]> git.sesse.net Git - x264/blob - encoder/rdo.c
less 64bit math: 12% faster trellis
[x264] / encoder / rdo.c
1 /*****************************************************************************
2  * rdo.c: h264 encoder library (rate-distortion optimization)
3  *****************************************************************************
4  * Copyright (C) 2005 x264 project
5  *
6  * Authors: Loren Merritt <lorenm@u.washington.edu>
7  *
8  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
9  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
10  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
11  * (at your option) any later version.
12  *
13  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
16  * GNU General Public License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU General Public License
19  * along with this program; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA  02111, USA.
21  *****************************************************************************/
22
23 /* duplicate all the writer functions, just calculating bit cost
24  * instead of writing the bitstream.
25  * TODO: use these for fast 1st pass too. */
26
27 #define RDO_SKIP_BS
28
29 /* CAVLC: produces exactly the same bit count as a normal encode */
30 /* this probably still leaves some unnecessary computations */
31 #define bs_write1(s,v)     ((s)->i_bits_encoded += 1)
32 #define bs_write(s,n,v)    ((s)->i_bits_encoded += (n))
33 #define bs_write_ue(s,v)   ((s)->i_bits_encoded += bs_size_ue(v))
34 #define bs_write_se(s,v)   ((s)->i_bits_encoded += bs_size_se(v))
35 #define bs_write_te(s,v,l) ((s)->i_bits_encoded += bs_size_te(v,l))
36 #define x264_macroblock_write_cavlc  x264_macroblock_size_cavlc
37 #include "cavlc.c"
38
39 /* CABAC: not exactly the same. x264_cabac_size_decision() keeps track of
40  * fractional bits, but only finite precision. */
41 #define x264_cabac_encode_decision(c,x,v) x264_cabac_size_decision(c,x,v)
42 #define x264_cabac_encode_terminal(c,v)   x264_cabac_size_decision(c,276,v)
43 #define x264_cabac_encode_bypass(c,v)     ((c)->f8_bits_encoded += 256)
44 #define x264_cabac_encode_flush(c)
45 #define x264_macroblock_write_cabac  x264_macroblock_size_cabac
46 #define x264_cabac_mb_skip  x264_cabac_mb_size_skip_unused
47 #include "cabac.c"
48
49
50 static int x264_rd_cost_mb( x264_t *h, int i_lambda2 )
51 {
52     int b_transform_bak = h->mb.b_transform_8x8;
53     int i_ssd;
54     int i_bits;
55
56     x264_macroblock_encode( h );
57
58     i_ssd = h->pixf.ssd[PIXEL_16x16]( h->mb.pic.p_fenc[0], h->mb.pic.i_stride[0],
59                                       h->mb.pic.p_fdec[0], h->mb.pic.i_stride[0] )
60           + h->pixf.ssd[PIXEL_8x8](   h->mb.pic.p_fenc[1], h->mb.pic.i_stride[1],
61                                       h->mb.pic.p_fdec[1], h->mb.pic.i_stride[1] )
62           + h->pixf.ssd[PIXEL_8x8](   h->mb.pic.p_fenc[2], h->mb.pic.i_stride[2],
63                                       h->mb.pic.p_fdec[2], h->mb.pic.i_stride[2] );
64
65     if( IS_SKIP( h->mb.i_type ) )
66     {
67         i_bits = 1 * i_lambda2;
68     }
69     else if( h->param.b_cabac )
70     {
71         x264_cabac_t cabac_tmp = h->cabac;
72         cabac_tmp.f8_bits_encoded = 0;
73         x264_macroblock_size_cabac( h, &cabac_tmp );
74         i_bits = ( cabac_tmp.f8_bits_encoded * i_lambda2 + 128 ) >> 8;
75     }
76     else
77     {
78         bs_t bs_tmp = h->out.bs;
79         bs_tmp.i_bits_encoded = 0;
80         x264_macroblock_size_cavlc( h, &bs_tmp );
81         i_bits = bs_tmp.i_bits_encoded * i_lambda2;
82     }
83
84     h->mb.b_transform_8x8 = b_transform_bak;
85
86     return i_ssd + i_bits;
87 }
88
89
90 /****************************************************************************
91  * Trellis RD quantization
92  ****************************************************************************/
93
94 #define TRELLIS_SCORE_MAX (1ULL<<50)
95 #define CABAC_SIZE_BITS 8
96 #define SSD_WEIGHT_BITS 5
97 #define LAMBDA_BITS 4
98
99 /* precalculate the cost of coding abs_level_m1 */
100 static int cabac_prefix_transition[15][128];
101 static int cabac_prefix_size[15][128];
102 void x264_rdo_init( )
103 {
104     int i_prefix;
105     int i_ctx;
106     for( i_prefix = 0; i_prefix < 15; i_prefix++ )
107     {
108         for( i_ctx = 0; i_ctx < 128; i_ctx++ )
109         {
110             int f8_bits = 0;
111             uint8_t ctx = i_ctx;
112             int i;
113
114             for( i = 1; i < i_prefix; i++ )
115                 f8_bits += x264_cabac_size_decision2( &ctx, 1 );
116             if( i_prefix > 0 && i_prefix < 14 )
117                 f8_bits += x264_cabac_size_decision2( &ctx, 0 );
118             f8_bits += 1 << CABAC_SIZE_BITS; //sign
119
120             cabac_prefix_size[i_prefix][i_ctx] = f8_bits;
121             cabac_prefix_transition[i_prefix][i_ctx] = ctx;
122         }
123     }
124 }
125
126 // node ctx: 0..3: abslevel1 (with abslevelgt1 == 0).
127 //           4..7: abslevelgt1 + 3 (and abslevel1 doesn't matter).
128 /* map node ctx => cabac ctx for level=1 */
129 static const int coeff_abs_level1_ctx[8] = { 1, 2, 3, 4, 0, 0, 0, 0 };
130 /* map node ctx => cabac ctx for level>1 */
131 static const int coeff_abs_levelgt1_ctx[8] = { 5, 5, 5, 5, 6, 7, 8, 9 };
132 static const int coeff_abs_level_transition[2][8] = {
133 /* update node.ctx after coding a level=1 */
134     { 1, 2, 3, 3, 4, 5, 6, 7 },
135 /* update node.ctx after coding a level>1 */
136     { 4, 4, 4, 4, 5, 6, 7, 7 }
137 };
138
139 static const int lambda2_tab[6] = { 1024, 1290, 1625, 2048, 2580, 3251 };
140
141 typedef struct {
142     uint64_t score;
143     int level_idx; // index into level_tree[]
144     uint8_t cabac_state[10]; //just the contexts relevant to coding abs_level_m1
145 } trellis_node_t;
146
147 // TODO:
148 // support chroma and i16x16 DC
149 // save cabac state between blocks?
150 // use trellis' RD score instead of x264_mb_decimate_score?
151 // code 8x8 sig/last flags forwards with deadzone and save the contexts at
152 //   each position?
153 // change weights when using CQMs?
154
155 // possible optimizations:
156 // make scores fit in 32bit
157 // save quantized coefs during rd, to avoid a duplicate trellis in the final encode
158 // if trellissing all MBRD modes, finish SSD calculation so we can skip all of
159 //   the normal dequant/idct/ssd/cabac
160
161 // the unquant_mf here is not the same as dequant_mf:
162 // in normal operation (dct->quant->dequant->idct) the dct and idct are not
163 // normalized. quant/dequant absorb those scaling factors.
164 // in this function, we just do (quant->unquant) and want the output to be
165 // comparable to the input. so unquant is the direct inverse of quant,
166 // and uses the dct scaling factors, not the idct ones.
167
168 static void quant_trellis_cabac( x264_t *h, int16_t *dct,
169                                  const int *quant_mf, const int *unquant_mf,
170                                  const int *coef_weight, const int *zigzag,
171                                  int i_ctxBlockCat, int i_qbits, int i_lambda2, int b_ac, int i_coefs )
172 {
173     int abs_coefs[64], signs[64];
174     trellis_node_t nodes[2][8];
175     trellis_node_t *nodes_cur = nodes[0];
176     trellis_node_t *nodes_prev = nodes[1];
177     trellis_node_t *bnode;
178     uint8_t cabac_state_sig[64];
179     uint8_t cabac_state_last[64];
180     const int f = 1 << (i_qbits-1); // no deadzone
181     int i_last_nnz = -1;
182     int i, j;
183
184     // (# of coefs) * (# of ctx) * (# of levels tried) = 1024
185     // we don't need to keep all of those: (# of coefs) * (# of ctx) would be enough,
186     // but it takes more time to remove dead states than you gain in reduced memory.
187     struct {
188         uint16_t abs_level;
189         uint16_t next;
190     } level_tree[64*8*2];
191     int i_levels_used = 1;
192
193     /* init coefs */
194     for( i = b_ac; i < i_coefs; i++ )
195     {
196         int coef = dct[zigzag[i]];
197         abs_coefs[i] = abs(coef);
198         signs[i] = coef < 0 ? -1 : 1;
199         if( f <= abs_coefs[i] * quant_mf[zigzag[i]] )
200             i_last_nnz = i;
201     }
202
203     if( i_last_nnz == -1 )
204     {
205         memset( dct, 0, i_coefs * sizeof(*dct) );
206         return;
207     }
208
209     /* init trellis */
210     for( i = 1; i < 8; i++ )
211         nodes_cur[i].score = TRELLIS_SCORE_MAX;
212     nodes_cur[0].score = 0;
213     nodes_cur[0].level_idx = 0;
214     level_tree[0].abs_level = 0;
215     level_tree[0].next = 0;
216
217     // coefs are processed in reverse order, because that's how the abs value is coded.
218     // last_coef and significant_coef flags are normally coded in forward order, but
219     // we have to reverse them to match the levels.
220     // in 4x4 blocks, last_coef and significant_coef use a separate context for each
221     // position, so the order doesn't matter, and we don't even have to update their contexts.
222     // in 8x8 blocks, some positions share contexts, so we'll just have to hope that
223     // cabac isn't too sensitive.
224
225     if( i_coefs == 64 )
226     {
227         const uint8_t *ctx_sig  = &h->cabac.state[ significant_coeff_flag_offset[i_ctxBlockCat] ];
228         const uint8_t *ctx_last = &h->cabac.state[ last_coeff_flag_offset[i_ctxBlockCat] ];
229         for( i = 0; i < 63; i++ )
230         {
231             cabac_state_sig[i]  = ctx_sig[ significant_coeff_flag_offset_8x8[i] ];
232             cabac_state_last[i] = ctx_last[ last_coeff_flag_offset_8x8[i] ];
233         }
234     }
235     else
236     {
237         memcpy( cabac_state_sig,  &h->cabac.state[ significant_coeff_flag_offset[i_ctxBlockCat] ], 15 );
238         memcpy( cabac_state_last, &h->cabac.state[ last_coeff_flag_offset[i_ctxBlockCat] ], 15 );
239     }
240     memcpy( nodes_cur[0].cabac_state, &h->cabac.state[ coeff_abs_level_m1_offset[i_ctxBlockCat] ], 10 );
241
242     for( i = i_last_nnz; i >= b_ac; i-- )
243     {
244         int i_coef = abs_coefs[i];
245         int q = ( f + i_coef * quant_mf[zigzag[i]] ) >> i_qbits;
246         int abs_level;
247         int cost_sig[2], cost_last[2];
248         trellis_node_t n;
249
250         // skip 0s: this doesn't affect the output, but saves some unnecessary computation.
251         if( q == 0 )
252         {
253             // no need to calculate ssd of 0s: it's the same in all nodes.
254             // no need to modify level_tree for ctx=0: it starts with an infinite loop of 0s.
255             const int cost_sig0 = x264_cabac_size_decision_noup( &cabac_state_sig[i], 0 )
256                                 * i_lambda2 >> ( CABAC_SIZE_BITS - LAMBDA_BITS );
257             for( j = 1; j < 8; j++ )
258             {
259                 if( nodes_cur[j].score != TRELLIS_SCORE_MAX )
260                 {
261 #define SET_LEVEL(n,l) \
262                     level_tree[i_levels_used].abs_level = l; \
263                     level_tree[i_levels_used].next = n.level_idx; \
264                     n.level_idx = i_levels_used; \
265                     i_levels_used++;
266
267                     SET_LEVEL( nodes_cur[j], 0 );
268                     nodes_cur[j].score += cost_sig0;
269                 }
270             }
271             continue;
272         }
273
274         XCHG( trellis_node_t*, nodes_cur, nodes_prev );
275
276         for( j = 0; j < 8; j++ )
277             nodes_cur[j].score = TRELLIS_SCORE_MAX;
278
279         if( i < i_coefs-1 )
280         {
281             cost_sig[0] = x264_cabac_size_decision_noup( &cabac_state_sig[i], 0 );
282             cost_sig[1] = x264_cabac_size_decision_noup( &cabac_state_sig[i], 1 );
283             cost_last[0] = x264_cabac_size_decision_noup( &cabac_state_last[i], 0 );
284             cost_last[1] = x264_cabac_size_decision_noup( &cabac_state_last[i], 1 );
285         }
286         else
287         {
288             cost_sig[0] = cost_sig[1] = 0;
289             cost_last[0] = cost_last[1] = 0;
290         }
291
292         // there are a few cases where increasing the coeff magnitude helps,
293         // but it's only around .003 dB, and skipping them ~doubles the speed of trellis.
294         // could also try q-2: that sometimes helps, but also sometimes decimates blocks
295         // that are better left coded, especially at QP > 40.
296         for( abs_level = q; abs_level >= q-1; abs_level-- )
297         {
298             int d = i_coef - ((unquant_mf[zigzag[i]] * abs_level + 128) >> 8);
299             uint64_t ssd = (int64_t)d*d * coef_weight[i];
300
301             for( j = 0; j < 8; j++ )
302             {
303                 int node_ctx = j;
304                 if( nodes_prev[j].score == TRELLIS_SCORE_MAX )
305                     continue;
306                 n = nodes_prev[j];
307
308                 /* code the proposed level, and count how much entropy it would take */
309                 if( abs_level || node_ctx )
310                 {
311                     unsigned f8_bits = cost_sig[ abs_level != 0 ];
312                     if( abs_level )
313                     {
314                         const int i_prefix = X264_MIN( abs_level - 1, 14 );
315                         f8_bits += cost_last[ node_ctx == 0 ];
316                         f8_bits += x264_cabac_size_decision2( &n.cabac_state[coeff_abs_level1_ctx[node_ctx]], i_prefix > 0 );
317                         if( i_prefix > 0 )
318                         {
319                             uint8_t *ctx = &n.cabac_state[coeff_abs_levelgt1_ctx[node_ctx]];
320                             f8_bits += cabac_prefix_size[i_prefix][*ctx];
321                             *ctx = cabac_prefix_transition[i_prefix][*ctx];
322                             if( abs_level >= 15 )
323                                 f8_bits += bs_size_ue( abs_level - 15 ) << CABAC_SIZE_BITS;
324                             node_ctx = coeff_abs_level_transition[1][node_ctx];
325                         }
326                         else
327                         {
328                             f8_bits += 1 << CABAC_SIZE_BITS;
329                             node_ctx = coeff_abs_level_transition[0][node_ctx];
330                         }
331                     }
332                     n.score += (uint64_t)f8_bits * i_lambda2 >> ( CABAC_SIZE_BITS - LAMBDA_BITS );
333                 }
334
335                 n.score += ssd;
336
337                 /* save the node if it's better than any existing node with the same cabac ctx */
338                 if( n.score < nodes_cur[node_ctx].score )
339                 {
340                     SET_LEVEL( n, abs_level );
341                     nodes_cur[node_ctx] = n;
342                 }
343             }
344         }
345     }
346
347     /* output levels from the best path through the trellis */
348     bnode = &nodes_cur[0];
349     for( j = 1; j < 8; j++ )
350         if( nodes_cur[j].score < bnode->score )
351             bnode = &nodes_cur[j];
352
353     j = bnode->level_idx;
354     for( i = b_ac; i < i_coefs; i++ )
355     {
356         dct[zigzag[i]] = level_tree[j].abs_level * signs[i];
357         j = level_tree[j].next;
358     }
359 }
360
361
362 void x264_quant_4x4_trellis( x264_t *h, int16_t dct[4][4], int i_quant_cat,
363                              int i_qp, int i_ctxBlockCat, int b_intra )
364 {
365     const int i_qbits = i_qp / 6;
366     const int i_mf = i_qp % 6;
367     const int b_ac = (i_ctxBlockCat == DCT_LUMA_AC);
368     /* should the lambdas be different? I'm just matching the behaviour of deadzone quant. */
369     const int i_lambda_mult = b_intra ? 65 : 85;
370     const int i_lambda2 = ((lambda2_tab[i_mf] * i_lambda_mult*i_lambda_mult / 10000)
371                           << (2*i_qbits)) >> LAMBDA_BITS;
372
373     quant_trellis_cabac( h, (int16_t*)dct,
374         (int*)h->quant4_mf[i_quant_cat][i_mf], h->unquant4_mf[i_quant_cat][i_qp],
375         x264_dct4_weight2_zigzag, x264_zigzag_scan4,
376         i_ctxBlockCat, 15+i_qbits, i_lambda2, b_ac, 16 );
377 }
378
379
380 void x264_quant_8x8_trellis( x264_t *h, int16_t dct[8][8], int i_quant_cat,
381                              int i_qp, int b_intra )
382 {
383     const int i_qbits = i_qp / 6;
384     const int i_mf = i_qp % 6;
385     const int i_lambda_mult = b_intra ? 65 : 85;
386     const int i_lambda2 = ((lambda2_tab[i_mf] * i_lambda_mult*i_lambda_mult / 10000)
387                           << (2*i_qbits)) >> LAMBDA_BITS;
388
389     quant_trellis_cabac( h, (int16_t*)dct,
390         (int*)h->quant8_mf[i_quant_cat][i_mf], h->unquant8_mf[i_quant_cat][i_qp],
391         x264_dct8_weight2_zigzag, x264_zigzag_scan8,
392         DCT_LUMA_8x8, 16+i_qbits, i_lambda2, 0, 64 );
393 }
394