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

   1 /*****************************************************************************
   2  * ratecontrol.c: h264 encoder library (Rate Control)
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2008 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
  27 #define _ISOC99_SOURCE
  28 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  29 #include <math.h>
  30
  31 #include "common/common.h"
  32 #include "ratecontrol.h"
  33 #include "me.h"
  34
  35 typedef struct
  36 {
  37     int pict_type;
  38     int frame_type;
  39     int kept_as_ref;
  40     double qscale;
  41     int mv_bits;
  42     int tex_bits;
  43     int misc_bits;
  44     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  45     double expected_vbv;
  46     double new_qscale;
  47     int new_qp;
  48     int i_count;
  49     int p_count;
  50     int s_count;
  51     float blurred_complexity;
  52     char direct_mode;
  53     int16_t weight[2];
  54     int16_t i_weight_denom;
  55     int refcount[16];
  56     int refs;
  57     int i_duration;
  58     int i_cpb_duration;
  59 } ratecontrol_entry_t;
  60
  61 typedef struct
  62 {
  63     double coeff;
  64     double count;
  65     double decay;
  66     double offset;
  67 } predictor_t;
  68
  69 struct x264_ratecontrol_t
  70 {
  71     /* constants */
  72     int b_abr;
  73     int b_2pass;
  74     int b_vbv;
  75     int b_vbv_min_rate;
  76     double fps;
  77     double bitrate;
  78     double rate_tolerance;
  79     double qcompress;
  80     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  81     int qp_constant[3];
  82
  83     /* current frame */
  84     ratecontrol_entry_t *rce;
  85     int qp;                     /* qp for current frame */
  86     float qpm;                  /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  87     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  88     float qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  89     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  90     int qp_force;
  91
  92     /* VBV stuff */
  93     double buffer_size;
  94     int64_t buffer_fill_final;
  95     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  96     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  97     double vbv_max_rate;        /* # of bits added to buffer_fill per second */
  98     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
  99     int single_frame_vbv;
 100     double rate_factor_max_increment; /* Don't allow RF above (CRF + this value). */
 101
 102     /* ABR stuff */
 103     int    last_satd;
 104     double last_rceq;
 105     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
 106     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 107     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 108     double cbr_decay;
 109     double short_term_cplxsum;
 110     double short_term_cplxcount;
 111     double rate_factor_constant;
 112     double ip_offset;
 113     double pb_offset;
 114
 115     /* 2pass stuff */
 116     FILE *p_stat_file_out;
 117     char *psz_stat_file_tmpname;
 118     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 119     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 120     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 121     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 122
 123     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 124     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 125     double last_qscale;
 126     double last_qscale_for[3];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff */
 127     int last_non_b_pict_type;
 128     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 129     double accum_p_norm;
 130     double last_accum_p_norm;
 131     double lmin[3];             /* min qscale by frame type */
 132     double lmax[3];
 133     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 134     uint16_t *qp_buffer[2];     /* Global buffers for converting MB-tree quantizer data. */
 135     int qpbuf_pos;              /* In order to handle pyramid reordering, QP buffer acts as a stack.
 136                                  * This value is the current position (0 or 1). */
 137
 138     /* MBRC stuff */
 139     float frame_size_estimated; /* Access to this variable must be atomic: double is
 140                                  * not atomic on all arches we care about */
 141     double frame_size_maximum;  /* Maximum frame size due to MinCR */
 142     double frame_size_planned;
 143     double slice_size_planned;
 144     predictor_t (*row_pred)[2];
 145     predictor_t row_preds[3][2];
 146     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 147     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 148     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 149
 150     int i_zones;
 151     x264_zone_t *zones;
 152     x264_zone_t *prev_zone;
 153
 154     /* hrd stuff */
 155     int initial_cpb_removal_delay;
 156     int initial_cpb_removal_delay_offset;
 157     double nrt_first_access_unit; /* nominal removal time */
 158     double previous_cpb_final_arrival_time;
 159     uint64_t hrd_multiply_denom;
 160 };
 161
 162
 163 static int parse_zones( x264_t *h );
 164 static int init_pass2(x264_t *);
 165 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 166 static int update_vbv( x264_t *h, int bits );
 167 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead );
 168 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var );
 169 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits );
 170
 171 #define CMP_OPT_FIRST_PASS( opt, param_val )\
 172 {\
 173     if( ( p = strstr( opts, opt "=" ) ) && sscanf( p, opt "=%d" , &i ) && param_val != i )\
 174     {\
 175         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different " opt " setting than first pass (%d vs %d)\n", param_val, i );\
 176         return -1;\
 177     }\
 178 }
 179
 180 /* Terminology:
 181  * qp = h.264's quantizer
 182  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 183  */
 184 static inline double qp2qscale( double qp )
 185 {
 186     return 0.85 * pow( 2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0 );
 187 }
 188 static inline double qscale2qp( double qscale )
 189 {
 190     return 12.0 + 6.0 * log2( qscale/0.85 );
 191 }
 192
 193 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 194  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 195  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 196  * for motion estimation is constant there. */
 197 static inline double qscale2bits( ratecontrol_entry_t *rce, double qscale )
 198 {
 199     if( qscale<0.1 )
 200         qscale = 0.1;
 201     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 202            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 203            + rce->misc_bits;
 204 }
 205
 206 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_var( uint64_t sum_ssd, int shift, x264_frame_t *frame, int i )
 207 {
 208     uint32_t sum = sum_ssd;
 209     uint32_t ssd = sum_ssd >> 32;
 210     frame->i_pixel_sum[i] += sum;
 211     frame->i_pixel_ssd[i] += ssd;
 212     return ssd - ((uint64_t)sum * sum >> shift);
 213 }
 214
 215 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_plane( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame, int i )
 216 {
 217     int w = i ? 8 : 16;
 218     int stride = frame->i_stride[i];
 219     int offset = h->mb.b_interlaced
 220         ? 16 * mb_x + w * (mb_y&~1) * stride + (mb_y&1) * stride
 221         : 16 * mb_x + w * mb_y * stride;
 222     stride <<= h->mb.b_interlaced;
 223     if( i )
 224     {
 225         ALIGNED_ARRAY_16( pixel, pix,[FENC_STRIDE*8] );
 226         h->mc.load_deinterleave_8x8x2_fenc( pix, frame->plane[1] + offset, stride );
 227         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix, FENC_STRIDE ), 6, frame, i )
 228              + ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix+FENC_STRIDE/2, FENC_STRIDE ), 6, frame, i );
 229     }
 230     else
 231         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_16x16]( frame->plane[0] + offset, stride ), 8, frame, i );
 232 }
 233
 234 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 235 static NOINLINE uint32_t x264_ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 236 {
 237     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 238      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 239      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 240      * sure no reordering goes on. */
 241     uint32_t var = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0 );
 242     var         += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1 );
 243     x264_emms();
 244     return var;
 245 }
 246
 247 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 248 {
 249     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 250      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 251     float strength;
 252     float avg_adj = 0.f;
 253     /* Initialize frame stats */
 254     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 255     {
 256         frame->i_pixel_sum[i] = 0;
 257         frame->i_pixel_ssd[i] = 0;
 258     }
 259
 260     /* Degenerate cases */
 261     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_NONE || h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 262     {
 263         /* Need to init it anyways for MB tree */
 264         if( h->param.rc.i_aq_mode && h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 265         {
 266             if( quant_offsets )
 267             {
 268                 for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 269                     frame->f_qp_offset[mb_xy] = frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = quant_offsets[mb_xy];
 270                 if( h->frames.b_have_lowres )
 271                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 272                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8( frame->f_qp_offset[mb_xy] );
 273             }
 274             else
 275             {
 276                 memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 277                 memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 278                 if( h->frames.b_have_lowres )
 279                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 280                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 281             }
 282         }
 283         /* Need variance data for weighted prediction */
 284         if( h->param.analyse.i_weighted_pred == X264_WEIGHTP_FAKE || h->param.analyse.i_weighted_pred == X264_WEIGHTP_SMART )
 285         {
 286             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 287                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 288                     x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 289         }
 290         else
 291             return;
 292     }
 293     /* Actual adaptive quantization */
 294     else
 295     {
 296         if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 297         {
 298             float bit_depth_correction = powf(1 << (BIT_DEPTH-8), 0.5f);
 299             float avg_adj_pow2 = 0.f;
 300             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 301                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 302                 {
 303                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 304                     float qp_adj = powf( energy + 1, 0.125f );
 305                     frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 306                     avg_adj += qp_adj;
 307                     avg_adj_pow2 += qp_adj * qp_adj;
 308                 }
 309             avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 310             avg_adj_pow2 /= h->mb.i_mb_count;
 311             strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj / bit_depth_correction;
 312             avg_adj = avg_adj - 0.5f * (avg_adj_pow2 - (14.f * bit_depth_correction)) / avg_adj;
 313         }
 314         else
 315             strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 316
 317         for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 318             for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 319             {
 320                 float qp_adj;
 321                 int mb_xy = mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride;
 322                 if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 323                 {
 324                     qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_xy];
 325                     qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 326                 }
 327                 else
 328                 {
 329                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 330                     qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - (14.427f + 2*(BIT_DEPTH-8)));
 331                 }
 332                 if( quant_offsets )
 333                     qp_adj += quant_offsets[mb_xy];
 334                 frame->f_qp_offset[mb_xy] =
 335                 frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = qp_adj;
 336                 if( h->frames.b_have_lowres )
 337                     frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 338             }
 339     }
 340
 341     /* Remove mean from SSD calculation */
 342     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 343     {
 344         uint64_t ssd = frame->i_pixel_ssd[i];
 345         uint64_t sum = frame->i_pixel_sum[i];
 346         int width = h->mb.i_mb_width*16>>!!i;
 347         int height = h->mb.i_mb_height*16>>!!i;
 348         frame->i_pixel_ssd[i] = ssd - (sum * sum + width * height / 2) / (width * height);
 349     }
 350 }
 351
 352 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 353 {
 354     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 355     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 356
 357     if( rc->entry[frame->i_frame].kept_as_ref )
 358     {
 359         uint8_t i_type;
 360         if( rc->qpbuf_pos < 0 )
 361         {
 362             do
 363             {
 364                 rc->qpbuf_pos++;
 365
 366                 if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 367                     goto fail;
 368                 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 )
 369                     goto fail;
 370
 371                 if( i_type != i_type_actual && rc->qpbuf_pos == 1 )
 372                 {
 373                     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type, i_type_actual);
 374                     return -1;
 375                 }
 376             } while( i_type != i_type_actual );
 377         }
 378
 379         for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 380         {
 381             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos][i] )) * (1/256.0);
 382             if( h->frames.b_have_lowres )
 383                 frame->i_inv_qscale_factor[i] = x264_exp2fix8(frame->f_qp_offset[i]);
 384         }
 385         rc->qpbuf_pos--;
 386     }
 387     else
 388         x264_stack_align( x264_adaptive_quant_frame, h, frame, quant_offsets );
 389     return 0;
 390 fail:
 391     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n");
 392     return -1;
 393 }
 394
 395 int x264_reference_build_list_optimal( x264_t *h )
 396 {
 397     ratecontrol_entry_t *rce = h->rc->rce;
 398     x264_frame_t *frames[16];
 399     x264_weight_t weights[16][3];
 400     int refcount[16];
 401
 402     if( rce->refs != h->i_ref0 )
 403         return -1;
 404
 405     memcpy( frames, h->fref0, sizeof(frames) );
 406     memcpy( refcount, rce->refcount, sizeof(refcount) );
 407     memcpy( weights, h->fenc->weight, sizeof(weights) );
 408     memset( &h->fenc->weight[1][0], 0, sizeof(x264_weight_t[15][3]) );
 409
 410     /* For now don't reorder ref 0; it seems to lower quality
 411        in most cases due to skips. */
 412     for( int ref = 1; ref < h->i_ref0; ref++ )
 413     {
 414         int max = -1;
 415         int bestref = 1;
 416
 417         for( int i = 1; i < h->i_ref0; i++ )
 418             /* Favor lower POC as a tiebreaker. */
 419             COPY2_IF_GT( max, refcount[i], bestref, i );
 420
 421         /* FIXME: If there are duplicates from frames other than ref0 then it is possible
 422          * that the optimal ordering doesnt place every duplicate. */
 423
 424         refcount[bestref] = -1;
 425         h->fref0[ref] = frames[bestref];
 426         memcpy( h->fenc->weight[ref], weights[bestref], sizeof(weights[bestref]) );
 427     }
 428
 429     return 0;
 430 }
 431
 432 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 433 {
 434     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 435     if( !output )
 436         return NULL;
 437     strcpy( output, input );
 438     strcat( output, suffix );
 439     return output;
 440 }
 441
 442 void x264_ratecontrol_init_reconfigurable( x264_t *h, int b_init )
 443 {
 444     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 445     if( !b_init && rc->b_2pass )
 446         return;
 447
 448     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 449     {
 450         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 451          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 452         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 453         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 454         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 455                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset );
 456     }
 457
 458     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 && h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 459     {
 460         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < (int)(h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps) )
 461         {
 462             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 463             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size cannot be smaller than one frame, using %d kbit\n",
 464                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 465         }
 466
 467         /* We don't support changing the ABR bitrate right now,
 468            so if the stream starts as CBR, keep it CBR. */
 469         if( rc->b_vbv_min_rate )
 470             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 471
 472         int vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000;
 473         int vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000;
 474
 475         /* Init HRD */
 476         h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = vbv_max_bitrate;
 477         h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = vbv_buffer_size;
 478         if( h->param.i_nal_hrd && b_init )
 479         {
 480             h->sps->vui.hrd.i_cpb_cnt = 1;
 481             h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd = h->param.i_nal_hrd == X264_NAL_HRD_CBR;
 482             h->sps->vui.hrd.i_time_offset_length = 0;
 483
 484             #define BR_SHIFT  6
 485             #define CPB_SHIFT 4
 486
 487             int bitrate = 1000*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate;
 488             int bufsize = 1000*h->param.rc.i_vbv_buffer_size;
 489
 490             // normalize HRD size and rate to the value / scale notation
 491             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale = x264_clip3( x264_ctz( bitrate ) - BR_SHIFT, 0, 15 );
 492             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value = bitrate >> ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 493             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 );
 494             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale = x264_clip3( x264_ctz( bufsize ) - CPB_SHIFT, 0, 15 );
 495             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value = bufsize >> ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 496             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 );
 497
 498             #undef CPB_SHIFT
 499             #undef BR_SHIFT
 500
 501             // arbitrary
 502             #define MAX_DURATION 0.5
 503
 504             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 );
 505             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;
 506             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);
 507
 508             h->sps->vui.hrd.i_initial_cpb_removal_delay_length = 2 + x264_clip3( 32 - x264_clz( max_delay ), 4, 22 );
 509             h->sps->vui.hrd.i_cpb_removal_delay_length = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_cpb_output_delay ), 4, 31 );
 510             h->sps->vui.hrd.i_dpb_output_delay_length  = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_dpb_output_delay ), 4, 31 );
 511
 512             #undef MAX_DURATION
 513
 514             vbv_buffer_size = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled;
 515             vbv_max_bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
 516         }
 517         else if( h->param.i_nal_hrd && !b_init )
 518         {
 519             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV parameters cannot be changed when NAL HRD is in use\n" );
 520             return;
 521         }
 522
 523         rc->buffer_rate = vbv_max_bitrate / rc->fps;
 524         rc->vbv_max_rate = vbv_max_bitrate;
 525         rc->buffer_size = vbv_buffer_size;
 526         rc->single_frame_vbv = rc->buffer_rate * 1.1 > rc->buffer_size;
 527         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 528                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 529         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.f_rf_constant_max )
 530         {
 531             rc->rate_factor_max_increment = h->param.rc.f_rf_constant_max - h->param.rc.f_rf_constant;
 532             if( rc->rate_factor_max_increment <= 0 )
 533             {
 534                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CRF max must be greater than CRF\n" );
 535                 rc->rate_factor_max_increment = 0;
 536             }
 537         }
 538         if( b_init )
 539         {
 540             if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 541                 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 );
 542             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);
 543             rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init * h->sps->vui.i_time_scale;
 544             rc->b_vbv = 1;
 545             rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 546                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 547                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 548         }
 549     }
 550 }
 551
 552 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 553 {
 554     x264_ratecontrol_t *rc;
 555
 556     x264_emms();
 557
 558     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 559     rc = h->rc;
 560
 561     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 562     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 563
 564     /* FIXME: use integers */
 565     if( h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0 )
 566         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 567     else
 568         rc->fps = 25.0;
 569
 570     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 571     {
 572         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 573         rc->qcompress = 1;
 574     }
 575     else
 576         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 577
 578     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 579     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 580     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 581     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 582     rc->cbr_decay = 1.0;
 583
 584     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 585     {
 586         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 587         return -1;
 588     }
 589
 590     x264_ratecontrol_init_reconfigurable( h, 1 );
 591
 592     if( h->param.i_nal_hrd )
 593     {
 594         uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
 595         uint64_t num = 180000;
 596         x264_reduce_fraction64( &num, &denom );
 597         rc->hrd_multiply_denom = 180000 / num;
 598
 599         double bits_required = log2( 180000 / rc->hrd_multiply_denom )
 600                              + log2( h->sps->vui.i_time_scale )
 601                              + log2( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled );
 602         if( bits_required >= 63 )
 603         {
 604             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "HRD with very large timescale and bufsize not supported\n" );
 605             return -1;
 606         }
 607     }
 608
 609     if( rc->rate_tolerance < 0.01 )
 610     {
 611         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 612         rc->rate_tolerance = 0.01;
 613     }
 614
 615     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 616
 617     if( rc->b_abr )
 618     {
 619         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 620 #define ABR_INIT_QP ( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 )
 621         rc->accum_p_norm = .01;
 622         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 623         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 624         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 625         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 626         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 627     }
 628
 629     rc->ip_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_ip_factor );
 630     rc->pb_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_pb_factor );
 631     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 632     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 633     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 634     h->mb.ip_offset = rc->ip_offset + 0.5;
 635
 636     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 637     rc->last_qscale = qp2qscale( 26 );
 638     int num_preds = h->param.b_sliced_threads * h->param.i_threads + 1;
 639     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5 * sizeof(predictor_t) * num_preds );
 640     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 641     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 642     {
 643         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 644         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 645         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 646         for( int j = 0; j < num_preds; j++ )
 647         {
 648             rc->pred[i+j*5].coeff= 2.0;
 649             rc->pred[i+j*5].count= 1.0;
 650             rc->pred[i+j*5].decay= 0.5;
 651             rc->pred[i+j*5].offset= 0.0;
 652         }
 653         for( int j = 0; j < 2; j++ )
 654         {
 655             rc->row_preds[i][j].coeff= .25;
 656             rc->row_preds[i][j].count= 1.0;
 657             rc->row_preds[i][j].decay= 0.5;
 658             rc->row_preds[i][j].offset= 0.0;
 659         }
 660     }
 661     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 662
 663     if( parse_zones( h ) < 0 )
 664     {
 665         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 666         return -1;
 667     }
 668
 669     /* Load stat file and init 2pass algo */
 670     if( h->param.rc.b_stat_read )
 671     {
 672         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 673
 674         /* read 1st pass stats */
 675         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 676         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 677         if( !stats_buf )
 678         {
 679             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 680             return -1;
 681         }
 682         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 683         {
 684             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 685             if( !mbtree_stats_in )
 686                 return -1;
 687             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 688             x264_free( mbtree_stats_in );
 689             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 690             {
 691                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 692                 return -1;
 693             }
 694         }
 695
 696         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 697         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 698         {
 699             int i, j;
 700             uint32_t k, l;
 701             char *opts = stats_buf;
 702             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 703             if( !stats_in )
 704                 return -1;
 705             *stats_in = '\0';
 706             stats_in++;
 707             if( sscanf( opts, "#options: %dx%d", &i, &j ) != 2 )
 708             {
 709                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "resolution specified in stats file not valid\n" );
 710                 return -1;
 711             }
 712             else if( h->param.rc.b_mb_tree && (i != h->param.i_width || j != h->param.i_height)  )
 713             {
 714                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree doesn't support different resolution than 1st pass (%dx%d vs %dx%d)\n",
 715                           h->param.i_width, h->param.i_height, i, j );
 716                 return -1;
 717             }
 718
 719             if( ( p = strstr( opts, "timebase=" ) ) && sscanf( p, "timebase=%u/%u", &k, &l ) != 2 )
 720             {
 721                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase specified in stats file not valid\n" );
 722                 return -1;
 723             }
 724             if( k != h->param.i_timebase_num || l != h->param.i_timebase_den )
 725             {
 726                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase mismatch with 1st pass (%u/%u vs %u/%u)\n",
 727                           h->param.i_timebase_num, h->param.i_timebase_den, k, l );
 728                 return -1;
 729             }
 730
 731             CMP_OPT_FIRST_PASS( "weightp", X264_MAX( 0, h->param.analyse.i_weighted_pred ) );
 732             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bframes", h->param.i_bframe );
 733             CMP_OPT_FIRST_PASS( "b_pyramid", h->param.i_bframe_pyramid );
 734             CMP_OPT_FIRST_PASS( "intra_refresh", h->param.b_intra_refresh );
 735             CMP_OPT_FIRST_PASS( "open_gop", h->param.i_open_gop );
 736
 737             if( (p = strstr( opts, "keyint=" )) )
 738             {
 739                 p += 7;
 740                 char buf[13] = "infinite ";
 741                 if( h->param.i_keyint_max != X264_KEYINT_MAX_INFINITE )
 742                     sprintf( buf, "%d ", h->param.i_keyint_max );
 743                 if( strncmp( p, buf, strlen(buf) ) )
 744                 {
 745                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different keyint setting than first pass (%.*s vs %.*s)\n",
 746                               strlen(buf)-1, buf, strcspn(p, " "), p );
 747                     return -1;
 748                 }
 749             }
 750
 751             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 752                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 753
 754             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 755             {
 756                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 757                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 758             }
 759
 760             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 761                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 762             else if( h->param.i_bframe )
 763             {
 764                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 765                 return -1;
 766             }
 767
 768             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 ) )
 769                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 770         }
 771
 772         /* find number of pics */
 773         p = stats_in;
 774         int num_entries;
 775         for( num_entries = -1; p; num_entries++ )
 776             p = strchr( p + 1, ';' );
 777         if( !num_entries )
 778         {
 779             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 780             return -1;
 781         }
 782         rc->num_entries = num_entries;
 783
 784         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 785         {
 786             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 787                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 788         }
 789         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 790         {
 791             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 792                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 793             return -1;
 794         }
 795
 796         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 797
 798         /* init all to skipped p frames */
 799         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 800         {
 801             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 802             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 803             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale( 20 );
 804             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 805             rce->new_qp = 0;
 806         }
 807
 808         /* read stats */
 809         p = stats_in;
 810         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 811         {
 812             ratecontrol_entry_t *rce;
 813             int frame_number;
 814             char pict_type;
 815             int e;
 816             char *next;
 817             float qp;
 818             int ref;
 819
 820             next= strchr(p, ';');
 821             if( next )
 822                 *next++ = 0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 823             e = sscanf( p, " in:%d ", &frame_number );
 824
 825             if( frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries )
 826             {
 827                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i );
 828                 return -1;
 829             }
 830             rce = &rc->entry[frame_number];
 831             rce->direct_mode = 0;
 832
 833             e += sscanf( p, " in:%*d out:%*d type:%c dur:%d cpbdur:%d q:%f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c",
 834                    &pict_type, &rce->i_duration, &rce->i_cpb_duration, &qp, &rce->tex_bits,
 835                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 836                    &rce->s_count, &rce->direct_mode );
 837
 838             p = strstr( p, "ref:" );
 839             if( !p )
 840                 goto parse_error;
 841             p += 4;
 842             for( ref = 0; ref < 16; ref++ )
 843             {
 844                 if( sscanf( p, " %d", &rce->refcount[ref] ) != 1 )
 845                     break;
 846                 p = strchr( p+1, ' ' );
 847                 if( !p )
 848                     goto parse_error;
 849             }
 850             rce->refs = ref;
 851
 852             /* find weights */
 853             rce->i_weight_denom = -1;
 854             char *w = strchr( p, 'w' );
 855             if( w )
 856                 if( sscanf( w, "w:%hd,%hd,%hd", &rce->i_weight_denom, &rce->weight[0], &rce->weight[1] ) != 3 )
 857                     rce->i_weight_denom = -1;
 858
 859             if( pict_type != 'b' )
 860                 rce->kept_as_ref = 1;
 861             switch( pict_type )
 862             {
 863                 case 'I':
 864                     rce->frame_type = X264_TYPE_IDR;
 865                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 866                     break;
 867                 case 'i':
 868                     rce->frame_type = X264_TYPE_I;
 869                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 870                     break;
 871                 case 'P':
 872                     rce->frame_type = X264_TYPE_P;
 873                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_P;
 874                     break;
 875                 case 'B':
 876                     rce->frame_type = X264_TYPE_BREF;
 877                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 878                     break;
 879                 case 'b':
 880                     rce->frame_type = X264_TYPE_B;
 881                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 882                     break;
 883                 default:  e = -1; break;
 884             }
 885             if( e < 12 )
 886             {
 887 parse_error:
 888                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e );
 889                 return -1;
 890             }
 891             rce->qscale = qp2qscale( qp );
 892             p = next;
 893         }
 894
 895         x264_free( stats_buf );
 896
 897         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 898         {
 899             if( init_pass2( h ) < 0 )
 900                 return -1;
 901         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 902     }
 903
 904     /* Open output file */
 905     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 906      * and move it to the real name only when it's complete */
 907     if( h->param.rc.b_stat_write )
 908     {
 909         char *p;
 910         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 911         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 912             return -1;
 913
 914         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 915         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 916         {
 917             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 918             return -1;
 919         }
 920
 921         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 922         if( p )
 923             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 924         x264_free( p );
 925         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
 926         {
 927             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
 928             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
 929             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
 930                 return -1;
 931
 932             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
 933             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
 934             {
 935                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 936                 return -1;
 937             }
 938         }
 939     }
 940
 941     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
 942     {
 943         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[0], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 944         if( h->param.i_bframe_pyramid && h->param.rc.b_stat_read )
 945             CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[1], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 946         rc->qpbuf_pos = -1;
 947     }
 948
 949     for( int i = 0; i<h->param.i_threads; i++ )
 950     {
 951         h->thread[i]->rc = rc+i;
 952         if( i )
 953         {
 954             rc[i] = rc[0];
 955             h->thread[i]->param = h->param;
 956             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 957         }
 958     }
 959
 960     return 0;
 961 fail:
 962     return -1;
 963 }
 964
 965 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 966 {
 967     int len = 0;
 968     char *tok, UNUSED *saveptr=NULL;
 969     z->param = NULL;
 970     z->f_bitrate_factor = 1;
 971     if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,q=%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
 972         z->b_force_qp = 1;
 973     else if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
 974         z->b_force_qp = 0;
 975     else if( 2 <= sscanf(p, "%u,%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
 976         z->b_force_qp = 0;
 977     else
 978     {
 979         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
 980         return -1;
 981     }
 982     p += len;
 983     if( !*p )
 984         return 0;
 985     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
 986     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 987     z->param->param_free = x264_free;
 988     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
 989     {
 990         char *val = strchr( tok, '=' );
 991         if( val )
 992         {
 993             *val = '\0';
 994             val++;
 995         }
 996         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
 997         {
 998             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
 999             return -1;
1000         }
1001         p = NULL;
1002     }
1003     return 0;
1004 fail:
1005     return -1;
1006 }
1007
1008 static int parse_zones( x264_t *h )
1009 {
1010     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1011     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
1012     {
1013         char *psz_zones, *p;
1014         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
1015         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
1016         h->param.rc.i_zones = 1;
1017         for( p = psz_zones; *p; p++ )
1018             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
1019         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1020         p = psz_zones;
1021         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1022         {
1023             int i_tok = strcspn( p, "/" );
1024             p[i_tok] = 0;
1025             if( parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], p ) )
1026                 return -1;
1027             p += i_tok + 1;
1028         }
1029         x264_free( psz_zones );
1030     }
1031
1032     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
1033     {
1034         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1035         {
1036             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
1037             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
1038             {
1039                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
1040                           z.i_start, z.i_end );
1041                 return -1;
1042             }
1043             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
1044             {
1045                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
1046                           z.f_bitrate_factor );
1047                 return -1;
1048             }
1049         }
1050
1051         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
1052         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1053         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
1054
1055         // default zone to fall back to if none of the others match
1056         rc->zones[0].i_start = 0;
1057         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
1058         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
1059         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
1060         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
1061         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1062         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1063         {
1064             if( !rc->zones[i].param )
1065                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
1066         }
1067     }
1068
1069     return 0;
1070 fail:
1071     return -1;
1072 }
1073
1074 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
1075 {
1076     for( int i = h->rc->i_zones - 1; i >= 0; i-- )
1077     {
1078         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
1079         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
1080             return z;
1081     }
1082     return NULL;
1083 }
1084
1085 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
1086 {
1087     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1088     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
1089     {
1090         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
1091         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
1092         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
1093                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
1094                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset );
1095     }
1096 }
1097
1098 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
1099 {
1100     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1101     int b_regular_file;
1102
1103     if( rc->p_stat_file_out )
1104     {
1105         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_stat_file_out );
1106         fclose( rc->p_stat_file_out );
1107         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1108             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
1109             {
1110                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1111                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
1112             }
1113         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
1114     }
1115     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
1116     {
1117         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1118         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1119         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1120             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
1121             {
1122                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1123                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1124             }
1125         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
1126         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1127     }
1128     if( rc->p_mbtree_stat_file_in )
1129         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_in );
1130     x264_free( rc->pred );
1131     x264_free( rc->pred_b_from_p );
1132     x264_free( rc->entry );
1133     x264_free( rc->qp_buffer[0] );
1134     x264_free( rc->qp_buffer[1] );
1135     if( rc->zones )
1136     {
1137         x264_free( rc->zones[0].param );
1138         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1139             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
1140                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
1141         x264_free( rc->zones );
1142     }
1143     x264_free( rc );
1144 }
1145
1146 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
1147 {
1148     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1149     rc->accum_p_qp   *= .95;
1150     rc->accum_p_norm *= .95;
1151     rc->accum_p_norm += 1;
1152     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
1153         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
1154     else
1155         rc->accum_p_qp += qp;
1156 }
1157
1158 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
1159 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp, int overhead )
1160 {
1161     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1162     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
1163     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
1164     float q;
1165
1166     x264_emms();
1167
1168     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
1169         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
1170     rc->prev_zone = zone;
1171
1172     rc->qp_force = i_force_qp;
1173
1174     if( h->param.rc.b_stat_read )
1175     {
1176         int frame = h->fenc->i_frame;
1177         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
1178         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
1179
1180         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
1181             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
1182         {
1183             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
1184             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
1185         }
1186     }
1187
1188     if( rc->b_vbv )
1189     {
1190         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(int) );
1191         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
1192         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;
1193         update_vbv_plan( h, overhead );
1194
1195         const x264_level_t *l = x264_levels;
1196         while( l->level_idc != 0 && l->level_idc != h->param.i_level_idc )
1197             l++;
1198
1199         int mincr = l->mincr;
1200
1201         /* Blu-ray requires this */
1202         if( l->level_idc == 41 && h->param.i_nal_hrd )
1203             mincr = 4;
1204
1205         /* High 10 doesn't require minCR, so just set the maximum to a large value. */
1206         if( h->sps->i_profile_idc == PROFILE_HIGH10 )
1207             rc->frame_size_maximum = 1e9;
1208         else
1209         {
1210             /* The spec has a bizarre special case for the first frame. */
1211             if( h->i_frame == 0 )
1212             {
1213                 //384 * ( Max( PicSizeInMbs, fR * MaxMBPS ) + MaxMBPS * ( tr( 0 ) - tr,n( 0 ) ) ) / MinCR
1214                 double fr = 1. / 172;
1215                 int pic_size_in_mbs = h->mb.i_mb_width * h->mb.i_mb_height;
1216                 rc->frame_size_maximum = 384 * BIT_DEPTH * X264_MAX( pic_size_in_mbs, fr*l->mbps ) / mincr;
1217             }
1218             else
1219             {
1220                 //384 * MaxMBPS * ( tr( n ) - tr( n - 1 ) ) / MinCR
1221                 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;
1222             }
1223         }
1224     }
1225
1226     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1227         rc->bframes = h->fenc->i_bframes;
1228
1229     if( i_force_qp )
1230     {
1231         q = i_force_qp - 1;
1232     }
1233     else if( rc->b_abr )
1234     {
1235         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
1236     }
1237     else if( rc->b_2pass )
1238     {
1239         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
1240         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
1241     }
1242     else /* CQP */
1243     {
1244         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
1245             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
1246         else
1247             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
1248
1249         if( zone )
1250         {
1251             if( zone->b_force_qp )
1252                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
1253             else
1254                 q -= 6*log2f( zone->f_bitrate_factor );
1255         }
1256     }
1257
1258     q = x264_clip3f( q, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1259
1260     rc->qpa_rc =
1261     rc->qpa_aq = 0;
1262     rc->qp = x264_clip3( (int)(q + 0.5), 0, QP_MAX );
1263     h->fdec->f_qp_avg_rc =
1264     h->fdec->f_qp_avg_aq =
1265     rc->qpm = q;
1266     if( rce )
1267         rce->new_qp = rc->qp;
1268
1269     accum_p_qp_update( h, rc->qpm );
1270
1271     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1272         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
1273 }
1274
1275 static double predict_row_size( x264_t *h, int y, double qp )
1276 {
1277     /* average between two predictors:
1278      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
1279     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1280     double pred_s = predict_size( rc->row_pred[0], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satd[y] );
1281     double pred_t = 0;
1282     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I || qp >= h->fref0[0]->f_row_qp[y] )
1283     {
1284         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P
1285             && h->fref0[0]->i_type == h->fdec->i_type
1286             && h->fref0[0]->i_row_satd[y] > 0
1287             && (abs(h->fref0[0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
1288         {
1289             pred_t = h->fref0[0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref0[0]->i_row_satd[y]
1290                      * qp2qscale( h->fref0[0]->f_row_qp[y] ) / qp2qscale( qp );
1291         }
1292         if( pred_t == 0 )
1293             pred_t = pred_s;
1294         return (pred_s + pred_t) / 2;
1295     }
1296     /* Our QP is lower than the reference! */
1297     else
1298     {
1299         double pred_intra = predict_size( rc->row_pred[1], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y] );
1300         /* Sum: better to overestimate than underestimate by using only one of the two predictors. */
1301         return pred_intra + pred_s;
1302     }
1303 }
1304
1305 static double row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1306 {
1307     double bits = 0;
1308     for( int i = h->i_threadslice_start; i <= y; i++ )
1309         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1310     return bits;
1311 }
1312
1313 static double predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, double qp )
1314 {
1315     double bits = row_bits_so_far(h, y);
1316     for( int i = y+1; i < h->i_threadslice_end; i++ )
1317         bits += predict_row_size( h, i, qp );
1318     return bits;
1319 }
1320
1321
1322 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1323 {
1324     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1325     const int y = h->mb.i_mb_y;
1326
1327     x264_emms();
1328
1329     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1330     rc->qpa_rc += rc->qpm;
1331     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1332
1333     if( h->mb.i_mb_x != h->mb.i_mb_width - 1 || !rc->b_vbv )
1334         return;
1335
1336     h->fdec->f_row_qp[y] = rc->qpm;
1337
1338     update_predictor( rc->row_pred[0], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1339     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && rc->qpm < h->fref0[0]->f_row_qp[y] )
1340         update_predictor( rc->row_pred[1], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1341
1342     /* tweak quality based on difference from predicted size */
1343     if( y < h->i_threadslice_end-1 )
1344     {
1345         float prev_row_qp = h->fdec->f_row_qp[y];
1346         float qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1347         float qp_absolute_max = h->param.rc.i_qp_max;
1348         if( rc->rate_factor_max_increment )
1349             qp_absolute_max = X264_MIN( qp_absolute_max, rc->qp_novbv + rc->rate_factor_max_increment );
1350         float qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, qp_absolute_max );
1351         float step_size = 0.5;
1352
1353         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames. */
1354         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1355         {
1356             qp_min = X264_MAX( qp_min, X264_MAX( h->fref0[0]->f_row_qp[y+1], h->fref1[0]->f_row_qp[y+1] ) );
1357             rc->qpm = X264_MAX( rc->qpm, qp_min );
1358         }
1359
1360         float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1361         float slice_size_planned = h->param.b_sliced_threads ? rc->slice_size_planned : rc->frame_size_planned;
1362         float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (h->mb.i_mb_height) );
1363         float size_of_other_slices = 0;
1364         if( h->param.b_sliced_threads )
1365         {
1366             float size_of_other_slices_planned = 0;
1367             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1368                 if( h != h->thread[i] )
1369                 {
1370                     size_of_other_slices += h->thread[i]->rc->frame_size_estimated;
1371                     size_of_other_slices_planned += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
1372                 }
1373             float weight = rc->slice_size_planned / rc->frame_size_planned;
1374             size_of_other_slices = (size_of_other_slices - size_of_other_slices_planned) * weight + size_of_other_slices_planned;
1375         }
1376
1377         /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits. */
1378         float rc_tol = buffer_left_planned / h->param.i_threads * rc->rate_tolerance;
1379         int b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1380
1381         /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1382         /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1383         if( row_bits_so_far( h, y ) < 0.05 * slice_size_planned )
1384             return;
1385
1386         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I )
1387             rc_tol /= 2;
1388
1389         if( !rc->b_vbv_min_rate )
1390             qp_min = X264_MAX( qp_min, rc->qp_novbv );
1391
1392         while( rc->qpm < qp_max
1393                && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1394                    (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5) ||
1395                    (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1396         {
1397             rc->qpm += step_size;
1398             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1399         }
1400
1401         while( rc->qpm > qp_min
1402                && (rc->qpm > h->fdec->f_row_qp[0] || rc->single_frame_vbv)
1403                && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8 && rc->qpm <= prev_row_qp)
1404                || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1) )
1405         {
1406             rc->qpm -= step_size;
1407             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1408         }
1409
1410         /* avoid VBV underflow or MinCR violation */
1411         while( (rc->qpm < qp_absolute_max)
1412                && ((rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_rate * max_frame_error) ||
1413                    (rc->frame_size_maximum - b1 < rc->frame_size_maximum * max_frame_error)))
1414         {
1415             rc->qpm += step_size;
1416             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1417         }
1418
1419         h->rc->frame_size_estimated = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1420     }
1421 }
1422
1423 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1424 {
1425     x264_emms();
1426     return x264_clip3( h->rc->qpm + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1427 }
1428
1429 int x264_ratecontrol_mb_qp( x264_t *h )
1430 {
1431     x264_emms();
1432     float qp = h->rc->qpm;
1433     if( h->param.rc.i_aq_mode )
1434         /* MB-tree currently doesn't adjust quantizers in unreferenced frames. */
1435         qp += 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];
1436     return x264_clip3( qp + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1437 }
1438
1439 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1440 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1441 {
1442     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1443     if( h->param.rc.b_stat_read )
1444     {
1445         if( frame_num >= rc->num_entries )
1446         {
1447             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1448              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1449              * So just calculate the average QP used so far. */
1450             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24
1451                                       : 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
1452             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, QP_MAX );
1453             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 );
1454             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 );
1455
1456             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
1457             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
1458             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1459                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
1460
1461             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1462             {
1463                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1464                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1465                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1466                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1467                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1468                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1469                 h->thread[i]->param.rc.b_mb_tree = 0;
1470                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1471                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1472             }
1473             return X264_TYPE_AUTO;
1474         }
1475         return rc->entry[frame_num].frame_type;
1476     }
1477     else
1478         return X264_TYPE_AUTO;
1479 }
1480
1481 void x264_ratecontrol_set_weights( x264_t *h, x264_frame_t *frm )
1482 {
1483     ratecontrol_entry_t *rce = &h->rc->entry[frm->i_frame];
1484     if( h->param.analyse.i_weighted_pred <= 0 )
1485         return;
1486     if( rce->i_weight_denom >= 0 )
1487         SET_WEIGHT( frm->weight[0][0], 1, rce->weight[0], rce->i_weight_denom, rce->weight[1] );
1488 }
1489
1490 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1491 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits, int *filler )
1492 {
1493     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1494     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1495
1496     x264_emms();
1497
1498     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1499     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1500     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1501     for( int i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1502         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1503
1504     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1505     h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
1506
1507     if( h->param.rc.b_stat_write )
1508     {
1509         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1510                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1511                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1512         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1513         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1514         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1515                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1516                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1517                         : '-';
1518         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1519                  "in:%d out:%d type:%c dur:%d cpbdur:%d q:%.2f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c ref:",
1520                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1521                  c_type, h->fenc->i_duration,
1522                  h->fenc->i_cpb_duration, rc->qpa_rc,
1523                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1524                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1525                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1526                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1527                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1528                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1529                  c_direct) < 0 )
1530             goto fail;
1531
1532         /* Only write information for reference reordering once. */
1533         int use_old_stats = h->param.rc.b_stat_read && rc->rce->refs > 1;
1534         for( int i = 0; i < (use_old_stats ? rc->rce->refs : h->i_ref0); i++ )
1535         {
1536             int refcount = use_old_stats         ? rc->rce->refcount[i]
1537                          : h->param.b_interlaced ? h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2]
1538                                                  + h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2+1]
1539                          :                         h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i];
1540             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "%d ", refcount ) < 0 )
1541                 goto fail;
1542         }
1543
1544         if( h->sh.weight[0][0].weightfn )
1545         {
1546             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "w:%"PRId32",%"PRId32",%"PRId32, h->sh.weight[0][0].i_denom, h->sh.weight[0][0].i_scale, h->sh.weight[0][0].i_offset ) < 0 )
1547                 goto fail;
1548         }
1549
1550         if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ";\n") < 0 )
1551             goto fail;
1552
1553         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1554         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1555         {
1556             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1557             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1558             for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1559                 rc->qp_buffer[0][i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1560             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1561                 goto fail;
1562             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 )
1563                 goto fail;
1564         }
1565     }
1566
1567     if( rc->b_abr )
1568     {
1569         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1570             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / rc->last_rceq;
1571         else
1572         {
1573             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1574              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1575             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / (rc->last_rceq * fabs( h->param.rc.f_pb_factor ));
1576         }
1577         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1578         double frame_duration = (double)h->fenc->i_duration * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1579
1580         rc->wanted_bits_window += frame_duration * rc->bitrate;
1581         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1582     }
1583
1584     if( rc->b_2pass )
1585         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale( rc->rce->new_qp ) );
1586
1587     if( h->mb.b_variable_qp )
1588     {
1589         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1590         {
1591             rc->bframe_bits += bits;
1592             if( h->fenc->b_last_minigop_bframe )
1593             {
1594                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale( rc->qpa_rc ),
1595                                   h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1596                 rc->bframe_bits = 0;
1597             }
1598         }
1599     }
1600
1601     *filler = update_vbv( h, bits );
1602
1603     if( h->sps->vui.b_nal_hrd_parameters_present )
1604     {
1605         if( h->fenc->i_frame == 0 )
1606         {
1607             // access unit initialises the HRD
1608             h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = 0;
1609             rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1610             rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1611             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit = (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1612         }
1613         else
1614         {
1615             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit + (double)h->fenc->i_cpb_delay *
1616                                                    h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1617
1618             double cpb_earliest_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time - (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1619             if( h->fenc->b_keyframe )
1620             {
1621                  rc->nrt_first_access_unit = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1622                  rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1623                  rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1624             }
1625             else
1626                  cpb_earliest_arrival_time -= (double)rc->initial_cpb_removal_delay_offset / 90000;
1627
1628             if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd )
1629                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time;
1630             else
1631                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = X264_MAX( rc->previous_cpb_final_arrival_time, cpb_earliest_arrival_time );
1632         }
1633         int filler_bits = *filler ? X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), *filler )*8 : 0;
1634         // Equation C-6
1635         h->fenc->hrd_timing.cpb_final_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time +
1636                                                      (double)(bits + filler_bits) / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1637
1638         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 +
1639                                               h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1640     }
1641
1642     return 0;
1643 fail:
1644     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n");
1645     return -1;
1646 }
1647
1648 /****************************************************************************
1649  * 2 pass functions
1650  ***************************************************************************/
1651
1652 /**
1653  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1654  */
1655 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1656 {
1657     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1658     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1659     double q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1660
1661     // avoid NaN's in the rc_eq
1662     if( !isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0 )
1663         q = rcc->last_qscale_for[rce->pict_type];
1664     else
1665     {
1666         rcc->last_rceq = q;
1667         q /= rate_factor;
1668         rcc->last_qscale = q;
1669     }
1670
1671     if( zone )
1672     {
1673         if( zone->b_force_qp )
1674             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1675         else
1676             q /= zone->f_bitrate_factor;
1677     }
1678
1679     return q;
1680 }
1681
1682 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q)
1683 {
1684     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1685     const int pict_type = rce->pict_type;
1686
1687     // force I/B quants as a function of P quants
1688     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1689     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1690     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1691     {
1692         double iq = q;
1693         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1694         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1695         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1696         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1697             q = iq;
1698         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1699             q = iq / ip_factor;
1700         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1701             q = pq / ip_factor;
1702         else
1703             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1704     }
1705     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1706     {
1707         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1708             q = last_non_b_q;
1709         if( !rce->kept_as_ref )
1710             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1711     }
1712     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1713              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1714              && rce->tex_bits == 0 )
1715     {
1716         q = last_p_q;
1717     }
1718
1719     /* last qscale / qdiff stuff */
1720     if( rcc->last_non_b_pict_type == pict_type &&
1721         (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1) )
1722     {
1723         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1724         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1725         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1726
1727         if     ( q > max_qscale ) q = max_qscale;
1728         else if( q < min_qscale ) q = min_qscale;
1729     }
1730
1731     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1732     if( pict_type != SLICE_TYPE_B )
1733         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1734     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1735     {
1736         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1737         rcc->accum_p_norm = 0;
1738         rcc->accum_p_qp = 0;
1739     }
1740     if( pict_type == SLICE_TYPE_P )
1741     {
1742         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1743         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp( q ) + rcc->accum_p_qp);
1744         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1745     }
1746     return q;
1747 }
1748
1749 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var )
1750 {
1751      return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1752 }
1753
1754 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits )
1755 {
1756     const double range = 1.5;
1757     if( var < 10 )
1758         return;
1759     double old_coeff = p->coeff / p->count;
1760     double new_coeff = bits*q / var;
1761     double new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1762     double new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1763     if( new_offset >= 0 )
1764         new_coeff = new_coeff_clipped;
1765     else
1766         new_offset = 0;
1767     p->count  *= p->decay;
1768     p->coeff  *= p->decay;
1769     p->offset *= p->decay;
1770     p->count  ++;
1771     p->coeff  += new_coeff;
1772     p->offset += new_offset;
1773 }
1774
1775 // update VBV after encoding a frame
1776 static int update_vbv( x264_t *h, int bits )
1777 {
1778     int filler = 0;
1779     int bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1780     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1781     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1782     uint64_t buffer_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1783
1784     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1785         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale( rcc->qpa_rc ), rcc->last_satd, bits );
1786
1787     if( !rcc->b_vbv )
1788         return filler;
1789
1790     rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1791
1792     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1793         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 );
1794     rct->buffer_fill_final = X264_MAX( rct->buffer_fill_final, 0 );
1795     rct->buffer_fill_final += (uint64_t)bitrate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick * h->fenc->i_cpb_duration;
1796
1797     if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd && rct->buffer_fill_final > buffer_size )
1798     {
1799         filler = ceil( (rct->buffer_fill_final - buffer_size) / (8. * h->sps->vui.i_time_scale) );
1800         bits = X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), filler ) * 8;
1801         rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1802     }
1803     else
1804         rct->buffer_fill_final = X264_MIN( rct->buffer_fill_final, buffer_size );
1805
1806     return filler;
1807 }
1808
1809 void x264_hrd_fullness( x264_t *h )
1810 {
1811     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1812     uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale / rct->hrd_multiply_denom;
1813     uint64_t cpb_state = rct->buffer_fill_final;
1814     uint64_t cpb_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1815     uint64_t multiply_factor = 180000 / rct->hrd_multiply_denom;
1816
1817     if( rct->buffer_fill_final < 0 || rct->buffer_fill_final > cpb_size )
1818     {
1819          x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CPB %s: %.0lf bits in a %.0lf-bit buffer\n",
1820                    rct->buffer_fill_final < 0 ? "underflow" : "overflow", (float)rct->buffer_fill_final/denom, (float)cpb_size/denom );
1821     }
1822
1823     h->initial_cpb_removal_delay = (multiply_factor * cpb_state + denom) / (2*denom);
1824     h->initial_cpb_removal_delay_offset = (multiply_factor * cpb_size + denom) / (2*denom) - h->initial_cpb_removal_delay;
1825 }
1826
1827 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1828 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead )
1829 {
1830     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1831     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final / h->sps->vui.i_time_scale;
1832     if( h->i_thread_frames > 1 )
1833     {
1834         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1835         for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
1836         {
1837             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
1838             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1839             if( !t->b_thread_active )
1840                 continue;
1841             bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
1842             rcc->buffer_fill -= bits;
1843             rcc->buffer_fill = X264_MAX( rcc->buffer_fill, 0 );
1844             rcc->buffer_fill += t->rc->buffer_rate;
1845             rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1846         }
1847     }
1848     rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1849     rcc->buffer_fill -= overhead;
1850 }
1851
1852 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1853 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1854 {
1855     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1856     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1857     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1858     if( rcc->rate_factor_max_increment )
1859         lmax = X264_MIN( lmax, qp2qscale( rcc->qp_novbv + rcc->rate_factor_max_increment ) );
1860     double q0 = q;
1861
1862     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1863      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
1864
1865     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1866     {
1867         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
1868          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
1869          * by the end of the lookahead. */
1870         if( h->param.rc.i_lookahead )
1871         {
1872             int terminate = 0;
1873
1874             /* Avoid an infinite loop. */
1875             for( int iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
1876             {
1877                 double frame_q[3];
1878                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1879                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits;
1880                 double target_fill;
1881                 double total_duration = 0;
1882                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
1883                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
1884                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
1885
1886                 /* Loop over the planned future frames. */
1887                 for( int j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
1888                 {
1889                     total_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1890                     buffer_fill_cur += rcc->vbv_max_rate * h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1891                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
1892                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
1893                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
1894                         break;
1895                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
1896                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
1897                     buffer_fill_cur -= cur_bits;
1898                 }
1899                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
1900                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
1901                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
1902                 {
1903                     q *= 1.01;
1904                     terminate |= 1;
1905                     continue;
1906                 }
1907                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
1908                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
1909                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
1910                 {
1911                     q /= 1.01;
1912                     terminate |= 2;
1913                     continue;
1914                 }
1915                 break;
1916             }
1917         }
1918         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
1919         else
1920         {
1921             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1922                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
1923                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
1924             {
1925                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
1926             }
1927
1928             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
1929              * This one is mostly for I-frames. */
1930             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1931             double qf = 1.0;
1932             /* For small VBVs, allow the frame to use up the entire VBV. */
1933             double max_fill_factor = h->param.rc.i_vbv_buffer_size >= 5*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rcc->fps ? 2 : 1;
1934             /* For single-frame VBVs, request that the frame use up the entire VBV. */
1935             double min_fill_factor = rcc->single_frame_vbv ? 1 : 2;
1936
1937             if( bits > rcc->buffer_fill/max_fill_factor )
1938                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(max_fill_factor*bits), 0.2, 1.0 );
1939             q /= qf;
1940             bits *= qf;
1941             if( bits < rcc->buffer_rate/min_fill_factor )
1942                 q *= bits*min_fill_factor/rcc->buffer_rate;
1943             q = X264_MAX( q0, q );
1944         }
1945
1946         /* Apply MinCR restrictions */
1947         double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1948         if( bits > rcc->frame_size_maximum )
1949             q *= bits / rcc->frame_size_maximum;
1950         bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1951
1952         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
1953          * overflow before the next P-frame. */
1954         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && !rcc->single_frame_vbv )
1955         {
1956             int nb = rcc->bframes;
1957             double pbbits = bits;
1958             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
1959             double space;
1960             double bframe_cpb_duration = 0;
1961             double minigop_cpb_duration;
1962             for( int i = 0; i < nb; i++ )
1963                 bframe_cpb_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[1+i];
1964
1965             if( bbits * nb > bframe_cpb_duration * rcc->vbv_max_rate )
1966                 nb = 0;
1967             pbbits += nb * bbits;
1968
1969             minigop_cpb_duration = bframe_cpb_duration + h->fenc->f_planned_cpb_duration[0];
1970             space = rcc->buffer_fill + minigop_cpb_duration*rcc->vbv_max_rate - rcc->buffer_size;
1971             if( pbbits < space )
1972             {
1973                 q *= X264_MAX( pbbits / space, bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
1974             }
1975             q = X264_MAX( q0-5, q );
1976         }
1977
1978         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
1979             q = X264_MAX( q0, q );
1980     }
1981
1982     if( lmin==lmax )
1983         return lmin;
1984     else if( rcc->b_2pass )
1985     {
1986         double min2 = log( lmin );
1987         double max2 = log( lmax );
1988         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
1989         q = 1.0/(1.0 + exp( -4*q ));
1990         q = q*(max2-min2) + min2;
1991         return exp( q );
1992     }
1993     else
1994         return x264_clip3f( q, lmin, lmax );
1995 }
1996
1997 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
1998 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
1999 {
2000     float q;
2001     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2002     ratecontrol_entry_t rce;
2003     int pict_type = h->sh.i_type;
2004     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_I]
2005                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_P]
2006                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_B]);
2007
2008     if( rcc->b_2pass )
2009     {
2010         rce = *rcc->rce;
2011         if( pict_type != rce.pict_type )
2012         {
2013             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
2014                       slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type] );
2015         }
2016     }
2017
2018     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
2019     {
2020         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
2021          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
2022
2023         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref0[0]->i_type);
2024         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref1[0]->i_type);
2025         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref0[0]->i_poc);
2026         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref1[0]->i_poc);
2027         float q0 = h->fref0[0]->f_qp_avg_rc;
2028         float q1 = h->fref1[0]->f_qp_avg_rc;
2029
2030         if( h->fref0[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2031             q0 -= rcc->pb_offset/2;
2032         if( h->fref1[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2033             q1 -= rcc->pb_offset/2;
2034
2035         if( i0 && i1 )
2036             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
2037         else if( i0 )
2038             q = q1;
2039         else if( i1 )
2040             q = q0;
2041         else
2042             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
2043
2044         if( h->fenc->b_kept_as_ref )
2045             q += rcc->pb_offset/2;
2046         else
2047             q += rcc->pb_offset;
2048
2049         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2050             rcc->frame_size_planned = qscale2bits( &rce, q );
2051         else
2052             rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q, h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd );
2053         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2054
2055         /* For row SATDs */
2056         if( rcc->b_vbv )
2057             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2058         rcc->qp_novbv = q;
2059         return qp2qscale( q );
2060     }
2061     else
2062     {
2063         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
2064
2065         if( rcc->b_2pass )
2066         {
2067             double lmin = rcc->lmin[pict_type];
2068             double lmax = rcc->lmax[pict_type];
2069             int64_t diff;
2070             int64_t predicted_bits = total_bits;
2071
2072             if( rcc->b_vbv )
2073             {
2074                 if( h->i_thread_frames > 1 )
2075                 {
2076                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
2077                     for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
2078                     {
2079                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
2080                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
2081                         if( !t->b_thread_active )
2082                             continue;
2083                         bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
2084                         predicted_bits += (int64_t)bits;
2085                     }
2086                 }
2087             }
2088             else
2089             {
2090                 if( h->i_frame < h->i_thread_frames )
2091                     predicted_bits += (int64_t)h->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
2092                 else
2093                     predicted_bits += (int64_t)(h->i_thread_frames - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
2094             }
2095
2096             /* Adjust ABR buffer based on distance to the end of the video. */
2097             if( rcc->num_entries > h->i_frame )
2098             {
2099                 double final_bits = rcc->entry[rcc->num_entries-1].expected_bits;
2100                 double video_pos = rce.expected_bits / final_bits;
2101                 double scale_factor = sqrt( (1 - video_pos) * rcc->num_entries );
2102                 abr_buffer *= 0.5 * X264_MAX( scale_factor, 0.5 );
2103             }
2104
2105             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
2106             q = rce.new_qscale;
2107             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
2108             if( ((h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames) >= rcc->fps) &&
2109                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
2110             {
2111                 /* Adjust quant based on the difference between
2112                  * achieved and expected bitrate so far */
2113                 double cur_time = (double)h->i_frame / rcc->num_entries;
2114                 double w = x264_clip3f( cur_time*100, 0.0, 1.0 );
2115                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
2116             }
2117             if( rcc->b_vbv )
2118             {
2119                 /* Do not overflow vbv */
2120                 double expected_size = qscale2bits( &rce, q );
2121                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2122                 double expected_fullness = rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
2123                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
2124                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
2125                 qmax = X264_MAX( qmax, rce.new_qscale );
2126                 if( expected_fullness < .05 )
2127                     qmax = lmax;
2128                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
2129                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
2130                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
2131                 {
2132                     q *= 1.05;
2133                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
2134                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2135                 }
2136                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2137             }
2138             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2139         }
2140         else /* 1pass ABR */
2141         {
2142             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
2143              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
2144              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
2145              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
2146              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
2147              * the target.
2148              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
2149              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
2150              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
2151
2152             double wanted_bits, overflow = 1;
2153
2154             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2155             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
2156             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
2157             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd;
2158             rcc->short_term_cplxcount ++;
2159
2160             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
2161             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
2162             rce.mv_bits = 0;
2163             rce.p_count = rcc->nmb;
2164             rce.i_count = 0;
2165             rce.s_count = 0;
2166             rce.qscale = 1;
2167             rce.pict_type = pict_type;
2168
2169             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
2170             {
2171                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
2172             }
2173             else
2174             {
2175                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
2176
2177                 /* ABR code can potentially be counterproductive in CBR, so just don't bother.
2178                  * Don't run it if the frame complexity is zero either. */
2179                 if( !rcc->b_vbv_min_rate && rcc->last_satd )
2180                 {
2181                     // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
2182                     int i_frame_done = h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames;
2183                     double time_done = i_frame_done / rcc->fps;
2184                     if( h->param.b_vfr_input && i_frame_done > 0 )
2185                         time_done = ((double)(h->fenc->i_reordered_pts - h->i_reordered_pts_delay)) * h->param.i_timebase_num / h->param.i_timebase_den;
2186                     wanted_bits = time_done * rcc->bitrate;
2187                     if( wanted_bits > 0 )
2188                     {
2189                         abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt( time_done ) );
2190                         overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
2191                         q *= overflow;
2192                     }
2193                 }
2194             }
2195
2196             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
2197                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
2198                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
2199             {
2200                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
2201                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2202             }
2203             else if( h->i_frame > 0 )
2204             {
2205                 /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
2206                  * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
2207                 double lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
2208                 double lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
2209                 if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
2210                     lmax *= rcc->lstep;
2211                 else if( overflow < 0.9 )
2212                     lmin /= rcc->lstep;
2213
2214                 q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
2215             }
2216             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && rcc->qcompress != 1 )
2217             {
2218                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2219             }
2220             rcc->qp_novbv = qscale2qp( q );
2221
2222             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
2223             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
2224         }
2225
2226         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
2227         rcc->last_qscale = q;
2228
2229         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
2230             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q * fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2231
2232         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2233             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
2234         else
2235             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2236
2237         /* Always use up the whole VBV in this case. */
2238         if( rcc->single_frame_vbv )
2239             rcc->frame_size_planned = rcc->buffer_rate;
2240         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2241         return q;
2242     }
2243 }
2244
2245 void x264_threads_normalize_predictors( x264_t *h )
2246 {
2247     double totalsize = 0;
2248     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2249         totalsize += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2250     double factor = h->rc->frame_size_planned / totalsize;
2251     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2252         h->thread[i]->rc->slice_size_planned *= factor;
2253 }
2254
2255 void x264_threads_distribute_ratecontrol( x264_t *h )
2256 {
2257     int row;
2258     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2259
2260     /* Initialize row predictors */
2261     if( h->i_frame == 0 )
2262         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2263         {
2264             x264_ratecontrol_t *t = h->thread[i]->rc;
2265             memcpy( t->row_preds, rc->row_preds, sizeof(rc->row_preds) );
2266         }
2267
2268     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2269     {
2270         x264_t *t = h->thread[i];
2271         memcpy( t->rc, rc, offsetof(x264_ratecontrol_t, row_pred) );
2272         t->rc->row_pred = &t->rc->row_preds[h->sh.i_type];
2273         /* Calculate the planned slice size. */
2274         if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2275         {
2276             int size = 0;
2277             for( row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2278                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2279             t->rc->slice_size_planned = predict_size( &rc->pred[h->sh.i_type + (i+1)*5], rc->qpm, size );
2280         }
2281         else
2282             t->rc->slice_size_planned = 0;
2283     }
2284     if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2285     {
2286         x264_threads_normalize_predictors( h );
2287
2288         if( rc->single_frame_vbv )
2289         {
2290             /* Compensate for our max frame error threshold: give more bits (proportionally) to smaller slices. */
2291             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2292             {
2293                 x264_t *t = h->thread[i];
2294                 float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) );
2295                 t->rc->slice_size_planned += 2 * max_frame_error * rc->frame_size_planned;
2296             }
2297             x264_threads_normalize_predictors( h );
2298         }
2299
2300         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2301             h->thread[i]->rc->frame_size_estimated = h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2302     }
2303 }
2304
2305 void x264_threads_merge_ratecontrol( x264_t *h )
2306 {
2307     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2308     x264_emms();
2309
2310     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2311     {
2312         x264_t *t = h->thread[i];
2313         x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[i]->rc;
2314         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
2315         {
2316             int size = 0;
2317             for( int row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2318                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2319             int bits = t->stat.frame.i_mv_bits + t->stat.frame.i_tex_bits + t->stat.frame.i_misc_bits;
2320             int mb_count = (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) * h->mb.i_mb_width;
2321             update_predictor( &rc->pred[h->sh.i_type+(i+1)*5], qp2qscale( rct->qpa_rc/mb_count ), size, bits );
2322         }
2323         if( !i )
2324             continue;
2325         rc->qpa_rc += rct->qpa_rc;
2326         rc->qpa_aq += rct->qpa_aq;
2327     }
2328 }
2329
2330 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
2331 {
2332     if( cur != prev )
2333     {
2334 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
2335         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
2336          * so copy them from the context that most recently started (prev)
2337          * to the context that's about to start (cur). */
2338         COPY(accum_p_qp);
2339         COPY(accum_p_norm);
2340         COPY(last_satd);
2341         COPY(last_rceq);
2342         COPY(last_qscale_for);
2343         COPY(last_non_b_pict_type);
2344         COPY(short_term_cplxsum);
2345         COPY(short_term_cplxcount);
2346         COPY(bframes);
2347         COPY(prev_zone);
2348         COPY(qpbuf_pos);
2349         /* these vars can be updated by x264_ratecontrol_init_reconfigurable */
2350         COPY(buffer_rate);
2351         COPY(buffer_size);
2352         COPY(single_frame_vbv);
2353         COPY(cbr_decay);
2354         COPY(b_vbv_min_rate);
2355         COPY(rate_factor_constant);
2356         COPY(bitrate);
2357 #undef COPY
2358     }
2359     if( cur != next )
2360     {
2361 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
2362         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
2363          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
2364          * to the context that's about to end (next) */
2365         COPY(cplxr_sum);
2366         COPY(expected_bits_sum);
2367         COPY(wanted_bits_window);
2368         COPY(bframe_bits);
2369         COPY(initial_cpb_removal_delay);
2370         COPY(initial_cpb_removal_delay_offset);
2371         COPY(nrt_first_access_unit);
2372         COPY(previous_cpb_final_arrival_time);
2373 #undef COPY
2374     }
2375     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
2376     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
2377 }
2378
2379 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
2380 {
2381     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
2382      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
2383      * can influence the buffer fill of that end frame. */
2384     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2385     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
2386     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
2387     double fill = fills[*t0-1];
2388     double parity = over ? 1. : -1.;
2389     int start = -1, end = -1;
2390     for( int i = *t0; i < rcc->num_entries; i++ )
2391     {
2392         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 -
2393                  qscale2bits( &rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale )) * parity;
2394         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
2395         fills[i] = fill;
2396         if( fill <= buffer_min || i == 0 )
2397         {
2398             if( end >= 0 )
2399                 break;
2400             start = i;
2401         }
2402         else if( fill >= buffer_max && start >= 0 )
2403             end = i;
2404     }
2405     *t0 = start;
2406     *t1 = end;
2407     return start >= 0 && end >= 0;
2408 }
2409
2410 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
2411 {
2412     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2413     double qscale_orig, qscale_new;
2414     int adjusted = 0;
2415     if( t0 > 0 )
2416         t0++;
2417     for( int i = t0; i <= t1; i++ )
2418     {
2419         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
2420         qscale_orig = x264_clip3f( qscale_orig, qscale_min, qscale_max );
2421         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
2422         qscale_new  = x264_clip3f( qscale_new, qscale_min, qscale_max );
2423         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
2424         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
2425     }
2426     return adjusted;
2427 }
2428
2429 static double count_expected_bits( x264_t *h )
2430 {
2431     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2432     double expected_bits = 0;
2433     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2434     {
2435         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2436         rce->expected_bits = expected_bits;
2437         expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2438     }
2439     return expected_bits;
2440 }
2441
2442 static int vbv_pass2( x264_t *h, double all_available_bits )
2443 {
2444     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
2445      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
2446      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
2447      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
2448
2449     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2450     double *fills;
2451     double expected_bits = 0;
2452     double adjustment;
2453     double prev_bits = 0;
2454     int t0, t1;
2455     double qscale_min = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
2456     double qscale_max = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
2457     int iterations = 0;
2458     int adj_min, adj_max;
2459     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
2460
2461     fills++;
2462
2463     /* adjust overall stream size */
2464     do
2465     {
2466         iterations++;
2467         prev_bits = expected_bits;
2468
2469         if( expected_bits )
2470         {   /* not first iteration */
2471             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
2472             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
2473             t0 = 0;
2474             /* fix overflows */
2475             adj_min = 1;
2476             while(adj_min && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 1 ))
2477             {
2478                 adj_min = fix_underflow( h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max );
2479                 t0 = t1;
2480             }
2481         }
2482
2483         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
2484         t0 = 0;
2485         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
2486         adj_max = 1;
2487         while( adj_max && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 0 ) )
2488             adj_max = fix_underflow( h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max );
2489
2490         expected_bits = count_expected_bits( h );
2491     } while( (expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int64_t)(expected_bits+.5) > (int64_t)(prev_bits+.5)) );
2492
2493     if( !adj_max )
2494         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
2495
2496     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
2497     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2498         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
2499
2500     x264_free( fills-1 );
2501     return 0;
2502 fail:
2503     return -1;
2504 }
2505
2506 static int init_pass2( x264_t *h )
2507 {
2508     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2509     uint64_t all_const_bits = 0;
2510     double duration = 0;
2511     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2512         duration += rcc->entry[i].i_duration;
2513     duration *= (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
2514     uint64_t all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * duration;
2515     double rate_factor, step_mult;
2516     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
2517     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
2518     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
2519     double expected_bits;
2520     double *qscale, *blurred_qscale;
2521
2522     /* find total/average complexity & const_bits */
2523     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2524     {
2525         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2526         all_const_bits += rce->misc_bits;
2527     }
2528
2529     if( all_available_bits < all_const_bits)
2530     {
2531         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
2532                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)) );
2533         return -1;
2534     }
2535
2536     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
2537      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
2538      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
2539      * bits than intended. */
2540     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2541     {
2542         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2543         double weight_sum = 0;
2544         double cplx_sum = 0;
2545         double weight = 1.0;
2546         double gaussian_weight;
2547         /* weighted average of cplx of future frames */
2548         for( int j = 1; j < cplxblur*2 && j < rcc->num_entries-i; j++ )
2549         {
2550             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
2551             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2552             if( weight < .0001 )
2553                 break;
2554             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2555             weight_sum += gaussian_weight;
2556             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2557         }
2558         /* weighted average of cplx of past frames */
2559         weight = 1.0;
2560         for( int j = 0; j <= cplxblur*2 && j <= i; j++ )
2561         {
2562             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2563             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2564             weight_sum += gaussian_weight;
2565             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits);
2566             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2567             if( weight < .0001 )
2568                 break;
2569         }
2570         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2571     }
2572
2573     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2574     if( filter_size > 1 )
2575         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2576     else
2577         blurred_qscale = qscale;
2578
2579     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2580      * each frame, adds up to the desired total size.
2581      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2582      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2583      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2584      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2585
2586     expected_bits = 1;
2587     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2588     {
2589         double q = get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i);
2590         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], q);
2591         rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = q;
2592     }
2593     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2594
2595     rate_factor = 0;
2596     for( double step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2597     {
2598         expected_bits = 0;
2599         rate_factor += step;
2600
2601         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2602         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2603         rcc->accum_p_norm = 0;
2604
2605         /* find qscale */
2606         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2607         {
2608             qscale[i] = get_qscale( h, &rcc->entry[i], rate_factor, i );
2609             rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = qscale[i];
2610         }
2611
2612         /* fixed I/B qscale relative to P */
2613         for( int i = rcc->num_entries-1; i >= 0; i-- )
2614         {
2615             qscale[i] = get_diff_limited_q( h, &rcc->entry[i], qscale[i] );
2616             assert(qscale[i] >= 0);
2617         }
2618
2619         /* smooth curve */
2620         if( filter_size > 1 )
2621         {
2622             assert( filter_size%2 == 1 );
2623             for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2624             {
2625                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2626                 double q = 0.0, sum = 0.0;
2627
2628                 for( int j = 0; j < filter_size; j++ )
2629                 {
2630                     int idx = i+j-filter_size/2;
2631                     double d = idx-i;
2632                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp( -d*d/(qblur*qblur) );
2633                     if( idx < 0 || idx >= rcc->num_entries )
2634                         continue;
2635                     if( rce->pict_type != rcc->entry[idx].pict_type )
2636                         continue;
2637                     q += qscale[idx] * coeff;
2638                     sum += coeff;
2639                 }
2640                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2641             }
2642         }
2643
2644         /* find expected bits */
2645         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2646         {
2647             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2648             rce->new_qscale = clip_qscale( h, rce->pict_type, blurred_qscale[i] );
2649             assert(rce->new_qscale >= 0);
2650             expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2651         }
2652
2653         if( expected_bits > all_available_bits )
2654             rate_factor -= step;
2655     }
2656
2657     x264_free( qscale );
2658     if( filter_size > 1 )
2659         x264_free( blurred_qscale );
2660
2661     if( rcc->b_vbv )
2662         if( vbv_pass2( h, all_available_bits ) )
2663             return -1;
2664     expected_bits = count_expected_bits( h );
2665
2666     if( fabs( expected_bits/all_available_bits - 1.0 ) > 0.01 )
2667     {
2668         double avgq = 0;
2669         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2670             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2671         avgq = qscale2qp( avgq / rcc->num_entries );
2672
2673         if( expected_bits > all_available_bits || !rcc->b_vbv )
2674             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n" );
2675         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2676                   (float)h->param.rc.i_bitrate,
2677                   expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2678                   avgq );
2679         if( expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2 )
2680         {
2681             if( h->param.rc.i_qp_min > 0 )
2682                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min );
2683             else
2684                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n" );
2685         }
2686         else if( expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2 )
2687         {
2688             if( h->param.rc.i_qp_max < QP_MAX )
2689                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max );
2690             else
2691                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2692         }
2693         else if( !(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv) )
2694             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n" );
2695     }
2696
2697     return 0;
2698 fail:
2699     return -1;
2700 }