git.sesse.net Git - x264/blob - encoder/ratecontrol.c

   1 /*****************************************************************************
   2  * ratecontrol.c: ratecontrol
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2012 x264 project
   5  *
   6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
   7  *          Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   8  *          Gabriel Bouvigne <gabriel.bouvigne@joost.com>
   9  *          Fiona Glaser <fiona@x264.com>
  10  *          Måns Rullgård <mru@mru.ath.cx>
  11  *
  12  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with this program; if not, write to the Free Software
  24  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
  25  *
  26  * This program is also available under a commercial proprietary license.
  27  * For more information, contact us at licensing@x264.com.
  28  *****************************************************************************/
  29
  30 #define _ISOC99_SOURCE
  31 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  32
  33 #include "common/common.h"
  34 #include "ratecontrol.h"
  35 #include "me.h"
  36
  37 typedef struct
  38 {
  39     int pict_type;
  40     int frame_type;
  41     int kept_as_ref;
  42     double qscale;
  43     int mv_bits;
  44     int tex_bits;
  45     int misc_bits;
  46     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  47     double expected_vbv;
  48     double new_qscale;
  49     int new_qp;
  50     int i_count;
  51     int p_count;
  52     int s_count;
  53     float blurred_complexity;
  54     char direct_mode;
  55     int16_t weight[3][2];
  56     int16_t i_weight_denom[2];
  57     int refcount[16];
  58     int refs;
  59     int64_t i_duration;
  60     int64_t i_cpb_duration;
  61 } ratecontrol_entry_t;
  62
  63 typedef struct
  64 {
  65     float coeff;
  66     float count;
  67     float decay;
  68     float offset;
  69 } predictor_t;
  70
  71 struct x264_ratecontrol_t
  72 {
  73     /* constants */
  74     int b_abr;
  75     int b_2pass;
  76     int b_vbv;
  77     int b_vbv_min_rate;
  78     double fps;
  79     double bitrate;
  80     double rate_tolerance;
  81     double qcompress;
  82     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  83     int qp_constant[3];
  84
  85     /* current frame */
  86     ratecontrol_entry_t *rce;
  87     int qp;                     /* qp for current frame */
  88     float qpm;                  /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  89     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  90     float qpa_rc_prev;
  91     int   qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  92     int   qpa_aq_prev;
  93     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  94
  95     /* VBV stuff */
  96     double buffer_size;
  97     int64_t buffer_fill_final;
  98     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  99     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
 100     double vbv_max_rate;        /* # of bits added to buffer_fill per second */
 101     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
 102     int single_frame_vbv;
 103     double rate_factor_max_increment; /* Don't allow RF above (CRF + this value). */
 104
 105     /* ABR stuff */
 106     int    last_satd;
 107     double last_rceq;
 108     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
 109     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 110     int64_t filler_bits_sum;    /* sum in bits of finished frames' filler data */
 111     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 112     double cbr_decay;
 113     double short_term_cplxsum;
 114     double short_term_cplxcount;
 115     double rate_factor_constant;
 116     double ip_offset;
 117     double pb_offset;
 118
 119     /* 2pass stuff */
 120     FILE *p_stat_file_out;
 121     char *psz_stat_file_tmpname;
 122     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 123     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 124     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 125     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 126
 127     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 128     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 129     double last_qscale;
 130     double last_qscale_for[3];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff */
 131     int last_non_b_pict_type;
 132     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 133     double accum_p_norm;
 134     double last_accum_p_norm;
 135     double lmin[3];             /* min qscale by frame type */
 136     double lmax[3];
 137     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 138     uint16_t *qp_buffer[2];     /* Global buffers for converting MB-tree quantizer data. */
 139     int qpbuf_pos;              /* In order to handle pyramid reordering, QP buffer acts as a stack.
 140                                  * This value is the current position (0 or 1). */
 141
 142     /* MBRC stuff */
 143     float frame_size_estimated; /* Access to this variable must be atomic: double is
 144                                  * not atomic on all arches we care about */
 145     double frame_size_maximum;  /* Maximum frame size due to MinCR */
 146     double frame_size_planned;
 147     double slice_size_planned;
 148     predictor_t (*row_pred)[2];
 149     predictor_t row_preds[3][2];
 150     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 151     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 152     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 153
 154     int i_zones;
 155     x264_zone_t *zones;
 156     x264_zone_t *prev_zone;
 157
 158     /* hrd stuff */
 159     int initial_cpb_removal_delay;
 160     int initial_cpb_removal_delay_offset;
 161     double nrt_first_access_unit; /* nominal removal time */
 162     double previous_cpb_final_arrival_time;
 163     uint64_t hrd_multiply_denom;
 164 };
 165
 166
 167 static int parse_zones( x264_t *h );
 168 static int init_pass2(x264_t *);
 169 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 170 static int update_vbv( x264_t *h, int bits );
 171 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead );
 172 static float predict_size( predictor_t *p, float q, float var );
 173 static void update_predictor( predictor_t *p, float q, float var, float bits );
 174
 175 #define CMP_OPT_FIRST_PASS( opt, param_val )\
 176 {\
 177     if( ( p = strstr( opts, opt "=" ) ) && sscanf( p, opt "=%d" , &i ) && param_val != i )\
 178     {\
 179         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different " opt " setting than first pass (%d vs %d)\n", param_val, i );\
 180         return -1;\
 181     }\
 182 }
 183
 184 /* Terminology:
 185  * qp = h.264's quantizer
 186  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 187  */
 188 static inline float qp2qscale( float qp )
 189 {
 190     return 0.85f * powf( 2.0f, ( qp - 12.0f ) / 6.0f );
 191 }
 192 static inline float qscale2qp( float qscale )
 193 {
 194     return 12.0f + 6.0f * log2f( qscale/0.85f );
 195 }
 196
 197 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 198  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 199  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 200  * for motion estimation is constant there. */
 201 static inline double qscale2bits( ratecontrol_entry_t *rce, double qscale )
 202 {
 203     if( qscale<0.1 )
 204         qscale = 0.1;
 205     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 206            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 207            + rce->misc_bits;
 208 }
 209
 210 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_var( uint64_t sum_ssd, int shift, x264_frame_t *frame, int i, int b_store )
 211 {
 212     uint32_t sum = sum_ssd;
 213     uint32_t ssd = sum_ssd >> 32;
 214     if( b_store )
 215     {
 216         frame->i_pixel_sum[i] += sum;
 217         frame->i_pixel_ssd[i] += ssd;
 218     }
 219     return ssd - ((uint64_t)sum * sum >> shift);
 220 }
 221
 222 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_plane( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame, int i, int b_chroma, int b_field, int b_store )
 223 {
 224     int height = b_chroma ? 16>>CHROMA_V_SHIFT : 16;
 225     int stride = frame->i_stride[i];
 226     int offset = b_field
 227         ? 16 * mb_x + height * (mb_y&~1) * stride + (mb_y&1) * stride
 228         : 16 * mb_x + height * mb_y * stride;
 229     stride <<= b_field;
 230     if( b_chroma )
 231     {
 232         ALIGNED_ARRAY_16( pixel, pix,[FENC_STRIDE*16] );
 233         int chromapix = h->luma2chroma_pixel[PIXEL_16x16];
 234         int shift = 7 - CHROMA_V_SHIFT;
 235
 236         h->mc.load_deinterleave_chroma_fenc( pix, frame->plane[1] + offset, stride, height );
 237         return ac_energy_var( h->pixf.var[chromapix]( pix,               FENC_STRIDE ), shift, frame, 1, b_store )
 238              + ac_energy_var( h->pixf.var[chromapix]( pix+FENC_STRIDE/2, FENC_STRIDE ), shift, frame, 2, b_store );
 239     }
 240     else
 241         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_16x16]( frame->plane[i] + offset, stride ), 8, frame, i, b_store );
 242 }
 243
 244 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 245 static NOINLINE uint32_t x264_ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 246 {
 247     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 248      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 249      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 250      * sure no reordering goes on. */
 251     uint32_t var;
 252     x264_prefetch_fenc( h, frame, mb_x, mb_y );
 253     if( h->mb.b_adaptive_mbaff )
 254     {
 255         /* We don't know the super-MB mode we're going to pick yet, so
 256          * simply try both and pick the lower of the two. */
 257         uint32_t var_interlaced, var_progressive;
 258         var_interlaced   = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0, 0, 1, 1 );
 259         var_progressive  = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0, 0, 0, 0 );
 260         if( CHROMA444 )
 261         {
 262             var_interlaced  += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 0, 1, 1 );
 263             var_progressive += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 0, 0, 0 );
 264             var_interlaced  += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 2, 0, 1, 1 );
 265             var_progressive += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 2, 0, 0, 0 );
 266         }
 267         else
 268         {
 269             var_interlaced  += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 1, 1, 1 );
 270             var_progressive += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 1, 0, 0 );
 271         }
 272         var = X264_MIN( var_interlaced, var_progressive );
 273     }
 274     else
 275     {
 276         var  = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0, 0, PARAM_INTERLACED, 1 );
 277         if( CHROMA444 )
 278         {
 279             var += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 0, PARAM_INTERLACED, 1 );
 280             var += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 2, 0, PARAM_INTERLACED, 1 );
 281         }
 282         else
 283             var += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 1, PARAM_INTERLACED, 1 );
 284     }
 285     x264_emms();
 286     return var;
 287 }
 288
 289 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 290 {
 291     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 292      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 293     float strength;
 294     float avg_adj = 0.f;
 295     /* Initialize frame stats */
 296     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 297     {
 298         frame->i_pixel_sum[i] = 0;
 299         frame->i_pixel_ssd[i] = 0;
 300     }
 301
 302     /* Degenerate cases */
 303     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_NONE || h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 304     {
 305         /* Need to init it anyways for MB tree */
 306         if( h->param.rc.i_aq_mode && h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 307         {
 308             if( quant_offsets )
 309             {
 310                 for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 311                     frame->f_qp_offset[mb_xy] = frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = quant_offsets[mb_xy];
 312                 if( h->frames.b_have_lowres )
 313                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 314                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8( frame->f_qp_offset[mb_xy] );
 315             }
 316             else
 317             {
 318                 memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 319                 memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 320                 if( h->frames.b_have_lowres )
 321                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 322                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 323             }
 324         }
 325         /* Need variance data for weighted prediction */
 326         if( h->param.analyse.i_weighted_pred )
 327         {
 328             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 329                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 330                     x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 331         }
 332         else
 333             return;
 334     }
 335     /* Actual adaptive quantization */
 336     else
 337     {
 338         if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 339         {
 340             float bit_depth_correction = powf(1 << (BIT_DEPTH-8), 0.5f);
 341             float avg_adj_pow2 = 0.f;
 342             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 343                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 344                 {
 345                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 346                     float qp_adj = powf( energy + 1, 0.125f );
 347                     frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 348                     avg_adj += qp_adj;
 349                     avg_adj_pow2 += qp_adj * qp_adj;
 350                 }
 351             avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 352             avg_adj_pow2 /= h->mb.i_mb_count;
 353             strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj / bit_depth_correction;
 354             avg_adj = avg_adj - 0.5f * (avg_adj_pow2 - (14.f * bit_depth_correction)) / avg_adj;
 355         }
 356         else
 357             strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 358
 359         for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 360             for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 361             {
 362                 float qp_adj;
 363                 int mb_xy = mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride;
 364                 if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 365                 {
 366                     qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_xy];
 367                     qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 368                 }
 369                 else
 370                 {
 371                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 372                     qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - (14.427f + 2*(BIT_DEPTH-8)));
 373                 }
 374                 if( quant_offsets )
 375                     qp_adj += quant_offsets[mb_xy];
 376                 frame->f_qp_offset[mb_xy] =
 377                 frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = qp_adj;
 378                 if( h->frames.b_have_lowres )
 379                     frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 380             }
 381     }
 382
 383     /* Remove mean from SSD calculation */
 384     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 385     {
 386         uint64_t ssd = frame->i_pixel_ssd[i];
 387         uint64_t sum = frame->i_pixel_sum[i];
 388         int width  = 16*h->mb.i_mb_width  >> (i && CHROMA_H_SHIFT);
 389         int height = 16*h->mb.i_mb_height >> (i && CHROMA_V_SHIFT);
 390         frame->i_pixel_ssd[i] = ssd - (sum * sum + width * height / 2) / (width * height);
 391     }
 392 }
 393
 394 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 395 {
 396     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 397     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 398
 399     if( rc->entry[frame->i_frame].kept_as_ref )
 400     {
 401         uint8_t i_type;
 402         if( rc->qpbuf_pos < 0 )
 403         {
 404             do
 405             {
 406                 rc->qpbuf_pos++;
 407
 408                 if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 409                     goto fail;
 410                 if( fread( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos], sizeof(uint16_t), h->mb.i_mb_count, rc->p_mbtree_stat_file_in ) != h->mb.i_mb_count )
 411                     goto fail;
 412
 413                 if( i_type != i_type_actual && rc->qpbuf_pos == 1 )
 414                 {
 415                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type, i_type_actual );
 416                     return -1;
 417                 }
 418             } while( i_type != i_type_actual );
 419         }
 420
 421         for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 422         {
 423             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos][i] )) * (1/256.0);
 424             if( h->frames.b_have_lowres )
 425                 frame->i_inv_qscale_factor[i] = x264_exp2fix8(frame->f_qp_offset[i]);
 426         }
 427         rc->qpbuf_pos--;
 428     }
 429     else
 430         x264_stack_align( x264_adaptive_quant_frame, h, frame, quant_offsets );
 431     return 0;
 432 fail:
 433     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n" );
 434     return -1;
 435 }
 436
 437 int x264_reference_build_list_optimal( x264_t *h )
 438 {
 439     ratecontrol_entry_t *rce = h->rc->rce;
 440     x264_frame_t *frames[16];
 441     x264_weight_t weights[16][3];
 442     int refcount[16];
 443
 444     if( rce->refs != h->i_ref[0] )
 445         return -1;
 446
 447     memcpy( frames, h->fref[0], sizeof(frames) );
 448     memcpy( refcount, rce->refcount, sizeof(refcount) );
 449     memcpy( weights, h->fenc->weight, sizeof(weights) );
 450     memset( &h->fenc->weight[1][0], 0, sizeof(x264_weight_t[15][3]) );
 451
 452     /* For now don't reorder ref 0; it seems to lower quality
 453        in most cases due to skips. */
 454     for( int ref = 1; ref < h->i_ref[0]; ref++ )
 455     {
 456         int max = -1;
 457         int bestref = 1;
 458
 459         for( int i = 1; i < h->i_ref[0]; i++ )
 460             /* Favor lower POC as a tiebreaker. */
 461             COPY2_IF_GT( max, refcount[i], bestref, i );
 462
 463         /* FIXME: If there are duplicates from frames other than ref0 then it is possible
 464          * that the optimal ordering doesnt place every duplicate. */
 465
 466         refcount[bestref] = -1;
 467         h->fref[0][ref] = frames[bestref];
 468         memcpy( h->fenc->weight[ref], weights[bestref], sizeof(weights[bestref]) );
 469     }
 470
 471     return 0;
 472 }
 473
 474 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 475 {
 476     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 477     if( !output )
 478         return NULL;
 479     strcpy( output, input );
 480     strcat( output, suffix );
 481     return output;
 482 }
 483
 484 void x264_ratecontrol_init_reconfigurable( x264_t *h, int b_init )
 485 {
 486     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 487     if( !b_init && rc->b_2pass )
 488         return;
 489
 490     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 491     {
 492         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 493          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 494         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 495         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 496         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 497                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset + QP_BD_OFFSET );
 498     }
 499
 500     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 && h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 501     {
 502         /* We don't support changing the ABR bitrate right now,
 503            so if the stream starts as CBR, keep it CBR. */
 504         if( rc->b_vbv_min_rate )
 505             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 506
 507         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < (int)(h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps) )
 508         {
 509             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 510             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size cannot be smaller than one frame, using %d kbit\n",
 511                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 512         }
 513
 514         int vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000;
 515         int vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000;
 516
 517         /* Init HRD */
 518         if( h->param.i_nal_hrd && b_init )
 519         {
 520             h->sps->vui.hrd.i_cpb_cnt = 1;
 521             h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd = h->param.i_nal_hrd == X264_NAL_HRD_CBR;
 522             h->sps->vui.hrd.i_time_offset_length = 0;
 523
 524             #define BR_SHIFT  6
 525             #define CPB_SHIFT 4
 526
 527             int bitrate = 1000*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate;
 528             int bufsize = 1000*h->param.rc.i_vbv_buffer_size;
 529
 530             // normalize HRD size and rate to the value / scale notation
 531             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale = x264_clip3( x264_ctz( bitrate ) - BR_SHIFT, 0, 15 );
 532             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value = bitrate >> ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 533             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value << ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 534             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale = x264_clip3( x264_ctz( bufsize ) - CPB_SHIFT, 0, 15 );
 535             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value = bufsize >> ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 536             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value << ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 537
 538             #undef CPB_SHIFT
 539             #undef BR_SHIFT
 540
 541             // arbitrary
 542             #define MAX_DURATION 0.5
 543
 544             int max_cpb_output_delay = X264_MIN( h->param.i_keyint_max * MAX_DURATION * h->sps->vui.i_time_scale / h->sps->vui.i_num_units_in_tick, INT_MAX );
 545             int max_dpb_output_delay = h->sps->vui.i_max_dec_frame_buffering * MAX_DURATION * h->sps->vui.i_time_scale / h->sps->vui.i_num_units_in_tick;
 546             int max_delay = (int)(90000.0 * (double)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled + 0.5);
 547
 548             h->sps->vui.hrd.i_initial_cpb_removal_delay_length = 2 + x264_clip3( 32 - x264_clz( max_delay ), 4, 22 );
 549             h->sps->vui.hrd.i_cpb_removal_delay_length = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_cpb_output_delay ), 4, 31 );
 550             h->sps->vui.hrd.i_dpb_output_delay_length  = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_dpb_output_delay ), 4, 31 );
 551
 552             #undef MAX_DURATION
 553
 554             vbv_buffer_size = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled;
 555             vbv_max_bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
 556         }
 557         else if( h->param.i_nal_hrd && !b_init )
 558         {
 559             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV parameters cannot be changed when NAL HRD is in use\n" );
 560             return;
 561         }
 562         h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = vbv_max_bitrate;
 563         h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = vbv_buffer_size;
 564
 565         if( rc->b_vbv_min_rate )
 566             rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 567         rc->buffer_rate = vbv_max_bitrate / rc->fps;
 568         rc->vbv_max_rate = vbv_max_bitrate;
 569         rc->buffer_size = vbv_buffer_size;
 570         rc->single_frame_vbv = rc->buffer_rate * 1.1 > rc->buffer_size;
 571         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 572                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 573         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.f_rf_constant_max )
 574         {
 575             rc->rate_factor_max_increment = h->param.rc.f_rf_constant_max - h->param.rc.f_rf_constant;
 576             if( rc->rate_factor_max_increment <= 0 )
 577             {
 578                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CRF max must be greater than CRF\n" );
 579                 rc->rate_factor_max_increment = 0;
 580             }
 581         }
 582         if( b_init )
 583         {
 584             if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 585                 h->param.rc.f_vbv_buffer_init = x264_clip3f( h->param.rc.f_vbv_buffer_init / h->param.rc.i_vbv_buffer_size, 0, 1 );
 586             h->param.rc.f_vbv_buffer_init = x264_clip3f( X264_MAX( h->param.rc.f_vbv_buffer_init, rc->buffer_rate / rc->buffer_size ), 0, 1);
 587             rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init * h->sps->vui.i_time_scale;
 588             rc->b_vbv = 1;
 589             rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 590                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 591                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 592         }
 593     }
 594 }
 595
 596 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 597 {
 598     x264_ratecontrol_t *rc;
 599
 600     x264_emms();
 601
 602     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 603     rc = h->rc;
 604
 605     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 606     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 607
 608     /* FIXME: use integers */
 609     if( h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0 )
 610         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 611     else
 612         rc->fps = 25.0;
 613
 614     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 615     {
 616         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 617         rc->qcompress = 1;
 618     }
 619     else
 620         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 621
 622     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 623     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 624     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 625     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 626     rc->cbr_decay = 1.0;
 627
 628     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 629     {
 630         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n" );
 631         return -1;
 632     }
 633
 634     x264_ratecontrol_init_reconfigurable( h, 1 );
 635
 636     if( h->param.i_nal_hrd )
 637     {
 638         uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
 639         uint64_t num = 180000;
 640         x264_reduce_fraction64( &num, &denom );
 641         rc->hrd_multiply_denom = 180000 / num;
 642
 643         double bits_required = log2( 180000 / rc->hrd_multiply_denom )
 644                              + log2( h->sps->vui.i_time_scale )
 645                              + log2( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled );
 646         if( bits_required >= 63 )
 647         {
 648             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "HRD with very large timescale and bufsize not supported\n" );
 649             return -1;
 650         }
 651     }
 652
 653     if( rc->rate_tolerance < 0.01 )
 654     {
 655         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n" );
 656         rc->rate_tolerance = 0.01;
 657     }
 658
 659     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 660
 661     if( rc->b_abr )
 662     {
 663         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 664 #define ABR_INIT_QP (( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 ) + QP_BD_OFFSET)
 665         rc->accum_p_norm = .01;
 666         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 667         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 668         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 669         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 670         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 671     }
 672
 673     rc->ip_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_ip_factor );
 674     rc->pb_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_pb_factor );
 675     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 676     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 677     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 678     h->mb.ip_offset = rc->ip_offset + 0.5;
 679
 680     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 681     rc->last_qscale = qp2qscale( 26 );
 682     int num_preds = h->param.b_sliced_threads * h->param.i_threads + 1;
 683     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5 * sizeof(predictor_t) * num_preds );
 684     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 685     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 686     {
 687         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 688         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 689         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 690         for( int j = 0; j < num_preds; j++ )
 691         {
 692             rc->pred[i+j*5].coeff= 2.0;
 693             rc->pred[i+j*5].count= 1.0;
 694             rc->pred[i+j*5].decay= 0.5;
 695             rc->pred[i+j*5].offset= 0.0;
 696         }
 697         for( int j = 0; j < 2; j++ )
 698         {
 699             rc->row_preds[i][j].coeff= .25;
 700             rc->row_preds[i][j].count= 1.0;
 701             rc->row_preds[i][j].decay= 0.5;
 702             rc->row_preds[i][j].offset= 0.0;
 703         }
 704     }
 705     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 706
 707     if( parse_zones( h ) < 0 )
 708     {
 709         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 710         return -1;
 711     }
 712
 713     /* Load stat file and init 2pass algo */
 714     if( h->param.rc.b_stat_read )
 715     {
 716         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 717
 718         /* read 1st pass stats */
 719         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 720         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 721         if( !stats_buf )
 722         {
 723             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n" );
 724             return -1;
 725         }
 726         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 727         {
 728             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 729             if( !mbtree_stats_in )
 730                 return -1;
 731             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 732             x264_free( mbtree_stats_in );
 733             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 734             {
 735                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n" );
 736                 return -1;
 737             }
 738         }
 739
 740         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 741         if( strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 742         {
 743             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "options list in stats file not valid\n" );
 744             return -1;
 745         }
 746
 747         float res_factor, res_factor_bits;
 748         {
 749             int i, j;
 750             uint32_t k, l;
 751             char *opts = stats_buf;
 752             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 753             if( !stats_in )
 754                 return -1;
 755             *stats_in = '\0';
 756             stats_in++;
 757             if( sscanf( opts, "#options: %dx%d", &i, &j ) != 2 )
 758             {
 759                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "resolution specified in stats file not valid\n" );
 760                 return -1;
 761             }
 762             else if( h->param.rc.b_mb_tree && (i != h->param.i_width || j != h->param.i_height)  )
 763             {
 764                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree doesn't support different resolution than 1st pass (%dx%d vs %dx%d)\n",
 765                           h->param.i_width, h->param.i_height, i, j );
 766                 return -1;
 767             }
 768             res_factor = (float)h->param.i_width * h->param.i_height / (i*j);
 769             /* Change in bits relative to resolution isn't quite linear on typical sources,
 770              * so we'll at least try to roughly approximate this effect. */
 771             res_factor_bits = powf( res_factor, 0.7 );
 772
 773             if( ( p = strstr( opts, "timebase=" ) ) && sscanf( p, "timebase=%u/%u", &k, &l ) != 2 )
 774             {
 775                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase specified in stats file not valid\n" );
 776                 return -1;
 777             }
 778             if( k != h->param.i_timebase_num || l != h->param.i_timebase_den )
 779             {
 780                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase mismatch with 1st pass (%u/%u vs %u/%u)\n",
 781                           h->param.i_timebase_num, h->param.i_timebase_den, k, l );
 782                 return -1;
 783             }
 784
 785             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bitdepth", BIT_DEPTH );
 786             CMP_OPT_FIRST_PASS( "weightp", X264_MAX( 0, h->param.analyse.i_weighted_pred ) );
 787             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bframes", h->param.i_bframe );
 788             CMP_OPT_FIRST_PASS( "b_pyramid", h->param.i_bframe_pyramid );
 789             CMP_OPT_FIRST_PASS( "intra_refresh", h->param.b_intra_refresh );
 790             CMP_OPT_FIRST_PASS( "open_gop", h->param.b_open_gop );
 791             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bluray_compat", h->param.b_bluray_compat );
 792
 793             if( (p = strstr( opts, "interlaced=" )) )
 794             {
 795                 char *current = h->param.b_interlaced ? h->param.b_tff ? "tff" : "bff" : h->param.b_fake_interlaced ? "fake" : "0";
 796                 char buf[5];
 797                 sscanf( p, "interlaced=%4s", buf );
 798                 if( strcmp( current, buf ) )
 799                 {
 800                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different interlaced setting than first pass (%s vs %s)\n", current, buf );
 801                     return -1;
 802                 }
 803             }
 804
 805             if( (p = strstr( opts, "keyint=" )) )
 806             {
 807                 p += 7;
 808                 char buf[13] = "infinite ";
 809                 if( h->param.i_keyint_max != X264_KEYINT_MAX_INFINITE )
 810                     sprintf( buf, "%d ", h->param.i_keyint_max );
 811                 if( strncmp( p, buf, strlen(buf) ) )
 812                 {
 813                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different keyint setting than first pass (%.*s vs %.*s)\n",
 814                               strlen(buf)-1, buf, strcspn(p, " "), p );
 815                     return -1;
 816                 }
 817             }
 818
 819             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 820                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 821
 822             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 823             {
 824                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 825                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 826             }
 827
 828             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 829                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 830             else if( h->param.i_bframe )
 831             {
 832                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 833                 return -1;
 834             }
 835
 836             if( (h->param.rc.b_mb_tree || h->param.rc.i_vbv_buffer_size) && ( p = strstr( opts, "rc_lookahead=" ) ) && sscanf( p, "rc_lookahead=%d", &i ) )
 837                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 838         }
 839
 840         /* find number of pics */
 841         p = stats_in;
 842         int num_entries;
 843         for( num_entries = -1; p; num_entries++ )
 844             p = strchr( p + 1, ';' );
 845         if( !num_entries )
 846         {
 847             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n" );
 848             return -1;
 849         }
 850         rc->num_entries = num_entries;
 851
 852         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 853         {
 854             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 855                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 856         }
 857         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 858         {
 859             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 860                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 861             return -1;
 862         }
 863
 864         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 865
 866         /* init all to skipped p frames */
 867         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 868         {
 869             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 870             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 871             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale( 20 );
 872             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 873             rce->new_qp = 0;
 874         }
 875
 876         /* read stats */
 877         p = stats_in;
 878         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 879         {
 880             ratecontrol_entry_t *rce;
 881             int frame_number;
 882             char pict_type;
 883             int e;
 884             char *next;
 885             float qp;
 886             int ref;
 887
 888             next= strchr(p, ';');
 889             if( next )
 890                 *next++ = 0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 891             e = sscanf( p, " in:%d ", &frame_number );
 892
 893             if( frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries )
 894             {
 895                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i );
 896                 return -1;
 897             }
 898             rce = &rc->entry[frame_number];
 899             rce->direct_mode = 0;
 900
 901             e += sscanf( p, " in:%*d out:%*d type:%c dur:%"SCNd64" cpbdur:%"SCNd64" q:%f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c",
 902                    &pict_type, &rce->i_duration, &rce->i_cpb_duration, &qp, &rce->tex_bits,
 903                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 904                    &rce->s_count, &rce->direct_mode );
 905             rce->tex_bits  *= res_factor_bits;
 906             rce->mv_bits   *= res_factor_bits;
 907             rce->misc_bits *= res_factor_bits;
 908             rce->i_count   *= res_factor;
 909             rce->p_count   *= res_factor;
 910             rce->s_count   *= res_factor;
 911
 912             p = strstr( p, "ref:" );
 913             if( !p )
 914                 goto parse_error;
 915             p += 4;
 916             for( ref = 0; ref < 16; ref++ )
 917             {
 918                 if( sscanf( p, " %d", &rce->refcount[ref] ) != 1 )
 919                     break;
 920                 p = strchr( p+1, ' ' );
 921                 if( !p )
 922                     goto parse_error;
 923             }
 924             rce->refs = ref;
 925
 926             /* find weights */
 927             rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 928             char *w = strchr( p, 'w' );
 929             if( w )
 930             {
 931                 int count = sscanf( w, "w:%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd",
 932                                     &rce->i_weight_denom[0], &rce->weight[0][0], &rce->weight[0][1],
 933                                     &rce->i_weight_denom[1], &rce->weight[1][0], &rce->weight[1][1],
 934                                     &rce->weight[2][0], &rce->weight[2][1] );
 935                 if( count == 3 )
 936                     rce->i_weight_denom[1] = -1;
 937                 else if ( count != 8 )
 938                     rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 939             }
 940
 941             if( pict_type != 'b' )
 942                 rce->kept_as_ref = 1;
 943             switch( pict_type )
 944             {
 945                 case 'I':
 946                     rce->frame_type = X264_TYPE_IDR;
 947                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 948                     break;
 949                 case 'i':
 950                     rce->frame_type = X264_TYPE_I;
 951                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 952                     break;
 953                 case 'P':
 954                     rce->frame_type = X264_TYPE_P;
 955                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_P;
 956                     break;
 957                 case 'B':
 958                     rce->frame_type = X264_TYPE_BREF;
 959                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 960                     break;
 961                 case 'b':
 962                     rce->frame_type = X264_TYPE_B;
 963                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 964                     break;
 965                 default:  e = -1; break;
 966             }
 967             if( e < 12 )
 968             {
 969 parse_error:
 970                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e );
 971                 return -1;
 972             }
 973             rce->qscale = qp2qscale( qp );
 974             p = next;
 975         }
 976
 977         x264_free( stats_buf );
 978
 979         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 980         {
 981             if( init_pass2( h ) < 0 )
 982                 return -1;
 983         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 984     }
 985
 986     /* Open output file */
 987     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 988      * and move it to the real name only when it's complete */
 989     if( h->param.rc.b_stat_write )
 990     {
 991         char *p;
 992         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 993         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 994             return -1;
 995
 996         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 997         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 998         {
 999             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n" );
1000             return -1;
1001         }
1002
1003         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
1004         if( p )
1005             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
1006         x264_free( p );
1007         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
1008         {
1009             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
1010             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
1011             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
1012                 return -1;
1013
1014             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
1015             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
1016             {
1017                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n" );
1018                 return -1;
1019             }
1020         }
1021     }
1022
1023     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
1024     {
1025         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[0], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
1026         if( h->param.i_bframe_pyramid && h->param.rc.b_stat_read )
1027             CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[1], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
1028         rc->qpbuf_pos = -1;
1029     }
1030
1031     for( int i = 0; i<h->param.i_threads; i++ )
1032     {
1033         h->thread[i]->rc = rc+i;
1034         if( i )
1035         {
1036             rc[i] = rc[0];
1037             h->thread[i]->param = h->param;
1038             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
1039             h->thread[i]->mb.ip_offset = h->mb.ip_offset;
1040         }
1041     }
1042
1043     return 0;
1044 fail:
1045     return -1;
1046 }
1047
1048 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
1049 {
1050     int len = 0;
1051     char *tok, UNUSED *saveptr=NULL;
1052     z->param = NULL;
1053     z->f_bitrate_factor = 1;
1054     if( 3 <= sscanf(p, "%d,%d,q=%d%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
1055         z->b_force_qp = 1;
1056     else if( 3 <= sscanf(p, "%d,%d,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
1057         z->b_force_qp = 0;
1058     else if( 2 <= sscanf(p, "%d,%d%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
1059         z->b_force_qp = 0;
1060     else
1061     {
1062         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
1063         return -1;
1064     }
1065     p += len;
1066     if( !*p )
1067         return 0;
1068     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
1069     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1070     z->param->param_free = x264_free;
1071     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
1072     {
1073         char *val = strchr( tok, '=' );
1074         if( val )
1075         {
1076             *val = '\0';
1077             val++;
1078         }
1079         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
1080         {
1081             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
1082             return -1;
1083         }
1084         p = NULL;
1085     }
1086     return 0;
1087 fail:
1088     return -1;
1089 }
1090
1091 static int parse_zones( x264_t *h )
1092 {
1093     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1094     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
1095     {
1096         char *psz_zones, *p;
1097         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
1098         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
1099         h->param.rc.i_zones = 1;
1100         for( p = psz_zones; *p; p++ )
1101             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
1102         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1103         p = psz_zones;
1104         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1105         {
1106             int i_tok = strcspn( p, "/" );
1107             p[i_tok] = 0;
1108             if( parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], p ) )
1109                 return -1;
1110             p += i_tok + 1;
1111         }
1112         x264_free( psz_zones );
1113     }
1114
1115     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
1116     {
1117         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1118         {
1119             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
1120             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
1121             {
1122                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
1123                           z.i_start, z.i_end );
1124                 return -1;
1125             }
1126             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
1127             {
1128                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
1129                           z.f_bitrate_factor );
1130                 return -1;
1131             }
1132         }
1133
1134         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
1135         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1136         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
1137
1138         // default zone to fall back to if none of the others match
1139         rc->zones[0].i_start = 0;
1140         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
1141         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
1142         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
1143         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
1144         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1145         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1146         {
1147             if( !rc->zones[i].param )
1148                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
1149         }
1150     }
1151
1152     return 0;
1153 fail:
1154     return -1;
1155 }
1156
1157 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
1158 {
1159     for( int i = h->rc->i_zones - 1; i >= 0; i-- )
1160     {
1161         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
1162         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
1163             return z;
1164     }
1165     return NULL;
1166 }
1167
1168 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
1169 {
1170     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1171     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
1172     {
1173         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
1174         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
1175         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
1176                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
1177                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset - QP_BD_OFFSET );
1178     }
1179 }
1180
1181 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
1182 {
1183     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1184     int b_regular_file;
1185
1186     if( rc->p_stat_file_out )
1187     {
1188         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_stat_file_out );
1189         fclose( rc->p_stat_file_out );
1190         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1191             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
1192             {
1193                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1194                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
1195             }
1196         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
1197     }
1198     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
1199     {
1200         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1201         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1202         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1203             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
1204             {
1205                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1206                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1207             }
1208         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
1209         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1210     }
1211     if( rc->p_mbtree_stat_file_in )
1212         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_in );
1213     x264_free( rc->pred );
1214     x264_free( rc->pred_b_from_p );
1215     x264_free( rc->entry );
1216     x264_free( rc->qp_buffer[0] );
1217     x264_free( rc->qp_buffer[1] );
1218     if( rc->zones )
1219     {
1220         x264_free( rc->zones[0].param );
1221         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1222             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
1223                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
1224         x264_free( rc->zones );
1225     }
1226     x264_free( rc );
1227 }
1228
1229 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
1230 {
1231     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1232     rc->accum_p_qp   *= .95;
1233     rc->accum_p_norm *= .95;
1234     rc->accum_p_norm += 1;
1235     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
1236         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
1237     else
1238         rc->accum_p_qp += qp;
1239 }
1240
1241 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
1242 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp, int overhead )
1243 {
1244     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1245     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
1246     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
1247     float q;
1248
1249     x264_emms();
1250
1251     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
1252         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
1253     rc->prev_zone = zone;
1254
1255     if( h->param.rc.b_stat_read )
1256     {
1257         int frame = h->fenc->i_frame;
1258         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
1259         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
1260
1261         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
1262             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
1263         {
1264             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
1265             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
1266         }
1267     }
1268
1269     if( rc->b_vbv )
1270     {
1271         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(int) );
1272         memset( h->fdec->f_row_qp, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(float) );
1273         memset( h->fdec->f_row_qscale, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(float) );
1274         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
1275         rc->buffer_rate = h->fenc->i_cpb_duration * rc->vbv_max_rate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1276         update_vbv_plan( h, overhead );
1277
1278         const x264_level_t *l = x264_levels;
1279         while( l->level_idc != 0 && l->level_idc != h->param.i_level_idc )
1280             l++;
1281
1282         int mincr = l->mincr;
1283
1284         if( h->param.b_bluray_compat )
1285             mincr = 4;
1286
1287         /* Profiles above High don't require minCR, so just set the maximum to a large value. */
1288         if( h->sps->i_profile_idc > PROFILE_HIGH )
1289             rc->frame_size_maximum = 1e9;
1290         else
1291         {
1292             /* The spec has a bizarre special case for the first frame. */
1293             if( h->i_frame == 0 )
1294             {
1295                 //384 * ( Max( PicSizeInMbs, fR * MaxMBPS ) + MaxMBPS * ( tr( 0 ) - tr,n( 0 ) ) ) / MinCR
1296                 double fr = 1. / 172;
1297                 int pic_size_in_mbs = h->mb.i_mb_width * h->mb.i_mb_height;
1298                 rc->frame_size_maximum = 384 * BIT_DEPTH * X264_MAX( pic_size_in_mbs, fr*l->mbps ) / mincr;
1299             }
1300             else
1301             {
1302                 //384 * MaxMBPS * ( tr( n ) - tr( n - 1 ) ) / MinCR
1303                 rc->frame_size_maximum = 384 * BIT_DEPTH * ((double)h->fenc->i_cpb_duration * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale) * l->mbps / mincr;
1304             }
1305         }
1306     }
1307
1308     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1309         rc->bframes = h->fenc->i_bframes;
1310
1311     if( rc->b_abr )
1312     {
1313         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
1314     }
1315     else if( rc->b_2pass )
1316     {
1317         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
1318         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
1319     }
1320     else /* CQP */
1321     {
1322         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
1323             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
1324         else
1325             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
1326
1327         if( zone )
1328         {
1329             if( zone->b_force_qp )
1330                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
1331             else
1332                 q -= 6*log2f( zone->f_bitrate_factor );
1333         }
1334     }
1335     if( i_force_qp != X264_QP_AUTO )
1336         q = i_force_qp - 1;
1337
1338     q = x264_clip3f( q, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1339
1340     rc->qpa_rc = rc->qpa_rc_prev =
1341     rc->qpa_aq = rc->qpa_aq_prev = 0;
1342     rc->qp = x264_clip3( q + 0.5f, 0, QP_MAX );
1343     h->fdec->f_qp_avg_rc =
1344     h->fdec->f_qp_avg_aq =
1345     rc->qpm = q;
1346     if( rce )
1347         rce->new_qp = rc->qp;
1348
1349     accum_p_qp_update( h, rc->qpm );
1350
1351     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1352         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
1353 }
1354
1355 static float predict_row_size( x264_t *h, int y, float qscale )
1356 {
1357     /* average between two predictors:
1358      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
1359     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1360     float pred_s = predict_size( rc->row_pred[0], qscale, h->fdec->i_row_satd[y] );
1361     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I || qscale >= h->fref[0][0]->f_row_qscale[y] )
1362     {
1363         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P
1364             && h->fref[0][0]->i_type == h->fdec->i_type
1365             && h->fref[0][0]->f_row_qscale[y] > 0
1366             && h->fref[0][0]->i_row_satd[y] > 0
1367             && (abs(h->fref[0][0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
1368         {
1369             float pred_t = h->fref[0][0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref[0][0]->i_row_satd[y]
1370                          * h->fref[0][0]->f_row_qscale[y] / qscale;
1371             return (pred_s + pred_t) * 0.5f;
1372         }
1373         return pred_s;
1374     }
1375     /* Our QP is lower than the reference! */
1376     else
1377     {
1378         float pred_intra = predict_size( rc->row_pred[1], qscale, h->fdec->i_row_satds[0][0][y] );
1379         /* Sum: better to overestimate than underestimate by using only one of the two predictors. */
1380         return pred_intra + pred_s;
1381     }
1382 }
1383
1384 static int row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1385 {
1386     int bits = 0;
1387     for( int i = h->i_threadslice_start; i <= y; i++ )
1388         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1389     return bits;
1390 }
1391
1392 static float predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, float qp )
1393 {
1394     float qscale = qp2qscale( qp );
1395     float bits = row_bits_so_far( h, y );
1396     for( int i = y+1; i < h->i_threadslice_end; i++ )
1397         bits += predict_row_size( h, i, qscale );
1398     return bits;
1399 }
1400
1401 /* TODO:
1402  *  eliminate all use of qp in row ratecontrol: make it entirely qscale-based.
1403  *  make this function stop being needlessly O(N^2)
1404  *  update more often than once per row? */
1405 int x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1406 {
1407     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1408     const int y = h->mb.i_mb_y;
1409
1410     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1411     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1412
1413     if( h->mb.i_mb_x != h->mb.i_mb_width - 1 )
1414         return 0;
1415
1416     x264_emms();
1417     rc->qpa_rc += rc->qpm * h->mb.i_mb_width;
1418
1419     if( !rc->b_vbv )
1420         return 0;
1421
1422     float qscale = qp2qscale( rc->qpm );
1423     h->fdec->f_row_qp[y] = rc->qpm;
1424     h->fdec->f_row_qscale[y] = qscale;
1425
1426     update_predictor( rc->row_pred[0], qscale, h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1427     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && rc->qpm < h->fref[0][0]->f_row_qp[y] )
1428         update_predictor( rc->row_pred[1], qscale, h->fdec->i_row_satds[0][0][y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1429
1430     /* update ratecontrol per-mbpair in MBAFF */
1431     if( SLICE_MBAFF && !(y&1) )
1432         return 0;
1433
1434     /* FIXME: We don't currently support the case where there's a slice
1435      * boundary in between. */
1436     int can_reencode_row = h->sh.i_first_mb <= ((h->mb.i_mb_y - SLICE_MBAFF) * h->mb.i_mb_stride);
1437
1438     /* tweak quality based on difference from predicted size */
1439     float prev_row_qp = h->fdec->f_row_qp[y];
1440     float qp_absolute_max = h->param.rc.i_qp_max;
1441     if( rc->rate_factor_max_increment )
1442         qp_absolute_max = X264_MIN( qp_absolute_max, rc->qp_novbv + rc->rate_factor_max_increment );
1443     float qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, qp_absolute_max );
1444     float qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1445     float step_size = 0.5f;
1446     float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1447     float slice_size_planned = h->param.b_sliced_threads ? rc->slice_size_planned : rc->frame_size_planned;
1448     float max_frame_error = X264_MAX( 0.05f, 1.0f / h->mb.i_mb_height );
1449     float size_of_other_slices = 0;
1450     if( h->param.b_sliced_threads )
1451     {
1452         float size_of_other_slices_planned = 0;
1453         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1454             if( h != h->thread[i] )
1455             {
1456                 size_of_other_slices += h->thread[i]->rc->frame_size_estimated;
1457                 size_of_other_slices_planned += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
1458             }
1459         float weight = rc->slice_size_planned / rc->frame_size_planned;
1460         size_of_other_slices = (size_of_other_slices - size_of_other_slices_planned) * weight + size_of_other_slices_planned;
1461     }
1462     if( y < h->i_threadslice_end-1 )
1463     {
1464         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames. */
1465         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1466         {
1467             qp_min = X264_MAX( qp_min, X264_MAX( h->fref[0][0]->f_row_qp[y+1], h->fref[1][0]->f_row_qp[y+1] ) );
1468             rc->qpm = X264_MAX( rc->qpm, qp_min );
1469         }
1470
1471         /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits. */
1472         float rc_tol = buffer_left_planned / h->param.i_threads * rc->rate_tolerance;
1473         float b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1474
1475         /* Don't increase the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1476         /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1477         if( row_bits_so_far( h, y ) < 0.05f * slice_size_planned )
1478             qp_max = qp_absolute_max = prev_row_qp;
1479
1480         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I )
1481             rc_tol *= 0.5f;
1482
1483         if( !rc->b_vbv_min_rate )
1484             qp_min = X264_MAX( qp_min, rc->qp_novbv );
1485
1486         while( rc->qpm < qp_max
1487                && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1488                    (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5f) ||
1489                    (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1490         {
1491             rc->qpm += step_size;
1492             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1493         }
1494
1495         while( rc->qpm > qp_min
1496                && (rc->qpm > h->fdec->f_row_qp[0] || rc->single_frame_vbv)
1497                && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8f && rc->qpm <= prev_row_qp)
1498                || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1f) )
1499         {
1500             rc->qpm -= step_size;
1501             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1502         }
1503
1504         /* avoid VBV underflow or MinCR violation */
1505         while( (rc->qpm < qp_absolute_max)
1506                && ((rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_rate * max_frame_error) ||
1507                    (rc->frame_size_maximum - b1 < rc->frame_size_maximum * max_frame_error)))
1508         {
1509             rc->qpm += step_size;
1510             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1511         }
1512
1513         h->rc->frame_size_estimated = b1 - size_of_other_slices;
1514
1515         /* If the current row was large enough to cause a large QP jump, try re-encoding it. */
1516         if( rc->qpm > qp_max && prev_row_qp < qp_max && can_reencode_row )
1517         {
1518             /* Bump QP to halfway in between... close enough. */
1519             rc->qpm = x264_clip3f( (prev_row_qp + rc->qpm)*0.5f, prev_row_qp + 1.0f, qp_max );
1520             rc->qpa_rc = rc->qpa_rc_prev;
1521             rc->qpa_aq = rc->qpa_aq_prev;
1522             h->fdec->i_row_bits[y] = h->fdec->i_row_bits[y-SLICE_MBAFF] = 0;
1523             return -1;
1524         }
1525     }
1526     else
1527     {
1528         h->rc->frame_size_estimated = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1529
1530         /* Last-ditch attempt: if the last row of the frame underflowed the VBV,
1531          * try again. */
1532         if( (h->rc->frame_size_estimated + size_of_other_slices) > (rc->buffer_fill - rc->buffer_rate * max_frame_error) &&
1533              rc->qpm < qp_max && can_reencode_row )
1534         {
1535             rc->qpm = qp_max;
1536             rc->qpa_rc = rc->qpa_rc_prev;
1537             rc->qpa_aq = rc->qpa_aq_prev;
1538             h->fdec->i_row_bits[y] = h->fdec->i_row_bits[y-SLICE_MBAFF] = 0;
1539             return -1;
1540         }
1541     }
1542
1543     rc->qpa_rc_prev = rc->qpa_rc;
1544     rc->qpa_aq_prev = rc->qpa_aq;
1545
1546     return 0;
1547 }
1548
1549 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1550 {
1551     x264_emms();
1552     return x264_clip3( h->rc->qpm + 0.5f, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1553 }
1554
1555 int x264_ratecontrol_mb_qp( x264_t *h )
1556 {
1557     x264_emms();
1558     float qp = h->rc->qpm;
1559     if( h->param.rc.i_aq_mode )
1560     {
1561          /* MB-tree currently doesn't adjust quantizers in unreferenced frames. */
1562         float qp_offset = h->fdec->b_kept_as_ref ? h->fenc->f_qp_offset[h->mb.i_mb_xy] : h->fenc->f_qp_offset_aq[h->mb.i_mb_xy];
1563         /* Scale AQ's effect towards zero in emergency mode. */
1564         if( qp > QP_MAX_SPEC )
1565             qp_offset *= (QP_MAX - qp) / (QP_MAX - QP_MAX_SPEC);
1566         qp += qp_offset;
1567     }
1568     return x264_clip3( qp + 0.5f, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1569 }
1570
1571 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1572 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1573 {
1574     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1575     if( h->param.rc.b_stat_read )
1576     {
1577         if( frame_num >= rc->num_entries )
1578         {
1579             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1580              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1581              * So just calculate the average QP used so far. */
1582             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24 + QP_BD_OFFSET
1583                                       : 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
1584             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, QP_MAX );
1585             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( (int)( qscale2qp( qp2qscale( h->param.rc.i_qp_constant ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor )) + 0.5 ), 0, QP_MAX );
1586             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( (int)( qscale2qp( qp2qscale( h->param.rc.i_qp_constant ) * fabs( h->param.rc.f_pb_factor )) + 0.5 ), 0, QP_MAX );
1587
1588             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries );
1589             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant );
1590             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1591                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n" );
1592
1593             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1594             {
1595                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1596                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1597                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1598                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1599                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1600                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1601                 h->thread[i]->param.rc.b_mb_tree = 0;
1602                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1603                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1604             }
1605             return X264_TYPE_AUTO;
1606         }
1607         return rc->entry[frame_num].frame_type;
1608     }
1609     else
1610         return X264_TYPE_AUTO;
1611 }
1612
1613 void x264_ratecontrol_set_weights( x264_t *h, x264_frame_t *frm )
1614 {
1615     ratecontrol_entry_t *rce = &h->rc->entry[frm->i_frame];
1616     if( h->param.analyse.i_weighted_pred <= 0 )
1617         return;
1618
1619     if( rce->i_weight_denom[0] >= 0 )
1620         SET_WEIGHT( frm->weight[0][0], 1, rce->weight[0][0], rce->i_weight_denom[0], rce->weight[0][1] );
1621
1622     if( rce->i_weight_denom[1] >= 0 )
1623     {
1624         SET_WEIGHT( frm->weight[0][1], 1, rce->weight[1][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[1][1] );
1625         SET_WEIGHT( frm->weight[0][2], 1, rce->weight[2][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[2][1] );
1626     }
1627 }
1628
1629 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1630 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits, int *filler )
1631 {
1632     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1633     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1634
1635     x264_emms();
1636
1637     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1638     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1639     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1640     for( int i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1641         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1642
1643     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1644     h->fdec->f_qp_avg_aq = (float)rc->qpa_aq / h->mb.i_mb_count;
1645
1646     if( h->param.rc.b_stat_write )
1647     {
1648         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1649                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1650                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1651         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1652         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1653         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1654                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1655                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1656                         : '-';
1657         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1658                  "in:%d out:%d type:%c dur:%"PRId64" cpbdur:%"PRId64" q:%.2f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c ref:",
1659                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1660                  c_type, h->fenc->i_duration,
1661                  h->fenc->i_cpb_duration, rc->qpa_rc,
1662                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1663                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1664                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1665                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1666                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1667                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1668                  c_direct) < 0 )
1669             goto fail;
1670
1671         /* Only write information for reference reordering once. */
1672         int use_old_stats = h->param.rc.b_stat_read && rc->rce->refs > 1;
1673         for( int i = 0; i < (use_old_stats ? rc->rce->refs : h->i_ref[0]); i++ )
1674         {
1675             int refcount = use_old_stats         ? rc->rce->refcount[i]
1676                          : PARAM_INTERLACED      ? h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2]
1677                                                  + h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2+1]
1678                          :                         h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i];
1679             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "%d ", refcount ) < 0 )
1680                 goto fail;
1681         }
1682
1683         if( h->param.analyse.i_weighted_pred >= X264_WEIGHTP_SIMPLE && h->sh.weight[0][0].weightfn )
1684         {
1685             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "w:%d,%d,%d",
1686                          h->sh.weight[0][0].i_denom, h->sh.weight[0][0].i_scale, h->sh.weight[0][0].i_offset ) < 0 )
1687                 goto fail;
1688             if( h->sh.weight[0][1].weightfn || h->sh.weight[0][2].weightfn )
1689             {
1690                 if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ",%d,%d,%d,%d,%d ",
1691                              h->sh.weight[0][1].i_denom, h->sh.weight[0][1].i_scale, h->sh.weight[0][1].i_offset,
1692                              h->sh.weight[0][2].i_scale, h->sh.weight[0][2].i_offset ) < 0 )
1693                     goto fail;
1694             }
1695             else if( fprintf( rc->p_stat_file_out, " " ) < 0 )
1696                 goto fail;
1697         }
1698
1699         if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ";\n") < 0 )
1700             goto fail;
1701
1702         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1703         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1704         {
1705             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1706             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1707             for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1708                 rc->qp_buffer[0][i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1709             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1710                 goto fail;
1711             if( fwrite( rc->qp_buffer[0], sizeof(uint16_t), h->mb.i_mb_count, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < h->mb.i_mb_count )
1712                 goto fail;
1713         }
1714     }
1715
1716     if( rc->b_abr )
1717     {
1718         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1719             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / rc->last_rceq;
1720         else
1721         {
1722             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1723              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1724             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / (rc->last_rceq * fabs( h->param.rc.f_pb_factor ));
1725         }
1726         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1727         rc->wanted_bits_window += h->fenc->f_duration * rc->bitrate;
1728         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1729     }
1730
1731     if( rc->b_2pass )
1732         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale( rc->rce->new_qp ) );
1733
1734     if( h->mb.b_variable_qp )
1735     {
1736         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1737         {
1738             rc->bframe_bits += bits;
1739             if( h->fenc->b_last_minigop_bframe )
1740             {
1741                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale( rc->qpa_rc ),
1742                                   h->fref[1][h->i_ref[1]-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1743                 rc->bframe_bits = 0;
1744             }
1745         }
1746     }
1747
1748     *filler = update_vbv( h, bits );
1749     rc->filler_bits_sum += *filler * 8;
1750
1751     if( h->sps->vui.b_nal_hrd_parameters_present )
1752     {
1753         if( h->fenc->i_frame == 0 )
1754         {
1755             // access unit initialises the HRD
1756             h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = 0;
1757             rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1758             rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1759             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit = (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1760         }
1761         else
1762         {
1763             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit + (double)(h->fenc->i_cpb_delay - h->i_cpb_delay_pir_offset) *
1764                                                    h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1765
1766             double cpb_earliest_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time - (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1767             if( h->fenc->b_keyframe )
1768             {
1769                  rc->nrt_first_access_unit = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1770                  rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1771                  rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1772             }
1773             else
1774                  cpb_earliest_arrival_time -= (double)rc->initial_cpb_removal_delay_offset / 90000;
1775
1776             if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd )
1777                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time;
1778             else
1779                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = X264_MAX( rc->previous_cpb_final_arrival_time, cpb_earliest_arrival_time );
1780         }
1781         int filler_bits = *filler ? X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), *filler )*8 : 0;
1782         // Equation C-6
1783         h->fenc->hrd_timing.cpb_final_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time +
1784                                                      (double)(bits + filler_bits) / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1785
1786         h->fenc->hrd_timing.dpb_output_time = (double)h->fenc->i_dpb_output_delay * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale +
1787                                               h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1788     }
1789
1790     return 0;
1791 fail:
1792     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n" );
1793     return -1;
1794 }
1795
1796 /****************************************************************************
1797  * 2 pass functions
1798  ***************************************************************************/
1799
1800 /**
1801  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1802  */
1803 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1804 {
1805     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1806     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1807     double q;
1808     if( h->param.rc.b_mb_tree )
1809     {
1810         double timescale = (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1811         q = pow( BASE_FRAME_DURATION / CLIP_DURATION(rce->i_duration * timescale), 1 - h->param.rc.f_qcompress );
1812     }
1813     else
1814         q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1815
1816     // avoid NaN's in the rc_eq
1817     if( !isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0 )
1818         q = rcc->last_qscale_for[rce->pict_type];
1819     else
1820     {
1821         rcc->last_rceq = q;
1822         q /= rate_factor;
1823         rcc->last_qscale = q;
1824     }
1825
1826     if( zone )
1827     {
1828         if( zone->b_force_qp )
1829             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1830         else
1831             q /= zone->f_bitrate_factor;
1832     }
1833
1834     return q;
1835 }
1836
1837 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q, int frame_num)
1838 {
1839     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1840     const int pict_type = rce->pict_type;
1841     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1842
1843     // force I/B quants as a function of P quants
1844     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1845     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1846     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1847     {
1848         double iq = q;
1849         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1850         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1851         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1852         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1853             q = iq;
1854         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1855             q = iq / ip_factor;
1856         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1857             q = pq / ip_factor;
1858         else
1859             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1860     }
1861     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1862     {
1863         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1864             q = last_non_b_q;
1865         if( !rce->kept_as_ref )
1866             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1867     }
1868     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1869              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1870              && rce->tex_bits == 0 )
1871     {
1872         q = last_p_q;
1873     }
1874
1875     /* last qscale / qdiff stuff */
1876     if( rcc->last_non_b_pict_type == pict_type &&
1877         (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1) )
1878     {
1879         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1880         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1881         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1882
1883         if     ( q > max_qscale ) q = max_qscale;
1884         else if( q < min_qscale ) q = min_qscale;
1885     }
1886
1887     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1888     if( pict_type != SLICE_TYPE_B )
1889         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1890     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1891     {
1892         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1893         rcc->accum_p_norm = 0;
1894         rcc->accum_p_qp = 0;
1895     }
1896     if( pict_type == SLICE_TYPE_P )
1897     {
1898         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1899         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp( q ) + rcc->accum_p_qp);
1900         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1901     }
1902
1903     if( zone )
1904     {
1905         if( zone->b_force_qp )
1906             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1907         else
1908             q /= zone->f_bitrate_factor;
1909     }
1910
1911     return q;
1912 }
1913
1914 static float predict_size( predictor_t *p, float q, float var )
1915 {
1916     return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1917 }
1918
1919 static void update_predictor( predictor_t *p, float q, float var, float bits )
1920 {
1921     float range = 1.5;
1922     if( var < 10 )
1923         return;
1924     float old_coeff = p->coeff / p->count;
1925     float new_coeff = bits*q / var;
1926     float new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1927     float new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1928     if( new_offset >= 0 )
1929         new_coeff = new_coeff_clipped;
1930     else
1931         new_offset = 0;
1932     p->count  *= p->decay;
1933     p->coeff  *= p->decay;
1934     p->offset *= p->decay;
1935     p->count  ++;
1936     p->coeff  += new_coeff;
1937     p->offset += new_offset;
1938 }
1939
1940 // update VBV after encoding a frame
1941 static int update_vbv( x264_t *h, int bits )
1942 {
1943     int filler = 0;
1944     int bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1945     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1946     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1947     uint64_t buffer_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1948
1949     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1950         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale( rcc->qpa_rc ), rcc->last_satd, bits );
1951
1952     if( !rcc->b_vbv )
1953         return filler;
1954
1955     rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1956
1957     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1958         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV underflow (frame %d, %.0f bits)\n", h->i_frame, (double)rct->buffer_fill_final / h->sps->vui.i_time_scale );
1959     rct->buffer_fill_final = X264_MAX( rct->buffer_fill_final, 0 );
1960     rct->buffer_fill_final += (uint64_t)bitrate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick * h->fenc->i_cpb_duration;
1961
1962     if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd && rct->buffer_fill_final > buffer_size )
1963     {
1964         int64_t scale = (int64_t)h->sps->vui.i_time_scale * 8;
1965         filler = (rct->buffer_fill_final - buffer_size + scale - 1) / scale;
1966         bits = X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), filler ) * 8;
1967         rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1968     }
1969     else
1970         rct->buffer_fill_final = X264_MIN( rct->buffer_fill_final, buffer_size );
1971
1972     return filler;
1973 }
1974
1975 void x264_hrd_fullness( x264_t *h )
1976 {
1977     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1978     uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale / rct->hrd_multiply_denom;
1979     uint64_t cpb_state = rct->buffer_fill_final;
1980     uint64_t cpb_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1981     uint64_t multiply_factor = 180000 / rct->hrd_multiply_denom;
1982
1983     if( rct->buffer_fill_final < 0 || rct->buffer_fill_final > cpb_size )
1984     {
1985          x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CPB %s: %.0lf bits in a %.0lf-bit buffer\n",
1986                    rct->buffer_fill_final < 0 ? "underflow" : "overflow", (float)rct->buffer_fill_final/denom, (float)cpb_size/denom );
1987     }
1988
1989     h->initial_cpb_removal_delay = (multiply_factor * cpb_state + denom) / (2*denom);
1990     h->initial_cpb_removal_delay_offset = (multiply_factor * cpb_size + denom) / (2*denom) - h->initial_cpb_removal_delay;
1991 }
1992
1993 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1994 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead )
1995 {
1996     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1997     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final / h->sps->vui.i_time_scale;
1998     if( h->i_thread_frames > 1 )
1999     {
2000         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
2001         for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
2002         {
2003             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
2004             double bits = t->rc->frame_size_planned;
2005             if( !t->b_thread_active )
2006                 continue;
2007             bits = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
2008             rcc->buffer_fill -= bits;
2009             rcc->buffer_fill = X264_MAX( rcc->buffer_fill, 0 );
2010             rcc->buffer_fill += t->rc->buffer_rate;
2011             rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
2012         }
2013     }
2014     rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
2015     rcc->buffer_fill -= overhead;
2016 }
2017
2018 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
2019 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
2020 {
2021     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2022     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
2023     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
2024     if( rcc->rate_factor_max_increment )
2025         lmax = X264_MIN( lmax, qp2qscale( rcc->qp_novbv + rcc->rate_factor_max_increment ) );
2026     double q0 = q;
2027
2028     /* B-frames are not directly subject to VBV,
2029      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
2030
2031     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
2032     {
2033         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
2034          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
2035          * by the end of the lookahead. */
2036         if( h->param.rc.i_lookahead )
2037         {
2038             int terminate = 0;
2039
2040             /* Avoid an infinite loop. */
2041             for( int iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
2042             {
2043                 double frame_q[3];
2044                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2045                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits;
2046                 double target_fill;
2047                 double total_duration = 0;
2048                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
2049                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
2050                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
2051
2052                 /* Loop over the planned future frames. */
2053                 for( int j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
2054                 {
2055                     total_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
2056                     buffer_fill_cur += rcc->vbv_max_rate * h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
2057                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
2058                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
2059                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
2060                         break;
2061                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
2062                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
2063                     buffer_fill_cur -= cur_bits;
2064                 }
2065                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
2066                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
2067                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
2068                 {
2069                     q *= 1.01;
2070                     terminate |= 1;
2071                     continue;
2072                 }
2073                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
2074                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
2075                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
2076                 {
2077                     q /= 1.01;
2078                     terminate |= 2;
2079                     continue;
2080                 }
2081                 break;
2082             }
2083         }
2084         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
2085         else
2086         {
2087             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
2088                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
2089                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
2090             {
2091                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
2092             }
2093
2094             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
2095              * This one is mostly for I-frames. */
2096             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2097             double qf = 1.0;
2098             /* For small VBVs, allow the frame to use up the entire VBV. */
2099             double max_fill_factor = h->param.rc.i_vbv_buffer_size >= 5*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rcc->fps ? 2 : 1;
2100             /* For single-frame VBVs, request that the frame use up the entire VBV. */
2101             double min_fill_factor = rcc->single_frame_vbv ? 1 : 2;
2102
2103             if( bits > rcc->buffer_fill/max_fill_factor )
2104                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(max_fill_factor*bits), 0.2, 1.0 );
2105             q /= qf;
2106             bits *= qf;
2107             if( bits < rcc->buffer_rate/min_fill_factor )
2108                 q *= bits*min_fill_factor/rcc->buffer_rate;
2109             q = X264_MAX( q0, q );
2110         }
2111
2112         /* Apply MinCR restrictions */
2113         double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2114         if( bits > rcc->frame_size_maximum )
2115             q *= bits / rcc->frame_size_maximum;
2116         bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2117
2118         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
2119          * overflow before the next P-frame. */
2120         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && !rcc->single_frame_vbv )
2121         {
2122             int nb = rcc->bframes;
2123             double pbbits = bits;
2124             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
2125             double space;
2126             double bframe_cpb_duration = 0;
2127             double minigop_cpb_duration;
2128             for( int i = 0; i < nb; i++ )
2129                 bframe_cpb_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[1+i];
2130
2131             if( bbits * nb > bframe_cpb_duration * rcc->vbv_max_rate )
2132                 nb = 0;
2133             pbbits += nb * bbits;
2134
2135             minigop_cpb_duration = bframe_cpb_duration + h->fenc->f_planned_cpb_duration[0];
2136             space = rcc->buffer_fill + minigop_cpb_duration*rcc->vbv_max_rate - rcc->buffer_size;
2137             if( pbbits < space )
2138             {
2139                 q *= X264_MAX( pbbits / space, bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
2140             }
2141             q = X264_MAX( q0/2, q );
2142         }
2143
2144         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
2145             q = X264_MAX( q0, q );
2146     }
2147
2148     if( lmin==lmax )
2149         return lmin;
2150     else if( rcc->b_2pass )
2151     {
2152         double min2 = log( lmin );
2153         double max2 = log( lmax );
2154         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
2155         q = 1.0/(1.0 + exp( -4*q ));
2156         q = q*(max2-min2) + min2;
2157         return exp( q );
2158     }
2159     else
2160         return x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2161 }
2162
2163 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
2164 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
2165 {
2166     float q;
2167     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2168     ratecontrol_entry_t UNINIT(rce);
2169     int pict_type = h->sh.i_type;
2170     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_I]
2171                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_P]
2172                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_B])
2173                        - rcc->filler_bits_sum;
2174
2175     if( rcc->b_2pass )
2176     {
2177         rce = *rcc->rce;
2178         if( pict_type != rce.pict_type )
2179         {
2180             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
2181                       slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type] );
2182         }
2183     }
2184
2185     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
2186     {
2187         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
2188          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
2189
2190         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref_nearest[0]->i_type);
2191         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref_nearest[1]->i_type);
2192         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref_nearest[0]->i_poc);
2193         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref_nearest[1]->i_poc);
2194         float q0 = h->fref_nearest[0]->f_qp_avg_rc;
2195         float q1 = h->fref_nearest[1]->f_qp_avg_rc;
2196
2197         if( h->fref_nearest[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2198             q0 -= rcc->pb_offset/2;
2199         if( h->fref_nearest[1]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2200             q1 -= rcc->pb_offset/2;
2201
2202         if( i0 && i1 )
2203             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
2204         else if( i0 )
2205             q = q1;
2206         else if( i1 )
2207             q = q0;
2208         else
2209             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
2210
2211         if( h->fenc->b_kept_as_ref )
2212             q += rcc->pb_offset/2;
2213         else
2214             q += rcc->pb_offset;
2215
2216         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2217             rcc->frame_size_planned = qscale2bits( &rce, qp2qscale( q ) );
2218         else
2219             rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, qp2qscale( q ), h->fref[1][h->i_ref[1]-1]->i_satd );
2220         /* Limit planned size by MinCR */
2221         if( rcc->b_vbv )
2222             rcc->frame_size_planned = X264_MIN( rcc->frame_size_planned, rcc->frame_size_maximum );
2223         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2224
2225         /* For row SATDs */
2226         if( rcc->b_vbv )
2227             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2228         rcc->qp_novbv = q;
2229         return qp2qscale( q );
2230     }
2231     else
2232     {
2233         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
2234
2235         if( rcc->b_2pass )
2236         {
2237             double lmin = rcc->lmin[pict_type];
2238             double lmax = rcc->lmax[pict_type];
2239             int64_t diff;
2240             int64_t predicted_bits = total_bits;
2241
2242             if( rcc->b_vbv )
2243             {
2244                 if( h->i_thread_frames > 1 )
2245                 {
2246                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
2247                     for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
2248                     {
2249                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
2250                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
2251                         if( !t->b_thread_active )
2252                             continue;
2253                         bits = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
2254                         predicted_bits += (int64_t)bits;
2255                     }
2256                 }
2257             }
2258             else
2259             {
2260                 if( h->i_frame < h->i_thread_frames )
2261                     predicted_bits += (int64_t)h->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
2262                 else
2263                     predicted_bits += (int64_t)(h->i_thread_frames - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
2264             }
2265
2266             /* Adjust ABR buffer based on distance to the end of the video. */
2267             if( rcc->num_entries > h->i_frame )
2268             {
2269                 double final_bits = rcc->entry[rcc->num_entries-1].expected_bits;
2270                 double video_pos = rce.expected_bits / final_bits;
2271                 double scale_factor = sqrt( (1 - video_pos) * rcc->num_entries );
2272                 abr_buffer *= 0.5 * X264_MAX( scale_factor, 0.5 );
2273             }
2274
2275             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
2276             q = rce.new_qscale;
2277             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
2278             if( ((h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames) >= rcc->fps) &&
2279                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
2280             {
2281                 /* Adjust quant based on the difference between
2282                  * achieved and expected bitrate so far */
2283                 double cur_time = (double)h->i_frame / rcc->num_entries;
2284                 double w = x264_clip3f( cur_time*100, 0.0, 1.0 );
2285                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
2286             }
2287             if( rcc->b_vbv )
2288             {
2289                 /* Do not overflow vbv */
2290                 double expected_size = qscale2bits( &rce, q );
2291                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2292                 double expected_fullness = rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
2293                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
2294                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
2295                 qmax = X264_MAX( qmax, rce.new_qscale );
2296                 if( expected_fullness < .05 )
2297                     qmax = lmax;
2298                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
2299                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
2300                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
2301                 {
2302                     q *= 1.05;
2303                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
2304                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2305                 }
2306                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2307             }
2308             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2309         }
2310         else /* 1pass ABR */
2311         {
2312             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
2313              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
2314              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
2315              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
2316              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
2317              * the target.
2318              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
2319              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
2320              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
2321
2322             double wanted_bits, overflow = 1;
2323
2324             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2325             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
2326             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
2327             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd / (CLIP_DURATION(h->fenc->f_duration) / BASE_FRAME_DURATION);
2328             rcc->short_term_cplxcount ++;
2329
2330             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
2331             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
2332             rce.mv_bits = 0;
2333             rce.p_count = rcc->nmb;
2334             rce.i_count = 0;
2335             rce.s_count = 0;
2336             rce.qscale = 1;
2337             rce.pict_type = pict_type;
2338             rce.i_duration = h->fenc->i_duration;
2339
2340             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
2341             {
2342                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
2343             }
2344             else
2345             {
2346                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
2347
2348                 /* ABR code can potentially be counterproductive in CBR, so just don't bother.
2349                  * Don't run it if the frame complexity is zero either. */
2350                 if( !rcc->b_vbv_min_rate && rcc->last_satd )
2351                 {
2352                     // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
2353                     int i_frame_done = h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames;
2354                     double time_done = i_frame_done / rcc->fps;
2355                     if( h->param.b_vfr_input && i_frame_done > 0 )
2356                         time_done = ((double)(h->fenc->i_reordered_pts - h->i_reordered_pts_delay)) * h->param.i_timebase_num / h->param.i_timebase_den;
2357                     wanted_bits = time_done * rcc->bitrate;
2358                     if( wanted_bits > 0 )
2359                     {
2360                         abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt( time_done ) );
2361                         overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
2362                         q *= overflow;
2363                     }
2364                 }
2365             }
2366
2367             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
2368                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
2369                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
2370             {
2371                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
2372                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2373             }
2374             else if( h->i_frame > 0 )
2375             {
2376                 if( h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CRF )
2377                 {
2378                     /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
2379                      * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
2380                     double lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
2381                     double lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
2382                     if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
2383                         lmax *= rcc->lstep;
2384                     else if( overflow < 0.9 )
2385                         lmin /= rcc->lstep;
2386
2387                     q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
2388                 }
2389             }
2390             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && rcc->qcompress != 1 )
2391             {
2392                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2393             }
2394             rcc->qp_novbv = qscale2qp( q );
2395
2396             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
2397             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
2398         }
2399
2400         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
2401         rcc->last_qscale = q;
2402
2403         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
2404             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q * fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2405
2406         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2407             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
2408         else
2409             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2410
2411         /* Always use up the whole VBV in this case. */
2412         if( rcc->single_frame_vbv )
2413             rcc->frame_size_planned = rcc->buffer_rate;
2414         /* Limit planned size by MinCR */
2415         if( rcc->b_vbv )
2416             rcc->frame_size_planned = X264_MIN( rcc->frame_size_planned, rcc->frame_size_maximum );
2417         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2418         return q;
2419     }
2420 }
2421
2422 static void x264_threads_normalize_predictors( x264_t *h )
2423 {
2424     double totalsize = 0;
2425     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2426         totalsize += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2427     double factor = h->rc->frame_size_planned / totalsize;
2428     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2429         h->thread[i]->rc->slice_size_planned *= factor;
2430 }
2431
2432 void x264_threads_distribute_ratecontrol( x264_t *h )
2433 {
2434     int row;
2435     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2436
2437     /* Initialize row predictors */
2438     if( h->i_frame == 0 )
2439         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2440         {
2441             x264_ratecontrol_t *t = h->thread[i]->rc;
2442             memcpy( t->row_preds, rc->row_preds, sizeof(rc->row_preds) );
2443         }
2444
2445     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2446     {
2447         x264_t *t = h->thread[i];
2448         memcpy( t->rc, rc, offsetof(x264_ratecontrol_t, row_pred) );
2449         t->rc->row_pred = &t->rc->row_preds[h->sh.i_type];
2450         /* Calculate the planned slice size. */
2451         if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2452         {
2453             int size = 0;
2454             for( row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2455                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2456             t->rc->slice_size_planned = predict_size( &rc->pred[h->sh.i_type + (i+1)*5], rc->qpm, size );
2457         }
2458         else
2459             t->rc->slice_size_planned = 0;
2460     }
2461     if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2462     {
2463         x264_threads_normalize_predictors( h );
2464
2465         if( rc->single_frame_vbv )
2466         {
2467             /* Compensate for our max frame error threshold: give more bits (proportionally) to smaller slices. */
2468             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2469             {
2470                 x264_t *t = h->thread[i];
2471                 float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) );
2472                 t->rc->slice_size_planned += 2 * max_frame_error * rc->frame_size_planned;
2473             }
2474             x264_threads_normalize_predictors( h );
2475         }
2476
2477         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2478             h->thread[i]->rc->frame_size_estimated = h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2479     }
2480 }
2481
2482 void x264_threads_merge_ratecontrol( x264_t *h )
2483 {
2484     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2485     x264_emms();
2486
2487     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2488     {
2489         x264_t *t = h->thread[i];
2490         x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[i]->rc;
2491         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
2492         {
2493             int size = 0;
2494             for( int row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2495                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2496             int bits = t->stat.frame.i_mv_bits + t->stat.frame.i_tex_bits + t->stat.frame.i_misc_bits;
2497             int mb_count = (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) * h->mb.i_mb_width;
2498             update_predictor( &rc->pred[h->sh.i_type+(i+1)*5], qp2qscale( rct->qpa_rc/mb_count ), size, bits );
2499         }
2500         if( !i )
2501             continue;
2502         rc->qpa_rc += rct->qpa_rc;
2503         rc->qpa_aq += rct->qpa_aq;
2504     }
2505 }
2506
2507 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
2508 {
2509     if( cur != prev )
2510     {
2511 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
2512         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
2513          * so copy them from the context that most recently started (prev)
2514          * to the context that's about to start (cur). */
2515         COPY(accum_p_qp);
2516         COPY(accum_p_norm);
2517         COPY(last_satd);
2518         COPY(last_rceq);
2519         COPY(last_qscale_for);
2520         COPY(last_non_b_pict_type);
2521         COPY(short_term_cplxsum);
2522         COPY(short_term_cplxcount);
2523         COPY(bframes);
2524         COPY(prev_zone);
2525         COPY(qpbuf_pos);
2526         /* these vars can be updated by x264_ratecontrol_init_reconfigurable */
2527         COPY(bitrate);
2528         COPY(buffer_size);
2529         COPY(buffer_rate);
2530         COPY(vbv_max_rate);
2531         COPY(single_frame_vbv);
2532         COPY(cbr_decay);
2533         COPY(rate_factor_constant);
2534         COPY(rate_factor_max_increment);
2535 #undef COPY
2536     }
2537     if( cur != next )
2538     {
2539 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
2540         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
2541          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
2542          * to the context that's about to end (next) */
2543         COPY(cplxr_sum);
2544         COPY(expected_bits_sum);
2545         COPY(filler_bits_sum);
2546         COPY(wanted_bits_window);
2547         COPY(bframe_bits);
2548         COPY(initial_cpb_removal_delay);
2549         COPY(initial_cpb_removal_delay_offset);
2550         COPY(nrt_first_access_unit);
2551         COPY(previous_cpb_final_arrival_time);
2552 #undef COPY
2553     }
2554     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
2555     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
2556 }
2557
2558 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
2559 {
2560     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
2561      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
2562      * can influence the buffer fill of that end frame. */
2563     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2564     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
2565     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
2566     double fill = fills[*t0-1];
2567     double parity = over ? 1. : -1.;
2568     int start = -1, end = -1;
2569     for( int i = *t0; i < rcc->num_entries; i++ )
2570     {
2571         fill += (rcc->entry[i].i_cpb_duration * rcc->vbv_max_rate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale -
2572                  qscale2bits( &rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale )) * parity;
2573         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
2574         fills[i] = fill;
2575         if( fill <= buffer_min || i == 0 )
2576         {
2577             if( end >= 0 )
2578                 break;
2579             start = i;
2580         }
2581         else if( fill >= buffer_max && start >= 0 )
2582             end = i;
2583     }
2584     *t0 = start;
2585     *t1 = end;
2586     return start >= 0 && end >= 0;
2587 }
2588
2589 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
2590 {
2591     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2592     double qscale_orig, qscale_new;
2593     int adjusted = 0;
2594     if( t0 > 0 )
2595         t0++;
2596     for( int i = t0; i <= t1; i++ )
2597     {
2598         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
2599         qscale_orig = x264_clip3f( qscale_orig, qscale_min, qscale_max );
2600         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
2601         qscale_new  = x264_clip3f( qscale_new, qscale_min, qscale_max );
2602         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
2603         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
2604     }
2605     return adjusted;
2606 }
2607
2608 static double count_expected_bits( x264_t *h )
2609 {
2610     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2611     double expected_bits = 0;
2612     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2613     {
2614         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2615         rce->expected_bits = expected_bits;
2616         expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2617     }
2618     return expected_bits;
2619 }
2620
2621 static int vbv_pass2( x264_t *h, double all_available_bits )
2622 {
2623     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
2624      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
2625      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
2626      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
2627
2628     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2629     double *fills;
2630     double expected_bits = 0;
2631     double adjustment;
2632     double prev_bits = 0;
2633     int t0, t1;
2634     double qscale_min = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
2635     double qscale_max = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
2636     int iterations = 0;
2637     int adj_min, adj_max;
2638     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
2639
2640     fills++;
2641
2642     /* adjust overall stream size */
2643     do
2644     {
2645         iterations++;
2646         prev_bits = expected_bits;
2647
2648         if( expected_bits )
2649         {   /* not first iteration */
2650             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
2651             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
2652             t0 = 0;
2653             /* fix overflows */
2654             adj_min = 1;
2655             while(adj_min && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 1 ))
2656             {
2657                 adj_min = fix_underflow( h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max );
2658                 t0 = t1;
2659             }
2660         }
2661
2662         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
2663         t0 = 0;
2664         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
2665         adj_max = 1;
2666         while( adj_max && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 0 ) )
2667             adj_max = fix_underflow( h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max );
2668
2669         expected_bits = count_expected_bits( h );
2670     } while( (expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int64_t)(expected_bits+.5) > (int64_t)(prev_bits+.5)) );
2671
2672     if( !adj_max )
2673         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
2674
2675     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
2676     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2677         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
2678
2679     x264_free( fills-1 );
2680     return 0;
2681 fail:
2682     return -1;
2683 }
2684
2685 static int init_pass2( x264_t *h )
2686 {
2687     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2688     uint64_t all_const_bits = 0;
2689     double timescale = (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
2690     double duration = 0;
2691     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2692         duration += rcc->entry[i].i_duration;
2693     duration *= timescale;
2694     uint64_t all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * duration;
2695     double rate_factor, step_mult;
2696     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
2697     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
2698     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
2699     double expected_bits;
2700     double *qscale, *blurred_qscale;
2701     double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
2702
2703     /* find total/average complexity & const_bits */
2704     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2705     {
2706         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2707         all_const_bits += rce->misc_bits;
2708     }
2709
2710     if( all_available_bits < all_const_bits)
2711     {
2712         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
2713                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)) );
2714         return -1;
2715     }
2716
2717     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
2718      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
2719      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
2720      * bits than intended. */
2721     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2722     {
2723         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2724         double weight_sum = 0;
2725         double cplx_sum = 0;
2726         double weight = 1.0;
2727         double gaussian_weight;
2728         /* weighted average of cplx of future frames */
2729         for( int j = 1; j < cplxblur*2 && j < rcc->num_entries-i; j++ )
2730         {
2731             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
2732             double frame_duration = CLIP_DURATION(rcj->i_duration * timescale) / BASE_FRAME_DURATION;
2733             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2734             if( weight < .0001 )
2735                 break;
2736             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2737             weight_sum += gaussian_weight;
2738             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits) / frame_duration;
2739         }
2740         /* weighted average of cplx of past frames */
2741         weight = 1.0;
2742         for( int j = 0; j <= cplxblur*2 && j <= i; j++ )
2743         {
2744             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2745             double frame_duration = CLIP_DURATION(rcj->i_duration * timescale) / BASE_FRAME_DURATION;
2746             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2747             weight_sum += gaussian_weight;
2748             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits) / frame_duration;
2749             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2750             if( weight < .0001 )
2751                 break;
2752         }
2753         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2754     }
2755
2756     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2757     if( filter_size > 1 )
2758         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2759     else
2760         blurred_qscale = qscale;
2761
2762     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2763      * each frame, adds up to the desired total size.
2764      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2765      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2766      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2767      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2768
2769     expected_bits = 1;
2770     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2771     {
2772         double q = get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i);
2773         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], q);
2774         rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = q;
2775     }
2776     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2777
2778     rate_factor = 0;
2779     for( double step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2780     {
2781         expected_bits = 0;
2782         rate_factor += step;
2783
2784         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2785         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2786         rcc->accum_p_norm = 0;
2787
2788         rcc->last_qscale_for[0] =
2789         rcc->last_qscale_for[1] =
2790         rcc->last_qscale_for[2] = pow( base_cplx, 1 - rcc->qcompress ) / rate_factor;
2791
2792         /* find qscale */
2793         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2794         {
2795             qscale[i] = get_qscale( h, &rcc->entry[i], rate_factor, -1 );
2796             rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = qscale[i];
2797         }
2798
2799         /* fixed I/B qscale relative to P */
2800         for( int i = rcc->num_entries-1; i >= 0; i-- )
2801         {
2802             qscale[i] = get_diff_limited_q( h, &rcc->entry[i], qscale[i], i );
2803             assert(qscale[i] >= 0);
2804         }
2805
2806         /* smooth curve */
2807         if( filter_size > 1 )
2808         {
2809             assert( filter_size%2 == 1 );
2810             for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2811             {
2812                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2813                 double q = 0.0, sum = 0.0;
2814
2815                 for( int j = 0; j < filter_size; j++ )
2816                 {
2817                     int idx = i+j-filter_size/2;
2818                     double d = idx-i;
2819                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp( -d*d/(qblur*qblur) );
2820                     if( idx < 0 || idx >= rcc->num_entries )
2821                         continue;
2822                     if( rce->pict_type != rcc->entry[idx].pict_type )
2823                         continue;
2824                     q += qscale[idx] * coeff;
2825                     sum += coeff;
2826                 }
2827                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2828             }
2829         }
2830
2831         /* find expected bits */
2832         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2833         {
2834             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2835             rce->new_qscale = clip_qscale( h, rce->pict_type, blurred_qscale[i] );
2836             assert(rce->new_qscale >= 0);
2837             expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2838         }
2839
2840         if( expected_bits > all_available_bits )
2841             rate_factor -= step;
2842     }
2843
2844     x264_free( qscale );
2845     if( filter_size > 1 )
2846         x264_free( blurred_qscale );
2847
2848     if( rcc->b_vbv )
2849         if( vbv_pass2( h, all_available_bits ) )
2850             return -1;
2851     expected_bits = count_expected_bits( h );
2852
2853     if( fabs( expected_bits/all_available_bits - 1.0 ) > 0.01 )
2854     {
2855         double avgq = 0;
2856         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2857             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2858         avgq = qscale2qp( avgq / rcc->num_entries );
2859
2860         if( expected_bits > all_available_bits || !rcc->b_vbv )
2861             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n" );
2862         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2863                   (float)h->param.rc.i_bitrate,
2864                   expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2865                   avgq );
2866         if( expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2 )
2867         {
2868             if( h->param.rc.i_qp_min > 0 )
2869                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min );
2870             else
2871                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n" );
2872         }
2873         else if( expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2 )
2874         {
2875             if( h->param.rc.i_qp_max < QP_MAX )
2876                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max );
2877             else
2878                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2879         }
2880         else if( !(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv) )
2881             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n" );
2882     }
2883
2884     return 0;
2885 fail:
2886     return -1;
2887 }