NVIDIA FFmpeg 轉碼技術分析

所有從 Kepler 一代開始的 NVIDIA GPUs 都支持完全加速的硬件視頻編碼，而從費米一代開始的所有 GPUs 都支持完全加速的硬件視頻解碼。截至 2019 年 7 月，Kepler、Maxwell、Pascal、Volta 和 Turing 一代 GPUs 支持硬件編碼，Fermi、Kepler、Maxwell、Pascal、Volta 和 Turing 一代 GPUs 支持硬件解碼。

高質量視頻應用的處理需求對廣播和電信網絡提出了限制。消費者行為已經發生了變化，這在 OTT 視頻訂閱和實時流媒體迅速普及的趨勢中表現得很明顯。現在所有的社交媒體應用程序都在各自的平臺上加入了這一功能。隨著消費者從觀看點播視頻轉向觀看直播視頻，直播將推動手機和 Wi-Fi 的整體視頻數據流量增長。

分發給觀眾的視頻內容通常被轉換成幾個自適應比特率（ ABR ）配置文件以進行傳輸。生產中的內容可能以大量編解碼器格式之一到達，這些格式需要轉換為另一種格式以供分發或存檔。

這使得視頻轉碼成為高效視頻管道中的一個關鍵部分——無論是 1 : N 還是 M : N 配置文件。理想的轉碼解決方案需要在成本（美元/流）和能效（瓦特/流）方面具有成本效益，同時為數據中心提供具有最大吞吐量的高質量內容。視頻提供商希望降低向更多屏幕提供更多高質量內容的成本。

在各個方面生成的大量視頻內容需要對視頻編碼、解碼和轉碼進行健壯的硬件加速。讓我們看看 NVIDIA GPUs 是如何整合專用視頻處理硬件的，以及如何利用它。

NVIDIA 編解碼硬件

NVIDIA GPUs 上配備了片上硬件編碼器和解碼器單元，通常稱為 NVENC 和 NVDEC。與 CUDA 核心分開， NVENC / NVDEC 運行編碼或解碼工作負載，不會減慢同時運行的圖形或 CUDA 工作負載的執行。

NVENC 和 NVDEC 支持許多重要的編解碼編解碼器。 NVIDIA 。最新的支持矩陣可以在 GPU 上找到。

圖 1 : GPU 硬件功能

基于 FFmpeg 的硬件加速轉碼

在對視頻數據進行轉碼時，通常使用 FFmpeg
庫
。硬件加速極大地提高了工作流的性能。圖 2 顯示了 FFmpeg 轉換過程的不同元素。

圖片 2 ：使用 NVIDIA 硬件加速的 FFmpeg 流水線轉碼

FFmpeg 通過 h264_cuvid 、 hevc_cuvid 和 h264_nvenc 、 hevc_nvenc 模塊支持硬件加速解碼和編碼。從源代碼構建時激活對硬件加速的支持需要一些額外的步驟：

·
Clone FFmpeg git 存儲庫 https://git.ffmpeg.org/ffmpeg.git

·
從 NVIDIA 網站 下載并安裝兼容的驅動程序

·
下載并安裝 CUDA 工具箱

·
Clone nv-codec-headers 存儲庫 并僅使用此存儲庫作為頭進行安裝： make install

·
使用以下命令配置 FFmpeg （使用正確的 CUDA 庫路徑）：

./configure --enable-cuda --enable-cuvid
–enable-nvenc --enable-nonfree --enable-libnpp
–extra-cflags=-I/usr/local/cuda/include
–extra-ldflags=-L/usr/local/cuda/lib64

·
使用多個進程進行構建，以提高構建速度并抑制過度輸出： make -j -s

使用 FFmpeg 進行軟件 1 : 1 轉碼非常簡單：

ffmpeg -i input.mp4 -c:a copy -c:v h264-b:v 5M output.mp4

但這將是緩慢的，它只使用基于 CPU 的軟件編碼器和解碼器。使用硬件編碼器 NVENC 和解碼器 NVDEC 需要添加更多參數來告訴 ffmpeg 使用哪個編碼器和解碼器。最大化轉碼速度還意味著確保解碼后的圖像保存在 GPU 存儲器中，以便編碼器能夠有效地訪問它。

ffmpeg -vsync 0 -hwaccel cuvid -c:v
h264_cuvid -i input.mp4 -c:a copy -c:v h264_nvenc -b:v 5M output.mp4

如果沒有 -hwaccel-cuvid 選項，解碼后的原始幀將通過 PCIe 總線復制回系統內存，如圖 3 所示。稍后，相同的圖像將通過 PCIe 復制回 GPU 內存，以便在 GPU 上進行編碼。這兩個額外的傳輸由于傳輸時間而造成延遲，并將增加 PCIe 帶寬占用。

圖&& 3 ：沒有 hAccel 的內存流（& M ）

添加 -hwaccel-cuvid 選項意味著原始解碼幀將不會被復制，轉碼將更快、使用更少的系統資源，如圖 4 所示。

hwaccel 的內存流

給定 PCIe 帶寬限制，復制未壓縮的圖像數據會使 PCIe 總線迅速飽和。防止系統和 GPU 內存之間不必要的復制，使用 -hwaccel-cuvid 的吞吐量比不使用 -hwccel-cuvid 的未優化調用高出 2 倍。

處理篩選器

代碼轉換通常不僅涉及到更改輸入流的格式或比特率，還包括調整其大小。有兩個選項可用于調整 GPU 上的大小：使用 npp_scale 過濾器或 nvcuvid resize 選項。當從一個輸入到一個具有不同分辨率（ 1 : 1 轉碼）的輸出流轉碼時，可以使用 nvcuvid resize 選項。請參見下一行的示例。

ffmpeg -vsync 0 –hwaccel cuvid -c:v
h264_cuvid –resize 1280x720 -i input.mp4 -c:a copy -c:v h264_nvenc -b:v 5M
output.mp4

如果需要多個輸出分辨率（ 1 : N 轉碼），則 scale_npp 濾波器可以調整 GPU 上解碼幀的大小。通過這種方式，可以生成具有多個不同分辨率的多個輸出流，但對所有流只使用一個調整大小的步驟。關于 1 : 2 轉碼的示例，請參見下一行。

ffmpeg -vsync 0 –hwaccel cuvid -c:v
h264_cuvid -i input.mp4 \ -c:a copy –vf scale_npp=1280:720 -c:v
h264_nvenc -b:v 5M output_720.mp4 \ -c:a copy
-vf scale_npp=640:320 -c:v h264_nvenc -b:v 3M output_360.mp4

使用 -vf “scale_npp=1280:720” 將設置 scale_npp 作為解碼圖像的過濾器。

插值算法可以作為附加參數為 scale_npp 定義。默認情況下使用三次插值，但其它算法 MIG HT 會根據比例因子和圖像提供更好的結果。建議在縮小尺度時使用超級采樣算法以獲得最佳質量。示例如下：

ffmpeg -vsync 0 –hwaccel cuvid -c:v
h264_cuvid -i input.mp4 -c:a copy –vf scale_npp=1280:720:interp_algo=super -c:v
h264_nvenc -b:v 5M output_720.mp4

混合 CPU 和 GPU 處理

有時 MIG 需要混合使用 CPU 和 hwupload_cuda 處理。例如，可能需要在 CPU 上解碼，因為 -hwaccel cuvid 解碼器不支持該格式，或者 GPU 上沒有濾波器。在這種情況下，不能使用 GPU 標志。相反，需要使用 GPU 過濾器將數據從系統上傳到 GPU 內存。下面的示例中，由于未設置 -hwaccel cuvid ，在 GPU 上解碼 H . 264 流并將其下載到系統內存中。進入濾波器應用于系統存儲器中，并使用 hwupload_cuda 濾波器將處理后的圖像上傳到 GPU 存儲器。最后，使用 scale_npp 縮放圖像并在 GPU 上編碼。

ffmpeg -vsync 0 -c:v h264_cuvid -i
input.264 -vf “fade,hwupload_cuda,scale_npp=1280:720” -c:v
h264_nvenc output.264

Multi-GPU

當在一個系統中使用多個 GPUs 時，編碼和解碼工作必須顯式地分配給 GPU。 GPUs 由其索引號標識；默認情況下，所有工作都在索引為 0 的 GPU 上執行。使用以下命令獲取系統中所有 NVIDIA GPUs 及其相應的 ID 號的列表：

ffmpeg -vsync 0 -i input.mp4 -c:v h264_nvenc -gpu list -f null –

一旦理解了索引，就可以使用 -hwaccel_device 索引標志來設置解碼和編碼的活動 GPU 。在下面的例子中，工作將在索引為 1 的 GPU 上執行。

ffmpeg -vsync 0 -hwaccel cuvid -hwaccel_device 1 -c:v h264_cuvid -i input.mp4 -c:a copy -c:v h264_nvenc -b:v 5M output.mp4

優化

為了獲得最佳的吞吐量，所有的編碼器和解碼器單元都應該被盡可能地利用。 nvidia-smi 可用于生成有關 NVENC 、 NVDEC 和一般 GPU 利用率的實時信息。

nvidia-smi dmon nvidia-smi -q -d UTILIZATION

根據這些結果可以采取多種措施。如果編碼器利用率低， MIG 可以引入另一個轉碼管道，該管道使用 CPU 解碼和 NVENC 編碼來為硬件編碼器生成額外的工作負載。

使用 CPU 篩選器時， PCIe 帶寬 MIG ht 成為瓶頸。如果可能，篩選器應在 GPU 上運行。 FFmpeg 中有幾個 CUDA 過濾器，可以用作模板來實現高性能 CUDA 過濾器。

通過使用 GPU SDK 的 NVIDIA 可視化分析器分析 ffmpeg 應用程序，可以始終跟蹤主機和設備之間的 GPU 利用率和內存傳輸。只需啟動“ Run application to generateCPU and GPU
timeline ”，然后選擇帶有相關 CLI 選項的 ffmpeg 應用程序。圖 5 說明了應用程序

圖 5 ： 綠色塊顯示 CUDA 內核完成的顏色空間轉換，而黃色塊顯示主機和設備之間的內存傳輸。使用 visual profiler，用戶可以輕松地跟蹤在 GPU 上執行的操作，例如 CUDA 加速的過濾器和數據傳輸，以確保不會執行過多的內存拷貝。

通過使用 --disable-stripping CLI 選項編譯 ffmpeg 來收集 CPU – 端性能統計信息，以啟用性能分析。

這可以防止編譯器剝離函數名，以便像 Gprof 或 visual studio profiler 這樣的商品探查器可以收集性能統計信息。 CPU 在硬件加速開啟的情況下，負載水平應較低，并且大部分時間應花費在視頻代碼 SDK API 調用中，這些調用標記為“外部代碼”，因為函數名從驅動程序庫中被刪除。圖 6 顯示了一個示例屏幕截圖。

圖 6 : visualstudio 的 ffmpeg 性能評測

推薦

有關如何使用 FFmpeg 的更多示例以及可用的高級質量設置，請查看“ 使用 FFmpeg 和 NVIDIA GPU 硬件加速 “向導。

結論

FFmpeg 是一個強大而靈活的開源視頻處理庫，具有硬件加速的解碼和編碼后端。允許快速的視頻處理和完整的 NVIDIA GPU 硬件支持，只需幾分鐘。 Gprof 、 visualprofiler 和 microsoftvisualstudio 等商品開發工具可以用于精細的性能分析和調優。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的NVIDIA FFmpeg 转码技术分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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