Merge commit 'e0c16e4e3259cf50b5bac4c23bb6e517f397c74b'
[ffmpeg.git] / libavcodec / ratecontrol.c
1 /*
2  * Rate control for video encoders
3  *
4  * Copyright (c) 2002-2004 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
5  *
6  * This file is part of FFmpeg.
7  *
8  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
10  * License as published by the Free Software Foundation; either
11  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
12  *
13  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
16  * Lesser General Public License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
19  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 /**
24  * @file
25  * Rate control for video encoders.
26  */
27
28 #include "libavutil/attributes.h"
29 #include "avcodec.h"
30 #include "ratecontrol.h"
31 #include "mpegutils.h"
32 #include "mpegvideo.h"
33 #include "libavutil/eval.h"
34
35 #undef NDEBUG // Always check asserts, the speed effect is far too small to disable them.
36 #include <assert.h>
37
38 #ifndef M_E
39 #define M_E 2.718281828
40 #endif
41
42 static int init_pass2(MpegEncContext *s);
43 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
44                          double rate_factor, int frame_num);
45
46 void ff_write_pass1_stats(MpegEncContext *s)
47 {
48     snprintf(s->avctx->stats_out, 256,
49              "in:%d out:%d type:%d q:%d itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d "
50              "fcode:%d bcode:%d mc-var:%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 double get_fps(AVCodecContext *avctx)
68 {
69     return 1.0 / av_q2d(avctx->time_base) / FFMAX(avctx->ticks_per_frame, 1);
70 }
71
72 static inline double qp2bits(RateControlEntry *rce, double qp)
73 {
74     if (qp <= 0.0) {
75         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "qp<=0.0\n");
76     }
77     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / qp;
78 }
79
80 static inline double bits2qp(RateControlEntry *rce, double bits)
81 {
82     if (bits < 0.9) {
83         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "bits<0.9\n");
84     }
85     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / bits;
86 }
87
88 av_cold int ff_rate_control_init(MpegEncContext *s)
89 {
90     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
91     int i, res;
92     static const char * const const_names[] = {
93         "PI",
94         "E",
95         "iTex",
96         "pTex",
97         "tex",
98         "mv",
99         "fCode",
100         "iCount",
101         "mcVar",
102         "var",
103         "isI",
104         "isP",
105         "isB",
106         "avgQP",
107         "qComp",
108 #if 0
109         "lastIQP",
110         "lastPQP",
111         "lastBQP",
112         "nextNonBQP",
113 #endif
114         "avgIITex",
115         "avgPITex",
116         "avgPPTex",
117         "avgBPTex",
118         "avgTex",
119         NULL
120     };
121     static double (* const func1[])(void *, double) = {
122         (void *)bits2qp,
123         (void *)qp2bits,
124         NULL
125     };
126     static const char * const func1_names[] = {
127         "bits2qp",
128         "qp2bits",
129         NULL
130     };
131     emms_c();
132
133     if (!s->avctx->rc_max_available_vbv_use && s->avctx->rc_buffer_size) {
134         if (s->avctx->rc_max_rate) {
135             s->avctx->rc_max_available_vbv_use = av_clipf(s->avctx->rc_max_rate/(s->avctx->rc_buffer_size*get_fps(s->avctx)), 1.0/3, 1.0);
136         } else
137             s->avctx->rc_max_available_vbv_use = 1.0;
138     }
139
140     res = av_expr_parse(&rcc->rc_eq_eval,
141                         s->avctx->rc_eq ? s->avctx->rc_eq : "tex^qComp",
142                         const_names, func1_names, func1,
143                         NULL, NULL, 0, s->avctx);
144     if (res < 0) {
145         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing rc_eq \"%s\"\n", s->avctx->rc_eq);
146         return res;
147     }
148
149     for (i = 0; i < 5; i++) {
150         rcc->pred[i].coeff = FF_QP2LAMBDA * 7.0;
151         rcc->pred[i].count = 1.0;
152         rcc->pred[i].decay = 0.4;
153
154         rcc->i_cplx_sum [i] =
155         rcc->p_cplx_sum [i] =
156         rcc->mv_bits_sum[i] =
157         rcc->qscale_sum [i] =
158         rcc->frame_count[i] = 1; // 1 is better because of 1/0 and such
159
160         rcc->last_qscale_for[i] = FF_QP2LAMBDA * 5;
161     }
162     rcc->buffer_index = s->avctx->rc_initial_buffer_occupancy;
163     if (!rcc->buffer_index)
164         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size * 3 / 4;
165
166     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
167         int i;
168         char *p;
169
170         /* find number of pics */
171         p = s->avctx->stats_in;
172         for (i = -1; p; i++)
173             p = strchr(p + 1, ';');
174         i += s->max_b_frames;
175         if (i <= 0 || i >= INT_MAX / sizeof(RateControlEntry))
176             return -1;
177         rcc->entry       = av_mallocz(i * sizeof(RateControlEntry));
178         rcc->num_entries = i;
179
180         /* init all to skipped p frames
181          * (with b frames we might have a not encoded frame at the end FIXME) */
182         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
183             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
184
185             rce->pict_type  = rce->new_pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
186             rce->qscale     = rce->new_qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
187             rce->misc_bits  = s->mb_num + 10;
188             rce->mb_var_sum = s->mb_num * 100;
189         }
190
191         /* read stats */
192         p = s->avctx->stats_in;
193         for (i = 0; i < rcc->num_entries - s->max_b_frames; i++) {
194             RateControlEntry *rce;
195             int picture_number;
196             int e;
197             char *next;
198
199             next = strchr(p, ';');
200             if (next) {
201                 (*next) = 0; // sscanf in unbelievably slow on looong strings // FIXME copy / do not write
202                 next++;
203             }
204             e = sscanf(p, " in:%d ", &picture_number);
205
206             assert(picture_number >= 0);
207             assert(picture_number < rcc->num_entries);
208             rce = &rcc->entry[picture_number];
209
210             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",
211                         &rce->pict_type, &rce->qscale, &rce->i_tex_bits, &rce->p_tex_bits,
212                         &rce->mv_bits, &rce->misc_bits,
213                         &rce->f_code, &rce->b_code,
214                         &rce->mc_mb_var_sum, &rce->mb_var_sum,
215                         &rce->i_count, &rce->skip_count, &rce->header_bits);
216             if (e != 14) {
217                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
218                        "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n",
219                        i, e);
220                 return -1;
221             }
222
223             p = next;
224         }
225
226         if (init_pass2(s) < 0)
227             return -1;
228
229         // FIXME maybe move to end
230         if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID) {
231 #if CONFIG_LIBXVID
232             return ff_xvid_rate_control_init(s);
233 #else
234             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
235                    "Xvid ratecontrol requires libavcodec compiled with Xvid support.\n");
236             return -1;
237 #endif
238         }
239     }
240
241     if (!(s->flags & CODEC_FLAG_PASS2)) {
242         rcc->short_term_qsum   = 0.001;
243         rcc->short_term_qcount = 0.001;
244
245         rcc->pass1_rc_eq_output_sum = 0.001;
246         rcc->pass1_wanted_bits      = 0.001;
247
248         if (s->avctx->qblur > 1.0) {
249             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "qblur too large\n");
250             return -1;
251         }
252         /* init stuff with the user specified complexity */
253         if (s->avctx->rc_initial_cplx) {
254             for (i = 0; i < 60 * 30; i++) {
255                 double bits = s->avctx->rc_initial_cplx * (i / 10000.0 + 1.0) * s->mb_num;
256                 RateControlEntry rce;
257
258                 if (i % ((s->gop_size + 3) / 4) == 0)
259                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
260                 else if (i % (s->max_b_frames + 1))
261                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_B;
262                 else
263                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
264
265                 rce.new_pict_type = rce.pict_type;
266                 rce.mc_mb_var_sum = bits * s->mb_num / 100000;
267                 rce.mb_var_sum    = s->mb_num;
268
269                 rce.qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
270                 rce.f_code    = 2;
271                 rce.b_code    = 1;
272                 rce.misc_bits = 1;
273
274                 if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
275                     rce.i_count    = s->mb_num;
276                     rce.i_tex_bits = bits;
277                     rce.p_tex_bits = 0;
278                     rce.mv_bits    = 0;
279                 } else {
280                     rce.i_count    = 0; // FIXME we do know this approx
281                     rce.i_tex_bits = 0;
282                     rce.p_tex_bits = bits * 0.9;
283                     rce.mv_bits    = bits * 0.1;
284                 }
285                 rcc->i_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.i_tex_bits * rce.qscale;
286                 rcc->p_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.p_tex_bits * rce.qscale;
287                 rcc->mv_bits_sum[rce.pict_type] += rce.mv_bits;
288                 rcc->frame_count[rce.pict_type]++;
289
290                 get_qscale(s, &rce, rcc->pass1_wanted_bits / rcc->pass1_rc_eq_output_sum, i);
291
292                 // FIXME misbehaves a little for variable fps
293                 rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / get_fps(s->avctx);
294             }
295         }
296     }
297
298     return 0;
299 }
300
301 av_cold void ff_rate_control_uninit(MpegEncContext *s)
302 {
303     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
304     emms_c();
305
306     av_expr_free(rcc->rc_eq_eval);
307     av_freep(&rcc->entry);
308
309 #if CONFIG_LIBXVID
310     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
311         ff_xvid_rate_control_uninit(s);
312 #endif
313 }
314
315 int ff_vbv_update(MpegEncContext *s, int frame_size)
316 {
317     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
318     const double fps        = get_fps(s->avctx);
319     const int buffer_size   = s->avctx->rc_buffer_size;
320     const double min_rate   = s->avctx->rc_min_rate / fps;
321     const double max_rate   = s->avctx->rc_max_rate / fps;
322
323     av_dlog(s, "%d %f %d %f %f\n",
324             buffer_size, rcc->buffer_index, frame_size, min_rate, max_rate);
325
326     if (buffer_size) {
327         int left;
328
329         rcc->buffer_index -= frame_size;
330         if (rcc->buffer_index < 0) {
331             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "rc buffer underflow\n");
332             if (frame_size > max_rate && s->qscale == s->avctx->qmax) {
333                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "max bitrate possibly too small or try trellis with large lmax or increase qmax\n");
334             }
335             rcc->buffer_index = 0;
336         }
337
338         left = buffer_size - rcc->buffer_index - 1;
339         rcc->buffer_index += av_clip(left, min_rate, max_rate);
340
341         if (rcc->buffer_index > buffer_size) {
342             int stuffing = ceil((rcc->buffer_index - buffer_size) / 8);
343
344             if (stuffing < 4 && s->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4)
345                 stuffing = 4;
346             rcc->buffer_index -= 8 * stuffing;
347
348             if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
349                 av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG, "stuffing %d bytes\n", stuffing);
350
351             return stuffing;
352         }
353     }
354     return 0;
355 }
356
357 /**
358  * Modify the bitrate curve from pass1 for one frame.
359  */
360 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
361                          double rate_factor, int frame_num)
362 {
363     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
364     AVCodecContext *a       = s->avctx;
365     const int pict_type     = rce->new_pict_type;
366     const double mb_num     = s->mb_num;
367     double q, bits;
368     int i;
369
370     double const_values[] = {
371         M_PI,
372         M_E,
373         rce->i_tex_bits * rce->qscale,
374         rce->p_tex_bits * rce->qscale,
375         (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) * (double)rce->qscale,
376         rce->mv_bits / mb_num,
377         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B ? (rce->f_code + rce->b_code) * 0.5 : rce->f_code,
378         rce->i_count / mb_num,
379         rce->mc_mb_var_sum / mb_num,
380         rce->mb_var_sum / mb_num,
381         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I,
382         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P,
383         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B,
384         rcc->qscale_sum[pict_type] / (double)rcc->frame_count[pict_type],
385         a->qcompress,
386 #if 0
387         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_I],
388         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P],
389         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_B],
390         rcc->next_non_b_qscale,
391 #endif
392         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_I] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_I],
393         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
394         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
395         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_B] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_B],
396         (rcc->i_cplx_sum[pict_type] + rcc->p_cplx_sum[pict_type]) / (double)rcc->frame_count[pict_type],
397         0
398     };
399
400     bits = av_expr_eval(rcc->rc_eq_eval, const_values, rce);
401     if (isnan(bits)) {
402         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error evaluating rc_eq \"%s\"\n", s->avctx->rc_eq);
403         return -1;
404     }
405
406     rcc->pass1_rc_eq_output_sum += bits;
407     bits *= rate_factor;
408     if (bits < 0.0)
409         bits = 0.0;
410     bits += 1.0; // avoid 1/0 issues
411
412     /* user override */
413     for (i = 0; i < s->avctx->rc_override_count; i++) {
414         RcOverride *rco = s->avctx->rc_override;
415         if (rco[i].start_frame > frame_num)
416             continue;
417         if (rco[i].end_frame < frame_num)
418             continue;
419
420         if (rco[i].qscale)
421             bits = qp2bits(rce, rco[i].qscale);  // FIXME move at end to really force it?
422         else
423             bits *= rco[i].quality_factor;
424     }
425
426     q = bits2qp(rce, bits);
427
428     /* I/B difference */
429     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I && s->avctx->i_quant_factor < 0.0)
430         q = -q * s->avctx->i_quant_factor + s->avctx->i_quant_offset;
431     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B && s->avctx->b_quant_factor < 0.0)
432         q = -q * s->avctx->b_quant_factor + s->avctx->b_quant_offset;
433     if (q < 1)
434         q = 1;
435
436     return q;
437 }
438
439 static double get_diff_limited_q(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce, double q)
440 {
441     RateControlContext *rcc   = &s->rc_context;
442     AVCodecContext *a         = s->avctx;
443     const int pict_type       = rce->new_pict_type;
444     const double last_p_q     = rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P];
445     const double last_non_b_q = rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
446
447     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I &&
448         (a->i_quant_factor > 0.0 || rcc->last_non_b_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P))
449         q = last_p_q * FFABS(a->i_quant_factor) + a->i_quant_offset;
450     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B &&
451              a->b_quant_factor > 0.0)
452         q = last_non_b_q * a->b_quant_factor + a->b_quant_offset;
453     if (q < 1)
454         q = 1;
455
456     /* last qscale / qdiff stuff */
457     if (rcc->last_non_b_pict_type == pict_type || pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I) {
458         double last_q     = rcc->last_qscale_for[pict_type];
459         const int maxdiff = FF_QP2LAMBDA * a->max_qdiff;
460
461         if (q > last_q + maxdiff)
462             q = last_q + maxdiff;
463         else if (q < last_q - maxdiff)
464             q = last_q - maxdiff;
465     }
466
467     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q; // Note we cannot do that after blurring
468
469     if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_B)
470         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
471
472     return q;
473 }
474
475 /**
476  * Get the qmin & qmax for pict_type.
477  */
478 static void get_qminmax(int *qmin_ret, int *qmax_ret, MpegEncContext *s, int pict_type)
479 {
480     int qmin = s->avctx->lmin;
481     int qmax = s->avctx->lmax;
482
483     assert(qmin <= qmax);
484
485     switch (pict_type) {
486     case AV_PICTURE_TYPE_B:
487         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
488         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
489         break;
490     case AV_PICTURE_TYPE_I:
491         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
492         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
493         break;
494     }
495
496     qmin = av_clip(qmin, 1, FF_LAMBDA_MAX);
497     qmax = av_clip(qmax, 1, FF_LAMBDA_MAX);
498
499     if (qmax < qmin)
500         qmax = qmin;
501
502     *qmin_ret = qmin;
503     *qmax_ret = qmax;
504 }
505
506 static double modify_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
507                             double q, int frame_num)
508 {
509     RateControlContext *rcc  = &s->rc_context;
510     const double buffer_size = s->avctx->rc_buffer_size;
511     const double fps         = get_fps(s->avctx);
512     const double min_rate    = s->avctx->rc_min_rate / fps;
513     const double max_rate    = s->avctx->rc_max_rate / fps;
514     const int pict_type      = rce->new_pict_type;
515     int qmin, qmax;
516
517     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
518
519     /* modulation */
520     if (s->avctx->rc_qmod_freq &&
521         frame_num % s->avctx->rc_qmod_freq == 0 &&
522         pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P)
523         q *= s->avctx->rc_qmod_amp;
524
525     /* buffer overflow/underflow protection */
526     if (buffer_size) {
527         double expected_size = rcc->buffer_index;
528         double q_limit;
529
530         if (min_rate) {
531             double d = 2 * (buffer_size - expected_size) / buffer_size;
532             if (d > 1.0)
533                 d = 1.0;
534             else if (d < 0.0001)
535                 d = 0.0001;
536             q *= pow(d, 1.0 / s->avctx->rc_buffer_aggressivity);
537
538             q_limit = bits2qp(rce,
539                               FFMAX((min_rate - buffer_size + rcc->buffer_index) *
540                                     s->avctx->rc_min_vbv_overflow_use, 1));
541
542             if (q > q_limit) {
543                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
544                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
545                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
546                 q = q_limit;
547             }
548         }
549
550         if (max_rate) {
551             double d = 2 * expected_size / buffer_size;
552             if (d > 1.0)
553                 d = 1.0;
554             else if (d < 0.0001)
555                 d = 0.0001;
556             q /= pow(d, 1.0 / s->avctx->rc_buffer_aggressivity);
557
558             q_limit = bits2qp(rce,
559                               FFMAX(rcc->buffer_index *
560                                     s->avctx->rc_max_available_vbv_use,
561                                     1));
562             if (q < q_limit) {
563                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
564                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
565                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
566                 q = q_limit;
567             }
568         }
569     }
570     av_dlog(s, "q:%f max:%f min:%f size:%f index:%f agr:%f\n",
571             q, max_rate, min_rate, buffer_size, rcc->buffer_index,
572             s->avctx->rc_buffer_aggressivity);
573     if (s->avctx->rc_qsquish == 0.0 || qmin == qmax) {
574         if (q < qmin)
575             q = qmin;
576         else if (q > qmax)
577             q = qmax;
578     } else {
579         double min2 = log(qmin);
580         double max2 = log(qmax);
581
582         q  = log(q);
583         q  = (q - min2) / (max2 - min2) - 0.5;
584         q *= -4.0;
585         q  = 1.0 / (1.0 + exp(q));
586         q  = q * (max2 - min2) + min2;
587
588         q = exp(q);
589     }
590
591     return q;
592 }
593
594 // ----------------------------------
595 // 1 Pass Code
596
597 static double predict_size(Predictor *p, double q, double var)
598 {
599     return p->coeff * var / (q * p->count);
600 }
601
602 static void update_predictor(Predictor *p, double q, double var, double size)
603 {
604     double new_coeff = size * q / (var + 1);
605     if (var < 10)
606         return;
607
608     p->count *= p->decay;
609     p->coeff *= p->decay;
610     p->count++;
611     p->coeff += new_coeff;
612 }
613
614 static void adaptive_quantization(MpegEncContext *s, double q)
615 {
616     int i;
617     const float lumi_masking         = s->avctx->lumi_masking / (128.0 * 128.0);
618     const float dark_masking         = s->avctx->dark_masking / (128.0 * 128.0);
619     const float temp_cplx_masking    = s->avctx->temporal_cplx_masking;
620     const float spatial_cplx_masking = s->avctx->spatial_cplx_masking;
621     const float p_masking            = s->avctx->p_masking;
622     const float border_masking       = s->avctx->border_masking;
623     float bits_sum                   = 0.0;
624     float cplx_sum                   = 0.0;
625     float *cplx_tab                  = s->cplx_tab;
626     float *bits_tab                  = s->bits_tab;
627     const int qmin                   = s->avctx->mb_lmin;
628     const int qmax                   = s->avctx->mb_lmax;
629     Picture *const pic               = &s->current_picture;
630     const int mb_width               = s->mb_width;
631     const int mb_height              = s->mb_height;
632
633     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
634         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
635         float temp_cplx = sqrt(pic->mc_mb_var[mb_xy]); // FIXME merge in pow()
636         float spat_cplx = sqrt(pic->mb_var[mb_xy]);
637         const int lumi  = pic->mb_mean[mb_xy];
638         float bits, cplx, factor;
639         int mb_x = mb_xy % s->mb_stride;
640         int mb_y = mb_xy / s->mb_stride;
641         int mb_distance;
642         float mb_factor = 0.0;
643         if (spat_cplx < 4)
644             spat_cplx = 4;              // FIXME finetune
645         if (temp_cplx < 4)
646             temp_cplx = 4;              // FIXME finetune
647
648         if ((s->mb_type[mb_xy] & CANDIDATE_MB_TYPE_INTRA)) { // FIXME hq mode
649             cplx   = spat_cplx;
650             factor = 1.0 + p_masking;
651         } else {
652             cplx   = temp_cplx;
653             factor = pow(temp_cplx, -temp_cplx_masking);
654         }
655         factor *= pow(spat_cplx, -spatial_cplx_masking);
656
657         if (lumi > 127)
658             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * lumi_masking);
659         else
660             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * dark_masking);
661
662         if (mb_x < mb_width / 5) {
663             mb_distance = mb_width / 5 - mb_x;
664             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
665         } else if (mb_x > 4 * mb_width / 5) {
666             mb_distance = mb_x - 4 * mb_width / 5;
667             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
668         }
669         if (mb_y < mb_height / 5) {
670             mb_distance = mb_height / 5 - mb_y;
671             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
672                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
673         } else if (mb_y > 4 * mb_height / 5) {
674             mb_distance = mb_y - 4 * mb_height / 5;
675             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
676                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
677         }
678
679         factor *= 1.0 - border_masking * mb_factor;
680
681         if (factor < 0.00001)
682             factor = 0.00001;
683
684         bits        = cplx * factor;
685         cplx_sum   += cplx;
686         bits_sum   += bits;
687         cplx_tab[i] = cplx;
688         bits_tab[i] = bits;
689     }
690
691     /* handle qmin/qmax clipping */
692     if (s->flags & CODEC_FLAG_NORMALIZE_AQP) {
693         float factor = bits_sum / cplx_sum;
694         for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
695             float newq = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
696             newq *= factor;
697
698             if (newq > qmax) {
699                 bits_sum -= bits_tab[i];
700                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmax;
701             } else if (newq < qmin) {
702                 bits_sum -= bits_tab[i];
703                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmin;
704             }
705         }
706         if (bits_sum < 0.001)
707             bits_sum = 0.001;
708         if (cplx_sum < 0.001)
709             cplx_sum = 0.001;
710     }
711
712     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
713         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
714         float newq      = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
715         int intq;
716
717         if (s->flags & CODEC_FLAG_NORMALIZE_AQP) {
718             newq *= bits_sum / cplx_sum;
719         }
720
721         intq = (int)(newq + 0.5);
722
723         if (intq > qmax)
724             intq = qmax;
725         else if (intq < qmin)
726             intq = qmin;
727         s->lambda_table[mb_xy] = intq;
728     }
729 }
730
731 void ff_get_2pass_fcode(MpegEncContext *s)
732 {
733     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
734     RateControlEntry *rce   = &rcc->entry[s->picture_number];
735
736     s->f_code = rce->f_code;
737     s->b_code = rce->b_code;
738 }
739
740 // FIXME rd or at least approx for dquant
741
742 float ff_rate_estimate_qscale(MpegEncContext *s, int dry_run)
743 {
744     float q;
745     int qmin, qmax;
746     float br_compensation;
747     double diff;
748     double short_term_q;
749     double fps;
750     int picture_number = s->picture_number;
751     int64_t wanted_bits;
752     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
753     AVCodecContext *a       = s->avctx;
754     RateControlEntry local_rce, *rce;
755     double bits;
756     double rate_factor;
757     int var;
758     const int pict_type = s->pict_type;
759     Picture * const pic = &s->current_picture;
760     emms_c();
761
762 #if CONFIG_LIBXVID
763     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) &&
764         s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
765         return ff_xvid_rate_estimate_qscale(s, dry_run);
766 #endif
767
768     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
769
770     fps = get_fps(s->avctx);
771     /* update predictors */
772     if (picture_number > 2 && !dry_run) {
773         const int last_var = s->last_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? rcc->last_mb_var_sum
774                                                                     : rcc->last_mc_mb_var_sum;
775         av_assert1(s->frame_bits >= s->stuffing_bits);
776         update_predictor(&rcc->pred[s->last_pict_type],
777                          rcc->last_qscale,
778                          sqrt(last_var),
779                          s->frame_bits - s->stuffing_bits);
780     }
781
782     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
783         assert(picture_number >= 0);
784         if (picture_number >= rcc->num_entries) {
785             av_log(s, AV_LOG_ERROR, "Input is longer than 2-pass log file\n");
786             return -1;
787         }
788         rce         = &rcc->entry[picture_number];
789         wanted_bits = rce->expected_bits;
790     } else {
791         Picture *dts_pic;
792         rce = &local_rce;
793
794         /* FIXME add a dts field to AVFrame and ensure it is set and use it
795          * here instead of reordering but the reordering is simpler for now
796          * until H.264 B-pyramid must be handled. */
797         if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B || s->low_delay)
798             dts_pic = s->current_picture_ptr;
799         else
800             dts_pic = s->last_picture_ptr;
801
802         if (!dts_pic || dts_pic->f.pts == AV_NOPTS_VALUE)
803             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)picture_number / fps);
804         else
805             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)dts_pic->f.pts / fps);
806     }
807
808     diff = s->total_bits - wanted_bits;
809     br_compensation = (a->bit_rate_tolerance - diff) / a->bit_rate_tolerance;
810     if (br_compensation <= 0.0)
811         br_compensation = 0.001;
812
813     var = pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? pic->mb_var_sum : pic->mc_mb_var_sum;
814
815     short_term_q = 0; /* avoid warning */
816     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
817         if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I)
818             assert(pict_type == rce->new_pict_type);
819
820         q = rce->new_qscale / br_compensation;
821         av_dlog(s, "%f %f %f last:%d var:%d type:%d//\n", q, rce->new_qscale,
822                 br_compensation, s->frame_bits, var, pict_type);
823     } else {
824         rce->pict_type     =
825         rce->new_pict_type = pict_type;
826         rce->mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
827         rce->mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
828         rce->qscale        = FF_QP2LAMBDA * 2;
829         rce->f_code        = s->f_code;
830         rce->b_code        = s->b_code;
831         rce->misc_bits     = 1;
832
833         bits = predict_size(&rcc->pred[pict_type], rce->qscale, sqrt(var));
834         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
835             rce->i_count    = s->mb_num;
836             rce->i_tex_bits = bits;
837             rce->p_tex_bits = 0;
838             rce->mv_bits    = 0;
839         } else {
840             rce->i_count    = 0;    // FIXME we do know this approx
841             rce->i_tex_bits = 0;
842             rce->p_tex_bits = bits * 0.9;
843             rce->mv_bits    = bits * 0.1;
844         }
845         rcc->i_cplx_sum[pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
846         rcc->p_cplx_sum[pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
847         rcc->mv_bits_sum[pict_type] += rce->mv_bits;
848         rcc->frame_count[pict_type]++;
849
850         bits        = rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits;
851         rate_factor = rcc->pass1_wanted_bits /
852                       rcc->pass1_rc_eq_output_sum * br_compensation;
853
854         q = get_qscale(s, rce, rate_factor, picture_number);
855         if (q < 0)
856             return -1;
857
858         assert(q > 0.0);
859         q = get_diff_limited_q(s, rce, q);
860         assert(q > 0.0);
861
862         // FIXME type dependent blur like in 2-pass
863         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P || s->intra_only) {
864             rcc->short_term_qsum   *= a->qblur;
865             rcc->short_term_qcount *= a->qblur;
866
867             rcc->short_term_qsum += q;
868             rcc->short_term_qcount++;
869             q = short_term_q = rcc->short_term_qsum / rcc->short_term_qcount;
870         }
871         assert(q > 0.0);
872
873         q = modify_qscale(s, rce, q, picture_number);
874
875         rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / fps;
876
877         assert(q > 0.0);
878     }
879
880     if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC) {
881         av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
882                "%c qp:%d<%2.1f<%d %d want:%d total:%d comp:%f st_q:%2.2f "
883                "size:%d var:%d/%d br:%d fps:%d\n",
884                av_get_picture_type_char(pict_type),
885                qmin, q, qmax, picture_number,
886                (int)wanted_bits / 1000, (int)s->total_bits / 1000,
887                br_compensation, short_term_q, s->frame_bits,
888                pic->mb_var_sum, pic->mc_mb_var_sum,
889                s->bit_rate / 1000, (int)fps);
890     }
891
892     if (q < qmin)
893         q = qmin;
894     else if (q > qmax)
895         q = qmax;
896
897     if (s->adaptive_quant)
898         adaptive_quantization(s, q);
899     else
900         q = (int)(q + 0.5);
901
902     if (!dry_run) {
903         rcc->last_qscale        = q;
904         rcc->last_mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
905         rcc->last_mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
906     }
907     return q;
908 }
909
910 // ----------------------------------------------
911 // 2-Pass code
912
913 static int init_pass2(MpegEncContext *s)
914 {
915     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
916     AVCodecContext *a       = s->avctx;
917     int i, toobig;
918     double fps             = get_fps(s->avctx);
919     double complexity[5]   = { 0 }; // approximate bits at quant=1
920     uint64_t const_bits[5] = { 0 }; // quantizer independent bits
921     uint64_t all_const_bits;
922     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(s->bit_rate *
923                                              (double)rcc->num_entries / fps);
924     double rate_factor          = 0;
925     double step;
926     const int filter_size = (int)(a->qblur * 4) | 1;
927     double expected_bits = 0; // init to silence gcc warning
928     double *qscale, *blurred_qscale, qscale_sum;
929
930     /* find complexity & const_bits & decide the pict_types */
931     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
932         RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
933
934         rce->new_pict_type                = rce->pict_type;
935         rcc->i_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
936         rcc->p_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
937         rcc->mv_bits_sum[rce->pict_type] += rce->mv_bits;
938         rcc->frame_count[rce->pict_type]++;
939
940         complexity[rce->new_pict_type] += (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) *
941                                           (double)rce->qscale;
942         const_bits[rce->new_pict_type] += rce->mv_bits + rce->misc_bits;
943     }
944
945     all_const_bits = const_bits[AV_PICTURE_TYPE_I] +
946                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_P] +
947                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_B];
948
949     if (all_available_bits < all_const_bits) {
950         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low\n");
951         return -1;
952     }
953
954     qscale         = av_malloc(sizeof(double) * rcc->num_entries);
955     blurred_qscale = av_malloc(sizeof(double) * rcc->num_entries);
956     toobig = 0;
957
958     for (step = 256 * 256; step > 0.0000001; step *= 0.5) {
959         expected_bits = 0;
960         rate_factor  += step;
961
962         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size / 2;
963
964         /* find qscale */
965         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
966             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
967
968             qscale[i] = get_qscale(s, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
969             rcc->last_qscale_for[rce->pict_type] = qscale[i];
970         }
971         assert(filter_size % 2 == 1);
972
973         /* fixed I/B QP relative to P mode */
974         for (i = FFMAX(0, rcc->num_entries - 300); i < rcc->num_entries; i++) {
975             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
976
977             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
978         }
979
980         for (i = rcc->num_entries - 1; i >= 0; i--) {
981             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
982
983             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
984         }
985
986         /* smooth curve */
987         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
988             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
989             const int pict_type   = rce->new_pict_type;
990             int j;
991             double q = 0.0, sum = 0.0;
992
993             for (j = 0; j < filter_size; j++) {
994                 int index    = i + j - filter_size / 2;
995                 double d     = index - i;
996                 double coeff = a->qblur == 0 ? 1.0 : exp(-d * d / (a->qblur * a->qblur));
997
998                 if (index < 0 || index >= rcc->num_entries)
999                     continue;
1000                 if (pict_type != rcc->entry[index].new_pict_type)
1001                     continue;
1002                 q   += qscale[index] * coeff;
1003                 sum += coeff;
1004             }
1005             blurred_qscale[i] = q / sum;
1006         }
1007
1008         /* find expected bits */
1009         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1010             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
1011             double bits;
1012
1013             rce->new_qscale = modify_qscale(s, rce, blurred_qscale[i], i);
1014
1015             bits  = qp2bits(rce, rce->new_qscale) + rce->mv_bits + rce->misc_bits;
1016             bits += 8 * ff_vbv_update(s, bits);
1017
1018             rce->expected_bits = expected_bits;
1019             expected_bits     += bits;
1020         }
1021
1022         av_dlog(s->avctx,
1023                 "expected_bits: %f all_available_bits: %d rate_factor: %f\n",
1024                 expected_bits, (int)all_available_bits, rate_factor);
1025         if (expected_bits > all_available_bits) {
1026             rate_factor -= step;
1027             ++toobig;
1028         }
1029     }
1030     av_free(qscale);
1031     av_free(blurred_qscale);
1032
1033     /* check bitrate calculations and print info */
1034     qscale_sum = 0.0;
1035     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1036         av_dlog(s, "[lavc rc] entry[%d].new_qscale = %.3f  qp = %.3f\n",
1037                 i,
1038                 rcc->entry[i].new_qscale,
1039                 rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA);
1040         qscale_sum += av_clip(rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA,
1041                               s->avctx->qmin, s->avctx->qmax);
1042     }
1043     assert(toobig <= 40);
1044     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1045            "[lavc rc] requested bitrate: %d bps  expected bitrate: %d bps\n",
1046            s->bit_rate,
1047            (int)(expected_bits / ((double)all_available_bits / s->bit_rate)));
1048     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1049            "[lavc rc] estimated target average qp: %.3f\n",
1050            (float)qscale_sum / rcc->num_entries);
1051     if (toobig == 0) {
1052         av_log(s->avctx, AV_LOG_INFO,
1053                "[lavc rc] Using all of requested bitrate is not "
1054                "necessary for this video with these parameters.\n");
1055     } else if (toobig == 40) {
1056         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1057                "[lavc rc] Error: bitrate too low for this video "
1058                "with these parameters.\n");
1059         return -1;
1060     } else if (fabs(expected_bits / all_available_bits - 1.0) > 0.01) {
1061         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1062                "[lavc rc] Error: 2pass curve failed to converge\n");
1063         return -1;
1064     }
1065
1066     return 0;
1067 }