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

   1 /*****************************************************************************
   2  * ratecontrol.c: h264 encoder library (Rate Control)
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2008 x264 project
   5  *
   6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
   7  *          Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   8  *          Gabriel Bouvigne <gabriel.bouvigne@joost.com>
   9  *          Fiona Glaser <fiona@x264.com>
  10  *          Måns Rullgård <mru@mru.ath.cx>
  11  *
  12  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with this program; if not, write to the Free Software
  24  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
  25  *****************************************************************************/
  26
  27 #define _ISOC99_SOURCE
  28 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  29 #include <math.h>
  30
  31 #include "common/common.h"
  32 #include "ratecontrol.h"
  33 #include "me.h"
  34
  35 typedef struct
  36 {
  37     int pict_type;
  38     int frame_type;
  39     int kept_as_ref;
  40     double qscale;
  41     int mv_bits;
  42     int tex_bits;
  43     int misc_bits;
  44     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  45     double expected_vbv;
  46     double new_qscale;
  47     int new_qp;
  48     int i_count;
  49     int p_count;
  50     int s_count;
  51     float blurred_complexity;
  52     char direct_mode;
  53     int16_t weight[2];
  54     int16_t i_weight_denom;
  55     int refcount[16];
  56     int refs;
  57     int i_duration;
  58     int i_cpb_duration;
  59 } ratecontrol_entry_t;
  60
  61 typedef struct
  62 {
  63     double coeff;
  64     double count;
  65     double decay;
  66     double offset;
  67 } predictor_t;
  68
  69 struct x264_ratecontrol_t
  70 {
  71     /* constants */
  72     int b_abr;
  73     int b_2pass;
  74     int b_vbv;
  75     int b_vbv_min_rate;
  76     double fps;
  77     double bitrate;
  78     double rate_tolerance;
  79     double qcompress;
  80     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  81     int qp_constant[5];
  82
  83     /* current frame */
  84     ratecontrol_entry_t *rce;
  85     int qp;                     /* qp for current frame */
  86     float qpm;                  /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  87     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  88     float qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  89     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  90     int qp_force;
  91
  92     /* VBV stuff */
  93     double buffer_size;
  94     int64_t buffer_fill_final;
  95     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  96     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  97     double vbv_max_rate;        /* # of bits added to buffer_fill per second */
  98     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
  99     int single_frame_vbv;
 100     double rate_factor_max_increment; /* Don't allow RF above (CRF + this value). */
 101
 102     /* ABR stuff */
 103     int    last_satd;
 104     double last_rceq;
 105     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
 106     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 107     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 108     double cbr_decay;
 109     double short_term_cplxsum;
 110     double short_term_cplxcount;
 111     double rate_factor_constant;
 112     double ip_offset;
 113     double pb_offset;
 114
 115     /* 2pass stuff */
 116     FILE *p_stat_file_out;
 117     char *psz_stat_file_tmpname;
 118     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 119     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 120     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 121     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 122
 123     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 124     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 125     double last_qscale;
 126     double last_qscale_for[5];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff  */
 127     int last_non_b_pict_type;
 128     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 129     double accum_p_norm;
 130     double last_accum_p_norm;
 131     double lmin[5];             /* min qscale by frame type */
 132     double lmax[5];
 133     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 134     uint16_t *qp_buffer[2];     /* Global buffers for converting MB-tree quantizer data. */
 135     int qpbuf_pos;              /* In order to handle pyramid reordering, QP buffer acts as a stack.
 136                                  * This value is the current position (0 or 1). */
 137
 138     /* MBRC stuff */
 139     float frame_size_estimated; /* Access to this variable must be atomic: double is
 140                                  * not atomic on all arches we care about */
 141     double frame_size_maximum;  /* Maximum frame size due to MinCR */
 142     double frame_size_planned;
 143     double slice_size_planned;
 144     double max_frame_error;
 145     predictor_t (*row_pred)[2];
 146     predictor_t row_preds[5][2];
 147     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 148     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 149     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 150
 151     int i_zones;
 152     x264_zone_t *zones;
 153     x264_zone_t *prev_zone;
 154
 155     /* hrd stuff */
 156     int initial_cpb_removal_delay;
 157     int initial_cpb_removal_delay_offset;
 158     double nrt_first_access_unit; /* nominal removal time */
 159     double previous_cpb_final_arrival_time;
 160     uint64_t hrd_multiply_denom;
 161 };
 162
 163
 164 static int parse_zones( x264_t *h );
 165 static int init_pass2(x264_t *);
 166 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 167 static int update_vbv( x264_t *h, int bits );
 168 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead );
 169 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var );
 170 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits );
 171
 172 #define CMP_OPT_FIRST_PASS( opt, param_val )\
 173 {\
 174     if( ( p = strstr( opts, opt "=" ) ) && sscanf( p, opt "=%d" , &i ) && param_val != i )\
 175     {\
 176         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different " opt " setting than first pass (%d vs %d)\n", param_val, i );\
 177         return -1;\
 178     }\
 179 }
 180
 181 /* Terminology:
 182  * qp = h.264's quantizer
 183  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 184  */
 185 static inline double qp2qscale( double qp )
 186 {
 187     return 0.85 * pow( 2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0 );
 188 }
 189 static inline double qscale2qp( double qscale )
 190 {
 191     return 12.0 + 6.0 * log2( qscale/0.85 );
 192 }
 193
 194 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 195  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 196  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 197  * for motion estimation is constant there. */
 198 static inline double qscale2bits( ratecontrol_entry_t *rce, double qscale )
 199 {
 200     if( qscale<0.1 )
 201         qscale = 0.1;
 202     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 203            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 204            + rce->misc_bits;
 205 }
 206
 207 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_plane( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame, int i )
 208 {
 209     int w = i ? 8 : 16;
 210     int shift = i ? 6 : 8;
 211     int stride = frame->i_stride[i];
 212     int offset = h->mb.b_interlaced
 213         ? w * (mb_x + (mb_y&~1) * stride) + (mb_y&1) * stride
 214         : w * (mb_x + mb_y * stride);
 215     int pix = i ? PIXEL_8x8 : PIXEL_16x16;
 216     stride <<= h->mb.b_interlaced;
 217     uint64_t res = h->pixf.var[pix]( frame->plane[i] + offset, stride );
 218     uint32_t sum = (uint32_t)res;
 219     uint32_t ssd = res >> 32;
 220     frame->i_pixel_sum[i] += sum;
 221     frame->i_pixel_ssd[i] += ssd;
 222     return ssd - ((uint64_t)sum * sum >> shift);
 223 }
 224
 225 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 226 static NOINLINE uint32_t x264_ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 227 {
 228     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 229      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 230      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 231      * sure no reordering goes on. */
 232     uint32_t var = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0 );
 233     var         += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1 );
 234     var         += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 2 );
 235     x264_emms();
 236     return var;
 237 }
 238
 239 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 240 {
 241     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 242      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 243     float strength;
 244     float avg_adj = 0.f;
 245     /* Initialize frame stats */
 246     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 247     {
 248         frame->i_pixel_sum[i] = 0;
 249         frame->i_pixel_ssd[i] = 0;
 250     }
 251
 252     /* Degenerate cases */
 253     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_NONE || h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 254     {
 255         /* Need to init it anyways for MB tree */
 256         if( h->param.rc.i_aq_mode && h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 257         {
 258             if( quant_offsets )
 259             {
 260                 for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 261                     frame->f_qp_offset[mb_xy] = frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = quant_offsets[mb_xy];
 262                 if( h->frames.b_have_lowres )
 263                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 264                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8( frame->f_qp_offset[mb_xy] );
 265             }
 266             else
 267             {
 268                 memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 269                 memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 270                 if( h->frames.b_have_lowres )
 271                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 272                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 273             }
 274         }
 275         /* Need variance data for weighted prediction */
 276         if( h->param.analyse.i_weighted_pred == X264_WEIGHTP_FAKE || h->param.analyse.i_weighted_pred == X264_WEIGHTP_SMART )
 277         {
 278             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 279                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 280                     x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 281         }
 282         else
 283             return;
 284     }
 285     /* Actual adaptive quantization */
 286     else
 287     {
 288         if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 289         {
 290             float bit_depth_correction = powf(1 << (BIT_DEPTH-8), 0.5f);
 291             float avg_adj_pow2 = 0.f;
 292             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 293                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 294                 {
 295                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 296                     float qp_adj = powf( energy + 1, 0.125f );
 297                     frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 298                     avg_adj += qp_adj;
 299                     avg_adj_pow2 += qp_adj * qp_adj;
 300                 }
 301             avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 302             avg_adj_pow2 /= h->mb.i_mb_count;
 303             strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj / bit_depth_correction;
 304             avg_adj = avg_adj - 0.5f * (avg_adj_pow2 - (14.f * bit_depth_correction)) / avg_adj;
 305         }
 306         else
 307             strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 308
 309         for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 310             for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 311             {
 312                 float qp_adj;
 313                 int mb_xy = mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride;
 314                 if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 315                 {
 316                     qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_xy];
 317                     qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 318                 }
 319                 else
 320                 {
 321                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 322                     qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - (14.427f + 2*(BIT_DEPTH-8)));
 323                 }
 324                 if( quant_offsets )
 325                     qp_adj += quant_offsets[mb_xy];
 326                 frame->f_qp_offset[mb_xy] =
 327                 frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = qp_adj;
 328                 if( h->frames.b_have_lowres )
 329                     frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 330             }
 331     }
 332
 333     /* Remove mean from SSD calculation */
 334     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 335     {
 336         uint64_t ssd = frame->i_pixel_ssd[i];
 337         uint64_t sum = frame->i_pixel_sum[i];
 338         int width = h->mb.i_mb_width*16>>!!i;
 339         int height = h->mb.i_mb_height*16>>!!i;
 340         frame->i_pixel_ssd[i] = ssd - (sum * sum + width * height / 2) / (width * height);
 341     }
 342 }
 343
 344 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 345 {
 346     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 347     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 348
 349     if( rc->entry[frame->i_frame].kept_as_ref )
 350     {
 351         uint8_t i_type;
 352         if( rc->qpbuf_pos < 0 )
 353         {
 354             do
 355             {
 356                 rc->qpbuf_pos++;
 357
 358                 if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 359                     goto fail;
 360                 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 )
 361                     goto fail;
 362
 363                 if( i_type != i_type_actual && rc->qpbuf_pos == 1 )
 364                 {
 365                     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type, i_type_actual);
 366                     return -1;
 367                 }
 368             } while( i_type != i_type_actual );
 369         }
 370
 371         for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 372         {
 373             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos][i] )) * (1/256.0);
 374             if( h->frames.b_have_lowres )
 375                 frame->i_inv_qscale_factor[i] = x264_exp2fix8(frame->f_qp_offset[i]);
 376         }
 377         rc->qpbuf_pos--;
 378     }
 379     else
 380         x264_adaptive_quant_frame( h, frame, quant_offsets );
 381     return 0;
 382 fail:
 383     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n");
 384     return -1;
 385 }
 386
 387 int x264_reference_build_list_optimal( x264_t *h )
 388 {
 389     ratecontrol_entry_t *rce = h->rc->rce;
 390     x264_frame_t *frames[16];
 391     x264_weight_t weights[16][3];
 392     int refcount[16];
 393
 394     if( rce->refs != h->i_ref0 )
 395         return -1;
 396
 397     memcpy( frames, h->fref0, sizeof(frames) );
 398     memcpy( refcount, rce->refcount, sizeof(refcount) );
 399     memcpy( weights, h->fenc->weight, sizeof(weights) );
 400     memset( &h->fenc->weight[1][0], 0, sizeof(x264_weight_t[15][3]) );
 401
 402     /* For now don't reorder ref 0; it seems to lower quality
 403        in most cases due to skips. */
 404     for( int ref = 1; ref < h->i_ref0; ref++ )
 405     {
 406         int max = -1;
 407         int bestref = 1;
 408
 409         for( int i = 1; i < h->i_ref0; i++ )
 410             /* Favor lower POC as a tiebreaker. */
 411             COPY2_IF_GT( max, refcount[i], bestref, i );
 412
 413         /* FIXME: If there are duplicates from frames other than ref0 then it is possible
 414          * that the optimal ordering doesnt place every duplicate. */
 415
 416         refcount[bestref] = -1;
 417         h->fref0[ref] = frames[bestref];
 418         memcpy( h->fenc->weight[ref], weights[bestref], sizeof(weights[bestref]) );
 419     }
 420
 421     return 0;
 422 }
 423
 424 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 425 {
 426     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 427     if( !output )
 428         return NULL;
 429     strcpy( output, input );
 430     strcat( output, suffix );
 431     return output;
 432 }
 433
 434 void x264_ratecontrol_init_reconfigurable( x264_t *h, int b_init )
 435 {
 436     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 437     if( !b_init && rc->b_2pass )
 438         return;
 439
 440     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 441     {
 442         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 443          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 444         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 445         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 446         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 447                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset );
 448     }
 449
 450     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 && h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 451     {
 452         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < (int)(h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps) )
 453         {
 454             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 455             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size cannot be smaller than one frame, using %d kbit\n",
 456                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 457         }
 458
 459         /* We don't support changing the ABR bitrate right now,
 460            so if the stream starts as CBR, keep it CBR. */
 461         if( rc->b_vbv_min_rate )
 462             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 463
 464         int vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000;
 465         int vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000;
 466
 467         /* Init HRD */
 468         h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = vbv_max_bitrate;
 469         h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = vbv_buffer_size;
 470         if( h->param.i_nal_hrd && b_init )
 471         {
 472             h->sps->vui.hrd.i_cpb_cnt = 1;
 473             h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd = h->param.i_nal_hrd == X264_NAL_HRD_CBR;
 474             h->sps->vui.hrd.i_time_offset_length = 0;
 475
 476             #define BR_SHIFT  6
 477             #define CPB_SHIFT 4
 478
 479             int bitrate = 1000*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate;
 480             int bufsize = 1000*h->param.rc.i_vbv_buffer_size;
 481
 482             // normalize HRD size and rate to the value / scale notation
 483             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale = x264_clip3( x264_ctz( bitrate ) - BR_SHIFT, 0, 15 );
 484             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value = bitrate >> ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 485             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 );
 486             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale = x264_clip3( x264_ctz( bufsize ) - CPB_SHIFT, 0, 15 );
 487             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value = bufsize >> ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 488             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 );
 489
 490             #undef CPB_SHIFT
 491             #undef BR_SHIFT
 492
 493             // arbitrary
 494             #define MAX_DURATION 0.5
 495
 496             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 );
 497             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;
 498             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);
 499
 500             h->sps->vui.hrd.i_initial_cpb_removal_delay_length = 2 + x264_clip3( 32 - x264_clz( max_delay ), 4, 22 );
 501             h->sps->vui.hrd.i_cpb_removal_delay_length = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_cpb_output_delay ), 4, 31 );
 502             h->sps->vui.hrd.i_dpb_output_delay_length  = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_dpb_output_delay ), 4, 31 );
 503
 504             #undef MAX_DURATION
 505
 506             vbv_buffer_size = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled;
 507             vbv_max_bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
 508         }
 509         else if( h->param.i_nal_hrd && !b_init )
 510         {
 511             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV parameters cannot be changed when NAL HRD is in use\n" );
 512             return;
 513         }
 514
 515         rc->buffer_rate = vbv_max_bitrate / rc->fps;
 516         rc->vbv_max_rate = vbv_max_bitrate;
 517         rc->buffer_size = vbv_buffer_size;
 518         rc->single_frame_vbv = rc->buffer_rate * 1.1 > rc->buffer_size;
 519         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 520                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 521         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.f_rf_constant_max )
 522         {
 523             rc->rate_factor_max_increment = h->param.rc.f_rf_constant_max - h->param.rc.f_rf_constant;
 524             if( rc->rate_factor_max_increment <= 0 )
 525             {
 526                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CRF max must be greater than CRF\n" );
 527                 rc->rate_factor_max_increment = 0;
 528             }
 529         }
 530         if( b_init )
 531         {
 532             if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 533                 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 );
 534             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);
 535             rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init * h->sps->vui.i_time_scale;
 536             rc->b_vbv = 1;
 537             rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 538                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 539                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 540         }
 541     }
 542 }
 543
 544 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 545 {
 546     x264_ratecontrol_t *rc;
 547
 548     x264_emms();
 549
 550     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 551     rc = h->rc;
 552
 553     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 554     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 555
 556     /* FIXME: use integers */
 557     if( h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0 )
 558         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 559     else
 560         rc->fps = 25.0;
 561
 562     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 563     {
 564         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 565         rc->qcompress = 1;
 566     }
 567     else
 568         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 569
 570     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 571     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 572     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 573     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 574     rc->cbr_decay = 1.0;
 575
 576     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 577     {
 578         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 579         return -1;
 580     }
 581
 582     x264_ratecontrol_init_reconfigurable( h, 1 );
 583
 584     if( h->param.i_nal_hrd )
 585     {
 586         uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
 587         uint64_t num = 180000;
 588         x264_reduce_fraction64( &num, &denom );
 589         rc->hrd_multiply_denom = 180000 / num;
 590
 591         double bits_required = log2( 180000 / rc->hrd_multiply_denom )
 592                              + log2( h->sps->vui.i_time_scale )
 593                              + log2( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled );
 594         if( bits_required >= 63 )
 595         {
 596             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "HRD with very large timescale and bufsize not supported\n" );
 597             return -1;
 598         }
 599     }
 600
 601     if( rc->rate_tolerance < 0.01 )
 602     {
 603         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 604         rc->rate_tolerance = 0.01;
 605     }
 606
 607     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 608
 609     if( rc->b_abr )
 610     {
 611         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 612 #define ABR_INIT_QP ( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 )
 613         rc->accum_p_norm = .01;
 614         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 615         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 616         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 617         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 618         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 619     }
 620
 621     rc->ip_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_ip_factor );
 622     rc->pb_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_pb_factor );
 623     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 624     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 625     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 626     h->mb.ip_offset = rc->ip_offset + 0.5;
 627
 628     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 629     rc->last_qscale = qp2qscale( 26 );
 630     int num_preds = h->param.b_sliced_threads * h->param.i_threads + 1;
 631     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5 * sizeof(predictor_t) * num_preds );
 632     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 633     for( int i = 0; i < 5; i++ )
 634     {
 635         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 636         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 637         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 638         for( int j = 0; j < num_preds; j++ )
 639         {
 640             rc->pred[i+j*5].coeff= 2.0;
 641             rc->pred[i+j*5].count= 1.0;
 642             rc->pred[i+j*5].decay= 0.5;
 643             rc->pred[i+j*5].offset= 0.0;
 644         }
 645         for( int j = 0; j < 2; j++ )
 646         {
 647             rc->row_preds[i][j].coeff= .25;
 648             rc->row_preds[i][j].count= 1.0;
 649             rc->row_preds[i][j].decay= 0.5;
 650             rc->row_preds[i][j].offset= 0.0;
 651         }
 652     }
 653     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 654
 655     if( parse_zones( h ) < 0 )
 656     {
 657         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 658         return -1;
 659     }
 660
 661     /* Load stat file and init 2pass algo */
 662     if( h->param.rc.b_stat_read )
 663     {
 664         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 665
 666         /* read 1st pass stats */
 667         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 668         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 669         if( !stats_buf )
 670         {
 671             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 672             return -1;
 673         }
 674         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 675         {
 676             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 677             if( !mbtree_stats_in )
 678                 return -1;
 679             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 680             x264_free( mbtree_stats_in );
 681             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 682             {
 683                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 684                 return -1;
 685             }
 686         }
 687
 688         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 689         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 690         {
 691             int i, j;
 692             uint32_t k, l;
 693             char *opts = stats_buf;
 694             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 695             if( !stats_in )
 696                 return -1;
 697             *stats_in = '\0';
 698             stats_in++;
 699             if( sscanf( opts, "#options: %dx%d", &i, &j ) != 2 )
 700             {
 701                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "resolution specified in stats file not valid\n" );
 702                 return -1;
 703             }
 704             else if( h->param.rc.b_mb_tree && (i != h->param.i_width || j != h->param.i_height)  )
 705             {
 706                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree doesn't support different resolution than 1st pass (%dx%d vs %dx%d)\n",
 707                           h->param.i_width, h->param.i_height, i, j );
 708                 return -1;
 709             }
 710
 711             if( ( p = strstr( opts, "timebase=" ) ) && sscanf( p, "timebase=%u/%u", &k, &l ) != 2 )
 712             {
 713                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase specified in stats file not valid\n" );
 714                 return -1;
 715             }
 716             if( k != h->param.i_timebase_num || l != h->param.i_timebase_den )
 717             {
 718                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase mismatch with 1st pass (%u/%u vs %u/%u)\n",
 719                           h->param.i_timebase_num, h->param.i_timebase_den, k, l );
 720                 return -1;
 721             }
 722
 723             CMP_OPT_FIRST_PASS( "weightp", X264_MAX( 0, h->param.analyse.i_weighted_pred ) );
 724             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bframes", h->param.i_bframe );
 725             CMP_OPT_FIRST_PASS( "b_pyramid", h->param.i_bframe_pyramid );
 726             CMP_OPT_FIRST_PASS( "intra_refresh", h->param.b_intra_refresh );
 727             CMP_OPT_FIRST_PASS( "open_gop", h->param.i_open_gop );
 728
 729             if( (p = strstr( opts, "keyint=" )) )
 730             {
 731                 p += 7;
 732                 char buf[13] = "infinite ";
 733                 if( h->param.i_keyint_max != X264_KEYINT_MAX_INFINITE )
 734                     sprintf( buf, "%d ", h->param.i_keyint_max );
 735                 if( strncmp( p, buf, strlen(buf) ) )
 736                 {
 737                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different keyint setting than first pass (%.*s vs %.*s)\n",
 738                               strlen(buf)-1, buf, strcspn(p, " "), p );
 739                     return -1;
 740                 }
 741             }
 742
 743             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 744                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 745
 746             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 747             {
 748                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 749                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 750             }
 751
 752             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 753                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 754             else if( h->param.i_bframe )
 755             {
 756                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 757                 return -1;
 758             }
 759
 760             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 ) )
 761                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 762         }
 763
 764         /* find number of pics */
 765         p = stats_in;
 766         int num_entries;
 767         for( num_entries = -1; p; num_entries++ )
 768             p = strchr( p + 1, ';' );
 769         if( !num_entries )
 770         {
 771             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 772             return -1;
 773         }
 774         rc->num_entries = num_entries;
 775
 776         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 777         {
 778             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 779                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 780         }
 781         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 782         {
 783             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 784                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 785             return -1;
 786         }
 787
 788         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 789
 790         /* init all to skipped p frames */
 791         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 792         {
 793             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 794             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 795             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale( 20 );
 796             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 797             rce->new_qp = 0;
 798         }
 799
 800         /* read stats */
 801         p = stats_in;
 802         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 803         {
 804             ratecontrol_entry_t *rce;
 805             int frame_number;
 806             char pict_type;
 807             int e;
 808             char *next;
 809             float qp;
 810             int ref;
 811
 812             next= strchr(p, ';');
 813             if( next )
 814                 *next++ = 0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 815             e = sscanf( p, " in:%d ", &frame_number );
 816
 817             if( frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries )
 818             {
 819                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i );
 820                 return -1;
 821             }
 822             rce = &rc->entry[frame_number];
 823             rce->direct_mode = 0;
 824
 825             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",
 826                    &pict_type, &rce->i_duration, &rce->i_cpb_duration, &qp, &rce->tex_bits,
 827                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 828                    &rce->s_count, &rce->direct_mode );
 829
 830             p = strstr( p, "ref:" );
 831             if( !p )
 832                 goto parse_error;
 833             p += 4;
 834             for( ref = 0; ref < 16; ref++ )
 835             {
 836                 if( sscanf( p, " %d", &rce->refcount[ref] ) != 1 )
 837                     break;
 838                 p = strchr( p+1, ' ' );
 839                 if( !p )
 840                     goto parse_error;
 841             }
 842             rce->refs = ref;
 843
 844             /* find weights */
 845             rce->i_weight_denom = -1;
 846             char *w = strchr( p, 'w' );
 847             if( w )
 848                 if( sscanf( w, "w:%hd,%hd,%hd", &rce->i_weight_denom, &rce->weight[0], &rce->weight[1] ) != 3 )
 849                     rce->i_weight_denom = -1;
 850
 851             if( pict_type != 'b' )
 852                 rce->kept_as_ref = 1;
 853             switch( pict_type )
 854             {
 855                 case 'I':
 856                     rce->frame_type = X264_TYPE_IDR;
 857                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 858                     break;
 859                 case 'i':
 860                     rce->frame_type = X264_TYPE_I;
 861                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 862                     break;
 863                 case 'P':
 864                     rce->frame_type = X264_TYPE_P;
 865                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_P;
 866                     break;
 867                 case 'B':
 868                     rce->frame_type = X264_TYPE_BREF;
 869                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 870                     break;
 871                 case 'b':
 872                     rce->frame_type = X264_TYPE_B;
 873                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 874                     break;
 875                 default:  e = -1; break;
 876             }
 877             if( e < 12 )
 878             {
 879 parse_error:
 880                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e );
 881                 return -1;
 882             }
 883             rce->qscale = qp2qscale( qp );
 884             p = next;
 885         }
 886
 887         x264_free( stats_buf );
 888
 889         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 890         {
 891             if( init_pass2( h ) < 0 )
 892                 return -1;
 893         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 894     }
 895
 896     /* Open output file */
 897     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 898      * and move it to the real name only when it's complete */
 899     if( h->param.rc.b_stat_write )
 900     {
 901         char *p;
 902         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 903         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 904             return -1;
 905
 906         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 907         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 908         {
 909             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 910             return -1;
 911         }
 912
 913         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 914         if( p )
 915             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 916         x264_free( p );
 917         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
 918         {
 919             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
 920             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
 921             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
 922                 return -1;
 923
 924             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
 925             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
 926             {
 927                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 928                 return -1;
 929             }
 930         }
 931     }
 932
 933     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
 934     {
 935         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[0], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 936         if( h->param.i_bframe_pyramid && h->param.rc.b_stat_read )
 937             CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[1], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 938         rc->qpbuf_pos = -1;
 939     }
 940
 941     for( int i = 0; i<h->param.i_threads; i++ )
 942     {
 943         h->thread[i]->rc = rc+i;
 944         if( i )
 945         {
 946             rc[i] = rc[0];
 947             h->thread[i]->param = h->param;
 948             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 949         }
 950     }
 951
 952     return 0;
 953 fail:
 954     return -1;
 955 }
 956
 957 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 958 {
 959     int len = 0;
 960     char *tok, UNUSED *saveptr=NULL;
 961     z->param = NULL;
 962     z->f_bitrate_factor = 1;
 963     if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,q=%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
 964         z->b_force_qp = 1;
 965     else if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
 966         z->b_force_qp = 0;
 967     else if( 2 <= sscanf(p, "%u,%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
 968         z->b_force_qp = 0;
 969     else
 970     {
 971         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
 972         return -1;
 973     }
 974     p += len;
 975     if( !*p )
 976         return 0;
 977     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
 978     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 979     z->param->param_free = x264_free;
 980     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
 981     {
 982         char *val = strchr( tok, '=' );
 983         if( val )
 984         {
 985             *val = '\0';
 986             val++;
 987         }
 988         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
 989         {
 990             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
 991             return -1;
 992         }
 993         p = NULL;
 994     }
 995     return 0;
 996 fail:
 997     return -1;
 998 }
 999
1000 static int parse_zones( x264_t *h )
1001 {
1002     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1003     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
1004     {
1005         char *psz_zones, *p;
1006         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
1007         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
1008         h->param.rc.i_zones = 1;
1009         for( p = psz_zones; *p; p++ )
1010             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
1011         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1012         p = psz_zones;
1013         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1014         {
1015             int i_tok = strcspn( p, "/" );
1016             p[i_tok] = 0;
1017             if( parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], p ) )
1018                 return -1;
1019             p += i_tok + 1;
1020         }
1021         x264_free( psz_zones );
1022     }
1023
1024     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
1025     {
1026         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1027         {
1028             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
1029             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
1030             {
1031                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
1032                           z.i_start, z.i_end );
1033                 return -1;
1034             }
1035             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
1036             {
1037                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
1038                           z.f_bitrate_factor );
1039                 return -1;
1040             }
1041         }
1042
1043         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
1044         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1045         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
1046
1047         // default zone to fall back to if none of the others match
1048         rc->zones[0].i_start = 0;
1049         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
1050         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
1051         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
1052         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
1053         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1054         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1055         {
1056             if( !rc->zones[i].param )
1057                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
1058         }
1059     }
1060
1061     return 0;
1062 fail:
1063     return -1;
1064 }
1065
1066 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
1067 {
1068     for( int i = h->rc->i_zones - 1; i >= 0; i-- )
1069     {
1070         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
1071         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
1072             return z;
1073     }
1074     return NULL;
1075 }
1076
1077 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
1078 {
1079     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1080     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
1081     {
1082         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
1083         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
1084         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
1085                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
1086                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset );
1087     }
1088 }
1089
1090 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
1091 {
1092     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1093     int b_regular_file;
1094
1095     if( rc->p_stat_file_out )
1096     {
1097         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_stat_file_out );
1098         fclose( rc->p_stat_file_out );
1099         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1100             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
1101             {
1102                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1103                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
1104             }
1105         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
1106     }
1107     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
1108     {
1109         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1110         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1111         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1112             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
1113             {
1114                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1115                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1116             }
1117         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
1118         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1119     }
1120     if( rc->p_mbtree_stat_file_in )
1121         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_in );
1122     x264_free( rc->pred );
1123     x264_free( rc->pred_b_from_p );
1124     x264_free( rc->entry );
1125     x264_free( rc->qp_buffer[0] );
1126     x264_free( rc->qp_buffer[1] );
1127     if( rc->zones )
1128     {
1129         x264_free( rc->zones[0].param );
1130         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1131             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
1132                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
1133         x264_free( rc->zones );
1134     }
1135     x264_free( rc );
1136 }
1137
1138 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
1139 {
1140     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1141     rc->accum_p_qp   *= .95;
1142     rc->accum_p_norm *= .95;
1143     rc->accum_p_norm += 1;
1144     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
1145         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
1146     else
1147         rc->accum_p_qp += qp;
1148 }
1149
1150 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
1151 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp, int overhead )
1152 {
1153     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1154     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
1155     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
1156     float q;
1157
1158     x264_emms();
1159
1160     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
1161         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
1162     rc->prev_zone = zone;
1163
1164     rc->qp_force = i_force_qp;
1165
1166     if( h->param.rc.b_stat_read )
1167     {
1168         int frame = h->fenc->i_frame;
1169         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
1170         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
1171
1172         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
1173             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
1174         {
1175             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
1176             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
1177         }
1178     }
1179
1180     if( rc->b_vbv )
1181     {
1182         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(int) );
1183         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
1184         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;
1185         update_vbv_plan( h, overhead );
1186
1187         const x264_level_t *l = x264_levels;
1188         while( l->level_idc != 0 && l->level_idc != h->param.i_level_idc )
1189             l++;
1190
1191         int mincr = l->mincr;
1192
1193         /* Blu-ray requires this */
1194         if( l->level_idc == 41 && h->param.i_nal_hrd )
1195             mincr = 4;
1196
1197         /* High 10 doesn't require minCR, so just set the maximum to a large value. */
1198         if( h->sps->i_profile_idc == PROFILE_HIGH10 )
1199             rc->frame_size_maximum = 1e9;
1200         else
1201         {
1202             /* The spec has a bizarre special case for the first frame. */
1203             if( h->i_frame == 0 )
1204             {
1205                 //384 * ( Max( PicSizeInMbs, fR * MaxMBPS ) + MaxMBPS * ( tr( 0 ) - tr,n( 0 ) ) ) / MinCR
1206                 double fr = 1. / 172;
1207                 int pic_size_in_mbs = h->mb.i_mb_width * h->mb.i_mb_height;
1208                 rc->frame_size_maximum = 384 * BIT_DEPTH * X264_MAX( pic_size_in_mbs, fr*l->mbps ) / mincr;
1209             }
1210             else
1211             {
1212                 //384 * MaxMBPS * ( tr( n ) - tr( n - 1 ) ) / MinCR
1213                 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;
1214             }
1215         }
1216     }
1217
1218     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1219         rc->bframes = h->fenc->i_bframes;
1220
1221     if( i_force_qp )
1222     {
1223         q = i_force_qp - 1;
1224     }
1225     else if( rc->b_abr )
1226     {
1227         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
1228     }
1229     else if( rc->b_2pass )
1230     {
1231         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
1232         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
1233     }
1234     else /* CQP */
1235     {
1236         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
1237             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
1238         else
1239             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
1240
1241         if( zone )
1242         {
1243             if( zone->b_force_qp )
1244                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
1245             else
1246                 q -= 6*log2f( zone->f_bitrate_factor );
1247         }
1248     }
1249
1250     q = x264_clip3f( q, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1251
1252     rc->qpa_rc =
1253     rc->qpa_aq = 0;
1254     rc->qp = x264_clip3( (int)(q + 0.5), 0, QP_MAX );
1255     h->fdec->f_qp_avg_rc =
1256     h->fdec->f_qp_avg_aq =
1257     rc->qpm = q;
1258     if( rce )
1259         rce->new_qp = rc->qp;
1260
1261     accum_p_qp_update( h, rc->qpm );
1262
1263     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1264         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
1265 }
1266
1267 static double predict_row_size( x264_t *h, int y, double qp )
1268 {
1269     /* average between two predictors:
1270      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
1271     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1272     double pred_s = predict_size( rc->row_pred[0], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satd[y] );
1273     double pred_t = 0;
1274     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I || qp >= h->fref0[0]->f_row_qp[y] )
1275     {
1276         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P
1277             && h->fref0[0]->i_type == h->fdec->i_type
1278             && h->fref0[0]->i_row_satd[y] > 0
1279             && (abs(h->fref0[0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
1280         {
1281             pred_t = h->fref0[0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref0[0]->i_row_satd[y]
1282                      * qp2qscale( h->fref0[0]->f_row_qp[y] ) / qp2qscale( qp );
1283         }
1284         if( pred_t == 0 )
1285             pred_t = pred_s;
1286         return (pred_s + pred_t) / 2;
1287     }
1288     /* Our QP is lower than the reference! */
1289     else
1290     {
1291         double pred_intra = predict_size( rc->row_pred[1], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y] );
1292         /* Sum: better to overestimate than underestimate by using only one of the two predictors. */
1293         return pred_intra + pred_s;
1294     }
1295 }
1296
1297 static double row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1298 {
1299     double bits = 0;
1300     for( int i = h->i_threadslice_start; i <= y; i++ )
1301         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1302     return bits;
1303 }
1304
1305 static double predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, double qp )
1306 {
1307     double bits = row_bits_so_far(h, y);
1308     for( int i = y+1; i < h->i_threadslice_end; i++ )
1309         bits += predict_row_size( h, i, qp );
1310     return bits;
1311 }
1312
1313
1314 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1315 {
1316     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1317     const int y = h->mb.i_mb_y;
1318
1319     x264_emms();
1320
1321     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1322     rc->qpa_rc += rc->qpm;
1323     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1324
1325     if( h->mb.i_mb_x != h->mb.i_mb_width - 1 || !rc->b_vbv )
1326         return;
1327
1328     h->fdec->f_row_qp[y] = rc->qpm;
1329
1330     update_predictor( rc->row_pred[0], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1331     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && rc->qpm < h->fref0[0]->f_row_qp[y] )
1332         update_predictor( rc->row_pred[1], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1333
1334     /* tweak quality based on difference from predicted size */
1335     if( y < h->i_threadslice_end-1 )
1336     {
1337         float prev_row_qp = h->fdec->f_row_qp[y];
1338         float qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1339         float qp_absolute_max = h->param.rc.i_qp_max;
1340         if( rc->rate_factor_max_increment )
1341             qp_absolute_max = X264_MIN( qp_absolute_max, rc->qp_novbv + rc->rate_factor_max_increment );
1342         float qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, qp_absolute_max );
1343         float step_size = 0.5;
1344
1345         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames. */
1346         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1347         {
1348             qp_min = X264_MAX( qp_min, X264_MAX( h->fref0[0]->f_row_qp[y+1], h->fref1[0]->f_row_qp[y+1] ) );
1349             rc->qpm = X264_MAX( rc->qpm, qp_min );
1350         }
1351
1352         float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1353         float slice_size_planned = h->param.b_sliced_threads ? rc->slice_size_planned : rc->frame_size_planned;
1354         float size_of_other_slices = 0;
1355         if( h->param.b_sliced_threads )
1356         {
1357             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1358                 if( h != h->thread[i] )
1359                     size_of_other_slices += h->thread[i]->rc->frame_size_estimated;
1360         }
1361         else
1362             rc->max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (h->mb.i_mb_width) );
1363
1364         /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits. */
1365         float rc_tol = buffer_left_planned / h->param.i_threads * rc->rate_tolerance;
1366         int b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1367
1368         /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1369         /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1370         if( row_bits_so_far( h, y ) < 0.05 * slice_size_planned )
1371             return;
1372
1373         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I )
1374             rc_tol /= 2;
1375
1376         if( !rc->b_vbv_min_rate )
1377             qp_min = X264_MAX( qp_min, rc->qp_novbv );
1378
1379         while( rc->qpm < qp_max
1380                && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1381                    (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5) ||
1382                    (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1383         {
1384             rc->qpm += step_size;
1385             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1386         }
1387
1388         while( rc->qpm > qp_min
1389                && (rc->qpm > h->fdec->f_row_qp[0] || rc->single_frame_vbv)
1390                && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8 && rc->qpm <= prev_row_qp)
1391                || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1) )
1392         {
1393             rc->qpm -= step_size;
1394             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1395         }
1396
1397         /* avoid VBV underflow or MinCR violation */
1398         while( (rc->qpm < qp_absolute_max)
1399                && ((rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_rate * rc->max_frame_error) ||
1400                    (rc->frame_size_maximum - b1 < rc->frame_size_maximum * rc->max_frame_error)))
1401         {
1402             rc->qpm += step_size;
1403             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1404         }
1405
1406         h->rc->frame_size_estimated = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1407     }
1408 }
1409
1410 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1411 {
1412     x264_emms();
1413     return x264_clip3( h->rc->qpm + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1414 }
1415
1416 int x264_ratecontrol_mb_qp( x264_t *h )
1417 {
1418     x264_emms();
1419     float qp = h->rc->qpm;
1420     if( h->param.rc.i_aq_mode )
1421         /* MB-tree currently doesn't adjust quantizers in unreferenced frames. */
1422         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];
1423     return x264_clip3( qp + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1424 }
1425
1426 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1427 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1428 {
1429     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1430     if( h->param.rc.b_stat_read )
1431     {
1432         if( frame_num >= rc->num_entries )
1433         {
1434             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1435              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1436              * So just calculate the average QP used so far. */
1437             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24
1438                                       : 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
1439             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, QP_MAX );
1440             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 );
1441             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 );
1442
1443             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
1444             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
1445             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1446                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
1447
1448             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1449             {
1450                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1451                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1452                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1453                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1454                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1455                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1456                 h->thread[i]->param.rc.b_mb_tree = 0;
1457                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1458                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1459             }
1460             return X264_TYPE_AUTO;
1461         }
1462         return rc->entry[frame_num].frame_type;
1463     }
1464     else
1465         return X264_TYPE_AUTO;
1466 }
1467
1468 void x264_ratecontrol_set_weights( x264_t *h, x264_frame_t *frm )
1469 {
1470     ratecontrol_entry_t *rce = &h->rc->entry[frm->i_frame];
1471     if( h->param.analyse.i_weighted_pred <= 0 )
1472         return;
1473     if( rce->i_weight_denom >= 0 )
1474         SET_WEIGHT( frm->weight[0][0], 1, rce->weight[0], rce->i_weight_denom, rce->weight[1] );
1475 }
1476
1477 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1478 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits, int *filler )
1479 {
1480     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1481     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1482
1483     x264_emms();
1484
1485     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1486     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1487     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1488     for( int i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1489         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1490
1491     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1492     h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
1493
1494     if( h->param.rc.b_stat_write )
1495     {
1496         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1497                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1498                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1499         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1500         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1501         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1502                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1503                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1504                         : '-';
1505         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1506                  "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:",
1507                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1508                  c_type, h->fenc->i_duration,
1509                  h->fenc->i_cpb_duration, rc->qpa_rc,
1510                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1511                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1512                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1513                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1514                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1515                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1516                  c_direct) < 0 )
1517             goto fail;
1518
1519         /* Only write information for reference reordering once. */
1520         int use_old_stats = h->param.rc.b_stat_read && rc->rce->refs > 1;
1521         for( int i = 0; i < (use_old_stats ? rc->rce->refs : h->i_ref0); i++ )
1522         {
1523             int refcount = use_old_stats         ? rc->rce->refcount[i]
1524                          : h->param.b_interlaced ? h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2]
1525                                                  + h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2+1]
1526                          :                         h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i];
1527             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "%d ", refcount ) < 0 )
1528                 goto fail;
1529         }
1530
1531         if( h->sh.weight[0][0].weightfn )
1532         {
1533             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "w:%"PRId32",%"PRId32",%"PRId32, h->sh.weight[0][0].i_denom, h->sh.weight[0][0].i_scale, h->sh.weight[0][0].i_offset ) < 0 )
1534                 goto fail;
1535         }
1536
1537         if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ";\n") < 0 )
1538             goto fail;
1539
1540         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1541         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1542         {
1543             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1544             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1545             for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1546                 rc->qp_buffer[0][i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1547             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1548                 goto fail;
1549             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 )
1550                 goto fail;
1551         }
1552     }
1553
1554     if( rc->b_abr )
1555     {
1556         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1557             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / rc->last_rceq;
1558         else
1559         {
1560             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1561              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1562             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / (rc->last_rceq * fabs( h->param.rc.f_pb_factor ));
1563         }
1564         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1565         double frame_duration = (double)h->fenc->i_duration * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1566
1567         rc->wanted_bits_window += frame_duration * rc->bitrate;
1568         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1569     }
1570
1571     if( rc->b_2pass )
1572         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale( rc->rce->new_qp ) );
1573
1574     if( h->mb.b_variable_qp )
1575     {
1576         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1577         {
1578             rc->bframe_bits += bits;
1579             if( h->fenc->b_last_minigop_bframe )
1580             {
1581                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale( rc->qpa_rc ),
1582                                   h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1583                 rc->bframe_bits = 0;
1584             }
1585         }
1586     }
1587
1588     *filler = update_vbv( h, bits );
1589
1590     if( h->sps->vui.b_nal_hrd_parameters_present )
1591     {
1592         if( h->fenc->i_frame == 0 )
1593         {
1594             // access unit initialises the HRD
1595             h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = 0;
1596             rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1597             rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1598             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit = (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1599         }
1600         else
1601         {
1602             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit + (double)h->fenc->i_cpb_delay *
1603                                                    h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1604
1605             double cpb_earliest_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time - (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1606             if( h->fenc->b_keyframe )
1607             {
1608                  rc->nrt_first_access_unit = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1609                  rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1610                  rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1611             }
1612             else
1613                  cpb_earliest_arrival_time -= (double)rc->initial_cpb_removal_delay_offset / 90000;
1614
1615             if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd )
1616                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time;
1617             else
1618                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = X264_MAX( rc->previous_cpb_final_arrival_time, cpb_earliest_arrival_time );
1619         }
1620         int filler_bits = *filler ? X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), *filler )*8 : 0;
1621         // Equation C-6
1622         h->fenc->hrd_timing.cpb_final_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time +
1623                                                      (double)(bits + filler_bits) / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1624
1625         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 +
1626                                               h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1627     }
1628
1629     return 0;
1630 fail:
1631     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n");
1632     return -1;
1633 }
1634
1635 /****************************************************************************
1636  * 2 pass functions
1637  ***************************************************************************/
1638
1639 /**
1640  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1641  */
1642 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1643 {
1644     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1645     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1646     double q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1647
1648     // avoid NaN's in the rc_eq
1649     if( !isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0 )
1650         q = rcc->last_qscale_for[rce->pict_type];
1651     else
1652     {
1653         rcc->last_rceq = q;
1654         q /= rate_factor;
1655         rcc->last_qscale = q;
1656     }
1657
1658     if( zone )
1659     {
1660         if( zone->b_force_qp )
1661             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1662         else
1663             q /= zone->f_bitrate_factor;
1664     }
1665
1666     return q;
1667 }
1668
1669 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q)
1670 {
1671     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1672     const int pict_type = rce->pict_type;
1673
1674     // force I/B quants as a function of P quants
1675     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1676     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1677     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1678     {
1679         double iq = q;
1680         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1681         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1682         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1683         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1684             q = iq;
1685         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1686             q = iq / ip_factor;
1687         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1688             q = pq / ip_factor;
1689         else
1690             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1691     }
1692     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1693     {
1694         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1695             q = last_non_b_q;
1696         if( !rce->kept_as_ref )
1697             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1698     }
1699     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1700              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1701              && rce->tex_bits == 0 )
1702     {
1703         q = last_p_q;
1704     }
1705
1706     /* last qscale / qdiff stuff */
1707     if( rcc->last_non_b_pict_type == pict_type &&
1708         (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1) )
1709     {
1710         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1711         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1712         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1713
1714         if     ( q > max_qscale ) q = max_qscale;
1715         else if( q < min_qscale ) q = min_qscale;
1716     }
1717
1718     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1719     if( pict_type != SLICE_TYPE_B )
1720         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1721     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1722     {
1723         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1724         rcc->accum_p_norm = 0;
1725         rcc->accum_p_qp = 0;
1726     }
1727     if( pict_type == SLICE_TYPE_P )
1728     {
1729         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1730         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp( q ) + rcc->accum_p_qp);
1731         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1732     }
1733     return q;
1734 }
1735
1736 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var )
1737 {
1738      return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1739 }
1740
1741 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits )
1742 {
1743     const double range = 1.5;
1744     if( var < 10 )
1745         return;
1746     double old_coeff = p->coeff / p->count;
1747     double new_coeff = bits*q / var;
1748     double new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1749     double new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1750     if( new_offset >= 0 )
1751         new_coeff = new_coeff_clipped;
1752     else
1753         new_offset = 0;
1754     p->count  *= p->decay;
1755     p->coeff  *= p->decay;
1756     p->offset *= p->decay;
1757     p->count  ++;
1758     p->coeff  += new_coeff;
1759     p->offset += new_offset;
1760 }
1761
1762 // update VBV after encoding a frame
1763 static int update_vbv( x264_t *h, int bits )
1764 {
1765     int filler = 0;
1766     int bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1767     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1768     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1769     uint64_t buffer_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1770
1771     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1772         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale( rcc->qpa_rc ), rcc->last_satd, bits );
1773
1774     if( !rcc->b_vbv )
1775         return filler;
1776
1777     rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1778
1779     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1780         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 );
1781     rct->buffer_fill_final = X264_MAX( rct->buffer_fill_final, 0 );
1782     rct->buffer_fill_final += (uint64_t)bitrate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick * h->fenc->i_cpb_duration;
1783
1784     if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd && rct->buffer_fill_final > buffer_size )
1785     {
1786         filler = ceil( (rct->buffer_fill_final - buffer_size) / (8. * h->sps->vui.i_time_scale) );
1787         bits = X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), filler ) * 8;
1788         rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1789     }
1790     else
1791         rct->buffer_fill_final = X264_MIN( rct->buffer_fill_final, buffer_size );
1792
1793     return filler;
1794 }
1795
1796 void x264_hrd_fullness( x264_t *h )
1797 {
1798     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1799     uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale / rct->hrd_multiply_denom;
1800     uint64_t cpb_state = rct->buffer_fill_final;
1801     uint64_t cpb_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1802     uint64_t multiply_factor = 180000 / rct->hrd_multiply_denom;
1803
1804     if( rct->buffer_fill_final < 0 || rct->buffer_fill_final > cpb_size )
1805     {
1806          x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CPB %s: %.0lf bits in a %.0lf-bit buffer\n",
1807                    rct->buffer_fill_final < 0 ? "underflow" : "overflow", (float)rct->buffer_fill_final/denom, (float)cpb_size/denom );
1808     }
1809
1810     h->initial_cpb_removal_delay = (multiply_factor * cpb_state + denom) / (2*denom);
1811     h->initial_cpb_removal_delay_offset = (multiply_factor * cpb_size + denom) / (2*denom) - h->initial_cpb_removal_delay;
1812 }
1813
1814 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1815 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead )
1816 {
1817     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1818     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final / h->sps->vui.i_time_scale;
1819     if( h->i_thread_frames > 1 )
1820     {
1821         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1822         for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
1823         {
1824             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
1825             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1826             if( !t->b_thread_active )
1827                 continue;
1828             bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
1829             rcc->buffer_fill -= bits;
1830             rcc->buffer_fill = X264_MAX( rcc->buffer_fill, 0 );
1831             rcc->buffer_fill += t->rc->buffer_rate;
1832             rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1833         }
1834     }
1835     rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1836     rcc->buffer_fill -= overhead;
1837 }
1838
1839 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1840 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1841 {
1842     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1843     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1844     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1845     if( rcc->rate_factor_max_increment )
1846         lmax = X264_MIN( lmax, qp2qscale( rcc->qp_novbv + rcc->rate_factor_max_increment ) );
1847     double q0 = q;
1848
1849     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1850      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
1851
1852     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1853     {
1854         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
1855          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
1856          * by the end of the lookahead. */
1857         if( h->param.rc.i_lookahead )
1858         {
1859             int terminate = 0;
1860
1861             /* Avoid an infinite loop. */
1862             for( int iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
1863             {
1864                 double frame_q[3];
1865                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1866                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits;
1867                 double target_fill;
1868                 double total_duration = 0;
1869                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
1870                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
1871                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
1872
1873                 /* Loop over the planned future frames. */
1874                 for( int j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
1875                 {
1876                     total_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1877                     buffer_fill_cur += rcc->vbv_max_rate * h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1878                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
1879                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
1880                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
1881                         break;
1882                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
1883                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
1884                     buffer_fill_cur -= cur_bits;
1885                 }
1886                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
1887                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
1888                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
1889                 {
1890                     q *= 1.01;
1891                     terminate |= 1;
1892                     continue;
1893                 }
1894                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
1895                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
1896                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
1897                 {
1898                     q /= 1.01;
1899                     terminate |= 2;
1900                     continue;
1901                 }
1902                 break;
1903             }
1904         }
1905         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
1906         else
1907         {
1908             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1909                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
1910                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
1911             {
1912                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
1913             }
1914
1915             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
1916              * This one is mostly for I-frames. */
1917             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1918             double qf = 1.0;
1919             /* For small VBVs, allow the frame to use up the entire VBV. */
1920             double max_fill_factor = h->param.rc.i_vbv_buffer_size >= 5*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rcc->fps ? 2 : 1;
1921             /* For single-frame VBVs, request that the frame use up the entire VBV. */
1922             double min_fill_factor = rcc->single_frame_vbv ? 1 : 2;
1923
1924             if( bits > rcc->buffer_fill/max_fill_factor )
1925                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(max_fill_factor*bits), 0.2, 1.0 );
1926             q /= qf;
1927             bits *= qf;
1928             if( bits < rcc->buffer_rate/min_fill_factor )
1929                 q *= bits*min_fill_factor/rcc->buffer_rate;
1930             q = X264_MAX( q0, q );
1931         }
1932
1933         /* Apply MinCR restrictions */
1934         double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1935         if( bits > rcc->frame_size_maximum )
1936             q *= bits / rcc->frame_size_maximum;
1937         bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1938
1939         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
1940          * overflow before the next P-frame. */
1941         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && !rcc->single_frame_vbv )
1942         {
1943             int nb = rcc->bframes;
1944             double pbbits = bits;
1945             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
1946             double space;
1947             double bframe_cpb_duration = 0;
1948             double minigop_cpb_duration;
1949             for( int i = 0; i < nb; i++ )
1950                 bframe_cpb_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[1+i];
1951
1952             if( bbits * nb > bframe_cpb_duration * rcc->vbv_max_rate )
1953                 nb = 0;
1954             pbbits += nb * bbits;
1955
1956             minigop_cpb_duration = bframe_cpb_duration + h->fenc->f_planned_cpb_duration[0];
1957             space = rcc->buffer_fill + minigop_cpb_duration*rcc->vbv_max_rate - rcc->buffer_size;
1958             if( pbbits < space )
1959             {
1960                 q *= X264_MAX( pbbits / space, bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
1961             }
1962             q = X264_MAX( q0-5, q );
1963         }
1964
1965         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
1966             q = X264_MAX( q0, q );
1967     }
1968
1969     if( lmin==lmax )
1970         return lmin;
1971     else if( rcc->b_2pass )
1972     {
1973         double min2 = log( lmin );
1974         double max2 = log( lmax );
1975         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
1976         q = 1.0/(1.0 + exp( -4*q ));
1977         q = q*(max2-min2) + min2;
1978         return exp( q );
1979     }
1980     else
1981         return x264_clip3f( q, lmin, lmax );
1982 }
1983
1984 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
1985 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
1986 {
1987     float q;
1988     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1989     ratecontrol_entry_t rce;
1990     int pict_type = h->sh.i_type;
1991     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_I]
1992                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_P]
1993                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_B]);
1994
1995     if( rcc->b_2pass )
1996     {
1997         rce = *rcc->rce;
1998         if( pict_type != rce.pict_type )
1999         {
2000             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
2001                       slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type] );
2002         }
2003     }
2004
2005     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
2006     {
2007         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
2008          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
2009
2010         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref0[0]->i_type);
2011         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref1[0]->i_type);
2012         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref0[0]->i_poc);
2013         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref1[0]->i_poc);
2014         float q0 = h->fref0[0]->f_qp_avg_rc;
2015         float q1 = h->fref1[0]->f_qp_avg_rc;
2016
2017         if( h->fref0[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2018             q0 -= rcc->pb_offset/2;
2019         if( h->fref1[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2020             q1 -= rcc->pb_offset/2;
2021
2022         if( i0 && i1 )
2023             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
2024         else if( i0 )
2025             q = q1;
2026         else if( i1 )
2027             q = q0;
2028         else
2029             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
2030
2031         if( h->fenc->b_kept_as_ref )
2032             q += rcc->pb_offset/2;
2033         else
2034             q += rcc->pb_offset;
2035
2036         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2037             rcc->frame_size_planned = qscale2bits( &rce, q );
2038         else
2039             rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q, h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd );
2040         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2041
2042         /* For row SATDs */
2043         if( rcc->b_vbv )
2044             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2045         rcc->qp_novbv = q;
2046         return qp2qscale( q );
2047     }
2048     else
2049     {
2050         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
2051
2052         if( rcc->b_2pass )
2053         {
2054             double lmin = rcc->lmin[pict_type];
2055             double lmax = rcc->lmax[pict_type];
2056             int64_t diff;
2057             int64_t predicted_bits = total_bits;
2058
2059             if( rcc->b_vbv )
2060             {
2061                 if( h->i_thread_frames > 1 )
2062                 {
2063                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
2064                     for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
2065                     {
2066                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
2067                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
2068                         if( !t->b_thread_active )
2069                             continue;
2070                         bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
2071                         predicted_bits += (int64_t)bits;
2072                     }
2073                 }
2074             }
2075             else
2076             {
2077                 if( h->i_frame < h->i_thread_frames )
2078                     predicted_bits += (int64_t)h->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
2079                 else
2080                     predicted_bits += (int64_t)(h->i_thread_frames - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
2081             }
2082
2083             /* Adjust ABR buffer based on distance to the end of the video. */
2084             if( rcc->num_entries > h->i_frame )
2085             {
2086                 double final_bits = rcc->entry[rcc->num_entries-1].expected_bits;
2087                 double video_pos = rce.expected_bits / final_bits;
2088                 double scale_factor = sqrt( (1 - video_pos) * rcc->num_entries );
2089                 abr_buffer *= 0.5 * X264_MAX( scale_factor, 0.5 );
2090             }
2091
2092             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
2093             q = rce.new_qscale;
2094             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
2095             if( ((h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames) >= rcc->fps) &&
2096                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
2097             {
2098                 /* Adjust quant based on the difference between
2099                  * achieved and expected bitrate so far */
2100                 double cur_time = (double)h->i_frame / rcc->num_entries;
2101                 double w = x264_clip3f( cur_time*100, 0.0, 1.0 );
2102                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
2103             }
2104             if( rcc->b_vbv )
2105             {
2106                 /* Do not overflow vbv */
2107                 double expected_size = qscale2bits( &rce, q );
2108                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2109                 double expected_fullness = rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
2110                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
2111                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
2112                 qmax = X264_MAX( qmax, rce.new_qscale );
2113                 if( expected_fullness < .05 )
2114                     qmax = lmax;
2115                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
2116                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
2117                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
2118                 {
2119                     q *= 1.05;
2120                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
2121                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2122                 }
2123                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2124             }
2125             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2126         }
2127         else /* 1pass ABR */
2128         {
2129             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
2130              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
2131              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
2132              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
2133              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
2134              * the target.
2135              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
2136              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
2137              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
2138
2139             double wanted_bits, overflow = 1;
2140
2141             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2142             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
2143             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
2144             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd;
2145             rcc->short_term_cplxcount ++;
2146
2147             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
2148             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
2149             rce.mv_bits = 0;
2150             rce.p_count = rcc->nmb;
2151             rce.i_count = 0;
2152             rce.s_count = 0;
2153             rce.qscale = 1;
2154             rce.pict_type = pict_type;
2155
2156             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
2157             {
2158                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
2159             }
2160             else
2161             {
2162                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
2163
2164                 /* ABR code can potentially be counterproductive in CBR, so just don't bother.
2165                  * Don't run it if the frame complexity is zero either. */
2166                 if( !rcc->b_vbv_min_rate && rcc->last_satd )
2167                 {
2168                     // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
2169                     int i_frame_done = h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames;
2170                     double time_done = i_frame_done / rcc->fps;
2171                     if( h->param.b_vfr_input && i_frame_done > 0 )
2172                         time_done = ((double)(h->fenc->i_reordered_pts - h->i_reordered_pts_delay)) * h->param.i_timebase_num / h->param.i_timebase_den;
2173                     wanted_bits = time_done * rcc->bitrate;
2174                     if( wanted_bits > 0 )
2175                     {
2176                         abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt( time_done ) );
2177                         overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
2178                         q *= overflow;
2179                     }
2180                 }
2181             }
2182
2183             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
2184                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
2185                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
2186             {
2187                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
2188                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2189             }
2190             else if( h->i_frame > 0 )
2191             {
2192                 /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
2193                  * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
2194                 double lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
2195                 double lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
2196                 if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
2197                     lmax *= rcc->lstep;
2198                 else if( overflow < 0.9 )
2199                     lmin /= rcc->lstep;
2200
2201                 q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
2202             }
2203             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && rcc->qcompress != 1 )
2204             {
2205                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2206             }
2207             rcc->qp_novbv = qscale2qp( q );
2208
2209             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
2210             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
2211         }
2212
2213         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
2214         rcc->last_qscale = q;
2215
2216         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
2217             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q * fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2218
2219         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2220             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
2221         else
2222             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2223
2224         /* Always use up the whole VBV in this case. */
2225         if( rcc->single_frame_vbv )
2226             rcc->frame_size_planned = rcc->buffer_rate;
2227         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2228         return q;
2229     }
2230 }
2231
2232 void x264_threads_normalize_predictors( x264_t *h )
2233 {
2234     double totalsize = 0;
2235     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2236         totalsize += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2237     double factor = h->rc->frame_size_planned / totalsize;
2238     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2239         h->thread[i]->rc->slice_size_planned *= factor;
2240 }
2241
2242 void x264_threads_distribute_ratecontrol( x264_t *h )
2243 {
2244     int row;
2245     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2246
2247     /* Initialize row predictors */
2248     if( h->i_frame == 0 )
2249         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2250         {
2251             x264_ratecontrol_t *t = h->thread[i]->rc;
2252             memcpy( t->row_preds, rc->row_preds, sizeof(rc->row_preds) );
2253         }
2254
2255     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2256     {
2257         x264_t *t = h->thread[i];
2258         memcpy( t->rc, rc, offsetof(x264_ratecontrol_t, row_pred) );
2259         t->rc->row_pred = &t->rc->row_preds[h->sh.i_type];
2260         /* Calculate the planned slice size. */
2261         if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2262         {
2263             int size = 0;
2264             for( row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2265                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2266             t->rc->slice_size_planned = predict_size( &rc->pred[h->sh.i_type + (i+1)*5], rc->qpm, size );
2267         }
2268         else
2269             t->rc->slice_size_planned = 0;
2270     }
2271     if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2272     {
2273         x264_threads_normalize_predictors( h );
2274
2275         if( rc->single_frame_vbv )
2276         {
2277             /* Compensate for our max frame error threshold: give more bits (proportionally) to smaller slices. */
2278             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2279             {
2280                 x264_t *t = h->thread[i];
2281                 t->rc->max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) );
2282                 t->rc->slice_size_planned += 2 * t->rc->max_frame_error * rc->frame_size_planned;
2283             }
2284             x264_threads_normalize_predictors( h );
2285         }
2286
2287         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2288             h->thread[i]->rc->frame_size_estimated = h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2289     }
2290 }
2291
2292 void x264_threads_merge_ratecontrol( x264_t *h )
2293 {
2294     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2295     x264_emms();
2296
2297     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2298     {
2299         x264_t *t = h->thread[i];
2300         x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[i]->rc;
2301         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
2302         {
2303             int size = 0;
2304             for( int row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2305                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2306             int bits = t->stat.frame.i_mv_bits + t->stat.frame.i_tex_bits + t->stat.frame.i_misc_bits;
2307             int mb_count = (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) * h->mb.i_mb_width;
2308             update_predictor( &rc->pred[h->sh.i_type+(i+1)*5], qp2qscale( rct->qpa_rc/mb_count ), size, bits );
2309         }
2310         if( !i )
2311             continue;
2312         rc->qpa_rc += rct->qpa_rc;
2313         rc->qpa_aq += rct->qpa_aq;
2314     }
2315 }
2316
2317 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
2318 {
2319     if( cur != prev )
2320     {
2321 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
2322         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
2323          * so copy them from the context that most recently started (prev)
2324          * to the context that's about to start (cur). */
2325         COPY(accum_p_qp);
2326         COPY(accum_p_norm);
2327         COPY(last_satd);
2328         COPY(last_rceq);
2329         COPY(last_qscale_for);
2330         COPY(last_non_b_pict_type);
2331         COPY(short_term_cplxsum);
2332         COPY(short_term_cplxcount);
2333         COPY(bframes);
2334         COPY(prev_zone);
2335         COPY(qpbuf_pos);
2336         /* these vars can be updated by x264_ratecontrol_init_reconfigurable */
2337         COPY(buffer_rate);
2338         COPY(buffer_size);
2339         COPY(single_frame_vbv);
2340         COPY(cbr_decay);
2341         COPY(b_vbv_min_rate);
2342         COPY(rate_factor_constant);
2343         COPY(bitrate);
2344 #undef COPY
2345     }
2346     if( cur != next )
2347     {
2348 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
2349         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
2350          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
2351          * to the context that's about to end (next) */
2352         COPY(cplxr_sum);
2353         COPY(expected_bits_sum);
2354         COPY(wanted_bits_window);
2355         COPY(bframe_bits);
2356         COPY(initial_cpb_removal_delay);
2357         COPY(initial_cpb_removal_delay_offset);
2358         COPY(nrt_first_access_unit);
2359         COPY(previous_cpb_final_arrival_time);
2360 #undef COPY
2361     }
2362     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
2363     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
2364 }
2365
2366 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
2367 {
2368     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
2369      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
2370      * can influence the buffer fill of that end frame. */
2371     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2372     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
2373     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
2374     double fill = fills[*t0-1];
2375     double parity = over ? 1. : -1.;
2376     int start = -1, end = -1;
2377     for( int i = *t0; i < rcc->num_entries; i++ )
2378     {
2379         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 -
2380                  qscale2bits( &rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale )) * parity;
2381         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
2382         fills[i] = fill;
2383         if( fill <= buffer_min || i == 0 )
2384         {
2385             if( end >= 0 )
2386                 break;
2387             start = i;
2388         }
2389         else if( fill >= buffer_max && start >= 0 )
2390             end = i;
2391     }
2392     *t0 = start;
2393     *t1 = end;
2394     return start >= 0 && end >= 0;
2395 }
2396
2397 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
2398 {
2399     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2400     double qscale_orig, qscale_new;
2401     int adjusted = 0;
2402     if( t0 > 0 )
2403         t0++;
2404     for( int i = t0; i <= t1; i++ )
2405     {
2406         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
2407         qscale_orig = x264_clip3f( qscale_orig, qscale_min, qscale_max );
2408         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
2409         qscale_new  = x264_clip3f( qscale_new, qscale_min, qscale_max );
2410         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
2411         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
2412     }
2413     return adjusted;
2414 }
2415
2416 static double count_expected_bits( x264_t *h )
2417 {
2418     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2419     double expected_bits = 0;
2420     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2421     {
2422         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2423         rce->expected_bits = expected_bits;
2424         expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2425     }
2426     return expected_bits;
2427 }
2428
2429 static int vbv_pass2( x264_t *h, double all_available_bits )
2430 {
2431     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
2432      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
2433      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
2434      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
2435
2436     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2437     double *fills;
2438     double expected_bits = 0;
2439     double adjustment;
2440     double prev_bits = 0;
2441     int t0, t1;
2442     double qscale_min = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
2443     double qscale_max = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
2444     int iterations = 0;
2445     int adj_min, adj_max;
2446     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
2447
2448     fills++;
2449
2450     /* adjust overall stream size */
2451     do
2452     {
2453         iterations++;
2454         prev_bits = expected_bits;
2455
2456         if( expected_bits )
2457         {   /* not first iteration */
2458             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
2459             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
2460             t0 = 0;
2461             /* fix overflows */
2462             adj_min = 1;
2463             while(adj_min && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 1 ))
2464             {
2465                 adj_min = fix_underflow( h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max );
2466                 t0 = t1;
2467             }
2468         }
2469
2470         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
2471         t0 = 0;
2472         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
2473         adj_max = 1;
2474         while( adj_max && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 0 ) )
2475             adj_max = fix_underflow( h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max );
2476
2477         expected_bits = count_expected_bits( h );
2478     } while( (expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int64_t)(expected_bits+.5) > (int64_t)(prev_bits+.5)) );
2479
2480     if( !adj_max )
2481         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
2482
2483     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
2484     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2485         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
2486
2487     x264_free( fills-1 );
2488     return 0;
2489 fail:
2490     return -1;
2491 }
2492
2493 static int init_pass2( x264_t *h )
2494 {
2495     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2496     uint64_t all_const_bits = 0;
2497     double duration = 0;
2498     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2499         duration += rcc->entry[i].i_duration;
2500     duration *= (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
2501     uint64_t all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * duration;
2502     double rate_factor, step_mult;
2503     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
2504     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
2505     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
2506     double expected_bits;
2507     double *qscale, *blurred_qscale;
2508
2509     /* find total/average complexity & const_bits */
2510     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2511     {
2512         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2513         all_const_bits += rce->misc_bits;
2514     }
2515
2516     if( all_available_bits < all_const_bits)
2517     {
2518         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
2519                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)) );
2520         return -1;
2521     }
2522
2523     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
2524      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
2525      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
2526      * bits than intended. */
2527     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2528     {
2529         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2530         double weight_sum = 0;
2531         double cplx_sum = 0;
2532         double weight = 1.0;
2533         double gaussian_weight;
2534         /* weighted average of cplx of future frames */
2535         for( int j = 1; j < cplxblur*2 && j < rcc->num_entries-i; j++ )
2536         {
2537             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
2538             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2539             if( weight < .0001 )
2540                 break;
2541             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2542             weight_sum += gaussian_weight;
2543             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2544         }
2545         /* weighted average of cplx of past frames */
2546         weight = 1.0;
2547         for( int j = 0; j <= cplxblur*2 && j <= i; j++ )
2548         {
2549             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2550             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2551             weight_sum += gaussian_weight;
2552             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits);
2553             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2554             if( weight < .0001 )
2555                 break;
2556         }
2557         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2558     }
2559
2560     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2561     if( filter_size > 1 )
2562         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2563     else
2564         blurred_qscale = qscale;
2565
2566     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2567      * each frame, adds up to the desired total size.
2568      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2569      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2570      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2571      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2572
2573     expected_bits = 1;
2574     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2575     {
2576         double q = get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i);
2577         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], q);
2578         rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = q;
2579     }
2580     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2581
2582     rate_factor = 0;
2583     for( double step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2584     {
2585         expected_bits = 0;
2586         rate_factor += step;
2587
2588         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2589         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2590         rcc->accum_p_norm = 0;
2591
2592         /* find qscale */
2593         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2594         {
2595             qscale[i] = get_qscale( h, &rcc->entry[i], rate_factor, i );
2596             rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = qscale[i];
2597         }
2598
2599         /* fixed I/B qscale relative to P */
2600         for( int i = rcc->num_entries-1; i >= 0; i-- )
2601         {
2602             qscale[i] = get_diff_limited_q( h, &rcc->entry[i], qscale[i] );
2603             assert(qscale[i] >= 0);
2604         }
2605
2606         /* smooth curve */
2607         if( filter_size > 1 )
2608         {
2609             assert( filter_size%2 == 1 );
2610             for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2611             {
2612                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2613                 double q = 0.0, sum = 0.0;
2614
2615                 for( int j = 0; j < filter_size; j++ )
2616                 {
2617                     int idx = i+j-filter_size/2;
2618                     double d = idx-i;
2619                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp( -d*d/(qblur*qblur) );
2620                     if( idx < 0 || idx >= rcc->num_entries )
2621                         continue;
2622                     if( rce->pict_type != rcc->entry[idx].pict_type )
2623                         continue;
2624                     q += qscale[idx] * coeff;
2625                     sum += coeff;
2626                 }
2627                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2628             }
2629         }
2630
2631         /* find expected bits */
2632         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2633         {
2634             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2635             rce->new_qscale = clip_qscale( h, rce->pict_type, blurred_qscale[i] );
2636             assert(rce->new_qscale >= 0);
2637             expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2638         }
2639
2640         if( expected_bits > all_available_bits )
2641             rate_factor -= step;
2642     }
2643
2644     x264_free( qscale );
2645     if( filter_size > 1 )
2646         x264_free( blurred_qscale );
2647
2648     if( rcc->b_vbv )
2649         if( vbv_pass2( h, all_available_bits ) )
2650             return -1;
2651     expected_bits = count_expected_bits( h );
2652
2653     if( fabs( expected_bits/all_available_bits - 1.0 ) > 0.01 )
2654     {
2655         double avgq = 0;
2656         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2657             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2658         avgq = qscale2qp( avgq / rcc->num_entries );
2659
2660         if( expected_bits > all_available_bits || !rcc->b_vbv )
2661             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n" );
2662         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2663                   (float)h->param.rc.i_bitrate,
2664                   expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2665                   avgq );
2666         if( expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2 )
2667         {
2668             if( h->param.rc.i_qp_min > 0 )
2669                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min );
2670             else
2671                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n" );
2672         }
2673         else if( expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2 )
2674         {
2675             if( h->param.rc.i_qp_max < QP_MAX )
2676                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max );
2677             else
2678                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2679         }
2680         else if( !(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv) )
2681             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n" );
2682     }
2683
2684     return 0;
2685 fail:
2686     return -1;
2687 }