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使用FFMPEG进行视频转码 - 日落孤城​www.zhi-hua.wang

FFMPEG 是一款开源的视频处理软件，再利用FFMPEG转码的过程中踩了很多坑，在这里列举一些常用的 FFMPEG 命令防止忘记。

以下所有的命令的输入都是《The.Mandalorian.S01E01.INTERNAL.HDR.2160p.WEB.H265-DEFLATE.mkv》这部影片，这部影片有很多特殊的地方，所以给我带来了不少困扰。它也驱使我学习了关于视频的很多知识，以下是它的一些基本参数：

视频
格式                            : HEVC
格式配置 (Profile)              : Main 10@L5@High
时长                            : 38 分 46 秒
码率                            : 15.9 Mb/s
宽度                            : 3 840 像素
高度                            : 1 608 像素
原始高度                    : 2 160 像素
帧率模式                        : 恒定帧率 (CFR)
帧率                            : 23.976 (24000/1001) FPS
色彩空间                        : YUV
色度抽样                         : 4:2:0
位深                            : 10 位
数据密度 [码率/(像素*帧率)]       : 0.108
流大小                      : 4.32 GiB (94%)
色彩范围                         : Limited
色彩原色                         : BT.2020
传输特性                         : PQ
矩阵系数                         : BT.2020 non-constant

这部影片是 4K HDR10 影片，编码方式为 HEVC，像素格式为 yuv420p10le，容器分辨率为 3840X2160，实际分辨率为3840X1608，色彩范围（ color range ）为TV（ Limited ），色彩原色（ color primaries ）为 bt2020，传输特性为smpte2084（ PQ ），矩阵系数（color matrix ）为 bt2020nc 。为了节省篇幅，以下均以input.mkv代表这个视频源文件。而且由于配备了gtx1070显卡以及安装了最新的驱动，所有的操作都是尽量利用GPU进行硬件加速。

1. 转为720p（失败）

为了达到最好的性能，我准备使用hevc_cuvid进行解码，scale_npp进行视频缩放，hevc_nvenc进行编码。-hwaccel cuvid 告诉ffmpeg使用cuvid加速，并且把视频的数据保留在显存而不是内存上。由于版权问题ffmpeg不自带scale_npp滤镜，需要自己编译。为了方便我选择manjaro系统，直接安装AUR上的ffmpeg-full包。这个过程也很心酸，可以专门写一篇文章了，这里就不展开了。关于ffmpeg转码的文章在互联网上有很多，尤其是英伟达官网的《ffmpeg transcoding guide》建议好好读一读。

ffmpeg -hwaccel cuvid -c:v hevc_cuvid -i input.mkv -c:a copy -vf scale_npp=1280:720 -c:v hevc_nvenc -b:v 5M output.mkv

运行以上命令却报错了。原来scale_npp滤镜很娇气，无法处理10bit的视频，因此尝试失败。

2. 转为720p （format, scale_npp:48fps）

既然无法处理10bit，那我把它转成8bit呗。上format滤镜，将yuv420p10le转为yuv420p。由于format是软件滤镜，因此取消-hwaccel cuvid 。这样解码的视频会自动转存到内存。format处理好的内容使用hwupload_cuda上传到GPU，然后通过scale_npp缩放，之后通过hevc_nvenc编码。

ffmpeg -c:v hevc_cuvid -i input.mkv -c:a copy -vf "format=yuv420p,hwupload_cuda,scale_npp=1280:720" -c:v hevc_nvenc -b:v 5M output.mkv

输入以上命令，发现咋只有48fps呢？那岂不是要十几分钟？太慢了！

3. 转为720p （scale_cuda:227fps）

突然发现了scale_cuda这个宝藏，它能接受10bit输入。而且scale_cuda在ffmpeg的编译版中自带！这就好办了，赶紧敲下以下命令：

ffmpeg -hwaccel cuvid -c:v hevc_cuvid -i input.mkv -c:a copy -vf scale_cuda=1280:720 -c:v hevc_nvenc -b:v 5M output.mkv

所有任务都转到GPU上运行了，性能得到巨大提升。通过观察发现此时的瓶颈变为了GPU解码。GPU解码器的占用率高局100%，而编码器只占用了不到20%。

4. 转为720p 8bit (pix_fmt：失败)

ffmpeg -hwaccel cuvid -c:v hevc_cuvid -i input.mkv -c:a copy -vf scale_cuda=1280:720   -c:v hevc_nvenc -pix_fmt yuv420p -b:v 5M output.mkv

然而它报错：

Impossible to convert between the formats supported by the filter 'Parsed_scale_cuda_0' and the filter 'auto_scaler_0'
Error reinitializing filters!
Failed to inject frame into filter network: Function not implemented
Error while processing the decoded data for stream #0:0

5.转为720p 8bit (pix_fmt：223fps)

经过长时间的试错，发现之前的错误通过在scale_cuda滤镜后添加hwdownload,format=p010le就可以解决了，至于为啥我也不知道 。-hwaccel_output_format cuda目前可以不加，只不过会警告你以后不加就会报错了。

ffmpeg -hwaccel cuvid -hwaccel_output_format cuda  -c:v hevc_cuvid -i input.mkv -c:a copy -vf "scale_cuda=1280:720,hwdownload,format=p010le" -c:v hevc_nvenc  -pix_fmt yuv420p  -b:v 5M output.mkv

6.用resize缩放而不是scale_cuda或scale_npp (resize：225fps)

这一条与上一条没多大的区别，只是把scale_cuda改为了resize。resize这个参数是我从英伟达官网上的一篇pdf上了解到的，它说用resize性能好一些。至于好不好我不知道，我只知道resize更易读与打出来。

ffmpeg -hwaccel cuvid -hwaccel_output_format cuda  -c:v hevc_cuvid -resize 1280x720 -i input.mkv -c:a copy -vf "hwdownload,format=p010le" -c:v hevc_nvenc  -pix_fmt yuv420p  -b:v 5M output.mkv

7.固定质量模式

之前的转码都是恒定码率模式，很不科学。hevc_nvenc没有crf参数，这可咋办呢？好在找到了替代方案。通过将-rc:v 设置为vbr或者vbr_hq，从而启用VBR模式，然后设置-cq:v、-qmin、-qmax。这里最好把它们设置成一个数值，否则没有多大意义。这个数值接类似于crf参数。

ffmpeg -hwaccel cuvid -c:v hevc_cuvid -resize 1280x720  -i input.mkv -c:a copy  -vf "hwdownload,format=p010le"  -c:v hevc_nvenc -pix_fmt yuv420p -rc:v vbr -cq:v 20 -qmin 20 -qmax 20 output.mkv

8.颜色偏差--HDR转SDR（tonemap_opencl）

经过前面这么多的折腾，视频已经压制好了。可是越看越不对劲。为啥我压的视频看起来灰蒙蒙的呢？经过深入调查发现是由于HDR导致的。这个视频本身是HDR的，而转换过程中ffmpeg并没有保留HDR有关的元数据（这应该是个BUG），又没进行颜色的转换。所以播放器把这个HDR视频当作SDR来处理，就会导致画面发灰。解决办法有两种，一是将其转为SDR，这需要tonemap滤镜（似乎scale滤镜也可以）。另一种是保留元数据，让播放器能够正常处理。这里选择第一种。由于tonemap是运行在cpu上的，效率低，所以我改用它的硬件加速版：tonemap_opencl

http://ffmpeg.org/ffmpeg-filters.html#tonemap_005fopencl​ffmpeg.org

注意下面的命令我只在linux上测试成功过，win10会报错，我也不知道为什么。

ffmpeg -hwaccel cuvid -init_hw_device opencl=ocl -filter_hw_device ocl -extra_hw_frames 3  -c:v hevc_cuvid -resize 1280x720  -i input.mkv -c:a copy  -vf "hwupload,tonemap_opencl=tonemap=mobius:param=0.01:desat=0:r=tv:p=bt709:t=bt709:m=bt709:format=nv12,hwdownload,format=nv12"  -c:v hevc_nvenc  -rc:v vbr -cq:v 20 -qmin 20 -qmax 20 output.mkv

tonemap_opencl的这些参数中，tonemap指定了使用的算法，可选值为none、clip、linear、gamma、reinhard、hable、mobius。param是用来微调这些算法的。具体的内容看ffmpeg的文档。这里最重要的是将p、t以及m都设置为了bt709。所以这个滤镜会完成以下转换：色彩原色: bt2020->bt709、传输特性:smpte2084->bt709、矩阵系数:bt2020nc->bt709 (HDR有多种不同标准，smpte2084对应的是HDR10。 经过HDR->SDR的转换，颜色终于变得正常了，不过仔细看肯定和原片有差距。可以根据画面的特色选用不同的算法和参数来进行调整，以保证画面的准确度。

9. 颜色偏差--添加HDR元数据（失败）

上一节我们将HDR转为了SDR，画面的准确度有些许丢失。那该怎么办呢？之前说到还有一种方法，那就是保留元数据。我尝试过用MKVToolNix将色彩原色、传输特性以及矩阵系数分别设置为9、16和9。然后这个视频在linux上播放正常了，但是在windows上还是灰的。我真的是很无语！！！

YouTubeHDR/hdr_metadata​github.com

我在github上还找到了另外一个项目，叫做nv_hevc_hdr_patcher。但是这个项目看起来挺不好用的，我懒得折腾，所以HDR元数据添加宣告失败（怎么可能这么轻易放弃，下一节会用其它工具搞定这个问题（如果我还会继续写的话（会吗？）））

SK-Hardwired/nv_hevc_hdr_patcher​github.com

总结

使用FFMPEG，在尽量利用硬件加速的情况下完成了视频的压制。直接转码时会丧失HDR元数据，导致发灰（见下图中间一栏）。通过tonemap可以将HDR转为SDR视频，画面的颜色得到较为准确的还原，但还是有轻微的差别。最终也没能够完成HDR元数据的添加。