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

   1 /*****************************************************************************
   2  * ratecontrol.c: ratecontrol
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2010 x264 project
   5  *
   6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
   7  *          Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   8  *          Gabriel Bouvigne <gabriel.bouvigne@joost.com>
   9  *          Fiona Glaser <fiona@x264.com>
  10  *          Måns Rullgård <mru@mru.ath.cx>
  11  *
  12  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with this program; if not, write to the Free Software
  24  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
  25  *
  26  * This program is also available under a commercial proprietary license.
  27  * For more information, contact us at licensing@x264.com.
  28  *****************************************************************************/
  29
  30 #define _ISOC99_SOURCE
  31 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  32 #include <math.h>
  33
  34 #include "common/common.h"
  35 #include "ratecontrol.h"
  36 #include "me.h"
  37
  38 typedef struct
  39 {
  40     int pict_type;
  41     int frame_type;
  42     int kept_as_ref;
  43     double qscale;
  44     int mv_bits;
  45     int tex_bits;
  46     int misc_bits;
  47     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  48     double expected_vbv;
  49     double new_qscale;
  50     int new_qp;
  51     int i_count;
  52     int p_count;
  53     int s_count;
  54     float blurred_complexity;
  55     char direct_mode;
  56     int16_t weight[3][2];
  57     int16_t i_weight_denom[2];
  58     int refcount[16];
  59     int refs;
  60     int i_duration;
  61     int i_cpb_duration;
  62 } ratecontrol_entry_t;
  63
  64 typedef struct
  65 {
  66     double coeff;
  67     double count;
  68     double decay;
  69     double offset;
  70 } predictor_t;
  71
  72 struct x264_ratecontrol_t
  73 {
  74     /* constants */
  75     int b_abr;
  76     int b_2pass;
  77     int b_vbv;
  78     int b_vbv_min_rate;
  79     double fps;
  80     double bitrate;
  81     double rate_tolerance;
  82     double qcompress;
  83     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  84     int qp_constant[3];
  85
  86     /* current frame */
  87     ratecontrol_entry_t *rce;
  88     int qp;                     /* qp for current frame */
  89     float qpm;                  /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  90     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  91     float qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  92     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  93
  94     /* VBV stuff */
  95     double buffer_size;
  96     int64_t buffer_fill_final;
  97     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  98     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  99     double vbv_max_rate;        /* # of bits added to buffer_fill per second */
 100     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
 101     int single_frame_vbv;
 102     double rate_factor_max_increment; /* Don't allow RF above (CRF + this value). */
 103
 104     /* ABR stuff */
 105     int    last_satd;
 106     double last_rceq;
 107     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
 108     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 109     int64_t filler_bits_sum;    /* sum in bits of finished frames' filler data */
 110     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 111     double cbr_decay;
 112     double short_term_cplxsum;
 113     double short_term_cplxcount;
 114     double rate_factor_constant;
 115     double ip_offset;
 116     double pb_offset;
 117
 118     /* 2pass stuff */
 119     FILE *p_stat_file_out;
 120     char *psz_stat_file_tmpname;
 121     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 122     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 123     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 124     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 125
 126     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 127     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 128     double last_qscale;
 129     double last_qscale_for[3];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff */
 130     int last_non_b_pict_type;
 131     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 132     double accum_p_norm;
 133     double last_accum_p_norm;
 134     double lmin[3];             /* min qscale by frame type */
 135     double lmax[3];
 136     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 137     uint16_t *qp_buffer[2];     /* Global buffers for converting MB-tree quantizer data. */
 138     int qpbuf_pos;              /* In order to handle pyramid reordering, QP buffer acts as a stack.
 139                                  * This value is the current position (0 or 1). */
 140
 141     /* MBRC stuff */
 142     float frame_size_estimated; /* Access to this variable must be atomic: double is
 143                                  * not atomic on all arches we care about */
 144     double frame_size_maximum;  /* Maximum frame size due to MinCR */
 145     double frame_size_planned;
 146     double slice_size_planned;
 147     predictor_t (*row_pred)[2];
 148     predictor_t row_preds[3][2];
 149     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 150     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 151     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 152
 153     int i_zones;
 154     x264_zone_t *zones;
 155     x264_zone_t *prev_zone;
 156
 157     /* hrd stuff */
 158     int initial_cpb_removal_delay;
 159     int initial_cpb_removal_delay_offset;
 160     double nrt_first_access_unit; /* nominal removal time */
 161     double previous_cpb_final_arrival_time;
 162     uint64_t hrd_multiply_denom;
 163 };
 164
 165
 166 static int parse_zones( x264_t *h );
 167 static int init_pass2(x264_t *);
 168 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 169 static int update_vbv( x264_t *h, int bits );
 170 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead );
 171 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var );
 172 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits );
 173
 174 #define CMP_OPT_FIRST_PASS( opt, param_val )\
 175 {\
 176     if( ( p = strstr( opts, opt "=" ) ) && sscanf( p, opt "=%d" , &i ) && param_val != i )\
 177     {\
 178         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different " opt " setting than first pass (%d vs %d)\n", param_val, i );\
 179         return -1;\
 180     }\
 181 }
 182
 183 /* Terminology:
 184  * qp = h.264's quantizer
 185  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 186  */
 187 static inline double qp2qscale( double qp )
 188 {
 189     return 0.85 * pow( 2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0 );
 190 }
 191 static inline double qscale2qp( double qscale )
 192 {
 193     return 12.0 + 6.0 * log2( qscale/0.85 );
 194 }
 195
 196 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 197  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 198  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 199  * for motion estimation is constant there. */
 200 static inline double qscale2bits( ratecontrol_entry_t *rce, double qscale )
 201 {
 202     if( qscale<0.1 )
 203         qscale = 0.1;
 204     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 205            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 206            + rce->misc_bits;
 207 }
 208
 209 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_var( uint64_t sum_ssd, int shift, x264_frame_t *frame, int i )
 210 {
 211     uint32_t sum = sum_ssd;
 212     uint32_t ssd = sum_ssd >> 32;
 213     frame->i_pixel_sum[i] += sum;
 214     frame->i_pixel_ssd[i] += ssd;
 215     return ssd - ((uint64_t)sum * sum >> shift);
 216 }
 217
 218 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_plane( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame, int i )
 219 {
 220     int w = i ? 8 : 16;
 221     int stride = frame->i_stride[i];
 222     int offset = h->mb.b_interlaced
 223         ? 16 * mb_x + w * (mb_y&~1) * stride + (mb_y&1) * stride
 224         : 16 * mb_x + w * mb_y * stride;
 225     stride <<= h->mb.b_interlaced;
 226     if( i )
 227     {
 228         ALIGNED_ARRAY_16( pixel, pix,[FENC_STRIDE*8] );
 229         h->mc.load_deinterleave_8x8x2_fenc( pix, frame->plane[1] + offset, stride );
 230         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix, FENC_STRIDE ), 6, frame, 1 )
 231              + ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix+FENC_STRIDE/2, FENC_STRIDE ), 6, frame, 2 );
 232     }
 233     else
 234         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_16x16]( frame->plane[0] + offset, stride ), 8, frame, 0 );
 235 }
 236
 237 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 238 static NOINLINE uint32_t x264_ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 239 {
 240     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 241      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 242      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 243      * sure no reordering goes on. */
 244     uint32_t var = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0 );
 245     var         += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1 );
 246     x264_emms();
 247     return var;
 248 }
 249
 250 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 251 {
 252     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 253      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 254     float strength;
 255     float avg_adj = 0.f;
 256     /* Initialize frame stats */
 257     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 258     {
 259         frame->i_pixel_sum[i] = 0;
 260         frame->i_pixel_ssd[i] = 0;
 261     }
 262
 263     /* Degenerate cases */
 264     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_NONE || h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 265     {
 266         /* Need to init it anyways for MB tree */
 267         if( h->param.rc.i_aq_mode && h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 268         {
 269             if( quant_offsets )
 270             {
 271                 for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 272                     frame->f_qp_offset[mb_xy] = frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = quant_offsets[mb_xy];
 273                 if( h->frames.b_have_lowres )
 274                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 275                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8( frame->f_qp_offset[mb_xy] );
 276             }
 277             else
 278             {
 279                 memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 280                 memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 281                 if( h->frames.b_have_lowres )
 282                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 283                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 284             }
 285         }
 286         /* Need variance data for weighted prediction */
 287         if( h->param.analyse.i_weighted_pred )
 288         {
 289             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 290                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 291                     x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 292         }
 293         else
 294             return;
 295     }
 296     /* Actual adaptive quantization */
 297     else
 298     {
 299         if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 300         {
 301             float bit_depth_correction = powf(1 << (BIT_DEPTH-8), 0.5f);
 302             float avg_adj_pow2 = 0.f;
 303             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 304                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 305                 {
 306                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 307                     float qp_adj = powf( energy + 1, 0.125f );
 308                     frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 309                     avg_adj += qp_adj;
 310                     avg_adj_pow2 += qp_adj * qp_adj;
 311                 }
 312             avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 313             avg_adj_pow2 /= h->mb.i_mb_count;
 314             strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj / bit_depth_correction;
 315             avg_adj = avg_adj - 0.5f * (avg_adj_pow2 - (14.f * bit_depth_correction)) / avg_adj;
 316         }
 317         else
 318             strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 319
 320         for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 321             for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 322             {
 323                 float qp_adj;
 324                 int mb_xy = mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride;
 325                 if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 326                 {
 327                     qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_xy];
 328                     qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 329                 }
 330                 else
 331                 {
 332                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 333                     qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - (14.427f + 2*(BIT_DEPTH-8)));
 334                 }
 335                 if( quant_offsets )
 336                     qp_adj += quant_offsets[mb_xy];
 337                 frame->f_qp_offset[mb_xy] =
 338                 frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = qp_adj;
 339                 if( h->frames.b_have_lowres )
 340                     frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 341             }
 342     }
 343
 344     /* Remove mean from SSD calculation */
 345     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 346     {
 347         uint64_t ssd = frame->i_pixel_ssd[i];
 348         uint64_t sum = frame->i_pixel_sum[i];
 349         int width = h->mb.i_mb_width*16>>!!i;
 350         int height = h->mb.i_mb_height*16>>!!i;
 351         frame->i_pixel_ssd[i] = ssd - (sum * sum + width * height / 2) / (width * height);
 352     }
 353 }
 354
 355 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 356 {
 357     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 358     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 359
 360     if( rc->entry[frame->i_frame].kept_as_ref )
 361     {
 362         uint8_t i_type;
 363         if( rc->qpbuf_pos < 0 )
 364         {
 365             do
 366             {
 367                 rc->qpbuf_pos++;
 368
 369                 if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 370                     goto fail;
 371                 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 )
 372                     goto fail;
 373
 374                 if( i_type != i_type_actual && rc->qpbuf_pos == 1 )
 375                 {
 376                     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type, i_type_actual);
 377                     return -1;
 378                 }
 379             } while( i_type != i_type_actual );
 380         }
 381
 382         for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 383         {
 384             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos][i] )) * (1/256.0);
 385             if( h->frames.b_have_lowres )
 386                 frame->i_inv_qscale_factor[i] = x264_exp2fix8(frame->f_qp_offset[i]);
 387         }
 388         rc->qpbuf_pos--;
 389     }
 390     else
 391         x264_stack_align( x264_adaptive_quant_frame, h, frame, quant_offsets );
 392     return 0;
 393 fail:
 394     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n");
 395     return -1;
 396 }
 397
 398 int x264_reference_build_list_optimal( x264_t *h )
 399 {
 400     ratecontrol_entry_t *rce = h->rc->rce;
 401     x264_frame_t *frames[16];
 402     x264_weight_t weights[16][3];
 403     int refcount[16];
 404
 405     if( rce->refs != h->i_ref0 )
 406         return -1;
 407
 408     memcpy( frames, h->fref0, sizeof(frames) );
 409     memcpy( refcount, rce->refcount, sizeof(refcount) );
 410     memcpy( weights, h->fenc->weight, sizeof(weights) );
 411     memset( &h->fenc->weight[1][0], 0, sizeof(x264_weight_t[15][3]) );
 412
 413     /* For now don't reorder ref 0; it seems to lower quality
 414        in most cases due to skips. */
 415     for( int ref = 1; ref < h->i_ref0; ref++ )
 416     {
 417         int max = -1;
 418         int bestref = 1;
 419
 420         for( int i = 1; i < h->i_ref0; i++ )
 421             /* Favor lower POC as a tiebreaker. */
 422             COPY2_IF_GT( max, refcount[i], bestref, i );
 423
 424         /* FIXME: If there are duplicates from frames other than ref0 then it is possible
 425          * that the optimal ordering doesnt place every duplicate. */
 426
 427         refcount[bestref] = -1;
 428         h->fref0[ref] = frames[bestref];
 429         memcpy( h->fenc->weight[ref], weights[bestref], sizeof(weights[bestref]) );
 430     }
 431
 432     return 0;
 433 }
 434
 435 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 436 {
 437     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 438     if( !output )
 439         return NULL;
 440     strcpy( output, input );
 441     strcat( output, suffix );
 442     return output;
 443 }
 444
 445 void x264_ratecontrol_init_reconfigurable( x264_t *h, int b_init )
 446 {
 447     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 448     if( !b_init && rc->b_2pass )
 449         return;
 450
 451     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 452     {
 453         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 454          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 455         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 456         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 457         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 458                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset + QP_BD_OFFSET );
 459     }
 460
 461     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 && h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 462     {
 463         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < (int)(h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps) )
 464         {
 465             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 466             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size cannot be smaller than one frame, using %d kbit\n",
 467                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 468         }
 469
 470         /* We don't support changing the ABR bitrate right now,
 471            so if the stream starts as CBR, keep it CBR. */
 472         if( rc->b_vbv_min_rate )
 473             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 474
 475         int vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000;
 476         int vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000;
 477
 478         /* Init HRD */
 479         h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = vbv_max_bitrate;
 480         h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = vbv_buffer_size;
 481         if( h->param.i_nal_hrd && b_init )
 482         {
 483             h->sps->vui.hrd.i_cpb_cnt = 1;
 484             h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd = h->param.i_nal_hrd == X264_NAL_HRD_CBR;
 485             h->sps->vui.hrd.i_time_offset_length = 0;
 486
 487             #define BR_SHIFT  6
 488             #define CPB_SHIFT 4
 489
 490             int bitrate = 1000*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate;
 491             int bufsize = 1000*h->param.rc.i_vbv_buffer_size;
 492
 493             // normalize HRD size and rate to the value / scale notation
 494             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale = x264_clip3( x264_ctz( bitrate ) - BR_SHIFT, 0, 15 );
 495             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value = bitrate >> ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 496             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 );
 497             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale = x264_clip3( x264_ctz( bufsize ) - CPB_SHIFT, 0, 15 );
 498             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value = bufsize >> ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 499             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 );
 500
 501             #undef CPB_SHIFT
 502             #undef BR_SHIFT
 503
 504             // arbitrary
 505             #define MAX_DURATION 0.5
 506
 507             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 );
 508             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;
 509             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);
 510
 511             h->sps->vui.hrd.i_initial_cpb_removal_delay_length = 2 + x264_clip3( 32 - x264_clz( max_delay ), 4, 22 );
 512             h->sps->vui.hrd.i_cpb_removal_delay_length = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_cpb_output_delay ), 4, 31 );
 513             h->sps->vui.hrd.i_dpb_output_delay_length  = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_dpb_output_delay ), 4, 31 );
 514
 515             #undef MAX_DURATION
 516
 517             vbv_buffer_size = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled;
 518             vbv_max_bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
 519         }
 520         else if( h->param.i_nal_hrd && !b_init )
 521         {
 522             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV parameters cannot be changed when NAL HRD is in use\n" );
 523             return;
 524         }
 525
 526         rc->buffer_rate = vbv_max_bitrate / rc->fps;
 527         rc->vbv_max_rate = vbv_max_bitrate;
 528         rc->buffer_size = vbv_buffer_size;
 529         rc->single_frame_vbv = rc->buffer_rate * 1.1 > rc->buffer_size;
 530         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 531                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 532         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.f_rf_constant_max )
 533         {
 534             rc->rate_factor_max_increment = h->param.rc.f_rf_constant_max - h->param.rc.f_rf_constant;
 535             if( rc->rate_factor_max_increment <= 0 )
 536             {
 537                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CRF max must be greater than CRF\n" );
 538                 rc->rate_factor_max_increment = 0;
 539             }
 540         }
 541         if( b_init )
 542         {
 543             if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 544                 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 );
 545             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);
 546             rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init * h->sps->vui.i_time_scale;
 547             rc->b_vbv = 1;
 548             rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 549                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 550                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 551         }
 552     }
 553 }
 554
 555 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 556 {
 557     x264_ratecontrol_t *rc;
 558
 559     x264_emms();
 560
 561     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 562     rc = h->rc;
 563
 564     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 565     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 566
 567     /* FIXME: use integers */
 568     if( h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0 )
 569         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 570     else
 571         rc->fps = 25.0;
 572
 573     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 574     {
 575         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 576         rc->qcompress = 1;
 577     }
 578     else
 579         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 580
 581     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 582     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 583     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 584     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 585     rc->cbr_decay = 1.0;
 586
 587     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 588     {
 589         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 590         return -1;
 591     }
 592
 593     x264_ratecontrol_init_reconfigurable( h, 1 );
 594
 595     if( h->param.i_nal_hrd )
 596     {
 597         uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
 598         uint64_t num = 180000;
 599         x264_reduce_fraction64( &num, &denom );
 600         rc->hrd_multiply_denom = 180000 / num;
 601
 602         double bits_required = log2( 180000 / rc->hrd_multiply_denom )
 603                              + log2( h->sps->vui.i_time_scale )
 604                              + log2( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled );
 605         if( bits_required >= 63 )
 606         {
 607             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "HRD with very large timescale and bufsize not supported\n" );
 608             return -1;
 609         }
 610     }
 611
 612     if( rc->rate_tolerance < 0.01 )
 613     {
 614         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 615         rc->rate_tolerance = 0.01;
 616     }
 617
 618     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 619
 620     if( rc->b_abr )
 621     {
 622         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 623 #define ABR_INIT_QP (( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 ) + QP_BD_OFFSET)
 624         rc->accum_p_norm = .01;
 625         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 626         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 627         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 628         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 629         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 630     }
 631
 632     rc->ip_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_ip_factor );
 633     rc->pb_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_pb_factor );
 634     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 635     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 636     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 637     h->mb.ip_offset = rc->ip_offset + 0.5;
 638
 639     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 640     rc->last_qscale = qp2qscale( 26 );
 641     int num_preds = h->param.b_sliced_threads * h->param.i_threads + 1;
 642     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5 * sizeof(predictor_t) * num_preds );
 643     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 644     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 645     {
 646         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 647         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 648         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 649         for( int j = 0; j < num_preds; j++ )
 650         {
 651             rc->pred[i+j*5].coeff= 2.0;
 652             rc->pred[i+j*5].count= 1.0;
 653             rc->pred[i+j*5].decay= 0.5;
 654             rc->pred[i+j*5].offset= 0.0;
 655         }
 656         for( int j = 0; j < 2; j++ )
 657         {
 658             rc->row_preds[i][j].coeff= .25;
 659             rc->row_preds[i][j].count= 1.0;
 660             rc->row_preds[i][j].decay= 0.5;
 661             rc->row_preds[i][j].offset= 0.0;
 662         }
 663     }
 664     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 665
 666     if( parse_zones( h ) < 0 )
 667     {
 668         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 669         return -1;
 670     }
 671
 672     /* Load stat file and init 2pass algo */
 673     if( h->param.rc.b_stat_read )
 674     {
 675         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 676
 677         /* read 1st pass stats */
 678         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 679         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 680         if( !stats_buf )
 681         {
 682             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 683             return -1;
 684         }
 685         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 686         {
 687             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 688             if( !mbtree_stats_in )
 689                 return -1;
 690             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 691             x264_free( mbtree_stats_in );
 692             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 693             {
 694                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 695                 return -1;
 696             }
 697         }
 698
 699         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 700         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 701         {
 702             int i, j;
 703             uint32_t k, l;
 704             char *opts = stats_buf;
 705             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 706             if( !stats_in )
 707                 return -1;
 708             *stats_in = '\0';
 709             stats_in++;
 710             if( sscanf( opts, "#options: %dx%d", &i, &j ) != 2 )
 711             {
 712                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "resolution specified in stats file not valid\n" );
 713                 return -1;
 714             }
 715             else if( h->param.rc.b_mb_tree && (i != h->param.i_width || j != h->param.i_height)  )
 716             {
 717                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree doesn't support different resolution than 1st pass (%dx%d vs %dx%d)\n",
 718                           h->param.i_width, h->param.i_height, i, j );
 719                 return -1;
 720             }
 721
 722             if( ( p = strstr( opts, "timebase=" ) ) && sscanf( p, "timebase=%u/%u", &k, &l ) != 2 )
 723             {
 724                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase specified in stats file not valid\n" );
 725                 return -1;
 726             }
 727             if( k != h->param.i_timebase_num || l != h->param.i_timebase_den )
 728             {
 729                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase mismatch with 1st pass (%u/%u vs %u/%u)\n",
 730                           h->param.i_timebase_num, h->param.i_timebase_den, k, l );
 731                 return -1;
 732             }
 733
 734             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bitdepth", BIT_DEPTH );
 735             CMP_OPT_FIRST_PASS( "weightp", X264_MAX( 0, h->param.analyse.i_weighted_pred ) );
 736             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bframes", h->param.i_bframe );
 737             CMP_OPT_FIRST_PASS( "b_pyramid", h->param.i_bframe_pyramid );
 738             CMP_OPT_FIRST_PASS( "intra_refresh", h->param.b_intra_refresh );
 739             CMP_OPT_FIRST_PASS( "open_gop", h->param.i_open_gop );
 740
 741             if( (p = strstr( opts, "keyint=" )) )
 742             {
 743                 p += 7;
 744                 char buf[13] = "infinite ";
 745                 if( h->param.i_keyint_max != X264_KEYINT_MAX_INFINITE )
 746                     sprintf( buf, "%d ", h->param.i_keyint_max );
 747                 if( strncmp( p, buf, strlen(buf) ) )
 748                 {
 749                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different keyint setting than first pass (%.*s vs %.*s)\n",
 750                               strlen(buf)-1, buf, strcspn(p, " "), p );
 751                     return -1;
 752                 }
 753             }
 754
 755             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 756                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 757
 758             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 759             {
 760                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 761                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 762             }
 763
 764             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 765                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 766             else if( h->param.i_bframe )
 767             {
 768                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 769                 return -1;
 770             }
 771
 772             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 ) )
 773                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 774         }
 775
 776         /* find number of pics */
 777         p = stats_in;
 778         int num_entries;
 779         for( num_entries = -1; p; num_entries++ )
 780             p = strchr( p + 1, ';' );
 781         if( !num_entries )
 782         {
 783             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 784             return -1;
 785         }
 786         rc->num_entries = num_entries;
 787
 788         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 789         {
 790             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 791                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 792         }
 793         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 794         {
 795             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 796                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 797             return -1;
 798         }
 799
 800         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 801
 802         /* init all to skipped p frames */
 803         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 804         {
 805             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 806             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 807             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale( 20 );
 808             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 809             rce->new_qp = 0;
 810         }
 811
 812         /* read stats */
 813         p = stats_in;
 814         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 815         {
 816             ratecontrol_entry_t *rce;
 817             int frame_number;
 818             char pict_type;
 819             int e;
 820             char *next;
 821             float qp;
 822             int ref;
 823
 824             next= strchr(p, ';');
 825             if( next )
 826                 *next++ = 0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 827             e = sscanf( p, " in:%d ", &frame_number );
 828
 829             if( frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries )
 830             {
 831                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i );
 832                 return -1;
 833             }
 834             rce = &rc->entry[frame_number];
 835             rce->direct_mode = 0;
 836
 837             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",
 838                    &pict_type, &rce->i_duration, &rce->i_cpb_duration, &qp, &rce->tex_bits,
 839                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 840                    &rce->s_count, &rce->direct_mode );
 841
 842             p = strstr( p, "ref:" );
 843             if( !p )
 844                 goto parse_error;
 845             p += 4;
 846             for( ref = 0; ref < 16; ref++ )
 847             {
 848                 if( sscanf( p, " %d", &rce->refcount[ref] ) != 1 )
 849                     break;
 850                 p = strchr( p+1, ' ' );
 851                 if( !p )
 852                     goto parse_error;
 853             }
 854             rce->refs = ref;
 855
 856             /* find weights */
 857             rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 858             char *w = strchr( p, 'w' );
 859             if( w )
 860             {
 861                 int count = sscanf( w, "w:%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd",
 862                                     &rce->i_weight_denom[0], &rce->weight[0][0], &rce->weight[0][1],
 863                                     &rce->i_weight_denom[1], &rce->weight[1][0], &rce->weight[1][1],
 864                                     &rce->weight[2][0], &rce->weight[2][1] );
 865                 if( count == 3 )
 866                     rce->i_weight_denom[1] = -1;
 867                 else if ( count != 8 )
 868                     rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 869             }
 870
 871             if( pict_type != 'b' )
 872                 rce->kept_as_ref = 1;
 873             switch( pict_type )
 874             {
 875                 case 'I':
 876                     rce->frame_type = X264_TYPE_IDR;
 877                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 878                     break;
 879                 case 'i':
 880                     rce->frame_type = X264_TYPE_I;
 881                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 882                     break;
 883                 case 'P':
 884                     rce->frame_type = X264_TYPE_P;
 885                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_P;
 886                     break;
 887                 case 'B':
 888                     rce->frame_type = X264_TYPE_BREF;
 889                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 890                     break;
 891                 case 'b':
 892                     rce->frame_type = X264_TYPE_B;
 893                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 894                     break;
 895                 default:  e = -1; break;
 896             }
 897             if( e < 12 )
 898             {
 899 parse_error:
 900                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e );
 901                 return -1;
 902             }
 903             rce->qscale = qp2qscale( qp );
 904             p = next;
 905         }
 906
 907         x264_free( stats_buf );
 908
 909         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 910         {
 911             if( init_pass2( h ) < 0 )
 912                 return -1;
 913         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 914     }
 915
 916     /* Open output file */
 917     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 918      * and move it to the real name only when it's complete */
 919     if( h->param.rc.b_stat_write )
 920     {
 921         char *p;
 922         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 923         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 924             return -1;
 925
 926         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 927         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 928         {
 929             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 930             return -1;
 931         }
 932
 933         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 934         if( p )
 935             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 936         x264_free( p );
 937         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
 938         {
 939             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
 940             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
 941             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
 942                 return -1;
 943
 944             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
 945             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
 946             {
 947                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 948                 return -1;
 949             }
 950         }
 951     }
 952
 953     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
 954     {
 955         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[0], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 956         if( h->param.i_bframe_pyramid && h->param.rc.b_stat_read )
 957             CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[1], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 958         rc->qpbuf_pos = -1;
 959     }
 960
 961     for( int i = 0; i<h->param.i_threads; i++ )
 962     {
 963         h->thread[i]->rc = rc+i;
 964         if( i )
 965         {
 966             rc[i] = rc[0];
 967             h->thread[i]->param = h->param;
 968             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 969         }
 970     }
 971
 972     return 0;
 973 fail:
 974     return -1;
 975 }
 976
 977 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 978 {
 979     int len = 0;
 980     char *tok, UNUSED *saveptr=NULL;
 981     z->param = NULL;
 982     z->f_bitrate_factor = 1;
 983     if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,q=%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
 984         z->b_force_qp = 1;
 985     else if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
 986         z->b_force_qp = 0;
 987     else if( 2 <= sscanf(p, "%u,%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
 988         z->b_force_qp = 0;
 989     else
 990     {
 991         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
 992         return -1;
 993     }
 994     p += len;
 995     if( !*p )
 996         return 0;
 997     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
 998     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 999     z->param->param_free = x264_free;
1000     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
1001     {
1002         char *val = strchr( tok, '=' );
1003         if( val )
1004         {
1005             *val = '\0';
1006             val++;
1007         }
1008         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
1009         {
1010             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
1011             return -1;
1012         }
1013         p = NULL;
1014     }
1015     return 0;
1016 fail:
1017     return -1;
1018 }
1019
1020 static int parse_zones( x264_t *h )
1021 {
1022     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1023     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
1024     {
1025         char *psz_zones, *p;
1026         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
1027         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
1028         h->param.rc.i_zones = 1;
1029         for( p = psz_zones; *p; p++ )
1030             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
1031         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1032         p = psz_zones;
1033         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1034         {
1035             int i_tok = strcspn( p, "/" );
1036             p[i_tok] = 0;
1037             if( parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], p ) )
1038                 return -1;
1039             p += i_tok + 1;
1040         }
1041         x264_free( psz_zones );
1042     }
1043
1044     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
1045     {
1046         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1047         {
1048             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
1049             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
1050             {
1051                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
1052                           z.i_start, z.i_end );
1053                 return -1;
1054             }
1055             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
1056             {
1057                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
1058                           z.f_bitrate_factor );
1059                 return -1;
1060             }
1061         }
1062
1063         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
1064         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1065         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
1066
1067         // default zone to fall back to if none of the others match
1068         rc->zones[0].i_start = 0;
1069         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
1070         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
1071         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
1072         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
1073         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1074         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1075         {
1076             if( !rc->zones[i].param )
1077                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
1078         }
1079     }
1080
1081     return 0;
1082 fail:
1083     return -1;
1084 }
1085
1086 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
1087 {
1088     for( int i = h->rc->i_zones - 1; i >= 0; i-- )
1089     {
1090         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
1091         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
1092             return z;
1093     }
1094     return NULL;
1095 }
1096
1097 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
1098 {
1099     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1100     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
1101     {
1102         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
1103         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
1104         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
1105                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
1106                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset - QP_BD_OFFSET );
1107     }
1108 }
1109
1110 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
1111 {
1112     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1113     int b_regular_file;
1114
1115     if( rc->p_stat_file_out )
1116     {
1117         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_stat_file_out );
1118         fclose( rc->p_stat_file_out );
1119         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1120             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
1121             {
1122                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1123                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
1124             }
1125         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
1126     }
1127     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
1128     {
1129         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1130         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1131         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1132             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
1133             {
1134                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1135                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1136             }
1137         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
1138         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1139     }
1140     if( rc->p_mbtree_stat_file_in )
1141         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_in );
1142     x264_free( rc->pred );
1143     x264_free( rc->pred_b_from_p );
1144     x264_free( rc->entry );
1145     x264_free( rc->qp_buffer[0] );
1146     x264_free( rc->qp_buffer[1] );
1147     if( rc->zones )
1148     {
1149         x264_free( rc->zones[0].param );
1150         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1151             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
1152                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
1153         x264_free( rc->zones );
1154     }
1155     x264_free( rc );
1156 }
1157
1158 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
1159 {
1160     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1161     rc->accum_p_qp   *= .95;
1162     rc->accum_p_norm *= .95;
1163     rc->accum_p_norm += 1;
1164     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
1165         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
1166     else
1167         rc->accum_p_qp += qp;
1168 }
1169
1170 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
1171 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp, int overhead )
1172 {
1173     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1174     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
1175     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
1176     float q;
1177
1178     x264_emms();
1179
1180     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
1181         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
1182     rc->prev_zone = zone;
1183
1184     if( h->param.rc.b_stat_read )
1185     {
1186         int frame = h->fenc->i_frame;
1187         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
1188         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
1189
1190         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
1191             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
1192         {
1193             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
1194             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
1195         }
1196     }
1197
1198     if( rc->b_vbv )
1199     {
1200         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(int) );
1201         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
1202         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;
1203         update_vbv_plan( h, overhead );
1204
1205         const x264_level_t *l = x264_levels;
1206         while( l->level_idc != 0 && l->level_idc != h->param.i_level_idc )
1207             l++;
1208
1209         int mincr = l->mincr;
1210
1211         /* Blu-ray requires this */
1212         if( l->level_idc == 41 && h->param.i_nal_hrd )
1213             mincr = 4;
1214
1215         /* High 10 doesn't require minCR, so just set the maximum to a large value. */
1216         if( h->sps->i_profile_idc == PROFILE_HIGH10 )
1217             rc->frame_size_maximum = 1e9;
1218         else
1219         {
1220             /* The spec has a bizarre special case for the first frame. */
1221             if( h->i_frame == 0 )
1222             {
1223                 //384 * ( Max( PicSizeInMbs, fR * MaxMBPS ) + MaxMBPS * ( tr( 0 ) - tr,n( 0 ) ) ) / MinCR
1224                 double fr = 1. / 172;
1225                 int pic_size_in_mbs = h->mb.i_mb_width * h->mb.i_mb_height;
1226                 rc->frame_size_maximum = 384 * BIT_DEPTH * X264_MAX( pic_size_in_mbs, fr*l->mbps ) / mincr;
1227             }
1228             else
1229             {
1230                 //384 * MaxMBPS * ( tr( n ) - tr( n - 1 ) ) / MinCR
1231                 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;
1232             }
1233         }
1234     }
1235
1236     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1237         rc->bframes = h->fenc->i_bframes;
1238
1239     if( i_force_qp != X264_QP_AUTO )
1240     {
1241         q = i_force_qp - 1;
1242     }
1243     else if( rc->b_abr )
1244     {
1245         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
1246     }
1247     else if( rc->b_2pass )
1248     {
1249         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
1250         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
1251     }
1252     else /* CQP */
1253     {
1254         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
1255             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
1256         else
1257             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
1258
1259         if( zone )
1260         {
1261             if( zone->b_force_qp )
1262                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
1263             else
1264                 q -= 6*log2f( zone->f_bitrate_factor );
1265         }
1266     }
1267
1268     q = x264_clip3f( q, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1269
1270     rc->qpa_rc =
1271     rc->qpa_aq = 0;
1272     rc->qp = x264_clip3( (int)(q + 0.5), 0, QP_MAX );
1273     h->fdec->f_qp_avg_rc =
1274     h->fdec->f_qp_avg_aq =
1275     rc->qpm = q;
1276     if( rce )
1277         rce->new_qp = rc->qp;
1278
1279     accum_p_qp_update( h, rc->qpm );
1280
1281     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1282         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
1283 }
1284
1285 static double predict_row_size( x264_t *h, int y, double qp )
1286 {
1287     /* average between two predictors:
1288      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
1289     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1290     double pred_s = predict_size( rc->row_pred[0], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satd[y] );
1291     double pred_t = 0;
1292     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I || qp >= h->fref0[0]->f_row_qp[y] )
1293     {
1294         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P
1295             && h->fref0[0]->i_type == h->fdec->i_type
1296             && h->fref0[0]->i_row_satd[y] > 0
1297             && (abs(h->fref0[0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
1298         {
1299             pred_t = h->fref0[0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref0[0]->i_row_satd[y]
1300                      * qp2qscale( h->fref0[0]->f_row_qp[y] ) / qp2qscale( qp );
1301         }
1302         if( pred_t == 0 )
1303             pred_t = pred_s;
1304         return (pred_s + pred_t) / 2;
1305     }
1306     /* Our QP is lower than the reference! */
1307     else
1308     {
1309         double pred_intra = predict_size( rc->row_pred[1], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y] );
1310         /* Sum: better to overestimate than underestimate by using only one of the two predictors. */
1311         return pred_intra + pred_s;
1312     }
1313 }
1314
1315 static double row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1316 {
1317     double bits = 0;
1318     for( int i = h->i_threadslice_start; i <= y; i++ )
1319         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1320     return bits;
1321 }
1322
1323 static double predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, double qp )
1324 {
1325     double bits = row_bits_so_far(h, y);
1326     for( int i = y+1; i < h->i_threadslice_end; i++ )
1327         bits += predict_row_size( h, i, qp );
1328     return bits;
1329 }
1330
1331
1332 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1333 {
1334     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1335     const int y = h->mb.i_mb_y;
1336
1337     x264_emms();
1338
1339     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1340     rc->qpa_rc += rc->qpm;
1341     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1342
1343     if( h->mb.i_mb_x != h->mb.i_mb_width - 1 || !rc->b_vbv )
1344         return;
1345
1346     h->fdec->f_row_qp[y] = rc->qpm;
1347
1348     update_predictor( rc->row_pred[0], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1349     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && rc->qpm < h->fref0[0]->f_row_qp[y] )
1350         update_predictor( rc->row_pred[1], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1351
1352     /* tweak quality based on difference from predicted size */
1353     if( y < h->i_threadslice_end-1 )
1354     {
1355         float prev_row_qp = h->fdec->f_row_qp[y];
1356         float qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1357         float qp_absolute_max = h->param.rc.i_qp_max;
1358         if( rc->rate_factor_max_increment )
1359             qp_absolute_max = X264_MIN( qp_absolute_max, rc->qp_novbv + rc->rate_factor_max_increment );
1360         float qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, qp_absolute_max );
1361         float step_size = 0.5;
1362
1363         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames. */
1364         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1365         {
1366             qp_min = X264_MAX( qp_min, X264_MAX( h->fref0[0]->f_row_qp[y+1], h->fref1[0]->f_row_qp[y+1] ) );
1367             rc->qpm = X264_MAX( rc->qpm, qp_min );
1368         }
1369
1370         float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1371         float slice_size_planned = h->param.b_sliced_threads ? rc->slice_size_planned : rc->frame_size_planned;
1372         float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (h->mb.i_mb_height) );
1373         float size_of_other_slices = 0;
1374         if( h->param.b_sliced_threads )
1375         {
1376             float size_of_other_slices_planned = 0;
1377             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1378                 if( h != h->thread[i] )
1379                 {
1380                     size_of_other_slices += h->thread[i]->rc->frame_size_estimated;
1381                     size_of_other_slices_planned += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
1382                 }
1383             float weight = rc->slice_size_planned / rc->frame_size_planned;
1384             size_of_other_slices = (size_of_other_slices - size_of_other_slices_planned) * weight + size_of_other_slices_planned;
1385         }
1386
1387         /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits. */
1388         float rc_tol = buffer_left_planned / h->param.i_threads * rc->rate_tolerance;
1389         int b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1390
1391         /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1392         /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1393         if( row_bits_so_far( h, y ) < 0.05 * slice_size_planned )
1394             return;
1395
1396         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I )
1397             rc_tol /= 2;
1398
1399         if( !rc->b_vbv_min_rate )
1400             qp_min = X264_MAX( qp_min, rc->qp_novbv );
1401
1402         while( rc->qpm < qp_max
1403                && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1404                    (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5) ||
1405                    (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1406         {
1407             rc->qpm += step_size;
1408             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1409         }
1410
1411         while( rc->qpm > qp_min
1412                && (rc->qpm > h->fdec->f_row_qp[0] || rc->single_frame_vbv)
1413                && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8 && rc->qpm <= prev_row_qp)
1414                || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1) )
1415         {
1416             rc->qpm -= step_size;
1417             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1418         }
1419
1420         /* avoid VBV underflow or MinCR violation */
1421         while( (rc->qpm < qp_absolute_max)
1422                && ((rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_rate * max_frame_error) ||
1423                    (rc->frame_size_maximum - b1 < rc->frame_size_maximum * max_frame_error)))
1424         {
1425             rc->qpm += step_size;
1426             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1427         }
1428
1429         h->rc->frame_size_estimated = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1430     }
1431 }
1432
1433 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1434 {
1435     x264_emms();
1436     return x264_clip3( h->rc->qpm + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1437 }
1438
1439 int x264_ratecontrol_mb_qp( x264_t *h )
1440 {
1441     x264_emms();
1442     float qp = h->rc->qpm;
1443     if( h->param.rc.i_aq_mode )
1444         /* MB-tree currently doesn't adjust quantizers in unreferenced frames. */
1445         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];
1446     return x264_clip3( qp + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1447 }
1448
1449 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1450 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1451 {
1452     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1453     if( h->param.rc.b_stat_read )
1454     {
1455         if( frame_num >= rc->num_entries )
1456         {
1457             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1458              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1459              * So just calculate the average QP used so far. */
1460             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24 + QP_BD_OFFSET
1461                                       : 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
1462             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, QP_MAX );
1463             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 );
1464             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 );
1465
1466             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
1467             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
1468             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1469                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
1470
1471             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1472             {
1473                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1474                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1475                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1476                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1477                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1478                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1479                 h->thread[i]->param.rc.b_mb_tree = 0;
1480                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1481                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1482             }
1483             return X264_TYPE_AUTO;
1484         }
1485         return rc->entry[frame_num].frame_type;
1486     }
1487     else
1488         return X264_TYPE_AUTO;
1489 }
1490
1491 void x264_ratecontrol_set_weights( x264_t *h, x264_frame_t *frm )
1492 {
1493     ratecontrol_entry_t *rce = &h->rc->entry[frm->i_frame];
1494     if( h->param.analyse.i_weighted_pred <= 0 )
1495         return;
1496
1497     if( rce->i_weight_denom[0] >= 0 )
1498         SET_WEIGHT( frm->weight[0][0], 1, rce->weight[0][0], rce->i_weight_denom[0], rce->weight[0][1] );
1499
1500     if( rce->i_weight_denom[1] >= 0 )
1501     {
1502         SET_WEIGHT( frm->weight[0][1], 1, rce->weight[1][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[1][1] );
1503         SET_WEIGHT( frm->weight[0][2], 1, rce->weight[2][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[2][1] );
1504     }
1505 }
1506
1507 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1508 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits, int *filler )
1509 {
1510     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1511     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1512
1513     x264_emms();
1514
1515     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1516     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1517     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1518     for( int i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1519         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1520
1521     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1522     h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
1523
1524     if( h->param.rc.b_stat_write )
1525     {
1526         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1527                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1528                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1529         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1530         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1531         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1532                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1533                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1534                         : '-';
1535         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1536                  "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:",
1537                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1538                  c_type, h->fenc->i_duration,
1539                  h->fenc->i_cpb_duration, rc->qpa_rc,
1540                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1541                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1542                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1543                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1544                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1545                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1546                  c_direct) < 0 )
1547             goto fail;
1548
1549         /* Only write information for reference reordering once. */
1550         int use_old_stats = h->param.rc.b_stat_read && rc->rce->refs > 1;
1551         for( int i = 0; i < (use_old_stats ? rc->rce->refs : h->i_ref0); i++ )
1552         {
1553             int refcount = use_old_stats         ? rc->rce->refcount[i]
1554                          : h->param.b_interlaced ? h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2]
1555                                                  + h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2+1]
1556                          :                         h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i];
1557             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "%d ", refcount ) < 0 )
1558                 goto fail;
1559         }
1560
1561         if( h->param.analyse.i_weighted_pred >= X264_WEIGHTP_SIMPLE && h->sh.weight[0][0].weightfn )
1562         {
1563             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "w:%d,%d,%d",
1564                          h->sh.weight[0][0].i_denom, h->sh.weight[0][0].i_scale, h->sh.weight[0][0].i_offset ) < 0 )
1565                 goto fail;
1566             if( h->sh.weight[0][1].weightfn || h->sh.weight[0][2].weightfn )
1567             {
1568                 if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ",%d,%d,%d,%d,%d\n",
1569                              h->sh.weight[0][1].i_denom, h->sh.weight[0][1].i_scale, h->sh.weight[0][1].i_offset,
1570                              h->sh.weight[0][2].i_scale, h->sh.weight[0][2].i_offset ) < 0 )
1571                     goto fail;
1572             }
1573             else if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "\n" ) < 0 )
1574                 goto fail;
1575         }
1576
1577         if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ";\n") < 0 )
1578             goto fail;
1579
1580         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1581         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1582         {
1583             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1584             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1585             for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1586                 rc->qp_buffer[0][i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1587             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1588                 goto fail;
1589             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 )
1590                 goto fail;
1591         }
1592     }
1593
1594     if( rc->b_abr )
1595     {
1596         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1597             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / rc->last_rceq;
1598         else
1599         {
1600             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1601              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1602             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / (rc->last_rceq * fabs( h->param.rc.f_pb_factor ));
1603         }
1604         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1605         double frame_duration = (double)h->fenc->i_duration * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1606
1607         rc->wanted_bits_window += frame_duration * rc->bitrate;
1608         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1609     }
1610
1611     if( rc->b_2pass )
1612         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale( rc->rce->new_qp ) );
1613
1614     if( h->mb.b_variable_qp )
1615     {
1616         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1617         {
1618             rc->bframe_bits += bits;
1619             if( h->fenc->b_last_minigop_bframe )
1620             {
1621                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale( rc->qpa_rc ),
1622                                   h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1623                 rc->bframe_bits = 0;
1624             }
1625         }
1626     }
1627
1628     *filler = update_vbv( h, bits );
1629     rc->filler_bits_sum += *filler * 8;
1630
1631     if( h->sps->vui.b_nal_hrd_parameters_present )
1632     {
1633         if( h->fenc->i_frame == 0 )
1634         {
1635             // access unit initialises the HRD
1636             h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = 0;
1637             rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1638             rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1639             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit = (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1640         }
1641         else
1642         {
1643             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit + (double)(h->fenc->i_cpb_delay - h->i_cpb_delay_pir_offset) *
1644                                                    h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1645
1646             double cpb_earliest_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time - (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1647             if( h->fenc->b_keyframe )
1648             {
1649                  rc->nrt_first_access_unit = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1650                  rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1651                  rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1652             }
1653             else
1654                  cpb_earliest_arrival_time -= (double)rc->initial_cpb_removal_delay_offset / 90000;
1655
1656             if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd )
1657                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time;
1658             else
1659                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = X264_MAX( rc->previous_cpb_final_arrival_time, cpb_earliest_arrival_time );
1660         }
1661         int filler_bits = *filler ? X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), *filler )*8 : 0;
1662         // Equation C-6
1663         h->fenc->hrd_timing.cpb_final_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time +
1664                                                      (double)(bits + filler_bits) / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1665
1666         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 +
1667                                               h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1668     }
1669
1670     return 0;
1671 fail:
1672     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n");
1673     return -1;
1674 }
1675
1676 /****************************************************************************
1677  * 2 pass functions
1678  ***************************************************************************/
1679
1680 /**
1681  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1682  */
1683 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1684 {
1685     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1686     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1687     double q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1688
1689     // avoid NaN's in the rc_eq
1690     if( !isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0 )
1691         q = rcc->last_qscale_for[rce->pict_type];
1692     else
1693     {
1694         rcc->last_rceq = q;
1695         q /= rate_factor;
1696         rcc->last_qscale = q;
1697     }
1698
1699     if( zone )
1700     {
1701         if( zone->b_force_qp )
1702             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1703         else
1704             q /= zone->f_bitrate_factor;
1705     }
1706
1707     return q;
1708 }
1709
1710 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q)
1711 {
1712     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1713     const int pict_type = rce->pict_type;
1714
1715     // force I/B quants as a function of P quants
1716     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1717     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1718     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1719     {
1720         double iq = q;
1721         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1722         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1723         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1724         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1725             q = iq;
1726         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1727             q = iq / ip_factor;
1728         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1729             q = pq / ip_factor;
1730         else
1731             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1732     }
1733     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1734     {
1735         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1736             q = last_non_b_q;
1737         if( !rce->kept_as_ref )
1738             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1739     }
1740     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1741              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1742              && rce->tex_bits == 0 )
1743     {
1744         q = last_p_q;
1745     }
1746
1747     /* last qscale / qdiff stuff */
1748     if( rcc->last_non_b_pict_type == pict_type &&
1749         (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1) )
1750     {
1751         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1752         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1753         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1754
1755         if     ( q > max_qscale ) q = max_qscale;
1756         else if( q < min_qscale ) q = min_qscale;
1757     }
1758
1759     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1760     if( pict_type != SLICE_TYPE_B )
1761         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1762     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1763     {
1764         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1765         rcc->accum_p_norm = 0;
1766         rcc->accum_p_qp = 0;
1767     }
1768     if( pict_type == SLICE_TYPE_P )
1769     {
1770         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1771         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp( q ) + rcc->accum_p_qp);
1772         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1773     }
1774     return q;
1775 }
1776
1777 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var )
1778 {
1779      return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1780 }
1781
1782 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits )
1783 {
1784     const double range = 1.5;
1785     if( var < 10 )
1786         return;
1787     double old_coeff = p->coeff / p->count;
1788     double new_coeff = bits*q / var;
1789     double new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1790     double new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1791     if( new_offset >= 0 )
1792         new_coeff = new_coeff_clipped;
1793     else
1794         new_offset = 0;
1795     p->count  *= p->decay;
1796     p->coeff  *= p->decay;
1797     p->offset *= p->decay;
1798     p->count  ++;
1799     p->coeff  += new_coeff;
1800     p->offset += new_offset;
1801 }
1802
1803 // update VBV after encoding a frame
1804 static int update_vbv( x264_t *h, int bits )
1805 {
1806     int filler = 0;
1807     int bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1808     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1809     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1810     uint64_t buffer_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1811
1812     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1813         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale( rcc->qpa_rc ), rcc->last_satd, bits );
1814
1815     if( !rcc->b_vbv )
1816         return filler;
1817
1818     rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1819
1820     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1821         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 );
1822     rct->buffer_fill_final = X264_MAX( rct->buffer_fill_final, 0 );
1823     rct->buffer_fill_final += (uint64_t)bitrate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick * h->fenc->i_cpb_duration;
1824
1825     if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd && rct->buffer_fill_final > buffer_size )
1826     {
1827         filler = ceil( (rct->buffer_fill_final - buffer_size) / (8. * h->sps->vui.i_time_scale) );
1828         bits = X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), filler ) * 8;
1829         rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1830     }
1831     else
1832         rct->buffer_fill_final = X264_MIN( rct->buffer_fill_final, buffer_size );
1833
1834     return filler;
1835 }
1836
1837 void x264_hrd_fullness( x264_t *h )
1838 {
1839     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1840     uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale / rct->hrd_multiply_denom;
1841     uint64_t cpb_state = rct->buffer_fill_final;
1842     uint64_t cpb_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1843     uint64_t multiply_factor = 180000 / rct->hrd_multiply_denom;
1844
1845     if( rct->buffer_fill_final < 0 || rct->buffer_fill_final > cpb_size )
1846     {
1847          x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CPB %s: %.0lf bits in a %.0lf-bit buffer\n",
1848                    rct->buffer_fill_final < 0 ? "underflow" : "overflow", (float)rct->buffer_fill_final/denom, (float)cpb_size/denom );
1849     }
1850
1851     h->initial_cpb_removal_delay = (multiply_factor * cpb_state + denom) / (2*denom);
1852     h->initial_cpb_removal_delay_offset = (multiply_factor * cpb_size + denom) / (2*denom) - h->initial_cpb_removal_delay;
1853 }
1854
1855 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1856 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead )
1857 {
1858     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1859     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final / h->sps->vui.i_time_scale;
1860     if( h->i_thread_frames > 1 )
1861     {
1862         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1863         for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
1864         {
1865             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
1866             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1867             if( !t->b_thread_active )
1868                 continue;
1869             bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
1870             rcc->buffer_fill -= bits;
1871             rcc->buffer_fill = X264_MAX( rcc->buffer_fill, 0 );
1872             rcc->buffer_fill += t->rc->buffer_rate;
1873             rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1874         }
1875     }
1876     rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1877     rcc->buffer_fill -= overhead;
1878 }
1879
1880 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1881 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1882 {
1883     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1884     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1885     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1886     if( rcc->rate_factor_max_increment )
1887         lmax = X264_MIN( lmax, qp2qscale( rcc->qp_novbv + rcc->rate_factor_max_increment ) );
1888     double q0 = q;
1889
1890     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1891      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
1892
1893     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1894     {
1895         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
1896          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
1897          * by the end of the lookahead. */
1898         if( h->param.rc.i_lookahead )
1899         {
1900             int terminate = 0;
1901
1902             /* Avoid an infinite loop. */
1903             for( int iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
1904             {
1905                 double frame_q[3];
1906                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1907                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits;
1908                 double target_fill;
1909                 double total_duration = 0;
1910                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
1911                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
1912                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
1913
1914                 /* Loop over the planned future frames. */
1915                 for( int j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
1916                 {
1917                     total_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1918                     buffer_fill_cur += rcc->vbv_max_rate * h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1919                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
1920                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
1921                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
1922                         break;
1923                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
1924                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
1925                     buffer_fill_cur -= cur_bits;
1926                 }
1927                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
1928                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
1929                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
1930                 {
1931                     q *= 1.01;
1932                     terminate |= 1;
1933                     continue;
1934                 }
1935                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
1936                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
1937                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
1938                 {
1939                     q /= 1.01;
1940                     terminate |= 2;
1941                     continue;
1942                 }
1943                 break;
1944             }
1945         }
1946         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
1947         else
1948         {
1949             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1950                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
1951                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
1952             {
1953                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
1954             }
1955
1956             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
1957              * This one is mostly for I-frames. */
1958             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1959             double qf = 1.0;
1960             /* For small VBVs, allow the frame to use up the entire VBV. */
1961             double max_fill_factor = h->param.rc.i_vbv_buffer_size >= 5*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rcc->fps ? 2 : 1;
1962             /* For single-frame VBVs, request that the frame use up the entire VBV. */
1963             double min_fill_factor = rcc->single_frame_vbv ? 1 : 2;
1964
1965             if( bits > rcc->buffer_fill/max_fill_factor )
1966                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(max_fill_factor*bits), 0.2, 1.0 );
1967             q /= qf;
1968             bits *= qf;
1969             if( bits < rcc->buffer_rate/min_fill_factor )
1970                 q *= bits*min_fill_factor/rcc->buffer_rate;
1971             q = X264_MAX( q0, q );
1972         }
1973
1974         /* Apply MinCR restrictions */
1975         double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1976         if( bits > rcc->frame_size_maximum )
1977             q *= bits / rcc->frame_size_maximum;
1978         bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1979
1980         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
1981          * overflow before the next P-frame. */
1982         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && !rcc->single_frame_vbv )
1983         {
1984             int nb = rcc->bframes;
1985             double pbbits = bits;
1986             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
1987             double space;
1988             double bframe_cpb_duration = 0;
1989             double minigop_cpb_duration;
1990             for( int i = 0; i < nb; i++ )
1991                 bframe_cpb_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[1+i];
1992
1993             if( bbits * nb > bframe_cpb_duration * rcc->vbv_max_rate )
1994                 nb = 0;
1995             pbbits += nb * bbits;
1996
1997             minigop_cpb_duration = bframe_cpb_duration + h->fenc->f_planned_cpb_duration[0];
1998             space = rcc->buffer_fill + minigop_cpb_duration*rcc->vbv_max_rate - rcc->buffer_size;
1999             if( pbbits < space )
2000             {
2001                 q *= X264_MAX( pbbits / space, bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
2002             }
2003             q = X264_MAX( q0/2, q );
2004         }
2005
2006         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
2007             q = X264_MAX( q0, q );
2008     }
2009
2010     if( lmin==lmax )
2011         return lmin;
2012     else if( rcc->b_2pass )
2013     {
2014         double min2 = log( lmin );
2015         double max2 = log( lmax );
2016         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
2017         q = 1.0/(1.0 + exp( -4*q ));
2018         q = q*(max2-min2) + min2;
2019         return exp( q );
2020     }
2021     else
2022         return x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2023 }
2024
2025 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
2026 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
2027 {
2028     float q;
2029     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2030     ratecontrol_entry_t rce;
2031     int pict_type = h->sh.i_type;
2032     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_I]
2033                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_P]
2034                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_B])
2035                        - rcc->filler_bits_sum;
2036
2037     if( rcc->b_2pass )
2038     {
2039         rce = *rcc->rce;
2040         if( pict_type != rce.pict_type )
2041         {
2042             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
2043                       slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type] );
2044         }
2045     }
2046
2047     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
2048     {
2049         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
2050          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
2051
2052         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref0[0]->i_type);
2053         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref1[0]->i_type);
2054         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref0[0]->i_poc);
2055         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref1[0]->i_poc);
2056         float q0 = h->fref0[0]->f_qp_avg_rc;
2057         float q1 = h->fref1[0]->f_qp_avg_rc;
2058
2059         if( h->fref0[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2060             q0 -= rcc->pb_offset/2;
2061         if( h->fref1[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2062             q1 -= rcc->pb_offset/2;
2063
2064         if( i0 && i1 )
2065             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
2066         else if( i0 )
2067             q = q1;
2068         else if( i1 )
2069             q = q0;
2070         else
2071             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
2072
2073         if( h->fenc->b_kept_as_ref )
2074             q += rcc->pb_offset/2;
2075         else
2076             q += rcc->pb_offset;
2077
2078         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2079             rcc->frame_size_planned = qscale2bits( &rce, qp2qscale( q ) );
2080         else
2081             rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, qp2qscale( q ), h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd );
2082         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2083
2084         /* For row SATDs */
2085         if( rcc->b_vbv )
2086             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2087         rcc->qp_novbv = q;
2088         return qp2qscale( q );
2089     }
2090     else
2091     {
2092         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
2093
2094         if( rcc->b_2pass )
2095         {
2096             double lmin = rcc->lmin[pict_type];
2097             double lmax = rcc->lmax[pict_type];
2098             int64_t diff;
2099             int64_t predicted_bits = total_bits;
2100
2101             if( rcc->b_vbv )
2102             {
2103                 if( h->i_thread_frames > 1 )
2104                 {
2105                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
2106                     for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
2107                     {
2108                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
2109                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
2110                         if( !t->b_thread_active )
2111                             continue;
2112                         bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
2113                         predicted_bits += (int64_t)bits;
2114                     }
2115                 }
2116             }
2117             else
2118             {
2119                 if( h->i_frame < h->i_thread_frames )
2120                     predicted_bits += (int64_t)h->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
2121                 else
2122                     predicted_bits += (int64_t)(h->i_thread_frames - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
2123             }
2124
2125             /* Adjust ABR buffer based on distance to the end of the video. */
2126             if( rcc->num_entries > h->i_frame )
2127             {
2128                 double final_bits = rcc->entry[rcc->num_entries-1].expected_bits;
2129                 double video_pos = rce.expected_bits / final_bits;
2130                 double scale_factor = sqrt( (1 - video_pos) * rcc->num_entries );
2131                 abr_buffer *= 0.5 * X264_MAX( scale_factor, 0.5 );
2132             }
2133
2134             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
2135             q = rce.new_qscale;
2136             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
2137             if( ((h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames) >= rcc->fps) &&
2138                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
2139             {
2140                 /* Adjust quant based on the difference between
2141                  * achieved and expected bitrate so far */
2142                 double cur_time = (double)h->i_frame / rcc->num_entries;
2143                 double w = x264_clip3f( cur_time*100, 0.0, 1.0 );
2144                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
2145             }
2146             if( rcc->b_vbv )
2147             {
2148                 /* Do not overflow vbv */
2149                 double expected_size = qscale2bits( &rce, q );
2150                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2151                 double expected_fullness = rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
2152                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
2153                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
2154                 qmax = X264_MAX( qmax, rce.new_qscale );
2155                 if( expected_fullness < .05 )
2156                     qmax = lmax;
2157                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
2158                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
2159                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
2160                 {
2161                     q *= 1.05;
2162                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
2163                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2164                 }
2165                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2166             }
2167             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2168         }
2169         else /* 1pass ABR */
2170         {
2171             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
2172              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
2173              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
2174              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
2175              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
2176              * the target.
2177              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
2178              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
2179              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
2180
2181             double wanted_bits, overflow = 1;
2182
2183             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2184             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
2185             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
2186             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd;
2187             rcc->short_term_cplxcount ++;
2188
2189             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
2190             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
2191             rce.mv_bits = 0;
2192             rce.p_count = rcc->nmb;
2193             rce.i_count = 0;
2194             rce.s_count = 0;
2195             rce.qscale = 1;
2196             rce.pict_type = pict_type;
2197
2198             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
2199             {
2200                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
2201             }
2202             else
2203             {
2204                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
2205
2206                 /* ABR code can potentially be counterproductive in CBR, so just don't bother.
2207                  * Don't run it if the frame complexity is zero either. */
2208                 if( !rcc->b_vbv_min_rate && rcc->last_satd )
2209                 {
2210                     // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
2211                     int i_frame_done = h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames;
2212                     double time_done = i_frame_done / rcc->fps;
2213                     if( h->param.b_vfr_input && i_frame_done > 0 )
2214                         time_done = ((double)(h->fenc->i_reordered_pts - h->i_reordered_pts_delay)) * h->param.i_timebase_num / h->param.i_timebase_den;
2215                     wanted_bits = time_done * rcc->bitrate;
2216                     if( wanted_bits > 0 )
2217                     {
2218                         abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt( time_done ) );
2219                         overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
2220                         q *= overflow;
2221                     }
2222                 }
2223             }
2224
2225             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
2226                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
2227                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
2228             {
2229                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
2230                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2231             }
2232             else if( h->i_frame > 0 )
2233             {
2234                 if( h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CRF )
2235                 {
2236                     /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
2237                      * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
2238                     double lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
2239                     double lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
2240                     if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
2241                         lmax *= rcc->lstep;
2242                     else if( overflow < 0.9 )
2243                         lmin /= rcc->lstep;
2244
2245                     q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
2246                 }
2247             }
2248             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && rcc->qcompress != 1 )
2249             {
2250                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2251             }
2252             rcc->qp_novbv = qscale2qp( q );
2253
2254             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
2255             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
2256         }
2257
2258         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
2259         rcc->last_qscale = q;
2260
2261         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
2262             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q * fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2263
2264         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2265             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
2266         else
2267             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2268
2269         /* Always use up the whole VBV in this case. */
2270         if( rcc->single_frame_vbv )
2271             rcc->frame_size_planned = rcc->buffer_rate;
2272         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2273         return q;
2274     }
2275 }
2276
2277 void x264_threads_normalize_predictors( x264_t *h )
2278 {
2279     double totalsize = 0;
2280     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2281         totalsize += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2282     double factor = h->rc->frame_size_planned / totalsize;
2283     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2284         h->thread[i]->rc->slice_size_planned *= factor;
2285 }
2286
2287 void x264_threads_distribute_ratecontrol( x264_t *h )
2288 {
2289     int row;
2290     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2291
2292     /* Initialize row predictors */
2293     if( h->i_frame == 0 )
2294         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2295         {
2296             x264_ratecontrol_t *t = h->thread[i]->rc;
2297             memcpy( t->row_preds, rc->row_preds, sizeof(rc->row_preds) );
2298         }
2299
2300     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2301     {
2302         x264_t *t = h->thread[i];
2303         memcpy( t->rc, rc, offsetof(x264_ratecontrol_t, row_pred) );
2304         t->rc->row_pred = &t->rc->row_preds[h->sh.i_type];
2305         /* Calculate the planned slice size. */
2306         if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2307         {
2308             int size = 0;
2309             for( row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2310                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2311             t->rc->slice_size_planned = predict_size( &rc->pred[h->sh.i_type + (i+1)*5], rc->qpm, size );
2312         }
2313         else
2314             t->rc->slice_size_planned = 0;
2315     }
2316     if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2317     {
2318         x264_threads_normalize_predictors( h );
2319
2320         if( rc->single_frame_vbv )
2321         {
2322             /* Compensate for our max frame error threshold: give more bits (proportionally) to smaller slices. */
2323             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2324             {
2325                 x264_t *t = h->thread[i];
2326                 float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) );
2327                 t->rc->slice_size_planned += 2 * max_frame_error * rc->frame_size_planned;
2328             }
2329             x264_threads_normalize_predictors( h );
2330         }
2331
2332         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2333             h->thread[i]->rc->frame_size_estimated = h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2334     }
2335 }
2336
2337 void x264_threads_merge_ratecontrol( x264_t *h )
2338 {
2339     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2340     x264_emms();
2341
2342     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2343     {
2344         x264_t *t = h->thread[i];
2345         x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[i]->rc;
2346         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
2347         {
2348             int size = 0;
2349             for( int row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2350                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2351             int bits = t->stat.frame.i_mv_bits + t->stat.frame.i_tex_bits + t->stat.frame.i_misc_bits;
2352             int mb_count = (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) * h->mb.i_mb_width;
2353             update_predictor( &rc->pred[h->sh.i_type+(i+1)*5], qp2qscale( rct->qpa_rc/mb_count ), size, bits );
2354         }
2355         if( !i )
2356             continue;
2357         rc->qpa_rc += rct->qpa_rc;
2358         rc->qpa_aq += rct->qpa_aq;
2359     }
2360 }
2361
2362 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
2363 {
2364     if( cur != prev )
2365     {
2366 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
2367         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
2368          * so copy them from the context that most recently started (prev)
2369          * to the context that's about to start (cur). */
2370         COPY(accum_p_qp);
2371         COPY(accum_p_norm);
2372         COPY(last_satd);
2373         COPY(last_rceq);
2374         COPY(last_qscale_for);
2375         COPY(last_non_b_pict_type);
2376         COPY(short_term_cplxsum);
2377         COPY(short_term_cplxcount);
2378         COPY(bframes);
2379         COPY(prev_zone);
2380         COPY(qpbuf_pos);
2381         /* these vars can be updated by x264_ratecontrol_init_reconfigurable */
2382         COPY(buffer_rate);
2383         COPY(buffer_size);
2384         COPY(single_frame_vbv);
2385         COPY(cbr_decay);
2386         COPY(b_vbv_min_rate);
2387         COPY(rate_factor_constant);
2388         COPY(bitrate);
2389 #undef COPY
2390     }
2391     if( cur != next )
2392     {
2393 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
2394         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
2395          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
2396          * to the context that's about to end (next) */
2397         COPY(cplxr_sum);
2398         COPY(expected_bits_sum);
2399         COPY(filler_bits_sum);
2400         COPY(wanted_bits_window);
2401         COPY(bframe_bits);
2402         COPY(initial_cpb_removal_delay);
2403         COPY(initial_cpb_removal_delay_offset);
2404         COPY(nrt_first_access_unit);
2405         COPY(previous_cpb_final_arrival_time);
2406 #undef COPY
2407     }
2408     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
2409     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
2410 }
2411
2412 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
2413 {
2414     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
2415      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
2416      * can influence the buffer fill of that end frame. */
2417     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2418     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
2419     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
2420     double fill = fills[*t0-1];
2421     double parity = over ? 1. : -1.;
2422     int start = -1, end = -1;
2423     for( int i = *t0; i < rcc->num_entries; i++ )
2424     {
2425         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 -
2426                  qscale2bits( &rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale )) * parity;
2427         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
2428         fills[i] = fill;
2429         if( fill <= buffer_min || i == 0 )
2430         {
2431             if( end >= 0 )
2432                 break;
2433             start = i;
2434         }
2435         else if( fill >= buffer_max && start >= 0 )
2436             end = i;
2437     }
2438     *t0 = start;
2439     *t1 = end;
2440     return start >= 0 && end >= 0;
2441 }
2442
2443 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
2444 {
2445     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2446     double qscale_orig, qscale_new;
2447     int adjusted = 0;
2448     if( t0 > 0 )
2449         t0++;
2450     for( int i = t0; i <= t1; i++ )
2451     {
2452         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
2453         qscale_orig = x264_clip3f( qscale_orig, qscale_min, qscale_max );
2454         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
2455         qscale_new  = x264_clip3f( qscale_new, qscale_min, qscale_max );
2456         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
2457         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
2458     }
2459     return adjusted;
2460 }
2461
2462 static double count_expected_bits( x264_t *h )
2463 {
2464     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2465     double expected_bits = 0;
2466     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2467     {
2468         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2469         rce->expected_bits = expected_bits;
2470         expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2471     }
2472     return expected_bits;
2473 }
2474
2475 static int vbv_pass2( x264_t *h, double all_available_bits )
2476 {
2477     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
2478      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
2479      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
2480      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
2481
2482     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2483     double *fills;
2484     double expected_bits = 0;
2485     double adjustment;
2486     double prev_bits = 0;
2487     int t0, t1;
2488     double qscale_min = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
2489     double qscale_max = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
2490     int iterations = 0;
2491     int adj_min, adj_max;
2492     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
2493
2494     fills++;
2495
2496     /* adjust overall stream size */
2497     do
2498     {
2499         iterations++;
2500         prev_bits = expected_bits;
2501
2502         if( expected_bits )
2503         {   /* not first iteration */
2504             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
2505             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
2506             t0 = 0;
2507             /* fix overflows */
2508             adj_min = 1;
2509             while(adj_min && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 1 ))
2510             {
2511                 adj_min = fix_underflow( h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max );
2512                 t0 = t1;
2513             }
2514         }
2515
2516         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
2517         t0 = 0;
2518         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
2519         adj_max = 1;
2520         while( adj_max && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 0 ) )
2521             adj_max = fix_underflow( h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max );
2522
2523         expected_bits = count_expected_bits( h );
2524     } while( (expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int64_t)(expected_bits+.5) > (int64_t)(prev_bits+.5)) );
2525
2526     if( !adj_max )
2527         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
2528
2529     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
2530     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2531         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
2532
2533     x264_free( fills-1 );
2534     return 0;
2535 fail:
2536     return -1;
2537 }
2538
2539 static int init_pass2( x264_t *h )
2540 {
2541     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2542     uint64_t all_const_bits = 0;
2543     double duration = 0;
2544     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2545         duration += rcc->entry[i].i_duration;
2546     duration *= (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
2547     uint64_t all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * duration;
2548     double rate_factor, step_mult;
2549     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
2550     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
2551     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
2552     double expected_bits;
2553     double *qscale, *blurred_qscale;
2554     double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
2555
2556     /* find total/average complexity & const_bits */
2557     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2558     {
2559         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2560         all_const_bits += rce->misc_bits;
2561     }
2562
2563     if( all_available_bits < all_const_bits)
2564     {
2565         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
2566                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)) );
2567         return -1;
2568     }
2569
2570     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
2571      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
2572      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
2573      * bits than intended. */
2574     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2575     {
2576         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2577         double weight_sum = 0;
2578         double cplx_sum = 0;
2579         double weight = 1.0;
2580         double gaussian_weight;
2581         /* weighted average of cplx of future frames */
2582         for( int j = 1; j < cplxblur*2 && j < rcc->num_entries-i; j++ )
2583         {
2584             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
2585             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2586             if( weight < .0001 )
2587                 break;
2588             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2589             weight_sum += gaussian_weight;
2590             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2591         }
2592         /* weighted average of cplx of past frames */
2593         weight = 1.0;
2594         for( int j = 0; j <= cplxblur*2 && j <= i; j++ )
2595         {
2596             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2597             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2598             weight_sum += gaussian_weight;
2599             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits);
2600             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2601             if( weight < .0001 )
2602                 break;
2603         }
2604         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2605     }
2606
2607     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2608     if( filter_size > 1 )
2609         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2610     else
2611         blurred_qscale = qscale;
2612
2613     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2614      * each frame, adds up to the desired total size.
2615      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2616      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2617      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2618      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2619
2620     expected_bits = 1;
2621     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2622     {
2623         double q = get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i);
2624         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], q);
2625         rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = q;
2626     }
2627     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2628
2629     rate_factor = 0;
2630     for( double step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2631     {
2632         expected_bits = 0;
2633         rate_factor += step;
2634
2635         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2636         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2637         rcc->accum_p_norm = 0;
2638
2639         rcc->last_qscale_for[0] =
2640         rcc->last_qscale_for[1] =
2641         rcc->last_qscale_for[2] = pow( base_cplx, 1 - rcc->qcompress ) / rate_factor;
2642
2643         /* find qscale */
2644         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2645         {
2646             qscale[i] = get_qscale( h, &rcc->entry[i], rate_factor, i );
2647             rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = qscale[i];
2648         }
2649
2650         /* fixed I/B qscale relative to P */
2651         for( int i = rcc->num_entries-1; i >= 0; i-- )
2652         {
2653             qscale[i] = get_diff_limited_q( h, &rcc->entry[i], qscale[i] );
2654             assert(qscale[i] >= 0);
2655         }
2656
2657         /* smooth curve */
2658         if( filter_size > 1 )
2659         {
2660             assert( filter_size%2 == 1 );
2661             for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2662             {
2663                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2664                 double q = 0.0, sum = 0.0;
2665
2666                 for( int j = 0; j < filter_size; j++ )
2667                 {
2668                     int idx = i+j-filter_size/2;
2669                     double d = idx-i;
2670                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp( -d*d/(qblur*qblur) );
2671                     if( idx < 0 || idx >= rcc->num_entries )
2672                         continue;
2673                     if( rce->pict_type != rcc->entry[idx].pict_type )
2674                         continue;
2675                     q += qscale[idx] * coeff;
2676                     sum += coeff;
2677                 }
2678                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2679             }
2680         }
2681
2682         /* find expected bits */
2683         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2684         {
2685             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2686             rce->new_qscale = clip_qscale( h, rce->pict_type, blurred_qscale[i] );
2687             assert(rce->new_qscale >= 0);
2688             expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2689         }
2690
2691         if( expected_bits > all_available_bits )
2692             rate_factor -= step;
2693     }
2694
2695     x264_free( qscale );
2696     if( filter_size > 1 )
2697         x264_free( blurred_qscale );
2698
2699     if( rcc->b_vbv )
2700         if( vbv_pass2( h, all_available_bits ) )
2701             return -1;
2702     expected_bits = count_expected_bits( h );
2703
2704     if( fabs( expected_bits/all_available_bits - 1.0 ) > 0.01 )
2705     {
2706         double avgq = 0;
2707         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2708             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2709         avgq = qscale2qp( avgq / rcc->num_entries );
2710
2711         if( expected_bits > all_available_bits || !rcc->b_vbv )
2712             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n" );
2713         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2714                   (float)h->param.rc.i_bitrate,
2715                   expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2716                   avgq );
2717         if( expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2 )
2718         {
2719             if( h->param.rc.i_qp_min > 0 )
2720                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min );
2721             else
2722                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n" );
2723         }
2724         else if( expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2 )
2725         {
2726             if( h->param.rc.i_qp_max < QP_MAX )
2727                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max );
2728             else
2729                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2730         }
2731         else if( !(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv) )
2732             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n" );
2733     }
2734
2735     return 0;
2736 fail:
2737     return -1;
2738 }