]> git.sesse.net Git - nageru/blobdiff - x264_speed_control.cpp
Implement x264 speedcontrol.
[nageru] / x264_speed_control.cpp
diff --git a/x264_speed_control.cpp b/x264_speed_control.cpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..3ed3ece
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,313 @@
+#include "x264_speed_control.h"
+
+#include "flags.h"
+
+#include <time.h>
+
+#include <algorithm>
+
+using namespace std;
+
+X264SpeedControl::X264SpeedControl(x264_t *x264, float f_speed, int i_buffer_size, float f_buffer_init)
+       : x264(x264), f_speed(f_speed)
+{
+       x264_param_t param;
+       x264_encoder_parameters(x264, &param);
+
+       float fps = (float)param.i_fps_num / param.i_fps_den;
+       uspf = 1e6 / fps;
+       set_buffer_size(i_buffer_size);
+       buffer_fill = buffer_size * f_buffer_init;
+       buffer_fill = max<int64_t>(buffer_fill, uspf);
+       buffer_fill = min(buffer_fill, buffer_size);
+       timestamp = mdate();
+       preset = -1;
+       cplx_num = 3e3; //FIXME estimate initial complexity
+       cplx_den = .1;
+       stat.min_buffer = buffer_size;
+       stat.max_buffer = 0;
+}
+
+X264SpeedControl::~X264SpeedControl()
+{
+       fprintf(stderr, "speedcontrol: avg preset=%.3f  buffer min=%.3f max=%.3f\n",
+               stat.avg_preset / stat.den,
+               (float)stat.min_buffer / buffer_size,
+               (float)stat.max_buffer / buffer_size );
+       //  x264_log( x264, X264_LOG_INFO, "speedcontrol: avg cplx=%.5f\n", cplx_num / cplx_den );
+}
+
+typedef struct
+{
+       float time; // relative encoding time, compared to the other presets
+       int subme;
+       int me;
+       int refs;
+       int mix;
+       int trellis;
+       int partitions;
+       int badapt;
+       int bframes;
+       int direct;
+       int merange;
+} sc_preset_t;
+
+// The actual presets, including the equivalent commandline options. Note that
+// all presets are benchmarked with --weightp 1 --mbtree --rc-lookahead 20
+// on top of the given settings (equivalent settings to the "faster" preset).
+// Timings and SSIM measurements were done on a quadcore Haswell i5 3.2 GHz
+// on the first 1000 frames of "Tears of Steel" in 1080p.
+//
+// Note that the two first and the two last are also used for extrapolation
+// should the desired time be outside the range. Thus, it is disadvantageous if
+// they are chosen so that the timings are too close to each other.
+#define SC_PRESETS 26
+static const sc_preset_t presets[SC_PRESETS] = {
+#define I4 X264_ANALYSE_I4x4
+#define I8 X264_ANALYSE_I8x8
+#define P4 X264_ANALYSE_PSUB8x8
+#define P8 X264_ANALYSE_PSUB16x16
+#define B8 X264_ANALYSE_BSUB16x16
+       // Preset 0: 14.179db, --preset superfast --b-adapt 0 --bframes 0
+       { .time= 1.000, .subme=1, .me=X264_ME_DIA, .refs=1, .mix=0, .trellis=0, .partitions=I8|I4, .badapt=0, .bframes=0, .direct=0, .merange=16 },
+
+       // Preset 1: 14.459db, --preset superfast
+       { .time= 1.283, .subme=1, .me=X264_ME_DIA, .refs=1, .mix=0, .trellis=0, .partitions=I8|I4, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 2: 14.761db, --preset superfast --subme 2
+       { .time= 1.603, .subme=2, .me=X264_ME_DIA, .refs=1, .mix=0, .trellis=0, .partitions=I8|I4, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 3: 15.543db, --preset veryfast
+       { .time= 1.843, .subme=2, .me=X264_ME_HEX, .refs=1, .mix=0, .trellis=0, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 4: 15.716db, --preset veryfast --subme 3
+       { .time= 2.452, .subme=3, .me=X264_ME_HEX, .refs=1, .mix=0, .trellis=0, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 5: 15.786db, --preset veryfast --subme 3 --ref 2
+       { .time= 2.733, .subme=3, .me=X264_ME_HEX, .refs=2, .mix=0, .trellis=0, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 6: 15.813db, --preset veryfast --subme 4 --ref 2
+       { .time= 3.085, .subme=4, .me=X264_ME_HEX, .refs=2, .mix=0, .trellis=0, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 7: 15.849db, --preset faster
+       { .time= 3.101, .subme=4, .me=X264_ME_HEX, .refs=2, .mix=0, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 8: 15.857db, --preset faster --mixed-refs
+       { .time= 3.284, .subme=4, .me=X264_ME_HEX, .refs=2, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 9: 15.869db, --preset faster --mixed-refs --subme 5
+       { .time= 3.587, .subme=5, .me=X264_ME_HEX, .refs=2, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 10: 16.051db, --preset fast
+       { .time= 3.947, .subme=6, .me=X264_ME_HEX, .refs=2, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 11: 16.356db, --preset fast --subme 7
+       { .time= 4.041, .subme=7, .me=X264_ME_HEX, .refs=2, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 12: 16.418db, --preset fast --subme 7 --ref 3
+       { .time= 4.406, .subme=7, .me=X264_ME_HEX, .refs=3, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 13: 16.460db, --preset medium
+       { .time= 4.707, .subme=7, .me=X264_ME_HEX, .refs=3, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 14: 16.517db, --preset medium --subme 8
+       { .time= 5.133, .subme=8, .me=X264_ME_HEX, .refs=3, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 15: 16.523db, --preset medium --subme 8 --me umh
+       { .time= 6.050, .subme=8, .me=X264_ME_UMH, .refs=3, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=1, .bframes=3, .direct=1, .merange=16 },
+
+       // Preset 16: 16.543db, --preset medium --subme 8 --me umh --direct auto --b-adapt 2
+       { .time= 6.849, .subme=8, .me=X264_ME_UMH, .refs=3, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 17: 16.613db, --preset slow
+       { .time= 8.042, .subme=8, .me=X264_ME_UMH, .refs=5, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 18: 16.641db, --preset slow --subme 9
+       { .time= 8.972, .subme=9, .me=X264_ME_UMH, .refs=5, .mix=1, .trellis=1, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 19: 16.895db, --preset slow --subme 9 --trellis 2
+       { .time=10.073, .subme=9, .me=X264_ME_UMH, .refs=5, .mix=1, .trellis=2, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 20: 16.918db, --preset slow --subme 9 --trellis 2 --ref 6
+       { .time=11.147, .subme=9, .me=X264_ME_UMH, .refs=6, .mix=1, .trellis=2, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 21: 16.934db, --preset slow --subme 9 --trellis 2 --ref 7
+       { .time=12.267, .subme=9, .me=X264_ME_UMH, .refs=7, .mix=1, .trellis=2, .partitions=I8|I4|P8|B8, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 22: 16.948db, --preset slower
+       { .time=13.829, .subme=9, .me=X264_ME_UMH, .refs=8, .mix=1, .trellis=2, .partitions=I8|I4|P8|B8|P4, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 23: 17.058db, --preset slower --subme 10
+       { .time=14.831, .subme=10, .me=X264_ME_UMH, .refs=8, .mix=1, .trellis=2, .partitions=I8|I4|P8|B8|P4, .badapt=2, .bframes=3, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 24: 17.268db, --preset slower --subme 10 --bframes 8
+       { .time=18.705, .subme=10, .me=X264_ME_UMH, .refs=8, .mix=1, .trellis=2, .partitions=I8|I4|P8|B8|P4, .badapt=2, .bframes=8, .direct=3, .merange=16 },
+
+       // Preset 25: 17.297db, --preset veryslow
+       { .time=31.419, .subme=10, .me=X264_ME_UMH, .refs=16, .mix=1, .trellis=2, .partitions=I8|I4|P8|B8|P4, .badapt=2, .bframes=8, .direct=3, .merange=24 },
+#undef I4
+#undef I8
+#undef P4
+#undef P8
+#undef B8
+};
+
+void X264SpeedControl::before_frame(float new_buffer_fill, int new_buffer_size, float new_uspf)
+{
+       if (new_uspf > 0.0) {
+               uspf = new_uspf;
+       }
+       if (new_buffer_size) {
+               set_buffer_size(new_buffer_size);
+       }
+       buffer_fill = buffer_size * new_buffer_fill;
+
+       int64_t t, delta_t;
+
+       // update buffer state after encoding and outputting the previous frame(s)
+       if (first) {
+               t = timestamp = mdate();
+               first = false;
+       } else {
+               t = mdate();
+       }
+
+       delta_t = t - timestamp;
+       timestamp = t;
+
+       // update the time predictor
+       int cpu_time = cpu_time_last_frame;
+       cplx_num *= cplx_decay;
+       cplx_den *= cplx_decay;
+       cplx_num += cpu_time / presets[preset].time;
+       ++cplx_den;
+
+       stat.avg_preset += preset;
+       ++stat.den;
+
+       stat.min_buffer = min(buffer_fill, stat.min_buffer);
+       stat.max_buffer = max(buffer_fill, stat.max_buffer);
+
+       if (buffer_fill >= buffer_size) { // oops, cpu was idle
+               // not really an error, but we'll warn for debugging purposes
+               static int64_t idle_t = 0, print_interval = 0;
+               idle_t += buffer_fill - buffer_size;
+               if (t - print_interval > 1e6) {
+                       //fprintf(stderr, "speedcontrol idle (%.6f sec)\n", idle_t/1e6);
+                       print_interval = t;
+                       idle_t = 0;
+               }
+               buffer_fill = buffer_size;
+       } else if (buffer_fill <= 0) {  // oops, we're late
+               // fprintf(stderr, "speedcontrol underflow (%.6f sec)\n", buffer_fill/1e6);
+       }
+
+       {
+               // Pick the preset that should return the buffer to 3/4-full within a time
+               // specified by compensation_period.
+               //
+               // NOTE: This doesn't actually do that, at least assuming the same target is
+               // chosen for every frame; exactly what it does is unclear to me. It seems
+               // to consistently undershoot a bit, so it needs to be saved by the second
+               // predictor below. However, fixing the formula seems to yield somewhat less
+               // stable results in practice; in particular, once the buffer is half-full
+               // or so, it would give us a negative target. Perhaps increasing
+               // compensation_period would be a good idea, but initial (very brief) tests
+               // did not yield good results.
+               float target = uspf / f_speed
+                       * (buffer_fill + compensation_period)
+                       / (buffer_size*3/4 + compensation_period);
+               float cplx = cplx_num / cplx_den;
+               float set, t0, t1;
+               float filled = (float) buffer_fill / buffer_size;
+               int i;
+               t0 = presets[0].time * cplx;
+               for (i = 1; ; i++) {
+                       t1 = presets[i].time * cplx;
+                       if (t1 >= target || i == SC_PRESETS - 1)
+                               break;
+                       t0 = t1;
+               }
+               // exponential interpolation between states
+               set = i-1 + (log(target) - log(t0)) / (log(t1) - log(t0));
+               set = max<float>(set, -5);
+               set = min<float>(set, (SC_PRESETS-1) + 5);
+               // Even if our time estimations in the SC_PRESETS array are off
+               // this will push us towards our target fullness
+               float s1 = set;
+               set += (40 * (filled-0.75));
+               float s2 = (40 * (filled-0.75));
+               set = min<float>(max<float>(set, 0), SC_PRESETS - 1);
+               apply_preset(dither_preset(set));
+
+               if (global_flags.x264_speedcontrol_verbose) {
+                       static float cpu, wall, tgt, den;
+                       const float decay = 1-1/100.;
+                       cpu = cpu*decay + cpu_time_last_frame;
+                       wall = wall*decay + delta_t;
+                       tgt = tgt*decay + target;
+                       den = den*decay + 1;
+                       fprintf(stderr, "speed: %.2f+%.2f %d[%.5f] (t/c/w: %6.0f/%6.0f/%6.0f = %.4f) fps=%.2f\r",
+                                       s1, s2, preset, (float)buffer_fill / buffer_size,
+                                       tgt/den, cpu/den, wall/den, cpu/wall, 1e6*den/wall );
+               }
+       }
+
+}
+
+void X264SpeedControl::after_frame()
+{
+       cpu_time_last_frame = mdate() - timestamp;
+}
+
+void X264SpeedControl::set_buffer_size(int new_buffer_size)
+{
+       new_buffer_size = max(3, new_buffer_size);
+       buffer_size = new_buffer_size * uspf;
+       cplx_decay = 1 - 1./new_buffer_size;
+       compensation_period = buffer_size/4;
+}
+
+int X264SpeedControl::dither_preset(float f)
+{
+       int i = f;
+       if (f < 0) {
+               i--;
+       }
+       dither += f - i;
+       if (dither >= 1.0) {
+               dither--;
+               i++;
+       }
+       return i;
+}
+
+void X264SpeedControl::apply_preset(int new_preset)
+{
+       new_preset = max(new_preset, 0);
+       new_preset = min(new_preset, SC_PRESETS - 1);
+
+       const sc_preset_t *s = &presets[new_preset];
+       x264_param_t p;
+       x264_encoder_parameters(x264, &p);
+
+       p.i_frame_reference = s->refs;
+       p.i_bframe_adaptive = s->badapt;
+       p.i_bframe = s->bframes;
+       p.analyse.inter = s->partitions;
+       p.analyse.i_subpel_refine = s->subme;
+       p.analyse.i_me_method = s->me;
+       p.analyse.i_trellis = s->trellis;
+       p.analyse.b_mixed_references = s->mix;
+       p.analyse.i_direct_mv_pred = s->direct;
+       p.analyse.i_me_range = s->merange;
+       x264_encoder_reconfig(x264, &p);
+       preset = new_preset;
+}
+
+int64_t X264SpeedControl::mdate()
+{
+       timespec now;
+       clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &now);
+       return now.tv_sec * 1000000 + now.tv_nsec / 1000;
+}