Quelle  pass2_strategy.c   Sprache: C

/*
 * Copyright (c) 2019, Alliance for Open Media. All rights reserved.
 *
 * This source code is subject to the terms of the BSD 2 Clause License and
 * the Alliance for Open Media Patent License 1.0. If the BSD 2 Clause License
 * was not distributed with this source code in the LICENSE file, you can
 * obtain it at www.aomedia.org/license/software. If the Alliance for Open
 * Media Patent License 1.0 was not distributed with this source code in the
 * PATENTS file, you can obtain it at www.aomedia.org/license/patent.
 */

/*!\defgroup gf_group_algo Golden Frame Group
 * \ingroup high_level_algo
 * Algorithms regarding determining the length of GF groups and defining GF
 * group structures.
 * @{
 */
/*! @} - end defgroup gf_group_algo */

#include <assert.h>
#include <limits.h>
#include <stdint.h>

#include "aom_dsp/aom_dsp_common.h"
#include "aom_mem/aom_mem.h"
#include "config/aom_config.h"
#include "config/aom_scale_rtcd.h"

#include "aom/aom_codec.h"
#include "aom/aom_encoder.h"

#include "av1/common/av1_common_int.h"

#include "av1/encoder/encoder.h"
#include "av1/encoder/firstpass.h"
#include "av1/encoder/gop_structure.h"
#include "av1/encoder/pass2_strategy.h"
#include "av1/encoder/ratectrl.h"
#include "av1/encoder/rc_utils.h"
#include "av1/encoder/temporal_filter.h"
#if CONFIG_THREE_PASS
#include "av1/encoder/thirdpass.h"
#endif
#include "av1/encoder/tpl_model.h"
#include "av1/encoder/encode_strategy.h"

#define DEFAULT_KF_BOOST 2300
#define DEFAULT_GF_BOOST 2000
#define GROUP_ADAPTIVE_MAXQ 1

static void init_gf_stats(GF_GROUP_STATS *gf_stats);
#if CONFIG_THREE_PASS
static int define_gf_group_pass3(AV1_COMP *cpi, EncodeFrameParams *frame_params,
                                 int is_final_pass);
#endif

// Calculate an active area of the image that discounts formatting
// bars and partially discounts other 0 energy areas.
#define MIN_ACTIVE_AREA 0.5
#define MAX_ACTIVE_AREA 1.0
static double calculate_active_area(const FRAME_INFO *frame_info,
                                    const FIRSTPASS_STATS *this_frame) {
  const double active_pct =
      1.0 -
      ((this_frame->intra_skip_pct / 2) +
       ((this_frame->inactive_zone_rows * 2) / (double)frame_info->mb_rows));
  return fclamp(active_pct, MIN_ACTIVE_AREA, MAX_ACTIVE_AREA);
}

// Calculate a modified Error used in distributing bits between easier and
// harder frames.
#define ACT_AREA_CORRECTION 0.5
static double calculate_modified_err_new(const FRAME_INFO *frame_info,
                                         const FIRSTPASS_STATS *total_stats,
                                         const FIRSTPASS_STATS *this_stats,
                                         int vbrbias, double modified_error_min,
                                         double modified_error_max) {
  if (total_stats == NULL) {
    return 0;
  }
  const double av_weight = total_stats->weight / total_stats->count;
  const double av_err =
      (total_stats->coded_error * av_weight) / total_stats->count;
  double modified_error =
      av_err * pow(this_stats->coded_error * this_stats->weight /
                       DOUBLE_DIVIDE_CHECK(av_err),
                   vbrbias / 100.0);

  // Correction for active area. Frames with a reduced active area
  // (eg due to formatting bars) have a higher error per mb for the
  // remaining active MBs. The correction here assumes that coding
  // 0.5N blocks of complexity 2X is a little easier than coding N
  // blocks of complexity X.
  modified_error *=
      pow(calculate_active_area(frame_info, this_stats), ACT_AREA_CORRECTION);

  return fclamp(modified_error, modified_error_min, modified_error_max);
}

static double calculate_modified_err(const FRAME_INFO *frame_info,
                                     const TWO_PASS *twopass,
                                     const AV1EncoderConfig *oxcf,
                                     const FIRSTPASS_STATS *this_frame) {
  const FIRSTPASS_STATS *total_stats = twopass->stats_buf_ctx->total_stats;
  return calculate_modified_err_new(
      frame_info, total_stats, this_frame, oxcf->rc_cfg.vbrbias,
      twopass->modified_error_min, twopass->modified_error_max);
}

// Resets the first pass file to the given position using a relative seek from
// the current position.
static void reset_fpf_position(TWO_PASS_FRAME *p_frame,
                               const FIRSTPASS_STATS *position) {
  p_frame->stats_in = position;
}

static int input_stats(TWO_PASS *p, TWO_PASS_FRAME *p_frame,
                       FIRSTPASS_STATS *fps) {
  if (p_frame->stats_in >= p->stats_buf_ctx->stats_in_end) return EOF;

  *fps = *p_frame->stats_in;
  ++p_frame->stats_in;
  return 1;
}

static int input_stats_lap(TWO_PASS *p, TWO_PASS_FRAME *p_frame,
                           FIRSTPASS_STATS *fps) {
  if (p_frame->stats_in >= p->stats_buf_ctx->stats_in_end) return EOF;

  *fps = *p_frame->stats_in;
  /* Move old stats[0] out to accommodate for next frame stats  */
  memmove(p->frame_stats_arr[0], p->frame_stats_arr[1],
          (p->stats_buf_ctx->stats_in_end - p_frame->stats_in - 1) *
              sizeof(FIRSTPASS_STATS));
  p->stats_buf_ctx->stats_in_end--;
  return 1;
}

// Read frame stats at an offset from the current position.
static const FIRSTPASS_STATS *read_frame_stats(const TWO_PASS *p,
                                               const TWO_PASS_FRAME *p_frame,
                                               int offset) {
  if ((offset >= 0 &&
       p_frame->stats_in + offset >= p->stats_buf_ctx->stats_in_end) ||
      (offset < 0 &&
       p_frame->stats_in + offset < p->stats_buf_ctx->stats_in_start)) {
    return NULL;
  }

  return &p_frame->stats_in[offset];
}

// This function returns the maximum target rate per frame.
static int frame_max_bits(const RATE_CONTROL *rc,
                          const AV1EncoderConfig *oxcf) {
  int64_t max_bits = ((int64_t)rc->avg_frame_bandwidth *
                      (int64_t)oxcf->rc_cfg.vbrmax_section) /
                     100;
  if (max_bits < 0)
    max_bits = 0;
  else if (max_bits > rc->max_frame_bandwidth)
    max_bits = rc->max_frame_bandwidth;

  return (int)max_bits;
}

// Based on history adjust expectations of bits per macroblock.
static void twopass_update_bpm_factor(AV1_COMP *cpi, int rate_err_tol) {
  TWO_PASS *const twopass = &cpi->ppi->twopass;
  const PRIMARY_RATE_CONTROL *const p_rc = &cpi->ppi->p_rc;

  // Based on recent history adjust expectations of bits per macroblock.
  double rate_err_factor = 1.0;
  const double adj_limit = AOMMAX(0.2, (double)(100 - rate_err_tol) / 200.0);
  const double min_fac = 1.0 - adj_limit;
  const double max_fac = 1.0 + adj_limit;

#if CONFIG_THREE_PASS
  if (cpi->third_pass_ctx && cpi->third_pass_ctx->frame_info_count > 0) {
    int64_t actual_bits = 0;
    int64_t target_bits = 0;
    double factor = 0.0;
    int count = 0;
    for (int i = 0; i < cpi->third_pass_ctx->frame_info_count; i++) {
      actual_bits += cpi->third_pass_ctx->frame_info[i].actual_bits;
      target_bits += cpi->third_pass_ctx->frame_info[i].bits_allocated;
      factor += cpi->third_pass_ctx->frame_info[i].bpm_factor;
      count++;
    }

    if (count == 0) {
      factor = 1.0;
    } else {
      factor /= (double)count;
    }

    factor *= (double)actual_bits / DOUBLE_DIVIDE_CHECK((double)target_bits);

    if ((twopass->bpm_factor <= 1 && factor < twopass->bpm_factor) ||
        (twopass->bpm_factor >= 1 && factor > twopass->bpm_factor)) {
      twopass->bpm_factor = factor;
      twopass->bpm_factor =
          AOMMAX(min_fac, AOMMIN(max_fac, twopass->bpm_factor));
    }
  }
#endif  // CONFIG_THREE_PASS

  int err_estimate = p_rc->rate_error_estimate;
  int64_t total_actual_bits = p_rc->total_actual_bits;
  double rolling_arf_group_actual_bits =
      (double)twopass->rolling_arf_group_actual_bits;
  double rolling_arf_group_target_bits =
      (double)twopass->rolling_arf_group_target_bits;

#if CONFIG_FPMT_TEST
  const int is_parallel_frame =
      cpi->ppi->gf_group.frame_parallel_level[cpi->gf_frame_index] > 0 ? 1 : 0;
  const int simulate_parallel_frame =
      cpi->ppi->fpmt_unit_test_cfg == PARALLEL_SIMULATION_ENCODE
          ? is_parallel_frame
          : 0;
  total_actual_bits = simulate_parallel_frame ? p_rc->temp_total_actual_bits
                                              : p_rc->total_actual_bits;
  rolling_arf_group_target_bits =
      (double)(simulate_parallel_frame
                   ? p_rc->temp_rolling_arf_group_target_bits
                   : twopass->rolling_arf_group_target_bits);
  rolling_arf_group_actual_bits =
      (double)(simulate_parallel_frame
                   ? p_rc->temp_rolling_arf_group_actual_bits
                   : twopass->rolling_arf_group_actual_bits);
  err_estimate = simulate_parallel_frame ? p_rc->temp_rate_error_estimate
                                         : p_rc->rate_error_estimate;
#endif

  if ((p_rc->bits_off_target && total_actual_bits > 0) &&
      (rolling_arf_group_target_bits >= 1.0)) {
    if (rolling_arf_group_actual_bits > rolling_arf_group_target_bits) {
      double error_fraction =
          (rolling_arf_group_actual_bits - rolling_arf_group_target_bits) /
          rolling_arf_group_target_bits;
      error_fraction = (error_fraction > 1.0) ? 1.0 : error_fraction;
      rate_err_factor = 1.0 + error_fraction;
    } else {
      double error_fraction =
          (rolling_arf_group_target_bits - rolling_arf_group_actual_bits) /
          rolling_arf_group_target_bits;
      rate_err_factor = 1.0 - error_fraction;
    }

    rate_err_factor = AOMMAX(min_fac, AOMMIN(max_fac, rate_err_factor));
  }

  // Is the rate control trending in the right direction. Only make
  // an adjustment if things are getting worse.
  if ((rate_err_factor < 1.0 && err_estimate >= 0) ||
      (rate_err_factor > 1.0 && err_estimate <= 0)) {
    twopass->bpm_factor *= rate_err_factor;
    twopass->bpm_factor = AOMMAX(min_fac, AOMMIN(max_fac, twopass->bpm_factor));
  }
}

static const double q_div_term[(QINDEX_RANGE >> 4) + 1] = {
  18.0, 30.0, 38.0, 44.0, 47.0, 50.0, 52.0, 54.0, 56.0,
  58.0, 60.0, 62.0, 64.0, 66.0, 68.0, 70.0, 72.0
};

#define EPMB_SCALER 1250000
static double calc_correction_factor(double err_per_mb, int q) {
  double power_term = 0.90;
  const int index = q >> 4;
  const double divisor =
      q_div_term[index] +
      (((q_div_term[index + 1] - q_div_term[index]) * (q % 16)) / 16.0);
  double error_term = EPMB_SCALER * pow(err_per_mb, power_term);
  return error_term / divisor;
}

// Similar to find_qindex_by_rate() function in ratectrl.c, but includes
// calculation of a correction_factor.
static int find_qindex_by_rate_with_correction(uint64_t desired_bits_per_mb,
                                               aom_bit_depth_t bit_depth,
                                               double error_per_mb,
                                               double group_weight_factor,
                                               int best_qindex,
                                               int worst_qindex) {
  assert(best_qindex <= worst_qindex);
  int low = best_qindex;
  int high = worst_qindex;

  while (low < high) {
    const int mid = (low + high) >> 1;
    const double q_factor = calc_correction_factor(error_per_mb, mid);
    const double q = av1_convert_qindex_to_q(mid, bit_depth);
    const uint64_t mid_bits_per_mb =
        (uint64_t)((q_factor * group_weight_factor) / q);

    if (mid_bits_per_mb > desired_bits_per_mb) {
      low = mid + 1;
    } else {
      high = mid;
    }
  }
  return low;
}

/*!\brief Choose a target maximum Q for a group of frames
 *
 * \ingroup rate_control
 *
 * This function is used to estimate a suitable maximum Q for a
 * group of frames. Inititally it is called to get a crude estimate
 * for the whole clip. It is then called for each ARF/GF group to get
 * a revised estimate for that group.
 *
 * \param[in]    cpi                 Top-level encoder structure
 * \param[in]    av_frame_err        The average per frame coded error score
 *                                   for frames making up this section/group.
 * \param[in]    inactive_zone       Used to mask off /ignore part of the
 *                                   frame. The most common use case is where
 *                                   a wide format video (e.g. 16:9) is
 *                                   letter-boxed into a more square format.
 *                                   Here we want to ignore the bands at the
 *                                   top and bottom.
 * \param[in]    av_target_bandwidth The target bits per frame
 *
 * \return The maximum Q for frames in the group.
 */
static int get_twopass_worst_quality(AV1_COMP *cpi, const double av_frame_err,
                                     double inactive_zone,
                                     int av_target_bandwidth) {
  const RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
  const AV1EncoderConfig *const oxcf = &cpi->oxcf;
  const RateControlCfg *const rc_cfg = &oxcf->rc_cfg;
  inactive_zone = fclamp(inactive_zone, 0.0, 0.9999);

  if (av_target_bandwidth <= 0) {
    return rc->worst_quality;  // Highest value allowed
  } else {
    const int num_mbs = (oxcf->resize_cfg.resize_mode != RESIZE_NONE)
                            ? cpi->initial_mbs
                            : cpi->common.mi_params.MBs;
    const int active_mbs = AOMMAX(1, num_mbs - (int)(num_mbs * inactive_zone));
    const double av_err_per_mb = av_frame_err / (1.0 - inactive_zone);
    const uint64_t target_norm_bits_per_mb =
        ((uint64_t)av_target_bandwidth << BPER_MB_NORMBITS) / active_mbs;
    int rate_err_tol = AOMMIN(rc_cfg->under_shoot_pct, rc_cfg->over_shoot_pct);
    const double size_factor =
        (active_mbs < 500) ? 0.925 : ((active_mbs > 3000) ? 1.05 : 1.0);
    const double speed_factor =
        AOMMIN(1.02, (0.975 + (0.005 * cpi->oxcf.speed)));

    // Update bpm correction factor based on previous GOP rate error.
    twopass_update_bpm_factor(cpi, rate_err_tol);

    // Try and pick a max Q that will be high enough to encode the
    // content at the given rate.
    int q = find_qindex_by_rate_with_correction(
        target_norm_bits_per_mb, cpi->common.seq_params->bit_depth,
        av_err_per_mb,
        cpi->ppi->twopass.bpm_factor * speed_factor * size_factor,
        rc->best_quality, rc->worst_quality);

    // Restriction on active max q for constrained quality mode.
    if (rc_cfg->mode == AOM_CQ) q = AOMMAX(q, rc_cfg->cq_level);
    return q;
  }
}

#define INTRA_PART 0.005
#define DEFAULT_DECAY_LIMIT 0.75
#define LOW_SR_DIFF_TRHESH 0.01
#define NCOUNT_FRAME_II_THRESH 5.0
#define LOW_CODED_ERR_PER_MB 0.01

/* This function considers how the quality of prediction may be deteriorating
 * with distance. It comapres the coded error for the last frame and the
 * second reference frame (usually two frames old) and also applies a factor
 * based on the extent of INTRA coding.
 *
 * The decay factor is then used to reduce the contribution of frames further
 * from the alt-ref or golden frame, to the bitframe boost calculation for that
 * alt-ref or golden frame.
 */
static double get_sr_decay_rate(const FIRSTPASS_STATS *frame) {
  double sr_diff = (frame->sr_coded_error - frame->coded_error);
  double sr_decay = 1.0;
  double modified_pct_inter;
  double modified_pcnt_intra;

  modified_pct_inter = frame->pcnt_inter;
  if ((frame->coded_error > LOW_CODED_ERR_PER_MB) &&
      ((frame->intra_error / DOUBLE_DIVIDE_CHECK(frame->coded_error)) <
       (double)NCOUNT_FRAME_II_THRESH)) {
    modified_pct_inter = frame->pcnt_inter - frame->pcnt_neutral;
  }
  modified_pcnt_intra = 100 * (1.0 - modified_pct_inter);

  if ((sr_diff > LOW_SR_DIFF_TRHESH)) {
    double sr_diff_part = ((sr_diff * 0.25) / frame->intra_error);
    sr_decay = 1.0 - sr_diff_part - (INTRA_PART * modified_pcnt_intra);
  }
  return AOMMAX(sr_decay, DEFAULT_DECAY_LIMIT);
}

// This function gives an estimate of how badly we believe the prediction
// quality is decaying from frame to frame.
static double get_zero_motion_factor(const FIRSTPASS_STATS *frame) {
  const double zero_motion_pct = frame->pcnt_inter - frame->pcnt_motion;
  double sr_decay = get_sr_decay_rate(frame);
  return AOMMIN(sr_decay, zero_motion_pct);
}

#define DEFAULT_ZM_FACTOR 0.5
static double get_prediction_decay_rate(const FIRSTPASS_STATS *frame_stats) {
  const double sr_decay_rate = get_sr_decay_rate(frame_stats);
  double zero_motion_factor =
      DEFAULT_ZM_FACTOR * (frame_stats->pcnt_inter - frame_stats->pcnt_motion);

  // Clamp value to range 0.0 to 1.0
  // This should happen anyway if input values are sensibly clamped but checked
  // here just in case.
  if (zero_motion_factor > 1.0)
    zero_motion_factor = 1.0;
  else if (zero_motion_factor < 0.0)
    zero_motion_factor = 0.0;

  return AOMMAX(zero_motion_factor,
                (sr_decay_rate + ((1.0 - sr_decay_rate) * zero_motion_factor)));
}

// Function to test for a condition where a complex transition is followed
// by a static section. For example in slide shows where there is a fade
// between slides. This is to help with more optimal kf and gf positioning.
static int detect_transition_to_still(const FIRSTPASS_INFO *firstpass_info,
                                      int next_stats_index,
                                      const int min_gf_interval,
                                      const int frame_interval,
                                      const int still_interval,
                                      const double loop_decay_rate,
                                      const double last_decay_rate) {
  // Break clause to detect very still sections after motion
  // For example a static image after a fade or other transition
  // instead of a clean scene cut.
  if (frame_interval > min_gf_interval && loop_decay_rate >= 0.999 &&
      last_decay_rate < 0.9) {
    int stats_left =
        av1_firstpass_info_future_count(firstpass_info, next_stats_index);
    if (stats_left >= still_interval) {
      int j;
      // Look ahead a few frames to see if static condition persists...
      for (j = 0; j < still_interval; ++j) {
        const FIRSTPASS_STATS *stats =
            av1_firstpass_info_peek(firstpass_info, next_stats_index + j);
        if (stats->pcnt_inter - stats->pcnt_motion < 0.999) break;
      }
      // Only if it does do we signal a transition to still.
      return j == still_interval;
    }
  }
  return 0;
}

// This function detects a flash through the high relative pcnt_second_ref
// score in the frame following a flash frame. The offset passed in should
// reflect this.
static int detect_flash(const TWO_PASS *twopass,
                        const TWO_PASS_FRAME *twopass_frame, const int offset) {
  const FIRSTPASS_STATS *const next_frame =
      read_frame_stats(twopass, twopass_frame, offset);

  // What we are looking for here is a situation where there is a
  // brief break in prediction (such as a flash) but subsequent frames
  // are reasonably well predicted by an earlier (pre flash) frame.
  // The recovery after a flash is indicated by a high pcnt_second_ref
  // compared to pcnt_inter.
  return next_frame != NULL &&
         next_frame->pcnt_second_ref > next_frame->pcnt_inter &&
         next_frame->pcnt_second_ref >= 0.5;
}

// Update the motion related elements to the GF arf boost calculation.
static void accumulate_frame_motion_stats(const FIRSTPASS_STATS *stats,
                                          GF_GROUP_STATS *gf_stats, double f_w,
                                          double f_h) {
  const double pct = stats->pcnt_motion;

  // Accumulate Motion In/Out of frame stats.
  gf_stats->this_frame_mv_in_out = stats->mv_in_out_count * pct;
  gf_stats->mv_in_out_accumulator += gf_stats->this_frame_mv_in_out;
  gf_stats->abs_mv_in_out_accumulator += fabs(gf_stats->this_frame_mv_in_out);

  // Accumulate a measure of how uniform (or conversely how random) the motion
  // field is (a ratio of abs(mv) / mv).
  if (pct > 0.05) {
    const double mvr_ratio =
        fabs(stats->mvr_abs) / DOUBLE_DIVIDE_CHECK(fabs(stats->MVr));
    const double mvc_ratio =
        fabs(stats->mvc_abs) / DOUBLE_DIVIDE_CHECK(fabs(stats->MVc));

    gf_stats->mv_ratio_accumulator +=
        pct *
        (mvr_ratio < stats->mvr_abs * f_h ? mvr_ratio : stats->mvr_abs * f_h);
    gf_stats->mv_ratio_accumulator +=
        pct *
        (mvc_ratio < stats->mvc_abs * f_w ? mvc_ratio : stats->mvc_abs * f_w);
  }
}

static void accumulate_this_frame_stats(const FIRSTPASS_STATS *stats,
                                        const double mod_frame_err,
                                        GF_GROUP_STATS *gf_stats) {
  gf_stats->gf_group_err += mod_frame_err;
#if GROUP_ADAPTIVE_MAXQ
  gf_stats->gf_group_raw_error += stats->coded_error;
#endif
  gf_stats->gf_group_skip_pct += stats->intra_skip_pct;
  gf_stats->gf_group_inactive_zone_rows += stats->inactive_zone_rows;
}

static void accumulate_next_frame_stats(const FIRSTPASS_STATS *stats,
                                        const int flash_detected,
                                        const int frames_since_key,
                                        const int cur_idx,
                                        GF_GROUP_STATS *gf_stats, int f_w,
                                        int f_h) {
  accumulate_frame_motion_stats(stats, gf_stats, f_w, f_h);
  // sum up the metric values of current gf group
  gf_stats->avg_sr_coded_error += stats->sr_coded_error;
  gf_stats->avg_pcnt_second_ref += stats->pcnt_second_ref;
  gf_stats->avg_new_mv_count += stats->new_mv_count;
  gf_stats->avg_wavelet_energy += stats->frame_avg_wavelet_energy;
  if (fabs(stats->raw_error_stdev) > 0.000001) {
    gf_stats->non_zero_stdev_count++;
    gf_stats->avg_raw_err_stdev += stats->raw_error_stdev;
  }

  // Accumulate the effect of prediction quality decay
  if (!flash_detected) {
    gf_stats->last_loop_decay_rate = gf_stats->loop_decay_rate;
    gf_stats->loop_decay_rate = get_prediction_decay_rate(stats);

    gf_stats->decay_accumulator =
        gf_stats->decay_accumulator * gf_stats->loop_decay_rate;

    // Monitor for static sections.
    if ((frames_since_key + cur_idx - 1) > 1) {
      gf_stats->zero_motion_accumulator = AOMMIN(
          gf_stats->zero_motion_accumulator, get_zero_motion_factor(stats));
    }
  }
}

static void average_gf_stats(const int total_frame, GF_GROUP_STATS *gf_stats) {
  if (total_frame) {
    gf_stats->avg_sr_coded_error /= total_frame;
    gf_stats->avg_pcnt_second_ref /= total_frame;
    gf_stats->avg_new_mv_count /= total_frame;
    gf_stats->avg_wavelet_energy /= total_frame;
  }

  if (gf_stats->non_zero_stdev_count)
    gf_stats->avg_raw_err_stdev /= gf_stats->non_zero_stdev_count;
}

#define BOOST_FACTOR 12.5
static double baseline_err_per_mb(const FRAME_INFO *frame_info) {
  unsigned int screen_area = frame_info->frame_height * frame_info->frame_width;

  // Use a different error per mb factor for calculating boost for
  //  different formats.
  if (screen_area <= 640 * 360) {
    return 500.0;
  } else {
    return 1000.0;
  }
}

static double calc_frame_boost(const PRIMARY_RATE_CONTROL *p_rc,
                               const FRAME_INFO *frame_info,
                               const FIRSTPASS_STATS *this_frame,
                               double this_frame_mv_in_out, double max_boost) {
  double frame_boost;
  const double lq = av1_convert_qindex_to_q(p_rc->avg_frame_qindex[INTER_FRAME],
                                            frame_info->bit_depth);
  const double boost_q_correction = AOMMIN((0.5 + (lq * 0.015)), 1.5);
  const double active_area = calculate_active_area(frame_info, this_frame);

  // Underlying boost factor is based on inter error ratio.
  frame_boost = AOMMAX(baseline_err_per_mb(frame_info) * active_area,
                       this_frame->intra_error * active_area) /
                DOUBLE_DIVIDE_CHECK(this_frame->coded_error);
  frame_boost = frame_boost * BOOST_FACTOR * boost_q_correction;

  // Increase boost for frames where new data coming into frame (e.g. zoom out).
  // Slightly reduce boost if there is a net balance of motion out of the frame
  // (zoom in). The range for this_frame_mv_in_out is -1.0 to +1.0.
  if (this_frame_mv_in_out > 0.0)
    frame_boost += frame_boost * (this_frame_mv_in_out * 2.0);
  // In the extreme case the boost is halved.
  else
    frame_boost += frame_boost * (this_frame_mv_in_out / 2.0);

  return AOMMIN(frame_boost, max_boost * boost_q_correction);
}

static double calc_kf_frame_boost(const PRIMARY_RATE_CONTROL *p_rc,
                                  const FRAME_INFO *frame_info,
                                  const FIRSTPASS_STATS *this_frame,
                                  double *sr_accumulator, double max_boost) {
  double frame_boost;
  const double lq = av1_convert_qindex_to_q(p_rc->avg_frame_qindex[INTER_FRAME],
                                            frame_info->bit_depth);
  const double boost_q_correction = AOMMIN((0.50 + (lq * 0.015)), 2.00);
  const double active_area = calculate_active_area(frame_info, this_frame);

  // Underlying boost factor is based on inter error ratio.
  frame_boost = AOMMAX(baseline_err_per_mb(frame_info) * active_area,
                       this_frame->intra_error * active_area) /
                DOUBLE_DIVIDE_CHECK(
                    (this_frame->coded_error + *sr_accumulator) * active_area);

  // Update the accumulator for second ref error difference.
  // This is intended to give an indication of how much the coded error is
  // increasing over time.
  *sr_accumulator += (this_frame->sr_coded_error - this_frame->coded_error);
  *sr_accumulator = AOMMAX(0.0, *sr_accumulator);

  // Q correction and scaling
  // The 40.0 value here is an experimentally derived baseline minimum.
  // This value is in line with the minimum per frame boost in the alt_ref
  // boost calculation.
  frame_boost = ((frame_boost + 40.0) * boost_q_correction);

  return AOMMIN(frame_boost, max_boost * boost_q_correction);
}

static int get_projected_gfu_boost(const PRIMARY_RATE_CONTROL *p_rc,
                                   int gfu_boost, int frames_to_project,
                                   int num_stats_used_for_gfu_boost) {
  /*
   * If frames_to_project is equal to num_stats_used_for_gfu_boost,
   * it means that gfu_boost was calculated over frames_to_project to
   * begin with(ie; all stats required were available), hence return
   * the original boost.
   */
  if (num_stats_used_for_gfu_boost >= frames_to_project) return gfu_boost;

  double min_boost_factor = sqrt(p_rc->baseline_gf_interval);
  // Get the current tpl factor (number of frames = frames_to_project).
  double tpl_factor = av1_get_gfu_boost_projection_factor(
      min_boost_factor, MAX_GFUBOOST_FACTOR, frames_to_project);
  // Get the tpl factor when number of frames = num_stats_used_for_prior_boost.
  double tpl_factor_num_stats = av1_get_gfu_boost_projection_factor(
      min_boost_factor, MAX_GFUBOOST_FACTOR, num_stats_used_for_gfu_boost);
  int projected_gfu_boost =
      (int)rint((tpl_factor * gfu_boost) / tpl_factor_num_stats);
  return projected_gfu_boost;
}

#define GF_MAX_BOOST 90.0
#define GF_MIN_BOOST 50
#define MIN_DECAY_FACTOR 0.01
int av1_calc_arf_boost(const TWO_PASS *twopass,
                       const TWO_PASS_FRAME *twopass_frame,
                       const PRIMARY_RATE_CONTROL *p_rc, FRAME_INFO *frame_info,
                       int offset, int f_frames, int b_frames,
                       int *num_fpstats_used, int *num_fpstats_required,
                       int project_gfu_boost) {
  int i;
  GF_GROUP_STATS gf_stats;
  init_gf_stats(&gf_stats);
  double boost_score = (double)NORMAL_BOOST;
  int arf_boost;
  int flash_detected = 0;
  if (num_fpstats_used) *num_fpstats_used = 0;

  // Search forward from the proposed arf/next gf position.
  for (i = 0; i < f_frames; ++i) {
    const FIRSTPASS_STATS *this_frame =
        read_frame_stats(twopass, twopass_frame, i + offset);
    if (this_frame == NULL) break;

    // Update the motion related elements to the boost calculation.
    accumulate_frame_motion_stats(this_frame, &gf_stats,
                                  frame_info->frame_width,
                                  frame_info->frame_height);

    // We want to discount the flash frame itself and the recovery
    // frame that follows as both will have poor scores.
    flash_detected = detect_flash(twopass, twopass_frame, i + offset) ||
                     detect_flash(twopass, twopass_frame, i + offset + 1);

    // Accumulate the effect of prediction quality decay.
    if (!flash_detected) {
      gf_stats.decay_accumulator *= get_prediction_decay_rate(this_frame);
      gf_stats.decay_accumulator = gf_stats.decay_accumulator < MIN_DECAY_FACTOR
                                       ? MIN_DECAY_FACTOR
                                       : gf_stats.decay_accumulator;
    }

    boost_score +=
        gf_stats.decay_accumulator *
        calc_frame_boost(p_rc, frame_info, this_frame,
                         gf_stats.this_frame_mv_in_out, GF_MAX_BOOST);
    if (num_fpstats_used) (*num_fpstats_used)++;
  }

  arf_boost = (int)boost_score;

  // Reset for backward looking loop.
  boost_score = 0.0;
  init_gf_stats(&gf_stats);
  // Search backward towards last gf position.
  for (i = -1; i >= -b_frames; --i) {
    const FIRSTPASS_STATS *this_frame =
        read_frame_stats(twopass, twopass_frame, i + offset);
    if (this_frame == NULL) break;

    // Update the motion related elements to the boost calculation.
    accumulate_frame_motion_stats(this_frame, &gf_stats,
                                  frame_info->frame_width,
                                  frame_info->frame_height);

    // We want to discount the the flash frame itself and the recovery
    // frame that follows as both will have poor scores.
    flash_detected = detect_flash(twopass, twopass_frame, i + offset) ||
                     detect_flash(twopass, twopass_frame, i + offset + 1);

    // Cumulative effect of prediction quality decay.
    if (!flash_detected) {
      gf_stats.decay_accumulator *= get_prediction_decay_rate(this_frame);
      gf_stats.decay_accumulator = gf_stats.decay_accumulator < MIN_DECAY_FACTOR
                                       ? MIN_DECAY_FACTOR
                                       : gf_stats.decay_accumulator;
    }

    boost_score +=
        gf_stats.decay_accumulator *
        calc_frame_boost(p_rc, frame_info, this_frame,
                         gf_stats.this_frame_mv_in_out, GF_MAX_BOOST);
    if (num_fpstats_used) (*num_fpstats_used)++;
  }
  arf_boost += (int)boost_score;

  if (project_gfu_boost) {
    assert(num_fpstats_required != NULL);
    assert(num_fpstats_used != NULL);
    *num_fpstats_required = f_frames + b_frames;
    arf_boost = get_projected_gfu_boost(p_rc, arf_boost, *num_fpstats_required,
                                        *num_fpstats_used);
  }

  if (arf_boost < ((b_frames + f_frames) * GF_MIN_BOOST))
    arf_boost = ((b_frames + f_frames) * GF_MIN_BOOST);

  return arf_boost;
}

// Calculate a section intra ratio used in setting max loop filter.
static int calculate_section_intra_ratio(const FIRSTPASS_STATS *begin,
                                         const FIRSTPASS_STATS *end,
                                         int section_length) {
  const FIRSTPASS_STATS *s = begin;
  double intra_error = 0.0;
  double coded_error = 0.0;
  int i = 0;

  while (s < end && i < section_length) {
    intra_error += s->intra_error;
    coded_error += s->coded_error;
    ++s;
    ++i;
  }

  return (int)(intra_error / DOUBLE_DIVIDE_CHECK(coded_error));
}

/*!\brief Calculates the bit target for this GF/ARF group
 *
 * \ingroup rate_control
 *
 * Calculates the total bits to allocate in this GF/ARF group.
 *
 * \param[in]    cpi              Top-level encoder structure
 * \param[in]    gf_group_err     Cumulative coded error score for the
 *                                frames making up this group.
 *
 * \return The target total number of bits for this GF/ARF group.
 */
static int64_t calculate_total_gf_group_bits(AV1_COMP *cpi,
                                             double gf_group_err) {
  const RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
  const PRIMARY_RATE_CONTROL *const p_rc = &cpi->ppi->p_rc;
  const TWO_PASS *const twopass = &cpi->ppi->twopass;
  const int max_bits = frame_max_bits(rc, &cpi->oxcf);
  int64_t total_group_bits;

  // Calculate the bits to be allocated to the group as a whole.
  if ((twopass->kf_group_bits > 0) && (twopass->kf_group_error_left > 0)) {
    total_group_bits = (int64_t)(twopass->kf_group_bits *
                                 (gf_group_err / twopass->kf_group_error_left));
  } else {
    total_group_bits = 0;
  }

  // Clamp odd edge cases.
  total_group_bits = (total_group_bits < 0) ? 0
                     : (total_group_bits > twopass->kf_group_bits)
                         ? twopass->kf_group_bits
                         : total_group_bits;

  // Clip based on user supplied data rate variability limit.
  if (total_group_bits > (int64_t)max_bits * p_rc->baseline_gf_interval)
    total_group_bits = (int64_t)max_bits * p_rc->baseline_gf_interval;

  return total_group_bits;
}

// Calculate the number of bits to assign to boosted frames in a group.
static int calculate_boost_bits(int frame_count, int boost,
                                int64_t total_group_bits) {
  int allocation_chunks;

  // return 0 for invalid inputs (could arise e.g. through rounding errors)
  if (!boost || (total_group_bits <= 0)) return 0;

  if (frame_count <= 0) return (int)(AOMMIN(total_group_bits, INT_MAX));

  allocation_chunks = (frame_count * 100) + boost;

  // Prevent overflow.
  if (boost > 1023) {
    int divisor = boost >> 10;
    boost /= divisor;
    allocation_chunks /= divisor;
  }

  // Calculate the number of extra bits for use in the boosted frame or frames.
  return AOMMAX((int)(((int64_t)boost * total_group_bits) / allocation_chunks),
                0);
}

// Calculate the boost factor based on the number of bits assigned, i.e. the
// inverse of calculate_boost_bits().
static int calculate_boost_factor(int frame_count, int bits,
                                  int64_t total_group_bits) {
  return (int)(100.0 * frame_count * bits / (total_group_bits - bits));
}

// Reduce the number of bits assigned to keyframe or arf if necessary, to
// prevent bitrate spikes that may break level constraints.
// frame_type: 0: keyframe; 1: arf.
static int adjust_boost_bits_for_target_level(const AV1_COMP *const cpi,
                                              RATE_CONTROL *const rc,
                                              int bits_assigned,
                                              int64_t group_bits,
                                              int frame_type) {
  const AV1_COMMON *const cm = &cpi->common;
  const SequenceHeader *const seq_params = cm->seq_params;
  PRIMARY_RATE_CONTROL *const p_rc = &cpi->ppi->p_rc;
  const int temporal_layer_id = cm->temporal_layer_id;
  const int spatial_layer_id = cm->spatial_layer_id;
  for (int index = 0; index < seq_params->operating_points_cnt_minus_1 + 1;
       ++index) {
    if (!is_in_operating_point(seq_params->operating_point_idc[index],
                               temporal_layer_id, spatial_layer_id)) {
      continue;
    }

    const AV1_LEVEL target_level =
        cpi->ppi->level_params.target_seq_level_idx[index];
    if (target_level >= SEQ_LEVELS) continue;

    assert(is_valid_seq_level_idx(target_level));

    const double level_bitrate_limit = av1_get_max_bitrate_for_level(
        target_level, seq_params->tier[0], seq_params->profile);
    const int target_bits_per_frame =
        (int)(level_bitrate_limit / cpi->framerate);
    if (frame_type == 0) {
      // Maximum bits for keyframe is 8 times the target_bits_per_frame.
      const int level_enforced_max_kf_bits = target_bits_per_frame * 8;
      if (bits_assigned > level_enforced_max_kf_bits) {
        const int frames = rc->frames_to_key - 1;
        p_rc->kf_boost = calculate_boost_factor(
            frames, level_enforced_max_kf_bits, group_bits);
        bits_assigned =
            calculate_boost_bits(frames, p_rc->kf_boost, group_bits);
      }
    } else if (frame_type == 1) {
      // Maximum bits for arf is 4 times the target_bits_per_frame.
      const int level_enforced_max_arf_bits = target_bits_per_frame * 4;
      if (bits_assigned > level_enforced_max_arf_bits) {
        p_rc->gfu_boost =
            calculate_boost_factor(p_rc->baseline_gf_interval,
                                   level_enforced_max_arf_bits, group_bits);
        bits_assigned = calculate_boost_bits(p_rc->baseline_gf_interval,
                                             p_rc->gfu_boost, group_bits);
      }
    } else {
      assert(0);
    }
  }

  return bits_assigned;
}

// Allocate bits to each frame in a GF / ARF group
static void allocate_gf_group_bits(GF_GROUP *gf_group,
                                   PRIMARY_RATE_CONTROL *const p_rc,
                                   RATE_CONTROL *const rc,
                                   int64_t gf_group_bits, int gf_arf_bits,
                                   int key_frame, int use_arf) {
  static const double layer_fraction[MAX_ARF_LAYERS + 1] = { 1.0,  0.70, 0.55,
                                                             0.60, 0.60, 1.0,
                                                             1.0 };
  int64_t total_group_bits = gf_group_bits;
  int base_frame_bits;
  const int gf_group_size = gf_group->size;
  int layer_frames[MAX_ARF_LAYERS + 1] = { 0 };

  // For key frames the frame target rate is already set and it
  // is also the golden frame.
  // === [frame_index == 0] ===
  int frame_index = !!key_frame;

  // Subtract the extra bits set aside for ARF frames from the Group Total
  if (use_arf) total_group_bits -= gf_arf_bits;

  int num_frames =
      AOMMAX(1, p_rc->baseline_gf_interval - (rc->frames_since_key == 0));
  base_frame_bits = (int)(total_group_bits / num_frames);

  // Check the number of frames in each layer in case we have a
  // non standard group length.
  int max_arf_layer = gf_group->max_layer_depth - 1;
  for (int idx = frame_index; idx < gf_group_size; ++idx) {
    if ((gf_group->update_type[idx] == ARF_UPDATE) ||
        (gf_group->update_type[idx] == INTNL_ARF_UPDATE)) {
      layer_frames[gf_group->layer_depth[idx]]++;
    }
  }

  // Allocate extra bits to each ARF layer
  int i;
  int layer_extra_bits[MAX_ARF_LAYERS + 1] = { 0 };
  assert(max_arf_layer <= MAX_ARF_LAYERS);
  for (i = 1; i <= max_arf_layer; ++i) {
    double fraction = (i == max_arf_layer) ? 1.0 : layer_fraction[i];
    layer_extra_bits[i] =
        (int)((gf_arf_bits * fraction) / AOMMAX(1, layer_frames[i]));
    gf_arf_bits -= (int)(gf_arf_bits * fraction);
  }

  // Now combine ARF layer and baseline bits to give total bits for each frame.
  int arf_extra_bits;
  for (int idx = frame_index; idx < gf_group_size; ++idx) {
    switch (gf_group->update_type[idx]) {
      case ARF_UPDATE:
      case INTNL_ARF_UPDATE:
        arf_extra_bits = layer_extra_bits[gf_group->layer_depth[idx]];
        gf_group->bit_allocation[idx] =
            (base_frame_bits > INT_MAX - arf_extra_bits)
                ? INT_MAX
                : (base_frame_bits + arf_extra_bits);
        break;
      case INTNL_OVERLAY_UPDATE:
      case OVERLAY_UPDATE: gf_group->bit_allocation[idx] = 0; break;
      default: gf_group->bit_allocation[idx] = base_frame_bits; break;
    }
  }

  // Set the frame following the current GOP to 0 bit allocation. For ARF
  // groups, this next frame will be overlay frame, which is the first frame
  // in the next GOP. For GF group, next GOP will overwrite the rate allocation.
  // Setting this frame to use 0 bit (of out the current GOP budget) will
  // simplify logics in reference frame management.
  if (gf_group_size < MAX_STATIC_GF_GROUP_LENGTH)
    gf_group->bit_allocation[gf_group_size] = 0;
}

// Returns true if KF group and GF group both are almost completely static.
static inline int is_almost_static(double gf_zero_motion, int kf_zero_motion,
                                   int is_lap_enabled) {
  if (is_lap_enabled) {
    /*
     * when LAP enabled kf_zero_motion is not reliable, so use strict
     * constraint on gf_zero_motion.
     */
    return (gf_zero_motion >= 0.999);
  } else {
    return (gf_zero_motion >= 0.995) &&
           (kf_zero_motion >= STATIC_KF_GROUP_THRESH);
  }
}

#define ARF_ABS_ZOOM_THRESH 4.4
static inline int detect_gf_cut(AV1_COMP *cpi, int frame_index, int cur_start,
                                int flash_detected, int active_max_gf_interval,
                                int active_min_gf_interval,
                                GF_GROUP_STATS *gf_stats) {
  RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
  TWO_PASS *const twopass = &cpi->ppi->twopass;
  AV1_COMMON *const cm = &cpi->common;
  // Motion breakout threshold for loop below depends on image size.
  const double mv_ratio_accumulator_thresh = (cm->height + cm->width) / 4.0;

  if (!flash_detected) {
    // Break clause to detect very still sections after motion. For example,
    // a static image after a fade or other transition.

    // TODO(angiebird): This is a temporary change, we will avoid using
    // twopass_frame.stats_in in the follow-up CL
    int index = (int)(cpi->twopass_frame.stats_in -
                      twopass->stats_buf_ctx->stats_in_start);
    if (detect_transition_to_still(&twopass->firstpass_info, index,
                                   rc->min_gf_interval, frame_index - cur_start,
                                   5, gf_stats->loop_decay_rate,
                                   gf_stats->last_loop_decay_rate)) {
      return 1;
    }
  }

  // Some conditions to breakout after min interval.
  if (frame_index - cur_start >= active_min_gf_interval &&
      // If possible don't break very close to a kf
      (rc->frames_to_key - frame_index >= rc->min_gf_interval) &&
      ((frame_index - cur_start) & 0x01) && !flash_detected &&
      (gf_stats->mv_ratio_accumulator > mv_ratio_accumulator_thresh ||
       gf_stats->abs_mv_in_out_accumulator > ARF_ABS_ZOOM_THRESH)) {
    return 1;
  }

  // If almost totally static, we will not use the the max GF length later,
  // so we can continue for more frames.
  if (((frame_index - cur_start) >= active_max_gf_interval + 1) &&
      !is_almost_static(gf_stats->zero_motion_accumulator,
                        twopass->kf_zeromotion_pct, cpi->ppi->lap_enabled)) {
    return 1;
  }
  return 0;
}

static int is_shorter_gf_interval_better(
    AV1_COMP *cpi, const EncodeFrameParams *frame_params) {
  const RATE_CONTROL *const rc = &cpi->rc;
  PRIMARY_RATE_CONTROL *const p_rc = &cpi->ppi->p_rc;
  int gop_length_decision_method = cpi->sf.tpl_sf.gop_length_decision_method;
  int shorten_gf_interval;

  av1_tpl_preload_rc_estimate(cpi, frame_params);

  if (gop_length_decision_method == 2) {
    // GF group length is decided based on GF boost and tpl stats of ARFs from
    // base layer, (base+1) layer.
    shorten_gf_interval =
        (p_rc->gfu_boost <
         p_rc->num_stats_used_for_gfu_boost * GF_MIN_BOOST * 1.4) &&
        !av1_tpl_setup_stats(cpi, 3, frame_params);
  } else {
    int do_complete_tpl = 1;
    GF_GROUP *const gf_group = &cpi->ppi->gf_group;
    int is_temporal_filter_enabled =
        (rc->frames_since_key > 0 && gf_group->arf_index > -1);

    if (gop_length_decision_method == 1) {
      // Check if tpl stats of ARFs from base layer, (base+1) layer,
      // (base+2) layer can decide the GF group length.
      int gop_length_eval = av1_tpl_setup_stats(cpi, 2, frame_params);

      if (gop_length_eval != 2) {
        do_complete_tpl = 0;
        shorten_gf_interval = !gop_length_eval;
      }
    }

    if (do_complete_tpl) {
      // Decide GF group length based on complete tpl stats.
      shorten_gf_interval = !av1_tpl_setup_stats(cpi, 1, frame_params);
      // Tpl stats is reused when the ARF is temporally filtered and GF
      // interval is not shortened.
      if (is_temporal_filter_enabled && !shorten_gf_interval) {
        cpi->skip_tpl_setup_stats = 1;
#if CONFIG_BITRATE_ACCURACY && !CONFIG_THREE_PASS
        assert(cpi->gf_frame_index == 0);
        av1_vbr_rc_update_q_index_list(&cpi->vbr_rc_info, &cpi->ppi->tpl_data,
                                       gf_group,
                                       cpi->common.seq_params->bit_depth);
#endif  // CONFIG_BITRATE_ACCURACY
      }
    }
  }
  return shorten_gf_interval;
}

#define MIN_SHRINK_LEN 6  // the minimum length of gf if we are shrinking
#define SMOOTH_FILT_LEN 7
#define HALF_FILT_LEN (SMOOTH_FILT_LEN / 2)
#define WINDOW_SIZE 7
#define HALF_WIN (WINDOW_SIZE / 2)

// Smooth filter intra_error and coded_error in firstpass stats.
// If stats[i].is_flash==1, the ith element should not be used in the filtering.
static void smooth_filter_stats(const FIRSTPASS_STATS *stats, int start_idx,
                                int last_idx, double *filt_intra_err,
                                double *filt_coded_err) {
  // A 7-tap gaussian smooth filter
  static const double smooth_filt[SMOOTH_FILT_LEN] = { 0.006, 0.061, 0.242,
                                                       0.383, 0.242, 0.061,
                                                       0.006 };
  int i, j;
  for (i = start_idx; i <= last_idx; i++) {
    double total_wt = 0;
    for (j = -HALF_FILT_LEN; j <= HALF_FILT_LEN; j++) {
      int idx = AOMMIN(AOMMAX(i + j, start_idx), last_idx);
      if (stats[idx].is_flash) continue;

      filt_intra_err[i] +=
          smooth_filt[j + HALF_FILT_LEN] * stats[idx].intra_error;
      total_wt += smooth_filt[j + HALF_FILT_LEN];
    }
    if (total_wt > 0.01) {
      filt_intra_err[i] /= total_wt;
    } else {
      filt_intra_err[i] = stats[i].intra_error;
    }
  }
  for (i = start_idx; i <= last_idx; i++) {
    double total_wt = 0;
    for (j = -HALF_FILT_LEN; j <= HALF_FILT_LEN; j++) {
      int idx = AOMMIN(AOMMAX(i + j, start_idx), last_idx);
      // Coded error involves idx and idx - 1.
      if (stats[idx].is_flash || (idx > 0 && stats[idx - 1].is_flash)) continue;

      filt_coded_err[i] +=
          smooth_filt[j + HALF_FILT_LEN] * stats[idx].coded_error;
      total_wt += smooth_filt[j + HALF_FILT_LEN];
    }
    if (total_wt > 0.01) {
      filt_coded_err[i] /= total_wt;
    } else {
      filt_coded_err[i] = stats[i].coded_error;
    }
  }
}

// Calculate gradient
static void get_gradient(const double *values, int start, int last,
                         double *grad) {
  if (start == last) {
    grad[start] = 0;
    return;
  }
  for (int i = start; i <= last; i++) {
    int prev = AOMMAX(i - 1, start);
    int next = AOMMIN(i + 1, last);
    grad[i] = (values[next] - values[prev]) / (next - prev);
  }
}

static int find_next_scenecut(const FIRSTPASS_STATS *const stats_start,
                              int first, int last) {
  // Identify unstable areas caused by scenecuts.
  // Find the max and 2nd max coded error, and the average of the rest frames.
  // If there is only one frame that yields a huge coded error, it is likely a
  // scenecut.
  double this_ratio, max_prev_ratio, max_next_ratio, max_prev_coded,
      max_next_coded;

  if (last - first == 0) return -1;

  for (int i = first; i <= last; i++) {
    if (stats_start[i].is_flash || (i > 0 && stats_start[i - 1].is_flash))
      continue;
    double temp_intra = AOMMAX(stats_start[i].intra_error, 0.01);
    this_ratio = stats_start[i].coded_error / temp_intra;
    // find the avg ratio in the preceding neighborhood
    max_prev_ratio = 0;
    max_prev_coded = 0;
    for (int j = AOMMAX(first, i - HALF_WIN); j < i; j++) {
      if (stats_start[j].is_flash || (j > 0 && stats_start[j - 1].is_flash))
        continue;
      temp_intra = AOMMAX(stats_start[j].intra_error, 0.01);
      double temp_ratio = stats_start[j].coded_error / temp_intra;
      if (temp_ratio > max_prev_ratio) {
        max_prev_ratio = temp_ratio;
      }
      if (stats_start[j].coded_error > max_prev_coded) {
        max_prev_coded = stats_start[j].coded_error;
      }
    }
    // find the avg ratio in the following neighborhood
    max_next_ratio = 0;
    max_next_coded = 0;
    for (int j = i + 1; j <= AOMMIN(i + HALF_WIN, last); j++) {
      if (stats_start[i].is_flash || (i > 0 && stats_start[i - 1].is_flash))
        continue;
      temp_intra = AOMMAX(stats_start[j].intra_error, 0.01);
      double temp_ratio = stats_start[j].coded_error / temp_intra;
      if (temp_ratio > max_next_ratio) {
        max_next_ratio = temp_ratio;
      }
      if (stats_start[j].coded_error > max_next_coded) {
        max_next_coded = stats_start[j].coded_error;
      }
    }

    if (max_prev_ratio < 0.001 && max_next_ratio < 0.001) {
      // the ratios are very small, only check a small fixed threshold
      if (this_ratio < 0.02) continue;
    } else {
      // check if this frame has a larger ratio than the neighborhood
      double max_sr = stats_start[i].sr_coded_error;
      if (i < last) max_sr = AOMMAX(max_sr, stats_start[i + 1].sr_coded_error);
      double max_sr_fr_ratio =
          max_sr / AOMMAX(stats_start[i].coded_error, 0.01);

      if (max_sr_fr_ratio > 1.2) continue;
      if (this_ratio < 2 * AOMMAX(max_prev_ratio, max_next_ratio) &&
          stats_start[i].coded_error <
              2 * AOMMAX(max_prev_coded, max_next_coded)) {
        continue;
      }
    }
    return i;
  }
  return -1;
}

// Remove the region with index next_region.
// parameter merge: 0: merge with previous; 1: merge with next; 2:
// merge with both, take type from previous if possible
// After removing, next_region will be the index of the next region.
static void remove_region(int merge, REGIONS *regions, int *num_regions,
                          int *next_region) {
  int k = *next_region;
  assert(k < *num_regions);
  if (*num_regions == 1) {
    *num_regions = 0;
    return;
  }
  if (k == 0) {
    merge = 1;
  } else if (k == *num_regions - 1) {
    merge = 0;
  }
  int num_merge = (merge == 2) ? 2 : 1;
  switch (merge) {
    case 0:
      regions[k - 1].last = regions[k].last;
      *next_region = k;
      break;
    case 1:
      regions[k + 1].start = regions[k].start;
      *next_region = k + 1;
      break;
    case 2:
      regions[k - 1].last = regions[k + 1].last;
      *next_region = k;
      break;
    default: assert(0);
  }
  *num_regions -= num_merge;
  for (k = *next_region - (merge == 1); k < *num_regions; k++) {
    regions[k] = regions[k + num_merge];
  }
}

// Insert a region in the cur_region_idx. The start and last should both be in
// the current region. After insertion, the cur_region_idx will point to the
// last region that was splitted from the original region.
static void insert_region(int start, int last, REGION_TYPES type,
                          REGIONS *regions, int *num_regions,
                          int *cur_region_idx) {
  int k = *cur_region_idx;
  REGION_TYPES this_region_type = regions[k].type;
  int this_region_last = regions[k].last;
  int num_add = (start != regions[k].start) + (last != regions[k].last);
  // move the following regions further to the back
  for (int r = *num_regions - 1; r > k; r--) {
    regions[r + num_add] = regions[r];
  }
  *num_regions += num_add;
  if (start > regions[k].start) {
    regions[k].last = start - 1;
    k++;
    regions[k].start = start;
  }
  regions[k].type = type;
  if (last < this_region_last) {
    regions[k].last = last;
    k++;
    regions[k].start = last + 1;
    regions[k].last = this_region_last;
    regions[k].type = this_region_type;
  } else {
    regions[k].last = this_region_last;
  }
  *cur_region_idx = k;
}

// Get the average of stats inside a region.
static void analyze_region(const FIRSTPASS_STATS *stats, int k,
                           REGIONS *regions) {
  int i;
  regions[k].avg_cor_coeff = 0;
  regions[k].avg_sr_fr_ratio = 0;
  regions[k].avg_intra_err = 0;
  regions[k].avg_coded_err = 0;

  int check_first_sr = (k != 0);

  for (i = regions[k].start; i <= regions[k].last; i++) {
    if (i > regions[k].start || check_first_sr) {
      double num_frames =
          (double)(regions[k].last - regions[k].start + check_first_sr);
      double max_coded_error =
          AOMMAX(stats[i].coded_error, stats[i - 1].coded_error);
      double this_ratio =
          stats[i].sr_coded_error / AOMMAX(max_coded_error, 0.001);
      regions[k].avg_sr_fr_ratio += this_ratio / num_frames;
    }

    regions[k].avg_intra_err +=
        stats[i].intra_error / (double)(regions[k].last - regions[k].start + 1);
    regions[k].avg_coded_err +=
        stats[i].coded_error / (double)(regions[k].last - regions[k].start + 1);

    regions[k].avg_cor_coeff +=
        AOMMAX(stats[i].cor_coeff, 0.001) /
        (double)(regions[k].last - regions[k].start + 1);
    regions[k].avg_noise_var +=
        AOMMAX(stats[i].noise_var, 0.001) /
        (double)(regions[k].last - regions[k].start + 1);
  }
}

// Calculate the regions stats of every region.
static void get_region_stats(const FIRSTPASS_STATS *stats, REGIONS *regions,
                             int num_regions) {
  for (int k = 0; k < num_regions; k++) {
    analyze_region(stats, k, regions);
  }
}

// Find tentative stable regions
static int find_stable_regions(const FIRSTPASS_STATS *stats,
                               const double *grad_coded, int this_start,
                               int this_last, REGIONS *regions) {
  int i, j, k = 0;
  regions[k].start = this_start;
  for (i = this_start; i <= this_last; i++) {
    // Check mean and variance of stats in a window
    double mean_intra = 0.001, var_intra = 0.001;
    double mean_coded = 0.001, var_coded = 0.001;
    int count = 0;
    for (j = -HALF_WIN; j <= HALF_WIN; j++) {
      int idx = AOMMIN(AOMMAX(i + j, this_start), this_last);
      if (stats[idx].is_flash || (idx > 0 && stats[idx - 1].is_flash)) continue;
      mean_intra += stats[idx].intra_error;
      var_intra += stats[idx].intra_error * stats[idx].intra_error;
      mean_coded += stats[idx].coded_error;
      var_coded += stats[idx].coded_error * stats[idx].coded_error;
      count++;
    }

    REGION_TYPES cur_type;
    if (count > 0) {
      mean_intra /= (double)count;
      var_intra /= (double)count;
      mean_coded /= (double)count;
      var_coded /= (double)count;
      int is_intra_stable = (var_intra / (mean_intra * mean_intra) < 1.03);
      int is_coded_stable = (var_coded / (mean_coded * mean_coded) < 1.04 &&
                             fabs(grad_coded[i]) / mean_coded < 0.05) ||
                            mean_coded / mean_intra < 0.05;
      int is_coded_small = mean_coded < 0.5 * mean_intra;
      cur_type = (is_intra_stable && is_coded_stable && is_coded_small)
                     ? STABLE_REGION
                     : HIGH_VAR_REGION;
    } else {
      cur_type = HIGH_VAR_REGION;
    }

    // mark a new region if type changes
    if (i == regions[k].start) {
      // first frame in the region
      regions[k].type = cur_type;
    } else if (cur_type != regions[k].type) {
      // Append a new region
      regions[k].last = i - 1;
      regions[k + 1].start = i;
      regions[k + 1].type = cur_type;
      k++;
    }
  }
  regions[k].last = this_last;
  return k + 1;
}

// Clean up regions that should be removed or merged.
static void cleanup_regions(REGIONS *regions, int *num_regions) {
  int k = 0;
  while (k < *num_regions) {
    if ((k > 0 && regions[k - 1].type == regions[k].type &&
         regions[k].type != SCENECUT_REGION) ||
        regions[k].last < regions[k].start) {
      remove_region(0, regions, num_regions, &k);
    } else {
      k++;
    }
  }
}

// Remove regions that are of type and shorter than length.
// Merge it with its neighboring regions.
static void remove_short_regions(REGIONS *regions, int *num_regions,
                                 REGION_TYPES type, int length) {
  int k = 0;
  while (k < *num_regions && (*num_regions) > 1) {
    if ((regions[k].last - regions[k].start + 1 < length &&
         regions[k].type == type)) {
      // merge current region with the previous and next regions
      remove_region(2, regions, num_regions, &k);
    } else {
      k++;
    }
  }
  cleanup_regions(regions, num_regions);
}

static void adjust_unstable_region_bounds(const FIRSTPASS_STATS *stats,
                                          REGIONS *regions, int *num_regions) {
  int i, j, k;
  // Remove regions that are too short. Likely noise.
  remove_short_regions(regions, num_regions, STABLE_REGION, HALF_WIN);
  remove_short_regions(regions, num_regions, HIGH_VAR_REGION, HALF_WIN);

  get_region_stats(stats, regions, *num_regions);

  // Adjust region boundaries. The thresholds are empirically obtained, but
  // overall the performance is not very sensitive to small changes to them.
  for (k = 0; k < *num_regions; k++) {
    if (regions[k].type == STABLE_REGION) continue;
    if (k > 0) {
      // Adjust previous boundary.
      // First find the average intra/coded error in the previous
      // neighborhood.
      double avg_intra_err = 0;
      const int starti = AOMMAX(regions[k - 1].last - WINDOW_SIZE + 1,
                                regions[k - 1].start + 1);
      const int lasti = regions[k - 1].last;
      int counti = 0;
      for (i = starti; i <= lasti; i++) {
        avg_intra_err += stats[i].intra_error;
        counti++;
      }
      if (counti > 0) {
        avg_intra_err = AOMMAX(avg_intra_err / (double)counti, 0.001);
        int count_coded = 0, count_grad = 0;
        for (j = lasti + 1; j <= regions[k].last; j++) {
          const int intra_close =
              fabs(stats[j].intra_error - avg_intra_err) / avg_intra_err < 0.1;
          const int coded_small = stats[j].coded_error / avg_intra_err < 0.1;
          const int coeff_close = stats[j].cor_coeff > 0.995;
          if (!coeff_close || !coded_small) count_coded--;
          if (intra_close && count_coded >= 0 && count_grad >= 0) {
            // this frame probably belongs to the previous stable region
            regions[k - 1].last = j;
            regions[k].start = j + 1;
          } else {
            break;
          }
        }
      }
    }  // if k > 0
    if (k < *num_regions - 1) {
      // Adjust next boundary.
      // First find the average intra/coded error in the next neighborhood.
      double avg_intra_err = 0;
      const int starti = regions[k + 1].start;
      const int lasti = AOMMIN(regions[k + 1].last - 1,
                               regions[k + 1].start + WINDOW_SIZE - 1);
      int counti = 0;
      for (i = starti; i <= lasti; i++) {
        avg_intra_err += stats[i].intra_error;
        counti++;
      }
      if (counti > 0) {
        avg_intra_err = AOMMAX(avg_intra_err / (double)counti, 0.001);
        // At the boundary, coded error is large, but still the frame is stable
        int count_coded = 1, count_grad = 1;
        for (j = starti - 1; j >= regions[k].start; j--) {
          const int intra_close =
              fabs(stats[j].intra_error - avg_intra_err) / avg_intra_err < 0.1;
          const int coded_small =
              stats[j + 1].coded_error / avg_intra_err < 0.1;
          const int coeff_close = stats[j].cor_coeff > 0.995;
          if (!coeff_close || !coded_small) count_coded--;
          if (intra_close && count_coded >= 0 && count_grad >= 0) {
            // this frame probably belongs to the next stable region
            regions[k + 1].start = j;
            regions[k].last = j - 1;
          } else {
            break;
          }
        }
      }
    }  // if k < *num_regions - 1
  }    // end of loop over all regions

  cleanup_regions(regions, num_regions);
  remove_short_regions(regions, num_regions, HIGH_VAR_REGION, HALF_WIN);
  get_region_stats(stats, regions, *num_regions);

  // If a stable regions has higher error than neighboring high var regions,
  // or if the stable region has a lower average correlation,
  // then it should be merged with them
  k = 0;
  while (k < *num_regions && (*num_regions) > 1) {
    if (regions[k].type == STABLE_REGION &&
        (regions[k].last - regions[k].start + 1) < 2 * WINDOW_SIZE &&
        ((k > 0 &&  // previous regions
          (regions[k].avg_coded_err > regions[k - 1].avg_coded_err * 1.01 ||
           regions[k].avg_cor_coeff < regions[k - 1].avg_cor_coeff * 0.999)) &&
         (k < *num_regions - 1 &&  // next region
          (regions[k].avg_coded_err > regions[k + 1].avg_coded_err * 1.01 ||
           regions[k].avg_cor_coeff < regions[k + 1].avg_cor_coeff * 0.999)))) {
      // merge current region with the previous and next regions
      remove_region(2, regions, num_regions, &k);
      analyze_region(stats, k - 1, regions);
    } else if (regions[k].type == HIGH_VAR_REGION &&
               (regions[k].last - regions[k].start + 1) < 2 * WINDOW_SIZE &&
               ((k > 0 &&  // previous regions
                 (regions[k].avg_coded_err <
                      regions[k - 1].avg_coded_err * 0.99 ||
                  regions[k].avg_cor_coeff >
                      regions[k - 1].avg_cor_coeff * 1.001)) &&
                (k < *num_regions - 1 &&  // next region
                 (regions[k].avg_coded_err <
                      regions[k + 1].avg_coded_err * 0.99 ||
                  regions[k].avg_cor_coeff >
                      regions[k + 1].avg_cor_coeff * 1.001)))) {
      // merge current region with the previous and next regions
      remove_region(2, regions, num_regions, &k);
      analyze_region(stats, k - 1, regions);
    } else {
      k++;
    }
  }

  remove_short_regions(regions, num_regions, STABLE_REGION, WINDOW_SIZE);
  remove_short_regions(regions, num_regions, HIGH_VAR_REGION, HALF_WIN);
}

// Identify blending regions.
static void find_blending_regions(const FIRSTPASS_STATS *stats,
                                  REGIONS *regions, int *num_regions) {
  int i, k = 0;
  // Blending regions will have large content change, therefore will have a
  // large consistent change in intra error.
  int count_stable = 0;
  while (k < *num_regions) {
    if (regions[k].type == STABLE_REGION) {
      k++;
      count_stable++;
      continue;
    }
    int dir = 0;
    int start = 0, last;
    for (i = regions[k].start; i <= regions[k].last; i++) {
      // First mark the regions that has consistent large change of intra error.
      if (k == 0 && i == regions[k].start) continue;
      if (stats[i].is_flash || (i > 0 && stats[i - 1].is_flash)) continue;
      double grad = stats[i].intra_error - stats[i - 1].intra_error;
      int large_change = fabs(grad) / AOMMAX(stats[i].intra_error, 0.01) > 0.05;
      int this_dir = 0;
      if (large_change) {
        this_dir = (grad > 0) ? 1 : -1;
      }
      // the current trend continues
      if (dir == this_dir) continue;
      if (dir != 0) {
        // Mark the end of a new large change group and add it
        last = i - 1;
        insert_region(start, last, BLENDING_REGION, regions, num_regions, &k);
      }
      dir = this_dir;
      if (k == 0 && i == regions[k].start + 1) {
        start = i - 1;
      } else {
        start = i;
      }
    }
    if (dir != 0) {
      last = regions[k].last;
      insert_region(start, last, BLENDING_REGION, regions, num_regions, &k);
    }
    k++;
  }

  // If the blending region has very low correlation, mark it as high variance
  // since we probably cannot benefit from it anyways.
  get_region_stats(stats, regions, *num_regions);
  for (k = 0; k < *num_regions; k++) {
    if (regions[k].type != BLENDING_REGION) continue;
    if (regions[k].last == regions[k].start || regions[k].avg_cor_coeff < 0.6 ||
        count_stable == 0)
      regions[k].type = HIGH_VAR_REGION;
  }
  get_region_stats(stats, regions, *num_regions);

  // It is possible for blending to result in a "dip" in intra error (first
  // decrease then increase). Therefore we need to find the dip and combine the
  // two regions.
  k = 1;
  while (k < *num_regions) {
    if (k < *num_regions - 1 && regions[k].type == HIGH_VAR_REGION) {
      // Check if this short high variance regions is actually in the middle of
      // a blending region.
      if (regions[k - 1].type == BLENDING_REGION &&
          regions[k + 1].type == BLENDING_REGION &&
          regions[k].last - regions[k].start < 3) {
        int prev_dir = (stats[regions[k - 1].last].intra_error -
                        stats[regions[k - 1].last - 1].intra_error) > 0
                           ? 1
                           : -1;
        int next_dir = (stats[regions[k + 1].last].intra_error -
                        stats[regions[k + 1].last - 1].intra_error) > 0
                           ? 1
                           : -1;
        if (prev_dir < 0 && next_dir > 0) {
          // This is possibly a mid region of blending. Check the ratios
          double ratio_thres = AOMMIN(regions[k - 1].avg_sr_fr_ratio,
                                      regions[k + 1].avg_sr_fr_ratio) *
                               0.95;
          if (regions[k].avg_sr_fr_ratio > ratio_thres) {
--> --------------------

--> maximum size reached

--> --------------------