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
  31 #include "common/common.h"
  32 #include "common/cpu.h"
  33 #include "ratecontrol.h"
  34 #include "me.h"
  35
  36 typedef struct
  37 {
  38     int pict_type;
  39     int frame_type;
  40     int kept_as_ref;
  41     double 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     double 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     int16_t weight[2];
  55     int16_t i_weight_denom;
  56     int refcount[16];
  57     int refs;
  58 } ratecontrol_entry_t;
  59
  60 typedef struct
  61 {
  62     double coeff;
  63     double count;
  64     double decay;
  65     double offset;
  66 } predictor_t;
  67
  68 struct x264_ratecontrol_t
  69 {
  70     /* constants */
  71     int b_abr;
  72     int b_2pass;
  73     int b_vbv;
  74     int b_vbv_min_rate;
  75     double fps;
  76     double bitrate;
  77     double rate_tolerance;
  78     double qcompress;
  79     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  80     int qp_constant[5];
  81
  82     /* current frame */
  83     ratecontrol_entry_t *rce;
  84     int qp;                     /* qp for current frame */
  85     int qpm;                    /* qp for current macroblock */
  86     float f_qpm;                /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  87     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  88     float qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  89     float qp_novbv;             /* QP for the current frame if 1-pass VBV was disabled. */
  90     int qp_force;
  91
  92     /* VBV stuff */
  93     double buffer_size;
  94     double buffer_fill_final;   /* real buffer as of the last finished frame */
  95     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  96     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  97     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
  98     int single_frame_vbv;
  99
 100     /* ABR stuff */
 101     int    last_satd;
 102     double last_rceq;
 103     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
 104     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
 105     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
 106     double cbr_decay;
 107     double short_term_cplxsum;
 108     double short_term_cplxcount;
 109     double rate_factor_constant;
 110     double ip_offset;
 111     double pb_offset;
 112
 113     /* 2pass stuff */
 114     FILE *p_stat_file_out;
 115     char *psz_stat_file_tmpname;
 116     FILE *p_mbtree_stat_file_out;
 117     char *psz_mbtree_stat_file_tmpname;
 118     char *psz_mbtree_stat_file_name;
 119     FILE *p_mbtree_stat_file_in;
 120
 121     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 122     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 123     double last_qscale;
 124     double last_qscale_for[5];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff  */
 125     int last_non_b_pict_type;
 126     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 127     double accum_p_norm;
 128     double last_accum_p_norm;
 129     double lmin[5];             /* min qscale by frame type */
 130     double lmax[5];
 131     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 132     uint16_t *qp_buffer[2];     /* Global buffers for converting MB-tree quantizer data. */
 133     int qpbuf_pos;              /* In order to handle pyramid reordering, QP buffer acts as a stack.
 134                                  * This value is the current position (0 or 1). */
 135
 136     /* MBRC stuff */
 137     double frame_size_estimated;
 138     double frame_size_planned;
 139     double slice_size_planned;
 140     predictor_t (*row_pred)[2];
 141     predictor_t row_preds[5][2];
 142     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 143     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 144     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 145
 146     int i_zones;
 147     x264_zone_t *zones;
 148     x264_zone_t *prev_zone;
 149 };
 150
 151
 152 static int parse_zones( x264_t *h );
 153 static int init_pass2(x264_t *);
 154 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 155 static void update_vbv( x264_t *h, int bits );
 156 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead );
 157 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var );
 158 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits );
 159
 160 #define CMP_OPT_FIRST_PASS( opt, param_val )\
 161 {\
 162     if( ( p = strstr( opts, opt "=" ) ) && sscanf( p, opt "=%d" , &i ) && param_val != i )\
 163     {\
 164         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different " opt " setting than first pass (%d vs %d)\n", param_val, i );\
 165         return -1;\
 166     }\
 167 }
 168
 169 /* Terminology:
 170  * qp = h.264's quantizer
 171  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 172  */
 173 static inline double qp2qscale(double qp)
 174 {
 175     return 0.85 * pow(2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0);
 176 }
 177 static inline double qscale2qp(double qscale)
 178 {
 179     return 12.0 + 6.0 * log(qscale/0.85) / log(2.0);
 180 }
 181
 182 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 183  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 184  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 185  * for motion estimation is constant there. */
 186 static inline double qscale2bits(ratecontrol_entry_t *rce, double qscale)
 187 {
 188     if(qscale<0.1)
 189         qscale = 0.1;
 190     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 191            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 192            + rce->misc_bits;
 193 }
 194
 195 static ALWAYS_INLINE uint32_t ac_energy_plane( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame, int i )
 196 {
 197     int w = i ? 8 : 16;
 198     int shift = i ? 6 : 8;
 199     int stride = frame->i_stride[i];
 200     int offset = h->mb.b_interlaced
 201         ? w * (mb_x + (mb_y&~1) * stride) + (mb_y&1) * stride
 202         : w * (mb_x + mb_y * stride);
 203     int pix = i ? PIXEL_8x8 : PIXEL_16x16;
 204     stride <<= h->mb.b_interlaced;
 205     uint64_t res = h->pixf.var[pix]( frame->plane[i] + offset, stride );
 206     uint32_t sum = (uint32_t)res;
 207     uint32_t sqr = res >> 32;
 208     return sqr - (sum * sum >> shift);
 209 }
 210
 211 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 212 static NOINLINE uint32_t ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 213 {
 214     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 215      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 216      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 217      * sure no reordering goes on. */
 218     uint32_t var = ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 0 );
 219     var         += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 1 );
 220     var         += ac_energy_plane( h, mb_x, mb_y, frame, 2 );
 221     x264_emms();
 222     return var;
 223 }
 224
 225 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame )
 226 {
 227     /* constants chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ.
 228      * FIXME: while they're written in 5 significant digits, they're only tuned to 2. */
 229     int mb_x, mb_y;
 230     float strength;
 231     float avg_adj = 0.f;
 232     /* Need to init it anyways for MB tree. */
 233     if( h->param.rc.f_aq_strength == 0 )
 234     {
 235         int mb_xy;
 236         memset( frame->f_qp_offset, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 237         memset( frame->f_qp_offset_aq, 0, h->mb.i_mb_count * sizeof(float) );
 238         if( h->frames.b_have_lowres )
 239             for( mb_xy = 0; mb_xy < h->mb.i_mb_count; mb_xy++ )
 240                 frame->i_inv_qscale_factor[mb_xy] = 256;
 241         return;
 242     }
 243
 244     if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 245     {
 246         for( mb_y = 0; mb_y < h->sps->i_mb_height; mb_y++ )
 247             for( mb_x = 0; mb_x < h->sps->i_mb_width; mb_x++ )
 248             {
 249                 uint32_t energy = ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 250                 float qp_adj = x264_log2( energy + 2 );
 251                 qp_adj *= qp_adj;
 252                 frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 253                 avg_adj += qp_adj;
 254             }
 255         avg_adj /= h->mb.i_mb_count;
 256         strength = h->param.rc.f_aq_strength * avg_adj * (1.f / 6000.f);
 257     }
 258     else
 259         strength = h->param.rc.f_aq_strength * 1.0397f;
 260
 261     for( mb_y = 0; mb_y < h->sps->i_mb_height; mb_y++ )
 262         for( mb_x = 0; mb_x < h->sps->i_mb_width; mb_x++ )
 263         {
 264             float qp_adj;
 265             if( h->param.rc.i_aq_mode == X264_AQ_AUTOVARIANCE )
 266             {
 267                 qp_adj = frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride];
 268                 qp_adj = strength * (qp_adj - avg_adj);
 269             }
 270             else
 271             {
 272                 uint32_t energy = ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 273                 qp_adj = strength * (x264_log2( X264_MAX(energy, 1) ) - 14.427f);
 274             }
 275             frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] =
 276             frame->f_qp_offset_aq[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 277             if( h->frames.b_have_lowres )
 278                 frame->i_inv_qscale_factor[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = x264_exp2fix8(qp_adj);
 279         }
 280 }
 281
 282
 283 /*****************************************************************************
 284 * x264_adaptive_quant:
 285  * adjust macroblock QP based on variance (AC energy) of the MB.
 286  * high variance  = higher QP
 287  * low variance = lower QP
 288  * This generally increases SSIM and lowers PSNR.
 289 *****************************************************************************/
 290 void x264_adaptive_quant( x264_t *h )
 291 {
 292     x264_emms();
 293     /* MB-tree currently doesn't adjust quantizers in unreferenced frames. */
 294     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];
 295     h->mb.i_qp = x264_clip3( h->rc->f_qpm + qp_offset + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
 296 }
 297
 298 int x264_macroblock_tree_read( x264_t *h, x264_frame_t *frame )
 299 {
 300     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 301     uint8_t i_type_actual = rc->entry[frame->i_frame].pict_type;
 302     int i;
 303
 304     if( rc->entry[frame->i_frame].kept_as_ref )
 305     {
 306         uint8_t i_type;
 307         if( rc->qpbuf_pos < 0 )
 308         {
 309             do
 310             {
 311                 rc->qpbuf_pos++;
 312
 313                 if( !fread( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_in ) )
 314                     goto fail;
 315                 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 )
 316                     goto fail;
 317
 318                 if( i_type != i_type_actual && rc->qpbuf_pos == 1 )
 319                 {
 320                     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree frametype %d doesn't match actual frametype %d.\n", i_type, i_type_actual);
 321                     return -1;
 322                 }
 323             } while( i_type != i_type_actual );
 324         }
 325
 326         for( i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
 327         {
 328             frame->f_qp_offset[i] = ((float)(int16_t)endian_fix16( rc->qp_buffer[rc->qpbuf_pos][i] )) * (1/256.0);
 329             if( h->frames.b_have_lowres )
 330                 frame->i_inv_qscale_factor[i] = x264_exp2fix8(frame->f_qp_offset[i]);
 331         }
 332         rc->qpbuf_pos--;
 333     }
 334     else
 335         x264_adaptive_quant_frame( h, frame );
 336     return 0;
 337 fail:
 338     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "Incomplete MB-tree stats file.\n");
 339     return -1;
 340 }
 341
 342 int x264_reference_build_list_optimal( x264_t *h )
 343 {
 344     ratecontrol_entry_t *rce = h->rc->rce;
 345     x264_frame_t *frames[16];
 346     x264_weight_t weights[16][3];
 347     int refcount[16];
 348     int ref, i;
 349
 350     if( rce->refs != h->i_ref0 )
 351         return -1;
 352
 353     memcpy( frames, h->fref0, sizeof(frames) );
 354     memcpy( refcount, rce->refcount, sizeof(refcount) );
 355     memcpy( weights, h->fenc->weight, sizeof(weights) );
 356     memset( &h->fenc->weight[1][0], 0, sizeof(x264_weight_t[15][3]) );
 357
 358     /* For now don't reorder ref 0; it seems to lower quality
 359        in most cases due to skips. */
 360     for( ref = 1; ref < h->i_ref0; ref++ )
 361     {
 362         int max = -1;
 363         int bestref = 1;
 364
 365         for( i = 1; i < h->i_ref0; i++ )
 366             if( !frames[i]->b_duplicate || frames[i]->i_frame != h->fref0[ref-1]->i_frame )
 367                 /* Favor lower POC as a tiebreaker. */
 368                 COPY2_IF_GT( max, refcount[i], bestref, i );
 369
 370         /* FIXME: If there are duplicates from frames other than ref0 then it is possible
 371          * that the optimal ordering doesnt place every duplicate. */
 372
 373         refcount[bestref] = -1;
 374         h->fref0[ref] = frames[bestref];
 375         memcpy( h->fenc->weight[ref], weights[bestref], sizeof(weights[bestref]) );
 376     }
 377
 378     return 0;
 379 }
 380
 381 static char *x264_strcat_filename( char *input, char *suffix )
 382 {
 383     char *output = x264_malloc( strlen( input ) + strlen( suffix ) + 1 );
 384     if( !output )
 385         return NULL;
 386     strcpy( output, input );
 387     strcat( output, suffix );
 388     return output;
 389 }
 390
 391 void x264_ratecontrol_init_reconfigurable( x264_t *h, int b_init )
 392 {
 393     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 394     if( !b_init && rc->b_2pass )
 395         return;
 396
 397     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 && h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 398     {
 399         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < (int)(h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps) )
 400         {
 401             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 402             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size cannot be smaller than one frame, using %d kbit\n",
 403                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 404         }
 405
 406         /* We don't support changing the ABR bitrate right now,
 407            so if the stream starts as CBR, keep it CBR. */
 408         if( rc->b_vbv_min_rate )
 409             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 410         rc->buffer_rate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000. / rc->fps;
 411         rc->buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000.;
 412         rc->single_frame_vbv = rc->buffer_rate * 1.1 > rc->buffer_size;
 413         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 414                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 415         if( b_init )
 416         {
 417             if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 418                 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 );
 419             h->param.rc.f_vbv_buffer_init = X264_MAX( h->param.rc.f_vbv_buffer_init, rc->buffer_rate / rc->buffer_size );
 420             rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
 421             rc->b_vbv = 1;
 422             rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 423                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 424                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 425         }
 426     }
 427     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 428     {
 429         /* Arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP.
 430          * Try to compensate for MB-tree's effects as well. */
 431         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 432         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 433         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 434                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant + mbtree_offset );
 435     }
 436 }
 437
 438 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 439 {
 440     x264_ratecontrol_t *rc;
 441     int i, j;
 442
 443     x264_emms();
 444
 445     CHECKED_MALLOCZERO( h->rc, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 446     rc = h->rc;
 447
 448     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 449     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 450
 451     /* FIXME: use integers */
 452     if(h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0)
 453         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 454     else
 455         rc->fps = 25.0;
 456
 457     if( h->param.rc.b_mb_tree )
 458     {
 459         h->param.rc.f_pb_factor = 1;
 460         rc->qcompress = 1;
 461     }
 462     else
 463         rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;
 464
 465     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 466     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 467     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 468     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 469     rc->cbr_decay = 1.0;
 470
 471     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 472     {
 473         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 474         return -1;
 475     }
 476
 477     x264_ratecontrol_init_reconfigurable( h, 1 );
 478
 479     if( rc->rate_tolerance < 0.01 )
 480     {
 481         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 482         rc->rate_tolerance = 0.01;
 483     }
 484
 485     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 486
 487     if( rc->b_abr )
 488     {
 489         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 490 #define ABR_INIT_QP ( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 )
 491         rc->accum_p_norm = .01;
 492         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 493         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 494         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, rc->qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 495         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 496         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 497     }
 498
 499     rc->ip_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_ip_factor) / log(2.0);
 500     rc->pb_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_pb_factor) / log(2.0);
 501     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 502     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, 51 );
 503     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, 51 );
 504     h->mb.ip_offset = rc->ip_offset + 0.5;
 505
 506     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 507     rc->last_qscale = qp2qscale(26);
 508     CHECKED_MALLOC( rc->pred, 5*sizeof(predictor_t) );
 509     CHECKED_MALLOC( rc->pred_b_from_p, sizeof(predictor_t) );
 510     for( i = 0; i < 5; i++ )
 511     {
 512         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 513         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 514         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 515         rc->pred[i].coeff= 2.0;
 516         rc->pred[i].count= 1.0;
 517         rc->pred[i].decay= 0.5;
 518         rc->pred[i].offset= 0.0;
 519         for( j = 0; j < 2; j++ )
 520         {
 521             rc->row_preds[i][j].coeff= .25;
 522             rc->row_preds[i][j].count= 1.0;
 523             rc->row_preds[i][j].decay= 0.5;
 524             rc->row_preds[i][j].offset= 0.0;
 525         }
 526     }
 527     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 528
 529     if( parse_zones( h ) < 0 )
 530     {
 531         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 532         return -1;
 533     }
 534
 535     /* Load stat file and init 2pass algo */
 536     if( h->param.rc.b_stat_read )
 537     {
 538         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 539
 540         /* read 1st pass stats */
 541         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 542         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 543         if( !stats_buf )
 544         {
 545             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 546             return -1;
 547         }
 548         if( h->param.rc.b_mb_tree )
 549         {
 550             char *mbtree_stats_in = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_in, ".mbtree" );
 551             if( !mbtree_stats_in )
 552                 return -1;
 553             rc->p_mbtree_stat_file_in = fopen( mbtree_stats_in, "rb" );
 554             x264_free( mbtree_stats_in );
 555             if( !rc->p_mbtree_stat_file_in )
 556             {
 557                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 558                 return -1;
 559             }
 560         }
 561
 562         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 563         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 564         {
 565             int i, j;
 566             char *opts = stats_buf;
 567             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 568             if( !stats_in )
 569                 return -1;
 570             *stats_in = '\0';
 571             stats_in++;
 572             if( sscanf( opts, "#options: %dx%d", &i, &j ) != 2 )
 573             {
 574                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "resolution specified in stats file not valid\n" );
 575                 return -1;
 576             }
 577             else if( h->param.rc.b_mb_tree && (i != h->param.i_width || j != h->param.i_height)  )
 578             {
 579                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "MB-tree doesn't support different resolution than 1st pass (%dx%d vs %dx%d)\n",
 580                           h->param.i_width, h->param.i_height, i, j );
 581                 return -1;
 582             }
 583
 584             CMP_OPT_FIRST_PASS( "wpredp", X264_MAX( 0, h->param.analyse.i_weighted_pred ) );
 585             CMP_OPT_FIRST_PASS( "bframes", h->param.i_bframe );
 586             CMP_OPT_FIRST_PASS( "b_pyramid", h->param.i_bframe_pyramid );
 587             CMP_OPT_FIRST_PASS( "intra_refresh", h->param.b_intra_refresh );
 588             CMP_OPT_FIRST_PASS( "keyint", h->param.i_keyint_max );
 589
 590             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 591                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 592
 593             if( !strstr( opts, "direct=3" ) && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 594             {
 595                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "direct=auto not used on the first pass\n" );
 596                 h->mb.b_direct_auto_write = 1;
 597             }
 598
 599             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 600                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 601             else if( h->param.i_bframe )
 602             {
 603                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 604                 return -1;
 605             }
 606
 607             if( h->param.rc.b_mb_tree && ( p = strstr( opts, "rc_lookahead=" ) ) && sscanf( p, "rc_lookahead=%d", &i ) )
 608                 h->param.rc.i_lookahead = i;
 609         }
 610
 611         /* find number of pics */
 612         p = stats_in;
 613         for(i=-1; p; i++)
 614             p = strchr(p+1, ';');
 615         if(i==0)
 616         {
 617             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 618             return -1;
 619         }
 620         rc->num_entries = i;
 621
 622         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 623         {
 624             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 625                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 626         }
 627         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 628         {
 629             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 630                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 631             return -1;
 632         }
 633
 634         CHECKED_MALLOCZERO( rc->entry, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t) );
 635
 636         /* init all to skipped p frames */
 637         for(i=0; i<rc->num_entries; i++)
 638         {
 639             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 640             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 641             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale(20);
 642             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 643             rce->new_qp = 0;
 644         }
 645
 646         /* read stats */
 647         p = stats_in;
 648         for(i=0; i < rc->num_entries; i++)
 649         {
 650             ratecontrol_entry_t *rce;
 651             int frame_number;
 652             char pict_type;
 653             int e;
 654             char *next;
 655             float qp;
 656             int ref;
 657
 658             next= strchr(p, ';');
 659             if(next)
 660             {
 661                 (*next)=0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 662                 next++;
 663             }
 664             e = sscanf(p, " in:%d ", &frame_number);
 665
 666             if(frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries)
 667             {
 668                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i);
 669                 return -1;
 670             }
 671             rce = &rc->entry[frame_number];
 672             rce->direct_mode = 0;
 673
 674             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",
 675                    &pict_type, &qp, &rce->tex_bits,
 676                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 677                    &rce->s_count, &rce->direct_mode);
 678
 679             p = strstr( p, "ref:" );
 680             if( !p )
 681                 goto parse_error;
 682             p += 4;
 683             for( ref = 0; ref < 16; ref++ )
 684             {
 685                 if( sscanf( p, " %d", &rce->refcount[ref] ) != 1 )
 686                     break;
 687                 p = strchr( p+1, ' ' );
 688                 if( !p )
 689                     goto parse_error;
 690             }
 691             rce->refs = ref;
 692
 693             /* find weights */
 694             rce->i_weight_denom = -1;
 695             char *w = strchr( p, 'w' );
 696             if( w )
 697                 if( sscanf( w, "w:%hd,%hd,%hd", &rce->i_weight_denom, &rce->weight[0], &rce->weight[1] ) != 3 )
 698                     rce->i_weight_denom = -1;
 699
 700             if( pict_type != 'b' )
 701                 rce->kept_as_ref = 1;
 702             switch( pict_type )
 703             {
 704                 case 'I':
 705                     rce->frame_type = X264_TYPE_IDR;
 706                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 707                     break;
 708                 case 'i':
 709                     rce->frame_type = X264_TYPE_I;
 710                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_I;
 711                     break;
 712                 case 'P':
 713                     rce->frame_type = X264_TYPE_P;
 714                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_P;
 715                     break;
 716                 case 'B':
 717                     rce->frame_type = X264_TYPE_BREF;
 718                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 719                     break;
 720                 case 'b':
 721                     rce->frame_type = X264_TYPE_B;
 722                     rce->pict_type  = SLICE_TYPE_B;
 723                     break;
 724                 default:  e = -1; break;
 725             }
 726             if(e < 10)
 727             {
 728 parse_error:
 729                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e);
 730                 return -1;
 731             }
 732             rce->qscale = qp2qscale(qp);
 733             p = next;
 734         }
 735
 736         x264_free(stats_buf);
 737
 738         if(h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR)
 739         {
 740             if(init_pass2(h) < 0) return -1;
 741         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 742     }
 743
 744     /* Open output file */
 745     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 746      * and move it to the real name only when it's complete */
 747     if( h->param.rc.b_stat_write )
 748     {
 749         char *p;
 750         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".temp" );
 751         if( !rc->psz_stat_file_tmpname )
 752             return -1;
 753
 754         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 755         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 756         {
 757             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 758             return -1;
 759         }
 760
 761         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 762         if( p )
 763             fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 764         x264_free( p );
 765         if( h->param.rc.b_mb_tree && !h->param.rc.b_stat_read )
 766         {
 767             rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree.temp" );
 768             rc->psz_mbtree_stat_file_name = x264_strcat_filename( h->param.rc.psz_stat_out, ".mbtree" );
 769             if( !rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname || !rc->psz_mbtree_stat_file_name )
 770                 return -1;
 771
 772             rc->p_mbtree_stat_file_out = fopen( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, "wb" );
 773             if( rc->p_mbtree_stat_file_out == NULL )
 774             {
 775                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open mbtree stats file\n");
 776                 return -1;
 777             }
 778         }
 779     }
 780
 781     if( h->param.rc.b_mb_tree && (h->param.rc.b_stat_read || h->param.rc.b_stat_write) )
 782     {
 783         CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[0], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 784         if( h->param.i_bframe_pyramid && h->param.rc.b_stat_read )
 785             CHECKED_MALLOC( rc->qp_buffer[1], h->mb.i_mb_count * sizeof(uint16_t) );
 786         rc->qpbuf_pos = -1;
 787     }
 788
 789     for( i=0; i<h->param.i_threads; i++ )
 790     {
 791         h->thread[i]->rc = rc+i;
 792         if( i )
 793         {
 794             rc[i] = rc[0];
 795             h->thread[i]->param = h->param;
 796             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 797         }
 798     }
 799
 800     return 0;
 801 fail:
 802     return -1;
 803 }
 804
 805 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 806 {
 807     int len = 0;
 808     char *tok, UNUSED *saveptr=NULL;
 809     z->param = NULL;
 810     z->f_bitrate_factor = 1;
 811     if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,q=%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
 812         z->b_force_qp = 1;
 813     else if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
 814         z->b_force_qp = 0;
 815     else if( 2 <= sscanf(p, "%u,%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
 816         z->b_force_qp = 0;
 817     else
 818     {
 819         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
 820         return -1;
 821     }
 822     p += len;
 823     if( !*p )
 824         return 0;
 825     CHECKED_MALLOC( z->param, sizeof(x264_param_t) );
 826     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 827     z->param->param_free = x264_free;
 828     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
 829     {
 830         char *val = strchr( tok, '=' );
 831         if( val )
 832         {
 833             *val = '\0';
 834             val++;
 835         }
 836         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
 837         {
 838             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
 839             return -1;
 840         }
 841         p = NULL;
 842     }
 843     return 0;
 844 fail:
 845     return -1;
 846 }
 847
 848 static int parse_zones( x264_t *h )
 849 {
 850     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 851     int i;
 852     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
 853     {
 854         char *psz_zones, *p;
 855         CHECKED_MALLOC( psz_zones, strlen( h->param.rc.psz_zones )+1 );
 856         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
 857         h->param.rc.i_zones = 1;
 858         for( p = psz_zones; *p; p++ )
 859             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
 860         CHECKED_MALLOC( h->param.rc.zones, h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
 861         p = psz_zones;
 862         for( i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
 863         {
 864             int i_tok = strcspn( p, "/" );
 865             p[i_tok] = 0;
 866             if( parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], p ) )
 867                 return -1;
 868             p += i_tok + 1;
 869         }
 870         x264_free( psz_zones );
 871     }
 872
 873     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
 874     {
 875         for( i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
 876         {
 877             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
 878             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
 879             {
 880                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
 881                           z.i_start, z.i_end );
 882                 return -1;
 883             }
 884             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
 885             {
 886                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
 887                           z.f_bitrate_factor );
 888                 return -1;
 889             }
 890         }
 891
 892         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
 893         CHECKED_MALLOC( rc->zones, rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
 894         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
 895
 896         // default zone to fall back to if none of the others match
 897         rc->zones[0].i_start = 0;
 898         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
 899         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
 900         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
 901         CHECKED_MALLOC( rc->zones[0].param, sizeof(x264_param_t) );
 902         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 903         for( i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
 904         {
 905             if( !rc->zones[i].param )
 906                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
 907         }
 908     }
 909
 910     return 0;
 911 fail:
 912     return -1;
 913 }
 914
 915 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
 916 {
 917     int i;
 918     for( i = h->rc->i_zones-1; i >= 0; i-- )
 919     {
 920         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
 921         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
 922             return z;
 923     }
 924     return NULL;
 925 }
 926
 927 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
 928 {
 929     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 930     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
 931     {
 932         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 933         double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
 934         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
 935                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
 936                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset );
 937     }
 938 }
 939
 940 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
 941 {
 942     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 943     int i;
 944     int b_regular_file;
 945
 946     if( rc->p_stat_file_out )
 947     {
 948         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_stat_file_out );
 949         fclose( rc->p_stat_file_out );
 950         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
 951             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
 952             {
 953                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
 954                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
 955             }
 956         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
 957     }
 958     if( rc->p_mbtree_stat_file_out )
 959     {
 960         b_regular_file = x264_is_regular_file( rc->p_mbtree_stat_file_out );
 961         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_out );
 962         if( h->i_frame >= rc->num_entries && b_regular_file )
 963             if( rename( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name ) != 0 )
 964             {
 965                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
 966                           rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname, rc->psz_mbtree_stat_file_name );
 967             }
 968         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_tmpname );
 969         x264_free( rc->psz_mbtree_stat_file_name );
 970     }
 971     if( rc->p_mbtree_stat_file_in )
 972         fclose( rc->p_mbtree_stat_file_in );
 973     x264_free( rc->pred );
 974     x264_free( rc->pred_b_from_p );
 975     x264_free( rc->entry );
 976     x264_free( rc->qp_buffer[0] );
 977     x264_free( rc->qp_buffer[1] );
 978     if( rc->zones )
 979     {
 980         x264_free( rc->zones[0].param );
 981         for( i=1; i<rc->i_zones; i++ )
 982             if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param && rc->zones[i].param->param_free )
 983                 rc->zones[i].param->param_free( rc->zones[i].param );
 984         x264_free( rc->zones );
 985     }
 986     x264_free( rc );
 987 }
 988
 989 void x264_ratecontrol_set_estimated_size( x264_t *h, int bits )
 990 {
 991     x264_pthread_mutex_lock( &h->fenc->mutex );
 992     h->rc->frame_size_estimated = bits;
 993     x264_pthread_mutex_unlock( &h->fenc->mutex );
 994 }
 995
 996 int x264_ratecontrol_get_estimated_size( x264_t const *h)
 997 {
 998     int size;
 999     x264_pthread_mutex_lock( &h->fenc->mutex );
1000     size = h->rc->frame_size_estimated;
1001     x264_pthread_mutex_unlock( &h->fenc->mutex );
1002     return size;
1003 }
1004
1005 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
1006 {
1007     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1008     rc->accum_p_qp   *= .95;
1009     rc->accum_p_norm *= .95;
1010     rc->accum_p_norm += 1;
1011     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
1012         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
1013     else
1014         rc->accum_p_qp += qp;
1015 }
1016
1017 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
1018 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp, int overhead )
1019 {
1020     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1021     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
1022     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
1023     float q;
1024
1025     x264_emms();
1026
1027     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
1028         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
1029     rc->prev_zone = zone;
1030
1031     rc->qp_force = i_force_qp;
1032
1033     if( h->param.rc.b_stat_read )
1034     {
1035         int frame = h->fenc->i_frame;
1036         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
1037         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
1038
1039         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
1040             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
1041         {
1042             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
1043             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
1044         }
1045     }
1046
1047     if( rc->b_vbv )
1048     {
1049         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->sps->i_mb_height * sizeof(int) );
1050         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
1051         update_vbv_plan( h, overhead );
1052     }
1053
1054     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1055         rc->bframes = h->fenc->i_bframes;
1056
1057     if( i_force_qp )
1058     {
1059         q = i_force_qp - 1;
1060     }
1061     else if( rc->b_abr )
1062     {
1063         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
1064     }
1065     else if( rc->b_2pass )
1066     {
1067         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
1068         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
1069     }
1070     else /* CQP */
1071     {
1072         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
1073             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
1074         else
1075             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
1076
1077         if( zone )
1078         {
1079             if( zone->b_force_qp )
1080                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
1081             else
1082                 q -= 6*log(zone->f_bitrate_factor)/log(2);
1083         }
1084     }
1085
1086     q = x264_clip3f( q, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
1087
1088     rc->qpa_rc =
1089     rc->qpa_aq = 0;
1090     h->fdec->f_qp_avg_rc =
1091     h->fdec->f_qp_avg_aq =
1092     rc->qpm =
1093     rc->qp = x264_clip3( (int)(q + 0.5), 0, 51 );
1094     rc->f_qpm = q;
1095     if( rce )
1096         rce->new_qp = rc->qp;
1097
1098     accum_p_qp_update( h, rc->qp );
1099
1100     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1101         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
1102 }
1103
1104 static double predict_row_size( x264_t *h, int y, int qp )
1105 {
1106     /* average between two predictors:
1107      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
1108     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1109     double pred_s = predict_size( rc->row_pred[0], qp2qscale(qp), h->fdec->i_row_satd[y] );
1110     double pred_t = 0;
1111     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I || qp >= h->fref0[0]->i_row_qp[y] )
1112     {
1113         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P
1114             && h->fref0[0]->i_type == h->fdec->i_type
1115             && h->fref0[0]->i_row_satd[y] > 0
1116             && (abs(h->fref0[0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
1117         {
1118             pred_t = h->fref0[0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref0[0]->i_row_satd[y]
1119                      * qp2qscale(h->fref0[0]->i_row_qp[y]) / qp2qscale(qp);
1120         }
1121         if( pred_t == 0 )
1122             pred_t = pred_s;
1123         return (pred_s + pred_t) / 2;
1124     }
1125     /* Our QP is lower than the reference! */
1126     else
1127     {
1128         double pred_intra = predict_size( rc->row_pred[1], qp2qscale(qp), h->fdec->i_row_satds[0][0][y] );
1129         /* Sum: better to overestimate than underestimate by using only one of the two predictors. */
1130         return pred_intra + pred_s;
1131     }
1132 }
1133
1134 static double row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
1135 {
1136     int i;
1137     double bits = 0;
1138     for( i = h->i_threadslice_start; i <= y; i++ )
1139         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
1140     return bits;
1141 }
1142
1143 static double predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, int qp )
1144 {
1145     int i;
1146     double bits = row_bits_so_far(h, y);
1147     for( i = y+1; i < h->i_threadslice_end; i++ )
1148         bits += predict_row_size( h, i, qp );
1149     return bits;
1150 }
1151
1152
1153 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
1154 {
1155     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1156     const int y = h->mb.i_mb_y;
1157
1158     x264_emms();
1159
1160     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
1161     rc->qpa_rc += rc->f_qpm;
1162     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
1163
1164     if( h->mb.i_mb_x != h->sps->i_mb_width - 1 || !rc->b_vbv )
1165         return;
1166
1167     h->fdec->i_row_qp[y] = rc->qpm;
1168
1169     update_predictor( rc->row_pred[0], qp2qscale(rc->qpm), h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1170     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && rc->qpm < h->fref0[0]->i_row_qp[y] )
1171         update_predictor( rc->row_pred[1], qp2qscale(rc->qpm), h->fdec->i_row_satds[0][0][y], h->fdec->i_row_bits[y] );
1172
1173     /* tweak quality based on difference from predicted size */
1174     if( y < h->i_threadslice_end-1 )
1175     {
1176         int prev_row_qp = h->fdec->i_row_qp[y];
1177         int i_qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_max );
1178         int i_qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
1179
1180         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames. */
1181         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1182         {
1183             i_qp_min = X264_MAX( i_qp_min, X264_MAX( h->fref0[0]->i_row_qp[y+1], h->fref1[0]->i_row_qp[y+1] ) );
1184             rc->qpm = X264_MAX( rc->qpm, i_qp_min );
1185         }
1186
1187         float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
1188         float slice_size_planned = h->param.b_sliced_threads ? rc->slice_size_planned : rc->frame_size_planned;
1189         float size_of_other_slices = rc->frame_size_planned - slice_size_planned;
1190         /* More threads means we have to be more cautious in letting ratecontrol use up extra bits. */
1191         float rc_tol = buffer_left_planned / h->param.i_threads * rc->rate_tolerance;
1192         float max_frame_error = X264_MAX( 0.05, 1.0 / h->sps->i_mb_height );
1193         int b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1194
1195         /* Assume that if this slice has become larger than expected,
1196          * the other slices will have gotten equally larger. */
1197         b1 += X264_MAX( size_of_other_slices * b1 / slice_size_planned, size_of_other_slices );
1198
1199         /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
1200         /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
1201         if( row_bits_so_far(h,y) < 0.05 * (rc->frame_size_planned-size_of_other_slices) )
1202             return;
1203
1204         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I )
1205             rc_tol /= 2;
1206
1207         if( !rc->b_vbv_min_rate )
1208             i_qp_min = X264_MAX( i_qp_min, h->sh.i_qp );
1209
1210         while( rc->qpm < i_qp_max
1211                && ((b1 > rc->frame_size_planned + rc_tol) ||
1212                    (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5) ||
1213                    (b1 > rc->frame_size_planned && rc->qpm < rc->qp_novbv)) )
1214         {
1215             rc->qpm ++;
1216             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1217             b1 += X264_MAX( size_of_other_slices * b1 / slice_size_planned, size_of_other_slices );
1218         }
1219
1220         while( rc->qpm > i_qp_min
1221                && (rc->qpm > h->fdec->i_row_qp[0] || rc->single_frame_vbv)
1222                && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8 && rc->qpm <= prev_row_qp)
1223                || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1) )
1224         {
1225             rc->qpm --;
1226             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1227             b1 += X264_MAX( size_of_other_slices * b1 / slice_size_planned, size_of_other_slices );
1228         }
1229
1230         /* avoid VBV underflow */
1231         while( (rc->qpm < h->param.rc.i_qp_max)
1232                && (rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_rate * max_frame_error) )
1233         {
1234             rc->qpm ++;
1235             b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
1236             b1 += X264_MAX( size_of_other_slices * b1 / slice_size_planned, size_of_other_slices );
1237         }
1238
1239         x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, b1);
1240     }
1241
1242     /* loses the fractional part of the frame-wise qp */
1243     rc->f_qpm = rc->qpm;
1244 }
1245
1246 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
1247 {
1248     return h->rc->qpm;
1249 }
1250
1251 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
1252 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
1253 {
1254     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1255     if( h->param.rc.b_stat_read )
1256     {
1257         if( frame_num >= rc->num_entries )
1258         {
1259             /* We could try to initialize everything required for ABR and
1260              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
1261              * So just calculate the average QP used so far. */
1262             int i;
1263
1264             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24
1265                                       : 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
1266             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, 51 );
1267             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 );
1268             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 );
1269
1270             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
1271             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
1272             if( h->param.i_bframe_adaptive )
1273                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
1274
1275             for( i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1276             {
1277                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1278                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1279                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1280                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1281                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1282                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = 0;
1283                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1284                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1285             }
1286             return X264_TYPE_AUTO;
1287         }
1288         return rc->entry[frame_num].frame_type;
1289     }
1290     else
1291         return X264_TYPE_AUTO;
1292 }
1293
1294 void x264_ratecontrol_set_weights( x264_t *h, x264_frame_t *frm )
1295 {
1296     ratecontrol_entry_t *rce = &h->rc->entry[frm->i_frame];
1297     if( h->param.analyse.i_weighted_pred <= 0 )
1298         return;
1299     if( rce->i_weight_denom >= 0 )
1300         SET_WEIGHT( frm->weight[0][0], 1, rce->weight[0], rce->i_weight_denom, rce->weight[1] );
1301 }
1302
1303 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1304 int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits )
1305 {
1306     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1307     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1308     int i;
1309
1310     x264_emms();
1311
1312     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1313     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1314     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1315     for( i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1316         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1317
1318     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1319     h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
1320
1321     if( h->param.rc.b_stat_write )
1322     {
1323         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1324                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1325                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1326         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1327         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1328         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1329                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1330                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1331                         : '-';
1332         if( fprintf( rc->p_stat_file_out,
1333                  "in:%d out:%d type:%c q:%.2f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c ref:",
1334                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1335                  c_type, rc->qpa_rc,
1336                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1337                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1338                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1339                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1340                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1341                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1342                  c_direct) < 0 )
1343             goto fail;
1344
1345         /* Only write information for reference reordering once. */
1346         int use_old_stats = h->param.rc.b_stat_read && rc->rce->refs > 1;
1347         for( i = 0; i < (use_old_stats ? rc->rce->refs : h->i_ref0); i++ )
1348         {
1349             int refcount = use_old_stats         ? rc->rce->refcount[i]
1350                          : h->param.b_interlaced ? h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2]
1351                                                  + h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i*2+1]
1352                          :                         h->stat.frame.i_mb_count_ref[0][i];
1353             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "%d ", refcount ) < 0 )
1354                 goto fail;
1355         }
1356
1357         if( h->sh.weight[0][0].weightfn )
1358         {
1359             if( fprintf( rc->p_stat_file_out, "w:%"PRId32",%"PRId32",%"PRId32, h->sh.weight[0][0].i_denom, h->sh.weight[0][0].i_scale, h->sh.weight[0][0].i_offset ) < 0 )
1360                 goto fail;
1361         }
1362
1363         if( fprintf( rc->p_stat_file_out, ";\n") < 0 )
1364             goto fail;
1365
1366         /* Don't re-write the data in multi-pass mode. */
1367         if( h->param.rc.b_mb_tree && h->fenc->b_kept_as_ref && !h->param.rc.b_stat_read )
1368         {
1369             uint8_t i_type = h->sh.i_type;
1370             int i;
1371             /* Values are stored as big-endian FIX8.8 */
1372             for( i = 0; i < h->mb.i_mb_count; i++ )
1373                 rc->qp_buffer[0][i] = endian_fix16( h->fenc->f_qp_offset[i]*256.0 );
1374             if( fwrite( &i_type, 1, 1, rc->p_mbtree_stat_file_out ) < 1 )
1375                 goto fail;
1376             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 )
1377                 goto fail;
1378         }
1379     }
1380
1381     if( rc->b_abr )
1382     {
1383         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1384             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale(rc->qpa_rc) / rc->last_rceq;
1385         else
1386         {
1387             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1388              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1389             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale(rc->qpa_rc) / (rc->last_rceq * fabs(h->param.rc.f_pb_factor));
1390         }
1391         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1392         rc->wanted_bits_window += rc->bitrate / rc->fps;
1393         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1394     }
1395
1396     if( rc->b_2pass )
1397     {
1398         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale(rc->rce->new_qp) );
1399     }
1400
1401     if( h->mb.b_variable_qp )
1402     {
1403         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1404         {
1405             rc->bframe_bits += bits;
1406             if( h->fenc->b_last_minigop_bframe )
1407             {
1408                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale(rc->qpa_rc),
1409                                   h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1410                 rc->bframe_bits = 0;
1411             }
1412         }
1413     }
1414
1415     update_vbv( h, bits );
1416     return 0;
1417 fail:
1418     x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_end: stats file could not be written to\n");
1419     return -1;
1420 }
1421
1422 /****************************************************************************
1423  * 2 pass functions
1424  ***************************************************************************/
1425
1426 /**
1427  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1428  */
1429 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1430 {
1431     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1432     double q;
1433     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1434
1435     q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - rcc->qcompress );
1436
1437     // avoid NaN's in the rc_eq
1438     if(!isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0)
1439         q = rcc->last_qscale_for[rce->pict_type];
1440     else
1441     {
1442         rcc->last_rceq = q;
1443         q /= rate_factor;
1444         rcc->last_qscale = q;
1445     }
1446
1447     if( zone )
1448     {
1449         if( zone->b_force_qp )
1450             q = qp2qscale(zone->i_qp);
1451         else
1452             q /= zone->f_bitrate_factor;
1453     }
1454
1455     return q;
1456 }
1457
1458 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q)
1459 {
1460     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1461     const int pict_type = rce->pict_type;
1462
1463     // force I/B quants as a function of P quants
1464     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1465     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1466     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1467     {
1468         double iq = q;
1469         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1470         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1471         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1472         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1473             q = iq;
1474         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1475             q = iq / ip_factor;
1476         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1477             q = pq / ip_factor;
1478         else
1479             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1480     }
1481     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1482     {
1483         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1484             q = last_non_b_q;
1485         if( !rce->kept_as_ref )
1486             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1487     }
1488     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1489              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1490              && rce->tex_bits == 0 )
1491     {
1492         q = last_p_q;
1493     }
1494
1495     /* last qscale / qdiff stuff */
1496     if(rcc->last_non_b_pict_type==pict_type
1497        && (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1))
1498     {
1499         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1500         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1501         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1502
1503         if     (q > max_qscale) q = max_qscale;
1504         else if(q < min_qscale) q = min_qscale;
1505     }
1506
1507     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1508     if(pict_type!=SLICE_TYPE_B)
1509         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1510     if(pict_type==SLICE_TYPE_I)
1511     {
1512         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1513         rcc->accum_p_norm = 0;
1514         rcc->accum_p_qp = 0;
1515     }
1516     if(pict_type==SLICE_TYPE_P)
1517     {
1518         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1519         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp(q) + rcc->accum_p_qp);
1520         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1521     }
1522     return q;
1523 }
1524
1525 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var )
1526 {
1527      return (p->coeff*var + p->offset) / (q*p->count);
1528 }
1529
1530 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits )
1531 {
1532     const double range = 1.5;
1533     if( var < 10 )
1534         return;
1535     double old_coeff = p->coeff / p->count;
1536     double new_coeff = bits*q / var;
1537     double new_coeff_clipped = x264_clip3f( new_coeff, old_coeff/range, old_coeff*range );
1538     double new_offset = bits*q - new_coeff_clipped * var;
1539     if( new_offset >= 0 )
1540         new_coeff = new_coeff_clipped;
1541     else
1542         new_offset = 0;
1543     p->count  *= p->decay;
1544     p->coeff  *= p->decay;
1545     p->offset *= p->decay;
1546     p->count  ++;
1547     p->coeff  += new_coeff;
1548     p->offset += new_offset;
1549 }
1550
1551 // update VBV after encoding a frame
1552 static void update_vbv( x264_t *h, int bits )
1553 {
1554     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1555     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1556
1557     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1558         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale(rcc->qpa_rc), rcc->last_satd, bits );
1559
1560     if( !rcc->b_vbv )
1561         return;
1562
1563     rct->buffer_fill_final -= bits;
1564     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1565         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV underflow (frame %d, %.0f bits)\n", h->i_frame, rct->buffer_fill_final );
1566     rct->buffer_fill_final = X264_MAX( rct->buffer_fill_final, 0 );
1567     rct->buffer_fill_final += rcc->buffer_rate;
1568     rct->buffer_fill_final = X264_MIN( rct->buffer_fill_final, rcc->buffer_size );
1569 }
1570
1571 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1572 static void update_vbv_plan( x264_t *h, int overhead )
1573 {
1574     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1575     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final;
1576     if( h->i_thread_frames > 1 )
1577     {
1578         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1579         int i;
1580         for( i=1; i<h->i_thread_frames; i++ )
1581         {
1582             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
1583             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1584             if( !t->b_thread_active )
1585                 continue;
1586             bits  = X264_MAX(bits, x264_ratecontrol_get_estimated_size(t));
1587             rcc->buffer_fill -= bits;
1588             rcc->buffer_fill = X264_MAX( rcc->buffer_fill, 0 );
1589             rcc->buffer_fill += rcc->buffer_rate;
1590             rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1591         }
1592     }
1593     rcc->buffer_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill, rcc->buffer_size );
1594     rcc->buffer_fill -= overhead;
1595 }
1596
1597 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1598 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1599 {
1600     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1601     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1602     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1603     double q0 = q;
1604
1605     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1606      * since they are controlled by the P-frames' QPs. */
1607
1608     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1609     {
1610         /* Lookahead VBV: raise the quantizer as necessary such that no frames in
1611          * the lookahead overflow and such that the buffer is in a reasonable state
1612          * by the end of the lookahead. */
1613         if( h->param.rc.i_lookahead )
1614         {
1615             int j, iterations, terminate = 0;
1616
1617             /* Avoid an infinite loop. */
1618             for( iterations = 0; iterations < 1000 && terminate != 3; iterations++ )
1619             {
1620                 double frame_q[3];
1621                 double cur_bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1622                 double buffer_fill_cur = rcc->buffer_fill - cur_bits;
1623                 double target_fill;
1624                 frame_q[0] = h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I ? q * h->param.rc.f_ip_factor : q;
1625                 frame_q[1] = frame_q[0] * h->param.rc.f_pb_factor;
1626                 frame_q[2] = frame_q[0] / h->param.rc.f_ip_factor;
1627
1628                 /* Loop over the planned future frames. */
1629                 for( j = 0; buffer_fill_cur >= 0 && buffer_fill_cur <= rcc->buffer_size; j++ )
1630                 {
1631                     buffer_fill_cur += rcc->buffer_rate;
1632                     int i_type = h->fenc->i_planned_type[j];
1633                     int i_satd = h->fenc->i_planned_satd[j];
1634                     if( i_type == X264_TYPE_AUTO )
1635                         break;
1636                     i_type = IS_X264_TYPE_I( i_type ) ? SLICE_TYPE_I : IS_X264_TYPE_B( i_type ) ? SLICE_TYPE_B : SLICE_TYPE_P;
1637                     cur_bits = predict_size( &rcc->pred[i_type], frame_q[i_type], i_satd );
1638                     buffer_fill_cur -= cur_bits;
1639                 }
1640                 /* Try to get to get the buffer at least 50% filled, but don't set an impossible goal. */
1641                 target_fill = X264_MIN( rcc->buffer_fill + j * rcc->buffer_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.5 );
1642                 if( buffer_fill_cur < target_fill )
1643                 {
1644                     q *= 1.01;
1645                     terminate |= 1;
1646                     continue;
1647                 }
1648                 /* Try to get the buffer no more than 80% filled, but don't set an impossible goal. */
1649                 target_fill = x264_clip3f( rcc->buffer_fill - j * rcc->buffer_rate * 0.5, rcc->buffer_size * 0.8, rcc->buffer_size );
1650                 if( rcc->b_vbv_min_rate && buffer_fill_cur > target_fill )
1651                 {
1652                     q /= 1.01;
1653                     terminate |= 2;
1654                     continue;
1655                 }
1656                 break;
1657             }
1658         }
1659         /* Fallback to old purely-reactive algorithm: no lookahead. */
1660         else
1661         {
1662             if( ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1663                 ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) &&
1664                 rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
1665             {
1666                 q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
1667             }
1668
1669             /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
1670              * This one is mostly for I-frames. */
1671             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1672             double qf = 1.0;
1673             /* For small VBVs, allow the frame to use up the entire VBV. */
1674             double max_fill_factor = h->param.rc.i_vbv_buffer_size >= 5*h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rcc->fps ? 2 : 1;
1675             /* For single-frame VBVs, request that the frame use up the entire VBV. */
1676             double min_fill_factor = rcc->single_frame_vbv ? 1 : 2;
1677
1678             if( bits > rcc->buffer_fill/max_fill_factor )
1679                 qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(max_fill_factor*bits), 0.2, 1.0 );
1680             q /= qf;
1681             bits *= qf;
1682             if( bits < rcc->buffer_rate/min_fill_factor )
1683                 q *= bits*min_fill_factor/rcc->buffer_rate;
1684             q = X264_MAX( q0, q );
1685         }
1686
1687         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
1688          * overflow before the next P-frame. */
1689         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P && !rcc->single_frame_vbv )
1690         {
1691             int nb = rcc->bframes;
1692             double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1693             double pbbits = bits;
1694             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
1695             double space;
1696             if( bbits > rcc->buffer_rate  )
1697                 nb = 0;
1698             pbbits += nb * bbits;
1699
1700             space = rcc->buffer_fill + (1+nb)*rcc->buffer_rate - rcc->buffer_size;
1701             if( pbbits < space )
1702             {
1703                 q *= X264_MAX( pbbits / space, bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
1704             }
1705             q = X264_MAX( q0-5, q );
1706         }
1707
1708         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
1709             q = X264_MAX( q0, q );
1710     }
1711
1712     if(lmin==lmax)
1713         return lmin;
1714     else if(rcc->b_2pass)
1715     {
1716         double min2 = log(lmin);
1717         double max2 = log(lmax);
1718         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
1719         q = 1.0/(1.0 + exp(-4*q));
1720         q = q*(max2-min2) + min2;
1721         return exp(q);
1722     }
1723     else
1724         return x264_clip3f(q, lmin, lmax);
1725 }
1726
1727 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
1728 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
1729 {
1730     float q;
1731     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1732     ratecontrol_entry_t rce;
1733     int pict_type = h->sh.i_type;
1734     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1735     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1736     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_I]
1737                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_P]
1738                           + h->stat.i_frame_size[SLICE_TYPE_B]);
1739
1740     if( rcc->b_2pass )
1741     {
1742         rce = *rcc->rce;
1743         if(pict_type != rce.pict_type)
1744         {
1745             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
1746                      slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type]);
1747         }
1748     }
1749
1750     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1751     {
1752         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
1753          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
1754
1755         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref0[0]->i_type);
1756         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref1[0]->i_type);
1757         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref0[0]->i_poc);
1758         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref1[0]->i_poc);
1759         float q0 = h->fref0[0]->f_qp_avg_rc;
1760         float q1 = h->fref1[0]->f_qp_avg_rc;
1761
1762         if( h->fref0[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
1763             q0 -= rcc->pb_offset/2;
1764         if( h->fref1[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
1765             q1 -= rcc->pb_offset/2;
1766
1767         if(i0 && i1)
1768             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
1769         else if(i0)
1770             q = q1;
1771         else if(i1)
1772             q = q0;
1773         else
1774             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
1775
1776         if(h->fenc->b_kept_as_ref)
1777             q += rcc->pb_offset/2;
1778         else
1779             q += rcc->pb_offset;
1780
1781         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
1782             rcc->frame_size_planned = qscale2bits( &rce, q );
1783         else
1784             rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q, h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd );
1785         x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, rcc->frame_size_planned);
1786
1787         /* For row SATDs */
1788         if( rcc->b_vbv )
1789             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
1790         return qp2qscale(q);
1791     }
1792     else
1793     {
1794         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate * h->i_thread_frames;
1795
1796         if( rcc->b_2pass )
1797         {
1798             //FIXME adjust abr_buffer based on distance to the end of the video
1799             int64_t diff;
1800             int64_t predicted_bits = total_bits;
1801
1802             if( rcc->b_vbv )
1803             {
1804                 if( h->i_thread_frames > 1 )
1805                 {
1806                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1807                     int i;
1808                     for( i=1; i<h->i_thread_frames; i++ )
1809                     {
1810                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->i_thread_frames ];
1811                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
1812                         if( !t->b_thread_active )
1813                             continue;
1814                         bits  = X264_MAX(bits, x264_ratecontrol_get_estimated_size(t));
1815                         predicted_bits += (int64_t)bits;
1816                     }
1817                 }
1818             }
1819             else
1820             {
1821                 if( h->fenc->i_frame < h->i_thread_frames )
1822                     predicted_bits += (int64_t)h->fenc->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
1823                 else
1824                     predicted_bits += (int64_t)(h->i_thread_frames - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
1825             }
1826
1827             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
1828             q = rce.new_qscale;
1829             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
1830             if( ((h->fenc->i_frame + 1 - h->i_thread_frames) >= rcc->fps) &&
1831                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
1832             {
1833                 /* Adjust quant based on the difference between
1834                  * achieved and expected bitrate so far */
1835                 double time = (double)h->fenc->i_frame / rcc->num_entries;
1836                 double w = x264_clip3f( time*100, 0.0, 1.0 );
1837                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
1838             }
1839             if( rcc->b_vbv )
1840             {
1841                 /* Do not overflow vbv */
1842                 double expected_size = qscale2bits(&rce, q);
1843                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
1844                 double expected_fullness =  rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
1845                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
1846                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
1847                 qmax = X264_MAX(qmax, rce.new_qscale);
1848                 if (expected_fullness < .05)
1849                     qmax = lmax;
1850                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
1851                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
1852                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
1853                 {
1854                     q *= 1.05;
1855                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
1856                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
1857                 }
1858                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
1859             }
1860             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
1861         }
1862         else /* 1pass ABR */
1863         {
1864             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
1865              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
1866              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
1867              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
1868              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
1869              * the target.
1870              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
1871              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
1872              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
1873
1874             double wanted_bits, overflow=1, lmin, lmax;
1875
1876             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
1877             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
1878             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
1879             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd;
1880             rcc->short_term_cplxcount ++;
1881
1882             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
1883             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
1884             rce.mv_bits = 0;
1885             rce.p_count = rcc->nmb;
1886             rce.i_count = 0;
1887             rce.s_count = 0;
1888             rce.qscale = 1;
1889             rce.pict_type = pict_type;
1890
1891             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
1892             {
1893                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
1894             }
1895             else
1896             {
1897                 int i_frame_done = h->fenc->i_frame + 1 - h->i_thread_frames;
1898
1899                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
1900
1901                 // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
1902                 wanted_bits = i_frame_done * rcc->bitrate / rcc->fps;
1903                 if( wanted_bits > 0 )
1904                 {
1905                     abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt(i_frame_done/25) );
1906                     overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
1907                     q *= overflow;
1908                 }
1909             }
1910
1911             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
1912                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
1913                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
1914             {
1915                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1916                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1917             }
1918             else if( h->i_frame > 0 )
1919             {
1920                 /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
1921                  * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
1922                 lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
1923                 lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
1924                 if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
1925                     lmax *= rcc->lstep;
1926                 else if( overflow < 0.9 )
1927                     lmin /= rcc->lstep;
1928
1929                 q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
1930             }
1931             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && rcc->qcompress != 1 )
1932             {
1933                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1934             }
1935             rcc->qp_novbv = qscale2qp(q);
1936
1937             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
1938             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
1939         }
1940
1941         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
1942         rcc->last_qscale = q;
1943
1944         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
1945             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q * fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1946
1947         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv )
1948             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
1949         else
1950             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1951
1952         /* Always use up the whole VBV in this case. */
1953         if( rcc->single_frame_vbv )
1954             rcc->frame_size_planned = rcc->buffer_rate;
1955         x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, rcc->frame_size_planned);
1956         return q;
1957     }
1958 }
1959
1960 void x264_threads_distribute_ratecontrol( x264_t *h )
1961 {
1962     int i, row, totalsize = 0;
1963     if( h->rc->b_vbv )
1964         for( row = 0; row < h->sps->i_mb_height; row++ )
1965             totalsize += h->fdec->i_row_satd[row];
1966     for( i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1967     {
1968         x264_t *t = h->thread[i];
1969         x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1970         memcpy( t->rc, rc, sizeof(x264_ratecontrol_t) );
1971         /* Calculate the planned slice size. */
1972         if( h->rc->b_vbv && rc->frame_size_planned )
1973         {
1974             int size = 0;
1975             for( row = t->i_threadslice_start; row < t->i_threadslice_end; row++ )
1976                 size += h->fdec->i_row_satd[row];
1977             t->rc->slice_size_planned = size * rc->frame_size_planned / totalsize;
1978         }
1979         else
1980             t->rc->slice_size_planned = 0;
1981     }
1982 }
1983
1984 void x264_threads_merge_ratecontrol( x264_t *h )
1985 {
1986     int i, j, k;
1987     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1988     x264_emms();
1989
1990     for( i = 1; i < h->param.i_threads; i++ )
1991     {
1992         x264_ratecontrol_t *t = h->thread[i]->rc;
1993         rc->qpa_rc += t->qpa_rc;
1994         rc->qpa_aq += t->qpa_aq;
1995         for( j = 0; j < 5; j++ )
1996             for( k = 0; k < 2; k++ )
1997             {
1998                 rc->row_preds[j][k].coeff += t->row_preds[j][k].coeff;
1999                 rc->row_preds[j][k].offset += t->row_preds[j][k].offset;
2000                 rc->row_preds[j][k].count += t->row_preds[j][k].count;
2001             }
2002     }
2003     for( j = 0; j < 5; j++ )
2004         for( k = 0; k < 2; k++ )
2005         {
2006             rc->row_preds[j][k].coeff /= h->param.i_threads;
2007             rc->row_preds[j][k].offset /= h->param.i_threads;
2008             rc->row_preds[j][k].count /= h->param.i_threads;
2009         }
2010 }
2011
2012 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
2013 {
2014     if( cur != prev )
2015     {
2016 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
2017         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
2018          * so copy them from the context that most recently started (prev)
2019          * to the context that's about to start (cur). */
2020         COPY(accum_p_qp);
2021         COPY(accum_p_norm);
2022         COPY(last_satd);
2023         COPY(last_rceq);
2024         COPY(last_qscale_for);
2025         COPY(last_non_b_pict_type);
2026         COPY(short_term_cplxsum);
2027         COPY(short_term_cplxcount);
2028         COPY(bframes);
2029         COPY(prev_zone);
2030         COPY(qpbuf_pos);
2031         /* these vars can be updated by x264_ratecontrol_init_reconfigurable */
2032         COPY(buffer_rate);
2033         COPY(buffer_size);
2034         COPY(single_frame_vbv);
2035         COPY(cbr_decay);
2036         COPY(b_vbv_min_rate);
2037         COPY(rate_factor_constant);
2038         COPY(bitrate);
2039 #undef COPY
2040     }
2041     if( cur != next )
2042     {
2043 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
2044         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
2045          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
2046          * to the context that's about to end (next) */
2047         COPY(cplxr_sum);
2048         COPY(expected_bits_sum);
2049         COPY(wanted_bits_window);
2050         COPY(bframe_bits);
2051 #undef COPY
2052     }
2053     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
2054     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
2055 }
2056
2057 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
2058 {
2059     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
2060      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
2061      * can influence the buffer fill of that end frame. */
2062     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2063     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
2064     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
2065     double fill = fills[*t0-1];
2066     double parity = over ? 1. : -1.;
2067     int i, start=-1, end=-1;
2068     for(i = *t0; i < rcc->num_entries; i++)
2069     {
2070         fill += (rcc->buffer_rate - qscale2bits(&rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale)) * parity;
2071         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
2072         fills[i] = fill;
2073         if(fill <= buffer_min || i == 0)
2074         {
2075             if(end >= 0)
2076                 break;
2077             start = i;
2078         }
2079         else if(fill >= buffer_max && start >= 0)
2080             end = i;
2081     }
2082     *t0 = start;
2083     *t1 = end;
2084     return start>=0 && end>=0;
2085 }
2086
2087 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
2088 {
2089     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2090     double qscale_orig, qscale_new;
2091     int i;
2092     int adjusted = 0;
2093     if(t0 > 0)
2094         t0++;
2095     for(i = t0; i <= t1; i++)
2096     {
2097         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
2098         qscale_orig = x264_clip3f(qscale_orig, qscale_min, qscale_max);
2099         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
2100         qscale_new  = x264_clip3f(qscale_new, qscale_min, qscale_max);
2101         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
2102         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
2103     }
2104     return adjusted;
2105 }
2106
2107 static double count_expected_bits( x264_t *h )
2108 {
2109     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2110     double expected_bits = 0;
2111     int i;
2112     for(i = 0; i < rcc->num_entries; i++)
2113     {
2114         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2115         rce->expected_bits = expected_bits;
2116         expected_bits += qscale2bits(rce, rce->new_qscale);
2117     }
2118     return expected_bits;
2119 }
2120
2121 static int vbv_pass2( x264_t *h )
2122 {
2123     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
2124      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
2125      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
2126      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
2127
2128     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2129     double *fills;
2130     double all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * rcc->num_entries / rcc->fps;
2131     double expected_bits = 0;
2132     double adjustment;
2133     double prev_bits = 0;
2134     int i, t0, t1;
2135     double qscale_min = qp2qscale(h->param.rc.i_qp_min);
2136     double qscale_max = qp2qscale(h->param.rc.i_qp_max);
2137     int iterations = 0;
2138     int adj_min, adj_max;
2139     CHECKED_MALLOC( fills, (rcc->num_entries+1)*sizeof(double) );
2140
2141     fills++;
2142
2143     /* adjust overall stream size */
2144     do
2145     {
2146         iterations++;
2147         prev_bits = expected_bits;
2148
2149         if(expected_bits != 0)
2150         {   /* not first iteration */
2151             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
2152             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
2153             t0 = 0;
2154             /* fix overflows */
2155             adj_min = 1;
2156             while(adj_min && find_underflow(h, fills, &t0, &t1, 1))
2157             {
2158                 adj_min = fix_underflow(h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max);
2159                 t0 = t1;
2160             }
2161         }
2162
2163         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
2164         t0 = 0;
2165         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
2166         adj_max = 1;
2167         while(adj_max && find_underflow(h, fills, &t0, &t1, 0))
2168             adj_max = fix_underflow(h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max);
2169
2170         expected_bits = count_expected_bits(h);
2171     } while((expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int64_t)(expected_bits+.5) > (int64_t)(prev_bits+.5)) );
2172
2173     if (!adj_max)
2174         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
2175
2176     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
2177     for(i = 0; i < rcc->num_entries; i++)
2178         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
2179
2180     x264_free(fills-1);
2181     return 0;
2182 fail:
2183     return -1;
2184 }
2185
2186 static int init_pass2( x264_t *h )
2187 {
2188     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
2189     uint64_t all_const_bits = 0;
2190     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(h->param.rc.i_bitrate * 1000. * rcc->num_entries / rcc->fps);
2191     double rate_factor, step, step_mult;
2192     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
2193     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
2194     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
2195     double expected_bits;
2196     double *qscale, *blurred_qscale;
2197     int i;
2198
2199     /* find total/average complexity & const_bits */
2200     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2201     {
2202         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2203         all_const_bits += rce->misc_bits;
2204     }
2205
2206     if( all_available_bits < all_const_bits)
2207     {
2208         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
2209                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)));
2210         return -1;
2211     }
2212
2213     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
2214      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
2215      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
2216      * bits than intended. */
2217     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2218     {
2219         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2220         double weight_sum = 0;
2221         double cplx_sum = 0;
2222         double weight = 1.0;
2223         double gaussian_weight;
2224         int j;
2225         /* weighted average of cplx of future frames */
2226         for(j=1; j<cplxblur*2 && j<rcc->num_entries-i; j++)
2227         {
2228             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
2229             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2230             if(weight < .0001)
2231                 break;
2232             gaussian_weight = weight * exp(-j*j/200.0);
2233             weight_sum += gaussian_weight;
2234             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2235         }
2236         /* weighted average of cplx of past frames */
2237         weight = 1.0;
2238         for(j=0; j<=cplxblur*2 && j<=i; j++)
2239         {
2240             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
2241             gaussian_weight = weight * exp(-j*j/200.0);
2242             weight_sum += gaussian_weight;
2243             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
2244             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
2245             if(weight < .0001)
2246                 break;
2247         }
2248         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
2249     }
2250
2251     CHECKED_MALLOC( qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2252     if( filter_size > 1 )
2253         CHECKED_MALLOC( blurred_qscale, sizeof(double)*rcc->num_entries );
2254     else
2255         blurred_qscale = qscale;
2256
2257     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
2258      * each frame, adds up to the desired total size.
2259      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
2260      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
2261      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
2262      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
2263
2264     expected_bits = 1;
2265     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2266     {
2267         double q = get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i);
2268         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], q);
2269         rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = q;
2270     }
2271     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
2272
2273     rate_factor = 0;
2274     for(step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
2275     {
2276         expected_bits = 0;
2277         rate_factor += step;
2278
2279         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
2280         rcc->last_accum_p_norm = 1;
2281         rcc->accum_p_norm = 0;
2282
2283         /* find qscale */
2284         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2285         {
2286             qscale[i] = get_qscale(h, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
2287             rcc->last_qscale_for[rcc->entry[i].pict_type] = qscale[i];
2288         }
2289
2290         /* fixed I/B qscale relative to P */
2291         for(i=rcc->num_entries-1; i>=0; i--)
2292         {
2293             qscale[i] = get_diff_limited_q(h, &rcc->entry[i], qscale[i]);
2294             assert(qscale[i] >= 0);
2295         }
2296
2297         /* smooth curve */
2298         if(filter_size > 1)
2299         {
2300             assert(filter_size%2==1);
2301             for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2302             {
2303                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2304                 int j;
2305                 double q=0.0, sum=0.0;
2306
2307                 for(j=0; j<filter_size; j++)
2308                 {
2309                     int index = i+j-filter_size/2;
2310                     double d = index-i;
2311                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp(-d*d/(qblur*qblur));
2312                     if(index < 0 || index >= rcc->num_entries)
2313                         continue;
2314                     if(rce->pict_type != rcc->entry[index].pict_type)
2315                         continue;
2316                     q += qscale[index] * coeff;
2317                     sum += coeff;
2318                 }
2319                 blurred_qscale[i] = q/sum;
2320             }
2321         }
2322
2323         /* find expected bits */
2324         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2325         {
2326             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
2327             rce->new_qscale = clip_qscale(h, rce->pict_type, blurred_qscale[i]);
2328             assert(rce->new_qscale >= 0);
2329             expected_bits += qscale2bits(rce, rce->new_qscale);
2330         }
2331
2332         if(expected_bits > all_available_bits) rate_factor -= step;
2333     }
2334
2335     x264_free(qscale);
2336     if(filter_size > 1)
2337         x264_free(blurred_qscale);
2338
2339     if(rcc->b_vbv)
2340         if( vbv_pass2( h ) )
2341             return -1;
2342     expected_bits = count_expected_bits(h);
2343
2344     if(fabs(expected_bits/all_available_bits - 1.0) > 0.01)
2345     {
2346         double avgq = 0;
2347         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
2348             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
2349         avgq = qscale2qp(avgq / rcc->num_entries);
2350
2351         if ((expected_bits > all_available_bits) || (!rcc->b_vbv))
2352             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n");
2353         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
2354                  (float)h->param.rc.i_bitrate,
2355                  expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
2356                  avgq);
2357         if(expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2)
2358         {
2359             if(h->param.rc.i_qp_min > 0)
2360                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min);
2361             else
2362                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n");
2363         }
2364         else if(expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2)
2365         {
2366             if(h->param.rc.i_qp_max < 51)
2367                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max);
2368             else
2369                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
2370         }
2371         else if(!(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv))
2372             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n");
2373     }
2374
2375     return 0;
2376 fail:
2377     return -1;
2378 }