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

   1 /***************************************************-*- coding: iso-8859-1 -*-
   2  * ratecontrol.c: h264 encoder library (Rate Control)
   3  *****************************************************************************
   4  * Copyright (C) 2005-2008 x264 project
   5  *
   6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
   7  *          Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   8  *          Gabriel Bouvigne <gabriel.bouvigne@joost.com>
   9  *          Fiona Glaser <fiona@x264.com>
  10  *          Måns Rullgård <mru@mru.ath.cx>
  11  *
  12  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with this program; if not, write to the Free Software
  24  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02111, USA.
  25  *****************************************************************************/
  26
  27 #define _ISOC99_SOURCE
  28 #undef NDEBUG // always check asserts, the speed effect is far too small to disable them
  29 #include <math.h>
  30 #include <limits.h>
  31 #include <assert.h>
  32
  33 #include "common/common.h"
  34 #include "common/cpu.h"
  35 #include "ratecontrol.h"
  36
  37 typedef struct
  38 {
  39     int pict_type;
  40     int kept_as_ref;
  41     float qscale;
  42     int mv_bits;
  43     int tex_bits;
  44     int misc_bits;
  45     uint64_t expected_bits; /*total expected bits up to the current frame (current one excluded)*/
  46     double expected_vbv;
  47     float new_qscale;
  48     int new_qp;
  49     int i_count;
  50     int p_count;
  51     int s_count;
  52     float blurred_complexity;
  53     char direct_mode;
  54 } ratecontrol_entry_t;
  55
  56 typedef struct
  57 {
  58     double coeff;
  59     double count;
  60     double decay;
  61 } predictor_t;
  62
  63 struct x264_ratecontrol_t
  64 {
  65     /* constants */
  66     int b_abr;
  67     int b_2pass;
  68     int b_vbv;
  69     int b_vbv_min_rate;
  70     double fps;
  71     double bitrate;
  72     double rate_tolerance;
  73     int nmb;                    /* number of macroblocks in a frame */
  74     int qp_constant[5];
  75
  76     /* current frame */
  77     ratecontrol_entry_t *rce;
  78     int qp;                     /* qp for current frame */
  79     int qpm;                    /* qp for current macroblock */
  80     float f_qpm;                /* qp for current macroblock: precise float for AQ */
  81     float qpa_rc;               /* average of macroblocks' qp before aq */
  82     float qpa_aq;               /* average of macroblocks' qp after aq */
  83     int qp_force;
  84
  85     /* VBV stuff */
  86     double buffer_size;
  87     double buffer_fill_final;   /* real buffer as of the last finished frame */
  88     double buffer_fill;         /* planned buffer, if all in-progress frames hit their bit budget */
  89     double buffer_rate;         /* # of bits added to buffer_fill after each frame */
  90     predictor_t *pred;          /* predict frame size from satd */
  91
  92     /* ABR stuff */
  93     int    last_satd;
  94     double last_rceq;
  95     double cplxr_sum;           /* sum of bits*qscale/rceq */
  96     double expected_bits_sum;   /* sum of qscale2bits after rceq, ratefactor, and overflow, only includes finished frames */
  97     double wanted_bits_window;  /* target bitrate * window */
  98     double cbr_decay;
  99     double short_term_cplxsum;
 100     double short_term_cplxcount;
 101     double rate_factor_constant;
 102     double ip_offset;
 103     double pb_offset;
 104
 105     /* 2pass stuff */
 106     FILE *p_stat_file_out;
 107     char *psz_stat_file_tmpname;
 108
 109     int num_entries;            /* number of ratecontrol_entry_ts */
 110     ratecontrol_entry_t *entry; /* FIXME: copy needed data and free this once init is done */
 111     double last_qscale;
 112     double last_qscale_for[5];  /* last qscale for a specific pict type, used for max_diff & ipb factor stuff  */
 113     int last_non_b_pict_type;
 114     double accum_p_qp;          /* for determining I-frame quant */
 115     double accum_p_norm;
 116     double last_accum_p_norm;
 117     double lmin[5];             /* min qscale by frame type */
 118     double lmax[5];
 119     double lstep;               /* max change (multiply) in qscale per frame */
 120
 121     /* MBRC stuff */
 122     double frame_size_estimated;
 123     double frame_size_planned;
 124     predictor_t *row_pred;
 125     predictor_t row_preds[5];
 126     predictor_t *pred_b_from_p; /* predict B-frame size from P-frame satd */
 127     int bframes;                /* # consecutive B-frames before this P-frame */
 128     int bframe_bits;            /* total cost of those frames */
 129
 130     int i_zones;
 131     x264_zone_t *zones;
 132     x264_zone_t *prev_zone;
 133 };
 134
 135
 136 static int parse_zones( x264_t *h );
 137 static int init_pass2(x264_t *);
 138 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h );
 139 static void update_vbv( x264_t *h, int bits );
 140 static void update_vbv_plan( x264_t *h );
 141 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var );
 142 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits );
 143
 144 /* Terminology:
 145  * qp = h.264's quantizer
 146  * qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
 147  */
 148 static inline double qp2qscale(double qp)
 149 {
 150     return 0.85 * pow(2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0);
 151 }
 152 static inline double qscale2qp(double qscale)
 153 {
 154     return 12.0 + 6.0 * log(qscale/0.85) / log(2.0);
 155 }
 156
 157 /* Texture bitrate is not quite inversely proportional to qscale,
 158  * probably due the the changing number of SKIP blocks.
 159  * MV bits level off at about qp<=12, because the lambda used
 160  * for motion estimation is constant there. */
 161 static inline double qscale2bits(ratecontrol_entry_t *rce, double qscale)
 162 {
 163     if(qscale<0.1)
 164         qscale = 0.1;
 165     return (rce->tex_bits + .1) * pow( rce->qscale / qscale, 1.1 )
 166            + rce->mv_bits * pow( X264_MAX(rce->qscale, 1) / X264_MAX(qscale, 1), 0.5 )
 167            + rce->misc_bits;
 168 }
 169
 170 // Find the total AC energy of the block in all planes.
 171 static NOINLINE int ac_energy_mb( x264_t *h, int mb_x, int mb_y, x264_frame_t *frame )
 172 {
 173     /* This function contains annoying hacks because GCC has a habit of reordering emms
 174      * and putting it after floating point ops.  As a result, we put the emms at the end of the
 175      * function and make sure that its always called before the float math.  Noinline makes
 176      * sure no reordering goes on. */
 177     unsigned int var=0, sad, i;
 178     for( i=0; i<3; i++ )
 179     {
 180         int w = i ? 8 : 16;
 181         int stride = frame->i_stride[i];
 182         int offset = h->mb.b_interlaced
 183             ? w * (mb_x + (mb_y&~1) * stride) + (mb_y&1) * stride
 184             : w * (mb_x + mb_y * stride);
 185         int pix = i ? PIXEL_8x8 : PIXEL_16x16;
 186         stride <<= h->mb.b_interlaced;
 187         var += h->pixf.var[pix]( frame->plane[i]+offset, stride, &sad );
 188     }
 189     var = X264_MAX(var,1);
 190     x264_emms();
 191     return var;
 192 }
 193
 194 void x264_adaptive_quant_frame( x264_t *h, x264_frame_t *frame )
 195 {
 196     int mb_x, mb_y;
 197     for( mb_y=0; mb_y<h->sps->i_mb_height; mb_y++ )
 198         for( mb_x=0; mb_x<h->sps->i_mb_width; mb_x++ )
 199         {
 200             int energy = ac_energy_mb( h, mb_x, mb_y, frame );
 201             /* 10 constant chosen to result in approximately the same overall bitrate as without AQ. */
 202             float qp_adj = h->param.rc.f_aq_strength * 1.5 * (logf(energy) - 10.0);
 203             frame->f_qp_offset[mb_x + mb_y*h->mb.i_mb_stride] = qp_adj;
 204             if( h->frames.b_have_lowres )
 205                 frame->i_inv_qscale_factor[mb_x+mb_y*h->mb.i_mb_stride] = FIX8(pow(2.0,-qp_adj/6.0));
 206         }
 207 }
 208
 209 /*****************************************************************************
 210 * x264_adaptive_quant:
 211  * adjust macroblock QP based on variance (AC energy) of the MB.
 212  * high variance  = higher QP
 213  * low variance = lower QP
 214  * This generally increases SSIM and lowers PSNR.
 215 *****************************************************************************/
 216 void x264_adaptive_quant( x264_t *h )
 217 {
 218     float qp, qp_adj;
 219     x264_emms();
 220     qp = h->rc->f_qpm;
 221     qp_adj = h->fenc->f_qp_offset[h->mb.i_mb_x + h->mb.i_mb_y*h->mb.i_mb_stride];
 222     h->mb.i_qp = x264_clip3( qp + qp_adj + .5, h->param.rc.i_qp_min, h->param.rc.i_qp_max );
 223     /* If the QP of this MB is within 1 of the previous MB, code the same QP as the previous MB,
 224      * to lower the bit cost of the qp_delta. */
 225     if( abs(h->mb.i_qp - h->mb.i_last_qp) == 1 )
 226         h->mb.i_qp = h->mb.i_last_qp;
 227     h->mb.i_chroma_qp = h->chroma_qp_table[h->mb.i_qp];
 228 }
 229
 230 int x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
 231 {
 232     x264_ratecontrol_t *rc;
 233     int i;
 234
 235     x264_emms();
 236
 237     rc = h->rc = x264_malloc( h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 238     memset( rc, 0, h->param.i_threads * sizeof(x264_ratecontrol_t) );
 239
 240     rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
 241     rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
 242
 243     /* FIXME: use integers */
 244     if(h->param.i_fps_num > 0 && h->param.i_fps_den > 0)
 245         rc->fps = (float) h->param.i_fps_num / h->param.i_fps_den;
 246     else
 247         rc->fps = 25.0;
 248
 249     rc->bitrate = h->param.rc.i_bitrate * 1000.;
 250     rc->rate_tolerance = h->param.rc.f_rate_tolerance;
 251     rc->nmb = h->mb.i_mb_count;
 252     rc->last_non_b_pict_type = -1;
 253     rc->cbr_decay = 1.0;
 254
 255     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF && h->param.rc.b_stat_read )
 256     {
 257         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "constant rate-factor is incompatible with 2pass.\n");
 258         return -1;
 259     }
 260     if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size )
 261     {
 262         if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CQP )
 263         {
 264             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "VBV is incompatible with constant QP, ignored.\n");
 265             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = 0;
 266             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = 0;
 267         }
 268         else if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate == 0 )
 269         {
 270             x264_log( h, X264_LOG_DEBUG, "VBV maxrate unspecified, assuming CBR\n" );
 271             h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = h->param.rc.i_bitrate;
 272         }
 273     }
 274     if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate < h->param.rc.i_bitrate &&
 275         h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0)
 276         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "max bitrate less than average bitrate, ignored.\n");
 277     else if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate > 0 &&
 278              h->param.rc.i_vbv_buffer_size > 0 )
 279     {
 280         if( h->param.rc.i_vbv_buffer_size < 3 * h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps )
 281         {
 282             h->param.rc.i_vbv_buffer_size = 3 * h->param.rc.i_vbv_max_bitrate / rc->fps;
 283             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV buffer size too small, using %d kbit\n",
 284                       h->param.rc.i_vbv_buffer_size );
 285         }
 286         if( h->param.rc.f_vbv_buffer_init > 1. )
 287             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 );
 288         rc->buffer_rate = h->param.rc.i_vbv_max_bitrate * 1000. / rc->fps;
 289         rc->buffer_size = h->param.rc.i_vbv_buffer_size * 1000.;
 290         rc->buffer_fill_final = rc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
 291         rc->cbr_decay = 1.0 - rc->buffer_rate / rc->buffer_size
 292                       * 0.5 * X264_MAX(0, 1.5 - rc->buffer_rate * rc->fps / rc->bitrate);
 293         rc->b_vbv = 1;
 294         rc->b_vbv_min_rate = !rc->b_2pass
 295                           && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR
 296                           && h->param.rc.i_vbv_max_bitrate <= h->param.rc.i_bitrate;
 297     }
 298     else if( h->param.rc.i_vbv_max_bitrate )
 299     {
 300         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "VBV maxrate specified, but no bufsize.\n");
 301         h->param.rc.i_vbv_max_bitrate = 0;
 302     }
 303     if(rc->rate_tolerance < 0.01)
 304     {
 305         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "bitrate tolerance too small, using .01\n");
 306         rc->rate_tolerance = 0.01;
 307     }
 308
 309     h->mb.b_variable_qp = rc->b_vbv || h->param.rc.i_aq_mode;
 310
 311     if( rc->b_abr )
 312     {
 313         /* FIXME ABR_INIT_QP is actually used only in CRF */
 314 #define ABR_INIT_QP ( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF ? h->param.rc.f_rf_constant : 24 )
 315         rc->accum_p_norm = .01;
 316         rc->accum_p_qp = ABR_INIT_QP * rc->accum_p_norm;
 317         /* estimated ratio that produces a reasonable QP for the first I-frame */
 318         rc->cplxr_sum = .01 * pow( 7.0e5, h->param.rc.f_qcompress ) * pow( h->mb.i_mb_count, 0.5 );
 319         rc->wanted_bits_window = 1.0 * rc->bitrate / rc->fps;
 320         rc->last_non_b_pict_type = SLICE_TYPE_I;
 321     }
 322
 323     if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
 324     {
 325         /* arbitrary rescaling to make CRF somewhat similar to QP */
 326         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 327         rc->rate_factor_constant = pow( base_cplx, 1 - h->param.rc.f_qcompress )
 328                                  / qp2qscale( h->param.rc.f_rf_constant );
 329     }
 330
 331     rc->ip_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_ip_factor) / log(2.0);
 332     rc->pb_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_pb_factor) / log(2.0);
 333     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
 334     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, 51 );
 335     rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, 51 );
 336
 337     rc->lstep = pow( 2, h->param.rc.i_qp_step / 6.0 );
 338     rc->last_qscale = qp2qscale(26);
 339     rc->pred = x264_malloc( 5*sizeof(predictor_t) );
 340     rc->pred_b_from_p = x264_malloc( sizeof(predictor_t) );
 341     for( i = 0; i < 5; i++ )
 342     {
 343         rc->last_qscale_for[i] = qp2qscale( ABR_INIT_QP );
 344         rc->lmin[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_min );
 345         rc->lmax[i] = qp2qscale( h->param.rc.i_qp_max );
 346         rc->pred[i].coeff= 2.0;
 347         rc->pred[i].count= 1.0;
 348         rc->pred[i].decay= 0.5;
 349         rc->row_preds[i].coeff= .25;
 350         rc->row_preds[i].count= 1.0;
 351         rc->row_preds[i].decay= 0.5;
 352     }
 353     *rc->pred_b_from_p = rc->pred[0];
 354
 355     if( parse_zones( h ) < 0 )
 356     {
 357         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to parse zones\n" );
 358         return -1;
 359     }
 360
 361     /* Load stat file and init 2pass algo */
 362     if( h->param.rc.b_stat_read )
 363     {
 364         char *p, *stats_in, *stats_buf;
 365
 366         /* read 1st pass stats */
 367         assert( h->param.rc.psz_stat_in );
 368         stats_buf = stats_in = x264_slurp_file( h->param.rc.psz_stat_in );
 369         if( !stats_buf )
 370         {
 371             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 372             return -1;
 373         }
 374
 375         /* check whether 1st pass options were compatible with current options */
 376         if( !strncmp( stats_buf, "#options:", 9 ) )
 377         {
 378             int i;
 379             char *opts = stats_buf;
 380             stats_in = strchr( stats_buf, '\n' );
 381             if( !stats_in )
 382                 return -1;
 383             *stats_in = '\0';
 384             stats_in++;
 385
 386             if( ( p = strstr( opts, "bframes=" ) ) && sscanf( p, "bframes=%d", &i )
 387                 && h->param.i_bframe != i )
 388             {
 389                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "different number of B-frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 390                           h->param.i_bframe, i );
 391                 return -1;
 392             }
 393
 394             /* since B-adapt doesn't (yet) take into account B-pyramid,
 395              * the converse is not a problem */
 396             if( strstr( opts, "b_pyramid=1" ) && !h->param.b_bframe_pyramid )
 397                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass used B-pyramid, 2nd doesn't\n" );
 398
 399             if( ( p = strstr( opts, "keyint=" ) ) && sscanf( p, "keyint=%d", &i )
 400                 && h->param.i_keyint_max != i )
 401                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "different keyint than 1st pass (%d vs %d)\n",
 402                           h->param.i_keyint_max, i );
 403
 404             if( strstr( opts, "qp=0" ) && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR )
 405                 x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "1st pass was lossless, bitrate prediction will be inaccurate\n" );
 406
 407             if( ( p = strstr( opts, "b_adapt=" ) ) && sscanf( p, "b_adapt=%d", &i ) && i >= X264_B_ADAPT_NONE && i <= X264_B_ADAPT_TRELLIS )
 408                 h->param.i_bframe_adaptive = i;
 409             else if( h->param.i_bframe )
 410             {
 411                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "b_adapt method specified in stats file not valid\n" );
 412                 return -1;
 413             }
 414
 415             if( ( p = strstr( opts, "scenecut=" ) ) && sscanf( p, "scenecut=%d", &i ) && i >= -1 && i <= 100 )
 416             {
 417                 h->param.i_scenecut_threshold = i;
 418                 h->param.b_pre_scenecut = !!strstr( p, "(pre)" );
 419             }
 420             else
 421             {
 422                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "scenecut method specified in stats file not valid\n" );
 423                 return -1;
 424             }
 425         }
 426
 427         /* find number of pics */
 428         p = stats_in;
 429         for(i=-1; p; i++)
 430             p = strchr(p+1, ';');
 431         if(i==0)
 432         {
 433             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "empty stats file\n");
 434             return -1;
 435         }
 436         rc->num_entries = i;
 437
 438         if( h->param.i_frame_total < rc->num_entries && h->param.i_frame_total > 0 )
 439         {
 440             x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "2nd pass has fewer frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 441                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 442         }
 443         if( h->param.i_frame_total > rc->num_entries )
 444         {
 445             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d vs %d)\n",
 446                       h->param.i_frame_total, rc->num_entries );
 447             return -1;
 448         }
 449
 450         rc->entry = (ratecontrol_entry_t*) x264_malloc(rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t));
 451         memset(rc->entry, 0, rc->num_entries * sizeof(ratecontrol_entry_t));
 452
 453         /* init all to skipped p frames */
 454         for(i=0; i<rc->num_entries; i++)
 455         {
 456             ratecontrol_entry_t *rce = &rc->entry[i];
 457             rce->pict_type = SLICE_TYPE_P;
 458             rce->qscale = rce->new_qscale = qp2qscale(20);
 459             rce->misc_bits = rc->nmb + 10;
 460             rce->new_qp = 0;
 461         }
 462
 463         /* read stats */
 464         p = stats_in;
 465         for(i=0; i < rc->num_entries; i++)
 466         {
 467             ratecontrol_entry_t *rce;
 468             int frame_number;
 469             char pict_type;
 470             int e;
 471             char *next;
 472             float qp;
 473
 474             next= strchr(p, ';');
 475             if(next)
 476             {
 477                 (*next)=0; //sscanf is unbelievably slow on long strings
 478                 next++;
 479             }
 480             e = sscanf(p, " in:%d ", &frame_number);
 481
 482             if(frame_number < 0 || frame_number >= rc->num_entries)
 483             {
 484                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "bad frame number (%d) at stats line %d\n", frame_number, i);
 485                 return -1;
 486             }
 487             rce = &rc->entry[frame_number];
 488             rce->direct_mode = 0;
 489
 490             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",
 491                    &pict_type, &qp, &rce->tex_bits,
 492                    &rce->mv_bits, &rce->misc_bits, &rce->i_count, &rce->p_count,
 493                    &rce->s_count, &rce->direct_mode);
 494
 495             switch(pict_type)
 496             {
 497                 case 'I': rce->kept_as_ref = 1;
 498                 case 'i': rce->pict_type = SLICE_TYPE_I; break;
 499                 case 'P': rce->pict_type = SLICE_TYPE_P; break;
 500                 case 'B': rce->kept_as_ref = 1;
 501                 case 'b': rce->pict_type = SLICE_TYPE_B; break;
 502                 default:  e = -1; break;
 503             }
 504             if(e < 10)
 505             {
 506                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n", i, e);
 507                 return -1;
 508             }
 509             rce->qscale = qp2qscale(qp);
 510             p = next;
 511         }
 512
 513         x264_free(stats_buf);
 514
 515         if(h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR)
 516         {
 517             if(init_pass2(h) < 0) return -1;
 518         } /* else we're using constant quant, so no need to run the bitrate allocation */
 519     }
 520
 521     /* Open output file */
 522     /* If input and output files are the same, output to a temp file
 523      * and move it to the real name only when it's complete */
 524     if( h->param.rc.b_stat_write )
 525     {
 526         char *p;
 527
 528         rc->psz_stat_file_tmpname = x264_malloc( strlen(h->param.rc.psz_stat_out) + 6 );
 529         strcpy( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
 530         strcat( rc->psz_stat_file_tmpname, ".temp" );
 531
 532         rc->p_stat_file_out = fopen( rc->psz_stat_file_tmpname, "wb" );
 533         if( rc->p_stat_file_out == NULL )
 534         {
 535             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "ratecontrol_init: can't open stats file\n");
 536             return -1;
 537         }
 538
 539         p = x264_param2string( &h->param, 1 );
 540         fprintf( rc->p_stat_file_out, "#options: %s\n", p );
 541         x264_free( p );
 542     }
 543
 544     for( i=0; i<h->param.i_threads; i++ )
 545     {
 546         h->thread[i]->rc = rc+i;
 547         if( i )
 548         {
 549             rc[i] = rc[0];
 550             memcpy( &h->thread[i]->param, &h->param, sizeof( x264_param_t ) );
 551             h->thread[i]->mb.b_variable_qp = h->mb.b_variable_qp;
 552         }
 553     }
 554
 555     return 0;
 556 }
 557
 558 static int parse_zone( x264_t *h, x264_zone_t *z, char *p )
 559 {
 560     int len = 0;
 561     char *tok, UNUSED *saveptr;
 562     z->param = NULL;
 563     z->f_bitrate_factor = 1;
 564     if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,q=%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->i_qp, &len) )
 565         z->b_force_qp = 1;
 566     else if( 3 <= sscanf(p, "%u,%u,b=%f%n", &z->i_start, &z->i_end, &z->f_bitrate_factor, &len) )
 567         z->b_force_qp = 0;
 568     else if( 2 <= sscanf(p, "%u,%u%n", &z->i_start, &z->i_end, &len) )
 569         z->b_force_qp = 0;
 570     else
 571     {
 572         x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: \"%s\"\n", p );
 573         return -1;
 574     }
 575     p += len;
 576     if( !*p )
 577         return 0;
 578     z->param = malloc( sizeof(x264_param_t) );
 579     memcpy( z->param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 580     while( (tok = strtok_r( p, ",", &saveptr )) )
 581     {
 582         char *val = strchr( tok, '=' );
 583         if( val )
 584         {
 585             *val = '\0';
 586             val++;
 587         }
 588         if( x264_param_parse( z->param, tok, val ) )
 589         {
 590             x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone param: %s = %s\n", tok, val );
 591             return -1;
 592         }
 593         p = NULL;
 594     }
 595     return 0;
 596 }
 597
 598 static int parse_zones( x264_t *h )
 599 {
 600     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 601     int i;
 602     if( h->param.rc.psz_zones && !h->param.rc.i_zones )
 603     {
 604         char *p, *tok, UNUSED *saveptr;
 605         char *psz_zones = x264_malloc( strlen(h->param.rc.psz_zones)+1 );
 606         strcpy( psz_zones, h->param.rc.psz_zones );
 607         h->param.rc.i_zones = 1;
 608         for( p = psz_zones; *p; p++ )
 609             h->param.rc.i_zones += (*p == '/');
 610         h->param.rc.zones = x264_malloc( h->param.rc.i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
 611         p = psz_zones;
 612         for( i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
 613         {
 614             tok = strtok_r( p, "/", &saveptr );
 615             if( !tok || parse_zone( h, &h->param.rc.zones[i], tok ) )
 616                 return -1;
 617             p = NULL;
 618         }
 619         x264_free( psz_zones );
 620     }
 621
 622     if( h->param.rc.i_zones > 0 )
 623     {
 624         for( i = 0; i < h->param.rc.i_zones; i++ )
 625         {
 626             x264_zone_t z = h->param.rc.zones[i];
 627             if( z.i_start < 0 || z.i_start > z.i_end )
 628             {
 629                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: start=%d end=%d\n",
 630                           z.i_start, z.i_end );
 631                 return -1;
 632             }
 633             else if( !z.b_force_qp && z.f_bitrate_factor <= 0 )
 634             {
 635                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "invalid zone: bitrate_factor=%f\n",
 636                           z.f_bitrate_factor );
 637                 return -1;
 638             }
 639         }
 640
 641         rc->i_zones = h->param.rc.i_zones + 1;
 642         rc->zones = x264_malloc( rc->i_zones * sizeof(x264_zone_t) );
 643         memcpy( rc->zones+1, h->param.rc.zones, (rc->i_zones-1) * sizeof(x264_zone_t) );
 644
 645         // default zone to fall back to if none of the others match
 646         rc->zones[0].i_start = 0;
 647         rc->zones[0].i_end = INT_MAX;
 648         rc->zones[0].b_force_qp = 0;
 649         rc->zones[0].f_bitrate_factor = 1;
 650         rc->zones[0].param = x264_malloc( sizeof(x264_param_t) );
 651         memcpy( rc->zones[0].param, &h->param, sizeof(x264_param_t) );
 652         for( i = 1; i < rc->i_zones; i++ )
 653         {
 654             if( !rc->zones[i].param )
 655                 rc->zones[i].param = rc->zones[0].param;
 656         }
 657     }
 658
 659     return 0;
 660 }
 661
 662 static x264_zone_t *get_zone( x264_t *h, int frame_num )
 663 {
 664     int i;
 665     for( i = h->rc->i_zones-1; i >= 0; i-- )
 666     {
 667         x264_zone_t *z = &h->rc->zones[i];
 668         if( frame_num >= z->i_start && frame_num <= z->i_end )
 669             return z;
 670     }
 671     return NULL;
 672 }
 673
 674 void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
 675 {
 676     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 677     if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
 678     {
 679         double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
 680         x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
 681                   qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - h->param.rc.f_qcompress )
 682                              * rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) );
 683     }
 684 }
 685
 686 void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )
 687 {
 688     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 689     int i;
 690
 691     if( rc->p_stat_file_out )
 692     {
 693         fclose( rc->p_stat_file_out );
 694         if( h->i_frame >= rc->num_entries )
 695             if( rename( rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out ) != 0 )
 696             {
 697                 x264_log( h, X264_LOG_ERROR, "failed to rename \"%s\" to \"%s\"\n",
 698                           rc->psz_stat_file_tmpname, h->param.rc.psz_stat_out );
 699             }
 700         x264_free( rc->psz_stat_file_tmpname );
 701     }
 702     x264_free( rc->pred );
 703     x264_free( rc->pred_b_from_p );
 704     x264_free( rc->entry );
 705     if( rc->zones )
 706     {
 707         x264_free( rc->zones[0].param );
 708         if( h->param.rc.psz_zones )
 709             for( i=1; i<rc->i_zones; i++ )
 710                 if( rc->zones[i].param != rc->zones[0].param )
 711                     x264_free( rc->zones[i].param );
 712         x264_free( rc->zones );
 713     }
 714     x264_free( rc );
 715 }
 716
 717 void x264_ratecontrol_set_estimated_size( x264_t *h, int bits )
 718 {
 719     x264_pthread_mutex_lock( &h->fenc->mutex );
 720     h->rc->frame_size_estimated = bits;
 721     x264_pthread_mutex_unlock( &h->fenc->mutex );
 722 }
 723
 724 int x264_ratecontrol_get_estimated_size( x264_t const *h)
 725 {
 726     int size;
 727     x264_pthread_mutex_lock( &h->fenc->mutex );
 728     size = h->rc->frame_size_estimated;
 729     x264_pthread_mutex_unlock( &h->fenc->mutex );
 730     return size;
 731 }
 732
 733 static void accum_p_qp_update( x264_t *h, float qp )
 734 {
 735     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 736     rc->accum_p_qp   *= .95;
 737     rc->accum_p_norm *= .95;
 738     rc->accum_p_norm += 1;
 739     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_I )
 740         rc->accum_p_qp += qp + rc->ip_offset;
 741     else
 742         rc->accum_p_qp += qp;
 743 }
 744
 745 /* Before encoding a frame, choose a QP for it */
 746 void x264_ratecontrol_start( x264_t *h, int i_force_qp )
 747 {
 748     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 749     ratecontrol_entry_t *rce = NULL;
 750     x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );
 751     float q;
 752
 753     x264_emms();
 754
 755     if( zone && (!rc->prev_zone || zone->param != rc->prev_zone->param) )
 756         x264_encoder_reconfig( h, zone->param );
 757     rc->prev_zone = zone;
 758
 759     rc->qp_force = i_force_qp;
 760
 761     if( h->param.rc.b_stat_read )
 762     {
 763         int frame = h->fenc->i_frame;
 764         assert( frame >= 0 && frame < rc->num_entries );
 765         rce = h->rc->rce = &h->rc->entry[frame];
 766
 767         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B
 768             && h->param.analyse.i_direct_mv_pred == X264_DIRECT_PRED_AUTO )
 769         {
 770             h->sh.b_direct_spatial_mv_pred = ( rce->direct_mode == 's' );
 771             h->mb.b_direct_auto_read = ( rce->direct_mode == 's' || rce->direct_mode == 't' );
 772         }
 773     }
 774
 775     if( rc->b_vbv )
 776     {
 777         memset( h->fdec->i_row_bits, 0, h->sps->i_mb_height * sizeof(int) );
 778         rc->row_pred = &rc->row_preds[h->sh.i_type];
 779         update_vbv_plan( h );
 780     }
 781
 782     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
 783     {
 784         rc->bframes = 0;
 785         while( h->frames.current[rc->bframes] && IS_X264_TYPE_B(h->frames.current[rc->bframes]->i_type) )
 786             rc->bframes++;
 787     }
 788
 789     if( i_force_qp )
 790     {
 791         q = i_force_qp - 1;
 792     }
 793     else if( rc->b_abr )
 794     {
 795         q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );
 796     }
 797     else if( rc->b_2pass )
 798     {
 799         rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
 800         q = qscale2qp( rce->new_qscale );
 801     }
 802     else /* CQP */
 803     {
 804         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
 805             q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
 806         else
 807             q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];
 808
 809         if( zone )
 810         {
 811             if( zone->b_force_qp )
 812                 q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
 813             else
 814                 q -= 6*log(zone->f_bitrate_factor)/log(2);
 815         }
 816     }
 817
 818     rc->qpa_rc =
 819     rc->qpa_aq = 0;
 820     h->fdec->f_qp_avg_rc =
 821     h->fdec->f_qp_avg_aq =
 822     rc->qpm =
 823     rc->qp = x264_clip3( (int)(q + 0.5), 0, 51 );
 824     rc->f_qpm = q;
 825     if( rce )
 826         rce->new_qp = rc->qp;
 827
 828     /* accum_p_qp needs to be here so that future frames can benefit from the
 829      * data before this frame is done. but this only works because threading
 830      * guarantees to not re-encode any frames. so the non-threaded case does
 831      * accum_p_qp later. */
 832     if( h->param.i_threads > 1 )
 833         accum_p_qp_update( h, rc->qp );
 834
 835     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
 836         rc->last_non_b_pict_type = h->sh.i_type;
 837 }
 838
 839 static double predict_row_size( x264_t *h, int y, int qp )
 840 {
 841     /* average between two predictors:
 842      * absolute SATD, and scaled bit cost of the colocated row in the previous frame */
 843     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 844     double pred_s = predict_size( rc->row_pred, qp2qscale(qp), h->fdec->i_row_satd[y] );
 845     double pred_t = 0;
 846     if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I
 847         && h->fref0[0]->i_type == h->fdec->i_type
 848         && h->fref0[0]->i_row_satd[y] > 0
 849         && (abs(h->fref0[0]->i_row_satd[y] - h->fdec->i_row_satd[y]) < h->fdec->i_row_satd[y]/2))
 850     {
 851         pred_t = h->fref0[0]->i_row_bits[y] * h->fdec->i_row_satd[y] / h->fref0[0]->i_row_satd[y]
 852                  * qp2qscale(h->fref0[0]->i_row_qp[y]) / qp2qscale(qp);
 853     }
 854     if( pred_t == 0 )
 855         pred_t = pred_s;
 856
 857     return (pred_s + pred_t) / 2;
 858 }
 859
 860 static double row_bits_so_far( x264_t *h, int y )
 861 {
 862     int i;
 863     double bits = 0;
 864     for( i = 0; i <= y; i++ )
 865         bits += h->fdec->i_row_bits[i];
 866     return bits;
 867 }
 868
 869 static double predict_row_size_sum( x264_t *h, int y, int qp )
 870 {
 871     int i;
 872     double bits = row_bits_so_far(h, y);
 873     for( i = y+1; i < h->sps->i_mb_height; i++ )
 874         bits += predict_row_size( h, i, qp );
 875     return bits;
 876 }
 877
 878
 879 void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
 880 {
 881     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 882     const int y = h->mb.i_mb_y;
 883
 884     x264_emms();
 885
 886     h->fdec->i_row_bits[y] += bits;
 887     rc->qpa_rc += rc->f_qpm;
 888     rc->qpa_aq += h->mb.i_qp;
 889
 890     if( h->mb.i_mb_x != h->sps->i_mb_width - 1 || !rc->b_vbv)
 891         return;
 892
 893     h->fdec->i_row_qp[y] = rc->qpm;
 894
 895     if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
 896     {
 897         /* B-frames shouldn't use lower QP than their reference frames.
 898          * This code is a bit overzealous in limiting B-frame quantizers, but it helps avoid
 899          * underflows due to the fact that B-frames are not explicitly covered by VBV. */
 900         if( y < h->sps->i_mb_height-1 )
 901         {
 902             int i_estimated;
 903             int avg_qp = X264_MAX(h->fref0[0]->i_row_qp[y+1], h->fref1[0]->i_row_qp[y+1])
 904                        + rc->pb_offset * ((h->fenc->i_type == X264_TYPE_BREF) ? 0.5 : 1);
 905             rc->qpm = X264_MIN(X264_MAX( rc->qp, avg_qp), 51); //avg_qp could go higher than 51 due to pb_offset
 906             i_estimated = row_bits_so_far(h, y); //FIXME: compute full estimated size
 907             if (i_estimated > h->rc->frame_size_planned)
 908                 x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, i_estimated);
 909         }
 910     }
 911     else
 912     {
 913         update_predictor( rc->row_pred, qp2qscale(rc->qpm), h->fdec->i_row_satd[y], h->fdec->i_row_bits[y] );
 914
 915         /* tweak quality based on difference from predicted size */
 916         if( y < h->sps->i_mb_height-1 && h->stat.i_slice_count[h->sh.i_type] > 0 )
 917         {
 918             int prev_row_qp = h->fdec->i_row_qp[y];
 919             int b0 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
 920             int b1 = b0;
 921             int i_qp_max = X264_MIN( prev_row_qp + h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_max );
 922             int i_qp_min = X264_MAX( prev_row_qp - h->param.rc.i_qp_step, h->param.rc.i_qp_min );
 923             float buffer_left_planned = rc->buffer_fill - rc->frame_size_planned;
 924             float rc_tol = 1;
 925             float headroom = 0;
 926
 927             /* Don't modify the row QPs until a sufficent amount of the bits of the frame have been processed, in case a flat */
 928             /* area at the top of the frame was measured inaccurately. */
 929             if(row_bits_so_far(h,y) < 0.05 * rc->frame_size_planned)
 930                 return;
 931
 932             headroom = buffer_left_planned/rc->buffer_size;
 933             if(h->sh.i_type != SLICE_TYPE_I)
 934                 headroom /= 2;
 935             rc_tol += headroom;
 936
 937             if( !rc->b_vbv_min_rate )
 938                 i_qp_min = X264_MAX( i_qp_min, h->sh.i_qp );
 939
 940             while( rc->qpm < i_qp_max
 941                    && (b1 > rc->frame_size_planned * rc_tol
 942                     || (rc->buffer_fill - b1 < buffer_left_planned * 0.5)))
 943             {
 944                 rc->qpm ++;
 945                 b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
 946             }
 947
 948             /* avoid VBV underflow */
 949             while( (rc->qpm < h->param.rc.i_qp_max)
 950                    && (rc->buffer_fill - b1 < rc->buffer_size * 0.005))
 951             {
 952                 rc->qpm ++;
 953                 b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
 954             }
 955
 956             while( rc->qpm > i_qp_min
 957                    && rc->qpm > h->fdec->i_row_qp[0]
 958                    && ((b1 < rc->frame_size_planned * 0.8 && rc->qpm <= prev_row_qp)
 959                      || b1 < (rc->buffer_fill - rc->buffer_size + rc->buffer_rate) * 1.1) )
 960             {
 961                 rc->qpm --;
 962                 b1 = predict_row_size_sum( h, y, rc->qpm );
 963             }
 964             x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, b1);
 965         }
 966     }
 967     /* loses the fractional part of the frame-wise qp */
 968     rc->f_qpm = rc->qpm;
 969 }
 970
 971 int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
 972 {
 973     return h->rc->qpm;
 974 }
 975
 976 /* In 2pass, force the same frame types as in the 1st pass */
 977 int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
 978 {
 979     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
 980     if( h->param.rc.b_stat_read )
 981     {
 982         if( frame_num >= rc->num_entries )
 983         {
 984             /* We could try to initialize everything required for ABR and
 985              * adaptive B-frames, but that would be complicated.
 986              * So just calculate the average QP used so far. */
 987             int i;
 988
 989             h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_slice_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24
 990                                       : 1 + h->stat.f_slice_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_slice_count[SLICE_TYPE_P];
 991             rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, 51 );
 992             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 );
 993             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 );
 994
 995             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "2nd pass has more frames than 1st pass (%d)\n", rc->num_entries);
 996             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "continuing anyway, at constant QP=%d\n", h->param.rc.i_qp_constant);
 997             if( h->param.i_bframe_adaptive )
 998                 x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "disabling adaptive B-frames\n");
 999
1000             for( i = 0; i < h->param.i_threads; i++ )
1001             {
1002                 h->thread[i]->rc->b_abr = 0;
1003                 h->thread[i]->rc->b_2pass = 0;
1004                 h->thread[i]->param.rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
1005                 h->thread[i]->param.rc.b_stat_read = 0;
1006                 h->thread[i]->param.i_bframe_adaptive = 0;
1007                 h->thread[i]->param.b_pre_scenecut = 0;
1008                 h->thread[i]->param.i_scenecut_threshold = -1;
1009                 if( h->thread[i]->param.i_bframe > 1 )
1010                     h->thread[i]->param.i_bframe = 1;
1011             }
1012             return X264_TYPE_AUTO;
1013         }
1014         switch( rc->entry[frame_num].pict_type )
1015         {
1016             case SLICE_TYPE_I:
1017                 return rc->entry[frame_num].kept_as_ref ? X264_TYPE_IDR : X264_TYPE_I;
1018
1019             case SLICE_TYPE_B:
1020                 return rc->entry[frame_num].kept_as_ref ? X264_TYPE_BREF : X264_TYPE_B;
1021
1022             case SLICE_TYPE_P:
1023             default:
1024                 return X264_TYPE_P;
1025         }
1026     }
1027     else
1028     {
1029         return X264_TYPE_AUTO;
1030     }
1031 }
1032
1033 /* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
1034 void x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits )
1035 {
1036     x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
1037     const int *mbs = h->stat.frame.i_mb_count;
1038     int i;
1039
1040     x264_emms();
1041
1042     h->stat.frame.i_mb_count_skip = mbs[P_SKIP] + mbs[B_SKIP];
1043     h->stat.frame.i_mb_count_i = mbs[I_16x16] + mbs[I_8x8] + mbs[I_4x4];
1044     h->stat.frame.i_mb_count_p = mbs[P_L0] + mbs[P_8x8];
1045     for( i = B_DIRECT; i < B_8x8; i++ )
1046         h->stat.frame.i_mb_count_p += mbs[i];
1047
1048     h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
1049     h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
1050
1051     if( h->param.rc.b_stat_write )
1052     {
1053         char c_type = h->sh.i_type==SLICE_TYPE_I ? (h->fenc->i_poc==0 ? 'I' : 'i')
1054                     : h->sh.i_type==SLICE_TYPE_P ? 'P'
1055                     : h->fenc->b_kept_as_ref ? 'B' : 'b';
1056         int dir_frame = h->stat.frame.i_direct_score[1] - h->stat.frame.i_direct_score[0];
1057         int dir_avg = h->stat.i_direct_score[1] - h->stat.i_direct_score[0];
1058         char c_direct = h->mb.b_direct_auto_write ?
1059                         ( dir_frame>0 ? 's' : dir_frame<0 ? 't' :
1060                           dir_avg>0 ? 's' : dir_avg<0 ? 't' : '-' )
1061                         : '-';
1062         fprintf( rc->p_stat_file_out,
1063                  "in:%d out:%d type:%c q:%.2f tex:%d mv:%d misc:%d imb:%d pmb:%d smb:%d d:%c;\n",
1064                  h->fenc->i_frame, h->i_frame,
1065                  c_type, rc->qpa_rc,
1066                  h->stat.frame.i_tex_bits,
1067                  h->stat.frame.i_mv_bits,
1068                  h->stat.frame.i_misc_bits,
1069                  h->stat.frame.i_mb_count_i,
1070                  h->stat.frame.i_mb_count_p,
1071                  h->stat.frame.i_mb_count_skip,
1072                  c_direct);
1073     }
1074
1075     if( rc->b_abr )
1076     {
1077         if( h->sh.i_type != SLICE_TYPE_B )
1078             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale(rc->qpa_rc) / rc->last_rceq;
1079         else
1080         {
1081             /* Depends on the fact that B-frame's QP is an offset from the following P-frame's.
1082              * Not perfectly accurate with B-refs, but good enough. */
1083             rc->cplxr_sum += bits * qp2qscale(rc->qpa_rc) / (rc->last_rceq * fabs(h->param.rc.f_pb_factor));
1084         }
1085         rc->cplxr_sum *= rc->cbr_decay;
1086         rc->wanted_bits_window += rc->bitrate / rc->fps;
1087         rc->wanted_bits_window *= rc->cbr_decay;
1088
1089         if( h->param.i_threads == 1 )
1090             accum_p_qp_update( h, rc->qpa_rc );
1091     }
1092
1093     if( rc->b_2pass )
1094     {
1095         rc->expected_bits_sum += qscale2bits( rc->rce, qp2qscale(rc->rce->new_qp) );
1096     }
1097
1098     if( h->mb.b_variable_qp )
1099     {
1100         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
1101         {
1102             rc->bframe_bits += bits;
1103             if( !h->frames.current[0] || !IS_X264_TYPE_B(h->frames.current[0]->i_type) )
1104             {
1105                 update_predictor( rc->pred_b_from_p, qp2qscale(rc->qpa_rc),
1106                                   h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd, rc->bframe_bits / rc->bframes );
1107                 rc->bframe_bits = 0;
1108             }
1109         }
1110     }
1111
1112     update_vbv( h, bits );
1113 }
1114
1115 /****************************************************************************
1116  * 2 pass functions
1117  ***************************************************************************/
1118
1119 /**
1120  * modify the bitrate curve from pass1 for one frame
1121  */
1122 static double get_qscale(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double rate_factor, int frame_num)
1123 {
1124     x264_ratecontrol_t *rcc= h->rc;
1125     double q;
1126     x264_zone_t *zone = get_zone( h, frame_num );
1127
1128     q = pow( rce->blurred_complexity, 1 - h->param.rc.f_qcompress );
1129
1130     // avoid NaN's in the rc_eq
1131     if(!isfinite(q) || rce->tex_bits + rce->mv_bits == 0)
1132         q = rcc->last_qscale;
1133     else
1134     {
1135         rcc->last_rceq = q;
1136         q /= rate_factor;
1137         rcc->last_qscale = q;
1138     }
1139
1140     if( zone )
1141     {
1142         if( zone->b_force_qp )
1143             q = qp2qscale(zone->i_qp);
1144         else
1145             q /= zone->f_bitrate_factor;
1146     }
1147
1148     return q;
1149 }
1150
1151 static double get_diff_limited_q(x264_t *h, ratecontrol_entry_t *rce, double q)
1152 {
1153     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1154     const int pict_type = rce->pict_type;
1155
1156     // force I/B quants as a function of P quants
1157     const double last_p_q    = rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P];
1158     const double last_non_b_q= rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
1159     if( pict_type == SLICE_TYPE_I )
1160     {
1161         double iq = q;
1162         double pq = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1163         double ip_factor = fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1164         /* don't apply ip_factor if the following frame is also I */
1165         if( rcc->accum_p_norm <= 0 )
1166             q = iq;
1167         else if( h->param.rc.f_ip_factor < 0 )
1168             q = iq / ip_factor;
1169         else if( rcc->accum_p_norm >= 1 )
1170             q = pq / ip_factor;
1171         else
1172             q = rcc->accum_p_norm * pq / ip_factor + (1 - rcc->accum_p_norm) * iq;
1173     }
1174     else if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1175     {
1176         if( h->param.rc.f_pb_factor > 0 )
1177             q = last_non_b_q;
1178         if( !rce->kept_as_ref )
1179             q *= fabs( h->param.rc.f_pb_factor );
1180     }
1181     else if( pict_type == SLICE_TYPE_P
1182              && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_P
1183              && rce->tex_bits == 0 )
1184     {
1185         q = last_p_q;
1186     }
1187
1188     /* last qscale / qdiff stuff */
1189     if(rcc->last_non_b_pict_type==pict_type
1190        && (pict_type!=SLICE_TYPE_I || rcc->last_accum_p_norm < 1))
1191     {
1192         double last_q = rcc->last_qscale_for[pict_type];
1193         double max_qscale = last_q * rcc->lstep;
1194         double min_qscale = last_q / rcc->lstep;
1195
1196         if     (q > max_qscale) q = max_qscale;
1197         else if(q < min_qscale) q = min_qscale;
1198     }
1199
1200     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q;
1201     if(pict_type!=SLICE_TYPE_B)
1202         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
1203     if(pict_type==SLICE_TYPE_I)
1204     {
1205         rcc->last_accum_p_norm = rcc->accum_p_norm;
1206         rcc->accum_p_norm = 0;
1207         rcc->accum_p_qp = 0;
1208     }
1209     if(pict_type==SLICE_TYPE_P)
1210     {
1211         float mask = 1 - pow( (float)rce->i_count / rcc->nmb, 2 );
1212         rcc->accum_p_qp   = mask * (qscale2qp(q) + rcc->accum_p_qp);
1213         rcc->accum_p_norm = mask * (1 + rcc->accum_p_norm);
1214     }
1215     return q;
1216 }
1217
1218 static double predict_size( predictor_t *p, double q, double var )
1219 {
1220      return p->coeff*var / (q*p->count);
1221 }
1222
1223 static void update_predictor( predictor_t *p, double q, double var, double bits )
1224 {
1225     if( var < 10 )
1226         return;
1227     p->count *= p->decay;
1228     p->coeff *= p->decay;
1229     p->count ++;
1230     p->coeff += bits*q / var;
1231 }
1232
1233 // update VBV after encoding a frame
1234 static void update_vbv( x264_t *h, int bits )
1235 {
1236     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1237     x264_ratecontrol_t *rct = h->thread[0]->rc;
1238
1239     if( rcc->last_satd >= h->mb.i_mb_count )
1240         update_predictor( &rct->pred[h->sh.i_type], qp2qscale(rcc->qpa_rc), rcc->last_satd, bits );
1241
1242     if( !rcc->b_vbv )
1243         return;
1244
1245     rct->buffer_fill_final += rct->buffer_rate - bits;
1246     if( rct->buffer_fill_final < 0 )
1247         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "VBV underflow (%.0f bits)\n", rct->buffer_fill_final );
1248     rct->buffer_fill_final = x264_clip3f( rct->buffer_fill_final, 0, rct->buffer_size );
1249 }
1250
1251 // provisionally update VBV according to the planned size of all frames currently in progress
1252 static void update_vbv_plan( x264_t *h )
1253 {
1254     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1255     rcc->buffer_fill = h->thread[0]->rc->buffer_fill_final;
1256     if( h->param.i_threads > 1 )
1257     {
1258         int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1259         int i;
1260         for( i=1; i<h->param.i_threads; i++ )
1261         {
1262             x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->param.i_threads ];
1263             double bits = t->rc->frame_size_planned;
1264             if( !t->b_thread_active )
1265                 continue;
1266             bits  = X264_MAX(bits, x264_ratecontrol_get_estimated_size(t));
1267             rcc->buffer_fill += rcc->buffer_rate - bits;
1268             rcc->buffer_fill = x264_clip3( rcc->buffer_fill, 0, rcc->buffer_size );
1269         }
1270     }
1271 }
1272
1273 // apply VBV constraints and clip qscale to between lmin and lmax
1274 static double clip_qscale( x264_t *h, int pict_type, double q )
1275 {
1276     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1277     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1278     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1279     double q0 = q;
1280
1281     /* B-frames are not directly subject to VBV,
1282      * since they are controlled by the P-frames' QPs.
1283      * FIXME: in 2pass we could modify previous frames' QP too,
1284      *        instead of waiting for the buffer to fill */
1285     if( rcc->b_vbv &&
1286         ( pict_type == SLICE_TYPE_P ||
1287           ( pict_type == SLICE_TYPE_I && rcc->last_non_b_pict_type == SLICE_TYPE_I ) ) )
1288     {
1289         if( rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size < 0.5 )
1290             q /= x264_clip3f( 2.0*rcc->buffer_fill/rcc->buffer_size, 0.5, 1.0 );
1291     }
1292
1293     if( rcc->b_vbv && rcc->last_satd > 0 )
1294     {
1295         /* Now a hard threshold to make sure the frame fits in VBV.
1296          * This one is mostly for I-frames. */
1297         double bits = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1298         double qf = 1.0;
1299         if( bits > rcc->buffer_fill/2 )
1300             qf = x264_clip3f( rcc->buffer_fill/(2*bits), 0.2, 1.0 );
1301         q /= qf;
1302         bits *= qf;
1303         if( bits < rcc->buffer_rate/2 )
1304             q *= bits*2/rcc->buffer_rate;
1305         q = X264_MAX( q0, q );
1306
1307         /* Check B-frame complexity, and use up any bits that would
1308          * overflow before the next P-frame. */
1309         if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_P )
1310         {
1311             int nb = rcc->bframes;
1312             double pbbits = bits;
1313             double bbits = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q * h->param.rc.f_pb_factor, rcc->last_satd );
1314             double space;
1315
1316             if( bbits > rcc->buffer_rate )
1317                 nb = 0;
1318             pbbits += nb * bbits;
1319
1320             space = rcc->buffer_fill + (1+nb)*rcc->buffer_rate - rcc->buffer_size;
1321             if( pbbits < space )
1322             {
1323                 q *= X264_MAX( pbbits / space,
1324                                bits / (0.5 * rcc->buffer_size) );
1325             }
1326             q = X264_MAX( q0-5, q );
1327         }
1328
1329         if( !rcc->b_vbv_min_rate )
1330             q = X264_MAX( q0, q );
1331     }
1332
1333     if(lmin==lmax)
1334         return lmin;
1335     else if(rcc->b_2pass)
1336     {
1337         double min2 = log(lmin);
1338         double max2 = log(lmax);
1339         q = (log(q) - min2)/(max2-min2) - 0.5;
1340         q = 1.0/(1.0 + exp(-4*q));
1341         q = q*(max2-min2) + min2;
1342         return exp(q);
1343     }
1344     else
1345         return x264_clip3f(q, lmin, lmax);
1346 }
1347
1348 // update qscale for 1 frame based on actual bits used so far
1349 static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
1350 {
1351     float q;
1352     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1353     ratecontrol_entry_t rce;
1354     int pict_type = h->sh.i_type;
1355     double lmin = rcc->lmin[pict_type];
1356     double lmax = rcc->lmax[pict_type];
1357     int64_t total_bits = 8*(h->stat.i_slice_size[SLICE_TYPE_I]
1358                           + h->stat.i_slice_size[SLICE_TYPE_P]
1359                           + h->stat.i_slice_size[SLICE_TYPE_B]);
1360
1361     if( rcc->b_2pass )
1362     {
1363         rce = *rcc->rce;
1364         if(pict_type != rce.pict_type)
1365         {
1366             x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "slice=%c but 2pass stats say %c\n",
1367                      slice_type_to_char[pict_type], slice_type_to_char[rce.pict_type]);
1368         }
1369     }
1370
1371     if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
1372     {
1373         /* B-frames don't have independent ratecontrol, but rather get the
1374          * average QP of the two adjacent P-frames + an offset */
1375
1376         int i0 = IS_X264_TYPE_I(h->fref0[0]->i_type);
1377         int i1 = IS_X264_TYPE_I(h->fref1[0]->i_type);
1378         int dt0 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref0[0]->i_poc);
1379         int dt1 = abs(h->fenc->i_poc - h->fref1[0]->i_poc);
1380         float q0 = h->fref0[0]->f_qp_avg_rc;
1381         float q1 = h->fref1[0]->f_qp_avg_rc;
1382
1383         if( h->fref0[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
1384             q0 -= rcc->pb_offset/2;
1385         if( h->fref1[0]->i_type == X264_TYPE_BREF )
1386             q1 -= rcc->pb_offset/2;
1387
1388         if(i0 && i1)
1389             q = (q0 + q1) / 2 + rcc->ip_offset;
1390         else if(i0)
1391             q = q1;
1392         else if(i1)
1393             q = q0;
1394         else
1395             q = (q0*dt1 + q1*dt0) / (dt0 + dt1);
1396
1397         if(h->fenc->b_kept_as_ref)
1398             q += rcc->pb_offset/2;
1399         else
1400             q += rcc->pb_offset;
1401
1402         rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q, h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd );
1403         x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, rcc->frame_size_planned);
1404         rcc->last_satd = 0;
1405         return qp2qscale(q);
1406     }
1407     else
1408     {
1409         double abr_buffer = 2 * rcc->rate_tolerance * rcc->bitrate;
1410
1411         if( rcc->b_2pass )
1412         {
1413             //FIXME adjust abr_buffer based on distance to the end of the video
1414             int64_t diff;
1415             int64_t predicted_bits = total_bits;
1416
1417             if( rcc->b_vbv )
1418             {
1419                 if( h->param.i_threads > 1 )
1420                 {
1421                     int j = h->rc - h->thread[0]->rc;
1422                     int i;
1423                     for( i=1; i<h->param.i_threads; i++ )
1424                     {
1425                         x264_t *t = h->thread[ (j+i)%h->param.i_threads ];
1426                         double bits = t->rc->frame_size_planned;
1427                         if( !t->b_thread_active )
1428                             continue;
1429                         bits  = X264_MAX(bits, x264_ratecontrol_get_estimated_size(t));
1430                         predicted_bits += (int64_t)bits;
1431                     }
1432                 }
1433             }
1434             else
1435             {
1436                 if( h->fenc->i_frame < h->param.i_threads )
1437                     predicted_bits += (int64_t)h->fenc->i_frame * rcc->bitrate / rcc->fps;
1438                 else
1439                     predicted_bits += (int64_t)(h->param.i_threads - 1) * rcc->bitrate / rcc->fps;
1440             }
1441
1442             diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
1443             q = rce.new_qscale;
1444             q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);
1445             if( ((h->fenc->i_frame + 1 - h->param.i_threads) >= rcc->fps) &&
1446                 (rcc->expected_bits_sum > 0))
1447             {
1448                 /* Adjust quant based on the difference between
1449                  * achieved and expected bitrate so far */
1450                 double time = (double)h->fenc->i_frame / rcc->num_entries;
1451                 double w = x264_clip3f( time*100, 0.0, 1.0 );
1452                 q *= pow( (double)total_bits / rcc->expected_bits_sum, w );
1453             }
1454             if( rcc->b_vbv )
1455             {
1456                 /* Do not overflow vbv */
1457                 double expected_size = qscale2bits(&rce, q);
1458                 double expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
1459                 double expected_fullness =  rce.expected_vbv / rcc->buffer_size;
1460                 double qmax = q*(2 - expected_fullness);
1461                 double size_constraint = 1 + expected_fullness;
1462                 qmax = X264_MAX(qmax, rce.new_qscale);
1463                 if (expected_fullness < .05)
1464                     qmax = lmax;
1465                 qmax = X264_MIN(qmax, lmax);
1466                 while( ((expected_vbv < rce.expected_vbv/size_constraint) && (q < qmax)) ||
1467                         ((expected_vbv < 0) && (q < lmax)))
1468                 {
1469                     q *= 1.05;
1470                     expected_size = qscale2bits(&rce, q);
1471                     expected_vbv = rcc->buffer_fill + rcc->buffer_rate - expected_size;
1472                 }
1473                 rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
1474             }
1475             q = x264_clip3f( q, lmin, lmax );
1476         }
1477         else /* 1pass ABR */
1478         {
1479             /* Calculate the quantizer which would have produced the desired
1480              * average bitrate if it had been applied to all frames so far.
1481              * Then modulate that quant based on the current frame's complexity
1482              * relative to the average complexity so far (using the 2pass RCEQ).
1483              * Then bias the quant up or down if total size so far was far from
1484              * the target.
1485              * Result: Depending on the value of rate_tolerance, there is a
1486              * tradeoff between quality and bitrate precision. But at large
1487              * tolerances, the bit distribution approaches that of 2pass. */
1488
1489             double wanted_bits, overflow=1, lmin, lmax;
1490
1491             rcc->last_satd = x264_rc_analyse_slice( h );
1492             rcc->short_term_cplxsum *= 0.5;
1493             rcc->short_term_cplxcount *= 0.5;
1494             rcc->short_term_cplxsum += rcc->last_satd;
1495             rcc->short_term_cplxcount ++;
1496
1497             rce.tex_bits = rcc->last_satd;
1498             rce.blurred_complexity = rcc->short_term_cplxsum / rcc->short_term_cplxcount;
1499             rce.mv_bits = 0;
1500             rce.p_count = rcc->nmb;
1501             rce.i_count = 0;
1502             rce.s_count = 0;
1503             rce.qscale = 1;
1504             rce.pict_type = pict_type;
1505
1506             if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
1507             {
1508                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->rate_factor_constant, h->fenc->i_frame );
1509             }
1510             else
1511             {
1512                 int i_frame_done = h->fenc->i_frame + 1 - h->param.i_threads;
1513
1514                 q = get_qscale( h, &rce, rcc->wanted_bits_window / rcc->cplxr_sum, h->fenc->i_frame );
1515
1516                 // FIXME is it simpler to keep track of wanted_bits in ratecontrol_end?
1517                 wanted_bits = i_frame_done * rcc->bitrate / rcc->fps;
1518                 if( wanted_bits > 0 )
1519                 {
1520                     abr_buffer *= X264_MAX( 1, sqrt(i_frame_done/25) );
1521                     overflow = x264_clip3f( 1.0 + (total_bits - wanted_bits) / abr_buffer, .5, 2 );
1522                     q *= overflow;
1523                 }
1524             }
1525
1526             if( pict_type == SLICE_TYPE_I && h->param.i_keyint_max > 1
1527                 /* should test _next_ pict type, but that isn't decided yet */
1528                 && rcc->last_non_b_pict_type != SLICE_TYPE_I )
1529             {
1530                 q = qp2qscale( rcc->accum_p_qp / rcc->accum_p_norm );
1531                 q /= fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1532             }
1533             else if( h->i_frame > 0 )
1534             {
1535                 /* Asymmetric clipping, because symmetric would prevent
1536                  * overflow control in areas of rapidly oscillating complexity */
1537                 lmin = rcc->last_qscale_for[pict_type] / rcc->lstep;
1538                 lmax = rcc->last_qscale_for[pict_type] * rcc->lstep;
1539                 if( overflow > 1.1 && h->i_frame > 3 )
1540                     lmax *= rcc->lstep;
1541                 else if( overflow < 0.9 )
1542                     lmin /= rcc->lstep;
1543
1544                 q = x264_clip3f(q, lmin, lmax);
1545             }
1546             else if( h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_CRF )
1547             {
1548                 q = qp2qscale( ABR_INIT_QP ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor );
1549             }
1550
1551             //FIXME use get_diff_limited_q() ?
1552             q = clip_qscale( h, pict_type, q );
1553         }
1554
1555         rcc->last_qscale_for[pict_type] =
1556         rcc->last_qscale = q;
1557
1558         if( !(rcc->b_2pass && !rcc->b_vbv) && h->fenc->i_frame == 0 )
1559             rcc->last_qscale_for[SLICE_TYPE_P] = q;
1560
1561         if( rcc->b_2pass && rcc->b_vbv)
1562             rcc->frame_size_planned = qscale2bits(&rce, q);
1563         else
1564             rcc->frame_size_planned = predict_size( &rcc->pred[h->sh.i_type], q, rcc->last_satd );
1565         x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, rcc->frame_size_planned);
1566         return q;
1567     }
1568 }
1569
1570 void x264_thread_sync_ratecontrol( x264_t *cur, x264_t *prev, x264_t *next )
1571 {
1572     if( cur != prev )
1573     {
1574 #define COPY(var) memcpy(&cur->rc->var, &prev->rc->var, sizeof(cur->rc->var))
1575         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_start()
1576          * so copy them from the context that most recently started (prev)
1577          * to the context that's about to start (cur).
1578          */
1579         COPY(accum_p_qp);
1580         COPY(accum_p_norm);
1581         COPY(last_satd);
1582         COPY(last_rceq);
1583         COPY(last_qscale_for);
1584         COPY(last_non_b_pict_type);
1585         COPY(short_term_cplxsum);
1586         COPY(short_term_cplxcount);
1587         COPY(bframes);
1588         COPY(prev_zone);
1589 #undef COPY
1590     }
1591     if( cur != next )
1592     {
1593 #define COPY(var) next->rc->var = cur->rc->var
1594         /* these vars are updated in x264_ratecontrol_end()
1595          * so copy them from the context that most recently ended (cur)
1596          * to the context that's about to end (next)
1597          */
1598         COPY(cplxr_sum);
1599         COPY(expected_bits_sum);
1600         COPY(wanted_bits_window);
1601         COPY(bframe_bits);
1602 #undef COPY
1603     }
1604     //FIXME row_preds[] (not strictly necessary, but would improve prediction)
1605     /* the rest of the variables are either constant or thread-local */
1606 }
1607
1608 static int find_underflow( x264_t *h, double *fills, int *t0, int *t1, int over )
1609 {
1610     /* find an interval ending on an overflow or underflow (depending on whether
1611      * we're adding or removing bits), and starting on the earliest frame that
1612      * can influence the buffer fill of that end frame. */
1613     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1614     const double buffer_min = (over ? .1 : .1) * rcc->buffer_size;
1615     const double buffer_max = .9 * rcc->buffer_size;
1616     double fill = fills[*t0-1];
1617     double parity = over ? 1. : -1.;
1618     int i, start=-1, end=-1;
1619     for(i = *t0; i < rcc->num_entries; i++)
1620     {
1621         fill += (rcc->buffer_rate - qscale2bits(&rcc->entry[i], rcc->entry[i].new_qscale)) * parity;
1622         fill = x264_clip3f(fill, 0, rcc->buffer_size);
1623         fills[i] = fill;
1624         if(fill <= buffer_min || i == 0)
1625         {
1626             if(end >= 0)
1627                 break;
1628             start = i;
1629         }
1630         else if(fill >= buffer_max && start >= 0)
1631             end = i;
1632     }
1633     *t0 = start;
1634     *t1 = end;
1635     return start>=0 && end>=0;
1636 }
1637
1638 static int fix_underflow( x264_t *h, int t0, int t1, double adjustment, double qscale_min, double qscale_max)
1639 {
1640     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1641     double qscale_orig, qscale_new;
1642     int i;
1643     int adjusted = 0;
1644     if(t0 > 0)
1645         t0++;
1646     for(i = t0; i <= t1; i++)
1647     {
1648         qscale_orig = rcc->entry[i].new_qscale;
1649         qscale_orig = x264_clip3f(qscale_orig, qscale_min, qscale_max);
1650         qscale_new  = qscale_orig * adjustment;
1651         qscale_new  = x264_clip3f(qscale_new, qscale_min, qscale_max);
1652         rcc->entry[i].new_qscale = qscale_new;
1653         adjusted = adjusted || (qscale_new != qscale_orig);
1654     }
1655     return adjusted;
1656 }
1657
1658 static double count_expected_bits( x264_t *h )
1659 {
1660     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1661     double expected_bits = 0;
1662     int i;
1663     for(i = 0; i < rcc->num_entries; i++)
1664     {
1665         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1666         rce->expected_bits = expected_bits;
1667         expected_bits += qscale2bits(rce, rce->new_qscale);
1668     }
1669     return expected_bits;
1670 }
1671
1672 static void vbv_pass2( x264_t *h )
1673 {
1674     /* for each interval of buffer_full .. underflow, uniformly increase the qp of all
1675      * frames in the interval until either buffer is full at some intermediate frame or the
1676      * last frame in the interval no longer underflows.  Recompute intervals and repeat.
1677      * Then do the converse to put bits back into overflow areas until target size is met */
1678
1679     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1680     double *fills = x264_malloc((rcc->num_entries+1)*sizeof(double));
1681     double all_available_bits = h->param.rc.i_bitrate * 1000. * rcc->num_entries / rcc->fps;
1682     double expected_bits = 0;
1683     double adjustment;
1684     double prev_bits = 0;
1685     int i, t0, t1;
1686     double qscale_min = qp2qscale(h->param.rc.i_qp_min);
1687     double qscale_max = qp2qscale(h->param.rc.i_qp_max);
1688     int iterations = 0;
1689     int adj_min, adj_max;
1690
1691     fills++;
1692
1693     /* adjust overall stream size */
1694     do
1695     {
1696         iterations++;
1697         prev_bits = expected_bits;
1698
1699         if(expected_bits != 0)
1700         {   /* not first iteration */
1701             adjustment = X264_MAX(X264_MIN(expected_bits / all_available_bits, 0.999), 0.9);
1702             fills[-1] = rcc->buffer_size * h->param.rc.f_vbv_buffer_init;
1703             t0 = 0;
1704             /* fix overflows */
1705             adj_min = 1;
1706             while(adj_min && find_underflow(h, fills, &t0, &t1, 1))
1707             {
1708                 adj_min = fix_underflow(h, t0, t1, adjustment, qscale_min, qscale_max);
1709                 t0 = t1;
1710             }
1711         }
1712
1713         fills[-1] = rcc->buffer_size * (1. - h->param.rc.f_vbv_buffer_init);
1714         t0 = 0;
1715         /* fix underflows -- should be done after overflow, as we'd better undersize target than underflowing VBV */
1716         adj_max = 1;
1717         while(adj_max && find_underflow(h, fills, &t0, &t1, 0))
1718             adj_max = fix_underflow(h, t0, t1, 1.001, qscale_min, qscale_max);
1719
1720         expected_bits = count_expected_bits(h);
1721     } while((expected_bits < .995*all_available_bits) && ((int)(expected_bits+.5) > (int)(prev_bits+.5)) );
1722
1723     if (!adj_max)
1724         x264_log( h, X264_LOG_WARNING, "vbv-maxrate issue, qpmax or vbv-maxrate too low\n");
1725
1726     /* store expected vbv filling values for tracking when encoding */
1727     for(i = 0; i < rcc->num_entries; i++)
1728         rcc->entry[i].expected_vbv = rcc->buffer_size - fills[i];
1729
1730     x264_free(fills-1);
1731 }
1732
1733 static int init_pass2( x264_t *h )
1734 {
1735     x264_ratecontrol_t *rcc = h->rc;
1736     uint64_t all_const_bits = 0;
1737     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(h->param.rc.i_bitrate * 1000. * rcc->num_entries / rcc->fps);
1738     double rate_factor, step, step_mult;
1739     double qblur = h->param.rc.f_qblur;
1740     double cplxblur = h->param.rc.f_complexity_blur;
1741     const int filter_size = (int)(qblur*4) | 1;
1742     double expected_bits;
1743     double *qscale, *blurred_qscale;
1744     int i;
1745
1746     /* find total/average complexity & const_bits */
1747     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1748     {
1749         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1750         all_const_bits += rce->misc_bits;
1751     }
1752
1753     if( all_available_bits < all_const_bits)
1754     {
1755         x264_log(h, X264_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low. estimated minimum is %d kbps\n",
1756                  (int)(all_const_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.)));
1757         return -1;
1758     }
1759
1760     /* Blur complexities, to reduce local fluctuation of QP.
1761      * We don't blur the QPs directly, because then one very simple frame
1762      * could drag down the QP of a nearby complex frame and give it more
1763      * bits than intended. */
1764     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1765     {
1766         ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1767         double weight_sum = 0;
1768         double cplx_sum = 0;
1769         double weight = 1.0;
1770         double gaussian_weight;
1771         int j;
1772         /* weighted average of cplx of future frames */
1773         for(j=1; j<cplxblur*2 && j<rcc->num_entries-i; j++)
1774         {
1775             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i+j];
1776             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
1777             if(weight < .0001)
1778                 break;
1779             gaussian_weight = weight * exp(-j*j/200.0);
1780             weight_sum += gaussian_weight;
1781             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
1782         }
1783         /* weighted average of cplx of past frames */
1784         weight = 1.0;
1785         for(j=0; j<=cplxblur*2 && j<=i; j++)
1786         {
1787             ratecontrol_entry_t *rcj = &rcc->entry[i-j];
1788             gaussian_weight = weight * exp(-j*j/200.0);
1789             weight_sum += gaussian_weight;
1790             cplx_sum += gaussian_weight * (qscale2bits(rcj, 1) - rcj->misc_bits);
1791             weight *= 1 - pow( (float)rcj->i_count / rcc->nmb, 2 );
1792             if(weight < .0001)
1793                 break;
1794         }
1795         rce->blurred_complexity = cplx_sum / weight_sum;
1796     }
1797
1798     qscale = x264_malloc(sizeof(double)*rcc->num_entries);
1799     if(filter_size > 1)
1800         blurred_qscale = x264_malloc(sizeof(double)*rcc->num_entries);
1801     else
1802         blurred_qscale = qscale;
1803
1804     /* Search for a factor which, when multiplied by the RCEQ values from
1805      * each frame, adds up to the desired total size.
1806      * There is no exact closed-form solution because of VBV constraints and
1807      * because qscale2bits is not invertible, but we can start with the simple
1808      * approximation of scaling the 1st pass by the ratio of bitrates.
1809      * The search range is probably overkill, but speed doesn't matter here. */
1810
1811     expected_bits = 1;
1812     for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1813         expected_bits += qscale2bits(&rcc->entry[i], get_qscale(h, &rcc->entry[i], 1.0, i));
1814     step_mult = all_available_bits / expected_bits;
1815
1816     rate_factor = 0;
1817     for(step = 1E4 * step_mult; step > 1E-7 * step_mult; step *= 0.5)
1818     {
1819         expected_bits = 0;
1820         rate_factor += step;
1821
1822         rcc->last_non_b_pict_type = -1;
1823         rcc->last_accum_p_norm = 1;
1824         rcc->accum_p_norm = 0;
1825
1826         /* find qscale */
1827         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1828         {
1829             qscale[i] = get_qscale(h, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
1830         }
1831
1832         /* fixed I/B qscale relative to P */
1833         for(i=rcc->num_entries-1; i>=0; i--)
1834         {
1835             qscale[i] = get_diff_limited_q(h, &rcc->entry[i], qscale[i]);
1836             assert(qscale[i] >= 0);
1837         }
1838
1839         /* smooth curve */
1840         if(filter_size > 1)
1841         {
1842             assert(filter_size%2==1);
1843             for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1844             {
1845                 ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1846                 int j;
1847                 double q=0.0, sum=0.0;
1848
1849                 for(j=0; j<filter_size; j++)
1850                 {
1851                     int index = i+j-filter_size/2;
1852                     double d = index-i;
1853                     double coeff = qblur==0 ? 1.0 : exp(-d*d/(qblur*qblur));
1854                     if(index < 0 || index >= rcc->num_entries)
1855                         continue;
1856                     if(rce->pict_type != rcc->entry[index].pict_type)
1857                         continue;
1858                     q += qscale[index] * coeff;
1859                     sum += coeff;
1860                 }
1861                 blurred_qscale[i] = q/sum;
1862             }
1863         }
1864
1865         /* find expected bits */
1866         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1867         {
1868             ratecontrol_entry_t *rce = &rcc->entry[i];
1869             rce->new_qscale = clip_qscale(h, rce->pict_type, blurred_qscale[i]);
1870             assert(rce->new_qscale >= 0);
1871             expected_bits += qscale2bits(rce, rce->new_qscale);
1872         }
1873
1874         if(expected_bits > all_available_bits) rate_factor -= step;
1875     }
1876
1877     x264_free(qscale);
1878     if(filter_size > 1)
1879         x264_free(blurred_qscale);
1880
1881     if(rcc->b_vbv)
1882         vbv_pass2(h);
1883     expected_bits = count_expected_bits(h);
1884
1885     if(fabs(expected_bits/all_available_bits - 1.0) > 0.01)
1886     {
1887         double avgq = 0;
1888         for(i=0; i<rcc->num_entries; i++)
1889             avgq += rcc->entry[i].new_qscale;
1890         avgq = qscale2qp(avgq / rcc->num_entries);
1891
1892         if ((expected_bits > all_available_bits) || (!rcc->b_vbv))
1893             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "Error: 2pass curve failed to converge\n");
1894         x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "target: %.2f kbit/s, expected: %.2f kbit/s, avg QP: %.4f\n",
1895                  (float)h->param.rc.i_bitrate,
1896                  expected_bits * rcc->fps / (rcc->num_entries * 1000.),
1897                  avgq);
1898         if(expected_bits < all_available_bits && avgq < h->param.rc.i_qp_min + 2)
1899         {
1900             if(h->param.rc.i_qp_min > 0)
1901                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate or reducing qp_min (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_min);
1902             else
1903                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try reducing target bitrate\n");
1904         }
1905         else if(expected_bits > all_available_bits && avgq > h->param.rc.i_qp_max - 2)
1906         {
1907             if(h->param.rc.i_qp_max < 51)
1908                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate or increasing qp_max (currently %d)\n", h->param.rc.i_qp_max);
1909             else
1910                 x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "try increasing target bitrate\n");
1911         }
1912         else if(!(rcc->b_2pass && rcc->b_vbv))
1913             x264_log(h, X264_LOG_WARNING, "internal error\n");
1914     }
1915
1916     return 0;
1917 }
1918
1919