src/third_party/libvpx/source/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 super-blocks per frame that are targeted as candidates
  23   // for cyclic refresh.
  24   int max_sbs_perframe;
  25   // Maximum q-delta as percentage of base q.
  26   int max_qdelta_perc;
  27   // Block size below which we don't apply cyclic refresh.
  28   BLOCK_SIZE min_block_size;
  29   // Superblock starting index for cycling through the frame.
  30   int sb_index;
  31   // Controls how long a block will need to wait to be refreshed again.
  32   int time_for_refresh;
  33   // Actual number of (8x8) blocks that were applied delta-q (segment 1).
  34   int num_seg_blocks;
  35   // Actual encoding bits for segment 1.
  36   int actual_seg_bits;
  37   // RD mult. parameters for segment 1.
  38   int rdmult;
  39   // Cyclic refresh map.
  40   signed char *map;
  41   // Projected rate and distortion for the current superblock.
  42   int64_t projected_rate_sb;
  43   int64_t projected_dist_sb;
  44   // Thresholds applied to projected rate/distortion of the superblock.
  45   int64_t thresh_rate_sb;
  46   int64_t thresh_dist_sb;
  47 };
  48
  49 CYCLIC_REFRESH *vp9_cyclic_refresh_alloc(int mi_rows, int mi_cols) {
  50   CYCLIC_REFRESH *const cr = vpx_calloc(1, sizeof(*cr));
  51   if (cr == NULL)
  52     return NULL;
  53
  54   cr->map = vpx_calloc(mi_rows * mi_cols, sizeof(*cr->map));
  55   if (cr->map == NULL) {
  56     vpx_free(cr);
  57     return NULL;
  58   }
  59
  60   return cr;
  61 }
  62
  63 void vp9_cyclic_refresh_free(CYCLIC_REFRESH *cr) {
  64   vpx_free(cr->map);
  65   vpx_free(cr);
  66 }
  67
  68 // Check if we should turn off cyclic refresh based on bitrate condition.
  69 static int apply_cyclic_refresh_bitrate(const VP9_COMMON *cm,
  70                                         const RATE_CONTROL *rc) {
  71   // Turn off cyclic refresh if bits available per frame is not sufficiently
  72   // larger than bit cost of segmentation. Segment map bit cost should scale
  73   // with number of seg blocks, so compare available bits to number of blocks.
  74   // Average bits available per frame = avg_frame_bandwidth
  75   // Number of (8x8) blocks in frame = mi_rows * mi_cols;
  76   const float factor  = 0.5;
  77   const int number_blocks = cm->mi_rows  * cm->mi_cols;
  78   // The condition below corresponds to turning off at target bitrates:
  79   // ~24kbps for CIF, 72kbps for VGA (at 30fps).
  80   // Also turn off at very small frame sizes, to avoid too large fraction of
  81   // superblocks to be refreshed per frame. Threshold below is less than QCIF.
  82   if (rc->avg_frame_bandwidth < factor * number_blocks ||
  83       number_blocks / 64 < 5)
  84     return 0;
  85   else
  86     return 1;
  87 }
  88
  89 // Check if this coding block, of size bsize, should be considered for refresh
  90 // (lower-qp coding). Decision can be based on various factors, such as
  91 // size of the coding block (i.e., below min_block size rejected), coding
  92 // mode, and rate/distortion.
  93 static int candidate_refresh_aq(const CYCLIC_REFRESH *cr,
  94                                 const MB_MODE_INFO *mbmi,
  95                                 BLOCK_SIZE bsize, int use_rd) {
  96   if (use_rd) {
  97     // If projected rate is below the thresh_rate (well below target,
  98     // so undershoot expected), accept it for lower-qp coding.
  99     if (cr->projected_rate_sb < cr->thresh_rate_sb)
 100       return 1;
 101     // Otherwise, reject the block for lower-qp coding if any of the following:
 102     // 1) prediction block size is below min_block_size
 103     // 2) mode is non-zero mv and projected distortion is above thresh_dist
 104     // 3) mode is an intra-mode (we may want to allow some of this under
 105     // another thresh_dist)
 106     else if (bsize < cr->min_block_size ||
 107              (mbmi->mv[0].as_int != 0 &&
 108               cr->projected_dist_sb > cr->thresh_dist_sb) ||
 109              !is_inter_block(mbmi))
 110       return 0;
 111     else
 112       return 1;
 113   } else {
 114     // Rate/distortion not used for update.
 115     if (bsize < cr->min_block_size ||
 116         mbmi->mv[0].as_int != 0 ||
 117         !is_inter_block(mbmi))
 118       return 0;
 119     else
 120       return 1;
 121   }
 122 }
 123
 124 // Prior to coding a given prediction block, of size bsize at (mi_row, mi_col),
 125 // check if we should reset the segment_id, and update the cyclic_refresh map
 126 // and segmentation map.
 127 void vp9_cyclic_refresh_update_segment(VP9_COMP *const cpi,
 128                                        MB_MODE_INFO *const mbmi,
 129                                        int mi_row, int mi_col,
 130                                        BLOCK_SIZE bsize, int use_rd) {
 131   const VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
 132   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
 133   const int bw = num_8x8_blocks_wide_lookup[bsize];
 134   const int bh = num_8x8_blocks_high_lookup[bsize];
 135   const int xmis = MIN(cm->mi_cols - mi_col, bw);
 136   const int ymis = MIN(cm->mi_rows - mi_row, bh);
 137   const int block_index = mi_row * cm->mi_cols + mi_col;
 138   const int refresh_this_block = cpi->mb.in_static_area ||
 139                                  candidate_refresh_aq(cr, mbmi, bsize, use_rd);
 140   // Default is to not update the refresh map.
 141   int new_map_value = cr->map[block_index];
 142   int x = 0; int y = 0;
 143
 144   // Check if we should reset the segment_id for this block.
 145   if (mbmi->segment_id > 0 && !refresh_this_block)
 146     mbmi->segment_id = 0;
 147
 148   // Update the cyclic refresh map, to be used for setting segmentation map
 149   // for the next frame. If the block  will be refreshed this frame, mark it
 150   // as clean. The magnitude of the -ve influences how long before we consider
 151   // it for refresh again.
 152   if (mbmi->segment_id == 1) {
 153     new_map_value = -cr->time_for_refresh;
 154   } else if (refresh_this_block) {
 155     // Else if it is accepted as candidate for refresh, and has not already
 156     // been refreshed (marked as 1) then mark it as a candidate for cleanup
 157     // for future time (marked as 0), otherwise don't update it.
 158     if (cr->map[block_index] == 1)
 159       new_map_value = 0;
 160   } else {
 161     // Leave it marked as block that is not candidate for refresh.
 162     new_map_value = 1;
 163   }
 164   // Update entries in the cyclic refresh map with new_map_value, and
 165   // copy mbmi->segment_id into global segmentation map.
 166   for (y = 0; y < ymis; y++)
 167     for (x = 0; x < xmis; x++) {
 168       cr->map[block_index + y * cm->mi_cols + x] = new_map_value;
 169       cpi->segmentation_map[block_index + y * cm->mi_cols + x] =
 170           mbmi->segment_id;
 171     }
 172   // Keep track of actual number (in units of 8x8) of blocks in segment 1 used
 173   // for encoding this frame.
 174   if (mbmi->segment_id)
 175     cr->num_seg_blocks += xmis * ymis;
 176 }
 177
 178 // Setup cyclic background refresh: set delta q and segmentation map.
 179 void vp9_cyclic_refresh_setup(VP9_COMP *const cpi) {
 180   VP9_COMMON *const cm = &cpi->common;
 181   const RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
 182   CYCLIC_REFRESH *const cr = cpi->cyclic_refresh;
 183   struct segmentation *const seg = &cm->seg;
 184   unsigned char *const seg_map = cpi->segmentation_map;
 185   const int apply_cyclic_refresh  = apply_cyclic_refresh_bitrate(cm, rc);
 186   // Don't apply refresh on key frame or enhancement layer frames.
 187   if (!apply_cyclic_refresh ||
 188       (cm->frame_type == KEY_FRAME) ||
 189       (cpi->svc.temporal_layer_id > 0)) {
 190     // Set segmentation map to 0 and disable.
 191     vpx_memset(seg_map, 0, cm->mi_rows * cm->mi_cols);
 192     vp9_disable_segmentation(&cm->seg);
 193     if (cm->frame_type == KEY_FRAME)
 194       cr->sb_index = 0;
 195     return;
 196   } else {
 197     int qindex_delta = 0;
 198     int i, block_count, bl_index, sb_rows, sb_cols, sbs_in_frame;
 199     int xmis, ymis, x, y, qindex2;
 200
 201     // Rate target ratio to set q delta.
 202     const float rate_ratio_qdelta = 2.0;
 203     const double q = vp9_convert_qindex_to_q(cm->base_qindex, cm->bit_depth);
 204     vp9_clear_system_state();
 205     // Some of these parameters may be set via codec-control function later.
 206     cr->max_sbs_perframe = 10;
 207     cr->max_qdelta_perc = 50;
 208     cr->min_block_size = BLOCK_8X8;
 209     cr->time_for_refresh = 1;
 210     // Set rate threshold to some fraction of target (and scaled by 256).
 211     cr->thresh_rate_sb = (rc->sb64_target_rate * 256) >> 2;
 212     // Distortion threshold, quadratic in Q, scale factor to be adjusted.
 213     cr->thresh_dist_sb = 8 * (int)(q * q);
 214     if (cpi->sf.use_nonrd_pick_mode) {
 215       // May want to be more conservative with thresholds in non-rd mode for now
 216       // as rate/distortion are derived from model based on prediction residual.
 217       cr->thresh_rate_sb = (rc->sb64_target_rate * 256) >> 3;
 218       cr->thresh_dist_sb = 4 * (int)(q * q);
 219     }
 220
 221     cr->num_seg_blocks = 0;
 222     // Set up segmentation.
 223     // Clear down the segment map.
 224     vpx_memset(seg_map, 0, cm->mi_rows * cm->mi_cols);
 225     vp9_enable_segmentation(&cm->seg);
 226     vp9_clearall_segfeatures(seg);
 227     // Select delta coding method.
 228     seg->abs_delta = SEGMENT_DELTADATA;
 229
 230     // Note: setting temporal_update has no effect, as the seg-map coding method
 231     // (temporal or spatial) is determined in vp9_choose_segmap_coding_method(),
 232     // based on the coding cost of each method. For error_resilient mode on the
 233     // last_frame_seg_map is set to 0, so if temporal coding is used, it is
 234     // relative to 0 previous map.
 235     // seg->temporal_update = 0;
 236
 237     // Segment 0 "Q" feature is disabled so it defaults to the baseline Q.
 238     vp9_disable_segfeature(seg, 0, SEG_LVL_ALT_Q);
 239     // Use segment 1 for in-frame Q adjustment.
 240     vp9_enable_segfeature(seg, 1, SEG_LVL_ALT_Q);
 241
 242     // Set the q delta for segment 1.
 243     qindex_delta = vp9_compute_qdelta_by_rate(rc, cm->frame_type,
 244                                               cm->base_qindex,
 245                                               rate_ratio_qdelta,
 246                                               cm->bit_depth);
 247     // TODO(marpan): Incorporate the actual-vs-target rate over/undershoot from
 248     // previous encoded frame.
 249     if (-qindex_delta > cr->max_qdelta_perc * cm->base_qindex / 100)
 250       qindex_delta = -cr->max_qdelta_perc * cm->base_qindex / 100;
 251
 252     // Compute rd-mult for segment 1.
 253     qindex2 = clamp(cm->base_qindex + cm->y_dc_delta_q + qindex_delta, 0, MAXQ);
 254     cr->rdmult = vp9_compute_rd_mult(cpi, qindex2);
 255
 256     vp9_set_segdata(seg, 1, SEG_LVL_ALT_Q, qindex_delta);
 257
 258     sb_cols = (cm->mi_cols + MI_BLOCK_SIZE - 1) / MI_BLOCK_SIZE;
 259     sb_rows = (cm->mi_rows + MI_BLOCK_SIZE - 1) / MI_BLOCK_SIZE;
 260     sbs_in_frame = sb_cols * sb_rows;
 261     // Number of target superblocks to get the q delta (segment 1).
 262     block_count = cr->max_sbs_perframe * sbs_in_frame / 100;
 263     // Set the segmentation map: cycle through the superblocks, starting at
 264     // cr->mb_index, and stopping when either block_count blocks have been found
 265     // to be refreshed, or we have passed through whole frame.
 266     assert(cr->sb_index < sbs_in_frame);
 267     i = cr->sb_index;
 268     do {
 269       int sum_map = 0;
 270       // Get the mi_row/mi_col corresponding to superblock index i.
 271       int sb_row_index = (i / sb_cols);
 272       int sb_col_index = i - sb_row_index * sb_cols;
 273       int mi_row = sb_row_index * MI_BLOCK_SIZE;
 274       int mi_col = sb_col_index * MI_BLOCK_SIZE;
 275       assert(mi_row >= 0 && mi_row < cm->mi_rows);
 276       assert(mi_col >= 0 && mi_col < cm->mi_cols);
 277       bl_index = mi_row * cm->mi_cols + mi_col;
 278       // Loop through all 8x8 blocks in superblock and update map.
 279       xmis = MIN(cm->mi_cols - mi_col,
 280                  num_8x8_blocks_wide_lookup[BLOCK_64X64]);
 281       ymis = MIN(cm->mi_rows - mi_row,
 282                  num_8x8_blocks_high_lookup[BLOCK_64X64]);
 283       for (y = 0; y < ymis; y++) {
 284         for (x = 0; x < xmis; x++) {
 285           const int bl_index2 = bl_index + y * cm->mi_cols + x;
 286           // If the block is as a candidate for clean up then mark it
 287           // for possible boost/refresh (segment 1). The segment id may get
 288           // reset to 0 later if block gets coded anything other than ZEROMV.
 289           if (cr->map[bl_index2] == 0) {
 290             seg_map[bl_index2] = 1;
 291             sum_map++;
 292           } else if (cr->map[bl_index2] < 0) {
 293             cr->map[bl_index2]++;
 294           }
 295         }
 296       }
 297       // Enforce constant segment over superblock.
 298       // If segment is partial over superblock, reset to either all 1 or 0.
 299       if (sum_map > 0 && sum_map < xmis * ymis) {
 300         const int new_value = (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] = new_value;
 304       }
 305       i++;
 306       if (i == sbs_in_frame) {
 307         i = 0;
 308       }
 309       if (sum_map >= xmis * ymis /2)
 310         block_count--;
 311     } while (block_count && i != cr->sb_index);
 312     cr->sb_index = i;
 313   }
 314 }
 315
 316 void vp9_cyclic_refresh_set_rate_and_dist_sb(CYCLIC_REFRESH *cr,
 317                                              int64_t rate_sb, int64_t dist_sb) {
 318   cr->projected_rate_sb = rate_sb;
 319   cr->projected_dist_sb = dist_sb;
 320 }
 321
 322 int vp9_cyclic_refresh_get_rdmult(const CYCLIC_REFRESH *cr) {
 323   return cr->rdmult;
 324 }