ffmpeg硬件编码

news2025/1/16 3:52:31

使用FFmpeg进行硬件编码可以显著提高视频编码的性能，尤其是在处理高分辨率视频时。硬件编码利用GPU或其他专用硬件（如Intel QSV、NVIDIA NVENC、AMD AMF等）来加速编码过程。以下是使用FFmpeg进行硬件编码的详细说明和示例代码。

 

1. 硬件编码支持的检查

在开始之前，确保你的系统支持硬件编码。可以通过以下命令检查FFmpeg支持的硬件编码器：

ffmpeg -hwaccels

 然后检查可用的硬件编码器：

ffmpeg -encoders | grep h264

2. 硬件编码的基本流程

硬件编码的基本流程与软件编码类似，但需要额外设置硬件设备上下文和硬件帧上下文。以下是主要步骤：

  1. 初始化硬件设备上下文：指定硬件加速类型（如QSV、CUDA等）。

  2. 创建硬件帧上下文：配置硬件帧的格式、分辨率等。

  3. 查找硬件编码器：如h264_qsv、h264_nvenc等。

  4. 配置编码器上下文：绑定硬件帧上下文，设置编码参数。

  5. 编码帧：将帧数据发送到编码器，接收编码后的数据包。

  6. 写入输出文件：将编码后的数据包写入文件。

 3. 示例代码（Intel QSV 硬件编码）

#include <iostream>
#include <chrono>
extern "C" {
#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavformat/avformat.h>
#include <libavutil/hwcontext.h>
#include <libswscale/swscale.h>
#include <libavutil/opt.h>
#include <libavutil/imgutils.h>
#ifdef HAVE_NVENC
#include <libnvenc/nvenc.h>
#endif
#ifdef HAVE_QSV
#include <libx264/x264.h> // 注意：QSV的实际头文件可能与此不同，这只是一个示例
#endif
}
#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <thread>
#include <chrono>
// 记录当前时间，用于计算编码过程的总耗时
auto nows = std::chrono::steady_clock::now();

// 输出文件名
const char* output_filename = "output.h264";
// 视频分辨率
const int width = 1920;
const int height = 1080;
// 帧率（30帧/秒）
const AVRational frame_rate = { 30, 1 };
// 硬件像素格式（Intel QSV）
const AVPixelFormat hw_pix_fmt = AV_PIX_FMT_QSV;
// 软件像素格式（NV12）
const AVPixelFormat sw_pix_fmt = AV_PIX_FMT_NV12;

// FFmpeg 相关上下文和结构体
AVFormatContext* fmt_ctx = nullptr;  // 输出文件上下文
AVCodecContext* codec_ctx = nullptr; // 编码器上下文
AVFrame* hw_frame = nullptr;         // 硬件帧
AVFrame* sw_frame = nullptr;         // 软件帧
AVPacket* pkt = nullptr;             // 编码后的数据包
AVBufferRef* hw_device_ctx = nullptr; // 硬件设备上下文

try {
    // 1. 初始化硬件设备上下文
    int ret = av_hwdevice_ctx_create(&hw_device_ctx, AV_HWDEVICE_TYPE_QSV, nullptr, nullptr, 0);
    if (ret < 0) {
        throw std::runtime_error("Failed to create hardware device context");
    }

    // 2. 创建硬件帧上下文
    AVBufferRef* hw_frames_ref = av_hwframe_ctx_alloc(hw_device_ctx);
    if (!hw_frames_ref) {
        throw std::runtime_error("Failed to create hardware frames context");
    }

    // 配置硬件帧上下文参数
    AVHWFramesContext* hw_frames_ctx = (AVHWFramesContext*)hw_frames_ref->data;
    hw_frames_ctx->format = AV_PIX_FMT_QSV;       // 硬件像素格式
    hw_frames_ctx->sw_format = AV_PIX_FMT_NV12;   // 软件像素格式
    hw_frames_ctx->width = width;                 // 视频宽度
    hw_frames_ctx->height = height;               // 视频高度
    hw_frames_ctx->initial_pool_size = 20;        // 初始帧池大小

    // 初始化硬件帧上下文
    ret = av_hwframe_ctx_init(hw_frames_ref);
    if (ret < 0) {
        throw std::runtime_error("Failed to initialize hardware frames context");
    }

    // 3. 查找编码器（使用 Intel QSV 的 H.264 编码器）
    const AVCodec* codec = avcodec_find_encoder_by_name("h264_qsv");
    if (!codec) {
        throw std::runtime_error("Codec h264_qsv not found");
    }

    // 4. 创建编码器上下文
    codec_ctx = avcodec_alloc_context3(codec);
    if (!codec_ctx) {
        throw std::runtime_error("Could not allocate video codec context");
    }

    // 配置编码器参数
    codec_ctx->hw_frames_ctx = av_buffer_ref(hw_frames_ref); // 绑定硬件帧上下文
    codec_ctx->width = width;                                // 视频宽度
    codec_ctx->height = height;                              // 视频高度
    codec_ctx->time_base = av_inv_q(frame_rate);             // 时间基（帧率的倒数）
    codec_ctx->framerate = frame_rate;                       // 帧率
    codec_ctx->pix_fmt = AV_PIX_FMT_QSV;                     // 像素格式
    codec_ctx->bit_rate = 4000000;                           // 码率（4 Mbps）
    codec_ctx->gop_size = 1;                                 // GOP 大小（关键帧间隔）

    // 打开编码器
    ret = avcodec_open2(codec_ctx, codec, nullptr);
    if (ret < 0) {
        throw std::runtime_error("Could not open codec");
    }

    // 5. 创建硬件帧
    hw_frame = av_frame_alloc();
    if (!hw_frame) {
        throw std::runtime_error("Could not allocate video frame");
    }
    hw_frame->format = AV_PIX_FMT_QSV; // 硬件像素格式
    hw_frame->width = width;           // 视频宽度
    hw_frame->height = height;         // 视频高度

    // 为硬件帧分配内存
    ret = av_hwframe_get_buffer(av_buffer_ref(hw_frames_ref), hw_frame, 0);
    if (ret < 0) {
        throw std::runtime_error("Could not allocate hardware frame buffer");
    }

    // 6. 创建软件帧
    sw_frame = av_frame_alloc();
    if (!sw_frame) {
        throw std::runtime_error("Could not allocate software frame");
    }
    sw_frame->format = AV_PIX_FMT_NV12; // 软件像素格式
    sw_frame->width = width;            // 视频宽度
    sw_frame->height = height;          // 视频高度

    // 为软件帧分配内存
    ret = av_frame_get_buffer(sw_frame, 0);
    if (ret < 0) {
        throw std::runtime_error("Could not allocate software frame buffer");
    }

    // 7. 创建输出文件上下文
    ret = avformat_alloc_output_context2(&fmt_ctx, nullptr, nullptr, output_filename);
    if (ret < 0) {
        throw std::runtime_error("Could not create output context");
    }

    // 8. 创建视频流
    AVStream* stream = avformat_new_stream(fmt_ctx, nullptr);
    if (!stream) {
        throw std::runtime_error("Could not create video stream");
    }

    // 从编码器上下文复制参数到视频流
    avcodec_parameters_from_context(stream->codecpar, codec_ctx);
    stream->time_base = AVRational{ 1, 90000 }; // 时间基

    // 9. 打开输出文件
    if (!(fmt_ctx->oformat->flags & AVFMT_NOFILE)) {
        ret = avio_open(&fmt_ctx->pb, output_filename, AVIO_FLAG_WRITE);
        if (ret < 0) {
            throw std::runtime_error("Could not open output file");
        }
    }

    // 10. 写入文件头
    ret = avformat_write_header(fmt_ctx, nullptr);
    if (ret < 0) {
        throw std::runtime_error("Error writing header to output file");
    }

    // 11. 编码帧
    FILE* f = fopen("asdhfladghakl.yuv", "rb"); // 打开 YUV 文件
    if (!f) {
        throw std::runtime_error("Could not open YUV file");
    }

    for (int i = 0; i < 50; i++) { // 编码 50 帧
        // 从 YUV 文件读取数据到软件帧
        fread(sw_frame->data[0], 1, width * height, f);      // Y 分量
        fread(sw_frame->data[1], 1, width * height / 2, f);  // UV 分量

        // 将软件帧数据拷贝到硬件帧
        ret = av_hwframe_transfer_data(hw_frame, sw_frame, 0);
        if (ret < 0) {
            throw std::runtime_error("Error transferring data to hardware frame");
        }

        // 设置帧的显示时间戳（PTS）
        hw_frame->pts = i * 3000; // PTS = 帧序号 * 帧间隔
        hw_frame->time_base = AVRational{ 1, 90000 }; // 时间基

        // 发送帧到编码器
        ret = avcodec_send_frame(codec_ctx, hw_frame);
        if (ret < 0) {
            throw std::runtime_error("Error sending frame to encoder");
        }

        // 接收编码后的数据包
        pkt = av_packet_alloc();
        while (ret >= 0) {
            ret = avcodec_receive_packet(codec_ctx, pkt);
            if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF) {
                av_packet_free(&pkt);
                break;
            }

            // 设置数据包的流索引和时间基
            pkt->stream_index = stream->index;
            pkt->time_base = AVRational{ 1, 90000 };

            // 写入数据包到输出文件
            ret = av_interleaved_write_frame(fmt_ctx, pkt);
            if (ret < 0) {
                throw std::runtime_error("Error writing packet to file");
            }

            // 释放数据包
            av_packet_unref(pkt);
        }
    }

    // 12. 刷新编码器（发送空帧以刷新缓冲区）
    ret = avcodec_send_frame(codec_ctx, nullptr);
    while (ret >= 0) {
        pkt = av_packet_alloc();
        ret = avcodec_receive_packet(codec_ctx, pkt);
        if (ret == AVERROR_EOF) {
            break;
        }

        // 写入剩余的数据包到输出文件
        pkt->stream_index = stream->index;
        pkt->time_base = AVRational{ 1, 90000 };
        ret = av_interleaved_write_frame(fmt_ctx, pkt);
        av_packet_unref(pkt);
    }

    // 13. 写入文件尾
    av_write_trailer(fmt_ctx);

    // 关闭 YUV 文件
    fclose(f);

    std::cout << "Encoding completed successfully!" << std::endl;
}
catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
}

// 计算并输出编码过程的总耗时
std::cout << "Total time taken: "
          << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(std::chrono::steady_clock::now() - nows).count()
          << " milliseconds" << std::endl;

// 14. 释放资源
if (fmt_ctx && !(fmt_ctx->oformat->flags & AVFMT_NOFILE)) {
    avio_closep(&fmt_ctx->pb);
}
avformat_free_context(fmt_ctx);
av_frame_free(&hw_frame);
av_frame_free(&sw_frame);
av_packet_free(&pkt);
avcodec_free_context(&codec_ctx);
av_buffer_unref(&hw_device_ctx);

代码总结

  1. 硬件初始化：初始化 Intel QSV 硬件设备上下文和硬件帧上下文。

  2. 编码器设置：查找并配置 H.264 编码器，绑定硬件帧上下文。

  3. 帧处理：从 YUV 文件读取数据，拷贝到硬件帧，编码并写入输出文件。

  4. 资源释放：释放所有分配的资源，避免内存泄漏。

  5. 性能统计：计算并输出编码过程的总耗时。

 

可以看见运行编码得到明显提升 

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