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