fade-out）、阴影闪烁及闪光灯等场景的杀手锏技术。在 H.265/HEVC 中，加权预测得到了进一步的继承与优化。

通过在传统的帧间运动补偿（Motion Compensation）基础上引入线性变换的权重和偏移量，HEVC 能够用极其低廉的信号开销，完美解决由于光照渐变导致传统运动估计失效、残差飙升的痛点。

为什么需要加权预测？

在标准的帧间预测（Inter Prediction）中，编码器有一个底层假设：“前后两帧之间，同一物体的像素亮度是基本保持不变的。” 基于这个假设，运动估计（Motion Estimation）只需要在参考帧中找到一个位置最接近、长得最像的宏块，计算出运动矢量（MV），然后将两者的像素值相减得到残差（Residual）。

然而，在以下现实场景中，这个假设会彻底崩塌：

1. 淡入淡出效果：电影转场时，画面慢慢变黑（Fade-out）或从黑变亮（Fade-in）。每一帧的所有像素亮度都在成比例地集体变暗或变亮。
2. 光照与阴影渐变：太阳被乌云遮挡、路灯下走过的行人、摄像机移动导致的光圈自动调整。
3. 突发强光：舞台上的闪光灯、夜间行驶车辆的远光灯晃眼。

在这些场景下，虽然物体的结构没有变，但因为亮度整体变了，编码器直接相减得到的残差会变得非常大，导致原本可以省码率的 P 帧或 B 帧瞬间退化，编码器不得不消耗海量码率去记录这些“亮度差值”，甚至被迫使用帧内（Intra）编码。

加权预测的解题思路： 既然整张图或者某个区域都在变亮/变暗，那我在相减之前，先给参考帧的像素乘上一个增益系数（Weight），再加上一个修正偏移量（Offset）。这样对齐亮度后再去相减，残差就会重新归零。

HEVC 加权预测的数学原理与计算公式

HEVC 的加权预测属于时域线性映射模型。其核心公式分为单向预测和双向预测两种情况：

单向预测（Uni-prediction）

当当前块只参考一个前向或后向的图像（RefPic0 或 RefPic1）时，加权预测的数学表达式为：

$$p^{\prime }[x,y]=\left((w\cdot p[x,y])+2^{o\_shift-1}\right)\gg o\_shift+o$$

• $p[x,y]$：参考帧中运动补偿得到的原始像素值。
• $p^{\prime }[x,y]$：经过加权预测后，准备与当前帧进行残差计算（或解码端重构）的加权像素值。
• $w$：权重系数（Weight）。用来应对乘法比例变化的渐变（如淡入淡出）。
• $o$：偏移量（Offset）。用来应对整体亮度的平移（加减固定亮度值）。
• $o\_shift$：缩放移位因子（Log Weight Denominator）。为了避免在硬件内部进行高成本的浮点数乘法，所有的权重 $w$ 在工程中都被放大为定点整数。计算完毕后，必须通过右移 o_shift 位来还原。$2^{o\_shift-1}$ 是为了实现四舍五入。

双向预测（Bi-prediction）

当当前块同时参考两个不同的图像（来自 List0 和 List1）时，加权预测会将两边的贡献进行加权融合：

$$p^{\prime }[x,y]=\left((w_0\cdot p_0[x,y]+w_1\cdot p_1[x,y])+2^{o\_shift}\right)\gg (o\_shift+1)+\frac{o_0+o_1}{2}$$

在双向预测中，HEVC 支持为两个不同的参考帧独立配置不同的权重（$w_0,w_1$）和偏移量（$o_0,o_1$）。这使得它在处理交叉淡化（Cross-fade，一个画面逐渐消失的同时另一个画面逐渐显现）时，压缩效率达到了近乎完美的表现。

HEVC 加权预测的语法层级与传输机制

为了兼顾“全局光照变化”与“局部光照变化”，HEVC 将加权预测的参数设计为多级控制结构，参数主要在 PPS（图像参数集） 和 Slice Header（条带头） 中传输。

模式激活（PPS 级别）

在图像参数集（PPS）中，有两个全局开关：

• weighted_pred_flag：决定当前图像下的 P 条带（Slice） 是否启用加权预测。
• weighted_bipred_flag：决定当前图像下的 B 条带（Slice） 是否启用加权预测。

参数量化传输（Slice Header 级别）

一旦开关开启，具体的权重系数表 pred_weight_table() 将在每个条带的头部（Slice Header）进行传输。

• 允许按参考帧索引（RefIdx）定制：如果当前条带参考了 3 帧图像，Slice Header 可以为这 3 帧分别指定不同的 $w$ 和 $o$。
• 色度独立控制：HEVC 允许对亮度通道（Y）和两个色度通道（Cb, Cr）分别设置不同的加权参数。因为在某些舞台灯光下，可能只有颜色在变（红光变蓝光），而亮度没变。

HEVC 加权预测的两大工作模式

在具体工程实现中，加权预测分为两类：显式加权（Explicit WP） 和 隐式加权（Implicit WP）。

显式加权预测（Explicit Weighted Prediction）

• 工作机制：编码器通过分析前后帧的图像直方图或全局平均亮度，主动计算出最合适的权重 $w$ 和偏移量 $o$，然后明确地写入码流的 Slice Header 中。解码器拿到这些参数后，直接套用公式进行解码。
• 适用场景：主要用于 P 帧 和部分 B 帧。在剧烈的、由于外界光源导致画面集体变暗变亮的场景（淡入淡出、闪光灯）中，显式加权是绝对的主力。

隐式加权预测（Implicit Weighted Prediction）

• 工作机制：码流中不传输具体的权重和偏移量。解码器和编码器根据当前帧与两个参考帧之间的时域距离（POC，图像播放顺序号），通过数学公式自适应地推导出来。
• 数学逻辑：假设当前帧处于参考帧 A 和参考帧 B 的正中间，那么距离一致，隐式权重自适应推导为 $w_0=0.5,w_1=0.5$；如果距离 A 较近，距离 B 较远，则 A 的权重增大，B 的权重减小。
• 适用场景：仅用于 B 帧。它主要用来优化由于物体运动造成的普通时域渐变，不需要占用任何码率带宽去传参数。

HEVC 加权预测的全新演进与优化

相比于 H.264，HEVC 在架构上做出了大幅度的整改，为了让加权预测能够在其高宽带、大块（CTU）的架构下跑得更顺畅，标准进行了以下几项关键优化：

与高级运动矢量预测（AMVP、Merge）的完美融合

HEVC 引入了全新的运动矢量预测机制：Merge 和 Skip 模式。在 Merge 模式下，当前块直接“复制”邻近块的运动信息。

• 优化点：HEVC 的 Merge 候选列表中，不仅包含了邻近块的运动矢量（MV），还顺带包含了该运动矢量所绑定的加权预测参数（参考帧索引、权重、偏移量）。这意味着，一旦当前块选择了 Merge 模式，它不需要再重复声明自己要如何做加权，直接继承邻居的加权策略即可，极大地节省了块级别的信令开销。

硬件友好的精度控制（Bit Depth Adaptation）

HEVC 支持 10-bit（Main 10 Profile）乃至更高位深的视频。在加权预测的乘加运算中，内部中间结果的位深往往会暴增。

• 优化点：HEVC 严格限制了加权预测中间寄存器的最大位深（通常限制在 14 位或 16 位定点数以内），防止在大 QP 或深色度空间下发生算术溢出，这极大地降低了全海思、英伟达等硬件芯片在设计解码流水线时的乘法器成本。

工程实战：加权预测的性能、配置与代价

在工业级编码器（如 x265）的开发与配置中，加权预测是一把双刃剑，需要架构师根据业务场景精细化权衡：

命令行参数配置（FFmpeg + x265）

在 x265 中，加权预测的控制参数如下：

• --weightp / -weightp <integer>：控制 P 帧的加权预测（0: 关闭；1: 仅计算参数不使用；2: 完整开启显式加权）。
• --weightb / -weightb：控制 B 帧是否开启隐式/显式加权预测。

# 高质量离线转场视频压缩（完全开启P/B帧加权）
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -x265-params weightp=2:weightb=1 output.mp4

性能增益（Performance Gain）

• 在常规视频中（光照恒定）：开启加权预测带来的码率节省非常微弱（通常 $<1\%$），但其参数传输开销也极小。
• 在特殊视频中（大量淡入淡出、夜间监控车灯晃眼、舞台灯光）：开启加权预测可以带来 20% ~ 40% 的惊人码率节省，同时能彻底消除由于残差过大导致的局部画面马赛克和呼吸效应。

计算复杂度与代价（Compute Cost）

• 编码端：代价主要在分析阶段。编码器为了找出最优的 $w$ 和 $o$，需要对整帧图像进行直方图统计、均值计算，并进行多轮的加权运动搜索（Weighted Motion Search）。这会导致编码速度下降（通常会带来 5%~15% 的算力开销）。
• 解码端：解码端没有搜索压力，只有纯粹的公式计算。由于 HEVC 消除了浮点数乘法，全部转为“一次查表 + 一次整数乘法 + 移位加法”，因此硬件解码芯片运行加权预测时流畅度极高。

总结

HEVC 的加权预测是一项将物理世界的“光照线性变化”转化为数学领域的“乘加偏移模型”的成功典范。

它在协议层通过 PPS 与 Slice Header 建立了弹性的参数传输矩阵，在算法层与 HEVC 的 Merge/AMVP 深度绑定，在工程硬件层通过定点数移位（o_shift）斩断了浮点数乘法。对于含有渐变、转场及复杂光影变化的现代化视频流，加权预测是保障视频画质不崩溃、码率不飙升的核心底层功臣。