Linux的ビデオのハードウェアエンコーディング

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Linux的ビデオのハードウェアエンコーディング

ネットで検索するとかなりいい加減な情報が溢れているので、そこまで分かっているわけではないけれどまとめてみた。

「エンコード」

まずencodeとdecodeがわからない記事がいくつか出てくるのでそこから。

データを映像/音声にするのがデコード
映像/音声をデータにするのがエンコード

エンコードは動画編集をしているのでなければ、基本的に動画変換のお話。

ハードウェア

ハードウェアでやる、というのはCPUに頼らず、ハードウェア側に搭載された専用のチップを使用してエンコーディングする話をしている。

これにより

CPUにかかる負荷が低減できる
速度が向上する(かもしれない)

というメリットがある。

遅いGPUと速いCPUの組み合わせだと速度向上には必ずしもつながらないが。だが、GPUは非常に速いので高速化する可能性は高い。

VA-APIとVDPAU

VA-APIはIntelが、VDPAUはNvidiaが作ったLinux用のハードウェアビデオアクセラレーション用のAPIだ。

それぞれサポートされているのだが、そのサポートに注意がいる。

libva-vdpau-driverはVA-APIをラップしてVDPAUに投げる
libvdpau-va-glはVDPAUをラップしてVA-APIに投げる

このため

NVIDIAはVA-APIは使えるけれど実際はVDPAUを使用する
IntelはVDPAUは使えるけれど実際はVA-APIを使用する

ちなみに、AMDのオープンソースドライバ(ATIあるいはamdgpu)はVA-APIドライバとしてlibva-mesa-driver(とmesa)と、libva-vdpau-driverの2種類の方法がある。前者であればVA-APIを直接取り扱う。後者であればVDPAUに流す。

そして、重要な点

VDPAUはハードウェアデコード用
VA-APIはハードウェアエンコード/デコード用

つまり

NvidiaのカードはVA-APIをサポートしていないのでこの方法でのエンコードは無理
AMDのカードはlibva-mesa-driverを使わないとハードウェアエンコードできない

ハードウェア側機能

IntelにはQSV, NvidiaにはNVEnc, AMDにはVCEがある。

QSV (Quick Sync Video)

デコードだけじゃなかったんだぁ…と思ってしまったけれど、実はIntelのビデオアクセラレーションは割とLinuxに手厚い。

QSVの利用はIntel Media Server Studioを要求されるけれども、色々と条件が厳しいし、フリーではない(無料ではあるけれど)。

性能的には劣るもののVA-APIから叩けるらしい。

VCE (Video Coding Engine)

デコード用のUVD(Unified Video Decoder)とセットのAMDの機能。

VA-API経由で叩ける。

NVEnc

Nvidiaのエンコード用ビデオアクセラレーション。 Pascal世代になってとっても速くなったらしい。

Maxwell Gen2でもHEVC 720p高画質で300fpsとか言っているのでGPUすごい。

QSVのほうが速いとか言っている人がいるけれども、多分そんな環境まずない。

画質が割と腐っているけれど、H265がH264とほぼ同じ速度で変換できるので、H265にすればだいぶよろしくなる。 H265エンコードはMaxwellからのサポート。

エンコーダと画質のお話

ハードウェアエンコードを行う場合、実際のデータ変換処理を行う「エンコーダ」としてハードウェアへのアダプタを指定する。

つまり、NVEncを使う場合、libx264の代わりにnvenc_h264を使うことになる。なのでエンコーダオプション(-crfとか)も変わる。

結果的に変換のされ方が変わる。同一のクオリティを要求しても同じデータにはならない。

そして、ハードウェアエンコードを行った場合の画質、あまりよくない。 H.264でq=30くらいまで落とすとものすごくわかりやすいことになる。 q=28でも厳しい。

画質が悪いのだからできれば「保存したい」よりも「消すのはちょっと…」くらいのモチベーションの動画で使いたいところなのだが、そういう動画こそサイズを小さくしたい。ところが、ハードウェアエンコーダでサイズを小さくすると画質が目立って悪い。だいぶ悩ましい話だ。

ffmpegでエンコード

Linuxの動画はffmpegで変換するものでしょう?

というわけで、QSVとVCEはVA-APIに対応しているのでVA-APIで。

ffmpeg -vaapi_device /dev/dri/renderD128 -i input.mp4 -vf 'format=nv12,hwupload' -c:v h264_vaapi output.mp4

エンコードもハードウェアでやればより軽い。

ffmpeg -init_hw_device vaapi=foo:/dev/dri/renderD128 -hwaccel vaapi -hwaccel_output_format vaapi -hwaccel_device foo -i input.mp4 -filter_hw_device foo -vf 'format=nv12|vaapi,hwupload' -c:v h264_vaapi output.mp4

-qオプションは指定できるみたい。

ffmpeg -init_hw_device vaapi=foo:/dev/dri/renderD128 -hwaccel vaapi -hwaccel_output_format vaapi -hwaccel_device foo -i input.mp4 -filter_hw_device foo -vf 'format=nv12|vaapi,hwupload' -c:v h264_vaapi -q 28 output.mp4

Nvidiaがひとり独自路線なのはちょっと気になるけれども、使いやすいのはnvencのほう。

ffmpeg -i input.mp4 -c:v nvenc_h264 -q 28 output.mp4

qの値など実際は探り探りやっていくしかない感じ。

あなたのビデオカード、眠ってませんか

GPUは基本的に積極的に働かせないと動かない子なので、結構なリソースを眠らせている可能性は結構ある。

Linux環境だとCinnamonとKDE Plasmaがハードウェアアクセラレーションに対応しているため、割と最近のIntel CPUやAMD APUを搭載しているコンピュータだとCPU的にはXFceやMATE、LXDEなんかよりよっぽど軽かったりもする。

そういうのがあればある程度は働いてくれるのだが、これもビデオカードの機能のごく一部を使っているだけ。ちなみに、OpenGL用のアクセラレータを使っている。

この状態でもデコーダやエンコーダは遊んでいるので、せっかくのリソース活用してあげてください。

ハードウェアエンコーダの画質はちょっと微妙だけども。

Chienomi