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