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