git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/ratecontrol.c

   1 /*
   2  * Rate control for video encoders
   3  *
   4  * Copyright (c) 2002-2004 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   5  *
   6  * This file is part of FFmpeg.
   7  *
   8  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  10  * License as published by the Free Software Foundation; either
  11  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  12  *
  13  * FFmpeg 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 GNU
  16  * Lesser General Public License for more details.
  17  *
  18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  19  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  21  */
  22
  23 /**
  24  * @file
  25  * Rate control for video encoders.
  26  */
  27
  28 #include "libavutil/attributes.h"
  29 #include "avcodec.h"
  30 #include "internal.h"
  31 #include "ratecontrol.h"
  32 #include "mpegutils.h"
  33 #include "mpegvideo.h"
  34 #include "libavutil/eval.h"
  35
  36 #ifndef M_E
  37 #define M_E 2.718281828
  38 #endif
  39
  40 static int init_pass2(MpegEncContext *s);
  41 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
  42                          double rate_factor, int frame_num);
  43
  44 void ff_write_pass1_stats(MpegEncContext *s)
  45 {
  46     snprintf(s->avctx->stats_out, 256,
  47              "in:%d out:%d type:%d q:%d itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d "
  48              "fcode:%d bcode:%d mc-var:%"PRId64" var:%"PRId64" icount:%d skipcount:%d hbits:%d;\n",
  49              s->current_picture_ptr->f->display_picture_number,
  50              s->current_picture_ptr->f->coded_picture_number,
  51              s->pict_type,
  52              s->current_picture.f->quality,
  53              s->i_tex_bits,
  54              s->p_tex_bits,
  55              s->mv_bits,
  56              s->misc_bits,
  57              s->f_code,
  58              s->b_code,
  59              s->current_picture.mc_mb_var_sum,
  60              s->current_picture.mb_var_sum,
  61              s->i_count, s->skip_count,
  62              s->header_bits);
  63 }
  64
  65 static double get_fps(AVCodecContext *avctx)
  66 {
  67     return 1.0 / av_q2d(avctx->time_base) / FFMAX(avctx->ticks_per_frame, 1);
  68 }
  69
  70 static inline double qp2bits(RateControlEntry *rce, double qp)
  71 {
  72     if (qp <= 0.0) {
  73         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "qp<=0.0\n");
  74     }
  75     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / qp;
  76 }
  77
  78 static inline double bits2qp(RateControlEntry *rce, double bits)
  79 {
  80     if (bits < 0.9) {
  81         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "bits<0.9\n");
  82     }
  83     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / bits;
  84 }
  85
  86 av_cold int ff_rate_control_init(MpegEncContext *s)
  87 {
  88     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
  89     int i, res;
  90     static const char * const const_names[] = {
  91         "PI",
  92         "E",
  93         "iTex",
  94         "pTex",
  95         "tex",
  96         "mv",
  97         "fCode",
  98         "iCount",
  99         "mcVar",
 100         "var",
 101         "isI",
 102         "isP",
 103         "isB",
 104         "avgQP",
 105         "qComp",
 106 #if 0
 107         "lastIQP",
 108         "lastPQP",
 109         "lastBQP",
 110         "nextNonBQP",
 111 #endif
 112         "avgIITex",
 113         "avgPITex",
 114         "avgPPTex",
 115         "avgBPTex",
 116         "avgTex",
 117         NULL
 118     };
 119     static double (* const func1[])(void *, double) = {
 120         (void *)bits2qp,
 121         (void *)qp2bits,
 122         NULL
 123     };
 124     static const char * const func1_names[] = {
 125         "bits2qp",
 126         "qp2bits",
 127         NULL
 128     };
 129     emms_c();
 130
 131     if (!s->avctx->rc_max_available_vbv_use && s->avctx->rc_buffer_size) {
 132         if (s->avctx->rc_max_rate) {
 133             s->avctx->rc_max_available_vbv_use = av_clipf(s->avctx->rc_max_rate/(s->avctx->rc_buffer_size*get_fps(s->avctx)), 1.0/3, 1.0);
 134         } else
 135             s->avctx->rc_max_available_vbv_use = 1.0;
 136     }
 137
 138     res = av_expr_parse(&rcc->rc_eq_eval,
 139                         s->rc_eq ? s->rc_eq : "tex^qComp",
 140                         const_names, func1_names, func1,
 141                         NULL, NULL, 0, s->avctx);
 142     if (res < 0) {
 143         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing rc_eq \"%s\"\n", s->rc_eq);
 144         return res;
 145     }
 146
 147     for (i = 0; i < 5; i++) {
 148         rcc->pred[i].coeff = FF_QP2LAMBDA * 7.0;
 149         rcc->pred[i].count = 1.0;
 150         rcc->pred[i].decay = 0.4;
 151
 152         rcc->i_cplx_sum [i] =
 153         rcc->p_cplx_sum [i] =
 154         rcc->mv_bits_sum[i] =
 155         rcc->qscale_sum [i] =
 156         rcc->frame_count[i] = 1; // 1 is better because of 1/0 and such
 157
 158         rcc->last_qscale_for[i] = FF_QP2LAMBDA * 5;
 159     }
 160     rcc->buffer_index = s->avctx->rc_initial_buffer_occupancy;
 161     if (!rcc->buffer_index)
 162         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size * 3 / 4;
 163
 164     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
 165         int i;
 166         char *p;
 167
 168         /* find number of pics */
 169         p = s->avctx->stats_in;
 170         for (i = -1; p; i++)
 171             p = strchr(p + 1, ';');
 172         i += s->max_b_frames;
 173         if (i <= 0 || i >= INT_MAX / sizeof(RateControlEntry))
 174             return -1;
 175         rcc->entry       = av_mallocz(i * sizeof(RateControlEntry));
 176         if (!rcc->entry)
 177             return AVERROR(ENOMEM);
 178         rcc->num_entries = i;
 179
 180         /* init all to skipped p frames
 181          * (with b frames we might have a not encoded frame at the end FIXME) */
 182         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 183             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 184
 185             rce->pict_type  = rce->new_pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
 186             rce->qscale     = rce->new_qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
 187             rce->misc_bits  = s->mb_num + 10;
 188             rce->mb_var_sum = s->mb_num * 100;
 189         }
 190
 191         /* read stats */
 192         p = s->avctx->stats_in;
 193         for (i = 0; i < rcc->num_entries - s->max_b_frames; i++) {
 194             RateControlEntry *rce;
 195             int picture_number;
 196             int e;
 197             char *next;
 198
 199             next = strchr(p, ';');
 200             if (next) {
 201                 (*next) = 0; // sscanf in unbelievably slow on looong strings // FIXME copy / do not write
 202                 next++;
 203             }
 204             e = sscanf(p, " in:%d ", &picture_number);
 205
 206             av_assert0(picture_number >= 0);
 207             av_assert0(picture_number < rcc->num_entries);
 208             rce = &rcc->entry[picture_number];
 209
 210             e += sscanf(p, " in:%*d out:%*d type:%d q:%f itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d fcode:%d bcode:%d mc-var:%"SCNd64" var:%"SCNd64" icount:%d skipcount:%d hbits:%d",
 211                         &rce->pict_type, &rce->qscale, &rce->i_tex_bits, &rce->p_tex_bits,
 212                         &rce->mv_bits, &rce->misc_bits,
 213                         &rce->f_code, &rce->b_code,
 214                         &rce->mc_mb_var_sum, &rce->mb_var_sum,
 215                         &rce->i_count, &rce->skip_count, &rce->header_bits);
 216             if (e != 14) {
 217                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
 218                        "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n",
 219                        i, e);
 220                 return -1;
 221             }
 222
 223             p = next;
 224         }
 225
 226         if (init_pass2(s) < 0)
 227             return -1;
 228
 229         // FIXME maybe move to end
 230         if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID) {
 231 #if CONFIG_LIBXVID
 232             return ff_xvid_rate_control_init(s);
 233 #else
 234             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
 235                    "Xvid ratecontrol requires libavcodec compiled with Xvid support.\n");
 236             return -1;
 237 #endif
 238         }
 239     }
 240
 241     if (!(s->flags & CODEC_FLAG_PASS2)) {
 242         rcc->short_term_qsum   = 0.001;
 243         rcc->short_term_qcount = 0.001;
 244
 245         rcc->pass1_rc_eq_output_sum = 0.001;
 246         rcc->pass1_wanted_bits      = 0.001;
 247
 248         if (s->avctx->qblur > 1.0) {
 249             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "qblur too large\n");
 250             return -1;
 251         }
 252         /* init stuff with the user specified complexity */
 253         if (s->rc_initial_cplx) {
 254             for (i = 0; i < 60 * 30; i++) {
 255                 double bits = s->rc_initial_cplx * (i / 10000.0 + 1.0) * s->mb_num;
 256                 RateControlEntry rce;
 257
 258                 if (i % ((s->gop_size + 3) / 4) == 0)
 259                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
 260                 else if (i % (s->max_b_frames + 1))
 261                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_B;
 262                 else
 263                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
 264
 265                 rce.new_pict_type = rce.pict_type;
 266                 rce.mc_mb_var_sum = bits * s->mb_num / 100000;
 267                 rce.mb_var_sum    = s->mb_num;
 268
 269                 rce.qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
 270                 rce.f_code    = 2;
 271                 rce.b_code    = 1;
 272                 rce.misc_bits = 1;
 273
 274                 if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
 275                     rce.i_count    = s->mb_num;
 276                     rce.i_tex_bits = bits;
 277                     rce.p_tex_bits = 0;
 278                     rce.mv_bits    = 0;
 279                 } else {
 280                     rce.i_count    = 0; // FIXME we do know this approx
 281                     rce.i_tex_bits = 0;
 282                     rce.p_tex_bits = bits * 0.9;
 283                     rce.mv_bits    = bits * 0.1;
 284                 }
 285                 rcc->i_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.i_tex_bits * rce.qscale;
 286                 rcc->p_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.p_tex_bits * rce.qscale;
 287                 rcc->mv_bits_sum[rce.pict_type] += rce.mv_bits;
 288                 rcc->frame_count[rce.pict_type]++;
 289
 290                 get_qscale(s, &rce, rcc->pass1_wanted_bits / rcc->pass1_rc_eq_output_sum, i);
 291
 292                 // FIXME misbehaves a little for variable fps
 293                 rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / get_fps(s->avctx);
 294             }
 295         }
 296     }
 297
 298     return 0;
 299 }
 300
 301 av_cold void ff_rate_control_uninit(MpegEncContext *s)
 302 {
 303     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 304     emms_c();
 305
 306     av_expr_free(rcc->rc_eq_eval);
 307     av_freep(&rcc->entry);
 308
 309 #if CONFIG_LIBXVID
 310     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
 311         ff_xvid_rate_control_uninit(s);
 312 #endif
 313 }
 314
 315 int ff_vbv_update(MpegEncContext *s, int frame_size)
 316 {
 317     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 318     const double fps        = get_fps(s->avctx);
 319     const int buffer_size   = s->avctx->rc_buffer_size;
 320     const double min_rate   = s->avctx->rc_min_rate / fps;
 321     const double max_rate   = s->avctx->rc_max_rate / fps;
 322
 323     ff_dlog(s, "%d %f %d %f %f\n",
 324             buffer_size, rcc->buffer_index, frame_size, min_rate, max_rate);
 325
 326     if (buffer_size) {
 327         int left;
 328
 329         rcc->buffer_index -= frame_size;
 330         if (rcc->buffer_index < 0) {
 331             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "rc buffer underflow\n");
 332             if (frame_size > max_rate && s->qscale == s->avctx->qmax) {
 333                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "max bitrate possibly too small or try trellis with large lmax or increase qmax\n");
 334             }
 335             rcc->buffer_index = 0;
 336         }
 337
 338         left = buffer_size - rcc->buffer_index - 1;
 339         rcc->buffer_index += av_clip(left, min_rate, max_rate);
 340
 341         if (rcc->buffer_index > buffer_size) {
 342             int stuffing = ceil((rcc->buffer_index - buffer_size) / 8);
 343
 344             if (stuffing < 4 && s->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4)
 345                 stuffing = 4;
 346             rcc->buffer_index -= 8 * stuffing;
 347
 348             if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 349                 av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG, "stuffing %d bytes\n", stuffing);
 350
 351             return stuffing;
 352         }
 353     }
 354     return 0;
 355 }
 356
 357 /**
 358  * Modify the bitrate curve from pass1 for one frame.
 359  */
 360 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
 361                          double rate_factor, int frame_num)
 362 {
 363     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 364     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 365     const int pict_type     = rce->new_pict_type;
 366     const double mb_num     = s->mb_num;
 367     double q, bits;
 368     int i;
 369
 370     double const_values[] = {
 371         M_PI,
 372         M_E,
 373         rce->i_tex_bits * rce->qscale,
 374         rce->p_tex_bits * rce->qscale,
 375         (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) * (double)rce->qscale,
 376         rce->mv_bits / mb_num,
 377         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B ? (rce->f_code + rce->b_code) * 0.5 : rce->f_code,
 378         rce->i_count / mb_num,
 379         rce->mc_mb_var_sum / mb_num,
 380         rce->mb_var_sum / mb_num,
 381         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I,
 382         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P,
 383         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B,
 384         rcc->qscale_sum[pict_type] / (double)rcc->frame_count[pict_type],
 385         a->qcompress,
 386 #if 0
 387         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_I],
 388         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P],
 389         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_B],
 390         rcc->next_non_b_qscale,
 391 #endif
 392         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_I] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_I],
 393         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
 394         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
 395         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_B] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_B],
 396         (rcc->i_cplx_sum[pict_type] + rcc->p_cplx_sum[pict_type]) / (double)rcc->frame_count[pict_type],
 397         0
 398     };
 399
 400     bits = av_expr_eval(rcc->rc_eq_eval, const_values, rce);
 401     if (isnan(bits)) {
 402         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error evaluating rc_eq \"%s\"\n", s->rc_eq);
 403         return -1;
 404     }
 405
 406     rcc->pass1_rc_eq_output_sum += bits;
 407     bits *= rate_factor;
 408     if (bits < 0.0)
 409         bits = 0.0;
 410     bits += 1.0; // avoid 1/0 issues
 411
 412     /* user override */
 413     for (i = 0; i < s->avctx->rc_override_count; i++) {
 414         RcOverride *rco = s->avctx->rc_override;
 415         if (rco[i].start_frame > frame_num)
 416             continue;
 417         if (rco[i].end_frame < frame_num)
 418             continue;
 419
 420         if (rco[i].qscale)
 421             bits = qp2bits(rce, rco[i].qscale);  // FIXME move at end to really force it?
 422         else
 423             bits *= rco[i].quality_factor;
 424     }
 425
 426     q = bits2qp(rce, bits);
 427
 428     /* I/B difference */
 429     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I && s->avctx->i_quant_factor < 0.0)
 430         q = -q * s->avctx->i_quant_factor + s->avctx->i_quant_offset;
 431     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B && s->avctx->b_quant_factor < 0.0)
 432         q = -q * s->avctx->b_quant_factor + s->avctx->b_quant_offset;
 433     if (q < 1)
 434         q = 1;
 435
 436     return q;
 437 }
 438
 439 static double get_diff_limited_q(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce, double q)
 440 {
 441     RateControlContext *rcc   = &s->rc_context;
 442     AVCodecContext *a         = s->avctx;
 443     const int pict_type       = rce->new_pict_type;
 444     const double last_p_q     = rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P];
 445     const double last_non_b_q = rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
 446
 447     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I &&
 448         (a->i_quant_factor > 0.0 || rcc->last_non_b_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P))
 449         q = last_p_q * FFABS(a->i_quant_factor) + a->i_quant_offset;
 450     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B &&
 451              a->b_quant_factor > 0.0)
 452         q = last_non_b_q * a->b_quant_factor + a->b_quant_offset;
 453     if (q < 1)
 454         q = 1;
 455
 456     /* last qscale / qdiff stuff */
 457     if (rcc->last_non_b_pict_type == pict_type || pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I) {
 458         double last_q     = rcc->last_qscale_for[pict_type];
 459         const int maxdiff = FF_QP2LAMBDA * a->max_qdiff;
 460
 461         if (q > last_q + maxdiff)
 462             q = last_q + maxdiff;
 463         else if (q < last_q - maxdiff)
 464             q = last_q - maxdiff;
 465     }
 466
 467     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q; // Note we cannot do that after blurring
 468
 469     if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_B)
 470         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
 471
 472     return q;
 473 }
 474
 475 /**
 476  * Get the qmin & qmax for pict_type.
 477  */
 478 static void get_qminmax(int *qmin_ret, int *qmax_ret, MpegEncContext *s, int pict_type)
 479 {
 480     int qmin = s->lmin;
 481     int qmax = s->lmax;
 482
 483     av_assert0(qmin <= qmax);
 484
 485     switch (pict_type) {
 486     case AV_PICTURE_TYPE_B:
 487         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
 488         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
 489         break;
 490     case AV_PICTURE_TYPE_I:
 491         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
 492         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
 493         break;
 494     }
 495
 496     qmin = av_clip(qmin, 1, FF_LAMBDA_MAX);
 497     qmax = av_clip(qmax, 1, FF_LAMBDA_MAX);
 498
 499     if (qmax < qmin)
 500         qmax = qmin;
 501
 502     *qmin_ret = qmin;
 503     *qmax_ret = qmax;
 504 }
 505
 506 static double modify_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
 507                             double q, int frame_num)
 508 {
 509     RateControlContext *rcc  = &s->rc_context;
 510     const double buffer_size = s->avctx->rc_buffer_size;
 511     const double fps         = get_fps(s->avctx);
 512     const double min_rate    = s->avctx->rc_min_rate / fps;
 513     const double max_rate    = s->avctx->rc_max_rate / fps;
 514     const int pict_type      = rce->new_pict_type;
 515     int qmin, qmax;
 516
 517     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
 518
 519     /* modulation */
 520     if (s->rc_qmod_freq &&
 521         frame_num % s->rc_qmod_freq == 0 &&
 522         pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P)
 523         q *= s->rc_qmod_amp;
 524
 525     /* buffer overflow/underflow protection */
 526     if (buffer_size) {
 527         double expected_size = rcc->buffer_index;
 528         double q_limit;
 529
 530         if (min_rate) {
 531             double d = 2 * (buffer_size - expected_size) / buffer_size;
 532             if (d > 1.0)
 533                 d = 1.0;
 534             else if (d < 0.0001)
 535                 d = 0.0001;
 536             q *= pow(d, 1.0 / s->rc_buffer_aggressivity);
 537
 538             q_limit = bits2qp(rce,
 539                               FFMAX((min_rate - buffer_size + rcc->buffer_index) *
 540                                     s->avctx->rc_min_vbv_overflow_use, 1));
 541
 542             if (q > q_limit) {
 543                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 544                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 545                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
 546                 q = q_limit;
 547             }
 548         }
 549
 550         if (max_rate) {
 551             double d = 2 * expected_size / buffer_size;
 552             if (d > 1.0)
 553                 d = 1.0;
 554             else if (d < 0.0001)
 555                 d = 0.0001;
 556             q /= pow(d, 1.0 / s->rc_buffer_aggressivity);
 557
 558             q_limit = bits2qp(rce,
 559                               FFMAX(rcc->buffer_index *
 560                                     s->avctx->rc_max_available_vbv_use,
 561                                     1));
 562             if (q < q_limit) {
 563                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 564                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 565                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
 566                 q = q_limit;
 567             }
 568         }
 569     }
 570     ff_dlog(s, "q:%f max:%f min:%f size:%f index:%f agr:%f\n",
 571             q, max_rate, min_rate, buffer_size, rcc->buffer_index,
 572             s->rc_buffer_aggressivity);
 573     if (s->rc_qsquish == 0.0 || qmin == qmax) {
 574         if (q < qmin)
 575             q = qmin;
 576         else if (q > qmax)
 577             q = qmax;
 578     } else {
 579         double min2 = log(qmin);
 580         double max2 = log(qmax);
 581
 582         q  = log(q);
 583         q  = (q - min2) / (max2 - min2) - 0.5;
 584         q *= -4.0;
 585         q  = 1.0 / (1.0 + exp(q));
 586         q  = q * (max2 - min2) + min2;
 587
 588         q = exp(q);
 589     }
 590
 591     return q;
 592 }
 593
 594 // ----------------------------------
 595 // 1 Pass Code
 596
 597 static double predict_size(Predictor *p, double q, double var)
 598 {
 599     return p->coeff * var / (q * p->count);
 600 }
 601
 602 static void update_predictor(Predictor *p, double q, double var, double size)
 603 {
 604     double new_coeff = size * q / (var + 1);
 605     if (var < 10)
 606         return;
 607
 608     p->count *= p->decay;
 609     p->coeff *= p->decay;
 610     p->count++;
 611     p->coeff += new_coeff;
 612 }
 613
 614 static void adaptive_quantization(MpegEncContext *s, double q)
 615 {
 616     int i;
 617     const float lumi_masking         = s->avctx->lumi_masking / (128.0 * 128.0);
 618     const float dark_masking         = s->avctx->dark_masking / (128.0 * 128.0);
 619     const float temp_cplx_masking    = s->avctx->temporal_cplx_masking;
 620     const float spatial_cplx_masking = s->avctx->spatial_cplx_masking;
 621     const float p_masking            = s->avctx->p_masking;
 622     const float border_masking       = s->border_masking;
 623     float bits_sum                   = 0.0;
 624     float cplx_sum                   = 0.0;
 625     float *cplx_tab                  = s->cplx_tab;
 626     float *bits_tab                  = s->bits_tab;
 627     const int qmin                   = s->avctx->mb_lmin;
 628     const int qmax                   = s->avctx->mb_lmax;
 629     Picture *const pic               = &s->current_picture;
 630     const int mb_width               = s->mb_width;
 631     const int mb_height              = s->mb_height;
 632
 633     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 634         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
 635         float temp_cplx = sqrt(pic->mc_mb_var[mb_xy]); // FIXME merge in pow()
 636         float spat_cplx = sqrt(pic->mb_var[mb_xy]);
 637         const int lumi  = pic->mb_mean[mb_xy];
 638         float bits, cplx, factor;
 639         int mb_x = mb_xy % s->mb_stride;
 640         int mb_y = mb_xy / s->mb_stride;
 641         int mb_distance;
 642         float mb_factor = 0.0;
 643         if (spat_cplx < 4)
 644             spat_cplx = 4;              // FIXME finetune
 645         if (temp_cplx < 4)
 646             temp_cplx = 4;              // FIXME finetune
 647
 648         if ((s->mb_type[mb_xy] & CANDIDATE_MB_TYPE_INTRA)) { // FIXME hq mode
 649             cplx   = spat_cplx;
 650             factor = 1.0 + p_masking;
 651         } else {
 652             cplx   = temp_cplx;
 653             factor = pow(temp_cplx, -temp_cplx_masking);
 654         }
 655         factor *= pow(spat_cplx, -spatial_cplx_masking);
 656
 657         if (lumi > 127)
 658             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * lumi_masking);
 659         else
 660             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * dark_masking);
 661
 662         if (mb_x < mb_width / 5) {
 663             mb_distance = mb_width / 5 - mb_x;
 664             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
 665         } else if (mb_x > 4 * mb_width / 5) {
 666             mb_distance = mb_x - 4 * mb_width / 5;
 667             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
 668         }
 669         if (mb_y < mb_height / 5) {
 670             mb_distance = mb_height / 5 - mb_y;
 671             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
 672                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
 673         } else if (mb_y > 4 * mb_height / 5) {
 674             mb_distance = mb_y - 4 * mb_height / 5;
 675             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
 676                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
 677         }
 678
 679         factor *= 1.0 - border_masking * mb_factor;
 680
 681         if (factor < 0.00001)
 682             factor = 0.00001;
 683
 684         bits        = cplx * factor;
 685         cplx_sum   += cplx;
 686         bits_sum   += bits;
 687         cplx_tab[i] = cplx;
 688         bits_tab[i] = bits;
 689     }
 690
 691     /* handle qmin/qmax clipping */
 692     if (s->mpv_flags & FF_MPV_FLAG_NAQ) {
 693         float factor = bits_sum / cplx_sum;
 694         for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 695             float newq = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
 696             newq *= factor;
 697
 698             if (newq > qmax) {
 699                 bits_sum -= bits_tab[i];
 700                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmax;
 701             } else if (newq < qmin) {
 702                 bits_sum -= bits_tab[i];
 703                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmin;
 704             }
 705         }
 706         if (bits_sum < 0.001)
 707             bits_sum = 0.001;
 708         if (cplx_sum < 0.001)
 709             cplx_sum = 0.001;
 710     }
 711
 712     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 713         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
 714         float newq      = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
 715         int intq;
 716
 717         if (s->mpv_flags & FF_MPV_FLAG_NAQ) {
 718             newq *= bits_sum / cplx_sum;
 719         }
 720
 721         intq = (int)(newq + 0.5);
 722
 723         if (intq > qmax)
 724             intq = qmax;
 725         else if (intq < qmin)
 726             intq = qmin;
 727         s->lambda_table[mb_xy] = intq;
 728     }
 729 }
 730
 731 void ff_get_2pass_fcode(MpegEncContext *s)
 732 {
 733     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 734     RateControlEntry *rce   = &rcc->entry[s->picture_number];
 735
 736     s->f_code = rce->f_code;
 737     s->b_code = rce->b_code;
 738 }
 739
 740 // FIXME rd or at least approx for dquant
 741
 742 float ff_rate_estimate_qscale(MpegEncContext *s, int dry_run)
 743 {
 744     float q;
 745     int qmin, qmax;
 746     float br_compensation;
 747     double diff;
 748     double short_term_q;
 749     double fps;
 750     int picture_number = s->picture_number;
 751     int64_t wanted_bits;
 752     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 753     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 754     RateControlEntry local_rce, *rce;
 755     double bits;
 756     double rate_factor;
 757     int64_t var;
 758     const int pict_type = s->pict_type;
 759     Picture * const pic = &s->current_picture;
 760     emms_c();
 761
 762 #if CONFIG_LIBXVID
 763     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) &&
 764         s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
 765         return ff_xvid_rate_estimate_qscale(s, dry_run);
 766 #endif
 767
 768     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
 769
 770     fps = get_fps(s->avctx);
 771     /* update predictors */
 772     if (picture_number > 2 && !dry_run) {
 773         const int64_t last_var =
 774             s->last_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? rcc->last_mb_var_sum
 775                                                    : rcc->last_mc_mb_var_sum;
 776         av_assert1(s->frame_bits >= s->stuffing_bits);
 777         update_predictor(&rcc->pred[s->last_pict_type],
 778                          rcc->last_qscale,
 779                          sqrt(last_var),
 780                          s->frame_bits - s->stuffing_bits);
 781     }
 782
 783     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
 784         av_assert0(picture_number >= 0);
 785         if (picture_number >= rcc->num_entries) {
 786             av_log(s, AV_LOG_ERROR, "Input is longer than 2-pass log file\n");
 787             return -1;
 788         }
 789         rce         = &rcc->entry[picture_number];
 790         wanted_bits = rce->expected_bits;
 791     } else {
 792         Picture *dts_pic;
 793         rce = &local_rce;
 794
 795         /* FIXME add a dts field to AVFrame and ensure it is set and use it
 796          * here instead of reordering but the reordering is simpler for now
 797          * until H.264 B-pyramid must be handled. */
 798         if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B || s->low_delay)
 799             dts_pic = s->current_picture_ptr;
 800         else
 801             dts_pic = s->last_picture_ptr;
 802
 803         if (!dts_pic || dts_pic->f->pts == AV_NOPTS_VALUE)
 804             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)picture_number / fps);
 805         else
 806             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)dts_pic->f->pts / fps);
 807     }
 808
 809     diff = s->total_bits - wanted_bits;
 810     br_compensation = (a->bit_rate_tolerance - diff) / a->bit_rate_tolerance;
 811     if (br_compensation <= 0.0)
 812         br_compensation = 0.001;
 813
 814     var = pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? pic->mb_var_sum : pic->mc_mb_var_sum;
 815
 816     short_term_q = 0; /* avoid warning */
 817     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
 818         if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I)
 819             av_assert0(pict_type == rce->new_pict_type);
 820
 821         q = rce->new_qscale / br_compensation;
 822         ff_dlog(s, "%f %f %f last:%d var:%"PRId64" type:%d//\n", q, rce->new_qscale,
 823                 br_compensation, s->frame_bits, var, pict_type);
 824     } else {
 825         rce->pict_type     =
 826         rce->new_pict_type = pict_type;
 827         rce->mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
 828         rce->mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
 829         rce->qscale        = FF_QP2LAMBDA * 2;
 830         rce->f_code        = s->f_code;
 831         rce->b_code        = s->b_code;
 832         rce->misc_bits     = 1;
 833
 834         bits = predict_size(&rcc->pred[pict_type], rce->qscale, sqrt(var));
 835         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
 836             rce->i_count    = s->mb_num;
 837             rce->i_tex_bits = bits;
 838             rce->p_tex_bits = 0;
 839             rce->mv_bits    = 0;
 840         } else {
 841             rce->i_count    = 0;    // FIXME we do know this approx
 842             rce->i_tex_bits = 0;
 843             rce->p_tex_bits = bits * 0.9;
 844             rce->mv_bits    = bits * 0.1;
 845         }
 846         rcc->i_cplx_sum[pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
 847         rcc->p_cplx_sum[pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
 848         rcc->mv_bits_sum[pict_type] += rce->mv_bits;
 849         rcc->frame_count[pict_type]++;
 850
 851         rate_factor = rcc->pass1_wanted_bits /
 852                       rcc->pass1_rc_eq_output_sum * br_compensation;
 853
 854         q = get_qscale(s, rce, rate_factor, picture_number);
 855         if (q < 0)
 856             return -1;
 857
 858         av_assert0(q > 0.0);
 859         q = get_diff_limited_q(s, rce, q);
 860         av_assert0(q > 0.0);
 861
 862         // FIXME type dependent blur like in 2-pass
 863         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P || s->intra_only) {
 864             rcc->short_term_qsum   *= a->qblur;
 865             rcc->short_term_qcount *= a->qblur;
 866
 867             rcc->short_term_qsum += q;
 868             rcc->short_term_qcount++;
 869             q = short_term_q = rcc->short_term_qsum / rcc->short_term_qcount;
 870         }
 871         av_assert0(q > 0.0);
 872
 873         q = modify_qscale(s, rce, q, picture_number);
 874
 875         rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / fps;
 876
 877         av_assert0(q > 0.0);
 878     }
 879
 880     if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC) {
 881         av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 882                "%c qp:%d<%2.1f<%d %d want:%d total:%d comp:%f st_q:%2.2f "
 883                "size:%d var:%"PRId64"/%"PRId64" br:%d fps:%d\n",
 884                av_get_picture_type_char(pict_type),
 885                qmin, q, qmax, picture_number,
 886                (int)wanted_bits / 1000, (int)s->total_bits / 1000,
 887                br_compensation, short_term_q, s->frame_bits,
 888                pic->mb_var_sum, pic->mc_mb_var_sum,
 889                s->bit_rate / 1000, (int)fps);
 890     }
 891
 892     if (q < qmin)
 893         q = qmin;
 894     else if (q > qmax)
 895         q = qmax;
 896
 897     if (s->adaptive_quant)
 898         adaptive_quantization(s, q);
 899     else
 900         q = (int)(q + 0.5);
 901
 902     if (!dry_run) {
 903         rcc->last_qscale        = q;
 904         rcc->last_mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
 905         rcc->last_mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
 906     }
 907     return q;
 908 }
 909
 910 // ----------------------------------------------
 911 // 2-Pass code
 912
 913 static int init_pass2(MpegEncContext *s)
 914 {
 915     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 916     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 917     int i, toobig;
 918     double fps             = get_fps(s->avctx);
 919     double complexity[5]   = { 0 }; // approximate bits at quant=1
 920     uint64_t const_bits[5] = { 0 }; // quantizer independent bits
 921     uint64_t all_const_bits;
 922     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(s->bit_rate *
 923                                              (double)rcc->num_entries / fps);
 924     double rate_factor          = 0;
 925     double step;
 926     const int filter_size = (int)(a->qblur * 4) | 1;
 927     double expected_bits = 0; // init to silence gcc warning
 928     double *qscale, *blurred_qscale, qscale_sum;
 929
 930     /* find complexity & const_bits & decide the pict_types */
 931     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 932         RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 933
 934         rce->new_pict_type                = rce->pict_type;
 935         rcc->i_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
 936         rcc->p_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
 937         rcc->mv_bits_sum[rce->pict_type] += rce->mv_bits;
 938         rcc->frame_count[rce->pict_type]++;
 939
 940         complexity[rce->new_pict_type] += (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) *
 941                                           (double)rce->qscale;
 942         const_bits[rce->new_pict_type] += rce->mv_bits + rce->misc_bits;
 943     }
 944
 945     all_const_bits = const_bits[AV_PICTURE_TYPE_I] +
 946                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_P] +
 947                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_B];
 948
 949     if (all_available_bits < all_const_bits) {
 950         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low\n");
 951         return -1;
 952     }
 953
 954     qscale         = av_malloc_array(rcc->num_entries, sizeof(double));
 955     blurred_qscale = av_malloc_array(rcc->num_entries, sizeof(double));
 956     if (!qscale || !blurred_qscale) {
 957         av_free(qscale);
 958         av_free(blurred_qscale);
 959         return AVERROR(ENOMEM);
 960     }
 961     toobig = 0;
 962
 963     for (step = 256 * 256; step > 0.0000001; step *= 0.5) {
 964         expected_bits = 0;
 965         rate_factor  += step;
 966
 967         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size / 2;
 968
 969         /* find qscale */
 970         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 971             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 972
 973             qscale[i] = get_qscale(s, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
 974             rcc->last_qscale_for[rce->pict_type] = qscale[i];
 975         }
 976         av_assert0(filter_size % 2 == 1);
 977
 978         /* fixed I/B QP relative to P mode */
 979         for (i = FFMAX(0, rcc->num_entries - 300); i < rcc->num_entries; i++) {
 980             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 981
 982             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
 983         }
 984
 985         for (i = rcc->num_entries - 1; i >= 0; i--) {
 986             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 987
 988             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
 989         }
 990
 991         /* smooth curve */
 992         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 993             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 994             const int pict_type   = rce->new_pict_type;
 995             int j;
 996             double q = 0.0, sum = 0.0;
 997
 998             for (j = 0; j < filter_size; j++) {
 999                 int index    = i + j - filter_size / 2;
1000                 double d     = index - i;
1001                 double coeff = a->qblur == 0 ? 1.0 : exp(-d * d / (a->qblur * a->qblur));
1002
1003                 if (index < 0 || index >= rcc->num_entries)
1004                     continue;
1005                 if (pict_type != rcc->entry[index].new_pict_type)
1006                     continue;
1007                 q   += qscale[index] * coeff;
1008                 sum += coeff;
1009             }
1010             blurred_qscale[i] = q / sum;
1011         }
1012
1013         /* find expected bits */
1014         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1015             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
1016             double bits;
1017
1018             rce->new_qscale = modify_qscale(s, rce, blurred_qscale[i], i);
1019
1020             bits  = qp2bits(rce, rce->new_qscale) + rce->mv_bits + rce->misc_bits;
1021             bits += 8 * ff_vbv_update(s, bits);
1022
1023             rce->expected_bits = expected_bits;
1024             expected_bits     += bits;
1025         }
1026
1027         ff_dlog(s->avctx,
1028                 "expected_bits: %f all_available_bits: %d rate_factor: %f\n",
1029                 expected_bits, (int)all_available_bits, rate_factor);
1030         if (expected_bits > all_available_bits) {
1031             rate_factor -= step;
1032             ++toobig;
1033         }
1034     }
1035     av_free(qscale);
1036     av_free(blurred_qscale);
1037
1038     /* check bitrate calculations and print info */
1039     qscale_sum = 0.0;
1040     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1041         ff_dlog(s, "[lavc rc] entry[%d].new_qscale = %.3f  qp = %.3f\n",
1042                 i,
1043                 rcc->entry[i].new_qscale,
1044                 rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA);
1045         qscale_sum += av_clip(rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA,
1046                               s->avctx->qmin, s->avctx->qmax);
1047     }
1048     av_assert0(toobig <= 40);
1049     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1050            "[lavc rc] requested bitrate: %d bps  expected bitrate: %d bps\n",
1051            s->bit_rate,
1052            (int)(expected_bits / ((double)all_available_bits / s->bit_rate)));
1053     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1054            "[lavc rc] estimated target average qp: %.3f\n",
1055            (float)qscale_sum / rcc->num_entries);
1056     if (toobig == 0) {
1057         av_log(s->avctx, AV_LOG_INFO,
1058                "[lavc rc] Using all of requested bitrate is not "
1059                "necessary for this video with these parameters.\n");
1060     } else if (toobig == 40) {
1061         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1062                "[lavc rc] Error: bitrate too low for this video "
1063                "with these parameters.\n");
1064         return -1;
1065     } else if (fabs(expected_bits / all_available_bits - 1.0) > 0.01) {
1066         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1067                "[lavc rc] Error: 2pass curve failed to converge\n");
1068         return -1;
1069     }
1070
1071     return 0;
1072 }