Remove unnecessary dsputil.h #includes
[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 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 "avcodec.h"
29 #include "ratecontrol.h"
30 #include "mpegvideo.h"
31 #include "libavutil/eval.h"
32
33 #undef NDEBUG // Always check asserts, the speed effect is far too small to disable them.
34 #include <assert.h>
35
36 #ifndef M_E
37 #define M_E 2.718281828
38 #endif
39
40 static int init_pass2(MpegEncContext *s);
41 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
42                          double rate_factor, int frame_num);
43
44 void ff_write_pass1_stats(MpegEncContext *s)
45 {
46     snprintf(s->avctx->stats_out, 256,
47              "in:%d out:%d type:%d q:%d itex:%d ptex:%d mv:%d misc:%d "
48              "fcode:%d bcode:%d mc-var:%d var:%d icount:%d skipcount:%d hbits:%d;\n",
49              s->current_picture_ptr->f.display_picture_number,
50              s->current_picture_ptr->f.coded_picture_number,
51              s->pict_type,
52              s->current_picture.f.quality,
53              s->i_tex_bits,
54              s->p_tex_bits,
55              s->mv_bits,
56              s->misc_bits,
57              s->f_code,
58              s->b_code,
59              s->current_picture.mc_mb_var_sum,
60              s->current_picture.mb_var_sum,
61              s->i_count, s->skip_count,
62              s->header_bits);
63 }
64
65 static inline double qp2bits(RateControlEntry *rce, double qp)
66 {
67     if (qp <= 0.0) {
68         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "qp<=0.0\n");
69     }
70     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / qp;
71 }
72
73 static inline double bits2qp(RateControlEntry *rce, double bits)
74 {
75     if (bits < 0.9) {
76         av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "bits<0.9\n");
77     }
78     return rce->qscale * (double)(rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits + 1) / bits;
79 }
80
81 int ff_rate_control_init(MpegEncContext *s)
82 {
83     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
84     int i, res;
85     static const char * const const_names[] = {
86         "PI",
87         "E",
88         "iTex",
89         "pTex",
90         "tex",
91         "mv",
92         "fCode",
93         "iCount",
94         "mcVar",
95         "var",
96         "isI",
97         "isP",
98         "isB",
99         "avgQP",
100         "qComp",
101 #if 0
102         "lastIQP",
103         "lastPQP",
104         "lastBQP",
105         "nextNonBQP",
106 #endif
107         "avgIITex",
108         "avgPITex",
109         "avgPPTex",
110         "avgBPTex",
111         "avgTex",
112         NULL
113     };
114     static double (* const func1[])(void *, double) = {
115         (void *)bits2qp,
116         (void *)qp2bits,
117         NULL
118     };
119     static const char * const func1_names[] = {
120         "bits2qp",
121         "qp2bits",
122         NULL
123     };
124     emms_c();
125
126     res = av_expr_parse(&rcc->rc_eq_eval,
127                         s->avctx->rc_eq ? s->avctx->rc_eq : "tex^qComp",
128                         const_names, func1_names, func1,
129                         NULL, NULL, 0, s->avctx);
130     if (res < 0) {
131         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error parsing rc_eq \"%s\"\n", s->avctx->rc_eq);
132         return res;
133     }
134
135     for (i = 0; i < 5; i++) {
136         rcc->pred[i].coeff = FF_QP2LAMBDA * 7.0;
137         rcc->pred[i].count = 1.0;
138         rcc->pred[i].decay = 0.4;
139
140         rcc->i_cplx_sum [i] =
141         rcc->p_cplx_sum [i] =
142         rcc->mv_bits_sum[i] =
143         rcc->qscale_sum [i] =
144         rcc->frame_count[i] = 1; // 1 is better because of 1/0 and such
145
146         rcc->last_qscale_for[i] = FF_QP2LAMBDA * 5;
147     }
148     rcc->buffer_index = s->avctx->rc_initial_buffer_occupancy;
149
150     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
151         int i;
152         char *p;
153
154         /* find number of pics */
155         p = s->avctx->stats_in;
156         for (i = -1; p; i++)
157             p = strchr(p + 1, ';');
158         i += s->max_b_frames;
159         if (i <= 0 || i >= INT_MAX / sizeof(RateControlEntry))
160             return -1;
161         rcc->entry       = av_mallocz(i * sizeof(RateControlEntry));
162         rcc->num_entries = i;
163
164         /* init all to skipped p frames
165          * (with b frames we might have a not encoded frame at the end FIXME) */
166         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
167             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
168
169             rce->pict_type  = rce->new_pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
170             rce->qscale     = rce->new_qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
171             rce->misc_bits  = s->mb_num + 10;
172             rce->mb_var_sum = s->mb_num * 100;
173         }
174
175         /* read stats */
176         p = s->avctx->stats_in;
177         for (i = 0; i < rcc->num_entries - s->max_b_frames; i++) {
178             RateControlEntry *rce;
179             int picture_number;
180             int e;
181             char *next;
182
183             next = strchr(p, ';');
184             if (next) {
185                 (*next) = 0; // sscanf in unbelievably slow on looong strings // FIXME copy / do not write
186                 next++;
187             }
188             e = sscanf(p, " in:%d ", &picture_number);
189
190             assert(picture_number >= 0);
191             assert(picture_number < rcc->num_entries);
192             rce = &rcc->entry[picture_number];
193
194             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",
195                         &rce->pict_type, &rce->qscale, &rce->i_tex_bits, &rce->p_tex_bits,
196                         &rce->mv_bits, &rce->misc_bits,
197                         &rce->f_code, &rce->b_code,
198                         &rce->mc_mb_var_sum, &rce->mb_var_sum,
199                         &rce->i_count, &rce->skip_count, &rce->header_bits);
200             if (e != 14) {
201                 av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
202                        "statistics are damaged at line %d, parser out=%d\n",
203                        i, e);
204                 return -1;
205             }
206
207             p = next;
208         }
209
210         if (init_pass2(s) < 0)
211             return -1;
212
213         // FIXME maybe move to end
214         if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID) {
215 #if CONFIG_LIBXVID
216             return ff_xvid_rate_control_init(s);
217 #else
218             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
219                    "Xvid ratecontrol requires libavcodec compiled with Xvid support.\n");
220             return -1;
221 #endif
222         }
223     }
224
225     if (!(s->flags & CODEC_FLAG_PASS2)) {
226         rcc->short_term_qsum   = 0.001;
227         rcc->short_term_qcount = 0.001;
228
229         rcc->pass1_rc_eq_output_sum = 0.001;
230         rcc->pass1_wanted_bits      = 0.001;
231
232         if (s->avctx->qblur > 1.0) {
233             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "qblur too large\n");
234             return -1;
235         }
236         /* init stuff with the user specified complexity */
237         if (s->avctx->rc_initial_cplx) {
238             for (i = 0; i < 60 * 30; i++) {
239                 double bits = s->avctx->rc_initial_cplx * (i / 10000.0 + 1.0) * s->mb_num;
240                 RateControlEntry rce;
241
242                 if (i % ((s->gop_size + 3) / 4) == 0)
243                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_I;
244                 else if (i % (s->max_b_frames + 1))
245                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_B;
246                 else
247                     rce.pict_type = AV_PICTURE_TYPE_P;
248
249                 rce.new_pict_type = rce.pict_type;
250                 rce.mc_mb_var_sum = bits * s->mb_num / 100000;
251                 rce.mb_var_sum    = s->mb_num;
252
253                 rce.qscale    = FF_QP2LAMBDA * 2;
254                 rce.f_code    = 2;
255                 rce.b_code    = 1;
256                 rce.misc_bits = 1;
257
258                 if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
259                     rce.i_count    = s->mb_num;
260                     rce.i_tex_bits = bits;
261                     rce.p_tex_bits = 0;
262                     rce.mv_bits    = 0;
263                 } else {
264                     rce.i_count    = 0; // FIXME we do know this approx
265                     rce.i_tex_bits = 0;
266                     rce.p_tex_bits = bits * 0.9;
267                     rce.mv_bits    = bits * 0.1;
268                 }
269                 rcc->i_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.i_tex_bits * rce.qscale;
270                 rcc->p_cplx_sum[rce.pict_type]  += rce.p_tex_bits * rce.qscale;
271                 rcc->mv_bits_sum[rce.pict_type] += rce.mv_bits;
272                 rcc->frame_count[rce.pict_type]++;
273
274                 get_qscale(s, &rce, rcc->pass1_wanted_bits / rcc->pass1_rc_eq_output_sum, i);
275
276                 // FIXME misbehaves a little for variable fps
277                 rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / (1 / av_q2d(s->avctx->time_base));
278             }
279         }
280     }
281
282     return 0;
283 }
284
285 void ff_rate_control_uninit(MpegEncContext *s)
286 {
287     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
288     emms_c();
289
290     av_expr_free(rcc->rc_eq_eval);
291     av_freep(&rcc->entry);
292
293 #if CONFIG_LIBXVID
294     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) && s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
295         ff_xvid_rate_control_uninit(s);
296 #endif
297 }
298
299 int ff_vbv_update(MpegEncContext *s, int frame_size)
300 {
301     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
302     const double fps        = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
303     const int buffer_size   = s->avctx->rc_buffer_size;
304     const double min_rate   = s->avctx->rc_min_rate / fps;
305     const double max_rate   = s->avctx->rc_max_rate / fps;
306
307     av_dlog(s, "%d %f %d %f %f\n",
308             buffer_size, rcc->buffer_index, frame_size, min_rate, max_rate);
309
310     if (buffer_size) {
311         int left;
312
313         rcc->buffer_index -= frame_size;
314         if (rcc->buffer_index < 0) {
315             av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "rc buffer underflow\n");
316             rcc->buffer_index = 0;
317         }
318
319         left = buffer_size - rcc->buffer_index - 1;
320         rcc->buffer_index += av_clip(left, min_rate, max_rate);
321
322         if (rcc->buffer_index > buffer_size) {
323             int stuffing = ceil((rcc->buffer_index - buffer_size) / 8);
324
325             if (stuffing < 4 && s->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4)
326                 stuffing = 4;
327             rcc->buffer_index -= 8 * stuffing;
328
329             if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
330                 av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG, "stuffing %d bytes\n", stuffing);
331
332             return stuffing;
333         }
334     }
335     return 0;
336 }
337
338 /**
339  * Modify the bitrate curve from pass1 for one frame.
340  */
341 static double get_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
342                          double rate_factor, int frame_num)
343 {
344     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
345     AVCodecContext *a       = s->avctx;
346     const int pict_type     = rce->new_pict_type;
347     const double mb_num     = s->mb_num;
348     double q, bits;
349     int i;
350
351     double const_values[] = {
352         M_PI,
353         M_E,
354         rce->i_tex_bits * rce->qscale,
355         rce->p_tex_bits * rce->qscale,
356         (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) * (double)rce->qscale,
357         rce->mv_bits / mb_num,
358         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B ? (rce->f_code + rce->b_code) * 0.5 : rce->f_code,
359         rce->i_count / mb_num,
360         rce->mc_mb_var_sum / mb_num,
361         rce->mb_var_sum / mb_num,
362         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I,
363         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P,
364         rce->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B,
365         rcc->qscale_sum[pict_type] / (double)rcc->frame_count[pict_type],
366         a->qcompress,
367 #if 0
368         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_I],
369         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P],
370         rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_B],
371         rcc->next_non_b_qscale,
372 #endif
373         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_I] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_I],
374         rcc->i_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
375         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_P] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_P],
376         rcc->p_cplx_sum[AV_PICTURE_TYPE_B] / (double)rcc->frame_count[AV_PICTURE_TYPE_B],
377         (rcc->i_cplx_sum[pict_type] + rcc->p_cplx_sum[pict_type]) / (double)rcc->frame_count[pict_type],
378         0
379     };
380
381     bits = av_expr_eval(rcc->rc_eq_eval, const_values, rce);
382     if (isnan(bits)) {
383         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "Error evaluating rc_eq \"%s\"\n", s->avctx->rc_eq);
384         return -1;
385     }
386
387     rcc->pass1_rc_eq_output_sum += bits;
388     bits *= rate_factor;
389     if (bits < 0.0)
390         bits = 0.0;
391     bits += 1.0; // avoid 1/0 issues
392
393     /* user override */
394     for (i = 0; i < s->avctx->rc_override_count; i++) {
395         RcOverride *rco = s->avctx->rc_override;
396         if (rco[i].start_frame > frame_num)
397             continue;
398         if (rco[i].end_frame < frame_num)
399             continue;
400
401         if (rco[i].qscale)
402             bits = qp2bits(rce, rco[i].qscale);  // FIXME move at end to really force it?
403         else
404             bits *= rco[i].quality_factor;
405     }
406
407     q = bits2qp(rce, bits);
408
409     /* I/B difference */
410     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I && s->avctx->i_quant_factor < 0.0)
411         q = -q * s->avctx->i_quant_factor + s->avctx->i_quant_offset;
412     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B && s->avctx->b_quant_factor < 0.0)
413         q = -q * s->avctx->b_quant_factor + s->avctx->b_quant_offset;
414     if (q < 1)
415         q = 1;
416
417     return q;
418 }
419
420 static double get_diff_limited_q(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce, double q)
421 {
422     RateControlContext *rcc   = &s->rc_context;
423     AVCodecContext *a         = s->avctx;
424     const int pict_type       = rce->new_pict_type;
425     const double last_p_q     = rcc->last_qscale_for[AV_PICTURE_TYPE_P];
426     const double last_non_b_q = rcc->last_qscale_for[rcc->last_non_b_pict_type];
427
428     if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I &&
429         (a->i_quant_factor > 0.0 || rcc->last_non_b_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P))
430         q = last_p_q * FFABS(a->i_quant_factor) + a->i_quant_offset;
431     else if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B &&
432              a->b_quant_factor > 0.0)
433         q = last_non_b_q * a->b_quant_factor + a->b_quant_offset;
434     if (q < 1)
435         q = 1;
436
437     /* last qscale / qdiff stuff */
438     if (rcc->last_non_b_pict_type == pict_type || pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I) {
439         double last_q     = rcc->last_qscale_for[pict_type];
440         const int maxdiff = FF_QP2LAMBDA * a->max_qdiff;
441
442         if (q > last_q + maxdiff)
443             q = last_q + maxdiff;
444         else if (q < last_q - maxdiff)
445             q = last_q - maxdiff;
446     }
447
448     rcc->last_qscale_for[pict_type] = q; // Note we cannot do that after blurring
449
450     if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_B)
451         rcc->last_non_b_pict_type = pict_type;
452
453     return q;
454 }
455
456 /**
457  * Get the qmin & qmax for pict_type.
458  */
459 static void get_qminmax(int *qmin_ret, int *qmax_ret, MpegEncContext *s, int pict_type)
460 {
461     int qmin = s->avctx->lmin;
462     int qmax = s->avctx->lmax;
463
464     assert(qmin <= qmax);
465
466     switch (pict_type) {
467     case AV_PICTURE_TYPE_B:
468         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
469         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->b_quant_factor) + s->avctx->b_quant_offset + 0.5);
470         break;
471     case AV_PICTURE_TYPE_I:
472         qmin = (int)(qmin * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
473         qmax = (int)(qmax * FFABS(s->avctx->i_quant_factor) + s->avctx->i_quant_offset + 0.5);
474         break;
475     }
476
477     qmin = av_clip(qmin, 1, FF_LAMBDA_MAX);
478     qmax = av_clip(qmax, 1, FF_LAMBDA_MAX);
479
480     if (qmax < qmin)
481         qmax = qmin;
482
483     *qmin_ret = qmin;
484     *qmax_ret = qmax;
485 }
486
487 static double modify_qscale(MpegEncContext *s, RateControlEntry *rce,
488                             double q, int frame_num)
489 {
490     RateControlContext *rcc  = &s->rc_context;
491     const double buffer_size = s->avctx->rc_buffer_size;
492     const double fps         = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
493     const double min_rate    = s->avctx->rc_min_rate / fps;
494     const double max_rate    = s->avctx->rc_max_rate / fps;
495     const int pict_type      = rce->new_pict_type;
496     int qmin, qmax;
497
498     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
499
500     /* modulation */
501     if (s->avctx->rc_qmod_freq &&
502         frame_num % s->avctx->rc_qmod_freq == 0 &&
503         pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P)
504         q *= s->avctx->rc_qmod_amp;
505
506     /* buffer overflow/underflow protection */
507     if (buffer_size) {
508         double expected_size = rcc->buffer_index;
509         double q_limit;
510
511         if (min_rate) {
512             double d = 2 * (buffer_size - expected_size) / buffer_size;
513             if (d > 1.0)
514                 d = 1.0;
515             else if (d < 0.0001)
516                 d = 0.0001;
517             q *= pow(d, 1.0 / s->avctx->rc_buffer_aggressivity);
518
519             q_limit = bits2qp(rce,
520                               FFMAX((min_rate - buffer_size + rcc->buffer_index) *
521                                     s->avctx->rc_min_vbv_overflow_use, 1));
522
523             if (q > q_limit) {
524                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
525                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
526                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
527                 q = q_limit;
528             }
529         }
530
531         if (max_rate) {
532             double d = 2 * expected_size / buffer_size;
533             if (d > 1.0)
534                 d = 1.0;
535             else if (d < 0.0001)
536                 d = 0.0001;
537             q /= pow(d, 1.0 / s->avctx->rc_buffer_aggressivity);
538
539             q_limit = bits2qp(rce,
540                               FFMAX(rcc->buffer_index *
541                                     s->avctx->rc_max_available_vbv_use,
542                                     1));
543             if (q < q_limit) {
544                 if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC)
545                     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
546                            "limiting QP %f -> %f\n", q, q_limit);
547                 q = q_limit;
548             }
549         }
550     }
551     av_dlog(s, "q:%f max:%f min:%f size:%f index:%f agr:%f\n",
552             q, max_rate, min_rate, buffer_size, rcc->buffer_index,
553             s->avctx->rc_buffer_aggressivity);
554     if (s->avctx->rc_qsquish == 0.0 || qmin == qmax) {
555         if (q < qmin)
556             q = qmin;
557         else if (q > qmax)
558             q = qmax;
559     } else {
560         double min2 = log(qmin);
561         double max2 = log(qmax);
562
563         q  = log(q);
564         q  = (q - min2) / (max2 - min2) - 0.5;
565         q *= -4.0;
566         q  = 1.0 / (1.0 + exp(q));
567         q  = q * (max2 - min2) + min2;
568
569         q = exp(q);
570     }
571
572     return q;
573 }
574
575 // ----------------------------------
576 // 1 Pass Code
577
578 static double predict_size(Predictor *p, double q, double var)
579 {
580     return p->coeff * var / (q * p->count);
581 }
582
583 static void update_predictor(Predictor *p, double q, double var, double size)
584 {
585     double new_coeff = size * q / (var + 1);
586     if (var < 10)
587         return;
588
589     p->count *= p->decay;
590     p->coeff *= p->decay;
591     p->count++;
592     p->coeff += new_coeff;
593 }
594
595 static void adaptive_quantization(MpegEncContext *s, double q)
596 {
597     int i;
598     const float lumi_masking         = s->avctx->lumi_masking / (128.0 * 128.0);
599     const float dark_masking         = s->avctx->dark_masking / (128.0 * 128.0);
600     const float temp_cplx_masking    = s->avctx->temporal_cplx_masking;
601     const float spatial_cplx_masking = s->avctx->spatial_cplx_masking;
602     const float p_masking            = s->avctx->p_masking;
603     const float border_masking       = s->avctx->border_masking;
604     float bits_sum                   = 0.0;
605     float cplx_sum                   = 0.0;
606     float *cplx_tab                  = s->cplx_tab;
607     float *bits_tab                  = s->bits_tab;
608     const int qmin                   = s->avctx->mb_lmin;
609     const int qmax                   = s->avctx->mb_lmax;
610     Picture *const pic               = &s->current_picture;
611     const int mb_width               = s->mb_width;
612     const int mb_height              = s->mb_height;
613
614     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
615         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
616         float temp_cplx = sqrt(pic->mc_mb_var[mb_xy]); // FIXME merge in pow()
617         float spat_cplx = sqrt(pic->mb_var[mb_xy]);
618         const int lumi  = pic->mb_mean[mb_xy];
619         float bits, cplx, factor;
620         int mb_x = mb_xy % s->mb_stride;
621         int mb_y = mb_xy / s->mb_stride;
622         int mb_distance;
623         float mb_factor = 0.0;
624         if (spat_cplx < 4)
625             spat_cplx = 4;              // FIXME finetune
626         if (temp_cplx < 4)
627             temp_cplx = 4;              // FIXME finetune
628
629         if ((s->mb_type[mb_xy] & CANDIDATE_MB_TYPE_INTRA)) { // FIXME hq mode
630             cplx   = spat_cplx;
631             factor = 1.0 + p_masking;
632         } else {
633             cplx   = temp_cplx;
634             factor = pow(temp_cplx, -temp_cplx_masking);
635         }
636         factor *= pow(spat_cplx, -spatial_cplx_masking);
637
638         if (lumi > 127)
639             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * lumi_masking);
640         else
641             factor *= (1.0 - (lumi - 128) * (lumi - 128) * dark_masking);
642
643         if (mb_x < mb_width / 5) {
644             mb_distance = mb_width / 5 - mb_x;
645             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
646         } else if (mb_x > 4 * mb_width / 5) {
647             mb_distance = mb_x - 4 * mb_width / 5;
648             mb_factor   = (float)mb_distance / (float)(mb_width / 5);
649         }
650         if (mb_y < mb_height / 5) {
651             mb_distance = mb_height / 5 - mb_y;
652             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
653                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
654         } else if (mb_y > 4 * mb_height / 5) {
655             mb_distance = mb_y - 4 * mb_height / 5;
656             mb_factor   = FFMAX(mb_factor,
657                                 (float)mb_distance / (float)(mb_height / 5));
658         }
659
660         factor *= 1.0 - border_masking * mb_factor;
661
662         if (factor < 0.00001)
663             factor = 0.00001;
664
665         bits        = cplx * factor;
666         cplx_sum   += cplx;
667         bits_sum   += bits;
668         cplx_tab[i] = cplx;
669         bits_tab[i] = bits;
670     }
671
672     /* handle qmin/qmax clipping */
673     if (s->flags & CODEC_FLAG_NORMALIZE_AQP) {
674         float factor = bits_sum / cplx_sum;
675         for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
676             float newq = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
677             newq *= factor;
678
679             if (newq > qmax) {
680                 bits_sum -= bits_tab[i];
681                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmax;
682             } else if (newq < qmin) {
683                 bits_sum -= bits_tab[i];
684                 cplx_sum -= cplx_tab[i] * q / qmin;
685             }
686         }
687         if (bits_sum < 0.001)
688             bits_sum = 0.001;
689         if (cplx_sum < 0.001)
690             cplx_sum = 0.001;
691     }
692
693     for (i = 0; i < s->mb_num; i++) {
694         const int mb_xy = s->mb_index2xy[i];
695         float newq      = q * cplx_tab[i] / bits_tab[i];
696         int intq;
697
698         if (s->flags & CODEC_FLAG_NORMALIZE_AQP) {
699             newq *= bits_sum / cplx_sum;
700         }
701
702         intq = (int)(newq + 0.5);
703
704         if (intq > qmax)
705             intq = qmax;
706         else if (intq < qmin)
707             intq = qmin;
708         s->lambda_table[mb_xy] = intq;
709     }
710 }
711
712 void ff_get_2pass_fcode(MpegEncContext *s)
713 {
714     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
715     RateControlEntry *rce   = &rcc->entry[s->picture_number];
716
717     s->f_code = rce->f_code;
718     s->b_code = rce->b_code;
719 }
720
721 // FIXME rd or at least approx for dquant
722
723 float ff_rate_estimate_qscale(MpegEncContext *s, int dry_run)
724 {
725     float q;
726     int qmin, qmax;
727     float br_compensation;
728     double diff;
729     double short_term_q;
730     double fps;
731     int picture_number = s->picture_number;
732     int64_t wanted_bits;
733     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
734     AVCodecContext *a       = s->avctx;
735     RateControlEntry local_rce, *rce;
736     double bits;
737     double rate_factor;
738     int var;
739     const int pict_type = s->pict_type;
740     Picture * const pic = &s->current_picture;
741     emms_c();
742
743 #if CONFIG_LIBXVID
744     if ((s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) &&
745         s->avctx->rc_strategy == FF_RC_STRATEGY_XVID)
746         return ff_xvid_rate_estimate_qscale(s, dry_run);
747 #endif
748
749     get_qminmax(&qmin, &qmax, s, pict_type);
750
751     fps = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
752     /* update predictors */
753     if (picture_number > 2 && !dry_run) {
754         const int last_var = s->last_pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? rcc->last_mb_var_sum
755                                                                     : rcc->last_mc_mb_var_sum;
756         update_predictor(&rcc->pred[s->last_pict_type],
757                          rcc->last_qscale,
758                          sqrt(last_var), s->frame_bits);
759     }
760
761     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
762         assert(picture_number >= 0);
763         assert(picture_number < rcc->num_entries);
764         rce         = &rcc->entry[picture_number];
765         wanted_bits = rce->expected_bits;
766     } else {
767         Picture *dts_pic;
768         rce = &local_rce;
769
770         /* FIXME add a dts field to AVFrame and ensure it is set and use it
771          * here instead of reordering but the reordering is simpler for now
772          * until H.264 B-pyramid must be handled. */
773         if (s->pict_type == AV_PICTURE_TYPE_B || s->low_delay)
774             dts_pic = s->current_picture_ptr;
775         else
776             dts_pic = s->last_picture_ptr;
777
778         if (!dts_pic || dts_pic->f.pts == AV_NOPTS_VALUE)
779             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)picture_number / fps);
780         else
781             wanted_bits = (uint64_t)(s->bit_rate * (double)dts_pic->f.pts / fps);
782     }
783
784     diff = s->total_bits - wanted_bits;
785     br_compensation = (a->bit_rate_tolerance - diff) / a->bit_rate_tolerance;
786     if (br_compensation <= 0.0)
787         br_compensation = 0.001;
788
789     var = pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I ? pic->mb_var_sum : pic->mc_mb_var_sum;
790
791     short_term_q = 0; /* avoid warning */
792     if (s->flags & CODEC_FLAG_PASS2) {
793         if (pict_type != AV_PICTURE_TYPE_I)
794             assert(pict_type == rce->new_pict_type);
795
796         q = rce->new_qscale / br_compensation;
797         av_dlog(s, "%f %f %f last:%d var:%d type:%d//\n", q, rce->new_qscale,
798                 br_compensation, s->frame_bits, var, pict_type);
799     } else {
800         rce->pict_type     =
801         rce->new_pict_type = pict_type;
802         rce->mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
803         rce->mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
804         rce->qscale        = FF_QP2LAMBDA * 2;
805         rce->f_code        = s->f_code;
806         rce->b_code        = s->b_code;
807         rce->misc_bits     = 1;
808
809         bits = predict_size(&rcc->pred[pict_type], rce->qscale, sqrt(var));
810         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_I) {
811             rce->i_count    = s->mb_num;
812             rce->i_tex_bits = bits;
813             rce->p_tex_bits = 0;
814             rce->mv_bits    = 0;
815         } else {
816             rce->i_count    = 0;    // FIXME we do know this approx
817             rce->i_tex_bits = 0;
818             rce->p_tex_bits = bits * 0.9;
819             rce->mv_bits    = bits * 0.1;
820         }
821         rcc->i_cplx_sum[pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
822         rcc->p_cplx_sum[pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
823         rcc->mv_bits_sum[pict_type] += rce->mv_bits;
824         rcc->frame_count[pict_type]++;
825
826         bits        = rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits;
827         rate_factor = rcc->pass1_wanted_bits /
828                       rcc->pass1_rc_eq_output_sum * br_compensation;
829
830         q = get_qscale(s, rce, rate_factor, picture_number);
831         if (q < 0)
832             return -1;
833
834         assert(q > 0.0);
835         q = get_diff_limited_q(s, rce, q);
836         assert(q > 0.0);
837
838         // FIXME type dependent blur like in 2-pass
839         if (pict_type == AV_PICTURE_TYPE_P || s->intra_only) {
840             rcc->short_term_qsum   *= a->qblur;
841             rcc->short_term_qcount *= a->qblur;
842
843             rcc->short_term_qsum += q;
844             rcc->short_term_qcount++;
845             q = short_term_q = rcc->short_term_qsum / rcc->short_term_qcount;
846         }
847         assert(q > 0.0);
848
849         q = modify_qscale(s, rce, q, picture_number);
850
851         rcc->pass1_wanted_bits += s->bit_rate / fps;
852
853         assert(q > 0.0);
854     }
855
856     if (s->avctx->debug & FF_DEBUG_RC) {
857         av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
858                "%c qp:%d<%2.1f<%d %d want:%d total:%d comp:%f st_q:%2.2f "
859                "size:%d var:%d/%d br:%d fps:%d\n",
860                av_get_picture_type_char(pict_type),
861                qmin, q, qmax, picture_number,
862                (int)wanted_bits / 1000, (int)s->total_bits / 1000,
863                br_compensation, short_term_q, s->frame_bits,
864                pic->mb_var_sum, pic->mc_mb_var_sum,
865                s->bit_rate / 1000, (int)fps);
866     }
867
868     if (q < qmin)
869         q = qmin;
870     else if (q > qmax)
871         q = qmax;
872
873     if (s->adaptive_quant)
874         adaptive_quantization(s, q);
875     else
876         q = (int)(q + 0.5);
877
878     if (!dry_run) {
879         rcc->last_qscale        = q;
880         rcc->last_mc_mb_var_sum = pic->mc_mb_var_sum;
881         rcc->last_mb_var_sum    = pic->mb_var_sum;
882     }
883     return q;
884 }
885
886 // ----------------------------------------------
887 // 2-Pass code
888
889 static int init_pass2(MpegEncContext *s)
890 {
891     RateControlContext *rcc = &s->rc_context;
892     AVCodecContext *a       = s->avctx;
893     int i, toobig;
894     double fps             = 1 / av_q2d(s->avctx->time_base);
895     double complexity[5]   = { 0 }; // approximate bits at quant=1
896     uint64_t const_bits[5] = { 0 }; // quantizer independent bits
897     uint64_t all_const_bits;
898     uint64_t all_available_bits = (uint64_t)(s->bit_rate *
899                                              (double)rcc->num_entries / fps);
900     double rate_factor          = 0;
901     double step;
902     const int filter_size = (int)(a->qblur * 4) | 1;
903     double expected_bits;
904     double *qscale, *blurred_qscale, qscale_sum;
905
906     /* find complexity & const_bits & decide the pict_types */
907     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
908         RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
909
910         rce->new_pict_type                = rce->pict_type;
911         rcc->i_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->i_tex_bits * rce->qscale;
912         rcc->p_cplx_sum[rce->pict_type]  += rce->p_tex_bits * rce->qscale;
913         rcc->mv_bits_sum[rce->pict_type] += rce->mv_bits;
914         rcc->frame_count[rce->pict_type]++;
915
916         complexity[rce->new_pict_type] += (rce->i_tex_bits + rce->p_tex_bits) *
917                                           (double)rce->qscale;
918         const_bits[rce->new_pict_type] += rce->mv_bits + rce->misc_bits;
919     }
920
921     all_const_bits = const_bits[AV_PICTURE_TYPE_I] +
922                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_P] +
923                      const_bits[AV_PICTURE_TYPE_B];
924
925     if (all_available_bits < all_const_bits) {
926         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR, "requested bitrate is too low\n");
927         return -1;
928     }
929
930     qscale         = av_malloc(sizeof(double) * rcc->num_entries);
931     blurred_qscale = av_malloc(sizeof(double) * rcc->num_entries);
932     toobig = 0;
933
934     for (step = 256 * 256; step > 0.0000001; step *= 0.5) {
935         expected_bits = 0;
936         rate_factor  += step;
937
938         rcc->buffer_index = s->avctx->rc_buffer_size / 2;
939
940         /* find qscale */
941         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
942             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
943
944             qscale[i] = get_qscale(s, &rcc->entry[i], rate_factor, i);
945             rcc->last_qscale_for[rce->pict_type] = qscale[i];
946         }
947         assert(filter_size % 2 == 1);
948
949         /* fixed I/B QP relative to P mode */
950         for (i = rcc->num_entries - 1; i >= 0; i--) {
951             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
952
953             qscale[i] = get_diff_limited_q(s, rce, qscale[i]);
954         }
955
956         /* smooth curve */
957         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
958             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
959             const int pict_type   = rce->new_pict_type;
960             int j;
961             double q = 0.0, sum = 0.0;
962
963             for (j = 0; j < filter_size; j++) {
964                 int index    = i + j - filter_size / 2;
965                 double d     = index - i;
966                 double coeff = a->qblur == 0 ? 1.0 : exp(-d * d / (a->qblur * a->qblur));
967
968                 if (index < 0 || index >= rcc->num_entries)
969                     continue;
970                 if (pict_type != rcc->entry[index].new_pict_type)
971                     continue;
972                 q   += qscale[index] * coeff;
973                 sum += coeff;
974             }
975             blurred_qscale[i] = q / sum;
976         }
977
978         /* find expected bits */
979         for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
980             RateControlEntry *rce = &rcc->entry[i];
981             double bits;
982
983             rce->new_qscale = modify_qscale(s, rce, blurred_qscale[i], i);
984
985             bits  = qp2bits(rce, rce->new_qscale) + rce->mv_bits + rce->misc_bits;
986             bits += 8 * ff_vbv_update(s, bits);
987
988             rce->expected_bits = expected_bits;
989             expected_bits     += bits;
990         }
991
992         av_dlog(s->avctx,
993                 "expected_bits: %f all_available_bits: %d rate_factor: %f\n",
994                 expected_bits, (int)all_available_bits, rate_factor);
995         if (expected_bits > all_available_bits) {
996             rate_factor -= step;
997             ++toobig;
998         }
999     }
1000     av_free(qscale);
1001     av_free(blurred_qscale);
1002
1003     /* check bitrate calculations and print info */
1004     qscale_sum = 0.0;
1005     for (i = 0; i < rcc->num_entries; i++) {
1006         av_dlog(s, "[lavc rc] entry[%d].new_qscale = %.3f  qp = %.3f\n",
1007                 i,
1008                 rcc->entry[i].new_qscale,
1009                 rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA);
1010         qscale_sum += av_clip(rcc->entry[i].new_qscale / FF_QP2LAMBDA,
1011                               s->avctx->qmin, s->avctx->qmax);
1012     }
1013     assert(toobig <= 40);
1014     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1015            "[lavc rc] requested bitrate: %d bps  expected bitrate: %d bps\n",
1016            s->bit_rate,
1017            (int)(expected_bits / ((double)all_available_bits / s->bit_rate)));
1018     av_log(s->avctx, AV_LOG_DEBUG,
1019            "[lavc rc] estimated target average qp: %.3f\n",
1020            (float)qscale_sum / rcc->num_entries);
1021     if (toobig == 0) {
1022         av_log(s->avctx, AV_LOG_INFO,
1023                "[lavc rc] Using all of requested bitrate is not "
1024                "necessary for this video with these parameters.\n");
1025     } else if (toobig == 40) {
1026         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1027                "[lavc rc] Error: bitrate too low for this video "
1028                "with these parameters.\n");
1029         return -1;
1030     } else if (fabs(expected_bits / all_available_bits - 1.0) > 0.01) {
1031         av_log(s->avctx, AV_LOG_ERROR,
1032                "[lavc rc] Error: 2pass curve failed to converge\n");
1033         return -1;
1034     }
1035
1036     return 0;
1037 }