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

   1 /***************************************************-*- coding: iso-8859-1 -*-
   2  * ratecontrol.c: h264 encoder library (Rate Control)
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2008 x264 project
   5  *
   6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
   7  *          Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   8  *          Gabriel Bouvigne <gabriel.bouvigne@joost.com>
   9  *          Fiona Glaser <fiona@x264.com>
  10  *          Måns Rullgård <mru@mru.ath.cx>
  11  *
  12  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with this program; if not, write to the Free Software
  24  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
  25  *****************************************************************************/
  26
  27 #define _ISOC99_SOURCE
  28 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  29 #include <math.h>
  30 #include <limits.h>
  31 #include <assert.h>
  32
  33 #include "common/common.h"
  34 #include "common/cpu.h"
  35 #include "ratecontrol.h"
  36
  37 typedef struct
  38 {
  39     int pict_type;
  40     int kept_as_ref;
  41     float qscale;
  42     int mv_bits;
  43     int tex_bits;
  44     int misc_bits;
  45     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  46     double expected_vbv;
  47     float new_qscale;
  48     int new_qp;
  49     int i_count;
  50     int p_count;
  51     int s_count;
  52     float blurred_complexity;
  53     char direct_mode;
  54 } ratecontrol_entry_t;
  55
  56 typedef struct
  57 {
  58     double coeff;
  59     double count;
  60     double decay;
  61     double offset;
  62 } predictor_t;
  63
  64 struct x264_ratecontrol_t
  65 {
  66     /* constants */
  67     int b_abr;
  68     int b_2pass;
  69     int b_vbv;
  70     int b_vbv_min_rate;
  71     double fps;
  72     double bitrate;
  73     double rate_tolerance;
  74     double qcompress;
  75     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  76     int qp_constant[5];
  77
  78     /* current frame */
  79     ratecontrol_entry_t *rce;
  80     int qp;                     /* qp for current frame */
  81     int qpm;                    /* qp for current macroblock */
  82     float f_qpm;                /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  83     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  84     float qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  85     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  86     int qp_force;
  87
  88     /* VBV stuff */
  89     double buffer_size;
  90     double buffer_fill_final;   /* real buffer as of the last finished frame */
  91     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  92     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  93     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
  94
  95     /* ABR stuff */
  96     int    last_satd;
  97     double last_rceq;
  98     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
  99     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 100     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 101     double cbr_decay;
 102     double short_term_cplxsum;
 103     double short_term_cplxcount;
 104     double rate_factor_constant;
 105     double ip_offset;
 106     double pb_offset;
 107
 108     /* 2pass stuff */
 109     FILE *p_stat_file_out;
 110     char *psz_stat_file_tmpname;
 111     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 112     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 113     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 114     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 115
 116     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 117     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 118     double last_qscale;
 119     double last_qscale_for[5];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff  */
 120     int last_non_b_pict_type;
 121     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 122     double accum_p_norm;
 123     double last_accum_p_norm;
 124     double lmin[5];             /* min qscale by frame type */
 125     double lmax[5];
 126     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 127     uint16_t *qp_buffer; /* Global buffer for converting MB-tree quantizer data. */
 128
 129     /* MBRC stuff */
 130     double frame_size_estimated;
 131     double frame_size_planned;
 132     predictor_t *row_pred;
 133     predictor_t row_preds[5];
 134     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 135     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 136     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 137
 138     int i_zones;
 139     x264_zone_t *zones;
 140     x264_zone_t *prev_zone;
 141 };
 142
 143
 144 static int parse_zones( x264_t *h );
 145 static int init_pass2(x264_t *);
 146 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 147 static void update_vbv( x264_t *h, int bits );
 148 static void update_vbv_plan( x264_t *h );
 149 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var );
 150 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits );
 151
 152 /* Terminology:
 153  * qp = h.264's quantizer
 154  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 155  */
 156 static inline double qp2qscale(double qp)
 157 {
 158     return 0.85 * pow(2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0);
 159 }
 160 static inline double qscale2qp(double qscale)
 161 {
 162     return 12.0 + 6.0 * log(qscale/0.85) / log(2.0);
 163 }
 164
 165 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 166  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 167  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 168  * for motion estimation is constant there. */
 169 static inline double qscale2bits(ratecontrol_entry_t *rce, double qscale)
 170 {
 171     if(qscale<0.1)
 172         qscale = 0.1;
 173     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 174            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 175            + rce->misc_bits;
 176 }
 177
 178 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 179 static NOINLINE uint32_t ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 180 {
 181     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 182      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 183      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 184      * sure no reordering goes on. */
 185     uint32_t var = 0, i;
 186     for( i = 0; i < 3; i++ )
 187     {
 188         int w = i ? 8 : 16;
 189         int stride = frame->i_stride[i];
 190         int offset = h->mb.b_interlaced
 191             ? w * (mb_x + (mb_y&~1) * stride) + (mb_y&1) * stride
 192             : w * (mb_x + mb_y * stride);
 193         int pix = i ? PIXEL_8x8 : PIXEL_16x16;
 194         stride <<= h->mb.b_interlaced;
 195         var += h->pixf.var[pix]( frame->plane[i]+offset, stride );
 196     }
 197     x264_emms();
 198     return var;
 199 }
 200
 201 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame )
 202 {
 203     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 204      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 205     int mb_x, mb_y;
 206     float strength;
 207     float avg_adj = 0.f;
 208     /* Need to init it anyways for MB tree. */
 209     if( h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 210     {
 211         int mb_xy;
 212         memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 213         memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 214         if( h->frames.b_have_lowres )
 215             for( mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 216                 frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 217         return;
 218     }
 219
 220     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 221     {
 222         for( mb_y = 0; mb_y < h->sps->i_mb_height; mb_y++ )
 223             for( mb_x = 0; mb_x < h->sps->i_mb_width; mb_x++ )
 224             {
 225                 uint32_t energy = ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 226                 float qp_adj = x264_log2( energy + 2 );
 227                 qp_adj *= qp_adj;
 228                 frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 229                 avg_adj += qp_adj;
 230             }
 231         avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 232         strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj * (1.f / 6000.f);
 233     }
 234     else
 235         strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 236
 237     for( mb_y = 0; mb_y < h->sps->i_mb_height; mb_y++ )
 238         for( mb_x = 0; mb_x < h->sps->i_mb_width; mb_x++ )
 239         {
 240             float qp_adj;
 241             if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 242             {
 243                 qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride];
 244                 qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 245             }
 246             else
 247             {
 248                 uint32_t energy = ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 249                 qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - 14.427f);
 250             }
 251             frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] =
 252             frame->f_qp_offset_aq[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 253             if( h->frames.b_have_lowres )
 254                 frame->i_inv_qscale_factor[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 255         }
 256 }
 257
 258
 259 /*****************************************************************************
 260 * x264_adaptive_quant:
 261  * adjust macroblock QP based on variance (AC energy) of the MB.
 262  * high variance  = higher QP
 263  * low variance = lower QP
 264  * This generally increases SSIM and lowers PSNR.
 265 *****************************************************************************/
 266 void x264_adaptive_quant( x264_t *h )
 267 {
 268     x264_emms();
 269     h->mb.i_qp = x264_clip3( h->rc->f_qpm + h->fenc->f_qp_offset[h->mb.i_mb_xy] + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
 270 }
 271
 272 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame )
 273 {
 274     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 275     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 276     int i;
 277
 278     if( i_type_actual != SLICE_TYPE_B )
 279     {
 280         uint8_t i_type;
 281
 282         if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 283             goto fail;
 284
 285         if( i_type != i_type_actual )
 286         {
 287             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type,i_type_actual);
 288             return -1;
 289         }
 290
 291         if( fread( rc->qp_buffer, sizeof(uint16_t), h->mb.i_mb_count, rc->p_mbtree_stat_file_in ) != h->mb.i_mb_count )
 292             goto fail;
 293
 294         for( i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 295             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[i] )) * (1/256.0);
 296     }
 297     else
 298         x264_adaptive_quant_frame( h, frame );
 299     return 0;
 300 fail:
 301     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n");
 302     return -1;
 303 }
 304
 305 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 306 {
 307     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 308     if( !output )
 309         return NULL;
 310     strcpy( output, input );
 311     strcat( output, suffix );
 312     return output;
 313 }
 314
 315 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 316 {
 317     x264_ratecontrol_t *rc;
 318     int i;
 319
 320     x264_emms();
 321
 322     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 323     rc = h->rc;
 324
 325     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 326     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 327
 328     /* FIXME: use integers */
 329     if(h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0)
 330         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 331     else
 332         rc->fps = 25.0;
 333
 334     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 335     {
 336         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 337         rc->qcompress = 1;
 338     }
 339     else
 340         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 341
 342     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 343     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 344     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 345     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 346     rc->cbr_decay = 1.0;
 347
 348     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 349     {
 350         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 351         return -1;
 352     }
 353     if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
 354     {
 355         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CQP )
 356         {
 357             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "VBV is incompatible with constant QP, ignored.\n");
 358             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = 0;
 359             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = 0;
 360         }
 361         else if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate == 0 )
 362         {
 363             x264_log( h, X264_LOG_DEBUG, "VBV maxrate unspecified, assuming CBR\n" );
 364             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 365         }
 366     }
 367     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate < h->param.rc.i_bitrate &&
 368         h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0)
 369         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "max bitrate less than average bitrate, ignored.\n");
 370     else if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 &&
 371              h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 372     {
 373         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < 3 * h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps )
 374         {
 375             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = 3 * h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 376             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size too small, using %d kbit\n",
 377                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 378         }
 379         if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 380             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 );
 381         rc->buffer_rate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000. / rc->fps;
 382         rc->buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000.;
 383         rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
 384         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 385                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 386         rc->b_vbv = 1;
 387         rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 388                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 389                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 390     }
 391     else if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate )
 392     {
 393         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "VBV maxrate specified, but no bufsize.\n");
 394         h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = 0;
 395     }
 396     if(rc->rate_tolerance < 0.01)
 397     {
 398         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 399         rc->rate_tolerance = 0.01;
 400     }
 401
 402     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 403
 404     if( rc->b_abr )
 405     {
 406         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 407 #define ABR_INIT_QP ( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 )
 408         rc->accum_p_norm = .01;
 409         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 410         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 411         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 412         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 413         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 414     }
 415
 416     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 417     {
 418         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 419          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 420         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 421         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 422         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 423                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset );
 424     }
 425
 426     rc->ip_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_ip_factor) / log(2.0);
 427     rc->pb_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_pb_factor) / log(2.0);
 428     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 429     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, 51 );
 430     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, 51 );
 431
 432     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 433     rc->last_qscale = qp2qscale(26);
 434     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5*sizeof(predictor_t) );
 435     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 436     for( i = 0; i < 5; i++ )
 437     {
 438         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 439         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 440         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 441         rc->pred[i].coeff= 2.0;
 442         rc->pred[i].count= 1.0;
 443         rc->pred[i].decay= 0.5;
 444         rc->pred[i].offset= 0.0;
 445         rc->row_preds[i].coeff= .25;
 446         rc->row_preds[i].count= 1.0;
 447         rc->row_preds[i].decay= 0.5;
 448         rc->row_preds[i].offset= 0.0;
 449     }
 450     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 451
 452     if( parse_zones( h ) < 0 )
 453     {
 454         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 455         return -1;
 456     }
 457
 458     /* Load stat file and init 2pass algo */
 459     if( h->param.rc.b_stat_read )
 460     {
 461         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 462
 463         /* read 1st pass stats */
 464         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 465         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 466         if( !stats_buf )
 467         {
 468             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 469             return -1;
 470         }
 471         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 472         {
 473             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 474             if( !mbtree_stats_in )
 475                 return -1;
 476             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 477             x264_free( mbtree_stats_in );
 478             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 479             {
 480                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 481                 return -1;
 482             }
 483         }
 484
 485         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 486         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 487         {
 488             int i;
 489             char *opts = stats_buf;
 490             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 491             if( !stats_in )
 492                 return -1;
 493             *stats_in = '\0';
 494             stats_in++;
 495
 496             if( ( p = strstr( opts, "bframes=" ) ) && sscanf( p, "bframes=%d", &i )
 497                 && h->param.i_bframe != i )
 498             {
 499                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different number of B-frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 500                           h->param.i_bframe, i );
 501                 return -1;
 502             }
 503
 504             /* since B-adapt doesn't (yet) take into account B-pyramid,
 505              * the converse is not a problem */
 506             if( strstr( opts, "b_pyramid=1" ) && !h->param.b_bframe_pyramid )
 507                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass used B-pyramid, 2nd doesn't\n" );
 508
 509             if( ( p = strstr( opts, "keyint=" ) ) && sscanf( p, "keyint=%d", &i )
 510                 && h->param.i_keyint_max != i )
 511                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "different keyint than 1st pass (%d vs %d)\n",
 512                           h->param.i_keyint_max, i );
 513
 514             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 515                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 516
 517             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 518             {
 519                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 520                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 521             }
 522
 523             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 524                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 525             else if( h->param.i_bframe )
 526             {
 527                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 528                 return -1;
 529             }
 530
 531             if( h->param.rc.b_mb_tree && ( p = strstr( opts, "rc_lookahead=" ) ) && sscanf( p, "rc_lookahead=%d", &i ) )
 532                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 533         }
 534
 535         /* find number of pics */
 536         p = stats_in;
 537         for(i=-1; p; i++)
 538             p = strchr(p+1, ';');
 539         if(i==0)
 540         {
 541             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 542             return -1;
 543         }
 544         rc->num_entries = i;
 545
 546         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 547         {
 548             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 549                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 550         }
 551         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 552         {
 553             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 554                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 555             return -1;
 556         }
 557
 558         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 559
 560         /* init all to skipped p frames */
 561         for(i=0; i<rc->num_entries; i++)
 562         {
 563             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 564             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 565             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale(20);
 566             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 567             rce->new_qp = 0;
 568         }
 569
 570         /* read stats */
 571         p = stats_in;
 572         for(i=0; i < rc->num_entries; i++)
 573         {
 574             ratecontrol_entry_t *rce;
 575             int frame_number;
 576             char pict_type;
 577             int e;
 578             char *next;
 579             float qp;
 580
 581             next= strchr(p, ';');
 582             if(next)
 583             {
 584                 (*next)=0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 585                 next++;
 586             }
 587             e = sscanf(p, " in:%d ", &frame_number);
 588
 589             if(frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries)
 590             {
 591                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i);
 592                 return -1;
 593             }
 594             rce = &rc->entry[frame_number];
 595             rce->direct_mode = 0;
 596
 597             e += sscanf(p, " in:%*d out:%*d type:%c q:%f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c",
 598                    &pict_type, &qp, &rce->tex_bits,
 599                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 600                    &rce->s_count, &rce->direct_mode);
 601
 602             switch(pict_type)
 603             {
 604                 case 'I': rce->kept_as_ref = 1;
 605                 case 'i': rce->pict_type = SLICE_TYPE_I; break;
 606                 case 'P': rce->pict_type = SLICE_TYPE_P; break;
 607                 case 'B': rce->kept_as_ref = 1;
 608                 case 'b': rce->pict_type = SLICE_TYPE_B; break;
 609                 default:  e = -1; break;
 610             }
 611             if(e < 10)
 612             {
 613                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e);
 614                 return -1;
 615             }
 616             rce->qscale = qp2qscale(qp);
 617             p = next;
 618         }
 619
 620         x264_free(stats_buf);
 621
 622         if(h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR)
 623         {
 624             if(init_pass2(h) < 0) return -1;
 625         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 626     }
 627
 628     /* Open output file */
 629     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 630      * and move it to the real name only when it's complete */
 631     if( h->param.rc.b_stat_write )
 632     {
 633         char *p;
 634         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 635         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 636             return -1;
 637
 638         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 639         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 640         {
 641             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 642             return -1;
 643         }
 644
 645         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 646         if( p )
 647             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 648         x264_free( p );
 649         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
 650         {
 651             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
 652             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
 653             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
 654                 return -1;
 655
 656             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
 657             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
 658             {
 659                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 660                 return -1;
 661             }
 662         }
 663     }
 664
 665     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
 666         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer, h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 667
 668     for( i=0; i<h->param.i_threads; i++ )
 669     {
 670         h->thread[i]->rc = rc+i;
 671         if( i )
 672         {
 673             rc[i] = rc[0];
 674             memcpy( &h->thread[i]->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 675             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 676         }
 677     }
 678
 679     return 0;
 680 fail:
 681     return -1;
 682 }
 683
 684 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 685 {
 686     int len = 0;
 687     char *tok, UNUSED *saveptr;
 688     z->param = NULL;
 689     z->f_bitrate_factor = 1;
 690     if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,q=%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
 691         z->b_force_qp = 1;
 692     else if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
 693         z->b_force_qp = 0;
 694     else if( 2 <= sscanf(p, "%u,%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
 695         z->b_force_qp = 0;
 696     else
 697     {
 698         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
 699         return -1;
 700     }
 701     p += len;
 702     if( !*p )
 703         return 0;
 704     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
 705     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 706     z->param->param_free = x264_free;
 707     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
 708     {
 709         char *val = strchr( tok, '=' );
 710         if( val )
 711         {
 712             *val = '\0';
 713             val++;
 714         }
 715         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
 716         {
 717             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
 718             return -1;
 719         }
 720         p = NULL;
 721     }
 722     return 0;
 723 fail:
 724     return -1;
 725 }
 726
 727 static int parse_zones( x264_t *h )
 728 {
 729     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 730     int i;
 731     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
 732     {
 733         char *psz_zones, *p, *tok, UNUSED *saveptr;
 734         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
 735         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
 736         h->param.rc.i_zones = 1;
 737         for( p = psz_zones; *p; p++ )
 738             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
 739         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
 740         p = psz_zones;
 741         for( i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
 742         {
 743             tok = strtok_r( p, "/", &saveptr );
 744             if( !tok || parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], tok ) )
 745                 return -1;
 746             p = NULL;
 747         }
 748         x264_free( psz_zones );
 749     }
 750
 751     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
 752     {
 753         for( i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
 754         {
 755             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
 756             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
 757             {
 758                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
 759                           z.i_start, z.i_end );
 760                 return -1;
 761             }
 762             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
 763             {
 764                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
 765                           z.f_bitrate_factor );
 766                 return -1;
 767             }
 768         }
 769
 770         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
 771         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
 772         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
 773
 774         // default zone to fall back to if none of the others match
 775         rc->zones[0].i_start = 0;
 776         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
 777         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
 778         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
 779         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
 780         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 781         for( i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
 782         {
 783             if( !rc->zones[i].param )
 784                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
 785         }
 786     }
 787
 788     return 0;
 789 fail:
 790     return -1;
 791 }
 792
 793 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
 794 {
 795     int i;
 796     for( i = h->rc->i_zones-1; i >= 0; i-- )
 797     {
 798         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
 799         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
 800             return z;
 801     }
 802     return NULL;
 803 }
 804
 805 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
 806 {
 807     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 808     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
 809     {
 810         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 811         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*12.5 : 0;
 812         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
 813                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 814                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset );
 815     }
 816 }
 817
 818 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
 819 {
 820     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 821     int i;
 822
 823     if( rc->p_stat_file_out )
 824     {
 825         fclose( rc->p_stat_file_out );
 826         if( h->i_frame >= rc->num_entries )
 827             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
 828             {
 829                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
 830                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
 831             }
 832         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
 833     }
 834     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
 835     {
 836         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
 837         if( h->i_frame >= rc->num_entries )
 838             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
 839             {
 840                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
 841                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
 842             }
 843         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
 844         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
 845     }
 846     x264_free( rc->pred );
 847     x264_free( rc->pred_b_from_p );
 848     x264_free( rc->entry );
 849     x264_free( rc->qp_buffer );
 850     if( rc->zones )
 851     {
 852         x264_free( rc->zones[0].param );
 853         for( i=1; i<rc->i_zones; i++ )
 854             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
 855                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
 856         x264_free( rc->zones );
 857     }
 858     x264_free( rc );
 859 }
 860
 861 void x264_ratecontrol_set_estimated_size( x264_t *h, int bits )
 862 {
 863     x264_pthread_mutex_lock( &h->fenc->mutex );
 864     h->rc->frame_size_estimated = bits;
 865     x264_pthread_mutex_unlock( &h->fenc->mutex );
 866 }
 867
 868 int x264_ratecontrol_get_estimated_size( x264_t const *h)
 869 {
 870     int size;
 871     x264_pthread_mutex_lock( &h->fenc->mutex );
 872     size = h->rc->frame_size_estimated;
 873     x264_pthread_mutex_unlock( &h->fenc->mutex );
 874     return size;
 875 }
 876
 877 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
 878 {
 879     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 880     rc->accum_p_qp   *= .95;
 881     rc->accum_p_norm *= .95;
 882     rc->accum_p_norm += 1;
 883     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
 884         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
 885     else
 886         rc->accum_p_qp += qp;
 887 }
 888
 889 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
 890 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp )
 891 {
 892     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 893     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
 894     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
 895     float q;
 896
 897     x264_emms();
 898
 899     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
 900         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
 901     rc->prev_zone = zone;
 902
 903     rc->qp_force = i_force_qp;
 904
 905     if( h->param.rc.b_stat_read )
 906     {
 907         int frame = h->fenc->i_frame;
 908         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
 909         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
 910
 911         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
 912             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 913         {
 914             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
 915             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
 916         }
 917     }
 918
 919     if( rc->b_vbv )
 920     {
 921         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->sps->i_mb_height * sizeof(int) );
 922         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
 923         update_vbv_plan( h );
 924     }
 925
 926     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
 927     {
 928         rc->bframes = 0;
 929         while( h->frames.current[rc->bframes] && IS_X264_TYPE_B(h->frames.current[rc->bframes]->i_type) )
 930             rc->bframes++;
 931     }
 932
 933     if( i_force_qp )
 934     {
 935         q = i_force_qp - 1;
 936     }
 937     else if( rc->b_abr )
 938     {
 939         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
 940     }
 941     else if( rc->b_2pass )
 942     {
 943         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
 944         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
 945     }
 946     else /* CQP */
 947     {
 948         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
 949             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
 950         else
 951             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
 952
 953         if( zone )
 954         {
 955             if( zone->b_force_qp )
 956                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
 957             else
 958                 q -= 6*log(zone->f_bitrate_factor)/log(2);
 959         }
 960     }
 961
 962     rc->qpa_rc =
 963     rc->qpa_aq = 0;
 964     h->fdec->f_qp_avg_rc =
 965     h->fdec->f_qp_avg_aq =
 966     rc->qpm =
 967     rc->qp = x264_clip3( (int)(q + 0.5), 0, 51 );
 968     rc->f_qpm = q;
 969     if( rce )
 970         rce->new_qp = rc->qp;
 971
 972     accum_p_qp_update( h, rc->qp );
 973
 974     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
 975         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
 976 }
 977
 978 static double predict_row_size( x264_t *h, int y, int qp )
 979 {
 980     /* average between two predictors:
 981      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
 982     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 983     double pred_s = predict_size( rc->row_pred, qp2qscale(qp), h->fdec->i_row_satd[y] );
 984     double pred_t = 0;
 985     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I
 986         && h->fref0[0]->i_type == h->fdec->i_type
 987         && h->fref0[0]->i_row_satd[y] > 0
 988         && (abs(h->fref0[0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
 989     {
 990         pred_t = h->fref0[0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref0[0]->i_row_satd[y]
 991                  * qp2qscale(h->fref0[0]->i_row_qp[y]) / qp2qscale(qp);
 992     }
 993     if( pred_t == 0 )
 994         pred_t = pred_s;
 995
 996     return (pred_s + pred_t) / 2;
 997 }
 998
 999 static double row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1000 {
1001     int i;
1002     double bits = 0;
1003     for( i = 0; i <= y; i++ )
1004         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1005     return bits;
1006 }
1007
1008 static double predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, int qp )
1009 {
1010     int i;
1011     double bits = row_bits_so_far(h, y);
1012     for( i = y+1; i < h->sps->i_mb_height; i++ )
1013         bits += predict_row_size( h, i, qp );
1014     return bits;
1015 }
1016
1017
1018 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1019 {
1020     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1021     const int y = h->mb.i_mb_y;
1022
1023     x264_emms();
1024
1025     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1026     rc->qpa_rc += rc->f_qpm;
1027     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1028
1029     if( h->mb.i_mb_x != h->sps->i_mb_width - 1 || !rc->b_vbv )
1030         return;
1031
1032     h->fdec->i_row_qp[y] = rc->qpm;
1033
1034     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1035     {
1036         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames.
1037          * This code is a bit overzealous in limiting B-frame quantizers, but it helps avoid
1038          * underflows due to the fact that B-frames are not explicitly covered by VBV. */
1039         if( y < h->sps->i_mb_height-1 )
1040         {
1041             int i_estimated;
1042             int avg_qp = X264_MIN(h->fref0[0]->i_row_qp[y+1], h->fref1[0]->i_row_qp[y+1])
1043                        + rc->pb_offset * ((h->fenc->i_type == X264_TYPE_BREF) ? 0.5 : 1);
1044             rc->qpm = X264_MIN(X264_MAX( rc->qp, avg_qp), 51); //avg_qp could go higher than 51 due to pb_offset
1045             i_estimated = row_bits_so_far(h, y); //FIXME: compute full estimated size
1046             if (i_estimated > h->rc->frame_size_planned)
1047                 x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, i_estimated);
1048         }
1049     }
1050     else
1051     {
1052         update_predictor( rc->row_pred, qp2qscale(rc->qpm), h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1053
1054         /* tweak quality based on difference from predicted size */
1055         if( y < h->sps->i_mb_height-1 && h->stat.i_slice_count[h->sh.i_type] > 0 )
1056         {
1057             int prev_row_qp = h->fdec->i_row_qp[y];
1058             int b0 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1059             int b1 = b0;
1060             int i_qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_max );
1061             int i_qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1062             float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1063             /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits.
1064              * In 2-pass mode we can be more trusting of the planned frame sizes, since they were decided
1065              * by actual encoding instead of SATD prediction. */
1066             float rc_tol = h->param.rc.b_stat_read ? (buffer_left_planned / rc->buffer_size) * rc->frame_size_planned
1067                                                    : (buffer_left_planned / h->param.i_threads);
1068
1069             /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1070             /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1071             if(row_bits_so_far(h,y) < 0.05 * rc->frame_size_planned)
1072                 return;
1073
1074             if(h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I)
1075                 rc_tol /= 2;
1076
1077             if( !rc->b_vbv_min_rate )
1078                 i_qp_min = X264_MAX( i_qp_min, h->sh.i_qp );
1079
1080             while( rc->qpm < i_qp_max
1081                    && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1082                        (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5) ||
1083                        (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1084             {
1085                 rc->qpm ++;
1086                 b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1087             }
1088
1089             /* avoid VBV underflow */
1090             while( (rc->qpm < h->param.rc.i_qp_max)
1091                    && (rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_size * 0.005))
1092             {
1093                 rc->qpm ++;
1094                 b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1095             }
1096
1097             while( rc->qpm > i_qp_min
1098                    && rc->qpm > h->fdec->i_row_qp[0]
1099                    && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8 && rc->qpm <= prev_row_qp)
1100                      || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1) )
1101             {
1102                 rc->qpm --;
1103                 b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1104             }
1105             x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, b1);
1106         }
1107     }
1108     /* loses the fractional part of the frame-wise qp */
1109     rc->f_qpm = rc->qpm;
1110 }
1111
1112 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1113 {
1114     return h->rc->qpm;
1115 }
1116
1117 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1118 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1119 {
1120     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1121     if( h->param.rc.b_stat_read )
1122     {
1123         if( frame_num >= rc->num_entries )
1124         {
1125             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1126              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1127              * So just calculate the average QP used so far. */
1128             int i;
1129
1130             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_slice_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24
1131                                       : 1 + h->stat.f_slice_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_slice_count[SLICE_TYPE_P];
1132             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, 51 );
1133             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, 51 );
1134             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, 51 );
1135
1136             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
1137             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
1138             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1139                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
1140
1141             for( i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1142             {
1143                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1144                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1145                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1146                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1147                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1148                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1149                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1150                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1151             }
1152             return X264_TYPE_AUTO;
1153         }
1154         switch( rc->entry[frame_num].pict_type )
1155         {
1156             case SLICE_TYPE_I:
1157                 return rc->entry[frame_num].kept_as_ref ? X264_TYPE_IDR : X264_TYPE_I;
1158
1159             case SLICE_TYPE_B:
1160                 return rc->entry[frame_num].kept_as_ref ? X264_TYPE_BREF : X264_TYPE_B;
1161
1162             case SLICE_TYPE_P:
1163             default:
1164                 return X264_TYPE_P;
1165         }
1166     }
1167     else
1168     {
1169         return X264_TYPE_AUTO;
1170     }
1171 }
1172
1173 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1174 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits )
1175 {
1176     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1177     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1178     int i;
1179
1180     x264_emms();
1181
1182     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1183     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1184     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1185     for( i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1186         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1187
1188     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1189     h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
1190
1191     if( h->param.rc.b_stat_write )
1192     {
1193         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1194                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1195                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1196         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1197         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1198         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1199                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1200                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1201                         : '-';
1202         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1203                  "in:%d out:%d type:%c q:%.2f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c;\n",
1204                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1205                  c_type, rc->qpa_rc,
1206                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1207                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1208                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1209                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1210                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1211                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1212                  c_direct) < 0 )
1213              goto fail;
1214
1215         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1216         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1217         {
1218             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1219             int i;
1220             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1221             for( i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1222                 rc->qp_buffer[i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1223             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1224                 goto fail;
1225             if( fwrite( rc->qp_buffer, sizeof(uint16_t), h->mb.i_mb_count, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < h->mb.i_mb_count )
1226                 goto fail;
1227         }
1228     }
1229
1230     if( rc->b_abr )
1231     {
1232         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1233             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale(rc->qpa_rc) / rc->last_rceq;
1234         else
1235         {
1236             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1237              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1238             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale(rc->qpa_rc) / (rc->last_rceq * fabs(h->param.rc.f_pb_factor));
1239         }
1240         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1241         rc->wanted_bits_window += rc->bitrate / rc->fps;
1242         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1243     }
1244
1245     if( rc->b_2pass )
1246     {
1247         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale(rc->rce->new_qp) );
1248     }
1249
1250     if( h->mb.b_variable_qp )
1251     {
1252         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1253         {
1254             rc->bframe_bits += bits;
1255             if( !h->frames.current[0] || !IS_X264_TYPE_B(h->frames.current[0]->i_type) )
1256             {
1257                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale(rc->qpa_rc),
1258                                   h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1259                 rc->bframe_bits = 0;
1260             }
1261         }
1262     }
1263
1264     update_vbv( h, bits );
1265     return 0;
1266 fail:
1267     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n");
1268     return -1;
1269 }
1270
1271 /****************************************************************************
1272  * 2 pass functions
1273  ***************************************************************************/
1274
1275 /**
1276  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1277  */
1278 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1279 {
1280     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1281     double q;
1282     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1283
1284     q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1285
1286     // avoid NaN's in the rc_eq
1287     if(!isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0)
1288         q = rcc->last_qscale;
1289     else
1290     {
1291         rcc->last_rceq = q;
1292         q /= rate_factor;
1293         rcc->last_qscale = q;
1294     }
1295
1296     if( zone )
1297     {
1298         if( zone->b_force_qp )
1299             q = qp2qscale(zone->i_qp);
1300         else
1301             q /= zone->f_bitrate_factor;
1302     }
1303
1304     return q;
1305 }
1306
1307 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q)
1308 {
1309     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1310     const int pict_type = rce->pict_type;
1311
1312     // force I/B quants as a function of P quants
1313     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1314     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1315     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1316     {
1317         double iq = q;
1318         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1319         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1320         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1321         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1322             q = iq;
1323         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1324             q = iq / ip_factor;
1325         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1326             q = pq / ip_factor;
1327         else
1328             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1329     }
1330     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1331     {
1332         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1333             q = last_non_b_q;
1334         if( !rce->kept_as_ref )
1335             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1336     }
1337     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1338              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1339              && rce->tex_bits == 0 )
1340     {
1341         q = last_p_q;
1342     }
1343
1344     /* last qscale / qdiff stuff */
1345     if(rcc->last_non_b_pict_type==pict_type
1346        && (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1))
1347     {
1348         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1349         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1350         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1351
1352         if     (q > max_qscale) q = max_qscale;
1353         else if(q < min_qscale) q = min_qscale;
1354     }
1355
1356     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1357     if(pict_type!=SLICE_TYPE_B)
1358         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1359     if(pict_type==SLICE_TYPE_I)
1360     {
1361         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1362         rcc->accum_p_norm = 0;
1363         rcc->accum_p_qp = 0;
1364     }
1365     if(pict_type==SLICE_TYPE_P)
1366     {
1367         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1368         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp(q) + rcc->accum_p_qp);
1369         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1370     }
1371     return q;
1372 }
1373
1374 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var )
1375 {
1376      return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1377 }
1378
1379 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits )
1380 {
1381     const double range = 1.5;
1382     if( var < 10 )
1383         return;
1384     double old_coeff = p->coeff / p->count;
1385     double new_coeff = bits*q / var;
1386     double new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1387     double new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1388     if( new_offset >= 0 )
1389         new_coeff = new_coeff_clipped;
1390     else
1391         new_offset = 0;
1392     p->count  *= p->decay;
1393     p->coeff  *= p->decay;
1394     p->offset *= p->decay;
1395     p->count  ++;
1396     p->coeff  += new_coeff;
1397     p->offset += new_offset;
1398 }
1399
1400 // update VBV after encoding a frame
1401 static void update_vbv( x264_t *h, int bits )
1402 {
1403     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1404     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1405
1406     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1407         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale(rcc->qpa_rc), rcc->last_satd, bits );
1408
1409     if( !rcc->b_vbv )
1410         return;
1411
1412     rct->buffer_fill_final += rct->buffer_rate - bits;
1413     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1414         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV underflow (%.0f bits)\n", rct->buffer_fill_final );
1415     rct->buffer_fill_final = x264_clip3f( rct->buffer_fill_final, 0, rct->buffer_size );
1416 }
1417
1418 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1419 static void update_vbv_plan( x264_t *h )
1420 {
1421     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1422     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final;
1423     if( h->param.i_threads > 1 )
1424     {
1425         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1426         int i;
1427         for( i=1; i<h->param.i_threads; i++ )
1428         {
1429             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->param.i_threads ];
1430             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1431             if( !t->b_thread_active )
1432                 continue;
1433             bits  = X264_MAX(bits, x264_ratecontrol_get_estimated_size(t));
1434             rcc->buffer_fill += rcc->buffer_rate - bits;
1435             rcc->buffer_fill = x264_clip3( rcc->buffer_fill, 0, rcc->buffer_size );
1436         }
1437     }
1438 }
1439
1440 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1441 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1442 {
1443     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1444     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1445     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1446     double q0 = q;
1447
1448     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1449      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
1450
1451     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1452     {
1453         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
1454          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
1455          * by the end of the lookahead. */
1456         if( h->param.rc.i_lookahead )
1457         {
1458             int j, iterations, terminate = 0;
1459
1460             /* Avoid an infinite loop. */
1461             for( iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
1462             {
1463                 double frame_q[3];
1464                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1465                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits + rcc->buffer_rate;
1466                 double target_fill;
1467                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
1468                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
1469                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
1470
1471                 /* Loop over the planned future frames. */
1472                 for( j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
1473                 {
1474                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
1475                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
1476                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
1477                         break;
1478                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
1479                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
1480                     buffer_fill_cur = buffer_fill_cur - cur_bits + rcc->buffer_rate;
1481                 }
1482                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
1483                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + j * rcc->buffer_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
1484                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
1485                 {
1486                     q *= 1.01;
1487                     terminate |= 1;
1488                     continue;
1489                 }
1490                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
1491                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - j * rcc->buffer_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
1492                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
1493                 {
1494                     q /= 1.01;
1495                     terminate |= 2;
1496                     continue;
1497                 }
1498                 break;
1499             }
1500         }
1501         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
1502         else
1503         {
1504             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1505                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
1506                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
1507             {
1508                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
1509             }
1510
1511             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
1512              * This one is mostly for I-frames. */
1513             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1514             double qf = 1.0;
1515             if( bits > rcc->buffer_fill/2 )
1516                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(2*bits), 0.2, 1.0 );
1517             q /= qf;
1518             bits *= qf;
1519             if( bits < rcc->buffer_rate/2 )
1520                 q *= bits*2/rcc->buffer_rate;
1521             q = X264_MAX( q0, q );
1522         }
1523
1524         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
1525          * overflow before the next P-frame. */
1526         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P )
1527         {
1528             int nb = rcc->bframes;
1529             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1530             double pbbits = bits;
1531             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
1532             double space;
1533
1534             if( bbits > rcc->buffer_rate )
1535                 nb = 0;
1536             pbbits += nb * bbits;
1537
1538             space = rcc->buffer_fill + (1+nb)*rcc->buffer_rate - rcc->buffer_size;
1539             if( pbbits < space )
1540             {
1541                 q *= X264_MAX( pbbits / space,
1542                                bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
1543             }
1544             q = X264_MAX( q0-5, q );
1545         }
1546
1547         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
1548             q = X264_MAX( q0, q );
1549     }
1550
1551     if(lmin==lmax)
1552         return lmin;
1553     else if(rcc->b_2pass)
1554     {
1555         double min2 = log(lmin);
1556         double max2 = log(lmax);
1557         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
1558         q = 1.0/(1.0 + exp(-4*q));
1559         q = q*(max2-min2) + min2;
1560         return exp(q);
1561     }
1562     else
1563         return x264_clip3f(q, lmin, lmax);
1564 }
1565
1566 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
1567 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
1568 {
1569     float q;
1570     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1571     ratecontrol_entry_t rce;
1572     int pict_type = h->sh.i_type;
1573     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1574     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1575     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_slice_size[SLICE_TYPE_I]
1576                           + h->stat.i_slice_size[SLICE_TYPE_P]
1577                           + h->stat.i_slice_size[SLICE_TYPE_B]);
1578
1579     if( rcc->b_2pass )
1580     {
1581         rce = *rcc->rce;
1582         if(pict_type != rce.pict_type)
1583         {
1584             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
1585                      slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type]);
1586         }
1587     }
1588
1589     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1590     {
1591         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
1592          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
1593
1594         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref0[0]->i_type);
1595         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref1[0]->i_type);
1596         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref0[0]->i_poc);
1597         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref1[0]->i_poc);
1598         float q0 = h->fref0[0]->f_qp_avg_rc;
1599         float q1 = h->fref1[0]->f_qp_avg_rc;
1600
1601         if( h->fref0[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
1602             q0 -= rcc->pb_offset/2;
1603         if( h->fref1[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
1604             q1 -= rcc->pb_offset/2;
1605
1606         if(i0 && i1)
1607             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
1608         else if(i0)
1609             q = q1;
1610         else if(i1)
1611             q = q0;
1612         else
1613             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
1614
1615         if(h->fenc->b_kept_as_ref)
1616             q += rcc->pb_offset/2;
1617         else
1618             q += rcc->pb_offset;
1619
1620         rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q, h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd );
1621         x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, rcc->frame_size_planned);
1622         rcc->last_satd = 0;
1623         return qp2qscale(q);
1624     }
1625     else
1626     {
1627         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
1628
1629         if( rcc->b_2pass )
1630         {
1631             //FIXME adjust abr_buffer based on distance to the end of the video
1632             int64_t diff;
1633             int64_t predicted_bits = total_bits;
1634
1635             if( rcc->b_vbv )
1636             {
1637                 if( h->param.i_threads > 1 )
1638                 {
1639                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1640                     int i;
1641                     for( i=1; i<h->param.i_threads; i++ )
1642                     {
1643                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->param.i_threads ];
1644                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
1645                         if( !t->b_thread_active )
1646                             continue;
1647                         bits  = X264_MAX(bits, x264_ratecontrol_get_estimated_size(t));
1648                         predicted_bits += (int64_t)bits;
1649                     }
1650                 }
1651             }
1652             else
1653             {
1654                 if( h->fenc->i_frame < h->param.i_threads )
1655                     predicted_bits += (int64_t)h->fenc->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
1656                 else
1657                     predicted_bits += (int64_t)(h->param.i_threads - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
1658             }
1659
1660             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
1661             q = rce.new_qscale;
1662             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
1663             if( ((h->fenc->i_frame + 1 - h->param.i_threads) >= rcc->fps) &&
1664                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
1665             {
1666                 /* Adjust quant based on the difference between
1667                  * achieved and expected bitrate so far */
1668                 double time = (double)h->fenc->i_frame / rcc->num_entries;
1669                 double w = x264_clip3f( time*100, 0.0, 1.0 );
1670                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
1671             }
1672             if( rcc->b_vbv )
1673             {
1674                 /* Do not overflow vbv */
1675                 double expected_size = qscale2bits(&rce, q);
1676                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
1677                 double expected_fullness =  rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
1678                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
1679                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
1680                 qmax = X264_MAX(qmax, rce.new_qscale);
1681                 if (expected_fullness < .05)
1682                     qmax = lmax;
1683                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
1684                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
1685                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
1686                 {
1687                     q *= 1.05;
1688                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
1689                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
1690                 }
1691                 rcc->last_satd = x264_stack_align( x264_rc_analyse_slice, h );
1692             }
1693             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
1694         }
1695         else /* 1pass ABR */
1696         {
1697             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
1698              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
1699              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
1700              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
1701              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
1702              * the target.
1703              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
1704              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
1705              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
1706
1707             double wanted_bits, overflow=1, lmin, lmax;
1708
1709             rcc->last_satd = x264_stack_align( x264_rc_analyse_slice, h );
1710             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
1711             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
1712             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd;
1713             rcc->short_term_cplxcount ++;
1714
1715             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
1716             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
1717             rce.mv_bits = 0;
1718             rce.p_count = rcc->nmb;
1719             rce.i_count = 0;
1720             rce.s_count = 0;
1721             rce.qscale = 1;
1722             rce.pict_type = pict_type;
1723
1724             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
1725             {
1726                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
1727             }
1728             else
1729             {
1730                 int i_frame_done = h->fenc->i_frame + 1 - h->param.i_threads;
1731
1732                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
1733
1734                 // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
1735                 wanted_bits = i_frame_done * rcc->bitrate / rcc->fps;
1736                 if( wanted_bits > 0 )
1737                 {
1738                     abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt(i_frame_done/25) );
1739                     overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
1740                     q *= overflow;
1741                 }
1742             }
1743
1744             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
1745                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
1746                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
1747             {
1748                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1749                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1750             }
1751             else if( h->i_frame > 0 )
1752             {
1753                 /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
1754                  * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
1755                 lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
1756                 lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
1757                 if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
1758                     lmax *= rcc->lstep;
1759                 else if( overflow < 0.9 )
1760                     lmin /= rcc->lstep;
1761
1762                 q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
1763             }
1764             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
1765             {
1766                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1767             }
1768             rcc->qp_novbv = qscale2qp(q);
1769
1770             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
1771             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
1772         }
1773
1774         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
1775         rcc->last_qscale = q;
1776
1777         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
1778             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q;
1779
1780         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
1781             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
1782         else
1783             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1784         x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, rcc->frame_size_planned);
1785         return q;
1786     }
1787 }
1788
1789 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
1790 {
1791     if( cur != prev )
1792     {
1793 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
1794         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
1795          * so copy them from the context that most recently started (prev)
1796          * to the context that's about to start (cur).
1797          */
1798         COPY(accum_p_qp);
1799         COPY(accum_p_norm);
1800         COPY(last_satd);
1801         COPY(last_rceq);
1802         COPY(last_qscale_for);
1803         COPY(last_non_b_pict_type);
1804         COPY(short_term_cplxsum);
1805         COPY(short_term_cplxcount);
1806         COPY(bframes);
1807         COPY(prev_zone);
1808 #undef COPY
1809     }
1810     if( cur != next )
1811     {
1812 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
1813         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
1814          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
1815          * to the context that's about to end (next)
1816          */
1817         COPY(cplxr_sum);
1818         COPY(expected_bits_sum);
1819         COPY(wanted_bits_window);
1820         COPY(bframe_bits);
1821 #undef COPY
1822     }
1823     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
1824     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
1825 }
1826
1827 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
1828 {
1829     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
1830      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
1831      * can influence the buffer fill of that end frame. */
1832     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1833     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
1834     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
1835     double fill = fills[*t0-1];
1836     double parity = over ? 1. : -1.;
1837     int i, start=-1, end=-1;
1838     for(i = *t0; i < rcc->num_entries; i++)
1839     {
1840         fill += (rcc->buffer_rate - qscale2bits(&rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale)) * parity;
1841         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
1842         fills[i] = fill;
1843         if(fill <= buffer_min || i == 0)
1844         {
1845             if(end >= 0)
1846                 break;
1847             start = i;
1848         }
1849         else if(fill >= buffer_max && start >= 0)
1850             end = i;
1851     }
1852     *t0 = start;
1853     *t1 = end;
1854     return start>=0 && end>=0;
1855 }
1856
1857 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
1858 {
1859     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1860     double qscale_orig, qscale_new;
1861     int i;
1862     int adjusted = 0;
1863     if(t0 > 0)
1864         t0++;
1865     for(i = t0; i <= t1; i++)
1866     {
1867         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
1868         qscale_orig = x264_clip3f(qscale_orig, qscale_min, qscale_max);
1869         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
1870         qscale_new  = x264_clip3f(qscale_new, qscale_min, qscale_max);
1871         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
1872         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
1873     }
1874     return adjusted;
1875 }
1876
1877 static double count_expected_bits( x264_t *h )
1878 {
1879     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1880     double expected_bits = 0;
1881     int i;
1882     for(i = 0; i < rcc->num_entries; i++)
1883     {
1884         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1885         rce->expected_bits = expected_bits;
1886         expected_bits += qscale2bits(rce, rce->new_qscale);
1887     }
1888     return expected_bits;
1889 }
1890
1891 static int vbv_pass2( x264_t *h )
1892 {
1893     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
1894      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
1895      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
1896      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
1897
1898     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1899     double *fills;
1900     double all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * rcc->num_entries / rcc->fps;
1901     double expected_bits = 0;
1902     double adjustment;
1903     double prev_bits = 0;
1904     int i, t0, t1;
1905     double qscale_min = qp2qscale(h->param.rc.i_qp_min);
1906     double qscale_max = qp2qscale(h->param.rc.i_qp_max);
1907     int iterations = 0;
1908     int adj_min, adj_max;
1909     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
1910
1911     fills++;
1912
1913     /* adjust overall stream size */
1914     do
1915     {
1916         iterations++;
1917         prev_bits = expected_bits;
1918
1919         if(expected_bits != 0)
1920         {   /* not first iteration */
1921             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
1922             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
1923             t0 = 0;
1924             /* fix overflows */
1925             adj_min = 1;
1926             while(adj_min && find_underflow(h, fills, &t0, &t1, 1))
1927             {
1928                 adj_min = fix_underflow(h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max);
1929                 t0 = t1;
1930             }
1931         }
1932
1933         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
1934         t0 = 0;
1935         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
1936         adj_max = 1;
1937         while(adj_max && find_underflow(h, fills, &t0, &t1, 0))
1938             adj_max = fix_underflow(h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max);
1939
1940         expected_bits = count_expected_bits(h);
1941     } while((expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int)(expected_bits+.5) > (int)(prev_bits+.5)) );
1942
1943     if (!adj_max)
1944         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
1945
1946     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
1947     for(i = 0; i < rcc->num_entries; i++)
1948         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
1949
1950     x264_free(fills-1);
1951     return 0;
1952 fail:
1953     return -1;
1954 }
1955
1956 static int init_pass2( x264_t *h )
1957 {
1958     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1959     uint64_t all_const_bits = 0;
1960     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(h->param.rc.i_bitrate * 1000. * rcc->num_entries / rcc->fps);
1961     double rate_factor, step, step_mult;
1962     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
1963     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
1964     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
1965     double expected_bits;
1966     double *qscale, *blurred_qscale;
1967     int i;
1968
1969     /* find total/average complexity & const_bits */
1970     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1971     {
1972         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1973         all_const_bits += rce->misc_bits;
1974     }
1975
1976     if( all_available_bits < all_const_bits)
1977     {
1978         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
1979                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)));
1980         return -1;
1981     }
1982
1983     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
1984      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
1985      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
1986      * bits than intended. */
1987     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1988     {
1989         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1990         double weight_sum = 0;
1991         double cplx_sum = 0;
1992         double weight = 1.0;
1993         double gaussian_weight;
1994         int j;
1995         /* weighted average of cplx of future frames */
1996         for(j=1; j<cplxblur*2 && j<rcc->num_entries-i; j++)
1997         {
1998             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
1999             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2000             if(weight < .0001)
2001                 break;
2002             gaussian_weight = weight * exp(-j*j/200.0);
2003             weight_sum += gaussian_weight;
2004             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2005         }
2006         /* weighted average of cplx of past frames */
2007         weight = 1.0;
2008         for(j=0; j<=cplxblur*2 && j<=i; j++)
2009         {
2010             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2011             gaussian_weight = weight * exp(-j*j/200.0);
2012             weight_sum += gaussian_weight;
2013             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2014             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2015             if(weight < .0001)
2016                 break;
2017         }
2018         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2019     }
2020
2021     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2022     if( filter_size > 1 )
2023         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2024     else
2025         blurred_qscale = qscale;
2026
2027     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2028      * each frame, adds up to the desired total size.
2029      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2030      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2031      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2032      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2033
2034     expected_bits = 1;
2035     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2036         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i));
2037     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2038
2039     rate_factor = 0;
2040     for(step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2041     {
2042         expected_bits = 0;
2043         rate_factor += step;
2044
2045         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2046         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2047         rcc->accum_p_norm = 0;
2048
2049         /* find qscale */
2050         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2051         {
2052             qscale[i] = get_qscale(h, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
2053         }
2054
2055         /* fixed I/B qscale relative to P */
2056         for(i=rcc->num_entries-1; i>=0; i--)
2057         {
2058             qscale[i] = get_diff_limited_q(h, &rcc->entry[i], qscale[i]);
2059             assert(qscale[i] >= 0);
2060         }
2061
2062         /* smooth curve */
2063         if(filter_size > 1)
2064         {
2065             assert(filter_size%2==1);
2066             for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2067             {
2068                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2069                 int j;
2070                 double q=0.0, sum=0.0;
2071
2072                 for(j=0; j<filter_size; j++)
2073                 {
2074                     int index = i+j-filter_size/2;
2075                     double d = index-i;
2076                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp(-d*d/(qblur*qblur));
2077                     if(index < 0 || index >= rcc->num_entries)
2078                         continue;
2079                     if(rce->pict_type != rcc->entry[index].pict_type)
2080                         continue;
2081                     q += qscale[index] * coeff;
2082                     sum += coeff;
2083                 }
2084                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2085             }
2086         }
2087
2088         /* find expected bits */
2089         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2090         {
2091             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2092             rce->new_qscale = clip_qscale(h, rce->pict_type, blurred_qscale[i]);
2093             assert(rce->new_qscale >= 0);
2094             expected_bits += qscale2bits(rce, rce->new_qscale);
2095         }
2096
2097         if(expected_bits > all_available_bits) rate_factor -= step;
2098     }
2099
2100     x264_free(qscale);
2101     if(filter_size > 1)
2102         x264_free(blurred_qscale);
2103
2104     if(rcc->b_vbv)
2105         if( vbv_pass2( h ) )
2106             return -1;
2107     expected_bits = count_expected_bits(h);
2108
2109     if(fabs(expected_bits/all_available_bits - 1.0) > 0.01)
2110     {
2111         double avgq = 0;
2112         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2113             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2114         avgq = qscale2qp(avgq / rcc->num_entries);
2115
2116         if ((expected_bits > all_available_bits) || (!rcc->b_vbv))
2117             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n");
2118         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2119                  (float)h->param.rc.i_bitrate,
2120                  expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2121                  avgq);
2122         if(expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2)
2123         {
2124             if(h->param.rc.i_qp_min > 0)
2125                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min);
2126             else
2127                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n");
2128         }
2129         else if(expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2)
2130         {
2131             if(h->param.rc.i_qp_max < 51)
2132                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max);
2133             else
2134                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2135         }
2136         else if(!(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv))
2137             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n");
2138     }
2139
2140     return 0;
2141 fail:
2142     return -1;
2143 }