]> granicus.if.org Git - libvpx/blob - vp9/encoder/vp9_aq_cyclicrefresh.c
aq-mode=3: Update to allow for refresh on modes other than zero-mv.
[libvpx] / vp9 / encoder / vp9_aq_cyclicrefresh.c
1 /*
2  *  Copyright (c) 2014 The WebM project authors. All Rights Reserved.
3  *
4  *  Use of this source code is governed by a BSD-style license
5  *  that can be found in the LICENSE file in the root of the source
6  *  tree. An additional intellectual property rights grant can be found
7  *  in the file PATENTS.  All contributing project authors may
8  *  be found in the AUTHORS file in the root of the source tree.
9  */
10
11 #include <limits.h>
12 #include <math.h>
13
14 #include "vp9/encoder/vp9_aq_cyclicrefresh.h"
15
16 #include "vp9/common/vp9_seg_common.h"
17
18 #include "vp9/encoder/vp9_ratectrl.h"
19 #include "vp9/encoder/vp9_segmentation.h"
20
21 struct CYCLIC_REFRESH {
22   // Percentage of blocks per frame that are targeted as candidates
23   // for cyclic refresh.
24   int percent_refresh;
25   // Maximum q-delta as percentage of base q.
26   int max_qdelta_perc;
27   // Superblock starting index for cycling through the frame.
28   int sb_index;
29   // Controls how long block will need to wait to be refreshed again, in
30   // excess of the cycle time, i.e., in the case of all zero motion, block
31   // will be refreshed every (100/percent_refresh + time_for_refresh) frames.
32   int time_for_refresh;
33   // // Target number of (8x8) blocks that are set for delta-q (segment 1).
34   int target_num_seg_blocks;
35   // Actual number of (8x8) blocks that were applied delta-q (segment 1).
36   int actual_num_seg_blocks;
37   // RD mult. parameters for segment 1.
38   int rdmult;
39   // Cyclic refresh map.
40   signed char *map;
41   // Thresholds applied to the projected rate/distortion of the coding block,
42   // when deciding whether block should be refreshed.
43   int64_t thresh_rate_sb;
44   int64_t thresh_dist_sb;
45   // Threshold applied to the motion vector (in units of 1/8 pel) of the
46   // coding block, when deciding whether block should be refreshed.
47   int16_t motion_thresh;
48   // Rate target ratio to set q delta.
49   double rate_ratio_qdelta;
50 };
51
52 CYCLIC_REFRESH *vp9_cyclic_refresh_alloc(int mi_rows, int mi_cols) {
53   CYCLIC_REFRESH *const cr = vpx_calloc(1, sizeof(*cr));
54   if (cr == NULL)
55     return NULL;
56
57   cr->map = vpx_calloc(mi_rows * mi_cols, sizeof(*cr->map));
58   if (cr->map == NULL) {
59     vpx_free(cr);
60     return NULL;
61   }
62
63   return cr;
64 }
65
66 void vp9_cyclic_refresh_free(CYCLIC_REFRESH *cr) {
67   vpx_free(cr->map);
68   vpx_free(cr);
69 }
70
71 // Check if we should turn off cyclic refresh based on bitrate condition.
72 static int apply_cyclic_refresh_bitrate(const VP9_COMMON *cm,
73                                         const RATE_CONTROL *rc) {
74   // Turn off cyclic refresh if bits available per frame is not sufficiently
75   // larger than bit cost of segmentation. Segment map bit cost should scale
76   // with number of seg blocks, so compare available bits to number of blocks.
77   // Average bits available per frame = avg_frame_bandwidth
78   // Number of (8x8) blocks in frame = mi_rows * mi_cols;
79   const float factor  = 0.5;
80   const int number_blocks = cm->mi_rows  * cm->mi_cols;
81   // The condition below corresponds to turning off at target bitrates:
82   // ~24kbps for CIF, 72kbps for VGA (at 30fps).
83   // Also turn off at very small frame sizes, to avoid too large fraction of
84   // superblocks to be refreshed per frame. Threshold below is less than QCIF.
85   if (rc->avg_frame_bandwidth < factor * number_blocks ||
86       number_blocks / 64 < 5)
87     return 0;
88   else
89     return 1;
90 }
91
92 // Check if this coding block, of size bsize, should be considered for refresh
93 // (lower-qp coding). Decision can be based on various factors, such as
94 // size of the coding block (i.e., below min_block size rejected), coding
95 // mode, and rate/distortion.
96 static int candidate_refresh_aq(const CYCLIC_REFRESH *cr,
97                                 const MB_MODE_INFO *mbmi,
98                                 int64_t rate,
99                                 int64_t dist) {
100   MV mv = mbmi->mv[0].as_mv;
101   // If projected rate is below the thresh_rate accept it for lower-qp coding.
102   // Otherwise, reject the block for lower-qp coding if projected distortion
103   // is above the threshold, and any of the following is true:
104   // 1) mode uses large mv
105   // 2) mode is an intra-mode
106   if (rate < cr->thresh_rate_sb)
107     return 1;
108   else if (dist > cr->thresh_dist_sb &&
109           (mv.row > cr->motion_thresh || mv.row < -cr->motion_thresh ||
110            mv.col > cr->motion_thresh || mv.col < -cr->motion_thresh ||
111            !is_inter_block(mbmi)))
112     return 0;
113   else
114     return 1;
115 }
116
117 // Compute delta-q for the segment.
118 static int compute_deltaq(const VP9_COMP *cpi, int q) {
119   const CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
120   const RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
121   int deltaq = vp9_compute_qdelta_by_rate(rc, cpi->common.frame_type,
122                                           q, cr->rate_ratio_qdelta,
123                                           cpi->common.bit_depth);
124   if ((-deltaq) > cr->max_qdelta_perc * q / 100) {
125     deltaq = -cr->max_qdelta_perc * q / 100;
126   }
127   return deltaq;
128 }
129
130 // For the just encoded frame, estimate the bits, incorporating the delta-q
131 // from segment 1. This function is called in the postencode (called from
132 // rc_update_rate_correction_factors()).
133 int vp9_cyclic_refresh_estimate_bits_at_q(const VP9_COMP *cpi,
134                                           double correction_factor) {
135   const VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
136   const CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
137   int estimated_bits;
138   int mbs = cm->MBs;
139   int num8x8bl = mbs << 2;
140   // Weight for segment 1: use actual number of blocks refreshed in
141   // previous/just encoded frame. Note number of blocks here is in 8x8 units.
142   double weight_segment = (double)cr->actual_num_seg_blocks / num8x8bl;
143   // Compute delta-q that was used in the just encoded frame.
144   int deltaq = compute_deltaq(cpi, cm->base_qindex);
145   // Take segment weighted average for estimated bits.
146   estimated_bits = (int)((1.0 - weight_segment) *
147       vp9_estimate_bits_at_q(cm->frame_type, cm->base_qindex, mbs,
148                              correction_factor, cm->bit_depth) +
149                              weight_segment *
150       vp9_estimate_bits_at_q(cm->frame_type, cm->base_qindex + deltaq, mbs,
151                              correction_factor, cm->bit_depth));
152   return estimated_bits;
153 }
154
155 // Prior to encoding the frame, estimate the bits per mb, for a given q = i and
156 // a corresponding delta-q (for segment 1). This function is called in the
157 // rc_regulate_q() to set the base qp index.
158 int vp9_cyclic_refresh_rc_bits_per_mb(const VP9_COMP *cpi, int i,
159                                       double correction_factor) {
160   const VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
161   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
162   int bits_per_mb;
163   int num8x8bl = cm->MBs << 2;
164   // Weight for segment 1 prior to encoding: take the target number for the
165   // frame to be encoded. Number of blocks here is in 8x8 units.
166   // Note that this is called in rc_regulate_q, which is called before the
167   // cyclic_refresh_setup (which sets cr->target_num_seg_blocks). So a mismatch
168   // may occur between the cr->target_num_seg_blocks value here and the
169   // cr->target_num_seg_block set for encoding the frame. For the current use
170   // case of fixed cr->percent_refresh and cr->time_for_refresh = 0, mismatch
171   // does not occur/is very small.
172   double weight_segment = (double)cr->target_num_seg_blocks / num8x8bl;
173   // Compute delta-q corresponding to qindex i.
174   int deltaq = compute_deltaq(cpi, i);
175   // Take segment weighted average for bits per mb.
176   bits_per_mb = (int)((1.0 - weight_segment) *
177       vp9_rc_bits_per_mb(cm->frame_type, i, correction_factor, cm->bit_depth) +
178       weight_segment *
179       vp9_rc_bits_per_mb(cm->frame_type, i + deltaq, correction_factor,
180                          cm->bit_depth));
181   return bits_per_mb;
182 }
183
184 // Prior to coding a given prediction block, of size bsize at (mi_row, mi_col),
185 // check if we should reset the segment_id, and update the cyclic_refresh map
186 // and segmentation map.
187 void vp9_cyclic_refresh_update_segment(VP9_COMP *const cpi,
188                                        MB_MODE_INFO *const mbmi,
189                                        int mi_row, int mi_col,
190                                        BLOCK_SIZE bsize,
191                                        int64_t rate,
192                                        int64_t dist) {
193   const VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
194   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
195   const int bw = num_8x8_blocks_wide_lookup[bsize];
196   const int bh = num_8x8_blocks_high_lookup[bsize];
197   const int xmis = MIN(cm->mi_cols - mi_col, bw);
198   const int ymis = MIN(cm->mi_rows - mi_row, bh);
199   const int block_index = mi_row * cm->mi_cols + mi_col;
200   const int refresh_this_block = candidate_refresh_aq(cr, mbmi, rate, dist);
201   // Default is to not update the refresh map.
202   int new_map_value = cr->map[block_index];
203   int x = 0; int y = 0;
204
205   // Check if we should reset the segment_id for this block.
206   if (mbmi->segment_id > 0 && !refresh_this_block)
207     mbmi->segment_id = 0;
208
209   // Update the cyclic refresh map, to be used for setting segmentation map
210   // for the next frame. If the block  will be refreshed this frame, mark it
211   // as clean. The magnitude of the -ve influences how long before we consider
212   // it for refresh again.
213   if (mbmi->segment_id == 1) {
214     new_map_value = -cr->time_for_refresh;
215   } else if (refresh_this_block) {
216     // Else if it is accepted as candidate for refresh, and has not already
217     // been refreshed (marked as 1) then mark it as a candidate for cleanup
218     // for future time (marked as 0), otherwise don't update it.
219     if (cr->map[block_index] == 1)
220       new_map_value = 0;
221   } else {
222     // Leave it marked as block that is not candidate for refresh.
223     new_map_value = 1;
224   }
225
226   // Update entries in the cyclic refresh map with new_map_value, and
227   // copy mbmi->segment_id into global segmentation map.
228   for (y = 0; y < ymis; y++)
229     for (x = 0; x < xmis; x++) {
230       cr->map[block_index + y * cm->mi_cols + x] = new_map_value;
231       cpi->segmentation_map[block_index + y * cm->mi_cols + x] =
232           mbmi->segment_id;
233     }
234 }
235
236 // Update the actual number of blocks that were applied the segment delta q.
237 void vp9_cyclic_refresh_update_actual_count(struct VP9_COMP *const cpi) {
238   VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
239   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
240   unsigned char *const seg_map = cpi->segmentation_map;
241   int mi_row, mi_col;
242   cr->actual_num_seg_blocks = 0;
243   for (mi_row = 0; mi_row < cm->mi_rows; mi_row++)
244   for (mi_col = 0; mi_col < cm->mi_cols; mi_col++) {
245     if (seg_map[mi_row * cm->mi_cols + mi_col] == 1)
246       cr->actual_num_seg_blocks++;
247   }
248 }
249
250 // Update the segmentation map, and related quantities: cyclic refresh map,
251 // refresh sb_index, and target number of blocks to be refreshed.
252 void vp9_cyclic_refresh_update_map(VP9_COMP *const cpi) {
253   VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
254   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
255   unsigned char *const seg_map = cpi->segmentation_map;
256   int i, block_count, bl_index, sb_rows, sb_cols, sbs_in_frame;
257   int xmis, ymis, x, y;
258   vpx_memset(seg_map, 0, cm->mi_rows * cm->mi_cols);
259   sb_cols = (cm->mi_cols + MI_BLOCK_SIZE - 1) / MI_BLOCK_SIZE;
260   sb_rows = (cm->mi_rows + MI_BLOCK_SIZE - 1) / MI_BLOCK_SIZE;
261   sbs_in_frame = sb_cols * sb_rows;
262   // Number of target blocks to get the q delta (segment 1).
263   block_count = cr->percent_refresh * cm->mi_rows * cm->mi_cols / 100;
264   // Set the segmentation map: cycle through the superblocks, starting at
265   // cr->mb_index, and stopping when either block_count blocks have been found
266   // to be refreshed, or we have passed through whole frame.
267   assert(cr->sb_index < sbs_in_frame);
268   i = cr->sb_index;
269   cr->target_num_seg_blocks = 0;
270   do {
271     int sum_map = 0;
272     // Get the mi_row/mi_col corresponding to superblock index i.
273     int sb_row_index = (i / sb_cols);
274     int sb_col_index = i - sb_row_index * sb_cols;
275     int mi_row = sb_row_index * MI_BLOCK_SIZE;
276     int mi_col = sb_col_index * MI_BLOCK_SIZE;
277     assert(mi_row >= 0 && mi_row < cm->mi_rows);
278     assert(mi_col >= 0 && mi_col < cm->mi_cols);
279     bl_index = mi_row * cm->mi_cols + mi_col;
280     // Loop through all 8x8 blocks in superblock and update map.
281     xmis = MIN(cm->mi_cols - mi_col,
282                num_8x8_blocks_wide_lookup[BLOCK_64X64]);
283     ymis = MIN(cm->mi_rows - mi_row,
284                num_8x8_blocks_high_lookup[BLOCK_64X64]);
285     for (y = 0; y < ymis; y++) {
286       for (x = 0; x < xmis; x++) {
287         const int bl_index2 = bl_index + y * cm->mi_cols + x;
288         // If the block is as a candidate for clean up then mark it
289         // for possible boost/refresh (segment 1). The segment id may get
290         // reset to 0 later if block gets coded anything other than ZEROMV.
291         if (cr->map[bl_index2] == 0) {
292           sum_map++;
293         } else if (cr->map[bl_index2] < 0) {
294           cr->map[bl_index2]++;
295         }
296       }
297     }
298     // Enforce constant segment over superblock.
299     // If segment is at least half of superblock, set to 1.
300     if (sum_map >= xmis * ymis / 2) {
301       for (y = 0; y < ymis; y++)
302         for (x = 0; x < xmis; x++) {
303           seg_map[bl_index + y * cm->mi_cols + x] = 1;
304         }
305       cr->target_num_seg_blocks += xmis * ymis;
306     }
307     i++;
308     if (i == sbs_in_frame) {
309       i = 0;
310     }
311   } while (cr->target_num_seg_blocks < block_count && i != cr->sb_index);
312   cr->sb_index = i;
313 }
314
315 // Set/update global/frame level cyclic refresh parameters.
316 void vp9_cyclic_refresh_update_parameters(VP9_COMP *const cpi) {
317   const RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
318   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
319   cr->percent_refresh = 10;
320   // Use larger delta-qp (increase rate_ratio_qdelta) for first few (~4)
321   // periods of the refresh cycle, after a key frame. This corresponds to ~40
322   // frames with cr->percent_refresh = 10.
323   if (rc->frames_since_key <  40)
324     cr->rate_ratio_qdelta = 3.0;
325   else
326     cr->rate_ratio_qdelta = 2.0;
327 }
328
329 // Setup cyclic background refresh: set delta q and segmentation map.
330 void vp9_cyclic_refresh_setup(VP9_COMP *const cpi) {
331   VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
332   const RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
333   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
334   struct segmentation *const seg = &cm->seg;
335   const int apply_cyclic_refresh  = apply_cyclic_refresh_bitrate(cm, rc);
336   // Don't apply refresh on key frame or enhancement layer frames.
337   if (!apply_cyclic_refresh ||
338       (cm->frame_type == KEY_FRAME) ||
339       (cpi->svc.temporal_layer_id > 0) ||
340       (cpi->svc.spatial_layer_id > 0)) {
341     // Set segmentation map to 0 and disable.
342     unsigned char *const seg_map = cpi->segmentation_map;
343     vpx_memset(seg_map, 0, cm->mi_rows * cm->mi_cols);
344     vp9_disable_segmentation(&cm->seg);
345     if (cm->frame_type == KEY_FRAME)
346       cr->sb_index = 0;
347     return;
348   } else {
349     int qindex_delta = 0;
350     int qindex2;
351     const double q = vp9_convert_qindex_to_q(cm->base_qindex, cm->bit_depth);
352     vp9_clear_system_state();
353     cr->max_qdelta_perc = 50;
354     cr->time_for_refresh = 0;
355     // Set rate threshold to some fraction (set to 1 for now) of the target
356     // rate (target is given by sb64_target_rate and scaled by 256).
357     cr->thresh_rate_sb = (rc->sb64_target_rate << 8);
358     // Distortion threshold, quadratic in Q, scale factor to be adjusted.
359     cr->thresh_dist_sb = (int)(q * q) << 5;
360     cr->motion_thresh = 32;
361     // Set up segmentation.
362     // Clear down the segment map.
363     vp9_enable_segmentation(&cm->seg);
364     vp9_clearall_segfeatures(seg);
365     // Select delta coding method.
366     seg->abs_delta = SEGMENT_DELTADATA;
367
368     // Note: setting temporal_update has no effect, as the seg-map coding method
369     // (temporal or spatial) is determined in vp9_choose_segmap_coding_method(),
370     // based on the coding cost of each method. For error_resilient mode on the
371     // last_frame_seg_map is set to 0, so if temporal coding is used, it is
372     // relative to 0 previous map.
373     // seg->temporal_update = 0;
374
375     // Segment 0 "Q" feature is disabled so it defaults to the baseline Q.
376     vp9_disable_segfeature(seg, 0, SEG_LVL_ALT_Q);
377     // Use segment 1 for in-frame Q adjustment.
378     vp9_enable_segfeature(seg, 1, SEG_LVL_ALT_Q);
379
380     // Set the q delta for segment 1.
381     qindex_delta = compute_deltaq(cpi, cm->base_qindex);
382
383     // Compute rd-mult for segment 1.
384     qindex2 = clamp(cm->base_qindex + cm->y_dc_delta_q + qindex_delta, 0, MAXQ);
385     cr->rdmult = vp9_compute_rd_mult(cpi, qindex2);
386
387     vp9_set_segdata(seg, 1, SEG_LVL_ALT_Q, qindex_delta);
388
389     // Update the segmentation and refresh map.
390     vp9_cyclic_refresh_update_map(cpi);
391   }
392 }
393
394 int vp9_cyclic_refresh_get_rdmult(const CYCLIC_REFRESH *cr) {
395   return cr->rdmult;
396 }