FFMPEG硬件编解码器使用

在前文《视频编解码硬件方案漫谈》中我们介绍硬件视频编解码的一般方案，本文我们进一步介绍音视频编解码如何在ffmpeg使用显卡硬件进行加速。

一、基本概况

ffmpeg对显卡厂家SDK进行封装和集成，实现部分的硬件编解码

ffmpeg硬解编解码应用

其中xxx标识编码类型，如h264,h265,mpeg2,vp8,vp9等。其次在ffmpeg中软件编解码器可以实现相关硬解加速。如在h264解码器中可以使用cuda 加速，qsv加速，dxva2 加速，d3d11va加速，opencl加速等。

二、命令行的使用

在ffmpeg中，如果使用-vcodec xxx 指定硬件编解码器，否则使用软件编解码。

如：

ffplay -x 800 -y 600 -vcodec h264_qsv h264.mp4

ffplay -x 800 -y 600 -vcodec hevc_qsv 4k_hevc.mp4

ffmpeg.exe -i test.ts -vcodec hevc_amf -s 1280x720 output.ts

二、代码中使用

1）使用特定的编解码器

任何一个编解码器包都是由AVCodec来描述的。其中ID代表一类编码器或解码。如：

AV_CODEC_ID_H264；代表是h264编解码器。而name代表某一个编码器或解码器。通常我们使用avcodec_find_decoder(ID)和avcodec_find_encoder(ID)来解码器和编码器。默认采用的软件编解码。如果我们需要使用硬件编解码，采用avcodec_find_encoder_by_name（name）和avcodec_find_decoder_by_name(name)来指定编码器。其他代码流程与软件编解码一致。

如：

	//codec = avcodec_find_decoder(AV_CODEC_ID_H264);
	codec = avcodec_find_decoder_by_name("h264_cuvid");
	if (!codec) {
		fprintf(stderr, "Codec not found\n");
		exit(1);
	}

2）使用硬件加速

使用特定的编解码器好处就是跨操作系统，不论是Windows还是Linux都是一套代码，但缺点就是不跨硬件，不同显卡厂家采用不同编解码器。而基于软件编码器的硬件加速是跨硬件显卡的，如Windows d3d11va硬件加速，无论底层是AMD显卡还是Intel显卡还是nvidia显卡都适用，相当于windows 系统屏蔽了硬件细节，我们只需要调用windows的API实现即可。下面一个基于硬件加速的demo

static AVBufferRef* hw_device_ctx = NULL;
static enum AVPixelFormat hw_pix_fmt;
static FILE* output_file = NULL;

//硬件加速初始化	
static int hw_decoder_init(AVCodecContext* ctx, const enum AVHWDeviceType type)
{
	int err = 0;
    //创建一个硬件设备上下文
	if ((err = av_hwdevice_ctx_create(&hw_device_ctx, type,
		NULL, NULL, 0)) < 0) {
		fprintf(stderr, "Failed to create specified HW device.\n");
		return err;
	}
	ctx->hw_device_ctx = av_buffer_ref(hw_device_ctx);

	return err;
}

//获取GPU硬件解码帧的格式
static enum AVPixelFormat get_hw_format(AVCodecContext* ctx,
	const enum AVPixelFormat* pix_fmts)
{
	const enum AVPixelFormat* p;

	for (p = pix_fmts; *p != -1; p++) {
		if (*p == hw_pix_fmt)
			return *p;
	}

	fprintf(stderr, "Failed to get HW surface format.\n");
	return AV_PIX_FMT_NONE;
}

//解码后数据格式转换，GPU到CPU拷贝，YUV数据dump到文件
static int decode_write(AVCodecContext* avctx, AVPacket* packet)
{
	AVFrame* frame = NULL, * sw_frame = NULL;
	AVFrame* tmp_frame = NULL;
	uint8_t* buffer = NULL;
	int size;
	int ret = 0;

	ret = avcodec_send_packet(avctx, packet);
	if (ret < 0) {
		fprintf(stderr, "Error during decoding\n");
		return ret;
	}

	while (1) {
		if (!(frame = av_frame_alloc()) || !(sw_frame = av_frame_alloc())) {
			fprintf(stderr, "Can not alloc frame\n");
			ret = AVERROR(ENOMEM);
			goto fail;
		}

		ret = avcodec_receive_frame(avctx, frame);
		if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF) {
			av_frame_free(&frame);
			av_frame_free(&sw_frame);
			return 0;
		}
		else if (ret < 0) {
			fprintf(stderr, "Error while decoding\n");
			goto fail;
		}

		if (frame->format == hw_pix_fmt) {
		/* 将解码后的数据从GPU内存存格式转为CPU内存格式，并完成GPU到CPU内存的拷贝*/
			if ((ret = av_hwframe_transfer_data(sw_frame, frame, 0)) < 0) {
				fprintf(stderr, "Error transferring the data to system memory\n");
				goto fail;
			}
			tmp_frame = sw_frame;
		}
		else
			tmp_frame = frame;
          //计算一张YUV图需要的内存 大小
		size = av_image_get_buffer_size((AVPixelFormat)tmp_frame->format, tmp_frame->width,
			tmp_frame->height, 1);
      //分配内存
		buffer = (uint8_t *)av_malloc(size);
		if (!buffer) {
			fprintf(stderr, "Can not alloc buffer\n");
			ret = AVERROR(ENOMEM);
			goto fail;
		}
         //将图片数据拷贝的buffer中(按行拷贝)
		ret = av_image_copy_to_buffer(buffer, size,
			(const uint8_t* const*)tmp_frame->data,
			(const int*)tmp_frame->linesize, (AVPixelFormat)tmp_frame->format,
			tmp_frame->width, tmp_frame->height, 1);
		if (ret < 0) {
			fprintf(stderr, "Can not copy image to buffer\n");
			goto fail;
		}
        //buffer数据dump到文件
		if ((ret = fwrite(buffer, 1, size, output_file)) < 0) {
			fprintf(stderr, "Failed to dump raw data.\n");
			goto fail;
		}

	fail:
		av_frame_free(&frame);
		av_frame_free(&sw_frame);
		av_freep(&buffer);
		if (ret < 0)
			return ret;
	}
}
int main(int argc,char * argv[])
{
	AVFormatContext* input_ctx = NULL;
	int video_stream, ret;
	AVStream* video = NULL;
	AVCodecContext* decoder_ctx = NULL;
	AVCodec* decoder = NULL;
	AVPacket packet;
	enum AVHWDeviceType type;
	int i;
   
	if (argc < 4) {
		fprintf(stderr, "Usage: %s <device type> <input file> <output file>\n", argv[0]);
		return -1;
	}
  // 设备类型为：cuda dxva2 qsv d3d11va opencl，通常在windows使用d3d11va或者dxva2
	type = av_hwdevice_find_type_by_name(argv[1]); //根据设备名找到设备类型
	if (type == AV_HWDEVICE_TYPE_NONE) {
		fprintf(stderr, "Device type %s is not supported.\n", argv[1]);
		fprintf(stderr, "Available device types:");
		while ((type = av_hwdevice_iterate_types(type)) != AV_HWDEVICE_TYPE_NONE)
			fprintf(stderr, " %s", av_hwdevice_get_type_name(type));
		fprintf(stderr, "\n");
		return -1;
	}

	/* open the input file */
	if (avformat_open_input(&input_ctx, argv[2], NULL, NULL) != 0) {
		fprintf(stderr, "Cannot open input file '%s'\n", argv[2]);
		return -1;
	}

	if (avformat_find_stream_info(input_ctx, NULL) < 0) {
		fprintf(stderr, "Cannot find input stream information.\n");
		return -1;
	}

	/* find the video stream information */
	ret = av_find_best_stream(input_ctx, AVMEDIA_TYPE_VIDEO, -1, -1, &decoder, 0);
	if (ret < 0) {
		fprintf(stderr, "Cannot find a video stream in the input file\n");
		return -1;
	}
	video_stream = ret;

    //查找到对应硬件类型解码后的数据格式
	for (i = 0;; i++) {
		const AVCodecHWConfig* config = avcodec_get_hw_config(decoder, i);
		if (!config) {
			fprintf(stderr, "Decoder %s does not support device type %s.\n",
				decoder->name, av_hwdevice_get_type_name(type));
			return -1;
		}
		if (config->methods & AV_CODEC_HW_CONFIG_METHOD_HW_DEVICE_CTX &&
			config->device_type == type) {
			hw_pix_fmt = config->pix_fmt;
			break;
		}
	}

	if (!(decoder_ctx = avcodec_alloc_context3(decoder)))
		return AVERROR(ENOMEM);

	video = input_ctx->streams[video_stream];
	if (avcodec_parameters_to_context(decoder_ctx, video->codecpar) < 0)
		return -1;
   
	decoder_ctx->get_format = get_hw_format;

//硬件加速初始化	
if (hw_decoder_init(decoder_ctx, type) < 0)
		return -1;

	if ((ret = avcodec_open2(decoder_ctx, decoder, NULL)) < 0) {
		fprintf(stderr, "Failed to open codec for stream #%u\n", video_stream);
		return -1;
	}

	/* open the file to dump raw data */
	output_file = fopen(argv[3], "w+b");

	/* actual decoding and dump the raw data */
	while (ret >= 0) {
		if ((ret = av_read_frame(input_ctx, &packet)) < 0)
			break;

		if (video_stream == packet.stream_index)
			ret = decode_write(decoder_ctx, &packet); //解码并dump文件

		av_packet_unref(&packet);
	}

	/* flush the decoder */
	packet.data = NULL;
	packet.size = 0;
	ret = decode_write(decoder_ctx, &packet);
	av_packet_unref(&packet);

	if (output_file)
		fclose(output_file);
	avcodec_free_context(&decoder_ctx);
	avformat_close_input(&input_ctx);
	av_buffer_unref(&hw_device_ctx);

	return 0;
}

编译后生成hw_decoder.exe,解码生成YUV文件如下：

hw_decoder.exe dxva2 D:\videos\hevcdemo.ts test.yuv

由此可见，GPU解码器有利用率，CPU占用率极低，硬件加速成功。