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 "mpegutils.h"
  32 #include "mpegvideo.h"
  33 #include "libavutil/eval.h"
  34
  35 #undef NDEBUG // Always check asserts, the speed effect is far too small to disable them.
  36 #include <assert.h>
  37
  38 #ifndef M_E
  39 #define M_E 2.718281828
  40 #endif
  41
  42 static int init_pass2(MpegEncContext *s);
  43 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
  44                          double rate_factor, int frame_num);
  45
  46 void ff_write_pass1_stats(MpegEncContext *s)
  47 {
  48     snprintf(s->avctx->stats_out, 256,
  49              "in:%d out:%d type:%d q:%d itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d "
  50              "fcode:%d bcode:%d mc-var:%"PRId64" var:%"PRId64" icount:%d skipcount:%d hbits:%d;\n",
  51              s->current_picture_ptr->f->display_picture_number,
  52              s->current_picture_ptr->f->coded_picture_number,
  53              s->pict_type,
  54              s->current_picture.f->quality,
  55              s->i_tex_bits,
  56              s->p_tex_bits,
  57              s->mv_bits,
  58              s->misc_bits,
  59              s->f_code,
  60              s->b_code,
  61              s->current_picture.mc_mb_var_sum,
  62              s->current_picture.mb_var_sum,
  63              s->i_count, s->skip_count,
  64              s->header_bits);
  65 }
  66
  67 static double get_fps(AVCodecContext *avctx)
  68 {
  69     return 1.0 / av_q2d(avctx->time_base) / FFMAX(avctx->ticks_per_frame, 1);
  70 }
  71
  72 static inline double qp2bits(RateControlEntry *rce, double qp)
  73 {
  74     if (qp <= 0.0) {
  75         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "qp<=0.0\n");
  76     }
  77     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / qp;
  78 }
  79
  80 static inline double bits2qp(RateControlEntry *rce, double bits)
  81 {
  82     if (bits < 0.9) {
  83         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "bits<0.9\n");
  84     }
  85     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / bits;
  86 }
  87
  88 av_cold int ff_rate_control_init(MpegEncContext *s)
  89 {
  90     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
  91     int i, res;
  92     static const char * const const_names[] = {
  93         "PI",
  94         "E",
  95         "iTex",
  96         "pTex",
  97         "tex",
  98         "mv",
  99         "fCode",
 100         "iCount",
 101         "mcVar",
 102         "var",
 103         "isI",
 104         "isP",
 105         "isB",
 106         "avgQP",
 107         "qComp",
 108 #if 0
 109         "lastIQP",
 110         "lastPQP",
 111         "lastBQP",
 112         "nextNonBQP",
 113 #endif
 114         "avgIITex",
 115         "avgPITex",
 116         "avgPPTex",
 117         "avgBPTex",
 118         "avgTex",
 119         NULL
 120     };
 121     static double (* const func1[])(void *, double) = {
 122         (void *)bits2qp,
 123         (void *)qp2bits,
 124         NULL
 125     };
 126     static const char * const func1_names[] = {
 127         "bits2qp",
 128         "qp2bits",
 129         NULL
 130     };
 131     emms_c();
 132
 133     if (!s->avctx->rc_max_available_vbv_use && s->avctx->rc_buffer_size) {
 134         if (s->avctx->rc_max_rate) {
 135             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);
 136         } else
 137             s->avctx->rc_max_available_vbv_use = 1.0;
 138     }
 139
 140     res = av_expr_parse(&rcc->rc_eq_eval,
 141                         s->rc_eq ? s->rc_eq : "tex^qComp",
 142                         const_names, func1_names, func1,
 143                         NULL, NULL, 0, s->avctx);
 144     if (res < 0) {
 145         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing rc_eq \"%s\"\n", s->rc_eq);
 146         return res;
 147     }
 148
 149     for (i = 0; i < 5; i++) {
 150         rcc->pred[i].coeff = FF_QP2LAMBDA * 7.0;
 151         rcc->pred[i].count = 1.0;
 152         rcc->pred[i].decay = 0.4;
 153
 154         rcc->i_cplx_sum [i] =
 155         rcc->p_cplx_sum [i] =
 156         rcc->mv_bits_sum[i] =
 157         rcc->qscale_sum [i] =
 158         rcc->frame_count[i] = 1; // 1 is better because of 1/0 and such
 159
 160         rcc->last_qscale_for[i] = FF_QP2LAMBDA * 5;
 161     }
 162     rcc->buffer_index = s->avctx->rc_initial_buffer_occupancy;
 163     if (!rcc->buffer_index)
 164         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size * 3 / 4;
 165
 166     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
 167         int i;
 168         char *p;
 169
 170         /* find number of pics */
 171         p = s->avctx->stats_in;
 172         for (i = -1; p; i++)
 173             p = strchr(p + 1, ';');
 174         i += s->max_b_frames;
 175         if (i <= 0 || i >= INT_MAX / sizeof(RateControlEntry))
 176             return -1;
 177         rcc->entry       = av_mallocz(i * sizeof(RateControlEntry));
 178         if (!rcc->entry)
 179             return AVERROR(ENOMEM);
 180         rcc->num_entries = i;
 181
 182         /* init all to skipped p frames
 183          * (with b frames we might have a not encoded frame at the end FIXME) */
 184         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 185             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 186
 187             rce->pict_type  = rce->new_pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
 188             rce->qscale     = rce->new_qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
 189             rce->misc_bits  = s->mb_num + 10;
 190             rce->mb_var_sum = s->mb_num * 100;
 191         }
 192
 193         /* read stats */
 194         p = s->avctx->stats_in;
 195         for (i = 0; i < rcc->num_entries - s->max_b_frames; i++) {
 196             RateControlEntry *rce;
 197             int picture_number;
 198             int e;
 199             char *next;
 200
 201             next = strchr(p, ';');
 202             if (next) {
 203                 (*next) = 0; // sscanf in unbelievably slow on looong strings // FIXME copy / do not write
 204                 next++;
 205             }
 206             e = sscanf(p, " in:%d ", &picture_number);
 207
 208             assert(picture_number >= 0);
 209             assert(picture_number < rcc->num_entries);
 210             rce = &rcc->entry[picture_number];
 211
 212             e += sscanf(p, " in:%*d out:%*d type:%d q:%f itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d fcode:%d bcode:%d mc-var:%"SCNd64" var:%"SCNd64" icount:%d skipcount:%d hbits:%d",
 213                         &rce->pict_type, &rce->qscale, &rce->i_tex_bits, &rce->p_tex_bits,
 214                         &rce->mv_bits, &rce->misc_bits,
 215                         &rce->f_code, &rce->b_code,
 216                         &rce->mc_mb_var_sum, &rce->mb_var_sum,
 217                         &rce->i_count, &rce->skip_count, &rce->header_bits);
 218             if (e != 14) {
 219                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
 220                        "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n",
 221                        i, e);
 222                 return -1;
 223             }
 224
 225             p = next;
 226         }
 227
 228         if (init_pass2(s) < 0)
 229             return -1;
 230
 231         // FIXME maybe move to end
 232         if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID) {
 233 #if CONFIG_LIBXVID
 234             return ff_xvid_rate_control_init(s);
 235 #else
 236             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
 237                    "Xvid ratecontrol requires libavcodec compiled with Xvid support.\n");
 238             return -1;
 239 #endif
 240         }
 241     }
 242
 243     if (!(s->flags & CODEC_FLAG_PASS2)) {
 244         rcc->short_term_qsum   = 0.001;
 245         rcc->short_term_qcount = 0.001;
 246
 247         rcc->pass1_rc_eq_output_sum = 0.001;
 248         rcc->pass1_wanted_bits      = 0.001;
 249
 250         if (s->avctx->qblur > 1.0) {
 251             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "qblur too large\n");
 252             return -1;
 253         }
 254         /* init stuff with the user specified complexity */
 255         if (s->rc_initial_cplx) {
 256             for (i = 0; i < 60 * 30; i++) {
 257                 double bits = s->rc_initial_cplx * (i / 10000.0 + 1.0) * s->mb_num;
 258                 RateControlEntry rce;
 259
 260                 if (i % ((s->gop_size + 3) / 4) == 0)
 261                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
 262                 else if (i % (s->max_b_frames + 1))
 263                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_B;
 264                 else
 265                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
 266
 267                 rce.new_pict_type = rce.pict_type;
 268                 rce.mc_mb_var_sum = bits * s->mb_num / 100000;
 269                 rce.mb_var_sum    = s->mb_num;
 270
 271                 rce.qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
 272                 rce.f_code    = 2;
 273                 rce.b_code    = 1;
 274                 rce.misc_bits = 1;
 275
 276                 if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
 277                     rce.i_count    = s->mb_num;
 278                     rce.i_tex_bits = bits;
 279                     rce.p_tex_bits = 0;
 280                     rce.mv_bits    = 0;
 281                 } else {
 282                     rce.i_count    = 0; // FIXME we do know this approx
 283                     rce.i_tex_bits = 0;
 284                     rce.p_tex_bits = bits * 0.9;
 285                     rce.mv_bits    = bits * 0.1;
 286                 }
 287                 rcc->i_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.i_tex_bits * rce.qscale;
 288                 rcc->p_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.p_tex_bits * rce.qscale;
 289                 rcc->mv_bits_sum[rce.pict_type] += rce.mv_bits;
 290                 rcc->frame_count[rce.pict_type]++;
 291
 292                 get_qscale(s, &rce, rcc->pass1_wanted_bits / rcc->pass1_rc_eq_output_sum, i);
 293
 294                 // FIXME misbehaves a little for variable fps
 295                 rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / get_fps(s->avctx);
 296             }
 297         }
 298     }
 299
 300     return 0;
 301 }
 302
 303 av_cold void ff_rate_control_uninit(MpegEncContext *s)
 304 {
 305     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 306     emms_c();
 307
 308     av_expr_free(rcc->rc_eq_eval);
 309     av_freep(&rcc->entry);
 310
 311 #if CONFIG_LIBXVID
 312     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
 313         ff_xvid_rate_control_uninit(s);
 314 #endif
 315 }
 316
 317 int ff_vbv_update(MpegEncContext *s, int frame_size)
 318 {
 319     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 320     const double fps        = get_fps(s->avctx);
 321     const int buffer_size   = s->avctx->rc_buffer_size;
 322     const double min_rate   = s->avctx->rc_min_rate / fps;
 323     const double max_rate   = s->avctx->rc_max_rate / fps;
 324
 325     av_dlog(s, "%d %f %d %f %f\n",
 326             buffer_size, rcc->buffer_index, frame_size, min_rate, max_rate);
 327
 328     if (buffer_size) {
 329         int left;
 330
 331         rcc->buffer_index -= frame_size;
 332         if (rcc->buffer_index < 0) {
 333             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "rc buffer underflow\n");
 334             if (frame_size > max_rate && s->qscale == s->avctx->qmax) {
 335                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "max bitrate possibly too small or try trellis with large lmax or increase qmax\n");
 336             }
 337             rcc->buffer_index = 0;
 338         }
 339
 340         left = buffer_size - rcc->buffer_index - 1;
 341         rcc->buffer_index += av_clip(left, min_rate, max_rate);
 342
 343         if (rcc->buffer_index > buffer_size) {
 344             int stuffing = ceil((rcc->buffer_index - buffer_size) / 8);
 345
 346             if (stuffing < 4 && s->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4)
 347                 stuffing = 4;
 348             rcc->buffer_index -= 8 * stuffing;
 349
 350             if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 351                 av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG, "stuffing %d bytes\n", stuffing);
 352
 353             return stuffing;
 354         }
 355     }
 356     return 0;
 357 }
 358
 359 /**
 360  * Modify the bitrate curve from pass1 for one frame.
 361  */
 362 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
 363                          double rate_factor, int frame_num)
 364 {
 365     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 366     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 367     const int pict_type     = rce->new_pict_type;
 368     const double mb_num     = s->mb_num;
 369     double q, bits;
 370     int i;
 371
 372     double const_values[] = {
 373         M_PI,
 374         M_E,
 375         rce->i_tex_bits * rce->qscale,
 376         rce->p_tex_bits * rce->qscale,
 377         (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) * (double)rce->qscale,
 378         rce->mv_bits / mb_num,
 379         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B ? (rce->f_code + rce->b_code) * 0.5 : rce->f_code,
 380         rce->i_count / mb_num,
 381         rce->mc_mb_var_sum / mb_num,
 382         rce->mb_var_sum / mb_num,
 383         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I,
 384         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P,
 385         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B,
 386         rcc->qscale_sum[pict_type] / (double)rcc->frame_count[pict_type],
 387         a->qcompress,
 388 #if 0
 389         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_I],
 390         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P],
 391         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_B],
 392         rcc->next_non_b_qscale,
 393 #endif
 394         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_I] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_I],
 395         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
 396         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
 397         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_B] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_B],
 398         (rcc->i_cplx_sum[pict_type] + rcc->p_cplx_sum[pict_type]) / (double)rcc->frame_count[pict_type],
 399         0
 400     };
 401
 402     bits = av_expr_eval(rcc->rc_eq_eval, const_values, rce);
 403     if (isnan(bits)) {
 404         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error evaluating rc_eq \"%s\"\n", s->rc_eq);
 405         return -1;
 406     }
 407
 408     rcc->pass1_rc_eq_output_sum += bits;
 409     bits *= rate_factor;
 410     if (bits < 0.0)
 411         bits = 0.0;
 412     bits += 1.0; // avoid 1/0 issues
 413
 414     /* user override */
 415     for (i = 0; i < s->avctx->rc_override_count; i++) {
 416         RcOverride *rco = s->avctx->rc_override;
 417         if (rco[i].start_frame > frame_num)
 418             continue;
 419         if (rco[i].end_frame < frame_num)
 420             continue;
 421
 422         if (rco[i].qscale)
 423             bits = qp2bits(rce, rco[i].qscale);  // FIXME move at end to really force it?
 424         else
 425             bits *= rco[i].quality_factor;
 426     }
 427
 428     q = bits2qp(rce, bits);
 429
 430     /* I/B difference */
 431     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I && s->avctx->i_quant_factor < 0.0)
 432         q = -q * s->avctx->i_quant_factor + s->avctx->i_quant_offset;
 433     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B && s->avctx->b_quant_factor < 0.0)
 434         q = -q * s->avctx->b_quant_factor + s->avctx->b_quant_offset;
 435     if (q < 1)
 436         q = 1;
 437
 438     return q;
 439 }
 440
 441 static double get_diff_limited_q(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce, double q)
 442 {
 443     RateControlContext *rcc   = &s->rc_context;
 444     AVCodecContext *a         = s->avctx;
 445     const int pict_type       = rce->new_pict_type;
 446     const double last_p_q     = rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P];
 447     const double last_non_b_q = rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
 448
 449     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I &&
 450         (a->i_quant_factor > 0.0 || rcc->last_non_b_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P))
 451         q = last_p_q * FFABS(a->i_quant_factor) + a->i_quant_offset;
 452     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B &&
 453              a->b_quant_factor > 0.0)
 454         q = last_non_b_q * a->b_quant_factor + a->b_quant_offset;
 455     if (q < 1)
 456         q = 1;
 457
 458     /* last qscale / qdiff stuff */
 459     if (rcc->last_non_b_pict_type == pict_type || pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I) {
 460         double last_q     = rcc->last_qscale_for[pict_type];
 461         const int maxdiff = FF_QP2LAMBDA * a->max_qdiff;
 462
 463         if (q > last_q + maxdiff)
 464             q = last_q + maxdiff;
 465         else if (q < last_q - maxdiff)
 466             q = last_q - maxdiff;
 467     }
 468
 469     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q; // Note we cannot do that after blurring
 470
 471     if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_B)
 472         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
 473
 474     return q;
 475 }
 476
 477 /**
 478  * Get the qmin & qmax for pict_type.
 479  */
 480 static void get_qminmax(int *qmin_ret, int *qmax_ret, MpegEncContext *s, int pict_type)
 481 {
 482     int qmin = s->lmin;
 483     int qmax = s->lmax;
 484
 485     assert(qmin <= qmax);
 486
 487     switch (pict_type) {
 488     case AV_PICTURE_TYPE_B:
 489         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
 490         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
 491         break;
 492     case AV_PICTURE_TYPE_I:
 493         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
 494         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
 495         break;
 496     }
 497
 498     qmin = av_clip(qmin, 1, FF_LAMBDA_MAX);
 499     qmax = av_clip(qmax, 1, FF_LAMBDA_MAX);
 500
 501     if (qmax < qmin)
 502         qmax = qmin;
 503
 504     *qmin_ret = qmin;
 505     *qmax_ret = qmax;
 506 }
 507
 508 static double modify_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
 509                             double q, int frame_num)
 510 {
 511     RateControlContext *rcc  = &s->rc_context;
 512     const double buffer_size = s->avctx->rc_buffer_size;
 513     const double fps         = get_fps(s->avctx);
 514     const double min_rate    = s->avctx->rc_min_rate / fps;
 515     const double max_rate    = s->avctx->rc_max_rate / fps;
 516     const int pict_type      = rce->new_pict_type;
 517     int qmin, qmax;
 518
 519     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
 520
 521     /* modulation */
 522     if (s->rc_qmod_freq &&
 523         frame_num % s->rc_qmod_freq == 0 &&
 524         pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P)
 525         q *= s->rc_qmod_amp;
 526
 527     /* buffer overflow/underflow protection */
 528     if (buffer_size) {
 529         double expected_size = rcc->buffer_index;
 530         double q_limit;
 531
 532         if (min_rate) {
 533             double d = 2 * (buffer_size - expected_size) / buffer_size;
 534             if (d > 1.0)
 535                 d = 1.0;
 536             else if (d < 0.0001)
 537                 d = 0.0001;
 538             q *= pow(d, 1.0 / s->rc_buffer_aggressivity);
 539
 540             q_limit = bits2qp(rce,
 541                               FFMAX((min_rate - buffer_size + rcc->buffer_index) *
 542                                     s->avctx->rc_min_vbv_overflow_use, 1));
 543
 544             if (q > q_limit) {
 545                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 546                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 547                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
 548                 q = q_limit;
 549             }
 550         }
 551
 552         if (max_rate) {
 553             double d = 2 * expected_size / buffer_size;
 554             if (d > 1.0)
 555                 d = 1.0;
 556             else if (d < 0.0001)
 557                 d = 0.0001;
 558             q /= pow(d, 1.0 / s->rc_buffer_aggressivity);
 559
 560             q_limit = bits2qp(rce,
 561                               FFMAX(rcc->buffer_index *
 562                                     s->avctx->rc_max_available_vbv_use,
 563                                     1));
 564             if (q < q_limit) {
 565                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 566                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 567                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
 568                 q = q_limit;
 569             }
 570         }
 571     }
 572     av_dlog(s, "q:%f max:%f min:%f size:%f index:%f agr:%f\n",
 573             q, max_rate, min_rate, buffer_size, rcc->buffer_index,
 574             s->rc_buffer_aggressivity);
 575     if (s->rc_qsquish == 0.0 || qmin == qmax) {
 576         if (q < qmin)
 577             q = qmin;
 578         else if (q > qmax)
 579             q = qmax;
 580     } else {
 581         double min2 = log(qmin);
 582         double max2 = log(qmax);
 583
 584         q  = log(q);
 585         q  = (q - min2) / (max2 - min2) - 0.5;
 586         q *= -4.0;
 587         q  = 1.0 / (1.0 + exp(q));
 588         q  = q * (max2 - min2) + min2;
 589
 590         q = exp(q);
 591     }
 592
 593     return q;
 594 }
 595
 596 // ----------------------------------
 597 // 1 Pass Code
 598
 599 static double predict_size(Predictor *p, double q, double var)
 600 {
 601     return p->coeff * var / (q * p->count);
 602 }
 603
 604 static void update_predictor(Predictor *p, double q, double var, double size)
 605 {
 606     double new_coeff = size * q / (var + 1);
 607     if (var < 10)
 608         return;
 609
 610     p->count *= p->decay;
 611     p->coeff *= p->decay;
 612     p->count++;
 613     p->coeff += new_coeff;
 614 }
 615
 616 static void adaptive_quantization(MpegEncContext *s, double q)
 617 {
 618     int i;
 619     const float lumi_masking         = s->avctx->lumi_masking / (128.0 * 128.0);
 620     const float dark_masking         = s->avctx->dark_masking / (128.0 * 128.0);
 621     const float temp_cplx_masking    = s->avctx->temporal_cplx_masking;
 622     const float spatial_cplx_masking = s->avctx->spatial_cplx_masking;
 623     const float p_masking            = s->avctx->p_masking;
 624     const float border_masking       = s->border_masking;
 625     float bits_sum                   = 0.0;
 626     float cplx_sum                   = 0.0;
 627     float *cplx_tab                  = s->cplx_tab;
 628     float *bits_tab                  = s->bits_tab;
 629     const int qmin                   = s->avctx->mb_lmin;
 630     const int qmax                   = s->avctx->mb_lmax;
 631     Picture *const pic               = &s->current_picture;
 632     const int mb_width               = s->mb_width;
 633     const int mb_height              = s->mb_height;
 634
 635     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 636         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
 637         float temp_cplx = sqrt(pic->mc_mb_var[mb_xy]); // FIXME merge in pow()
 638         float spat_cplx = sqrt(pic->mb_var[mb_xy]);
 639         const int lumi  = pic->mb_mean[mb_xy];
 640         float bits, cplx, factor;
 641         int mb_x = mb_xy % s->mb_stride;
 642         int mb_y = mb_xy / s->mb_stride;
 643         int mb_distance;
 644         float mb_factor = 0.0;
 645         if (spat_cplx < 4)
 646             spat_cplx = 4;              // FIXME finetune
 647         if (temp_cplx < 4)
 648             temp_cplx = 4;              // FIXME finetune
 649
 650         if ((s->mb_type[mb_xy] & CANDIDATE_MB_TYPE_INTRA)) { // FIXME hq mode
 651             cplx   = spat_cplx;
 652             factor = 1.0 + p_masking;
 653         } else {
 654             cplx   = temp_cplx;
 655             factor = pow(temp_cplx, -temp_cplx_masking);
 656         }
 657         factor *= pow(spat_cplx, -spatial_cplx_masking);
 658
 659         if (lumi > 127)
 660             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * lumi_masking);
 661         else
 662             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * dark_masking);
 663
 664         if (mb_x < mb_width / 5) {
 665             mb_distance = mb_width / 5 - mb_x;
 666             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
 667         } else if (mb_x > 4 * mb_width / 5) {
 668             mb_distance = mb_x - 4 * mb_width / 5;
 669             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
 670         }
 671         if (mb_y < mb_height / 5) {
 672             mb_distance = mb_height / 5 - mb_y;
 673             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
 674                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
 675         } else if (mb_y > 4 * mb_height / 5) {
 676             mb_distance = mb_y - 4 * mb_height / 5;
 677             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
 678                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
 679         }
 680
 681         factor *= 1.0 - border_masking * mb_factor;
 682
 683         if (factor < 0.00001)
 684             factor = 0.00001;
 685
 686         bits        = cplx * factor;
 687         cplx_sum   += cplx;
 688         bits_sum   += bits;
 689         cplx_tab[i] = cplx;
 690         bits_tab[i] = bits;
 691     }
 692
 693     /* handle qmin/qmax clipping */
 694     if (s->mpv_flags & FF_MPV_FLAG_NAQ) {
 695         float factor = bits_sum / cplx_sum;
 696         for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 697             float newq = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
 698             newq *= factor;
 699
 700             if (newq > qmax) {
 701                 bits_sum -= bits_tab[i];
 702                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmax;
 703             } else if (newq < qmin) {
 704                 bits_sum -= bits_tab[i];
 705                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmin;
 706             }
 707         }
 708         if (bits_sum < 0.001)
 709             bits_sum = 0.001;
 710         if (cplx_sum < 0.001)
 711             cplx_sum = 0.001;
 712     }
 713
 714     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 715         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
 716         float newq      = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
 717         int intq;
 718
 719         if (s->mpv_flags & FF_MPV_FLAG_NAQ) {
 720             newq *= bits_sum / cplx_sum;
 721         }
 722
 723         intq = (int)(newq + 0.5);
 724
 725         if (intq > qmax)
 726             intq = qmax;
 727         else if (intq < qmin)
 728             intq = qmin;
 729         s->lambda_table[mb_xy] = intq;
 730     }
 731 }
 732
 733 void ff_get_2pass_fcode(MpegEncContext *s)
 734 {
 735     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 736     RateControlEntry *rce   = &rcc->entry[s->picture_number];
 737
 738     s->f_code = rce->f_code;
 739     s->b_code = rce->b_code;
 740 }
 741
 742 // FIXME rd or at least approx for dquant
 743
 744 float ff_rate_estimate_qscale(MpegEncContext *s, int dry_run)
 745 {
 746     float q;
 747     int qmin, qmax;
 748     float br_compensation;
 749     double diff;
 750     double short_term_q;
 751     double fps;
 752     int picture_number = s->picture_number;
 753     int64_t wanted_bits;
 754     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 755     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 756     RateControlEntry local_rce, *rce;
 757     double bits;
 758     double rate_factor;
 759     int64_t var;
 760     const int pict_type = s->pict_type;
 761     Picture * const pic = &s->current_picture;
 762     emms_c();
 763
 764 #if CONFIG_LIBXVID
 765     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) &&
 766         s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
 767         return ff_xvid_rate_estimate_qscale(s, dry_run);
 768 #endif
 769
 770     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
 771
 772     fps = get_fps(s->avctx);
 773     /* update predictors */
 774     if (picture_number > 2 && !dry_run) {
 775         const int64_t last_var =
 776             s->last_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? rcc->last_mb_var_sum
 777                                                    : rcc->last_mc_mb_var_sum;
 778         av_assert1(s->frame_bits >= s->stuffing_bits);
 779         update_predictor(&rcc->pred[s->last_pict_type],
 780                          rcc->last_qscale,
 781                          sqrt(last_var),
 782                          s->frame_bits - s->stuffing_bits);
 783     }
 784
 785     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
 786         assert(picture_number >= 0);
 787         if (picture_number >= rcc->num_entries) {
 788             av_log(s, AV_LOG_ERROR, "Input is longer than 2-pass log file\n");
 789             return -1;
 790         }
 791         rce         = &rcc->entry[picture_number];
 792         wanted_bits = rce->expected_bits;
 793     } else {
 794         Picture *dts_pic;
 795         rce = &local_rce;
 796
 797         /* FIXME add a dts field to AVFrame and ensure it is set and use it
 798          * here instead of reordering but the reordering is simpler for now
 799          * until H.264 B-pyramid must be handled. */
 800         if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B || s->low_delay)
 801             dts_pic = s->current_picture_ptr;
 802         else
 803             dts_pic = s->last_picture_ptr;
 804
 805         if (!dts_pic || dts_pic->f->pts == AV_NOPTS_VALUE)
 806             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)picture_number / fps);
 807         else
 808             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)dts_pic->f->pts / fps);
 809     }
 810
 811     diff = s->total_bits - wanted_bits;
 812     br_compensation = (a->bit_rate_tolerance - diff) / a->bit_rate_tolerance;
 813     if (br_compensation <= 0.0)
 814         br_compensation = 0.001;
 815
 816     var = pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? pic->mb_var_sum : pic->mc_mb_var_sum;
 817
 818     short_term_q = 0; /* avoid warning */
 819     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
 820         if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I)
 821             assert(pict_type == rce->new_pict_type);
 822
 823         q = rce->new_qscale / br_compensation;
 824         av_dlog(s, "%f %f %f last:%d var:%"PRId64" type:%d//\n", q, rce->new_qscale,
 825                 br_compensation, s->frame_bits, var, pict_type);
 826     } else {
 827         rce->pict_type     =
 828         rce->new_pict_type = pict_type;
 829         rce->mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
 830         rce->mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
 831         rce->qscale        = FF_QP2LAMBDA * 2;
 832         rce->f_code        = s->f_code;
 833         rce->b_code        = s->b_code;
 834         rce->misc_bits     = 1;
 835
 836         bits = predict_size(&rcc->pred[pict_type], rce->qscale, sqrt(var));
 837         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
 838             rce->i_count    = s->mb_num;
 839             rce->i_tex_bits = bits;
 840             rce->p_tex_bits = 0;
 841             rce->mv_bits    = 0;
 842         } else {
 843             rce->i_count    = 0;    // FIXME we do know this approx
 844             rce->i_tex_bits = 0;
 845             rce->p_tex_bits = bits * 0.9;
 846             rce->mv_bits    = bits * 0.1;
 847         }
 848         rcc->i_cplx_sum[pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
 849         rcc->p_cplx_sum[pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
 850         rcc->mv_bits_sum[pict_type] += rce->mv_bits;
 851         rcc->frame_count[pict_type]++;
 852
 853         rate_factor = rcc->pass1_wanted_bits /
 854                       rcc->pass1_rc_eq_output_sum * br_compensation;
 855
 856         q = get_qscale(s, rce, rate_factor, picture_number);
 857         if (q < 0)
 858             return -1;
 859
 860         assert(q > 0.0);
 861         q = get_diff_limited_q(s, rce, q);
 862         assert(q > 0.0);
 863
 864         // FIXME type dependent blur like in 2-pass
 865         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P || s->intra_only) {
 866             rcc->short_term_qsum   *= a->qblur;
 867             rcc->short_term_qcount *= a->qblur;
 868
 869             rcc->short_term_qsum += q;
 870             rcc->short_term_qcount++;
 871             q = short_term_q = rcc->short_term_qsum / rcc->short_term_qcount;
 872         }
 873         assert(q > 0.0);
 874
 875         q = modify_qscale(s, rce, q, picture_number);
 876
 877         rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / fps;
 878
 879         assert(q > 0.0);
 880     }
 881
 882     if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC) {
 883         av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 884                "%c qp:%d<%2.1f<%d %d want:%d total:%d comp:%f st_q:%2.2f "
 885                "size:%d var:%"PRId64"/%"PRId64" br:%d fps:%d\n",
 886                av_get_picture_type_char(pict_type),
 887                qmin, q, qmax, picture_number,
 888                (int)wanted_bits / 1000, (int)s->total_bits / 1000,
 889                br_compensation, short_term_q, s->frame_bits,
 890                pic->mb_var_sum, pic->mc_mb_var_sum,
 891                s->bit_rate / 1000, (int)fps);
 892     }
 893
 894     if (q < qmin)
 895         q = qmin;
 896     else if (q > qmax)
 897         q = qmax;
 898
 899     if (s->adaptive_quant)
 900         adaptive_quantization(s, q);
 901     else
 902         q = (int)(q + 0.5);
 903
 904     if (!dry_run) {
 905         rcc->last_qscale        = q;
 906         rcc->last_mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
 907         rcc->last_mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
 908     }
 909     return q;
 910 }
 911
 912 // ----------------------------------------------
 913 // 2-Pass code
 914
 915 static int init_pass2(MpegEncContext *s)
 916 {
 917     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 918     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 919     int i, toobig;
 920     double fps             = get_fps(s->avctx);
 921     double complexity[5]   = { 0 }; // approximate bits at quant=1
 922     uint64_t const_bits[5] = { 0 }; // quantizer independent bits
 923     uint64_t all_const_bits;
 924     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(s->bit_rate *
 925                                              (double)rcc->num_entries / fps);
 926     double rate_factor          = 0;
 927     double step;
 928     const int filter_size = (int)(a->qblur * 4) | 1;
 929     double expected_bits = 0; // init to silence gcc warning
 930     double *qscale, *blurred_qscale, qscale_sum;
 931
 932     /* find complexity & const_bits & decide the pict_types */
 933     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 934         RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 935
 936         rce->new_pict_type                = rce->pict_type;
 937         rcc->i_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
 938         rcc->p_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
 939         rcc->mv_bits_sum[rce->pict_type] += rce->mv_bits;
 940         rcc->frame_count[rce->pict_type]++;
 941
 942         complexity[rce->new_pict_type] += (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) *
 943                                           (double)rce->qscale;
 944         const_bits[rce->new_pict_type] += rce->mv_bits + rce->misc_bits;
 945     }
 946
 947     all_const_bits = const_bits[AV_PICTURE_TYPE_I] +
 948                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_P] +
 949                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_B];
 950
 951     if (all_available_bits < all_const_bits) {
 952         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low\n");
 953         return -1;
 954     }
 955
 956     qscale         = av_malloc_array(rcc->num_entries, sizeof(double));
 957     blurred_qscale = av_malloc_array(rcc->num_entries, sizeof(double));
 958     if (!qscale || !blurred_qscale) {
 959         av_free(qscale);
 960         av_free(blurred_qscale);
 961         return AVERROR(ENOMEM);
 962     }
 963     toobig = 0;
 964
 965     for (step = 256 * 256; step > 0.0000001; step *= 0.5) {
 966         expected_bits = 0;
 967         rate_factor  += step;
 968
 969         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size / 2;
 970
 971         /* find qscale */
 972         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 973             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 974
 975             qscale[i] = get_qscale(s, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
 976             rcc->last_qscale_for[rce->pict_type] = qscale[i];
 977         }
 978         assert(filter_size % 2 == 1);
 979
 980         /* fixed I/B QP relative to P mode */
 981         for (i = FFMAX(0, rcc->num_entries - 300); i < rcc->num_entries; i++) {
 982             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 983
 984             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
 985         }
 986
 987         for (i = rcc->num_entries - 1; i >= 0; i--) {
 988             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 989
 990             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
 991         }
 992
 993         /* smooth curve */
 994         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 995             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 996             const int pict_type   = rce->new_pict_type;
 997             int j;
 998             double q = 0.0, sum = 0.0;
 999
1000             for (j = 0; j < filter_size; j++) {
1001                 int index    = i + j - filter_size / 2;
1002                 double d     = index - i;
1003                 double coeff = a->qblur == 0 ? 1.0 : exp(-d * d / (a->qblur * a->qblur));
1004
1005                 if (index < 0 || index >= rcc->num_entries)
1006                     continue;
1007                 if (pict_type != rcc->entry[index].new_pict_type)
1008                     continue;
1009                 q   += qscale[index] * coeff;
1010                 sum += coeff;
1011             }
1012             blurred_qscale[i] = q / sum;
1013         }
1014
1015         /* find expected bits */
1016         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1017             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
1018             double bits;
1019
1020             rce->new_qscale = modify_qscale(s, rce, blurred_qscale[i], i);
1021
1022             bits  = qp2bits(rce, rce->new_qscale) + rce->mv_bits + rce->misc_bits;
1023             bits += 8 * ff_vbv_update(s, bits);
1024
1025             rce->expected_bits = expected_bits;
1026             expected_bits     += bits;
1027         }
1028
1029         av_dlog(s->avctx,
1030                 "expected_bits: %f all_available_bits: %d rate_factor: %f\n",
1031                 expected_bits, (int)all_available_bits, rate_factor);
1032         if (expected_bits > all_available_bits) {
1033             rate_factor -= step;
1034             ++toobig;
1035         }
1036     }
1037     av_free(qscale);
1038     av_free(blurred_qscale);
1039
1040     /* check bitrate calculations and print info */
1041     qscale_sum = 0.0;
1042     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1043         av_dlog(s, "[lavc rc] entry[%d].new_qscale = %.3f  qp = %.3f\n",
1044                 i,
1045                 rcc->entry[i].new_qscale,
1046                 rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA);
1047         qscale_sum += av_clip(rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA,
1048                               s->avctx->qmin, s->avctx->qmax);
1049     }
1050     assert(toobig <= 40);
1051     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1052            "[lavc rc] requested bitrate: %d bps  expected bitrate: %d bps\n",
1053            s->bit_rate,
1054            (int)(expected_bits / ((double)all_available_bits / s->bit_rate)));
1055     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1056            "[lavc rc] estimated target average qp: %.3f\n",
1057            (float)qscale_sum / rcc->num_entries);
1058     if (toobig == 0) {
1059         av_log(s->avctx, AV_LOG_INFO,
1060                "[lavc rc] Using all of requested bitrate is not "
1061                "necessary for this video with these parameters.\n");
1062     } else if (toobig == 40) {
1063         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1064                "[lavc rc] Error: bitrate too low for this video "
1065                "with these parameters.\n");
1066         return -1;
1067     } else if (fabs(expected_bits / all_available_bits - 1.0) > 0.01) {
1068         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1069                "[lavc rc] Error: 2pass curve failed to converge\n");
1070         return -1;
1071     }
1072
1073     return 0;
1074 }