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

   1 /*****************************************************************************
   2  * ratecontrol.c: ratecontrol
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2011 x264 project
   5  *
   6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
   7  *          Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   8  *          Gabriel Bouvigne <gabriel.bouvigne@joost.com>
   9  *          Fiona Glaser <fiona@x264.com>
  10  *          Måns Rullgård <mru@mru.ath.cx>
  11  *
  12  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with this program; if not, write to the Free Software
  24  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
  25  *
  26  * This program is also available under a commercial proprietary license.
  27  * For more information, contact us at licensing@x264.com.
  28  *****************************************************************************/
  29
  30 #define _ISOC99_SOURCE
  31 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  32
  33 #include "common/common.h"
  34 #include "ratecontrol.h"
  35 #include "me.h"
  36
  37 typedef struct
  38 {
  39     int pict_type;
  40     int frame_type;
  41     int kept_as_ref;
  42     double qscale;
  43     int mv_bits;
  44     int tex_bits;
  45     int misc_bits;
  46     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  47     double expected_vbv;
  48     double new_qscale;
  49     int new_qp;
  50     int i_count;
  51     int p_count;
  52     int s_count;
  53     float blurred_complexity;
  54     char direct_mode;
  55     int16_t weight[3][2];
  56     int16_t i_weight_denom[2];
  57     int refcount[16];
  58     int refs;
  59     int64_t i_duration;
  60     int64_t i_cpb_duration;
  61 } ratecontrol_entry_t;
  62
  63 typedef struct
  64 {
  65     float coeff;
  66     float count;
  67     float decay;
  68     float offset;
  69 } predictor_t;
  70
  71 struct x264_ratecontrol_t
  72 {
  73     /* constants */
  74     int b_abr;
  75     int b_2pass;
  76     int b_vbv;
  77     int b_vbv_min_rate;
  78     double fps;
  79     double bitrate;
  80     double rate_tolerance;
  81     double qcompress;
  82     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  83     int qp_constant[3];
  84
  85     /* current frame */
  86     ratecontrol_entry_t *rce;
  87     int qp;                     /* qp for current frame */
  88     float qpm;                  /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  89     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  90     int   qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  91     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  92
  93     /* VBV stuff */
  94     double buffer_size;
  95     int64_t buffer_fill_final;
  96     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  97     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  98     double vbv_max_rate;        /* # of bits added to buffer_fill per second */
  99     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
 100     int single_frame_vbv;
 101     double rate_factor_max_increment; /* Don't allow RF above (CRF + this value). */
 102
 103     /* ABR stuff */
 104     int    last_satd;
 105     double last_rceq;
 106     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
 107     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 108     int64_t filler_bits_sum;    /* sum in bits of finished frames' filler data */
 109     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 110     double cbr_decay;
 111     double short_term_cplxsum;
 112     double short_term_cplxcount;
 113     double rate_factor_constant;
 114     double ip_offset;
 115     double pb_offset;
 116
 117     /* 2pass stuff */
 118     FILE *p_stat_file_out;
 119     char *psz_stat_file_tmpname;
 120     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 121     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 122     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 123     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 124
 125     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 126     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 127     double last_qscale;
 128     double last_qscale_for[3];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff */
 129     int last_non_b_pict_type;
 130     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 131     double accum_p_norm;
 132     double last_accum_p_norm;
 133     double lmin[3];             /* min qscale by frame type */
 134     double lmax[3];
 135     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 136     uint16_t *qp_buffer[2];     /* Global buffers for converting MB-tree quantizer data. */
 137     int qpbuf_pos;              /* In order to handle pyramid reordering, QP buffer acts as a stack.
 138                                  * This value is the current position (0 or 1). */
 139
 140     /* MBRC stuff */
 141     float frame_size_estimated; /* Access to this variable must be atomic: double is
 142                                  * not atomic on all arches we care about */
 143     double frame_size_maximum;  /* Maximum frame size due to MinCR */
 144     double frame_size_planned;
 145     double slice_size_planned;
 146     predictor_t (*row_pred)[2];
 147     predictor_t row_preds[3][2];
 148     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 149     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 150     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 151
 152     int i_zones;
 153     x264_zone_t *zones;
 154     x264_zone_t *prev_zone;
 155
 156     /* hrd stuff */
 157     int initial_cpb_removal_delay;
 158     int initial_cpb_removal_delay_offset;
 159     double nrt_first_access_unit; /* nominal removal time */
 160     double previous_cpb_final_arrival_time;
 161     uint64_t hrd_multiply_denom;
 162 };
 163
 164
 165 static int parse_zones( x264_t *h );
 166 static int init_pass2(x264_t *);
 167 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 168 static int update_vbv( x264_t *h, int bits );
 169 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead );
 170 static float predict_size( predictor_t *p, float q, float var );
 171 static void update_predictor( predictor_t *p, float q, float var, float bits );
 172
 173 #define CMP_OPT_FIRST_PASS( opt, param_val )\
 174 {\
 175     if( ( p = strstr( opts, opt "=" ) ) && sscanf( p, opt "=%d" , &i ) && param_val != i )\
 176     {\
 177         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different " opt " setting than first pass (%d vs %d)\n", param_val, i );\
 178         return -1;\
 179     }\
 180 }
 181
 182 /* Terminology:
 183  * qp = h.264's quantizer
 184  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 185  */
 186 static inline float qp2qscale( float qp )
 187 {
 188     return 0.85f * powf( 2.0f, ( qp - 12.0f ) / 6.0f );
 189 }
 190 static inline float qscale2qp( float qscale )
 191 {
 192     return 12.0f + 6.0f * log2f( qscale/0.85f );
 193 }
 194
 195 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 196  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 197  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 198  * for motion estimation is constant there. */
 199 static inline double qscale2bits( ratecontrol_entry_t *rce, double qscale )
 200 {
 201     if( qscale<0.1 )
 202         qscale = 0.1;
 203     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 204            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 205            + rce->misc_bits;
 206 }
 207
 208 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_var( uint64_t sum_ssd, int shift, x264_frame_t *frame, int i, int b_store )
 209 {
 210     uint32_t sum = sum_ssd;
 211     uint32_t ssd = sum_ssd >> 32;
 212     if( b_store )
 213     {
 214         frame->i_pixel_sum[i] += sum;
 215         frame->i_pixel_ssd[i] += ssd;
 216     }
 217     return ssd - ((uint64_t)sum * sum >> shift);
 218 }
 219
 220 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_plane( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame, int i, int field, int b_store )
 221 {
 222     int w = i ? 8 : 16;
 223     int stride = frame->i_stride[i];
 224     int offset = field
 225         ? 16 * mb_x + w * (mb_y&~1) * stride + (mb_y&1) * stride
 226         : 16 * mb_x + w * mb_y * stride;
 227     stride <<= field;
 228     if( i )
 229     {
 230         ALIGNED_ARRAY_16( pixel, pix,[FENC_STRIDE*8] );
 231         h->mc.load_deinterleave_8x8x2_fenc( pix, frame->plane[1] + offset, stride );
 232         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix, FENC_STRIDE ), 6, frame, 1, b_store )
 233              + ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_8x8]( pix+FENC_STRIDE/2, FENC_STRIDE ), 6, frame, 2, b_store );
 234     }
 235     else
 236         return ac_energy_var( h->pixf.var[PIXEL_16x16]( frame->plane[0] + offset, stride ), 8, frame, 0, b_store );
 237 }
 238
 239 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 240 static NOINLINE uint32_t x264_ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 241 {
 242     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 243      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 244      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 245      * sure no reordering goes on. */
 246     uint32_t var;
 247     if( h->mb.b_adaptive_mbaff )
 248     {
 249         /* We don't know the super-MB mode we're going to pick yet, so
 250          * simply try both and pick the lower of the two. */
 251         uint32_t var_interlaced, var_progressive;
 252         var_interlaced   = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0, 1, 1 );
 253         var_interlaced  += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 1, 1 );
 254         var_progressive  = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0, 0, 0 );
 255         var_progressive += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, 0, 0 );
 256         var = X264_MIN( var_interlaced, var_progressive );
 257     }
 258     else
 259     {
 260         var  = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0, PARAM_INTERLACED, 1 );
 261         var += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1, PARAM_INTERLACED, 1 );
 262     }
 263     x264_emms();
 264     return var;
 265 }
 266
 267 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 268 {
 269     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 270      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 271     float strength;
 272     float avg_adj = 0.f;
 273     /* Initialize frame stats */
 274     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 275     {
 276         frame->i_pixel_sum[i] = 0;
 277         frame->i_pixel_ssd[i] = 0;
 278     }
 279
 280     /* Degenerate cases */
 281     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_NONE || h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 282     {
 283         /* Need to init it anyways for MB tree */
 284         if( h->param.rc.i_aq_mode && h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 285         {
 286             if( quant_offsets )
 287             {
 288                 for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 289                     frame->f_qp_offset[mb_xy] = frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = quant_offsets[mb_xy];
 290                 if( h->frames.b_have_lowres )
 291                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 292                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8( frame->f_qp_offset[mb_xy] );
 293             }
 294             else
 295             {
 296                 memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 297                 memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 298                 if( h->frames.b_have_lowres )
 299                     for( int mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 300                         frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 301             }
 302         }
 303         /* Need variance data for weighted prediction */
 304         if( h->param.analyse.i_weighted_pred )
 305         {
 306             for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 307                 for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 308                     x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 309         }
 310         else
 311             return;
 312     }
 313     /* Actual adaptive quantization */
 314     else
 315     {
 316         if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 317         {
 318             float bit_depth_correction = powf(1 << (BIT_DEPTH-8), 0.5f);
 319             float avg_adj_pow2 = 0.f;
 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                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 324                     float qp_adj = powf( energy + 1, 0.125f );
 325                     frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 326                     avg_adj += qp_adj;
 327                     avg_adj_pow2 += qp_adj * qp_adj;
 328                 }
 329             avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 330             avg_adj_pow2 /= h->mb.i_mb_count;
 331             strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj / bit_depth_correction;
 332             avg_adj = avg_adj - 0.5f * (avg_adj_pow2 - (14.f * bit_depth_correction)) / avg_adj;
 333         }
 334         else
 335             strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 336
 337         for( int mb_y = 0; mb_y < h->mb.i_mb_height; mb_y++ )
 338             for( int mb_x = 0; mb_x < h->mb.i_mb_width; mb_x++ )
 339             {
 340                 float qp_adj;
 341                 int mb_xy = mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride;
 342                 if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 343                 {
 344                     qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_xy];
 345                     qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 346                 }
 347                 else
 348                 {
 349                     uint32_t energy = x264_ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 350                     qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - (14.427f + 2*(BIT_DEPTH-8)));
 351                 }
 352                 if( quant_offsets )
 353                     qp_adj += quant_offsets[mb_xy];
 354                 frame->f_qp_offset[mb_xy] =
 355                 frame->f_qp_offset_aq[mb_xy] = qp_adj;
 356                 if( h->frames.b_have_lowres )
 357                     frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 358             }
 359     }
 360
 361     /* Remove mean from SSD calculation */
 362     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 363     {
 364         uint64_t ssd = frame->i_pixel_ssd[i];
 365         uint64_t sum = frame->i_pixel_sum[i];
 366         int width = h->mb.i_mb_width*16>>!!i;
 367         int height = h->mb.i_mb_height*16>>!!i;
 368         frame->i_pixel_ssd[i] = ssd - (sum * sum + width * height / 2) / (width * height);
 369     }
 370 }
 371
 372 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame, float *quant_offsets )
 373 {
 374     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 375     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 376
 377     if( rc->entry[frame->i_frame].kept_as_ref )
 378     {
 379         uint8_t i_type;
 380         if( rc->qpbuf_pos < 0 )
 381         {
 382             do
 383             {
 384                 rc->qpbuf_pos++;
 385
 386                 if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 387                     goto fail;
 388                 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 )
 389                     goto fail;
 390
 391                 if( i_type != i_type_actual && rc->qpbuf_pos == 1 )
 392                 {
 393                     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type, i_type_actual);
 394                     return -1;
 395                 }
 396             } while( i_type != i_type_actual );
 397         }
 398
 399         for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 400         {
 401             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos][i] )) * (1/256.0);
 402             if( h->frames.b_have_lowres )
 403                 frame->i_inv_qscale_factor[i] = x264_exp2fix8(frame->f_qp_offset[i]);
 404         }
 405         rc->qpbuf_pos--;
 406     }
 407     else
 408         x264_stack_align( x264_adaptive_quant_frame, h, frame, quant_offsets );
 409     return 0;
 410 fail:
 411     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n");
 412     return -1;
 413 }
 414
 415 int x264_reference_build_list_optimal( x264_t *h )
 416 {
 417     ratecontrol_entry_t *rce = h->rc->rce;
 418     x264_frame_t *frames[16];
 419     x264_weight_t weights[16][3];
 420     int refcount[16];
 421
 422     if( rce->refs != h->i_ref[0] )
 423         return -1;
 424
 425     memcpy( frames, h->fref[0], sizeof(frames) );
 426     memcpy( refcount, rce->refcount, sizeof(refcount) );
 427     memcpy( weights, h->fenc->weight, sizeof(weights) );
 428     memset( &h->fenc->weight[1][0], 0, sizeof(x264_weight_t[15][3]) );
 429
 430     /* For now don't reorder ref 0; it seems to lower quality
 431        in most cases due to skips. */
 432     for( int ref = 1; ref < h->i_ref[0]; ref++ )
 433     {
 434         int max = -1;
 435         int bestref = 1;
 436
 437         for( int i = 1; i < h->i_ref[0]; i++ )
 438             /* Favor lower POC as a tiebreaker. */
 439             COPY2_IF_GT( max, refcount[i], bestref, i );
 440
 441         /* FIXME: If there are duplicates from frames other than ref0 then it is possible
 442          * that the optimal ordering doesnt place every duplicate. */
 443
 444         refcount[bestref] = -1;
 445         h->fref[0][ref] = frames[bestref];
 446         memcpy( h->fenc->weight[ref], weights[bestref], sizeof(weights[bestref]) );
 447     }
 448
 449     return 0;
 450 }
 451
 452 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 453 {
 454     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 455     if( !output )
 456         return NULL;
 457     strcpy( output, input );
 458     strcat( output, suffix );
 459     return output;
 460 }
 461
 462 void x264_ratecontrol_init_reconfigurable( x264_t *h, int b_init )
 463 {
 464     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 465     if( !b_init && rc->b_2pass )
 466         return;
 467
 468     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 469     {
 470         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 471          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 472         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 473         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 474         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 475                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset + QP_BD_OFFSET );
 476     }
 477
 478     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 && h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 479     {
 480         /* We don't support changing the ABR bitrate right now,
 481            so if the stream starts as CBR, keep it CBR. */
 482         if( rc->b_vbv_min_rate )
 483             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 484
 485         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < (int)(h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps) )
 486         {
 487             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 488             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size cannot be smaller than one frame, using %d kbit\n",
 489                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 490         }
 491
 492         int vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000;
 493         int vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000;
 494
 495         /* Init HRD */
 496         if( h->param.i_nal_hrd && b_init )
 497         {
 498             h->sps->vui.hrd.i_cpb_cnt = 1;
 499             h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd = h->param.i_nal_hrd == X264_NAL_HRD_CBR;
 500             h->sps->vui.hrd.i_time_offset_length = 0;
 501
 502             #define BR_SHIFT  6
 503             #define CPB_SHIFT 4
 504
 505             int bitrate = 1000*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate;
 506             int bufsize = 1000*h->param.rc.i_vbv_buffer_size;
 507
 508             // normalize HRD size and rate to the value / scale notation
 509             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale = x264_clip3( x264_ctz( bitrate ) - BR_SHIFT, 0, 15 );
 510             h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_value = bitrate >> ( h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_scale + BR_SHIFT );
 511             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 );
 512             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale = x264_clip3( x264_ctz( bufsize ) - CPB_SHIFT, 0, 15 );
 513             h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_value = bufsize >> ( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_scale + CPB_SHIFT );
 514             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 );
 515
 516             #undef CPB_SHIFT
 517             #undef BR_SHIFT
 518
 519             // arbitrary
 520             #define MAX_DURATION 0.5
 521
 522             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 );
 523             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;
 524             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);
 525
 526             h->sps->vui.hrd.i_initial_cpb_removal_delay_length = 2 + x264_clip3( 32 - x264_clz( max_delay ), 4, 22 );
 527             h->sps->vui.hrd.i_cpb_removal_delay_length = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_cpb_output_delay ), 4, 31 );
 528             h->sps->vui.hrd.i_dpb_output_delay_length  = x264_clip3( 32 - x264_clz( max_dpb_output_delay ), 4, 31 );
 529
 530             #undef MAX_DURATION
 531
 532             vbv_buffer_size = h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled;
 533             vbv_max_bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
 534         }
 535         else if( h->param.i_nal_hrd && !b_init )
 536         {
 537             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV parameters cannot be changed when NAL HRD is in use\n" );
 538             return;
 539         }
 540         h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled = vbv_max_bitrate;
 541         h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled = vbv_buffer_size;
 542
 543         if( rc->b_vbv_min_rate )
 544             rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 545         rc->buffer_rate = vbv_max_bitrate / rc->fps;
 546         rc->vbv_max_rate = vbv_max_bitrate;
 547         rc->buffer_size = vbv_buffer_size;
 548         rc->single_frame_vbv = rc->buffer_rate * 1.1 > rc->buffer_size;
 549         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 550                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 551         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.f_rf_constant_max )
 552         {
 553             rc->rate_factor_max_increment = h->param.rc.f_rf_constant_max - h->param.rc.f_rf_constant;
 554             if( rc->rate_factor_max_increment <= 0 )
 555             {
 556                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CRF max must be greater than CRF\n" );
 557                 rc->rate_factor_max_increment = 0;
 558             }
 559         }
 560         if( b_init )
 561         {
 562             if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 563                 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 );
 564             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);
 565             rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init * h->sps->vui.i_time_scale;
 566             rc->b_vbv = 1;
 567             rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 568                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 569                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 570         }
 571     }
 572 }
 573
 574 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 575 {
 576     x264_ratecontrol_t *rc;
 577
 578     x264_emms();
 579
 580     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 581     rc = h->rc;
 582
 583     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 584     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 585
 586     /* FIXME: use integers */
 587     if( h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0 )
 588         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 589     else
 590         rc->fps = 25.0;
 591
 592     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 593     {
 594         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 595         rc->qcompress = 1;
 596     }
 597     else
 598         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 599
 600     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 601     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 602     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 603     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 604     rc->cbr_decay = 1.0;
 605
 606     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 607     {
 608         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 609         return -1;
 610     }
 611
 612     x264_ratecontrol_init_reconfigurable( h, 1 );
 613
 614     if( h->param.i_nal_hrd )
 615     {
 616         uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
 617         uint64_t num = 180000;
 618         x264_reduce_fraction64( &num, &denom );
 619         rc->hrd_multiply_denom = 180000 / num;
 620
 621         double bits_required = log2( 180000 / rc->hrd_multiply_denom )
 622                              + log2( h->sps->vui.i_time_scale )
 623                              + log2( h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled );
 624         if( bits_required >= 63 )
 625         {
 626             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "HRD with very large timescale and bufsize not supported\n" );
 627             return -1;
 628         }
 629     }
 630
 631     if( rc->rate_tolerance < 0.01 )
 632     {
 633         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 634         rc->rate_tolerance = 0.01;
 635     }
 636
 637     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 638
 639     if( rc->b_abr )
 640     {
 641         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 642 #define ABR_INIT_QP (( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 ) + QP_BD_OFFSET)
 643         rc->accum_p_norm = .01;
 644         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 645         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 646         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 647         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 648         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 649     }
 650
 651     rc->ip_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_ip_factor );
 652     rc->pb_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_pb_factor );
 653     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 654     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 655     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
 656     h->mb.ip_offset = rc->ip_offset + 0.5;
 657
 658     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 659     rc->last_qscale = qp2qscale( 26 );
 660     int num_preds = h->param.b_sliced_threads * h->param.i_threads + 1;
 661     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5 * sizeof(predictor_t) * num_preds );
 662     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 663     for( int i = 0; i < 3; i++ )
 664     {
 665         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 666         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 667         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 668         for( int j = 0; j < num_preds; j++ )
 669         {
 670             rc->pred[i+j*5].coeff= 2.0;
 671             rc->pred[i+j*5].count= 1.0;
 672             rc->pred[i+j*5].decay= 0.5;
 673             rc->pred[i+j*5].offset= 0.0;
 674         }
 675         for( int j = 0; j < 2; j++ )
 676         {
 677             rc->row_preds[i][j].coeff= .25;
 678             rc->row_preds[i][j].count= 1.0;
 679             rc->row_preds[i][j].decay= 0.5;
 680             rc->row_preds[i][j].offset= 0.0;
 681         }
 682     }
 683     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 684
 685     if( parse_zones( h ) < 0 )
 686     {
 687         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 688         return -1;
 689     }
 690
 691     /* Load stat file and init 2pass algo */
 692     if( h->param.rc.b_stat_read )
 693     {
 694         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 695
 696         /* read 1st pass stats */
 697         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 698         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 699         if( !stats_buf )
 700         {
 701             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 702             return -1;
 703         }
 704         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 705         {
 706             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 707             if( !mbtree_stats_in )
 708                 return -1;
 709             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 710             x264_free( mbtree_stats_in );
 711             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 712             {
 713                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 714                 return -1;
 715             }
 716         }
 717
 718         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 719         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 720         {
 721             int i, j;
 722             uint32_t k, l;
 723             char *opts = stats_buf;
 724             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 725             if( !stats_in )
 726                 return -1;
 727             *stats_in = '\0';
 728             stats_in++;
 729             if( sscanf( opts, "#options: %dx%d", &i, &j ) != 2 )
 730             {
 731                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "resolution specified in stats file not valid\n" );
 732                 return -1;
 733             }
 734             else if( h->param.rc.b_mb_tree && (i != h->param.i_width || j != h->param.i_height)  )
 735             {
 736                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree doesn't support different resolution than 1st pass (%dx%d vs %dx%d)\n",
 737                           h->param.i_width, h->param.i_height, i, j );
 738                 return -1;
 739             }
 740
 741             if( ( p = strstr( opts, "timebase=" ) ) && sscanf( p, "timebase=%u/%u", &k, &l ) != 2 )
 742             {
 743                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase specified in stats file not valid\n" );
 744                 return -1;
 745             }
 746             if( k != h->param.i_timebase_num || l != h->param.i_timebase_den )
 747             {
 748                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "timebase mismatch with 1st pass (%u/%u vs %u/%u)\n",
 749                           h->param.i_timebase_num, h->param.i_timebase_den, k, l );
 750                 return -1;
 751             }
 752
 753             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bitdepth", BIT_DEPTH );
 754             CMP_OPT_FIRST_PASS( "weightp", X264_MAX( 0, h->param.analyse.i_weighted_pred ) );
 755             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bframes", h->param.i_bframe );
 756             CMP_OPT_FIRST_PASS( "b_pyramid", h->param.i_bframe_pyramid );
 757             CMP_OPT_FIRST_PASS( "intra_refresh", h->param.b_intra_refresh );
 758             CMP_OPT_FIRST_PASS( "open_gop", h->param.b_open_gop );
 759             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bluray_compat", h->param.b_bluray_compat );
 760
 761             if( (p = strstr( opts, "keyint=" )) )
 762             {
 763                 p += 7;
 764                 char buf[13] = "infinite ";
 765                 if( h->param.i_keyint_max != X264_KEYINT_MAX_INFINITE )
 766                     sprintf( buf, "%d ", h->param.i_keyint_max );
 767                 if( strncmp( p, buf, strlen(buf) ) )
 768                 {
 769                     x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different keyint setting than first pass (%.*s vs %.*s)\n",
 770                               strlen(buf)-1, buf, strcspn(p, " "), p );
 771                     return -1;
 772                 }
 773             }
 774
 775             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 776                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 777
 778             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 779             {
 780                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 781                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 782             }
 783
 784             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 785                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 786             else if( h->param.i_bframe )
 787             {
 788                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 789                 return -1;
 790             }
 791
 792             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 ) )
 793                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 794         }
 795
 796         /* find number of pics */
 797         p = stats_in;
 798         int num_entries;
 799         for( num_entries = -1; p; num_entries++ )
 800             p = strchr( p + 1, ';' );
 801         if( !num_entries )
 802         {
 803             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 804             return -1;
 805         }
 806         rc->num_entries = num_entries;
 807
 808         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 809         {
 810             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 811                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 812         }
 813         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 814         {
 815             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 816                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 817             return -1;
 818         }
 819
 820         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 821
 822         /* init all to skipped p frames */
 823         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 824         {
 825             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 826             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 827             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale( 20 );
 828             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 829             rce->new_qp = 0;
 830         }
 831
 832         /* read stats */
 833         p = stats_in;
 834         for( int i = 0; i < rc->num_entries; i++ )
 835         {
 836             ratecontrol_entry_t *rce;
 837             int frame_number;
 838             char pict_type;
 839             int e;
 840             char *next;
 841             float qp;
 842             int ref;
 843
 844             next= strchr(p, ';');
 845             if( next )
 846                 *next++ = 0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 847             e = sscanf( p, " in:%d ", &frame_number );
 848
 849             if( frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries )
 850             {
 851                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i );
 852                 return -1;
 853             }
 854             rce = &rc->entry[frame_number];
 855             rce->direct_mode = 0;
 856
 857             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",
 858                    &pict_type, &rce->i_duration, &rce->i_cpb_duration, &qp, &rce->tex_bits,
 859                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 860                    &rce->s_count, &rce->direct_mode );
 861
 862             p = strstr( p, "ref:" );
 863             if( !p )
 864                 goto parse_error;
 865             p += 4;
 866             for( ref = 0; ref < 16; ref++ )
 867             {
 868                 if( sscanf( p, " %d", &rce->refcount[ref] ) != 1 )
 869                     break;
 870                 p = strchr( p+1, ' ' );
 871                 if( !p )
 872                     goto parse_error;
 873             }
 874             rce->refs = ref;
 875
 876             /* find weights */
 877             rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 878             char *w = strchr( p, 'w' );
 879             if( w )
 880             {
 881                 int count = sscanf( w, "w:%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd,%hd",
 882                                     &rce->i_weight_denom[0], &rce->weight[0][0], &rce->weight[0][1],
 883                                     &rce->i_weight_denom[1], &rce->weight[1][0], &rce->weight[1][1],
 884                                     &rce->weight[2][0], &rce->weight[2][1] );
 885                 if( count == 3 )
 886                     rce->i_weight_denom[1] = -1;
 887                 else if ( count != 8 )
 888                     rce->i_weight_denom[0] = rce->i_weight_denom[1] = -1;
 889             }
 890
 891             if( pict_type != 'b' )
 892                 rce->kept_as_ref = 1;
 893             switch( pict_type )
 894             {
 895                 case 'I':
 896                     rce->frame_type = X264_TYPE_IDR;
 897                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 898                     break;
 899                 case 'i':
 900                     rce->frame_type = X264_TYPE_I;
 901                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 902                     break;
 903                 case 'P':
 904                     rce->frame_type = X264_TYPE_P;
 905                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_P;
 906                     break;
 907                 case 'B':
 908                     rce->frame_type = X264_TYPE_BREF;
 909                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 910                     break;
 911                 case 'b':
 912                     rce->frame_type = X264_TYPE_B;
 913                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 914                     break;
 915                 default:  e = -1; break;
 916             }
 917             if( e < 12 )
 918             {
 919 parse_error:
 920                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e );
 921                 return -1;
 922             }
 923             rce->qscale = qp2qscale( qp );
 924             p = next;
 925         }
 926
 927         x264_free( stats_buf );
 928
 929         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 930         {
 931             if( init_pass2( h ) < 0 )
 932                 return -1;
 933         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 934     }
 935
 936     /* Open output file */
 937     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 938      * and move it to the real name only when it's complete */
 939     if( h->param.rc.b_stat_write )
 940     {
 941         char *p;
 942         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 943         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 944             return -1;
 945
 946         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 947         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 948         {
 949             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 950             return -1;
 951         }
 952
 953         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 954         if( p )
 955             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 956         x264_free( p );
 957         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
 958         {
 959             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
 960             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
 961             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
 962                 return -1;
 963
 964             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
 965             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
 966             {
 967                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 968                 return -1;
 969             }
 970         }
 971     }
 972
 973     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
 974     {
 975         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[0], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 976         if( h->param.i_bframe_pyramid && h->param.rc.b_stat_read )
 977             CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[1], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 978         rc->qpbuf_pos = -1;
 979     }
 980
 981     for( int i = 0; i<h->param.i_threads; i++ )
 982     {
 983         h->thread[i]->rc = rc+i;
 984         if( i )
 985         {
 986             rc[i] = rc[0];
 987             h->thread[i]->param = h->param;
 988             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 989             h->thread[i]->mb.ip_offset = h->mb.ip_offset;
 990         }
 991     }
 992
 993     return 0;
 994 fail:
 995     return -1;
 996 }
 997
 998 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 999 {
1000     int len = 0;
1001     char *tok, UNUSED *saveptr=NULL;
1002     z->param = NULL;
1003     z->f_bitrate_factor = 1;
1004     if( 3 <= sscanf(p, "%d,%d,q=%d%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
1005         z->b_force_qp = 1;
1006     else if( 3 <= sscanf(p, "%d,%d,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
1007         z->b_force_qp = 0;
1008     else if( 2 <= sscanf(p, "%d,%d%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
1009         z->b_force_qp = 0;
1010     else
1011     {
1012         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
1013         return -1;
1014     }
1015     p += len;
1016     if( !*p )
1017         return 0;
1018     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
1019     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1020     z->param->param_free = x264_free;
1021     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
1022     {
1023         char *val = strchr( tok, '=' );
1024         if( val )
1025         {
1026             *val = '\0';
1027             val++;
1028         }
1029         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
1030         {
1031             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
1032             return -1;
1033         }
1034         p = NULL;
1035     }
1036     return 0;
1037 fail:
1038     return -1;
1039 }
1040
1041 static int parse_zones( x264_t *h )
1042 {
1043     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1044     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
1045     {
1046         char *psz_zones, *p;
1047         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
1048         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
1049         h->param.rc.i_zones = 1;
1050         for( p = psz_zones; *p; p++ )
1051             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
1052         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1053         p = psz_zones;
1054         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1055         {
1056             int i_tok = strcspn( p, "/" );
1057             p[i_tok] = 0;
1058             if( parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], p ) )
1059                 return -1;
1060             p += i_tok + 1;
1061         }
1062         x264_free( psz_zones );
1063     }
1064
1065     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
1066     {
1067         for( int i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
1068         {
1069             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
1070             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
1071             {
1072                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
1073                           z.i_start, z.i_end );
1074                 return -1;
1075             }
1076             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
1077             {
1078                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
1079                           z.f_bitrate_factor );
1080                 return -1;
1081             }
1082         }
1083
1084         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
1085         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
1086         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
1087
1088         // default zone to fall back to if none of the others match
1089         rc->zones[0].i_start = 0;
1090         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
1091         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
1092         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
1093         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
1094         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
1095         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1096         {
1097             if( !rc->zones[i].param )
1098                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
1099         }
1100     }
1101
1102     return 0;
1103 fail:
1104     return -1;
1105 }
1106
1107 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
1108 {
1109     for( int i = h->rc->i_zones - 1; i >= 0; i-- )
1110     {
1111         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
1112         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
1113             return z;
1114     }
1115     return NULL;
1116 }
1117
1118 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
1119 {
1120     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1121     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
1122     {
1123         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
1124         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
1125         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
1126                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
1127                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset - QP_BD_OFFSET );
1128     }
1129 }
1130
1131 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
1132 {
1133     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1134     int b_regular_file;
1135
1136     if( rc->p_stat_file_out )
1137     {
1138         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_stat_file_out );
1139         fclose( rc->p_stat_file_out );
1140         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1141             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
1142             {
1143                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1144                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
1145             }
1146         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
1147     }
1148     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
1149     {
1150         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1151         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
1152         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
1153             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
1154             {
1155                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
1156                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1157             }
1158         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
1159         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
1160     }
1161     if( rc->p_mbtree_stat_file_in )
1162         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_in );
1163     x264_free( rc->pred );
1164     x264_free( rc->pred_b_from_p );
1165     x264_free( rc->entry );
1166     x264_free( rc->qp_buffer[0] );
1167     x264_free( rc->qp_buffer[1] );
1168     if( rc->zones )
1169     {
1170         x264_free( rc->zones[0].param );
1171         for( int i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
1172             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
1173                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
1174         x264_free( rc->zones );
1175     }
1176     x264_free( rc );
1177 }
1178
1179 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
1180 {
1181     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1182     rc->accum_p_qp   *= .95;
1183     rc->accum_p_norm *= .95;
1184     rc->accum_p_norm += 1;
1185     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
1186         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
1187     else
1188         rc->accum_p_qp += qp;
1189 }
1190
1191 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
1192 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp, int overhead )
1193 {
1194     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1195     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
1196     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
1197     float q;
1198
1199     x264_emms();
1200
1201     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
1202         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
1203     rc->prev_zone = zone;
1204
1205     if( h->param.rc.b_stat_read )
1206     {
1207         int frame = h->fenc->i_frame;
1208         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
1209         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
1210
1211         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
1212             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
1213         {
1214             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
1215             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
1216         }
1217     }
1218
1219     if( rc->b_vbv )
1220     {
1221         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->mb.i_mb_height * sizeof(int) );
1222         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
1223         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;
1224         update_vbv_plan( h, overhead );
1225
1226         const x264_level_t *l = x264_levels;
1227         while( l->level_idc != 0 && l->level_idc != h->param.i_level_idc )
1228             l++;
1229
1230         int mincr = l->mincr;
1231
1232         if( h->param.b_bluray_compat )
1233             mincr = 4;
1234
1235         /* High 10 doesn't require minCR, so just set the maximum to a large value. */
1236         if( h->sps->i_profile_idc == PROFILE_HIGH10 )
1237             rc->frame_size_maximum = 1e9;
1238         else
1239         {
1240             /* The spec has a bizarre special case for the first frame. */
1241             if( h->i_frame == 0 )
1242             {
1243                 //384 * ( Max( PicSizeInMbs, fR * MaxMBPS ) + MaxMBPS * ( tr( 0 ) - tr,n( 0 ) ) ) / MinCR
1244                 double fr = 1. / 172;
1245                 int pic_size_in_mbs = h->mb.i_mb_width * h->mb.i_mb_height;
1246                 rc->frame_size_maximum = 384 * BIT_DEPTH * X264_MAX( pic_size_in_mbs, fr*l->mbps ) / mincr;
1247             }
1248             else
1249             {
1250                 //384 * MaxMBPS * ( tr( n ) - tr( n - 1 ) ) / MinCR
1251                 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;
1252             }
1253         }
1254     }
1255
1256     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1257         rc->bframes = h->fenc->i_bframes;
1258
1259     if( rc->b_abr )
1260     {
1261         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
1262     }
1263     else if( rc->b_2pass )
1264     {
1265         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
1266         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
1267     }
1268     else /* CQP */
1269     {
1270         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
1271             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
1272         else
1273             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
1274
1275         if( zone )
1276         {
1277             if( zone->b_force_qp )
1278                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
1279             else
1280                 q -= 6*log2f( zone->f_bitrate_factor );
1281         }
1282     }
1283     if( i_force_qp != X264_QP_AUTO )
1284         q = i_force_qp - 1;
1285
1286     q = x264_clip3f( q, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1287
1288     rc->qpa_rc =
1289     rc->qpa_aq = 0;
1290     rc->qp = x264_clip3( q + 0.5f, 0, QP_MAX );
1291     h->fdec->f_qp_avg_rc =
1292     h->fdec->f_qp_avg_aq =
1293     rc->qpm = q;
1294     if( rce )
1295         rce->new_qp = rc->qp;
1296
1297     accum_p_qp_update( h, rc->qpm );
1298
1299     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1300         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
1301 }
1302
1303 static float predict_row_size( x264_t *h, int y, float qscale )
1304 {
1305     /* average between two predictors:
1306      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
1307     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1308     float pred_s = predict_size( rc->row_pred[0], qscale, h->fdec->i_row_satd[y] );
1309     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I || qscale >= h->fref[0][0]->f_row_qscale[y] )
1310     {
1311         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P
1312             && h->fref[0][0]->i_type == h->fdec->i_type
1313             && h->fref[0][0]->i_row_satd[y] > 0
1314             && (abs(h->fref[0][0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
1315         {
1316             float pred_t = h->fref[0][0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref[0][0]->i_row_satd[y]
1317                          * h->fref[0][0]->f_row_qscale[y] / qscale;
1318             return (pred_s + pred_t) * 0.5f;
1319         }
1320         return pred_s;
1321     }
1322     /* Our QP is lower than the reference! */
1323     else
1324     {
1325         float pred_intra = predict_size( rc->row_pred[1], qscale, h->fdec->i_row_satds[0][0][y] );
1326         /* Sum: better to overestimate than underestimate by using only one of the two predictors. */
1327         return pred_intra + pred_s;
1328     }
1329 }
1330
1331 static int row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1332 {
1333     int bits = 0;
1334     for( int i = h->i_threadslice_start+SLICE_MBAFF; i <= y; i+=(SLICE_MBAFF+1) )
1335         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1336     return bits;
1337 }
1338
1339 static float predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, float qp )
1340 {
1341     float qscale = qp2qscale( qp );
1342     float bits = row_bits_so_far( h, y );
1343     for( int i = y+1+SLICE_MBAFF; i < h->i_threadslice_end; i+=(1+SLICE_MBAFF) )
1344         bits += predict_row_size( h, i, qscale );
1345     return bits;
1346 }
1347
1348 /* TODO:
1349  *  eliminate all use of qp in row ratecontrol: make it entirely qscale-based.
1350  *  make this function stop being needlessly O(N^2)
1351  *  update more often than once per row? */
1352 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1353 {
1354     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1355     const int y = h->mb.i_mb_y;
1356
1357     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1358     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1359     if( SLICE_MBAFF )
1360         rc->qpa_aq += h->mb.i_last_qp;
1361
1362     if( h->mb.i_mb_x != h->mb.i_mb_width - 1 )
1363         return;
1364
1365     x264_emms();
1366     rc->qpa_rc += rc->qpm * (h->mb.i_mb_width << SLICE_MBAFF);
1367
1368     if( !rc->b_vbv )
1369         return;
1370
1371     float qscale = qp2qscale( rc->qpm );
1372     h->fdec->f_row_qp[y] = rc->qpm;
1373     h->fdec->f_row_qscale[y] = qscale;
1374
1375     update_predictor( rc->row_pred[0], qscale, h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1376     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && rc->qpm < h->fref[0][0]->f_row_qp[y] )
1377         update_predictor( rc->row_pred[1], qscale, h->fdec->i_row_satds[0][0][y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1378
1379     /* tweak quality based on difference from predicted size */
1380     if( y < h->i_threadslice_end-1 )
1381     {
1382         float prev_row_qp = h->fdec->f_row_qp[y];
1383         float qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1384         float qp_absolute_max = h->param.rc.i_qp_max;
1385         if( rc->rate_factor_max_increment )
1386             qp_absolute_max = X264_MIN( qp_absolute_max, rc->qp_novbv + rc->rate_factor_max_increment );
1387         float qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, qp_absolute_max );
1388         float step_size = 0.5f;
1389
1390         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames. */
1391         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1392         {
1393             qp_min = X264_MAX( qp_min, X264_MAX( h->fref[0][0]->f_row_qp[y+1+SLICE_MBAFF], h->fref[1][0]->f_row_qp[y+1+SLICE_MBAFF] ) );
1394             rc->qpm = X264_MAX( rc->qpm, qp_min );
1395         }
1396
1397         float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1398         float slice_size_planned = h->param.b_sliced_threads ? rc->slice_size_planned : rc->frame_size_planned;
1399         float max_frame_error = X264_MAX( 0.05f, 1.0f / h->mb.i_mb_height );
1400         float size_of_other_slices = 0;
1401         if( h->param.b_sliced_threads )
1402         {
1403             float size_of_other_slices_planned = 0;
1404             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1405                 if( h != h->thread[i] )
1406                 {
1407                     size_of_other_slices += h->thread[i]->rc->frame_size_estimated;
1408                     size_of_other_slices_planned += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
1409                 }
1410             float weight = rc->slice_size_planned / rc->frame_size_planned;
1411             size_of_other_slices = (size_of_other_slices - size_of_other_slices_planned) * weight + size_of_other_slices_planned;
1412         }
1413
1414         /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits. */
1415         float rc_tol = buffer_left_planned / h->param.i_threads * rc->rate_tolerance;
1416         float b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1417
1418         /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1419         /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1420         if( row_bits_so_far( h, y ) < 0.05f * slice_size_planned )
1421             return;
1422
1423         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I )
1424             rc_tol *= 0.5f;
1425
1426         if( !rc->b_vbv_min_rate )
1427             qp_min = X264_MAX( qp_min, rc->qp_novbv );
1428
1429         while( rc->qpm < qp_max
1430                && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1431                    (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5f) ||
1432                    (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1433         {
1434             rc->qpm += step_size;
1435             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1436         }
1437
1438         while( rc->qpm > qp_min
1439                && (rc->qpm > h->fdec->f_row_qp[0] || rc->single_frame_vbv)
1440                && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8f && rc->qpm <= prev_row_qp)
1441                || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1f) )
1442         {
1443             rc->qpm -= step_size;
1444             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1445         }
1446
1447         /* avoid VBV underflow or MinCR violation */
1448         while( (rc->qpm < qp_absolute_max)
1449                && ((rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_rate * max_frame_error) ||
1450                    (rc->frame_size_maximum - b1 < rc->frame_size_maximum * max_frame_error)))
1451         {
1452             rc->qpm += step_size;
1453             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm ) + size_of_other_slices;
1454         }
1455
1456         h->rc->frame_size_estimated = b1 - size_of_other_slices;
1457     }
1458 }
1459
1460 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1461 {
1462     x264_emms();
1463     return x264_clip3( h->rc->qpm + 0.5f, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1464 }
1465
1466 int x264_ratecontrol_mb_qp( x264_t *h )
1467 {
1468     x264_emms();
1469     float qp = h->rc->qpm;
1470     if( h->param.rc.i_aq_mode )
1471     {
1472          /* MB-tree currently doesn't adjust quantizers in unreferenced frames. */
1473         float qp_offset = h->fdec->b_kept_as_ref ? h->fenc->f_qp_offset[h->mb.i_mb_xy] : h->fenc->f_qp_offset_aq[h->mb.i_mb_xy];
1474         /* Scale AQ's effect towards zero in emergency mode. */
1475         if( qp > QP_MAX_SPEC )
1476             qp_offset *= (QP_MAX - qp) / (QP_MAX - QP_MAX_SPEC);
1477         qp += qp_offset;
1478     }
1479     return x264_clip3( qp + 0.5f, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1480 }
1481
1482 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1483 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1484 {
1485     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1486     if( h->param.rc.b_stat_read )
1487     {
1488         if( frame_num >= rc->num_entries )
1489         {
1490             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1491              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1492              * So just calculate the average QP used so far. */
1493             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24 + QP_BD_OFFSET
1494                                       : 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
1495             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, QP_MAX );
1496             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 );
1497             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 );
1498
1499             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
1500             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
1501             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1502                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
1503
1504             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1505             {
1506                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1507                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1508                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1509                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1510                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1511                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1512                 h->thread[i]->param.rc.b_mb_tree = 0;
1513                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1514                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1515             }
1516             return X264_TYPE_AUTO;
1517         }
1518         return rc->entry[frame_num].frame_type;
1519     }
1520     else
1521         return X264_TYPE_AUTO;
1522 }
1523
1524 void x264_ratecontrol_set_weights( x264_t *h, x264_frame_t *frm )
1525 {
1526     ratecontrol_entry_t *rce = &h->rc->entry[frm->i_frame];
1527     if( h->param.analyse.i_weighted_pred <= 0 )
1528         return;
1529
1530     if( rce->i_weight_denom[0] >= 0 )
1531         SET_WEIGHT( frm->weight[0][0], 1, rce->weight[0][0], rce->i_weight_denom[0], rce->weight[0][1] );
1532
1533     if( rce->i_weight_denom[1] >= 0 )
1534     {
1535         SET_WEIGHT( frm->weight[0][1], 1, rce->weight[1][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[1][1] );
1536         SET_WEIGHT( frm->weight[0][2], 1, rce->weight[2][0], rce->i_weight_denom[1], rce->weight[2][1] );
1537     }
1538 }
1539
1540 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1541 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits, int *filler )
1542 {
1543     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1544     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1545
1546     x264_emms();
1547
1548     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1549     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1550     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1551     for( int i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1552         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1553
1554     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1555     h->fdec->f_qp_avg_aq = (float)rc->qpa_aq / h->mb.i_mb_count;
1556
1557     if( h->param.rc.b_stat_write )
1558     {
1559         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1560                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1561                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1562         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1563         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1564         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1565                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1566                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1567                         : '-';
1568         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1569                  "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:",
1570                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1571                  c_type, h->fenc->i_duration,
1572                  h->fenc->i_cpb_duration, rc->qpa_rc,
1573                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1574                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1575                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1576                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1577                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1578                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1579                  c_direct) < 0 )
1580             goto fail;
1581
1582         /* Only write information for reference reordering once. */
1583         int use_old_stats = h->param.rc.b_stat_read && rc->rce->refs > 1;
1584         for( int i = 0; i < (use_old_stats ? rc->rce->refs : h->i_ref[0]); i++ )
1585         {
1586             int refcount = use_old_stats         ? rc->rce->refcount[i]
1587                          : PARAM_INTERLACED      ? h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2]
1588                                                  + h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2+1]
1589                          :                         h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i];
1590             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "%d ", refcount ) < 0 )
1591                 goto fail;
1592         }
1593
1594         if( h->param.analyse.i_weighted_pred >= X264_WEIGHTP_SIMPLE && h->sh.weight[0][0].weightfn )
1595         {
1596             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "w:%d,%d,%d",
1597                          h->sh.weight[0][0].i_denom, h->sh.weight[0][0].i_scale, h->sh.weight[0][0].i_offset ) < 0 )
1598                 goto fail;
1599             if( h->sh.weight[0][1].weightfn || h->sh.weight[0][2].weightfn )
1600             {
1601                 if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ",%d,%d,%d,%d,%d ",
1602                              h->sh.weight[0][1].i_denom, h->sh.weight[0][1].i_scale, h->sh.weight[0][1].i_offset,
1603                              h->sh.weight[0][2].i_scale, h->sh.weight[0][2].i_offset ) < 0 )
1604                     goto fail;
1605             }
1606             else if( fprintf( rc->p_stat_file_out, " " ) < 0 )
1607                 goto fail;
1608         }
1609
1610         if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ";\n") < 0 )
1611             goto fail;
1612
1613         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1614         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1615         {
1616             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1617             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1618             for( int i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1619                 rc->qp_buffer[0][i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1620             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1621                 goto fail;
1622             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 )
1623                 goto fail;
1624         }
1625     }
1626
1627     if( rc->b_abr )
1628     {
1629         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1630             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / rc->last_rceq;
1631         else
1632         {
1633             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1634              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1635             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale( rc->qpa_rc ) / (rc->last_rceq * fabs( h->param.rc.f_pb_factor ));
1636         }
1637         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1638         rc->wanted_bits_window += h->fenc->f_duration * rc->bitrate;
1639         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1640     }
1641
1642     if( rc->b_2pass )
1643         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale( rc->rce->new_qp ) );
1644
1645     if( h->mb.b_variable_qp )
1646     {
1647         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1648         {
1649             rc->bframe_bits += bits;
1650             if( h->fenc->b_last_minigop_bframe )
1651             {
1652                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale( rc->qpa_rc ),
1653                                   h->fref[1][h->i_ref[1]-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1654                 rc->bframe_bits = 0;
1655             }
1656         }
1657     }
1658
1659     *filler = update_vbv( h, bits );
1660     rc->filler_bits_sum += *filler * 8;
1661
1662     if( h->sps->vui.b_nal_hrd_parameters_present )
1663     {
1664         if( h->fenc->i_frame == 0 )
1665         {
1666             // access unit initialises the HRD
1667             h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = 0;
1668             rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1669             rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1670             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit = (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1671         }
1672         else
1673         {
1674             h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time = rc->nrt_first_access_unit + (double)(h->fenc->i_cpb_delay - h->i_cpb_delay_pir_offset) *
1675                                                    h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1676
1677             double cpb_earliest_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time - (double)rc->initial_cpb_removal_delay / 90000;
1678             if( h->fenc->b_keyframe )
1679             {
1680                  rc->nrt_first_access_unit = h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1681                  rc->initial_cpb_removal_delay = h->initial_cpb_removal_delay;
1682                  rc->initial_cpb_removal_delay_offset = h->initial_cpb_removal_delay_offset;
1683             }
1684             else
1685                  cpb_earliest_arrival_time -= (double)rc->initial_cpb_removal_delay_offset / 90000;
1686
1687             if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd )
1688                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time;
1689             else
1690                 h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time = X264_MAX( rc->previous_cpb_final_arrival_time, cpb_earliest_arrival_time );
1691         }
1692         int filler_bits = *filler ? X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), *filler )*8 : 0;
1693         // Equation C-6
1694         h->fenc->hrd_timing.cpb_final_arrival_time = rc->previous_cpb_final_arrival_time = h->fenc->hrd_timing.cpb_initial_arrival_time +
1695                                                      (double)(bits + filler_bits) / h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1696
1697         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 +
1698                                               h->fenc->hrd_timing.cpb_removal_time;
1699     }
1700
1701     return 0;
1702 fail:
1703     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n");
1704     return -1;
1705 }
1706
1707 /****************************************************************************
1708  * 2 pass functions
1709  ***************************************************************************/
1710
1711 /**
1712  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1713  */
1714 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1715 {
1716     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1717     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1718     double q;
1719     if( h->param.rc.b_mb_tree )
1720     {
1721         double timescale = (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
1722         q = pow( BASE_FRAME_DURATION / CLIP_DURATION(rce->i_duration * timescale), 1 - h->param.rc.f_qcompress );
1723     }
1724     else
1725         q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1726
1727     // avoid NaN's in the rc_eq
1728     if( !isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0 )
1729         q = rcc->last_qscale_for[rce->pict_type];
1730     else
1731     {
1732         rcc->last_rceq = q;
1733         q /= rate_factor;
1734         rcc->last_qscale = q;
1735     }
1736
1737     if( zone )
1738     {
1739         if( zone->b_force_qp )
1740             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1741         else
1742             q /= zone->f_bitrate_factor;
1743     }
1744
1745     return q;
1746 }
1747
1748 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q, int frame_num)
1749 {
1750     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1751     const int pict_type = rce->pict_type;
1752     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1753
1754     // force I/B quants as a function of P quants
1755     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1756     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1757     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1758     {
1759         double iq = q;
1760         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1761         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1762         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1763         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1764             q = iq;
1765         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1766             q = iq / ip_factor;
1767         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1768             q = pq / ip_factor;
1769         else
1770             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1771     }
1772     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1773     {
1774         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1775             q = last_non_b_q;
1776         if( !rce->kept_as_ref )
1777             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1778     }
1779     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1780              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1781              && rce->tex_bits == 0 )
1782     {
1783         q = last_p_q;
1784     }
1785
1786     /* last qscale / qdiff stuff */
1787     if( rcc->last_non_b_pict_type == pict_type &&
1788         (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1) )
1789     {
1790         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1791         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1792         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1793
1794         if     ( q > max_qscale ) q = max_qscale;
1795         else if( q < min_qscale ) q = min_qscale;
1796     }
1797
1798     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1799     if( pict_type != SLICE_TYPE_B )
1800         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1801     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1802     {
1803         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1804         rcc->accum_p_norm = 0;
1805         rcc->accum_p_qp = 0;
1806     }
1807     if( pict_type == SLICE_TYPE_P )
1808     {
1809         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1810         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp( q ) + rcc->accum_p_qp);
1811         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1812     }
1813
1814     if( zone )
1815     {
1816         if( zone->b_force_qp )
1817             q = qp2qscale( zone->i_qp );
1818         else
1819             q /= zone->f_bitrate_factor;
1820     }
1821
1822     return q;
1823 }
1824
1825 static float predict_size( predictor_t *p, float q, float var )
1826 {
1827     return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1828 }
1829
1830 static void update_predictor( predictor_t *p, float q, float var, float bits )
1831 {
1832     float range = 1.5;
1833     if( var < 10 )
1834         return;
1835     float old_coeff = p->coeff / p->count;
1836     float new_coeff = bits*q / var;
1837     float new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1838     float new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1839     if( new_offset >= 0 )
1840         new_coeff = new_coeff_clipped;
1841     else
1842         new_offset = 0;
1843     p->count  *= p->decay;
1844     p->coeff  *= p->decay;
1845     p->offset *= p->decay;
1846     p->count  ++;
1847     p->coeff  += new_coeff;
1848     p->offset += new_offset;
1849 }
1850
1851 // update VBV after encoding a frame
1852 static int update_vbv( x264_t *h, int bits )
1853 {
1854     int filler = 0;
1855     int bitrate = h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled;
1856     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1857     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1858     uint64_t buffer_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1859
1860     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1861         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale( rcc->qpa_rc ), rcc->last_satd, bits );
1862
1863     if( !rcc->b_vbv )
1864         return filler;
1865
1866     rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1867
1868     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1869         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 );
1870     rct->buffer_fill_final = X264_MAX( rct->buffer_fill_final, 0 );
1871     rct->buffer_fill_final += (uint64_t)bitrate * h->sps->vui.i_num_units_in_tick * h->fenc->i_cpb_duration;
1872
1873     if( h->sps->vui.hrd.b_cbr_hrd && rct->buffer_fill_final > buffer_size )
1874     {
1875         int64_t scale = (int64_t)h->sps->vui.i_time_scale * 8;
1876         filler = (rct->buffer_fill_final - buffer_size + scale - 1) / scale;
1877         bits = X264_MAX( (FILLER_OVERHEAD - h->param.b_annexb), filler ) * 8;
1878         rct->buffer_fill_final -= (uint64_t)bits * h->sps->vui.i_time_scale;
1879     }
1880     else
1881         rct->buffer_fill_final = X264_MIN( rct->buffer_fill_final, buffer_size );
1882
1883     return filler;
1884 }
1885
1886 void x264_hrd_fullness( x264_t *h )
1887 {
1888     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1889     uint64_t denom = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_bit_rate_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale / rct->hrd_multiply_denom;
1890     uint64_t cpb_state = rct->buffer_fill_final;
1891     uint64_t cpb_size = (uint64_t)h->sps->vui.hrd.i_cpb_size_unscaled * h->sps->vui.i_time_scale;
1892     uint64_t multiply_factor = 180000 / rct->hrd_multiply_denom;
1893
1894     if( rct->buffer_fill_final < 0 || rct->buffer_fill_final > cpb_size )
1895     {
1896          x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "CPB %s: %.0lf bits in a %.0lf-bit buffer\n",
1897                    rct->buffer_fill_final < 0 ? "underflow" : "overflow", (float)rct->buffer_fill_final/denom, (float)cpb_size/denom );
1898     }
1899
1900     h->initial_cpb_removal_delay = (multiply_factor * cpb_state + denom) / (2*denom);
1901     h->initial_cpb_removal_delay_offset = (multiply_factor * cpb_size + denom) / (2*denom) - h->initial_cpb_removal_delay;
1902 }
1903
1904 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1905 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead )
1906 {
1907     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1908     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final / h->sps->vui.i_time_scale;
1909     if( h->i_thread_frames > 1 )
1910     {
1911         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1912         for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
1913         {
1914             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
1915             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1916             if( !t->b_thread_active )
1917                 continue;
1918             bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
1919             rcc->buffer_fill -= bits;
1920             rcc->buffer_fill = X264_MAX( rcc->buffer_fill, 0 );
1921             rcc->buffer_fill += t->rc->buffer_rate;
1922             rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1923         }
1924     }
1925     rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1926     rcc->buffer_fill -= overhead;
1927 }
1928
1929 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1930 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1931 {
1932     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1933     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1934     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1935     if( rcc->rate_factor_max_increment )
1936         lmax = X264_MIN( lmax, qp2qscale( rcc->qp_novbv + rcc->rate_factor_max_increment ) );
1937     double q0 = q;
1938
1939     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1940      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
1941
1942     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1943     {
1944         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
1945          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
1946          * by the end of the lookahead. */
1947         if( h->param.rc.i_lookahead )
1948         {
1949             int terminate = 0;
1950
1951             /* Avoid an infinite loop. */
1952             for( int iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
1953             {
1954                 double frame_q[3];
1955                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1956                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits;
1957                 double target_fill;
1958                 double total_duration = 0;
1959                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
1960                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
1961                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
1962
1963                 /* Loop over the planned future frames. */
1964                 for( int j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
1965                 {
1966                     total_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1967                     buffer_fill_cur += rcc->vbv_max_rate * h->fenc->f_planned_cpb_duration[j];
1968                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
1969                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
1970                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
1971                         break;
1972                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
1973                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
1974                     buffer_fill_cur -= cur_bits;
1975                 }
1976                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
1977                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
1978                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
1979                 {
1980                     q *= 1.01;
1981                     terminate |= 1;
1982                     continue;
1983                 }
1984                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
1985                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - total_duration * rcc->vbv_max_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
1986                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
1987                 {
1988                     q /= 1.01;
1989                     terminate |= 2;
1990                     continue;
1991                 }
1992                 break;
1993             }
1994         }
1995         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
1996         else
1997         {
1998             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1999                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
2000                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
2001             {
2002                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
2003             }
2004
2005             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
2006              * This one is mostly for I-frames. */
2007             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2008             double qf = 1.0;
2009             /* For small VBVs, allow the frame to use up the entire VBV. */
2010             double max_fill_factor = h->param.rc.i_vbv_buffer_size >= 5*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rcc->fps ? 2 : 1;
2011             /* For single-frame VBVs, request that the frame use up the entire VBV. */
2012             double min_fill_factor = rcc->single_frame_vbv ? 1 : 2;
2013
2014             if( bits > rcc->buffer_fill/max_fill_factor )
2015                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(max_fill_factor*bits), 0.2, 1.0 );
2016             q /= qf;
2017             bits *= qf;
2018             if( bits < rcc->buffer_rate/min_fill_factor )
2019                 q *= bits*min_fill_factor/rcc->buffer_rate;
2020             q = X264_MAX( q0, q );
2021         }
2022
2023         /* Apply MinCR restrictions */
2024         double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2025         if( bits > rcc->frame_size_maximum )
2026             q *= bits / rcc->frame_size_maximum;
2027         bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2028
2029         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
2030          * overflow before the next P-frame. */
2031         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && !rcc->single_frame_vbv )
2032         {
2033             int nb = rcc->bframes;
2034             double pbbits = bits;
2035             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
2036             double space;
2037             double bframe_cpb_duration = 0;
2038             double minigop_cpb_duration;
2039             for( int i = 0; i < nb; i++ )
2040                 bframe_cpb_duration += h->fenc->f_planned_cpb_duration[1+i];
2041
2042             if( bbits * nb > bframe_cpb_duration * rcc->vbv_max_rate )
2043                 nb = 0;
2044             pbbits += nb * bbits;
2045
2046             minigop_cpb_duration = bframe_cpb_duration + h->fenc->f_planned_cpb_duration[0];
2047             space = rcc->buffer_fill + minigop_cpb_duration*rcc->vbv_max_rate - rcc->buffer_size;
2048             if( pbbits < space )
2049             {
2050                 q *= X264_MAX( pbbits / space, bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
2051             }
2052             q = X264_MAX( q0/2, q );
2053         }
2054
2055         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
2056             q = X264_MAX( q0, q );
2057     }
2058
2059     if( lmin==lmax )
2060         return lmin;
2061     else if( rcc->b_2pass )
2062     {
2063         double min2 = log( lmin );
2064         double max2 = log( lmax );
2065         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
2066         q = 1.0/(1.0 + exp( -4*q ));
2067         q = q*(max2-min2) + min2;
2068         return exp( q );
2069     }
2070     else
2071         return x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2072 }
2073
2074 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
2075 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
2076 {
2077     float q;
2078     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2079     ratecontrol_entry_t UNINIT(rce);
2080     int pict_type = h->sh.i_type;
2081     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_I]
2082                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_P]
2083                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_B])
2084                        - rcc->filler_bits_sum;
2085
2086     if( rcc->b_2pass )
2087     {
2088         rce = *rcc->rce;
2089         if( pict_type != rce.pict_type )
2090         {
2091             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
2092                       slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type] );
2093         }
2094     }
2095
2096     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
2097     {
2098         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
2099          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
2100
2101         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref_nearest[0]->i_type);
2102         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref_nearest[1]->i_type);
2103         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref_nearest[0]->i_poc);
2104         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref_nearest[1]->i_poc);
2105         float q0 = h->fref_nearest[0]->f_qp_avg_rc;
2106         float q1 = h->fref_nearest[1]->f_qp_avg_rc;
2107
2108         if( h->fref_nearest[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2109             q0 -= rcc->pb_offset/2;
2110         if( h->fref_nearest[1]->i_type == X264_TYPE_BREF )
2111             q1 -= rcc->pb_offset/2;
2112
2113         if( i0 && i1 )
2114             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
2115         else if( i0 )
2116             q = q1;
2117         else if( i1 )
2118             q = q0;
2119         else
2120             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
2121
2122         if( h->fenc->b_kept_as_ref )
2123             q += rcc->pb_offset/2;
2124         else
2125             q += rcc->pb_offset;
2126
2127         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2128             rcc->frame_size_planned = qscale2bits( &rce, qp2qscale( q ) );
2129         else
2130             rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, qp2qscale( q ), h->fref[1][h->i_ref[1]-1]->i_satd );
2131         /* Limit planned size by MinCR */
2132         if( rcc->b_vbv )
2133             rcc->frame_size_planned = X264_MIN( rcc->frame_size_planned, rcc->frame_size_maximum );
2134         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2135
2136         /* For row SATDs */
2137         if( rcc->b_vbv )
2138             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2139         rcc->qp_novbv = q;
2140         return qp2qscale( q );
2141     }
2142     else
2143     {
2144         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
2145
2146         if( rcc->b_2pass )
2147         {
2148             double lmin = rcc->lmin[pict_type];
2149             double lmax = rcc->lmax[pict_type];
2150             int64_t diff;
2151             int64_t predicted_bits = total_bits;
2152
2153             if( rcc->b_vbv )
2154             {
2155                 if( h->i_thread_frames > 1 )
2156                 {
2157                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
2158                     for( int i = 1; i < h->i_thread_frames; i++ )
2159                     {
2160                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
2161                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
2162                         if( !t->b_thread_active )
2163                             continue;
2164                         bits  = X264_MAX(bits, t->rc->frame_size_estimated);
2165                         predicted_bits += (int64_t)bits;
2166                     }
2167                 }
2168             }
2169             else
2170             {
2171                 if( h->i_frame < h->i_thread_frames )
2172                     predicted_bits += (int64_t)h->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
2173                 else
2174                     predicted_bits += (int64_t)(h->i_thread_frames - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
2175             }
2176
2177             /* Adjust ABR buffer based on distance to the end of the video. */
2178             if( rcc->num_entries > h->i_frame )
2179             {
2180                 double final_bits = rcc->entry[rcc->num_entries-1].expected_bits;
2181                 double video_pos = rce.expected_bits / final_bits;
2182                 double scale_factor = sqrt( (1 - video_pos) * rcc->num_entries );
2183                 abr_buffer *= 0.5 * X264_MAX( scale_factor, 0.5 );
2184             }
2185
2186             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
2187             q = rce.new_qscale;
2188             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
2189             if( ((h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames) >= rcc->fps) &&
2190                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
2191             {
2192                 /* Adjust quant based on the difference between
2193                  * achieved and expected bitrate so far */
2194                 double cur_time = (double)h->i_frame / rcc->num_entries;
2195                 double w = x264_clip3f( cur_time*100, 0.0, 1.0 );
2196                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
2197             }
2198             if( rcc->b_vbv )
2199             {
2200                 /* Do not overflow vbv */
2201                 double expected_size = qscale2bits( &rce, q );
2202                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2203                 double expected_fullness = rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
2204                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
2205                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
2206                 qmax = X264_MAX( qmax, rce.new_qscale );
2207                 if( expected_fullness < .05 )
2208                     qmax = lmax;
2209                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
2210                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
2211                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
2212                 {
2213                     q *= 1.05;
2214                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
2215                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
2216                 }
2217                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2218             }
2219             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
2220         }
2221         else /* 1pass ABR */
2222         {
2223             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
2224              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
2225              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
2226              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
2227              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
2228              * the target.
2229              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
2230              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
2231              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
2232
2233             double wanted_bits, overflow = 1;
2234
2235             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
2236             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
2237             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
2238             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd / (CLIP_DURATION(h->fenc->f_duration) / BASE_FRAME_DURATION);
2239             rcc->short_term_cplxcount ++;
2240
2241             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
2242             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
2243             rce.mv_bits = 0;
2244             rce.p_count = rcc->nmb;
2245             rce.i_count = 0;
2246             rce.s_count = 0;
2247             rce.qscale = 1;
2248             rce.pict_type = pict_type;
2249             rce.i_duration = h->fenc->i_duration;
2250
2251             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
2252             {
2253                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
2254             }
2255             else
2256             {
2257                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
2258
2259                 /* ABR code can potentially be counterproductive in CBR, so just don't bother.
2260                  * Don't run it if the frame complexity is zero either. */
2261                 if( !rcc->b_vbv_min_rate && rcc->last_satd )
2262                 {
2263                     // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
2264                     int i_frame_done = h->i_frame + 1 - h->i_thread_frames;
2265                     double time_done = i_frame_done / rcc->fps;
2266                     if( h->param.b_vfr_input && i_frame_done > 0 )
2267                         time_done = ((double)(h->fenc->i_reordered_pts - h->i_reordered_pts_delay)) * h->param.i_timebase_num / h->param.i_timebase_den;
2268                     wanted_bits = time_done * rcc->bitrate;
2269                     if( wanted_bits > 0 )
2270                     {
2271                         abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt( time_done ) );
2272                         overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
2273                         q *= overflow;
2274                     }
2275                 }
2276             }
2277
2278             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
2279                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
2280                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
2281             {
2282                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
2283                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2284             }
2285             else if( h->i_frame > 0 )
2286             {
2287                 if( h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CRF )
2288                 {
2289                     /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
2290                      * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
2291                     double lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
2292                     double lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
2293                     if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
2294                         lmax *= rcc->lstep;
2295                     else if( overflow < 0.9 )
2296                         lmin /= rcc->lstep;
2297
2298                     q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
2299                 }
2300             }
2301             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && rcc->qcompress != 1 )
2302             {
2303                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2304             }
2305             rcc->qp_novbv = qscale2qp( q );
2306
2307             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
2308             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
2309         }
2310
2311         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
2312         rcc->last_qscale = q;
2313
2314         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
2315             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q * fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
2316
2317         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
2318             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
2319         else
2320             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
2321
2322         /* Always use up the whole VBV in this case. */
2323         if( rcc->single_frame_vbv )
2324             rcc->frame_size_planned = rcc->buffer_rate;
2325         /* Limit planned size by MinCR */
2326         if( rcc->b_vbv )
2327             rcc->frame_size_planned = X264_MIN( rcc->frame_size_planned, rcc->frame_size_maximum );
2328         h->rc->frame_size_estimated = rcc->frame_size_planned;
2329         return q;
2330     }
2331 }
2332
2333 void x264_threads_normalize_predictors( x264_t *h )
2334 {
2335     double totalsize = 0;
2336     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2337         totalsize += h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2338     double factor = h->rc->frame_size_planned / totalsize;
2339     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2340         h->thread[i]->rc->slice_size_planned *= factor;
2341 }
2342
2343 void x264_threads_distribute_ratecontrol( x264_t *h )
2344 {
2345     int row;
2346     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2347
2348     /* Initialize row predictors */
2349     if( h->i_frame == 0 )
2350         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2351         {
2352             x264_ratecontrol_t *t = h->thread[i]->rc;
2353             memcpy( t->row_preds, rc->row_preds, sizeof(rc->row_preds) );
2354         }
2355
2356     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2357     {
2358         x264_t *t = h->thread[i];
2359         memcpy( t->rc, rc, offsetof(x264_ratecontrol_t, row_pred) );
2360         t->rc->row_pred = &t->rc->row_preds[h->sh.i_type];
2361         /* Calculate the planned slice size. */
2362         if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2363         {
2364             int size = 0;
2365             for( row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2366                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2367             t->rc->slice_size_planned = predict_size( &rc->pred[h->sh.i_type + (i+1)*5], rc->qpm, size );
2368         }
2369         else
2370             t->rc->slice_size_planned = 0;
2371     }
2372     if( rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
2373     {
2374         x264_threads_normalize_predictors( h );
2375
2376         if( rc->single_frame_vbv )
2377         {
2378             /* Compensate for our max frame error threshold: give more bits (proportionally) to smaller slices. */
2379             for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2380             {
2381                 x264_t *t = h->thread[i];
2382                 float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) );
2383                 t->rc->slice_size_planned += 2 * max_frame_error * rc->frame_size_planned;
2384             }
2385             x264_threads_normalize_predictors( h );
2386         }
2387
2388         for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2389             h->thread[i]->rc->frame_size_estimated = h->thread[i]->rc->slice_size_planned;
2390     }
2391 }
2392
2393 void x264_threads_merge_ratecontrol( x264_t *h )
2394 {
2395     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
2396     x264_emms();
2397
2398     for( int i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
2399     {
2400         x264_t *t = h->thread[i];
2401         x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[i]->rc;
2402         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
2403         {
2404             int size = 0;
2405             for( int row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
2406                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
2407             int bits = t->stat.frame.i_mv_bits + t->stat.frame.i_tex_bits + t->stat.frame.i_misc_bits;
2408             int mb_count = (t->i_threadslice_end - t->i_threadslice_start) * h->mb.i_mb_width;
2409             update_predictor( &rc->pred[h->sh.i_type+(i+1)*5], qp2qscale( rct->qpa_rc/mb_count ), size, bits );
2410         }
2411         if( !i )
2412             continue;
2413         rc->qpa_rc += rct->qpa_rc;
2414         rc->qpa_aq += rct->qpa_aq;
2415     }
2416 }
2417
2418 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
2419 {
2420     if( cur != prev )
2421     {
2422 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
2423         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
2424          * so copy them from the context that most recently started (prev)
2425          * to the context that's about to start (cur). */
2426         COPY(accum_p_qp);
2427         COPY(accum_p_norm);
2428         COPY(last_satd);
2429         COPY(last_rceq);
2430         COPY(last_qscale_for);
2431         COPY(last_non_b_pict_type);
2432         COPY(short_term_cplxsum);
2433         COPY(short_term_cplxcount);
2434         COPY(bframes);
2435         COPY(prev_zone);
2436         COPY(qpbuf_pos);
2437         /* these vars can be updated by x264_ratecontrol_init_reconfigurable */
2438         COPY(bitrate);
2439         COPY(buffer_size);
2440         COPY(buffer_rate);
2441         COPY(vbv_max_rate);
2442         COPY(single_frame_vbv);
2443         COPY(cbr_decay);
2444         COPY(rate_factor_constant);
2445         COPY(rate_factor_max_increment);
2446 #undef COPY
2447     }
2448     if( cur != next )
2449     {
2450 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
2451         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
2452          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
2453          * to the context that's about to end (next) */
2454         COPY(cplxr_sum);
2455         COPY(expected_bits_sum);
2456         COPY(filler_bits_sum);
2457         COPY(wanted_bits_window);
2458         COPY(bframe_bits);
2459         COPY(initial_cpb_removal_delay);
2460         COPY(initial_cpb_removal_delay_offset);
2461         COPY(nrt_first_access_unit);
2462         COPY(previous_cpb_final_arrival_time);
2463 #undef COPY
2464     }
2465     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
2466     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
2467 }
2468
2469 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
2470 {
2471     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
2472      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
2473      * can influence the buffer fill of that end frame. */
2474     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2475     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
2476     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
2477     double fill = fills[*t0-1];
2478     double parity = over ? 1. : -1.;
2479     int start = -1, end = -1;
2480     for( int i = *t0; i < rcc->num_entries; i++ )
2481     {
2482         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 -
2483                  qscale2bits( &rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale )) * parity;
2484         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
2485         fills[i] = fill;
2486         if( fill <= buffer_min || i == 0 )
2487         {
2488             if( end >= 0 )
2489                 break;
2490             start = i;
2491         }
2492         else if( fill >= buffer_max && start >= 0 )
2493             end = i;
2494     }
2495     *t0 = start;
2496     *t1 = end;
2497     return start >= 0 && end >= 0;
2498 }
2499
2500 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
2501 {
2502     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2503     double qscale_orig, qscale_new;
2504     int adjusted = 0;
2505     if( t0 > 0 )
2506         t0++;
2507     for( int i = t0; i <= t1; i++ )
2508     {
2509         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
2510         qscale_orig = x264_clip3f( qscale_orig, qscale_min, qscale_max );
2511         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
2512         qscale_new  = x264_clip3f( qscale_new, qscale_min, qscale_max );
2513         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
2514         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
2515     }
2516     return adjusted;
2517 }
2518
2519 static double count_expected_bits( x264_t *h )
2520 {
2521     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2522     double expected_bits = 0;
2523     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2524     {
2525         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2526         rce->expected_bits = expected_bits;
2527         expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2528     }
2529     return expected_bits;
2530 }
2531
2532 static int vbv_pass2( x264_t *h, double all_available_bits )
2533 {
2534     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
2535      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
2536      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
2537      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
2538
2539     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2540     double *fills;
2541     double expected_bits = 0;
2542     double adjustment;
2543     double prev_bits = 0;
2544     int t0, t1;
2545     double qscale_min = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
2546     double qscale_max = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
2547     int iterations = 0;
2548     int adj_min, adj_max;
2549     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
2550
2551     fills++;
2552
2553     /* adjust overall stream size */
2554     do
2555     {
2556         iterations++;
2557         prev_bits = expected_bits;
2558
2559         if( expected_bits )
2560         {   /* not first iteration */
2561             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
2562             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
2563             t0 = 0;
2564             /* fix overflows */
2565             adj_min = 1;
2566             while(adj_min && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 1 ))
2567             {
2568                 adj_min = fix_underflow( h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max );
2569                 t0 = t1;
2570             }
2571         }
2572
2573         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
2574         t0 = 0;
2575         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
2576         adj_max = 1;
2577         while( adj_max && find_underflow( h, fills, &t0, &t1, 0 ) )
2578             adj_max = fix_underflow( h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max );
2579
2580         expected_bits = count_expected_bits( h );
2581     } while( (expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int64_t)(expected_bits+.5) > (int64_t)(prev_bits+.5)) );
2582
2583     if( !adj_max )
2584         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
2585
2586     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
2587     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2588         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
2589
2590     x264_free( fills-1 );
2591     return 0;
2592 fail:
2593     return -1;
2594 }
2595
2596 static int init_pass2( x264_t *h )
2597 {
2598     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2599     uint64_t all_const_bits = 0;
2600     double timescale = (double)h->sps->vui.i_num_units_in_tick / h->sps->vui.i_time_scale;
2601     double duration = 0;
2602     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2603         duration += rcc->entry[i].i_duration;
2604     duration *= timescale;
2605     uint64_t all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * duration;
2606     double rate_factor, step_mult;
2607     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
2608     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
2609     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
2610     double expected_bits;
2611     double *qscale, *blurred_qscale;
2612     double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
2613
2614     /* find total/average complexity & const_bits */
2615     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2616     {
2617         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2618         all_const_bits += rce->misc_bits;
2619     }
2620
2621     if( all_available_bits < all_const_bits)
2622     {
2623         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
2624                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)) );
2625         return -1;
2626     }
2627
2628     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
2629      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
2630      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
2631      * bits than intended. */
2632     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2633     {
2634         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2635         double weight_sum = 0;
2636         double cplx_sum = 0;
2637         double weight = 1.0;
2638         double gaussian_weight;
2639         /* weighted average of cplx of future frames */
2640         for( int j = 1; j < cplxblur*2 && j < rcc->num_entries-i; j++ )
2641         {
2642             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
2643             double frame_duration = CLIP_DURATION(rcj->i_duration * timescale) / BASE_FRAME_DURATION;
2644             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2645             if( weight < .0001 )
2646                 break;
2647             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2648             weight_sum += gaussian_weight;
2649             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits) / frame_duration;
2650         }
2651         /* weighted average of cplx of past frames */
2652         weight = 1.0;
2653         for( int j = 0; j <= cplxblur*2 && j <= i; j++ )
2654         {
2655             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2656             double frame_duration = CLIP_DURATION(rcj->i_duration * timescale) / BASE_FRAME_DURATION;
2657             gaussian_weight = weight * exp( -j*j/200.0 );
2658             weight_sum += gaussian_weight;
2659             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits( rcj, 1 ) - rcj->misc_bits) / frame_duration;
2660             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2661             if( weight < .0001 )
2662                 break;
2663         }
2664         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2665     }
2666
2667     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2668     if( filter_size > 1 )
2669         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2670     else
2671         blurred_qscale = qscale;
2672
2673     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2674      * each frame, adds up to the desired total size.
2675      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2676      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2677      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2678      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2679
2680     expected_bits = 1;
2681     for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2682     {
2683         double q = get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i);
2684         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], q);
2685         rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = q;
2686     }
2687     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2688
2689     rate_factor = 0;
2690     for( double step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2691     {
2692         expected_bits = 0;
2693         rate_factor += step;
2694
2695         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2696         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2697         rcc->accum_p_norm = 0;
2698
2699         rcc->last_qscale_for[0] =
2700         rcc->last_qscale_for[1] =
2701         rcc->last_qscale_for[2] = pow( base_cplx, 1 - rcc->qcompress ) / rate_factor;
2702
2703         /* find qscale */
2704         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2705         {
2706             qscale[i] = get_qscale( h, &rcc->entry[i], rate_factor, -1 );
2707             rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = qscale[i];
2708         }
2709
2710         /* fixed I/B qscale relative to P */
2711         for( int i = rcc->num_entries-1; i >= 0; i-- )
2712         {
2713             qscale[i] = get_diff_limited_q( h, &rcc->entry[i], qscale[i], i );
2714             assert(qscale[i] >= 0);
2715         }
2716
2717         /* smooth curve */
2718         if( filter_size > 1 )
2719         {
2720             assert( filter_size%2 == 1 );
2721             for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2722             {
2723                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2724                 double q = 0.0, sum = 0.0;
2725
2726                 for( int j = 0; j < filter_size; j++ )
2727                 {
2728                     int idx = i+j-filter_size/2;
2729                     double d = idx-i;
2730                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp( -d*d/(qblur*qblur) );
2731                     if( idx < 0 || idx >= rcc->num_entries )
2732                         continue;
2733                     if( rce->pict_type != rcc->entry[idx].pict_type )
2734                         continue;
2735                     q += qscale[idx] * coeff;
2736                     sum += coeff;
2737                 }
2738                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2739             }
2740         }
2741
2742         /* find expected bits */
2743         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2744         {
2745             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2746             rce->new_qscale = clip_qscale( h, rce->pict_type, blurred_qscale[i] );
2747             assert(rce->new_qscale >= 0);
2748             expected_bits += qscale2bits( rce, rce->new_qscale );
2749         }
2750
2751         if( expected_bits > all_available_bits )
2752             rate_factor -= step;
2753     }
2754
2755     x264_free( qscale );
2756     if( filter_size > 1 )
2757         x264_free( blurred_qscale );
2758
2759     if( rcc->b_vbv )
2760         if( vbv_pass2( h, all_available_bits ) )
2761             return -1;
2762     expected_bits = count_expected_bits( h );
2763
2764     if( fabs( expected_bits/all_available_bits - 1.0 ) > 0.01 )
2765     {
2766         double avgq = 0;
2767         for( int i = 0; i < rcc->num_entries; i++ )
2768             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2769         avgq = qscale2qp( avgq / rcc->num_entries );
2770
2771         if( expected_bits > all_available_bits || !rcc->b_vbv )
2772             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n" );
2773         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2774                   (float)h->param.rc.i_bitrate,
2775                   expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2776                   avgq );
2777         if( expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2 )
2778         {
2779             if( h->param.rc.i_qp_min > 0 )
2780                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min );
2781             else
2782                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n" );
2783         }
2784         else if( expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2 )
2785         {
2786             if( h->param.rc.i_qp_max < QP_MAX )
2787                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max );
2788             else
2789                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2790         }
2791         else if( !(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv) )
2792             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n" );
2793     }
2794
2795     return 0;
2796 fail:
2797     return -1;
2798 }