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