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