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 "libavutil/internal.h"
  30
  31 #include "avcodec.h"
  32 #include "internal.h"
  33 #include "ratecontrol.h"
  34 #include "mpegutils.h"
  35 #include "mpegvideo.h"
  36 #include "libavutil/eval.h"
  37
  38 #undef NDEBUG // Always check asserts, the speed effect is far too small to disable them.
  39 #include <assert.h>
  40
  41 #ifndef M_E
  42 #define M_E 2.718281828
  43 #endif
  44
  45 static int init_pass2(MpegEncContext *s);
  46 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
  47                          double rate_factor, int frame_num);
  48
  49 void ff_write_pass1_stats(MpegEncContext *s)
  50 {
  51     snprintf(s->avctx->stats_out, 256,
  52              "in:%d out:%d type:%d q:%d itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d "
  53              "fcode:%d bcode:%d mc-var:%d var:%d icount:%d skipcount:%d hbits:%d;\n",
  54              s->current_picture_ptr->f->display_picture_number,
  55              s->current_picture_ptr->f->coded_picture_number,
  56              s->pict_type,
  57              s->current_picture.f->quality,
  58              s->i_tex_bits,
  59              s->p_tex_bits,
  60              s->mv_bits,
  61              s->misc_bits,
  62              s->f_code,
  63              s->b_code,
  64              s->current_picture.mc_mb_var_sum,
  65              s->current_picture.mb_var_sum,
  66              s->i_count, s->skip_count,
  67              s->header_bits);
  68 }
  69
  70 static inline double qp2bits(RateControlEntry *rce, double qp)
  71 {
  72     if (qp <= 0.0) {
  73         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "qp<=0.0\n");
  74     }
  75     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / qp;
  76 }
  77
  78 static inline double bits2qp(RateControlEntry *rce, double bits)
  79 {
  80     if (bits < 0.9) {
  81         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "bits<0.9\n");
  82     }
  83     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / bits;
  84 }
  85
  86 av_cold int ff_rate_control_init(MpegEncContext *s)
  87 {
  88     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
  89     int i, res;
  90     static const char * const const_names[] = {
  91         "PI",
  92         "E",
  93         "iTex",
  94         "pTex",
  95         "tex",
  96         "mv",
  97         "fCode",
  98         "iCount",
  99         "mcVar",
 100         "var",
 101         "isI",
 102         "isP",
 103         "isB",
 104         "avgQP",
 105         "qComp",
 106 #if 0
 107         "lastIQP",
 108         "lastPQP",
 109         "lastBQP",
 110         "nextNonBQP",
 111 #endif
 112         "avgIITex",
 113         "avgPITex",
 114         "avgPPTex",
 115         "avgBPTex",
 116         "avgTex",
 117         NULL
 118     };
 119     static double (* const func1[])(void *, double) = {
 120         (void *)bits2qp,
 121         (void *)qp2bits,
 122         NULL
 123     };
 124     static const char * const func1_names[] = {
 125         "bits2qp",
 126         "qp2bits",
 127         NULL
 128     };
 129     emms_c();
 130
 131     res = av_expr_parse(&rcc->rc_eq_eval,
 132                         s->rc_eq ? s->rc_eq : "tex^qComp",
 133                         const_names, func1_names, func1,
 134                         NULL, NULL, 0, s->avctx);
 135     if (res < 0) {
 136         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing rc_eq \"%s\"\n", s->rc_eq);
 137         return res;
 138     }
 139
 140 #if FF_API_RC_STRATEGY
 141 FF_DISABLE_DEPRECATION_WARNINGS
 142     if (!s->rc_strategy)
 143         s->rc_strategy = s->avctx->rc_strategy;
 144 FF_ENABLE_DEPRECATION_WARNINGS
 145 #endif
 146
 147     for (i = 0; i < 5; i++) {
 148         rcc->pred[i].coeff = FF_QP2LAMBDA * 7.0;
 149         rcc->pred[i].count = 1.0;
 150         rcc->pred[i].decay = 0.4;
 151
 152         rcc->i_cplx_sum [i] =
 153         rcc->p_cplx_sum [i] =
 154         rcc->mv_bits_sum[i] =
 155         rcc->qscale_sum [i] =
 156         rcc->frame_count[i] = 1; // 1 is better because of 1/0 and such
 157
 158         rcc->last_qscale_for[i] = FF_QP2LAMBDA * 5;
 159     }
 160     rcc->buffer_index = s->avctx->rc_initial_buffer_occupancy;
 161
 162     if (s->avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_PASS2) {
 163         int i;
 164         char *p;
 165
 166         /* find number of pics */
 167         p = s->avctx->stats_in;
 168         for (i = -1; p; i++)
 169             p = strchr(p + 1, ';');
 170         i += s->max_b_frames;
 171         if (i <= 0 || i >= INT_MAX / sizeof(RateControlEntry))
 172             return -1;
 173         rcc->entry       = av_mallocz(i * sizeof(RateControlEntry));
 174         rcc->num_entries = i;
 175         if (!rcc->entry)
 176             return AVERROR(ENOMEM);
 177
 178         /* init all to skipped p frames
 179          * (with b frames we might have a not encoded frame at the end FIXME) */
 180         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 181             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 182
 183             rce->pict_type  = rce->new_pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
 184             rce->qscale     = rce->new_qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
 185             rce->misc_bits  = s->mb_num + 10;
 186             rce->mb_var_sum = s->mb_num * 100;
 187         }
 188
 189         /* read stats */
 190         p = s->avctx->stats_in;
 191         for (i = 0; i < rcc->num_entries - s->max_b_frames; i++) {
 192             RateControlEntry *rce;
 193             int picture_number;
 194             int e;
 195             char *next;
 196
 197             next = strchr(p, ';');
 198             if (next) {
 199                 (*next) = 0; // sscanf in unbelievably slow on looong strings // FIXME copy / do not write
 200                 next++;
 201             }
 202             e = sscanf(p, " in:%d ", &picture_number);
 203
 204             assert(picture_number >= 0);
 205             assert(picture_number < rcc->num_entries);
 206             rce = &rcc->entry[picture_number];
 207
 208             e += sscanf(p, " in:%*d out:%*d type:%d q:%f itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d fcode:%d bcode:%d mc-var:%d var:%d icount:%d skipcount:%d hbits:%d",
 209                         &rce->pict_type, &rce->qscale, &rce->i_tex_bits, &rce->p_tex_bits,
 210                         &rce->mv_bits, &rce->misc_bits,
 211                         &rce->f_code, &rce->b_code,
 212                         &rce->mc_mb_var_sum, &rce->mb_var_sum,
 213                         &rce->i_count, &rce->skip_count, &rce->header_bits);
 214             if (e != 14) {
 215                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
 216                        "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n",
 217                        i, e);
 218                 return -1;
 219             }
 220
 221             p = next;
 222         }
 223
 224         if (init_pass2(s) < 0) {
 225             ff_rate_control_uninit(s);
 226             return -1;
 227         }
 228
 229         // FIXME maybe move to end
 230         if ((s->avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_PASS2) && s->rc_strategy == 1) {
 231 #if CONFIG_LIBXVID
 232             return ff_xvid_rate_control_init(s);
 233 #else
 234             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
 235                    "Xvid ratecontrol requires libavcodec compiled with Xvid support.\n");
 236             return -1;
 237 #endif
 238         }
 239     }
 240
 241     if (!(s->avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_PASS2)) {
 242         rcc->short_term_qsum   = 0.001;
 243         rcc->short_term_qcount = 0.001;
 244
 245         rcc->pass1_rc_eq_output_sum = 0.001;
 246         rcc->pass1_wanted_bits      = 0.001;
 247
 248         if (s->avctx->qblur > 1.0) {
 249             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "qblur too large\n");
 250             return -1;
 251         }
 252         /* init stuff with the user specified complexity */
 253         if (s->rc_initial_cplx) {
 254             for (i = 0; i < 60 * 30; i++) {
 255                 double bits = s->rc_initial_cplx * (i / 10000.0 + 1.0) * s->mb_num;
 256                 RateControlEntry rce;
 257
 258                 if (i % ((s->gop_size + 3) / 4) == 0)
 259                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
 260                 else if (i % (s->max_b_frames + 1))
 261                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_B;
 262                 else
 263                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
 264
 265                 rce.new_pict_type = rce.pict_type;
 266                 rce.mc_mb_var_sum = bits * s->mb_num / 100000;
 267                 rce.mb_var_sum    = s->mb_num;
 268
 269                 rce.qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
 270                 rce.f_code    = 2;
 271                 rce.b_code    = 1;
 272                 rce.misc_bits = 1;
 273
 274                 if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
 275                     rce.i_count    = s->mb_num;
 276                     rce.i_tex_bits = bits;
 277                     rce.p_tex_bits = 0;
 278                     rce.mv_bits    = 0;
 279                 } else {
 280                     rce.i_count    = 0; // FIXME we do know this approx
 281                     rce.i_tex_bits = 0;
 282                     rce.p_tex_bits = bits * 0.9;
 283                     rce.mv_bits    = bits * 0.1;
 284                 }
 285                 rcc->i_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.i_tex_bits * rce.qscale;
 286                 rcc->p_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.p_tex_bits * rce.qscale;
 287                 rcc->mv_bits_sum[rce.pict_type] += rce.mv_bits;
 288                 rcc->frame_count[rce.pict_type]++;
 289
 290                 get_qscale(s, &rce, rcc->pass1_wanted_bits / rcc->pass1_rc_eq_output_sum, i);
 291
 292                 // FIXME misbehaves a little for variable fps
 293                 rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / (1 / av_q2d(s->avctx->time_base));
 294             }
 295         }
 296     }
 297
 298     return 0;
 299 }
 300
 301 av_cold void ff_rate_control_uninit(MpegEncContext *s)
 302 {
 303     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 304     emms_c();
 305
 306     av_expr_free(rcc->rc_eq_eval);
 307     av_freep(&rcc->entry);
 308
 309 #if CONFIG_LIBXVID
 310     if ((s->avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_PASS2) && s->rc_strategy == 1)
 311         ff_xvid_rate_control_uninit(s);
 312 #endif
 313 }
 314
 315 int ff_vbv_update(MpegEncContext *s, int frame_size)
 316 {
 317     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 318     const double fps        = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
 319     const int buffer_size   = s->avctx->rc_buffer_size;
 320     const double min_rate   = s->avctx->rc_min_rate / fps;
 321     const double max_rate   = s->avctx->rc_max_rate / fps;
 322
 323     ff_dlog(s, "%d %f %d %f %f\n",
 324             buffer_size, rcc->buffer_index, frame_size, min_rate, max_rate);
 325
 326     if (buffer_size) {
 327         int left;
 328
 329         rcc->buffer_index -= frame_size;
 330         if (rcc->buffer_index < 0) {
 331             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "rc buffer underflow\n");
 332             rcc->buffer_index = 0;
 333         }
 334
 335         left = buffer_size - rcc->buffer_index - 1;
 336         rcc->buffer_index += av_clip(left, min_rate, max_rate);
 337
 338         if (rcc->buffer_index > buffer_size) {
 339             int stuffing = ceil((rcc->buffer_index - buffer_size) / 8);
 340
 341             if (stuffing < 4 && s->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4)
 342                 stuffing = 4;
 343             rcc->buffer_index -= 8 * stuffing;
 344
 345             if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 346                 av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG, "stuffing %d bytes\n", stuffing);
 347
 348             return stuffing;
 349         }
 350     }
 351     return 0;
 352 }
 353
 354 /**
 355  * Modify the bitrate curve from pass1 for one frame.
 356  */
 357 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
 358                          double rate_factor, int frame_num)
 359 {
 360     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 361     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 362     const int pict_type     = rce->new_pict_type;
 363     const double mb_num     = s->mb_num;
 364     double q, bits;
 365     int i;
 366
 367     double const_values[] = {
 368         M_PI,
 369         M_E,
 370         rce->i_tex_bits * rce->qscale,
 371         rce->p_tex_bits * rce->qscale,
 372         (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) * (double)rce->qscale,
 373         rce->mv_bits / mb_num,
 374         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B ? (rce->f_code + rce->b_code) * 0.5 : rce->f_code,
 375         rce->i_count / mb_num,
 376         rce->mc_mb_var_sum / mb_num,
 377         rce->mb_var_sum / mb_num,
 378         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I,
 379         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P,
 380         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B,
 381         rcc->qscale_sum[pict_type] / (double)rcc->frame_count[pict_type],
 382         a->qcompress,
 383 #if 0
 384         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_I],
 385         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P],
 386         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_B],
 387         rcc->next_non_b_qscale,
 388 #endif
 389         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_I] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_I],
 390         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
 391         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
 392         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_B] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_B],
 393         (rcc->i_cplx_sum[pict_type] + rcc->p_cplx_sum[pict_type]) / (double)rcc->frame_count[pict_type],
 394         0
 395     };
 396
 397     bits = av_expr_eval(rcc->rc_eq_eval, const_values, rce);
 398     if (isnan(bits)) {
 399         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error evaluating rc_eq \"%s\"\n", s->rc_eq);
 400         return -1;
 401     }
 402
 403     rcc->pass1_rc_eq_output_sum += bits;
 404     bits *= rate_factor;
 405     if (bits < 0.0)
 406         bits = 0.0;
 407     bits += 1.0; // avoid 1/0 issues
 408
 409     /* user override */
 410     for (i = 0; i < s->avctx->rc_override_count; i++) {
 411         RcOverride *rco = s->avctx->rc_override;
 412         if (rco[i].start_frame > frame_num)
 413             continue;
 414         if (rco[i].end_frame < frame_num)
 415             continue;
 416
 417         if (rco[i].qscale)
 418             bits = qp2bits(rce, rco[i].qscale);  // FIXME move at end to really force it?
 419         else
 420             bits *= rco[i].quality_factor;
 421     }
 422
 423     q = bits2qp(rce, bits);
 424
 425     /* I/B difference */
 426     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I && s->avctx->i_quant_factor < 0.0)
 427         q = -q * s->avctx->i_quant_factor + s->avctx->i_quant_offset;
 428     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B && s->avctx->b_quant_factor < 0.0)
 429         q = -q * s->avctx->b_quant_factor + s->avctx->b_quant_offset;
 430     if (q < 1)
 431         q = 1;
 432
 433     return q;
 434 }
 435
 436 static double get_diff_limited_q(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce, double q)
 437 {
 438     RateControlContext *rcc   = &s->rc_context;
 439     AVCodecContext *a         = s->avctx;
 440     const int pict_type       = rce->new_pict_type;
 441     const double last_p_q     = rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P];
 442     const double last_non_b_q = rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
 443
 444     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I &&
 445         (a->i_quant_factor > 0.0 || rcc->last_non_b_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P))
 446         q = last_p_q * FFABS(a->i_quant_factor) + a->i_quant_offset;
 447     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B &&
 448              a->b_quant_factor > 0.0)
 449         q = last_non_b_q * a->b_quant_factor + a->b_quant_offset;
 450     if (q < 1)
 451         q = 1;
 452
 453     /* last qscale / qdiff stuff */
 454     if (rcc->last_non_b_pict_type == pict_type || pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I) {
 455         double last_q     = rcc->last_qscale_for[pict_type];
 456         const int maxdiff = FF_QP2LAMBDA * a->max_qdiff;
 457
 458         if (q > last_q + maxdiff)
 459             q = last_q + maxdiff;
 460         else if (q < last_q - maxdiff)
 461             q = last_q - maxdiff;
 462     }
 463
 464     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q; // Note we cannot do that after blurring
 465
 466     if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_B)
 467         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
 468
 469     return q;
 470 }
 471
 472 /**
 473  * Get the qmin & qmax for pict_type.
 474  */
 475 static void get_qminmax(int *qmin_ret, int *qmax_ret, MpegEncContext *s, int pict_type)
 476 {
 477     int qmin = s->lmin;
 478     int qmax = s->lmax;
 479
 480     assert(qmin <= qmax);
 481
 482     switch (pict_type) {
 483     case AV_PICTURE_TYPE_B:
 484         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
 485         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
 486         break;
 487     case AV_PICTURE_TYPE_I:
 488         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
 489         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
 490         break;
 491     }
 492
 493     qmin = av_clip(qmin, 1, FF_LAMBDA_MAX);
 494     qmax = av_clip(qmax, 1, FF_LAMBDA_MAX);
 495
 496     if (qmax < qmin)
 497         qmax = qmin;
 498
 499     *qmin_ret = qmin;
 500     *qmax_ret = qmax;
 501 }
 502
 503 static double modify_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
 504                             double q, int frame_num)
 505 {
 506     RateControlContext *rcc  = &s->rc_context;
 507     const double buffer_size = s->avctx->rc_buffer_size;
 508     const double fps         = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
 509     const double min_rate    = s->avctx->rc_min_rate / fps;
 510     const double max_rate    = s->avctx->rc_max_rate / fps;
 511     const int pict_type      = rce->new_pict_type;
 512     int qmin, qmax;
 513
 514     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
 515
 516     /* modulation */
 517     if (s->rc_qmod_freq &&
 518         frame_num % s->rc_qmod_freq == 0 &&
 519         pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P)
 520         q *= s->rc_qmod_amp;
 521
 522     /* buffer overflow/underflow protection */
 523     if (buffer_size) {
 524         double expected_size = rcc->buffer_index;
 525         double q_limit;
 526
 527         if (min_rate) {
 528             double d = 2 * (buffer_size - expected_size) / buffer_size;
 529             if (d > 1.0)
 530                 d = 1.0;
 531             else if (d < 0.0001)
 532                 d = 0.0001;
 533             q *= pow(d, 1.0 / s->rc_buffer_aggressivity);
 534
 535             q_limit = bits2qp(rce,
 536                               FFMAX((min_rate - buffer_size + rcc->buffer_index) *
 537                                     s->avctx->rc_min_vbv_overflow_use, 1));
 538
 539             if (q > q_limit) {
 540                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 541                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 542                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
 543                 q = q_limit;
 544             }
 545         }
 546
 547         if (max_rate) {
 548             double d = 2 * expected_size / buffer_size;
 549             if (d > 1.0)
 550                 d = 1.0;
 551             else if (d < 0.0001)
 552                 d = 0.0001;
 553             q /= pow(d, 1.0 / s->rc_buffer_aggressivity);
 554
 555             q_limit = bits2qp(rce,
 556                               FFMAX(rcc->buffer_index *
 557                                     s->avctx->rc_max_available_vbv_use,
 558                                     1));
 559             if (q < q_limit) {
 560                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
 561                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 562                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
 563                 q = q_limit;
 564             }
 565         }
 566     }
 567     ff_dlog(s, "q:%f max:%f min:%f size:%f index:%f agr:%f\n",
 568             q, max_rate, min_rate, buffer_size, rcc->buffer_index,
 569             s->rc_buffer_aggressivity);
 570     if (s->rc_qsquish == 0.0 || qmin == qmax) {
 571         if (q < qmin)
 572             q = qmin;
 573         else if (q > qmax)
 574             q = qmax;
 575     } else {
 576         double min2 = log(qmin);
 577         double max2 = log(qmax);
 578
 579         q  = log(q);
 580         q  = (q - min2) / (max2 - min2) - 0.5;
 581         q *= -4.0;
 582         q  = 1.0 / (1.0 + exp(q));
 583         q  = q * (max2 - min2) + min2;
 584
 585         q = exp(q);
 586     }
 587
 588     return q;
 589 }
 590
 591 // ----------------------------------
 592 // 1 Pass Code
 593
 594 static double predict_size(Predictor *p, double q, double var)
 595 {
 596     return p->coeff * var / (q * p->count);
 597 }
 598
 599 static void update_predictor(Predictor *p, double q, double var, double size)
 600 {
 601     double new_coeff = size * q / (var + 1);
 602     if (var < 10)
 603         return;
 604
 605     p->count *= p->decay;
 606     p->coeff *= p->decay;
 607     p->count++;
 608     p->coeff += new_coeff;
 609 }
 610
 611 static void adaptive_quantization(MpegEncContext *s, double q)
 612 {
 613     int i;
 614     const float lumi_masking         = s->avctx->lumi_masking / (128.0 * 128.0);
 615     const float dark_masking         = s->avctx->dark_masking / (128.0 * 128.0);
 616     const float temp_cplx_masking    = s->avctx->temporal_cplx_masking;
 617     const float spatial_cplx_masking = s->avctx->spatial_cplx_masking;
 618     const float p_masking            = s->avctx->p_masking;
 619     const float border_masking       = s->border_masking;
 620     float bits_sum                   = 0.0;
 621     float cplx_sum                   = 0.0;
 622     float *cplx_tab                  = s->cplx_tab;
 623     float *bits_tab                  = s->bits_tab;
 624     const int qmin                   = s->avctx->mb_lmin;
 625     const int qmax                   = s->avctx->mb_lmax;
 626     Picture *const pic               = &s->current_picture;
 627     const int mb_width               = s->mb_width;
 628     const int mb_height              = s->mb_height;
 629
 630     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 631         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
 632         float temp_cplx = sqrt(pic->mc_mb_var[mb_xy]); // FIXME merge in pow()
 633         float spat_cplx = sqrt(pic->mb_var[mb_xy]);
 634         const int lumi  = pic->mb_mean[mb_xy];
 635         float bits, cplx, factor;
 636         int mb_x = mb_xy % s->mb_stride;
 637         int mb_y = mb_xy / s->mb_stride;
 638         int mb_distance;
 639         float mb_factor = 0.0;
 640         if (spat_cplx < 4)
 641             spat_cplx = 4;              // FIXME finetune
 642         if (temp_cplx < 4)
 643             temp_cplx = 4;              // FIXME finetune
 644
 645         if ((s->mb_type[mb_xy] & CANDIDATE_MB_TYPE_INTRA)) { // FIXME hq mode
 646             cplx   = spat_cplx;
 647             factor = 1.0 + p_masking;
 648         } else {
 649             cplx   = temp_cplx;
 650             factor = pow(temp_cplx, -temp_cplx_masking);
 651         }
 652         factor *= pow(spat_cplx, -spatial_cplx_masking);
 653
 654         if (lumi > 127)
 655             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * lumi_masking);
 656         else
 657             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * dark_masking);
 658
 659         if (mb_x < mb_width / 5) {
 660             mb_distance = mb_width / 5 - mb_x;
 661             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
 662         } else if (mb_x > 4 * mb_width / 5) {
 663             mb_distance = mb_x - 4 * mb_width / 5;
 664             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
 665         }
 666         if (mb_y < mb_height / 5) {
 667             mb_distance = mb_height / 5 - mb_y;
 668             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
 669                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
 670         } else if (mb_y > 4 * mb_height / 5) {
 671             mb_distance = mb_y - 4 * mb_height / 5;
 672             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
 673                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
 674         }
 675
 676         factor *= 1.0 - border_masking * mb_factor;
 677
 678         if (factor < 0.00001)
 679             factor = 0.00001;
 680
 681         bits        = cplx * factor;
 682         cplx_sum   += cplx;
 683         bits_sum   += bits;
 684         cplx_tab[i] = cplx;
 685         bits_tab[i] = bits;
 686     }
 687
 688     /* handle qmin/qmax clipping */
 689     if (s->mpv_flags & FF_MPV_FLAG_NAQ) {
 690         float factor = bits_sum / cplx_sum;
 691         for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 692             float newq = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
 693             newq *= factor;
 694
 695             if (newq > qmax) {
 696                 bits_sum -= bits_tab[i];
 697                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmax;
 698             } else if (newq < qmin) {
 699                 bits_sum -= bits_tab[i];
 700                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmin;
 701             }
 702         }
 703         if (bits_sum < 0.001)
 704             bits_sum = 0.001;
 705         if (cplx_sum < 0.001)
 706             cplx_sum = 0.001;
 707     }
 708
 709     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
 710         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
 711         float newq      = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
 712         int intq;
 713
 714         if (s->mpv_flags & FF_MPV_FLAG_NAQ) {
 715             newq *= bits_sum / cplx_sum;
 716         }
 717
 718         intq = (int)(newq + 0.5);
 719
 720         if (intq > qmax)
 721             intq = qmax;
 722         else if (intq < qmin)
 723             intq = qmin;
 724         s->lambda_table[mb_xy] = intq;
 725     }
 726 }
 727
 728 void ff_get_2pass_fcode(MpegEncContext *s)
 729 {
 730     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 731     RateControlEntry *rce   = &rcc->entry[s->picture_number];
 732
 733     s->f_code = rce->f_code;
 734     s->b_code = rce->b_code;
 735 }
 736
 737 // FIXME rd or at least approx for dquant
 738
 739 float ff_rate_estimate_qscale(MpegEncContext *s, int dry_run)
 740 {
 741     float q;
 742     int qmin, qmax;
 743     float br_compensation;
 744     double diff;
 745     double short_term_q;
 746     double fps;
 747     int picture_number = s->picture_number;
 748     int64_t wanted_bits;
 749     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 750     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 751     RateControlEntry local_rce, *rce;
 752     double bits;
 753     double rate_factor;
 754     int var;
 755     const int pict_type = s->pict_type;
 756     Picture * const pic = &s->current_picture;
 757     emms_c();
 758
 759 #if CONFIG_LIBXVID
 760     if ((s->avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_PASS2) && s->rc_strategy == 1)
 761         return ff_xvid_rate_estimate_qscale(s, dry_run);
 762 #endif
 763
 764     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
 765
 766     fps = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
 767     /* update predictors */
 768     if (picture_number > 2 && !dry_run) {
 769         const int last_var = s->last_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? rcc->last_mb_var_sum
 770                                                                     : rcc->last_mc_mb_var_sum;
 771         update_predictor(&rcc->pred[s->last_pict_type],
 772                          rcc->last_qscale,
 773                          sqrt(last_var), s->frame_bits);
 774     }
 775
 776     if (s->avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_PASS2) {
 777         assert(picture_number >= 0);
 778         assert(picture_number < rcc->num_entries);
 779         rce         = &rcc->entry[picture_number];
 780         wanted_bits = rce->expected_bits;
 781     } else {
 782         Picture *dts_pic;
 783         rce = &local_rce;
 784
 785         /* FIXME add a dts field to AVFrame and ensure it is set and use it
 786          * here instead of reordering but the reordering is simpler for now
 787          * until H.264 B-pyramid must be handled. */
 788         if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B || s->low_delay)
 789             dts_pic = s->current_picture_ptr;
 790         else
 791             dts_pic = s->last_picture_ptr;
 792
 793         if (!dts_pic || dts_pic->f->pts == AV_NOPTS_VALUE)
 794             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)picture_number / fps);
 795         else
 796             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)dts_pic->f->pts / fps);
 797     }
 798
 799     diff = s->total_bits - wanted_bits;
 800     br_compensation = (a->bit_rate_tolerance - diff) / a->bit_rate_tolerance;
 801     if (br_compensation <= 0.0)
 802         br_compensation = 0.001;
 803
 804     var = pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? pic->mb_var_sum : pic->mc_mb_var_sum;
 805
 806     short_term_q = 0; /* avoid warning */
 807     if (s->avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_PASS2) {
 808         if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I)
 809             assert(pict_type == rce->new_pict_type);
 810
 811         q = rce->new_qscale / br_compensation;
 812         ff_dlog(s, "%f %f %f last:%d var:%d type:%d//\n", q, rce->new_qscale,
 813                 br_compensation, s->frame_bits, var, pict_type);
 814     } else {
 815         rce->pict_type     =
 816         rce->new_pict_type = pict_type;
 817         rce->mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
 818         rce->mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
 819         rce->qscale        = FF_QP2LAMBDA * 2;
 820         rce->f_code        = s->f_code;
 821         rce->b_code        = s->b_code;
 822         rce->misc_bits     = 1;
 823
 824         bits = predict_size(&rcc->pred[pict_type], rce->qscale, sqrt(var));
 825         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
 826             rce->i_count    = s->mb_num;
 827             rce->i_tex_bits = bits;
 828             rce->p_tex_bits = 0;
 829             rce->mv_bits    = 0;
 830         } else {
 831             rce->i_count    = 0;    // FIXME we do know this approx
 832             rce->i_tex_bits = 0;
 833             rce->p_tex_bits = bits * 0.9;
 834             rce->mv_bits    = bits * 0.1;
 835         }
 836         rcc->i_cplx_sum[pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
 837         rcc->p_cplx_sum[pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
 838         rcc->mv_bits_sum[pict_type] += rce->mv_bits;
 839         rcc->frame_count[pict_type]++;
 840
 841         bits        = rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits;
 842         rate_factor = rcc->pass1_wanted_bits /
 843                       rcc->pass1_rc_eq_output_sum * br_compensation;
 844
 845         q = get_qscale(s, rce, rate_factor, picture_number);
 846         if (q < 0)
 847             return -1;
 848
 849         assert(q > 0.0);
 850         q = get_diff_limited_q(s, rce, q);
 851         assert(q > 0.0);
 852
 853         // FIXME type dependent blur like in 2-pass
 854         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P || s->intra_only) {
 855             rcc->short_term_qsum   *= a->qblur;
 856             rcc->short_term_qcount *= a->qblur;
 857
 858             rcc->short_term_qsum += q;
 859             rcc->short_term_qcount++;
 860             q = short_term_q = rcc->short_term_qsum / rcc->short_term_qcount;
 861         }
 862         assert(q > 0.0);
 863
 864         q = modify_qscale(s, rce, q, picture_number);
 865
 866         rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / fps;
 867
 868         assert(q > 0.0);
 869     }
 870
 871     if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC) {
 872         av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
 873                "%c qp:%d<%2.1f<%d %d want:%d total:%d comp:%f st_q:%2.2f "
 874                "size:%d var:%d/%d br:%d fps:%d\n",
 875                av_get_picture_type_char(pict_type),
 876                qmin, q, qmax, picture_number,
 877                (int)wanted_bits / 1000, (int)s->total_bits / 1000,
 878                br_compensation, short_term_q, s->frame_bits,
 879                pic->mb_var_sum, pic->mc_mb_var_sum,
 880                s->bit_rate / 1000, (int)fps);
 881     }
 882
 883     if (q < qmin)
 884         q = qmin;
 885     else if (q > qmax)
 886         q = qmax;
 887
 888     if (s->adaptive_quant)
 889         adaptive_quantization(s, q);
 890     else
 891         q = (int)(q + 0.5);
 892
 893     if (!dry_run) {
 894         rcc->last_qscale        = q;
 895         rcc->last_mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
 896         rcc->last_mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
 897     }
 898     return q;
 899 }
 900
 901 // ----------------------------------------------
 902 // 2-Pass code
 903
 904 static int init_pass2(MpegEncContext *s)
 905 {
 906     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
 907     AVCodecContext *a       = s->avctx;
 908     int i, toobig;
 909     double fps             = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
 910     double complexity[5]   = { 0 }; // approximate bits at quant=1
 911     uint64_t const_bits[5] = { 0 }; // quantizer independent bits
 912     uint64_t all_const_bits;
 913     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(s->bit_rate *
 914                                              (double)rcc->num_entries / fps);
 915     double rate_factor          = 0;
 916     double step;
 917     const int filter_size = (int)(a->qblur * 4) | 1;
 918     double expected_bits;
 919     double *qscale, *blurred_qscale, qscale_sum;
 920
 921     /* find complexity & const_bits & decide the pict_types */
 922     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 923         RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 924
 925         rce->new_pict_type                = rce->pict_type;
 926         rcc->i_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
 927         rcc->p_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
 928         rcc->mv_bits_sum[rce->pict_type] += rce->mv_bits;
 929         rcc->frame_count[rce->pict_type]++;
 930
 931         complexity[rce->new_pict_type] += (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) *
 932                                           (double)rce->qscale;
 933         const_bits[rce->new_pict_type] += rce->mv_bits + rce->misc_bits;
 934     }
 935
 936     all_const_bits = const_bits[AV_PICTURE_TYPE_I] +
 937                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_P] +
 938                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_B];
 939
 940     if (all_available_bits < all_const_bits) {
 941         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low\n");
 942         return -1;
 943     }
 944
 945     qscale         = av_malloc(sizeof(double) * rcc->num_entries);
 946     blurred_qscale = av_malloc(sizeof(double) * rcc->num_entries);
 947     if (!qscale || !blurred_qscale) {
 948         av_free(qscale);
 949         av_free(blurred_qscale);
 950         return AVERROR(ENOMEM);
 951     }
 952     toobig = 0;
 953
 954     for (step = 256 * 256; step > 0.0000001; step *= 0.5) {
 955         expected_bits = 0;
 956         rate_factor  += step;
 957
 958         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size / 2;
 959
 960         /* find qscale */
 961         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 962             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 963
 964             qscale[i] = get_qscale(s, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
 965             rcc->last_qscale_for[rce->pict_type] = qscale[i];
 966         }
 967         assert(filter_size % 2 == 1);
 968
 969         /* fixed I/B QP relative to P mode */
 970         for (i = rcc->num_entries - 1; i >= 0; i--) {
 971             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 972
 973             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
 974         }
 975
 976         /* smooth curve */
 977         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
 978             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
 979             const int pict_type   = rce->new_pict_type;
 980             int j;
 981             double q = 0.0, sum = 0.0;
 982
 983             for (j = 0; j < filter_size; j++) {
 984                 int index    = i + j - filter_size / 2;
 985                 double d     = index - i;
 986                 double coeff = a->qblur == 0 ? 1.0 : exp(-d * d / (a->qblur * a->qblur));
 987
 988                 if (index < 0 || index >= rcc->num_entries)
 989                     continue;
 990                 if (pict_type != rcc->entry[index].new_pict_type)
 991                     continue;
 992                 q   += qscale[index] * coeff;
 993                 sum += coeff;
 994             }
 995             blurred_qscale[i] = q / sum;
 996         }
 997
 998         /* find expected bits */
 999         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1000             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
1001             double bits;
1002
1003             rce->new_qscale = modify_qscale(s, rce, blurred_qscale[i], i);
1004
1005             bits  = qp2bits(rce, rce->new_qscale) + rce->mv_bits + rce->misc_bits;
1006             bits += 8 * ff_vbv_update(s, bits);
1007
1008             rce->expected_bits = expected_bits;
1009             expected_bits     += bits;
1010         }
1011
1012         ff_dlog(s->avctx,
1013                 "expected_bits: %f all_available_bits: %d rate_factor: %f\n",
1014                 expected_bits, (int)all_available_bits, rate_factor);
1015         if (expected_bits > all_available_bits) {
1016             rate_factor -= step;
1017             ++toobig;
1018         }
1019     }
1020     av_free(qscale);
1021     av_free(blurred_qscale);
1022
1023     /* check bitrate calculations and print info */
1024     qscale_sum = 0.0;
1025     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1026         ff_dlog(s, "[lavc rc] entry[%d].new_qscale = %.3f  qp = %.3f\n",
1027                 i,
1028                 rcc->entry[i].new_qscale,
1029                 rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA);
1030         qscale_sum += av_clip(rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA,
1031                               s->avctx->qmin, s->avctx->qmax);
1032     }
1033     assert(toobig <= 40);
1034     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1035            "[lavc rc] requested bitrate: %d bps  expected bitrate: %d bps\n",
1036            s->bit_rate,
1037            (int)(expected_bits / ((double)all_available_bits / s->bit_rate)));
1038     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1039            "[lavc rc] estimated target average qp: %.3f\n",
1040            (float)qscale_sum / rcc->num_entries);
1041     if (toobig == 0) {
1042         av_log(s->avctx, AV_LOG_INFO,
1043                "[lavc rc] Using all of requested bitrate is not "
1044                "necessary for this video with these parameters.\n");
1045     } else if (toobig == 40) {
1046         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1047                "[lavc rc] Error: bitrate too low for this video "
1048                "with these parameters.\n");
1049         return -1;
1050     } else if (fabs(expected_bits / all_available_bits - 1.0) > 0.01) {
1051         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1052                "[lavc rc] Error: 2pass curve failed to converge\n");
1053         return -1;
1054     }
1055
1056     return 0;
1057 }