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视频剪辑转码工具FFmpeg使用GPU加速

使用FFmpeg进行视频剪辑和转码，以及如何使用GPU加速

缘起

FFmpeg是一个非常强大的音视频处理工具，可以用来剪辑、转码、合并、分离、提取视频音频等等。FFmpeg是一个自由开源软件，最初由法国程序员法布里斯·贝拉（Fabrice Bellard）发起，现在由米夏埃尔·尼德迈尔（Michael Niedermayer）维护。目前市面上的很多播放器、视频剪辑软件、转码软件，比如 Blender，Kodi， Plex， Shotcut， VLC media playe， YouTube等，都是基于FFmpeg的。当然，也有很多软件使用了FFmpeg的代码，但并未遵守FFmpeg的开源协议，被钉在了“FFmpeg耻辱柱”上。

FFmpeg是一个命令行工具，使用起来稍有些复杂，但功能非常强大。我只用到过几个简单的功能，比如视频剪切、合并、调整分辨率、转码，视频加速、慢放，音视频分离。但我之前一直都只用CPU来处理，现在电脑上有了显卡，就想使用GPU来加速。这确实费了我一点儿功夫，这里就来总结记录一下。

前提

  • 电脑上有NVIDIA显卡
  • Linux系统

从源码编译安装FFmpeg

我使用Ubuntu 22.04系统，之前我的FFmpeg是通过apt安装的，但是这个版本不支持GPU加速。所以我需要从源码编诹安装。如果你之前使用apt安装的FFmpeg，需要先卸载掉：

```bash
sudo apt-get remove ffmpeg
```

编译安装过程我参考了英伟达官方的文档。但遗憾的是，这个文档似乎有些过时了，直接按照文档的步骤编译安装，会出现一些问题。下面是我成功编译安装的步骤。

安装依赖

依赖主要有三方面：

  1. 英伟达的显卡驱动。这个请参考我之前的文章Ubuntu 22.04安装英伟达显卡驱动。

  2. 英伟达的编码接口库。使用下面的命令从源码编译安装。

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    git clone https://github.com/FFmpeg/nv-codec-headers.git
cd nv-codec-headers && sudo make install && cd –

  3. FFmpeg的依赖库。使用下面的命令安装。

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    sudo apt-get install build-essential yasm cmake libtool libc6 libc6-dev unzip wget libnuma1 libnuma-devsudo apt-get install build-essential yasm cmake libtool libc6 libc6-dev unzip wget libnuma1 libnuma-dev

编译安装

  1. 下载FFmpeg源码。

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    git clone https://git.ffmpeg.org/ffmpeg.git

  2. 配置编译参数。

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    ./configure --enable-nonfree --enable-cuda-nvcc --enable-libnpp --extra-cflags=-I/usr/local/cuda/include --extra-ldflags=-L/usr/local/cuda/lib64 --disable-static --enable-shared --disable-x86asm

    • 这里的/usr/local/cuda是英伟达显卡驱动的安装路径，如果你的安装路径不同，请修改。

    • --enable-nonfree是为了支持非自由的编码器。

    • --enable-cuda-nvcc是为了支持CUDA加速。

    • --enable-libnpp是为了支持NPP加速。NPP是NVIDIA Performance Primitives的缩写，是英伟达提供的一套高性能图像和信号处理函数库，FFmpeg默认是不支持的。

    • --disable-x86asm是为了避免编译时出现如下错误：

      1

      nasm not found or too old. Please install/update nasm or use --disable-x86asm for a build without hand-optimized assembly.

    如果上述命令执行没有问题，则可以继续编译。

  3. 编译。

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    make -j8

    这里的-j8是指使用8个线程并行编译，可以根据自己的CPU核心数来调整。

  4. 安装。

    1

    sudo make install

    上述命令会把FFmpeg安装到/usr/local/bin目录下。

问题解决

在按照上面步骤编译安装后，当我在命令行运行ffmpeg时，出现了如下错误：

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ffmpeg: error while loading shared libraries: libavdevice.so.61: cannot open shared object file: No such file or directory

这是因为FFmpeg的库文件没有正确链接，需要手动链接：

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sudo ldconfig

如果上述命令不能解决问题，这是因为FFmpeg在编译安装时把链接库安装到了/usr/local/lib目录下，而系统默认的链接库路径是/usr/lib。这时需要把/usr/local/lib添加到链接库路径中：

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sudo echo "/usr/local/lib" > /etc/ld.so.conf.d/ffmpeg.conf
sudo ldconfig

FFmpeg的基本使用

这里简单列举几个我使用过的命令：

  1. 视频剪切。

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    ffmpeg -i input.mp4 -ss 00:00:00 -t 00:00:10 -c copy output.mp4
    • -i input.mp4：输入文件。
    • -ss 00:00:00：开始时间。
    • -t 00:00:10：持续时间。
    • -c copy：复制编码。

  2. 视频转码。

    比如把mkv格式转为mp4格式。

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    ffmpeg -i input.mkv -codec copy output.mp4
    • -codec copy：复制编码。

  3. 视频加速或慢放。

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    ffmpeg -i input.mp4 -vf "setpts=0.5*PTS" output.mp4
    • -vf "setpts=0.5*PTS"：加速倍数。小于1表示加速，大于1表示减速。这里的0.5表示加速2倍。

  4. 视频分辨率调整。

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    ffmpeg -i input.mp4 -vf scale=1920:1080 output.mp4
    • -vf scale=1920:1080：目标分辨率。

  5. 音视频分离。

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    ffmpeg -i input.mp4 -vn -acodec copy output.aac
ffmpeg -i input.mp4 -an -vcodec copy output.mp4
    • -vn：不包含视频。
    • -acodec copy：复制音频编码。
    • -an：不包含音频。
    • -vcodec copy：复制视频编码。

  6. 视频合并

    如果要合并的视频分辨率、帧率、编码等参数一致，且视频只有两个，可以使用下面的命令：

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    ffmpeg -i input1.mp4 -i input2.mp4 -filter_complex "[0:v][0:a][1:v][1:a]concat=n=2:v=1:a=1[outv][outa]" -map "[outv]" -map "[outa]" output.mp4
    • -filter_complex "[0:v][0:a][1:v][1:a]concat=n=2:v=1:a=1[outv][outa]"：合并视频和音频。

    如果要合并的视频数量较多，则推荐把视频列表写入一个文本文件，然后使用concat协议来合并。

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    ffmpeg -f concat -safe 0 -i list.txt -c copy output.mp4

    • -f concat：指定协议。

    • -safe 0：允许读取任意文件。

    • -i list.txt：视频列表文件。内容如下：

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      file 'input1.mp4'
file 'input2.mp4'
file 'input3.mp4'

    • -c copy：复制编码。

使用GPU加速

使用GPU加速需要在编译时添加--enable-cuda-nvcc和--enable-libnpp参数。上面的编译安装步骤中已经添加了这两个参数。

使用GPU加速需要指定-hwaccel cuda参数。比如：

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ffmpeg -y -hwaccel cuda -hwaccel_output_format cuda -i input.mkv -c:v h264_nvenc -ss 0:00:00 -to 0:01:23 output.mp4
  • -hwaccel cuda：指定使用CUDA加速。
  • -hwaccel_output_format cuda：指定输出格式为CUDA。
  • -c:v h264_nvenc：指定使用NVIDIA的h264编码器。当然你也可以使用其他编码器，比如hevc_nvenc。若要查看支持的编码器，可以使用ffmpeg -h encoder=nvenc命令。

当然，上面介绍的那些命令也可以使用GPU加速，只需要添加-hwaccel cuda参数即可。

我的CPU是i5-9600K，显卡是英伟达的RTX 4060 Ti。只使用CPU时，处理一个分辨率为1920x1080的视频，CPU占用率约100%，处理速度约为每秒30帧。使用GPU加速后，GPU占用率约为33%，处理速度约为每秒500帧。可以看到，GPU加速后处理速度提升了约16倍。

清晰度问题

使用GPU加速后，视频的清晰度可能会有所下降。这是因为GPU加速时，FFmpeg会使用NPP库来处理图像，NPP库的处理精度可能不如CPU。

如果你分别用CPU和GPU处理同一个视频，然后对比两个视频的大小，会发现GPU处理的视频大小要小很多。例如，我用CPU剪切的一个视频大小为300MB，用GPU剪切同一个视频，大小只有50MB。

查看两个视频的码率，会发现GPU剪切的视频的码率远小于源视频的码率。这是因为GPU处理时，会对视频进行压缩，导致视频的清晰度下降。如果你想保持视频的清晰度，可以指定码率。

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ffmpeg -y -hwaccel cuda -hwaccel_output_format cuda -i input.mkv -c:v h264_nvenc -b:v 20M -ss 0:00:00 -to 0:01:23 output.mp4
  • -b:v 20M：指定码率为20M。这里的20M是指20Mbps，可以根据自己的需求调整。

FFmpeg在使用GPU加速时默认优先考虑速度，而不是清晰度。如果你想保持视频的清晰度，还可以使用-preset slow参数来指定编码速度。

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ffmpeg -y -hwaccel cuda -hwaccel_output_format cuda -i input.mkv -c:v h264_nvenc -preset slow -ss 0:00:00 -to 0:01:23 output.mp4
  • -preset slow：指定编码速度为slow。这里的slow是指慢速，处理的速度慢了，但清晰度会提高。

你也可以将上述两个参数结合起来使用。

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ffmpeg -y -hwaccel cuda -hwaccel_output_format cuda -i input.mkv -c:v h264_nvenc -b:v 20M -preset slow -ss 0:00:00 -to 0:01:23 output.mp4
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