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

   1 /*****************************************************************************
   2  * ratecontrol.c: ratecontrol
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2010 x264 project
   5  *
   6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
   7  *          Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   8  *          Gabriel Bouvigne <gabriel.bouvigne@joost.com>
   9  *          Fiona Glaser <fiona@x264.com>
  10  *          Måns Rullgård <mru@mru.ath.cx>
  11  *
  12  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with this program; if not, write to the Free Software
  24  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
  25  *
  26  * This program is also available under a commercial proprietary license.
  27  * For more information, contact us at licensing@x264.com.
  28  *****************************************************************************/
  29
  30 #define _ISOC99_SOURCE
  31 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  32 #include <math.h>
  33
  34 #include "common/common.h"
  35 #include "ratecontrol.h"
  36 #include "me.h"
  37
  38 typedef struct
  39 {
  40     int pict_type;
  41     int frame_type;
  42     int kept_as_ref;
  43     double qscale;
  44     int mv_bits;
  45     int tex_bits;
  46     int misc_bits;
  47     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  48     double expected_vbv;
  49     double new_qscale;
  50     int new_qp;
  51     int i_count;
  52     int p_count;
  53     int s_count;
  54     float blurred_complexity;
  55     char direct_mode;
  56     int16_t weight[3][2];
  57     int16_t i_weight_denom[2];
  58     int refcount[16];
  59     int refs;
  60     int64_t i_duration;
  61     int64_t i_cpb_duration;
  62 } ratecontrol_entry_t;
  63
  64 typedef struct
  65 {
  66     double coeff;
  67     double count;
  68     double decay;
  69     double offset;
  70 } predictor_t;
  71
  72 struct x264_ratecontrol_t
  73 {
  74     /* constants */
  75     int b_abr;
  76     int b_2pass;
  77     int b_vbv;
  78     int b_vbv_min_rate;
  79     double fps;
  80     double bitrate;
  81     double rate_tolerance;
  82     double qcompress;
  83     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  84     int qp_constant[3];
  85
  86     /* current frame */
  87     ratecontrol_entry_t *rce;
  88     int qp;                     /* qp for current frame */
  89     float qpm;                  /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  90     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  91     float qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  92     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  93
  94     /* VBV stuff */
  95     double buffer_size;
  96     int64_t buffer_fill_final;
  97     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  98     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  99     double vbv_max_rate;        /* # of bits added to buffer_fill per second */
 100     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
 101     int single_frame_vbv;
 102     double rate_factor_max_increment; /* Don't allow RF above (CRF + this value). */
 103
 104     /* ABR stuff */
 105     int    last_satd;
 106     double last_rceq;
 107     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
 108     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 109     int64_t filler_bits_sum;    /* sum in bits of finished frames' filler data */
 110     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 111     double cbr_decay;
 112     double short_term_cplxsum;
 113     double short_term_cplxcount;
 114     double rate_factor_constant;
 115     double ip_offset;
 116     double pb_offset;
 117
 118     /* 2pass stuff */
 119     FILE *p_stat_file_out;
 120     char *psz_stat_file_tmpname;
 121     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 122     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 123     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 124     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 125
 126     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 127     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 128     double last_qscale;
 129     double last_qscale_for[3];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff */
 130     int last_non_b_pict_type;
 131     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 132     double accum_p_norm;
 133     double last_accum_p_norm;
 134     double lmin[3];             /* min qscale by frame type */
 135     double lmax[3];
 136     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 137     uint16_t *qp_buffer[2];     /* Global buffers for converting MB-tree quantizer data. */
 138     int qpbuf_pos;              /* In order to handle pyramid reordering, QP buffer acts as a stack.
 139                                  * This value is the current position (0 or 1). */
 140
 141     /* MBRC stuff */
 142     float frame_size_estimated; /* Access to this variable must be atomic: double is
 143                                  * not atomic on all arches we care about */
 144     double frame_size_maximum;  /* Maximum frame size due to MinCR */
 145     double frame_size_planned;
 146     double slice_size_planned;
 147     predictor_t (*row_pred)[2];
 148     predictor_t row_preds[3][2];
 149     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 150     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 151     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 152
 153     int i_zones;
 154     x264_zone_t *zones;
 155     x264_zone_t *prev_zone;
 156
 157     /* hrd stuff */
 158     int initial_cpb_removal_delay;
 159     int initial_cpb_removal_delay_offset;
 160     double nrt_first_access_unit; /* nominal removal time */
 161     double previous_cpb_final_arrival_time;
 162     uint64_t hrd_multiply_denom;
 163 };
 164
 165
 166 static int parse_zones( x264_t *h );
 167 static int init_pass2(x264_t *);
 168 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 169 static int update_vbv( x264_t *h, int bits );
 170 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead );
 171 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var );
 172 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits );
 173
 174 #define CMP_OPT_FIRST_PASS( opt, param_val )\
 175 {\
 176     if( ( p = strstr( opts, opt "=" ) ) && sscanf( p, opt "=%d" , &i ) && param_val != i )\
 177     {\
 178         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different " opt " setting than first pass (%d vs %d)\n", param_val, i );\
 179         return -1;\
 180     }\
 181 }
 182
 183 /* Terminology:
 184  * qp = h.264's quantizer
 185  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 186  */
 187 static inline double qp2qscale( double qp )
 188 {
 189     return 0.85 * pow( 2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0 );
 190 }
 191 static inline double qscale2qp( double qscale )
 192 {
 193     return 12.0 + 6.0 * log2( qscale/0.85 );
 194 }
 195
 196 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 197  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 198  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 199  * for motion estimation is constant there. */
 200 static inline double qscale2bits( ratecontrol_entry_t *rce, double qscale )
 201 {
 202     if( qscale<0.1 )
 203         qscale = 0.1;
 204     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 205            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 206            + rce->misc_bits;
 207 }
 208
 209 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_var( uint64_t sum_ssd, int shift, x264_frame_t *frame, int i )
 210 {
 211     uint32_t sum = sum_ssd;
 212     uint32_t ssd = sum_ssd >> 32;
 213     frame->i_pixel_sum[i] += sum;
 214     frame->i_pixel_ssd[i] += ssd;
 215     return ssd - ((uint64_t)sum * sum >> shift);
 216 }
 217
 218 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_plane( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame, int i )
 219 {
 220     int w = i ? 8 : 16;
 221     int stride = frame->i_stride[i];
 222     int offset = h->mb.b_interlaced
 223         ? 16 * mb_x + w * (mb_y&~1) * stride + (mb_y&1) * stride
 224         : 16 * mb_x + w * mb_y * stride;
 225     stride <<= h->mb.b_interlaced;
 226     if( i )
 227     {
 228         ALIGNED_ARRAY_16( pixel, pix,[FENC_STRIDE*8] );
 229         h->mc.load_deinterleave_8x8x2_fenc( pix, frame->plane[1] + offset, stride );
 230         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix, FENC_STRIDE ), 6, frame, 1 )
 231              + ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix+FENC_STRIDE/2, FENC_STRIDE ), 6, frame, 2 );
 232     }
 233     else
 234         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_16x16]( frame->plane[0] + offset, stride ), 8, frame, 0 );
 235 }
 236
 237 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 238 static NOINLINE uint32_t x264_ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 239 {
 240     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 241      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 242      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 243      * sure no reordering goes on. */
 244     uint32_t var = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0 );
 245     var         += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1 );
 246     x264_emms();
 247     return var;
 248 }
 249
 250 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 251 {
 252     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 253      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 254     float strength;
 255     float avg_adj = 0.f;
 256     /* Initialize frame stats */
 257     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 258     {
 259         frame->i_pixel_sum[i] = 0;
 260         frame->i_pixel_ssd[i] = 0;
 261     }
 262
 263     /* Degenerate cases */
 264     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_NONE || h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 265     {
 266         /* Need to init it anyways for MB tree */
 267         if( h->param.rc.i_aq_mode && h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 268         {
 269             if( quant_offsets )
 270             {
 271                 for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 272                     frame->f_qp_offset[mb_xy] = frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = quant_offsets[mb_xy];
 273                 if( h->frames.b_have_lowres )
 274                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 275                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8( frame->f_qp_offset[mb_xy] );
 276             }
 277             else
 278             {
 279                 memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 280                 memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 281                 if( h->frames.b_have_lowres )
 282                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 283                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 284             }
 285         }
 286         /* Need variance data for weighted prediction */
 287         if( h->param.analyse.i_weighted_pred )
 288         {
 289             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 290                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 291                     x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 292         }
 293         else
 294             return;
 295     }
 296     /* Actual adaptive quantization */
 297     else
 298     {
 299         if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 300         {
 301             float bit_depth_correction = powf(1 << (BIT_DEPTH-8), 0.5f);
 302             float avg_adj_pow2 = 0.f;
 303             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 304                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 305                 {
 306                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 307                     float qp_adj = powf( energy + 1, 0.125f );
 308                     frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 309                     avg_adj += qp_adj;
 310                     avg_adj_pow2 += qp_adj * qp_adj;
 311                 }
 312             avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 313             avg_adj_pow2 /= h->mb.i_mb_count;
 314             strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj / bit_depth_correction;
 315             avg_adj = avg_adj - 0.5f * (avg_adj_pow2 - (14.f * bit_depth_correction)) / avg_adj;
 316         }
 317         else
 318             strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 319
 320         for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 321             for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 322             {
 323                 float qp_adj;
 324                 int mb_xy = mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride;
 325                 if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 326                 {
 327                     qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_xy];
 328                     qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 329                 }
 330                 else
 331                 {
 332                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 333                     qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - (14.427f + 2*(BIT_DEPTH-8)));
 334                 }
 335                 if( quant_offsets )
 336                     qp_adj += quant_offsets[mb_xy];
 337                 frame->f_qp_offset[mb_xy] =
 338                 frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = qp_adj;
 339                 if( h->frames.b_have_lowres )
 340                     frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 341             }
 342     }
 343
 344     /* Remove mean from SSD calculation */
 345     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 346     {
 347         uint64_t ssd = frame->i_pixel_ssd[i];
 348         uint64_t sum = frame->i_pixel_sum[i];
 349         int width = h->mb.i_mb_width*16>>!!i;
 350         int height = h->mb.i_mb_height*16>>!!i;
 351         frame->i_pixel_ssd[i] = ssd - (sum * sum + width * height / 2) / (width * height);
 352     }
 353 }
 354
 355 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 356 {
 357     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 358     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 359
 360     if( rc->entry[frame->i_frame].kept_as_ref )
 361     {
 362         uint8_t i_type;
 363         if( rc->qpbuf_pos < 0 )
 364         {
 365             do
 366             {
 367                 rc->qpbuf_pos++;
 368
 369                 if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 370                     goto fail;
 371                 if( fread( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos], sizeof(uint16_t), h->mb.i_mb_count, rc->p_mbtree_stat_file_in ) != h->mb.i_mb_count )
 372                     goto fail;
 373
 374                 if( i_type != i_type_actual && rc->qpbuf_pos == 1 )
 375                 {
 376                     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type, i_type_actual);
 377                     return -1;
 378                 }
 379             } while( i_type != i_type_actual );
 380         }
 381
 382         for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 383         {
 384             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos][i] )) * (1/256.0);
 385             if( h->frames.b_have_lowres )
 386                 frame->i_inv_qscale_factor[i] = x264_exp2fix8(frame->f_qp_offset[i]);
 387         }
 388         rc->qpbuf_pos--;
 389     }
 390     else
 391         x264_stack_align( x264_adaptive_quant_frame, h, frame, quant_offsets );
 392     return 0;
 393 fail:
 394     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n");
 395     return -1;
 396 }
 397
 398 int x264_reference_build_list_optimal( x264_t *h )
 399 {
 400     ratecontrol_entry_t *rce = h->rc->rce;
 401     x264_frame_t *frames[16];
 402     x264_weight_t weights[16][3];
 403     int refcount[16];
 404
 405     if( rce->refs != h->i_ref[0] )
 406         return -1;
 407
 408     memcpy( frames, h->fref[0], sizeof(frames) );
 409     memcpy( refcount, rce->refcount, sizeof(refcount) );
 410     memcpy( weights, h->fenc->weight, sizeof(weights) );
 411     memset( &h->fenc->weight[1][0], 0, sizeof(x264_weight_t[15][3]) );
 412
 413     /* For now don't reorder ref 0; it seems to lower quality
 414        in most cases due to skips. */
 415     for( int ref = 1; ref < h->i_ref[0]; ref++ )
 416     {
 417         int max = -1;
 418         int bestref = 1;
 419
 420         for( int i = 1; i < h->i_ref[0]; i++ )
 421             /* Favor lower POC as a tiebreaker. */
 422             COPY2_IF_GT( max, refcount[i], bestref, i );
 423
 424         /* FIXME: If there are duplicates from frames other than ref0 then it is possible
 425          * that the optimal ordering doesnt place every duplicate. */
 426
 427         refcount[bestref] = -1;
 428         h->fref[0][ref] = frames[bestref];
 429         memcpy( h->fenc->weight[ref], weights[bestref], sizeof(weights[bestref]) );
 430     }
 431
 432     return 0;
 433 }
 434
 435 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 436 {
 437     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 438     if( !output )
 439         return NULL;
 440     strcpy( output, input );
 441     strcat( output, suffix );
 442     return output;
 443 }
 444
 445 void x264_ratecontrol_init_reconfigurable( x264_t *h, int b_init )
 446 {
 447     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 448     if( !b_init && rc->b_2pass )
 449         return;
 450
 451     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 452     {
 453         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 454          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 455         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 456         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 457         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 458                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset + QP_BD_OFFSET );
 459     }
 460
 461     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 && h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 462     {
 463         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < (int)(h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps) )
 464         {
 465             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 466             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size cannot be smaller than one frame, using %d kbit\n",
 467                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 468         }
 469
 470         /* We don't support changing the ABR bitrate right now,
 471            so if the stream starts as CBR, keep it CBR. */
 472         if( rc->b_vbv_min_rate )
 473             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 474
 475         int vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000;
 476         int vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000;
 477
 478         /* Init HRD */
 479         h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = vbv_max_bitrate;
 480         h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = vbv_buffer_size;
 481         if( h->param.i_nal_hrd && b_init )
 482         {
 483             h->sps->vui.hrd.i_cpb_cnt = 1;
 484             h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd = h->param.i_nal_hrd == X264_NAL_HRD_CBR;
 485             h->sps->vui.hrd.i_time_offset_length = 0;
 486
 487             #define BR_SHIFT  6
 488             #define CPB_SHIFT 4
 489
 490             int bitrate = 1000*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate;
 491             int bufsize = 1000*h->param.rc.i_vbv_buffer_size;
 492
 493             // normalize HRD size and rate to the value / scale notation
 494             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale = x264_clip3( x264_ctz( bitrate ) - BR_SHIFT, 0, 15 );
 495             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value = bitrate >> ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 496             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value << ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 497             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale = x264_clip3( x264_ctz( bufsize ) - CPB_SHIFT, 0, 15 );
 498             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value = bufsize >> ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 499             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value << ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 500
 501             #undef CPB_SHIFT
 502             #undef BR_SHIFT
 503
 504             // arbitrary
 505             #define MAX_DURATION 0.5
 506
 507             int max_cpb_output_delay = X264_MIN( h->param.i_keyint_max * MAX_DURATION * h->sps->vui.i_time_scale / h->sps->vui.i_num_units_in_tick, INT_MAX );
 508             int max_dpb_output_delay = h->sps->vui.i_max_dec_frame_buffering * MAX_DURATION * h->sps->vui.i_time_scale / h->sps->vui.i_num_units_in_tick;
 509             int max_delay = (int)(90000.0 * (double)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled + 0.5);
 510
 511             h->sps->vui.hrd.i_initial_cpb_removal_delay_length = 2 + x264_clip3( 32 - x264_clz( max_delay ), 4, 22 );
 512             h->sps->vui.hrd.i_cpb_removal_delay_length = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_cpb_output_delay ), 4, 31 );
 513             h->sps->vui.hrd.i_dpb_output_delay_length  = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_dpb_output_delay ), 4, 31 );
 514
 515             #undef MAX_DURATION
 516
 517             vbv_buffer_size = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled;
 518             vbv_max_bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
 519         }
 520         else if( h->param.i_nal_hrd && !b_init )
 521         {
 522             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV parameters cannot be changed when NAL HRD is in use\n" );
 523             return;
 524         }
 525
 526         rc->buffer_rate = vbv_max_bitrate / rc->fps;
 527         rc->vbv_max_rate = vbv_max_bitrate;
 528         rc->buffer_size = vbv_buffer_size;
 529         rc->single_frame_vbv = rc->buffer_rate * 1.1 > rc->buffer_size;
 530         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 531                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 532         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.f_rf_constant_max )
 533         {
 534             rc->rate_factor_max_increment = h->param.rc.f_rf_constant_max - h->param.rc.f_rf_constant;
 535             if( rc->rate_factor_max_increment <= 0 )
 536             {
 537                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CRF max must be greater than CRF\n" );
 538                 rc->rate_factor_max_increment = 0;
 539             }
 540         }
 541         if( b_init )
 542         {
 543             if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 544                 h->param.rc.f_vbv_buffer_init = x264_clip3f( h->param.rc.f_vbv_buffer_init / h->param.rc.i_vbv_buffer_size, 0, 1 );
 545             h->param.rc.f_vbv_buffer_init = x264_clip3f( X264_MAX( h->param.rc.f_vbv_buffer_init, rc->buffer_rate / rc->buffer_size ), 0, 1);
 546             rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init * h->sps->vui.i_time_scale;
 547             rc->b_vbv = 1;
 548             rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 549                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 550                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 551         }
 552     }
 553 }
 554
 555 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 556 {
 557     x264_ratecontrol_t *rc;
 558
 559     x264_emms();
 560
 561     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 562     rc = h->rc;
 563
 564     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 565     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 566
 567     /* FIXME: use integers */
 568     if( h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0 )
 569         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 570     else
 571         rc->fps = 25.0;
 572
 573     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 574     {
 575         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 576         rc->qcompress = 1;
 577     }
 578     else
 579         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 580
 581     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 582     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 583     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 584     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 585     rc->cbr_decay = 1.0;
 586
 587     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 588     {
 589         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 590         return -1;
 591     }
 592
 593     x264_ratecontrol_init_reconfigurable( h, 1 );
 594
 595     if( h->param.i_nal_hrd )
 596     {
 597         uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
 598         uint64_t num = 180000;
 599         x264_reduce_fraction64( &num, &denom );
 600         rc->hrd_multiply_denom = 180000 / num;
 601
 602         double bits_required = log2( 180000 / rc->hrd_multiply_denom )
 603                              + log2( h->sps->vui.i_time_scale )
 604                              + log2( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled );
 605         if( bits_required >= 63 )
 606         {
 607             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "HRD with very large timescale and bufsize not supported\n" );
 608             return -1;
 609         }
 610     }
 611
 612     if( rc->rate_tolerance < 0.01 )
 613     {
 614         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 615         rc->rate_tolerance = 0.01;
 616     }
 617
 618     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 619
 620     if( rc->b_abr )
 621     {
 622         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 623 #define ABR_INIT_QP (( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 ) + QP_BD_OFFSET)
 624         rc->accum_p_norm = .01;
 625         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 626         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 627         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 628         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 629         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 630     }
 631
 632     rc->ip_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_ip_factor );
 633     rc->pb_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_pb_factor );
 634     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 635     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 636     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 637     h->mb.ip_offset = rc->ip_offset + 0.5;
 638
 639     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 640     rc->last_qscale = qp2qscale( 26 );
 641     int num_preds = h->param.b_sliced_threads * h->param.i_threads + 1;
 642     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5 * sizeof(predictor_t) * num_preds );
 643     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 644     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 645     {
 646         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 647         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 648         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 649         for( int j = 0; j < num_preds; j++ )
 650         {
 651             rc->pred[i+j*5].coeff= 2.0;
 652             rc->pred[i+j*5].count= 1.0;
 653             rc->pred[i+j*5].decay= 0.5;
 654             rc->pred[i+j*5].offset= 0.0;
 655         }
 656         for( int j = 0; j < 2; j++ )
 657         {
 658             rc->row_preds[i][j].coeff= .25;
 659             rc->row_preds[i][j].count= 1.0;
 660             rc->row_preds[i][j].decay= 0.5;
 661             rc->row_preds[i][j].offset= 0.0;
 662         }
 663     }
 664     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 665
 666     if( parse_zones( h ) < 0 )
 667     {
 668         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 669         return -1;
 670     }
 671
 672     /* Load stat file and init 2pass algo */
 673     if( h->param.rc.b_stat_read )
 674     {
 675         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 676
 677         /* read 1st pass stats */
 678         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 679         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 680         if( !stats_buf )
 681         {
 682             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 683             return -1;
 684         }
 685         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 686         {
 687             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 688             if( !mbtree_stats_in )
 689                 return -1;
 690             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 691             x264_free( mbtree_stats_in );
 692             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 693             {
 694                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 695                 return -1;
 696             }
 697         }
 698
 699         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 700         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 701         {
 702             int i, j;
 703             uint32_t k, l;
 704             char *opts = stats_buf;
 705             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 706             if( !stats_in )
 707                 return -1;
 708             *stats_in = '\0';
 709             stats_in++;
 710             if( sscanf( opts, "#options: %dx%d", &i, &j ) != 2 )
 711             {
 712                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "resolution specified in stats file not valid\n" );
 713                 return -1;
 714             }
 715             else if( h->param.rc.b_mb_tree && (i != h->param.i_width || j != h->param.i_height)  )
 716             {
 717                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree doesn't support different resolution than 1st pass (%dx%d vs %dx%d)\n",
 718                           h->param.i_width, h->param.i_height, i, j );
 719                 return -1;
 720             }
 721
 722             if( ( p = strstr( opts, "timebase=" ) ) && sscanf( p, "timebase=%u/%u", &k, &l ) != 2 )
 723             {
 724                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase specified in stats file not valid\n" );
 725                 return -1;
 726             }
 727             if( k != h->param.i_timebase_num || l != h->param.i_timebase_den )
 728             {
 729                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase mismatch with 1st pass (%u/%u vs %u/%u)\n",
 730                           h->param.i_timebase_num, h->param.i_timebase_den, k, l );
 731                 return -1;
 732             }
 733
 734             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bitdepth", BIT_DEPTH );
 735             CMP_OPT_FIRST_PASS( "weightp", X264_MAX( 0, h->param.analyse.i_weighted_pred ) );
 736             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bframes", h->param.i_bframe );
 737             CMP_OPT_FIRST_PASS( "b_pyramid", h->param.i_bframe_pyramid );
 738             CMP_OPT_FIRST_PASS( "intra_refresh", h->param.b_intra_refresh );
 739             CMP_OPT_FIRST_PASS( "open_gop", h->param.i_open_gop );
 740
 741             if( (p = strstr( opts, "keyint=" )) )
 742             {
 743                 p += 7;
 744                 char buf[13] = "infinite ";
 745                 if( h->param.i_keyint_max != X264_KEYINT_MAX_INFINITE )
 746                     sprintf( buf, "%d ", h->param.i_keyint_max );
 747                 if( strncmp( p, buf, strlen(buf) ) )
 748                 {
 749                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different keyint setting than first pass (%.*s vs %.*s)\n",
 750                               strlen(buf)-1, buf, strcspn(p, " "), p );
 751                     return -1;
 752                 }
 753             }
 754
 755             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 756                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 757
 758             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 759             {
 760                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 761                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 762             }
 763
 764             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 765                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 766             else if( h->param.i_bframe )
 767             {
 768                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 769                 return -1;
 770             }
 771
 772             if( (h->param.rc.b_mb_tree || h->param.rc.i_vbv_buffer_size) && ( p = strstr( opts, "rc_lookahead=" ) ) && sscanf( p, "rc_lookahead=%d", &i ) )
 773                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 774         }
 775
 776         /* find number of pics */
 777         p = stats_in;
 778         int num_entries;
 779         for( num_entries = -1; p; num_entries++ )
 780             p = strchr( p + 1, ';' );
 781         if( !num_entries )
 782         {
 783             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 784             return -1;
 785         }
 786         rc->num_entries = num_entries;
 787
 788         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 789         {
 790             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 791                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 792         }
 793         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 794         {
 795             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 796                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 797             return -1;
 798         }
 799
 800         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 801
 802         /* init all to skipped p frames */
 803         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 804         {
 805             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 806             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 807             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale( 20 );
 808             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 809             rce->new_qp = 0;
 810         }
 811
 812         /* read stats */
 813         p = stats_in;
 814         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 815         {
 816             ratecontrol_entry_t *rce;
 817             int frame_number;
 818             char pict_type;
 819             int e;
 820             char *next;
 821             float qp;
 822             int ref;
 823
 824             next= strchr(p, ';');
 825             if( next )
 826                 *next++ = 0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 827             e = sscanf( p, " in:%d ", &frame_number );
 828
 829             if( frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries )
 830             {
 831                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i );
 832                 return -1;
 833             }
 834             rce = &rc->entry[frame_number];
 835             rce->direct_mode = 0;
 836
 837             e += sscanf( p, " in:%*d out:%*d type:%c dur:%"SCNd64" cpbdur:%"SCNd64" q:%f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c",
 838                    &pict_type, &rce->i_duration, &rce->i_cpb_duration, &qp, &rce->tex_bits,
 839                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 840                    &rce->s_count, &rce->direct_mode );
 841
 842             p = strstr( p, "ref:" );
 843             if( !p )
 844                 goto parse_error;
 845             p += 4;
 846             for( ref = 0; ref < 16; ref++ )
 847             {
 848                 if( sscanf( p, " %d", &rce->refcount[ref] ) != 1 )
 849                     break;
 850                 p = strchr( p+1, ' ' );
 851                 if( !p )
 852                     goto parse_error;
 853             }
 854             rce->refs = ref;
 855
 856             /* find weights */
 857             rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 858             char *w = strchr( p, 'w' );
 859             if( w )
 860             {
 861                 int count = sscanf( w, "w:%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd",
 862                                     &rce->i_weight_denom[0], &rce->weight[0][0], &rce->weight[0][1],
 863                                     &rce->i_weight_denom[1], &rce->weight[1][0], &rce->weight[1][1],
 864                                     &rce->weight[2][0], &rce->weight[2][1] );
 865                 if( count == 3 )
 866                     rce->i_weight_denom[1] = -1;
 867                 else if ( count != 8 )
 868                     rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 869             }
 870
 871             if( pict_type != 'b' )
 872                 rce->kept_as_ref = 1;
 873             switch( pict_type )
 874             {
 875                 case 'I':
 876                     rce->frame_type = X264_TYPE_IDR;
 877                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 878                     break;
 879                 case 'i':
 880                     rce->frame_type = X264_TYPE_I;
 881                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 882                     break;
 883                 case 'P':
 884                     rce->frame_type = X264_TYPE_P;
 885                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_P;
 886                     break;
 887                 case 'B':
 888                     rce->frame_type = X264_TYPE_BREF;
 889                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 890                     break;
 891                 case 'b':
 892                     rce->frame_type = X264_TYPE_B;
 893                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 894                     break;
 895                 default:  e = -1; break;
 896             }
 897             if( e < 12 )
 898             {
 899 parse_error:
 900                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e );
 901                 return -1;
 902             }
 903             rce->qscale = qp2qscale( qp );
 904             p = next;
 905         }
 906
 907         x264_free( stats_buf );
 908
 909         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 910         {
 911             if( init_pass2( h ) < 0 )
 912                 return -1;
 913         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 914     }
 915
 916     /* Open output file */
 917     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 918      * and move it to the real name only when it's complete */
 919     if( h->param.rc.b_stat_write )
 920     {
 921         char *p;
 922         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 923         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 924             return -1;
 925
 926         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 927         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 928         {
 929             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 930             return -1;
 931         }
 932
 933         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 934         if( p )
 935             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 936         x264_free( p );
 937         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
 938         {
 939             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
 940             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
 941             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
 942                 return -1;
 943
 944             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
 945             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
 946             {
 947                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 948                 return -1;
 949             }
 950         }
 951     }
 952
 953     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
 954     {
 955         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[0], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 956         if( h->param.i_bframe_pyramid && h->param.rc.b_stat_read )
 957             CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[1], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 958         rc->qpbuf_pos = -1;
 959     }
 960
 961     for( int i = 0; i<h->param.i_threads; i++ )
 962     {
 963         h->thread[i]->rc = rc+i;
 964         if( i )
 965         {
 966             rc[i] = rc[0];
 967             h->thread[i]->param = h->param;
 968             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 969             h->thread[i]->mb.ip_offset = h->mb.ip_offset;
 970         }
 971     }
 972
 973     return 0;
 974 fail:
 975     return -1;
 976 }
 977
 978 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 979 {
 980     int len = 0;
 981     char *tok, UNUSED *saveptr=NULL;
 982     z->param = NULL;
 983     z->f_bitrate_factor = 1;
 984     if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,q=%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
 985         z->b_force_qp = 1;
 986     else if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
 987         z->b_force_qp = 0;
 988     else if( 2 <= sscanf(p, "%u,%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
 989         z->b_force_qp = 0;
 990     else
 991     {
 992         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
 993         return -1;
 994     }
 995     p += len;
 996     if( !*p )
 997         return 0;
 998     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
 999     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1000     z->param->param_free = x264_free;
1001     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
1002     {
1003         char *val = strchr( tok, '=' );
1004         if( val )
1005         {
1006             *val = '\0';
1007             val++;
1008         }
1009         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
1010         {
1011             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
1012             return -1;
1013         }
1014         p = NULL;
1015     }
1016     return 0;
1017 fail:
1018     return -1;
1019 }
1020
1021 static int parse_zones( x264_t *h )
1022 {
1023     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1024     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
1025     {
1026         char *psz_zones, *p;
1027         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
1028         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
1029         h->param.rc.i_zones = 1;
1030         for( p = psz_zones; *p; p++ )
1031             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
1032         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1033         p = psz_zones;
1034         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1035         {
1036             int i_tok = strcspn( p, "/" );
1037             p[i_tok] = 0;
1038             if( parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], p ) )
1039                 return -1;
1040             p += i_tok + 1;
1041         }
1042         x264_free( psz_zones );
1043     }
1044
1045     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
1046     {
1047         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1048         {
1049             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
1050             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
1051             {
1052                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
1053                           z.i_start, z.i_end );
1054                 return -1;
1055             }
1056             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
1057             {
1058                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
1059                           z.f_bitrate_factor );
1060                 return -1;
1061             }
1062         }
1063
1064         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
1065         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1066         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
1067
1068         // default zone to fall back to if none of the others match
1069         rc->zones[0].i_start = 0;
1070         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
1071         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
1072         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
1073         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
1074         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1075         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1076         {
1077             if( !rc->zones[i].param )
1078                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
1079         }
1080     }
1081
1082     return 0;
1083 fail:
1084     return -1;
1085 }
1086
1087 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
1088 {
1089     for( int i = h->rc->i_zones - 1; i >= 0; i-- )
1090     {
1091         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
1092         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
1093             return z;
1094     }
1095     return NULL;
1096 }
1097
1098 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
1099 {
1100     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1101     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
1102     {
1103         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
1104         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
1105         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
1106                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
1107                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset - QP_BD_OFFSET );
1108     }
1109 }
1110
1111 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
1112 {
1113     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1114     int b_regular_file;
1115
1116     if( rc->p_stat_file_out )
1117     {
1118         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_stat_file_out );
1119         fclose( rc->p_stat_file_out );
1120         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1121             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
1122             {
1123                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1124                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
1125             }
1126         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
1127     }
1128     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
1129     {
1130         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1131         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1132         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1133             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
1134             {
1135                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1136                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1137             }
1138         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
1139         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1140     }
1141     if( rc->p_mbtree_stat_file_in )
1142         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_in );
1143     x264_free( rc->pred );
1144     x264_free( rc->pred_b_from_p );
1145     x264_free( rc->entry );
1146     x264_free( rc->qp_buffer[0] );
1147     x264_free( rc->qp_buffer[1] );
1148     if( rc->zones )
1149     {
1150         x264_free( rc->zones[0].param );
1151         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1152             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
1153                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
1154         x264_free( rc->zones );
1155     }
1156     x264_free( rc );
1157 }
1158
1159 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
1160 {
1161     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1162     rc->accum_p_qp   *= .95;
1163     rc->accum_p_norm *= .95;
1164     rc->accum_p_norm += 1;
1165     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
1166         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
1167     else
1168         rc->accum_p_qp += qp;
1169 }
1170
1171 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
1172 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp, int overhead )
1173 {
1174     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1175     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
1176     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
1177     float q;
1178
1179     x264_emms();
1180
1181     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
1182         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
1183     rc->prev_zone = zone;
1184
1185     if( h->param.rc.b_stat_read )
1186     {
1187         int frame = h->fenc->i_frame;
1188         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
1189         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
1190
1191         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
1192             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
1193         {
1194             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
1195             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
1196         }
1197     }
1198
1199     if( rc->b_vbv )
1200     {
1201         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(int) );
1202         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
1203         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;
1204         update_vbv_plan( h, overhead );
1205
1206         const x264_level_t *l = x264_levels;
1207         while( l->level_idc != 0 && l->level_idc != h->param.i_level_idc )
1208             l++;
1209
1210         int mincr = l->mincr;
1211
1212         /* Blu-ray requires this */
1213         if( l->level_idc == 41 && h->param.i_nal_hrd )
1214             mincr = 4;
1215
1216         /* High 10 doesn't require minCR, so just set the maximum to a large value. */
1217         if( h->sps->i_profile_idc == PROFILE_HIGH10 )
1218             rc->frame_size_maximum = 1e9;
1219         else
1220         {
1221             /* The spec has a bizarre special case for the first frame. */
1222             if( h->i_frame == 0 )
1223             {
1224                 //384 * ( Max( PicSizeInMbs, fR * MaxMBPS ) + MaxMBPS * ( tr( 0 ) - tr,n( 0 ) ) ) / MinCR
1225                 double fr = 1. / 172;
1226                 int pic_size_in_mbs = h->mb.i_mb_width * h->mb.i_mb_height;
1227                 rc->frame_size_maximum = 384 * BIT_DEPTH * X264_MAX( pic_size_in_mbs, fr*l->mbps ) / mincr;
1228             }
1229             else
1230             {
1231                 //384 * MaxMBPS * ( tr( n ) - tr( n - 1 ) ) / MinCR
1232                 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;
1233             }
1234         }
1235     }
1236
1237     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1238         rc->bframes = h->fenc->i_bframes;
1239
1240     if( i_force_qp != X264_QP_AUTO )
1241     {
1242         q = i_force_qp - 1;
1243     }
1244     else if( rc->b_abr )
1245     {
1246         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
1247     }
1248     else if( rc->b_2pass )
1249     {
1250         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
1251         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
1252     }
1253     else /* CQP */
1254     {
1255         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
1256             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
1257         else
1258             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
1259
1260         if( zone )
1261         {
1262             if( zone->b_force_qp )
1263                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
1264             else
1265                 q -= 6*log2f( zone->f_bitrate_factor );
1266         }
1267     }
1268
1269     q = x264_clip3f( q, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1270
1271     rc->qpa_rc =
1272     rc->qpa_aq = 0;
1273     rc->qp = x264_clip3( (int)(q + 0.5), 0, QP_MAX );
1274     h->fdec->f_qp_avg_rc =
1275     h->fdec->f_qp_avg_aq =
1276     rc->qpm = q;
1277     if( rce )
1278         rce->new_qp = rc->qp;
1279
1280     accum_p_qp_update( h, rc->qpm );
1281
1282     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1283         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
1284 }
1285
1286 static double predict_row_size( x264_t *h, int y, double qp )
1287 {
1288     /* average between two predictors:
1289      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
1290     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1291     double pred_s = predict_size( rc->row_pred[0], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satd[y] );
1292     double pred_t = 0;
1293     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I || qp >= h->fref[0][0]->f_row_qp[y] )
1294     {
1295         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P
1296             && h->fref[0][0]->i_type == h->fdec->i_type
1297             && h->fref[0][0]->i_row_satd[y] > 0
1298             && (abs(h->fref[0][0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
1299         {
1300             pred_t = h->fref[0][0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref[0][0]->i_row_satd[y]
1301                      * qp2qscale( h->fref[0][0]->f_row_qp[y] ) / qp2qscale( qp );
1302         }
1303         if( pred_t == 0 )
1304             pred_t = pred_s;
1305         return (pred_s + pred_t) / 2;
1306     }
1307     /* Our QP is lower than the reference! */
1308     else
1309     {
1310         double pred_intra = predict_size( rc->row_pred[1], qp2qscale( qp ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y] );
1311         /* Sum: better to overestimate than underestimate by using only one of the two predictors. */
1312         return pred_intra + pred_s;
1313     }
1314 }
1315
1316 static double row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1317 {
1318     double bits = 0;
1319     for( int i = h->i_threadslice_start; i <= y; i++ )
1320         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1321     return bits;
1322 }
1323
1324 static double predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, double qp )
1325 {
1326     double bits = row_bits_so_far(h, y);
1327     for( int i = y+1; i < h->i_threadslice_end; i++ )
1328         bits += predict_row_size( h, i, qp );
1329     return bits;
1330 }
1331
1332
1333 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1334 {
1335     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1336     const int y = h->mb.i_mb_y;
1337
1338     x264_emms();
1339
1340     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1341     rc->qpa_rc += rc->qpm;
1342     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1343
1344     if( h->mb.i_mb_x != h->mb.i_mb_width - 1 || !rc->b_vbv )
1345         return;
1346
1347     h->fdec->f_row_qp[y] = rc->qpm;
1348
1349     update_predictor( rc->row_pred[0], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1350     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && rc->qpm < h->fref[0][0]->f_row_qp[y] )
1351         update_predictor( rc->row_pred[1], qp2qscale( rc->qpm ), h->fdec->i_row_satds[0][0][y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1352
1353     /* tweak quality based on difference from predicted size */
1354     if( y < h->i_threadslice_end-1 )
1355     {
1356         float prev_row_qp = h->fdec->f_row_qp[y];
1357         float qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1358         float qp_absolute_max = h->param.rc.i_qp_max;
1359         if( rc->rate_factor_max_increment )
1360             qp_absolute_max = X264_MIN( qp_absolute_max, rc->qp_novbv + rc->rate_factor_max_increment );
1361         float qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, qp_absolute_max );
1362         float step_size = 0.5;
1363
1364         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames. */
1365         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1366         {
1367             qp_min = X264_MAX( qp_min, X264_MAX( h->fref[0][0]->f_row_qp[y+1], h->fref[1][0]->f_row_qp[y+1] ) );
1368             rc->qpm = X264_MAX( rc->qpm, qp_min );
1369         }
1370
1371         float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1372         float slice_size_planned = h->param.b_sliced_threads ? rc->slice_size_planned : rc->frame_size_planned;
1373         float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (h->mb.i_mb_height) );
1374         float size_of_other_slices = 0;
1375         if( h->param.b_sliced_threads )
1376         {
1377             float size_of_other_slices_planned = 0;
1378             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1379                 if( h != h->thread[i] )
1380                 {
1381                     size_of_other_slices += h->thread[i]->rc->frame_size_estimated;
1382                     size_of_other_slices_planned += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
1383                 }
1384             float weight = rc->slice_size_planned / rc->frame_size_planned;
1385             size_of_other_slices = (size_of_other_slices - size_of_other_slices_planned) * weight + size_of_other_slices_planned;
1386         }
1387
1388         /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits. */
1389         float rc_tol = buffer_left_planned / h->param.i_threads * rc->rate_tolerance;
1390         int b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1391
1392         /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1393         /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1394         if( row_bits_so_far( h, y ) < 0.05 * slice_size_planned )
1395             return;
1396
1397         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I )
1398             rc_tol /= 2;
1399
1400         if( !rc->b_vbv_min_rate )
1401             qp_min = X264_MAX( qp_min, rc->qp_novbv );
1402
1403         while( rc->qpm < qp_max
1404                && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1405                    (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5) ||
1406                    (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1407         {
1408             rc->qpm += step_size;
1409             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1410         }
1411
1412         while( rc->qpm > qp_min
1413                && (rc->qpm > h->fdec->f_row_qp[0] || rc->single_frame_vbv)
1414                && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8 && rc->qpm <= prev_row_qp)
1415                || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1) )
1416         {
1417             rc->qpm -= step_size;
1418             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1419         }
1420
1421         /* avoid VBV underflow or MinCR violation */
1422         while( (rc->qpm < qp_absolute_max)
1423                && ((rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_rate * max_frame_error) ||
1424                    (rc->frame_size_maximum - b1 < rc->frame_size_maximum * max_frame_error)))
1425         {
1426             rc->qpm += step_size;
1427             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1428         }
1429
1430         h->rc->frame_size_estimated = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1431     }
1432 }
1433
1434 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1435 {
1436     x264_emms();
1437     return x264_clip3( h->rc->qpm + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1438 }
1439
1440 int x264_ratecontrol_mb_qp( x264_t *h )
1441 {
1442     x264_emms();
1443     float qp = h->rc->qpm;
1444     if( h->param.rc.i_aq_mode )
1445         /* MB-tree currently doesn't adjust quantizers in unreferenced frames. */
1446         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];
1447     return x264_clip3( qp + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1448 }
1449
1450 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1451 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1452 {
1453     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1454     if( h->param.rc.b_stat_read )
1455     {
1456         if( frame_num >= rc->num_entries )
1457         {
1458             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1459              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1460              * So just calculate the average QP used so far. */
1461             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24 + QP_BD_OFFSET
1462                                       : 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
1463             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, QP_MAX );
1464             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 );
1465             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 );
1466
1467             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
1468             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
1469             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1470                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
1471
1472             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1473             {
1474                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1475                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1476                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1477                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1478                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1479                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1480                 h->thread[i]->param.rc.b_mb_tree = 0;
1481                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1482                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1483             }
1484             return X264_TYPE_AUTO;
1485         }
1486         return rc->entry[frame_num].frame_type;
1487     }
1488     else
1489         return X264_TYPE_AUTO;
1490 }
1491
1492 void x264_ratecontrol_set_weights( x264_t *h, x264_frame_t *frm )
1493 {
1494     ratecontrol_entry_t *rce = &h->rc->entry[frm->i_frame];
1495     if( h->param.analyse.i_weighted_pred <= 0 )
1496         return;
1497
1498     if( rce->i_weight_denom[0] >= 0 )
1499         SET_WEIGHT( frm->weight[0][0], 1, rce->weight[0][0], rce->i_weight_denom[0], rce->weight[0][1] );
1500
1501     if( rce->i_weight_denom[1] >= 0 )
1502     {
1503         SET_WEIGHT( frm->weight[0][1], 1, rce->weight[1][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[1][1] );
1504         SET_WEIGHT( frm->weight[0][2], 1, rce->weight[2][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[2][1] );
1505     }
1506 }
1507
1508 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1509 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits, int *filler )
1510 {
1511     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1512     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1513
1514     x264_emms();
1515
1516     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1517     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1518     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1519     for( int i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1520         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1521
1522     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1523     h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
1524
1525     if( h->param.rc.b_stat_write )
1526     {
1527         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1528                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1529                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1530         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1531         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1532         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1533                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1534                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1535                         : '-';
1536         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1537                  "in:%d out:%d type:%c dur:%"PRId64" cpbdur:%"PRId64" q:%.2f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c ref:",
1538                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1539                  c_type, h->fenc->i_duration,
1540                  h->fenc->i_cpb_duration, rc->qpa_rc,
1541                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1542                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1543                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1544                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1545                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1546                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1547                  c_direct) < 0 )
1548             goto fail;
1549
1550         /* Only write information for reference reordering once. */
1551         int use_old_stats = h->param.rc.b_stat_read && rc->rce->refs > 1;
1552         for( int i = 0; i < (use_old_stats ? rc->rce->refs : h->i_ref[0]); i++ )
1553         {
1554             int refcount = use_old_stats         ? rc->rce->refcount[i]
1555                          : h->param.b_interlaced ? h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2]
1556                                                  + h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2+1]
1557                          :                         h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i];
1558             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "%d ", refcount ) < 0 )
1559                 goto fail;
1560         }
1561
1562         if( h->param.analyse.i_weighted_pred >= X264_WEIGHTP_SIMPLE && h->sh.weight[0][0].weightfn )
1563         {
1564             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "w:%d,%d,%d",
1565                          h->sh.weight[0][0].i_denom, h->sh.weight[0][0].i_scale, h->sh.weight[0][0].i_offset ) < 0 )
1566                 goto fail;
1567             if( h->sh.weight[0][1].weightfn || h->sh.weight[0][2].weightfn )
1568             {
1569                 if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ",%d,%d,%d,%d,%d ",
1570                              h->sh.weight[0][1].i_denom, h->sh.weight[0][1].i_scale, h->sh.weight[0][1].i_offset,
1571                              h->sh.weight[0][2].i_scale, h->sh.weight[0][2].i_offset ) < 0 )
1572                     goto fail;
1573             }
1574             else if( fprintf( rc->p_stat_file_out, " " ) < 0 )
1575                 goto fail;
1576         }
1577
1578         if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ";\n") < 0 )
1579             goto fail;
1580
1581         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1582         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1583         {
1584             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1585             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1586             for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1587                 rc->qp_buffer[0][i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1588             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1589                 goto fail;
1590             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 )
1591                 goto fail;
1592         }
1593     }
1594
1595     if( rc->b_abr )
1596     {
1597         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1598             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / rc->last_rceq;
1599         else
1600         {
1601             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1602              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1603             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / (rc->last_rceq * fabs( h->param.rc.f_pb_factor ));
1604         }
1605         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1606         double frame_duration = (double)h->fenc->i_duration * h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1607
1608         rc->wanted_bits_window += frame_duration * rc->bitrate;
1609         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1610     }
1611
1612     if( rc->b_2pass )
1613         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale( rc->rce->new_qp ) );
1614
1615     if( h->mb.b_variable_qp )
1616     {
1617         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1618         {
1619             rc->bframe_bits += bits;
1620             if( h->fenc->b_last_minigop_bframe )
1621             {
1622                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale( rc->qpa_rc ),
1623                                   h->fref[1][h->i_ref[1]-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1624                 rc->bframe_bits = 0;
1625             }
1626         }
1627     }
1628
1629     *filler = update_vbv( h, bits );
1630     rc->filler_bits_sum += *filler * 8;
1631
1632     if( h->sps->vui.b_nal_hrd_parameters_present )
1633     {
1634         if( h->fenc->i_frame == 0 )
1635         {
1636             // access unit initialises the HRD
1637             h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = 0;
1638             rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1639             rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1640             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit = (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1641         }
1642         else
1643         {
1644             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit + (double)(h->fenc->i_cpb_delay - h->i_cpb_delay_pir_offset) *
1645                                                    h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1646
1647             double cpb_earliest_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time - (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1648             if( h->fenc->b_keyframe )
1649             {
1650                  rc->nrt_first_access_unit = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1651                  rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1652                  rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1653             }
1654             else
1655                  cpb_earliest_arrival_time -= (double)rc->initial_cpb_removal_delay_offset / 90000;
1656
1657             if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd )
1658                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time;
1659             else
1660                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = X264_MAX( rc->previous_cpb_final_arrival_time, cpb_earliest_arrival_time );
1661         }
1662         int filler_bits = *filler ? X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), *filler )*8 : 0;
1663         // Equation C-6
1664         h->fenc->hrd_timing.cpb_final_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time +
1665                                                      (double)(bits + filler_bits) / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1666
1667         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 +
1668                                               h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1669     }
1670
1671     return 0;
1672 fail:
1673     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n");
1674     return -1;
1675 }
1676
1677 /****************************************************************************
1678  * 2 pass functions
1679  ***************************************************************************/
1680
1681 /**
1682  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1683  */
1684 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1685 {
1686     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1687     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1688     double q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1689
1690     // avoid NaN's in the rc_eq
1691     if( !isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0 )
1692         q = rcc->last_qscale_for[rce->pict_type];
1693     else
1694     {
1695         rcc->last_rceq = q;
1696         q /= rate_factor;
1697         rcc->last_qscale = q;
1698     }
1699
1700     if( zone )
1701     {
1702         if( zone->b_force_qp )
1703             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1704         else
1705             q /= zone->f_bitrate_factor;
1706     }
1707
1708     return q;
1709 }
1710
1711 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q)
1712 {
1713     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1714     const int pict_type = rce->pict_type;
1715
1716     // force I/B quants as a function of P quants
1717     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1718     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1719     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1720     {
1721         double iq = q;
1722         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1723         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1724         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1725         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1726             q = iq;
1727         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1728             q = iq / ip_factor;
1729         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1730             q = pq / ip_factor;
1731         else
1732             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1733     }
1734     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1735     {
1736         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1737             q = last_non_b_q;
1738         if( !rce->kept_as_ref )
1739             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1740     }
1741     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1742              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1743              && rce->tex_bits == 0 )
1744     {
1745         q = last_p_q;
1746     }
1747
1748     /* last qscale / qdiff stuff */
1749     if( rcc->last_non_b_pict_type == pict_type &&
1750         (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1) )
1751     {
1752         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1753         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1754         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1755
1756         if     ( q > max_qscale ) q = max_qscale;
1757         else if( q < min_qscale ) q = min_qscale;
1758     }
1759
1760     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1761     if( pict_type != SLICE_TYPE_B )
1762         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1763     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1764     {
1765         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1766         rcc->accum_p_norm = 0;
1767         rcc->accum_p_qp = 0;
1768     }
1769     if( pict_type == SLICE_TYPE_P )
1770     {
1771         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1772         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp( q ) + rcc->accum_p_qp);
1773         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1774     }
1775     return q;
1776 }
1777
1778 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var )
1779 {
1780      return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1781 }
1782
1783 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits )
1784 {
1785     const double range = 1.5;
1786     if( var < 10 )
1787         return;
1788     double old_coeff = p->coeff / p->count;
1789     double new_coeff = bits*q / var;
1790     double new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1791     double new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1792     if( new_offset >= 0 )
1793         new_coeff = new_coeff_clipped;
1794     else
1795         new_offset = 0;
1796     p->count  *= p->decay;
1797     p->coeff  *= p->decay;
1798     p->offset *= p->decay;
1799     p->count  ++;
1800     p->coeff  += new_coeff;
1801     p->offset += new_offset;
1802 }
1803
1804 // update VBV after encoding a frame
1805 static int update_vbv( x264_t *h, int bits )
1806 {
1807     int filler = 0;
1808     int bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1809     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1810     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1811     uint64_t buffer_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1812
1813     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1814         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale( rcc->qpa_rc ), rcc->last_satd, bits );
1815
1816     if( !rcc->b_vbv )
1817         return filler;
1818
1819     rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1820
1821     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1822         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 );
1823     rct->buffer_fill_final = X264_MAX( rct->buffer_fill_final, 0 );
1824     rct->buffer_fill_final += (uint64_t)bitrate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick * h->fenc->i_cpb_duration;
1825
1826     if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd && rct->buffer_fill_final > buffer_size )
1827     {
1828         filler = ceil( (rct->buffer_fill_final - buffer_size) / (8. * h->sps->vui.i_time_scale) );
1829         bits = X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), filler ) * 8;
1830         rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1831     }
1832     else
1833         rct->buffer_fill_final = X264_MIN( rct->buffer_fill_final, buffer_size );
1834
1835     return filler;
1836 }
1837
1838 void x264_hrd_fullness( x264_t *h )
1839 {
1840     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1841     uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale / rct->hrd_multiply_denom;
1842     uint64_t cpb_state = rct->buffer_fill_final;
1843     uint64_t cpb_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1844     uint64_t multiply_factor = 180000 / rct->hrd_multiply_denom;
1845
1846     if( rct->buffer_fill_final < 0 || rct->buffer_fill_final > cpb_size )
1847     {
1848          x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CPB %s: %.0lf bits in a %.0lf-bit buffer\n",
1849                    rct->buffer_fill_final < 0 ? "underflow" : "overflow", (float)rct->buffer_fill_final/denom, (float)cpb_size/denom );
1850     }
1851
1852     h->initial_cpb_removal_delay = (multiply_factor * cpb_state + denom) / (2*denom);
1853     h->initial_cpb_removal_delay_offset = (multiply_factor * cpb_size + denom) / (2*denom) - h->initial_cpb_removal_delay;
1854 }
1855
1856 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1857 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead )
1858 {
1859     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1860     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final / h->sps->vui.i_time_scale;
1861     if( h->i_thread_frames > 1 )
1862     {
1863         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1864         for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
1865         {
1866             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
1867             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1868             if( !t->b_thread_active )
1869                 continue;
1870             bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
1871             rcc->buffer_fill -= bits;
1872             rcc->buffer_fill = X264_MAX( rcc->buffer_fill, 0 );
1873             rcc->buffer_fill += t->rc->buffer_rate;
1874             rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1875         }
1876     }
1877     rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1878     rcc->buffer_fill -= overhead;
1879 }
1880
1881 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1882 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1883 {
1884     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1885     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1886     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1887     if( rcc->rate_factor_max_increment )
1888         lmax = X264_MIN( lmax, qp2qscale( rcc->qp_novbv + rcc->rate_factor_max_increment ) );
1889     double q0 = q;
1890
1891     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1892      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
1893
1894     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1895     {
1896         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
1897          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
1898          * by the end of the lookahead. */
1899         if( h->param.rc.i_lookahead )
1900         {
1901             int terminate = 0;
1902
1903             /* Avoid an infinite loop. */
1904             for( int iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
1905             {
1906                 double frame_q[3];
1907                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1908                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits;
1909                 double target_fill;
1910                 double total_duration = 0;
1911                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
1912                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
1913                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
1914
1915                 /* Loop over the planned future frames. */
1916                 for( int j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
1917                 {
1918                     total_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1919                     buffer_fill_cur += rcc->vbv_max_rate * h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1920                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
1921                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
1922                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
1923                         break;
1924                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
1925                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
1926                     buffer_fill_cur -= cur_bits;
1927                 }
1928                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
1929                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
1930                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
1931                 {
1932                     q *= 1.01;
1933                     terminate |= 1;
1934                     continue;
1935                 }
1936                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
1937                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
1938                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
1939                 {
1940                     q /= 1.01;
1941                     terminate |= 2;
1942                     continue;
1943                 }
1944                 break;
1945             }
1946         }
1947         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
1948         else
1949         {
1950             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1951                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
1952                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
1953             {
1954                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
1955             }
1956
1957             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
1958              * This one is mostly for I-frames. */
1959             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1960             double qf = 1.0;
1961             /* For small VBVs, allow the frame to use up the entire VBV. */
1962             double max_fill_factor = h->param.rc.i_vbv_buffer_size >= 5*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rcc->fps ? 2 : 1;
1963             /* For single-frame VBVs, request that the frame use up the entire VBV. */
1964             double min_fill_factor = rcc->single_frame_vbv ? 1 : 2;
1965
1966             if( bits > rcc->buffer_fill/max_fill_factor )
1967                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(max_fill_factor*bits), 0.2, 1.0 );
1968             q /= qf;
1969             bits *= qf;
1970             if( bits < rcc->buffer_rate/min_fill_factor )
1971                 q *= bits*min_fill_factor/rcc->buffer_rate;
1972             q = X264_MAX( q0, q );
1973         }
1974
1975         /* Apply MinCR restrictions */
1976         double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1977         if( bits > rcc->frame_size_maximum )
1978             q *= bits / rcc->frame_size_maximum;
1979         bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1980
1981         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
1982          * overflow before the next P-frame. */
1983         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && !rcc->single_frame_vbv )
1984         {
1985             int nb = rcc->bframes;
1986             double pbbits = bits;
1987             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
1988             double space;
1989             double bframe_cpb_duration = 0;
1990             double minigop_cpb_duration;
1991             for( int i = 0; i < nb; i++ )
1992                 bframe_cpb_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[1+i];
1993
1994             if( bbits * nb > bframe_cpb_duration * rcc->vbv_max_rate )
1995                 nb = 0;
1996             pbbits += nb * bbits;
1997
1998             minigop_cpb_duration = bframe_cpb_duration + h->fenc->f_planned_cpb_duration[0];
1999             space = rcc->buffer_fill + minigop_cpb_duration*rcc->vbv_max_rate - rcc->buffer_size;
2000             if( pbbits < space )
2001             {
2002                 q *= X264_MAX( pbbits / space, bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
2003             }
2004             q = X264_MAX( q0/2, q );
2005         }
2006
2007         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
2008             q = X264_MAX( q0, q );
2009     }
2010
2011     if( lmin==lmax )
2012         return lmin;
2013     else if( rcc->b_2pass )
2014     {
2015         double min2 = log( lmin );
2016         double max2 = log( lmax );
2017         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
2018         q = 1.0/(1.0 + exp( -4*q ));
2019         q = q*(max2-min2) + min2;
2020         return exp( q );
2021     }
2022     else
2023         return x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2024 }
2025
2026 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
2027 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
2028 {
2029     float q;
2030     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2031     ratecontrol_entry_t UNINIT(rce);
2032     int pict_type = h->sh.i_type;
2033     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_I]
2034                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_P]
2035                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_B])
2036                        - rcc->filler_bits_sum;
2037
2038     if( rcc->b_2pass )
2039     {
2040         rce = *rcc->rce;
2041         if( pict_type != rce.pict_type )
2042         {
2043             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
2044                       slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type] );
2045         }
2046     }
2047
2048     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
2049     {
2050         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
2051          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
2052
2053         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref[0][0]->i_type);
2054         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref[1][0]->i_type);
2055         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref[0][0]->i_poc);
2056         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref[1][0]->i_poc);
2057         float q0 = h->fref[0][0]->f_qp_avg_rc;
2058         float q1 = h->fref[1][0]->f_qp_avg_rc;
2059
2060         if( h->fref[0][0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2061             q0 -= rcc->pb_offset/2;
2062         if( h->fref[1][0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2063             q1 -= rcc->pb_offset/2;
2064
2065         if( i0 && i1 )
2066             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
2067         else if( i0 )
2068             q = q1;
2069         else if( i1 )
2070             q = q0;
2071         else
2072             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
2073
2074         if( h->fenc->b_kept_as_ref )
2075             q += rcc->pb_offset/2;
2076         else
2077             q += rcc->pb_offset;
2078
2079         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2080             rcc->frame_size_planned = qscale2bits( &rce, qp2qscale( q ) );
2081         else
2082             rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, qp2qscale( q ), h->fref[1][h->i_ref[1]-1]->i_satd );
2083         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2084
2085         /* For row SATDs */
2086         if( rcc->b_vbv )
2087             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2088         rcc->qp_novbv = q;
2089         return qp2qscale( q );
2090     }
2091     else
2092     {
2093         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
2094
2095         if( rcc->b_2pass )
2096         {
2097             double lmin = rcc->lmin[pict_type];
2098             double lmax = rcc->lmax[pict_type];
2099             int64_t diff;
2100             int64_t predicted_bits = total_bits;
2101
2102             if( rcc->b_vbv )
2103             {
2104                 if( h->i_thread_frames > 1 )
2105                 {
2106                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
2107                     for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
2108                     {
2109                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
2110                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
2111                         if( !t->b_thread_active )
2112                             continue;
2113                         bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
2114                         predicted_bits += (int64_t)bits;
2115                     }
2116                 }
2117             }
2118             else
2119             {
2120                 if( h->i_frame < h->i_thread_frames )
2121                     predicted_bits += (int64_t)h->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
2122                 else
2123                     predicted_bits += (int64_t)(h->i_thread_frames - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
2124             }
2125
2126             /* Adjust ABR buffer based on distance to the end of the video. */
2127             if( rcc->num_entries > h->i_frame )
2128             {
2129                 double final_bits = rcc->entry[rcc->num_entries-1].expected_bits;
2130                 double video_pos = rce.expected_bits / final_bits;
2131                 double scale_factor = sqrt( (1 - video_pos) * rcc->num_entries );
2132                 abr_buffer *= 0.5 * X264_MAX( scale_factor, 0.5 );
2133             }
2134
2135             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
2136             q = rce.new_qscale;
2137             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
2138             if( ((h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames) >= rcc->fps) &&
2139                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
2140             {
2141                 /* Adjust quant based on the difference between
2142                  * achieved and expected bitrate so far */
2143                 double cur_time = (double)h->i_frame / rcc->num_entries;
2144                 double w = x264_clip3f( cur_time*100, 0.0, 1.0 );
2145                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
2146             }
2147             if( rcc->b_vbv )
2148             {
2149                 /* Do not overflow vbv */
2150                 double expected_size = qscale2bits( &rce, q );
2151                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2152                 double expected_fullness = rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
2153                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
2154                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
2155                 qmax = X264_MAX( qmax, rce.new_qscale );
2156                 if( expected_fullness < .05 )
2157                     qmax = lmax;
2158                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
2159                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
2160                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
2161                 {
2162                     q *= 1.05;
2163                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
2164                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2165                 }
2166                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2167             }
2168             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2169         }
2170         else /* 1pass ABR */
2171         {
2172             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
2173              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
2174              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
2175              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
2176              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
2177              * the target.
2178              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
2179              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
2180              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
2181
2182             double wanted_bits, overflow = 1;
2183
2184             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2185             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
2186             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
2187             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd;
2188             rcc->short_term_cplxcount ++;
2189
2190             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
2191             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
2192             rce.mv_bits = 0;
2193             rce.p_count = rcc->nmb;
2194             rce.i_count = 0;
2195             rce.s_count = 0;
2196             rce.qscale = 1;
2197             rce.pict_type = pict_type;
2198
2199             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
2200             {
2201                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
2202             }
2203             else
2204             {
2205                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
2206
2207                 /* ABR code can potentially be counterproductive in CBR, so just don't bother.
2208                  * Don't run it if the frame complexity is zero either. */
2209                 if( !rcc->b_vbv_min_rate && rcc->last_satd )
2210                 {
2211                     // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
2212                     int i_frame_done = h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames;
2213                     double time_done = i_frame_done / rcc->fps;
2214                     if( h->param.b_vfr_input && i_frame_done > 0 )
2215                         time_done = ((double)(h->fenc->i_reordered_pts - h->i_reordered_pts_delay)) * h->param.i_timebase_num / h->param.i_timebase_den;
2216                     wanted_bits = time_done * rcc->bitrate;
2217                     if( wanted_bits > 0 )
2218                     {
2219                         abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt( time_done ) );
2220                         overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
2221                         q *= overflow;
2222                     }
2223                 }
2224             }
2225
2226             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
2227                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
2228                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
2229             {
2230                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
2231                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2232             }
2233             else if( h->i_frame > 0 )
2234             {
2235                 if( h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CRF )
2236                 {
2237                     /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
2238                      * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
2239                     double lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
2240                     double lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
2241                     if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
2242                         lmax *= rcc->lstep;
2243                     else if( overflow < 0.9 )
2244                         lmin /= rcc->lstep;
2245
2246                     q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
2247                 }
2248             }
2249             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && rcc->qcompress != 1 )
2250             {
2251                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2252             }
2253             rcc->qp_novbv = qscale2qp( q );
2254
2255             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
2256             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
2257         }
2258
2259         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
2260         rcc->last_qscale = q;
2261
2262         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
2263             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q * fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2264
2265         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2266             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
2267         else
2268             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2269
2270         /* Always use up the whole VBV in this case. */
2271         if( rcc->single_frame_vbv )
2272             rcc->frame_size_planned = rcc->buffer_rate;
2273         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2274         return q;
2275     }
2276 }
2277
2278 void x264_threads_normalize_predictors( x264_t *h )
2279 {
2280     double totalsize = 0;
2281     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2282         totalsize += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2283     double factor = h->rc->frame_size_planned / totalsize;
2284     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2285         h->thread[i]->rc->slice_size_planned *= factor;
2286 }
2287
2288 void x264_threads_distribute_ratecontrol( x264_t *h )
2289 {
2290     int row;
2291     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2292
2293     /* Initialize row predictors */
2294     if( h->i_frame == 0 )
2295         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2296         {
2297             x264_ratecontrol_t *t = h->thread[i]->rc;
2298             memcpy( t->row_preds, rc->row_preds, sizeof(rc->row_preds) );
2299         }
2300
2301     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2302     {
2303         x264_t *t = h->thread[i];
2304         memcpy( t->rc, rc, offsetof(x264_ratecontrol_t, row_pred) );
2305         t->rc->row_pred = &t->rc->row_preds[h->sh.i_type];
2306         /* Calculate the planned slice size. */
2307         if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2308         {
2309             int size = 0;
2310             for( row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2311                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2312             t->rc->slice_size_planned = predict_size( &rc->pred[h->sh.i_type + (i+1)*5], rc->qpm, size );
2313         }
2314         else
2315             t->rc->slice_size_planned = 0;
2316     }
2317     if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2318     {
2319         x264_threads_normalize_predictors( h );
2320
2321         if( rc->single_frame_vbv )
2322         {
2323             /* Compensate for our max frame error threshold: give more bits (proportionally) to smaller slices. */
2324             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2325             {
2326                 x264_t *t = h->thread[i];
2327                 float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) );
2328                 t->rc->slice_size_planned += 2 * max_frame_error * rc->frame_size_planned;
2329             }
2330             x264_threads_normalize_predictors( h );
2331         }
2332
2333         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2334             h->thread[i]->rc->frame_size_estimated = h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2335     }
2336 }
2337
2338 void x264_threads_merge_ratecontrol( x264_t *h )
2339 {
2340     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2341     x264_emms();
2342
2343     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2344     {
2345         x264_t *t = h->thread[i];
2346         x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[i]->rc;
2347         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
2348         {
2349             int size = 0;
2350             for( int row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2351                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2352             int bits = t->stat.frame.i_mv_bits + t->stat.frame.i_tex_bits + t->stat.frame.i_misc_bits;
2353             int mb_count = (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) * h->mb.i_mb_width;
2354             update_predictor( &rc->pred[h->sh.i_type+(i+1)*5], qp2qscale( rct->qpa_rc/mb_count ), size, bits );
2355         }
2356         if( !i )
2357             continue;
2358         rc->qpa_rc += rct->qpa_rc;
2359         rc->qpa_aq += rct->qpa_aq;
2360     }
2361 }
2362
2363 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
2364 {
2365     if( cur != prev )
2366     {
2367 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
2368         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
2369          * so copy them from the context that most recently started (prev)
2370          * to the context that's about to start (cur). */
2371         COPY(accum_p_qp);
2372         COPY(accum_p_norm);
2373         COPY(last_satd);
2374         COPY(last_rceq);
2375         COPY(last_qscale_for);
2376         COPY(last_non_b_pict_type);
2377         COPY(short_term_cplxsum);
2378         COPY(short_term_cplxcount);
2379         COPY(bframes);
2380         COPY(prev_zone);
2381         COPY(qpbuf_pos);
2382         /* these vars can be updated by x264_ratecontrol_init_reconfigurable */
2383         COPY(buffer_rate);
2384         COPY(buffer_size);
2385         COPY(single_frame_vbv);
2386         COPY(cbr_decay);
2387         COPY(b_vbv_min_rate);
2388         COPY(rate_factor_constant);
2389         COPY(bitrate);
2390 #undef COPY
2391     }
2392     if( cur != next )
2393     {
2394 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
2395         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
2396          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
2397          * to the context that's about to end (next) */
2398         COPY(cplxr_sum);
2399         COPY(expected_bits_sum);
2400         COPY(filler_bits_sum);
2401         COPY(wanted_bits_window);
2402         COPY(bframe_bits);
2403         COPY(initial_cpb_removal_delay);
2404         COPY(initial_cpb_removal_delay_offset);
2405         COPY(nrt_first_access_unit);
2406         COPY(previous_cpb_final_arrival_time);
2407 #undef COPY
2408     }
2409     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
2410     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
2411 }
2412
2413 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
2414 {
2415     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
2416      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
2417      * can influence the buffer fill of that end frame. */
2418     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2419     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
2420     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
2421     double fill = fills[*t0-1];
2422     double parity = over ? 1. : -1.;
2423     int start = -1, end = -1;
2424     for( int i = *t0; i < rcc->num_entries; i++ )
2425     {
2426         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 -
2427                  qscale2bits( &rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale )) * parity;
2428         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
2429         fills[i] = fill;
2430         if( fill <= buffer_min || i == 0 )
2431         {
2432             if( end >= 0 )
2433                 break;
2434             start = i;
2435         }
2436         else if( fill >= buffer_max && start >= 0 )
2437             end = i;
2438     }
2439     *t0 = start;
2440     *t1 = end;
2441     return start >= 0 && end >= 0;
2442 }
2443
2444 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
2445 {
2446     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2447     double qscale_orig, qscale_new;
2448     int adjusted = 0;
2449     if( t0 > 0 )
2450         t0++;
2451     for( int i = t0; i <= t1; i++ )
2452     {
2453         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
2454         qscale_orig = x264_clip3f( qscale_orig, qscale_min, qscale_max );
2455         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
2456         qscale_new  = x264_clip3f( qscale_new, qscale_min, qscale_max );
2457         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
2458         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
2459     }
2460     return adjusted;
2461 }
2462
2463 static double count_expected_bits( x264_t *h )
2464 {
2465     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2466     double expected_bits = 0;
2467     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2468     {
2469         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2470         rce->expected_bits = expected_bits;
2471         expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2472     }
2473     return expected_bits;
2474 }
2475
2476 static int vbv_pass2( x264_t *h, double all_available_bits )
2477 {
2478     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
2479      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
2480      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
2481      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
2482
2483     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2484     double *fills;
2485     double expected_bits = 0;
2486     double adjustment;
2487     double prev_bits = 0;
2488     int t0, t1;
2489     double qscale_min = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
2490     double qscale_max = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
2491     int iterations = 0;
2492     int adj_min, adj_max;
2493     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
2494
2495     fills++;
2496
2497     /* adjust overall stream size */
2498     do
2499     {
2500         iterations++;
2501         prev_bits = expected_bits;
2502
2503         if( expected_bits )
2504         {   /* not first iteration */
2505             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
2506             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
2507             t0 = 0;
2508             /* fix overflows */
2509             adj_min = 1;
2510             while(adj_min && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 1 ))
2511             {
2512                 adj_min = fix_underflow( h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max );
2513                 t0 = t1;
2514             }
2515         }
2516
2517         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
2518         t0 = 0;
2519         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
2520         adj_max = 1;
2521         while( adj_max && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 0 ) )
2522             adj_max = fix_underflow( h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max );
2523
2524         expected_bits = count_expected_bits( h );
2525     } while( (expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int64_t)(expected_bits+.5) > (int64_t)(prev_bits+.5)) );
2526
2527     if( !adj_max )
2528         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
2529
2530     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
2531     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2532         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
2533
2534     x264_free( fills-1 );
2535     return 0;
2536 fail:
2537     return -1;
2538 }
2539
2540 static int init_pass2( x264_t *h )
2541 {
2542     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2543     uint64_t all_const_bits = 0;
2544     double duration = 0;
2545     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2546         duration += rcc->entry[i].i_duration;
2547     duration *= (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
2548     uint64_t all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * duration;
2549     double rate_factor, step_mult;
2550     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
2551     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
2552     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
2553     double expected_bits;
2554     double *qscale, *blurred_qscale;
2555     double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
2556
2557     /* find total/average complexity & const_bits */
2558     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2559     {
2560         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2561         all_const_bits += rce->misc_bits;
2562     }
2563
2564     if( all_available_bits < all_const_bits)
2565     {
2566         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
2567                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)) );
2568         return -1;
2569     }
2570
2571     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
2572      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
2573      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
2574      * bits than intended. */
2575     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2576     {
2577         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2578         double weight_sum = 0;
2579         double cplx_sum = 0;
2580         double weight = 1.0;
2581         double gaussian_weight;
2582         /* weighted average of cplx of future frames */
2583         for( int j = 1; j < cplxblur*2 && j < rcc->num_entries-i; j++ )
2584         {
2585             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
2586             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2587             if( weight < .0001 )
2588                 break;
2589             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2590             weight_sum += gaussian_weight;
2591             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2592         }
2593         /* weighted average of cplx of past frames */
2594         weight = 1.0;
2595         for( int j = 0; j <= cplxblur*2 && j <= i; j++ )
2596         {
2597             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2598             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2599             weight_sum += gaussian_weight;
2600             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits);
2601             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2602             if( weight < .0001 )
2603                 break;
2604         }
2605         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2606     }
2607
2608     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2609     if( filter_size > 1 )
2610         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2611     else
2612         blurred_qscale = qscale;
2613
2614     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2615      * each frame, adds up to the desired total size.
2616      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2617      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2618      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2619      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2620
2621     expected_bits = 1;
2622     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2623     {
2624         double q = get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i);
2625         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], q);
2626         rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = q;
2627     }
2628     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2629
2630     rate_factor = 0;
2631     for( double step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2632     {
2633         expected_bits = 0;
2634         rate_factor += step;
2635
2636         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2637         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2638         rcc->accum_p_norm = 0;
2639
2640         rcc->last_qscale_for[0] =
2641         rcc->last_qscale_for[1] =
2642         rcc->last_qscale_for[2] = pow( base_cplx, 1 - rcc->qcompress ) / rate_factor;
2643
2644         /* find qscale */
2645         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2646         {
2647             qscale[i] = get_qscale( h, &rcc->entry[i], rate_factor, i );
2648             rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = qscale[i];
2649         }
2650
2651         /* fixed I/B qscale relative to P */
2652         for( int i = rcc->num_entries-1; i >= 0; i-- )
2653         {
2654             qscale[i] = get_diff_limited_q( h, &rcc->entry[i], qscale[i] );
2655             assert(qscale[i] >= 0);
2656         }
2657
2658         /* smooth curve */
2659         if( filter_size > 1 )
2660         {
2661             assert( filter_size%2 == 1 );
2662             for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2663             {
2664                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2665                 double q = 0.0, sum = 0.0;
2666
2667                 for( int j = 0; j < filter_size; j++ )
2668                 {
2669                     int idx = i+j-filter_size/2;
2670                     double d = idx-i;
2671                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp( -d*d/(qblur*qblur) );
2672                     if( idx < 0 || idx >= rcc->num_entries )
2673                         continue;
2674                     if( rce->pict_type != rcc->entry[idx].pict_type )
2675                         continue;
2676                     q += qscale[idx] * coeff;
2677                     sum += coeff;
2678                 }
2679                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2680             }
2681         }
2682
2683         /* find expected bits */
2684         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2685         {
2686             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2687             rce->new_qscale = clip_qscale( h, rce->pict_type, blurred_qscale[i] );
2688             assert(rce->new_qscale >= 0);
2689             expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2690         }
2691
2692         if( expected_bits > all_available_bits )
2693             rate_factor -= step;
2694     }
2695
2696     x264_free( qscale );
2697     if( filter_size > 1 )
2698         x264_free( blurred_qscale );
2699
2700     if( rcc->b_vbv )
2701         if( vbv_pass2( h, all_available_bits ) )
2702             return -1;
2703     expected_bits = count_expected_bits( h );
2704
2705     if( fabs( expected_bits/all_available_bits - 1.0 ) > 0.01 )
2706     {
2707         double avgq = 0;
2708         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2709             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2710         avgq = qscale2qp( avgq / rcc->num_entries );
2711
2712         if( expected_bits > all_available_bits || !rcc->b_vbv )
2713             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n" );
2714         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2715                   (float)h->param.rc.i_bitrate,
2716                   expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2717                   avgq );
2718         if( expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2 )
2719         {
2720             if( h->param.rc.i_qp_min > 0 )
2721                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min );
2722             else
2723                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n" );
2724         }
2725         else if( expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2 )
2726         {
2727             if( h->param.rc.i_qp_max < QP_MAX )
2728                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max );
2729             else
2730                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2731         }
2732         else if( !(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv) )
2733             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n" );
2734     }
2735
2736     return 0;
2737 fail:
2738     return -1;
2739 }