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