启用 GPU 视频解码器/编码器¶
TorchAudio 可以利用运行时链接的底层 FFmpeg 库支持的基于硬件的视频解码和编码。
使用 NVIDIA 的 GPU 解码器和编码器，还可以直接传递 CUDA Tensor，即无需将数据从/移到 CPU，即可将视频解码为 CUDA Tensor 或从 CUDA Tensor 编码视频。
这显著提高了视频吞吐量。但是，请注意，并非所有视频格式都支持硬件加速。
本页介绍如何使用硬件加速构建 FFmpeg。有关 GPU 解码器和编码器性能的详细信息，请参阅NVDEC 教程和NVENC 教程。
概述¶
在 TorchAudio 中使用它们需要额外的 FFmpeg 配置。
接下来，我们看看如何使用NVIDIA 的视频编解码器 SDK 启用 GPU 视频解码。要在 TorchAudio 中使用 NVENC/NVDEC，需要以下项。
具有硬件视频解码器/编码器的 NVIDIA GPU。
使用 NVDEC/NVENC 支持编译的 FFmpeg 库。†
具有 CUDA 支持的 PyTorch / TorchAudio。
TorchAudio 的官方二进制分发版经过编译，可与 FFmpeg 库配合使用，并且它们包含使用硬件解码/编码的逻辑。
接下来，我们将使用 NVDEC/NVENC 支持构建 FFmpeg 4 库。您也可以使用 FFmpeg 5 或 6。
以下过程已在 Ubuntu 上测试。
† 有关 NVDEC/NVENC 和 FFmpeg 的详细信息，请参阅以下文章。
检查 GPU 和 CUDA 版本¶
首先，检查可用的 GPU。这里，我们有安装了 CUDA Toolkit 11.2 的 Tesla T4。
$ nvidia-smi
Fri Oct 7 13:01:26 2022
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 460.32.03 Driver Version: 460.32.03 CUDA Version: 11.2 |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU Name Persistence-M| Bus-Id Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan Temp Perf Pwr:Usage/Cap| Memory-Usage | GPU-Util Compute M. |
| | | MIG M. |
|===============================+======================+======================|
| 0 Tesla T4 Off | 00000000:00:04.0 Off | 0 |
| N/A 56C P8 10W / 70W | 0MiB / 15109MiB | 0% Default |
| | | N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes: |
| GPU GI CI PID Type Process name GPU Memory |
| ID ID Usage |
|=============================================================================|
| No running processes found |
+-----------------------------------------------------------------------------+
检查计算能力¶
稍后，我们需要此 GPU 支持的计算能力版本。以下页面列出了 GPU 和相应的计算能力。T4 的计算能力是 7.5。
安装 NVIDIA 视频编解码器头文件¶
要使用 NVDEC/NVENC 构建 FFmpeg，我们首先需要安装 FFmpeg 用于与视频编解码器 SDK 交互的头文件。
由于我们的系统中有 CUDA 11 正在运行，因此我们使用 n11 标签之一。
git clone https://git.videolan.org/git/ffmpeg/nv-codec-headers.git
cd nv-codec-headers
git checkout n11.0.10.1
sudo make install
安装位置可以通过 make PREFIX=<DESIRED_DIRECTORY> install 更改。
Cloning into 'nv-codec-headers'...
remote: Enumerating objects: 819, done.
remote: Counting objects: 100% (819/819), done.
remote: Compressing objects: 100% (697/697), done.
remote: Total 819 (delta 439), reused 0 (delta 0)
Receiving objects: 100% (819/819), 156.42 KiB | 410.00 KiB/s, done.
Resolving deltas: 100% (439/439), done.
Note: checking out 'n11.0.10.1'.
You are in 'detached HEAD' state. You can look around, make experimental
changes and commit them, and you can discard any commits you make in this
state without impacting any branches by performing another checkout.
If you want to create a new branch to retain commits you create, you may
do so (now or later) by using -b with the checkout command again. Example:
git checkout -b <new-branch-name>
HEAD is now at 315ad74 add cuMemcpy
sed 's#@@PREFIX@@#/usr/local#' ffnvcodec.pc.in > ffnvcodec.pc
install -m 0755 -d '/usr/local/include/ffnvcodec'
install -m 0644 include/ffnvcodec/*.h '/usr/local/include/ffnvcodec'
install -m 0755 -d '/usr/local/lib/pkgconfig'
install -m 0644 ffnvcodec.pc '/usr/local/lib/pkgconfig'
安装 FFmpeg 依赖项¶
接下来，我们安装 FFmpeg 构建期间所需的工具和库。最低要求是 Yasm。这里我们另外安装了 H264 视频编解码器和 HTTPS 协议，我们稍后将使用它们来验证安装。
sudo apt -qq update
sudo apt -qq install -y yasm libx264-dev libgnutls28-dev
... Omitted for brevity ...
STRIP install-libavutil-shared
Setting up libx264-dev:amd64 (2:0.152.2854+gite9a5903-2) ...
Setting up yasm (1.3.0-2build1) ...
Setting up libunbound2:amd64 (1.6.7-1ubuntu2.5) ...
Setting up libp11-kit-dev:amd64 (0.23.9-2ubuntu0.1) ...
Setting up libtasn1-6-dev:amd64 (4.13-2) ...
Setting up libtasn1-doc (4.13-2) ...
Setting up libgnutlsxx28:amd64 (3.5.18-1ubuntu1.6) ...
Setting up libgnutls-dane0:amd64 (3.5.18-1ubuntu1.6) ...
Setting up libgnutls-openssl27:amd64 (3.5.18-1ubuntu1.6) ...
Setting up libgmpxx4ldbl:amd64 (2:6.1.2+dfsg-2) ...
Setting up libidn2-dev:amd64 (2.0.4-1.1ubuntu0.2) ...
Setting up libidn2-0-dev (2.0.4-1.1ubuntu0.2) ...
Setting up libgmp-dev:amd64 (2:6.1.2+dfsg-2) ...
Setting up nettle-dev:amd64 (3.4.1-0ubuntu0.18.04.1) ...
Setting up libgnutls28-dev:amd64 (3.5.18-1ubuntu1.6) ...
Processing triggers for man-db (2.8.3-2ubuntu0.1) ...
Processing triggers for libc-bin (2.27-3ubuntu1.6) ...
使用 NVDEC/NVENC 支持构建 FFmpeg¶
接下来我们下载 FFmpeg 4 的源代码。这里我们使用 4.4.2。
wget -q https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/archive/refs/tags/n4.4.2.tar.gz
tar -xf n4.4.2.tar.gz
cd FFmpeg-n4.4.2
接下来我们配置 FFmpeg 构建。请注意以下几点
我们提供像
-I/usr/local/cuda/include、-L/usr/local/cuda/lib64这样的标志，让构建过程知道在哪里可以找到 CUDA 库。我们提供像
--enable-nvdec和--enable-nvenc这样的标志来启用 NVDEC/NVENC。我们还提供 NVCC 标志，其计算能力为
75，对应于 T4 的7.5。†我们将库安装在
/usr/lib/中。
注意
† 配置脚本通过编译示例代码来验证 NVCC。默认情况下，它使用旧的计算能力，例如 30，而 CUDA 11 不再支持该功能。因此，需要设置正确的计算能力。
prefix=/usr/
ccap=75
./configure \
--prefix="${prefix}" \
--extra-cflags='-I/usr/local/cuda/include' \
--extra-ldflags='-L/usr/local/cuda/lib64' \
--nvccflags="-gencode arch=compute_${ccap},code=sm_${ccap} -O2" \
--disable-doc \
--enable-decoder=aac \
--enable-decoder=h264 \
--enable-decoder=h264_cuvid \
--enable-decoder=rawvideo \
--enable-indev=lavfi \
--enable-encoder=libx264 \
--enable-encoder=h264_nvenc \
--enable-demuxer=mov \
--enable-muxer=mp4 \
--enable-filter=scale \
--enable-filter=testsrc2 \
--enable-protocol=file \
--enable-protocol=https \
--enable-gnutls \
--enable-shared \
--enable-gpl \
--enable-nonfree \
--enable-cuda-nvcc \
--enable-libx264 \
--enable-nvenc \
--enable-cuvid \
--enable-nvdec
install prefix /usr/
source path .
C compiler gcc
C library glibc
ARCH x86 (generic)
big-endian no
runtime cpu detection yes
standalone assembly yes
x86 assembler yasm
MMX enabled yes
MMXEXT enabled yes
3DNow! enabled yes
3DNow! extended enabled yes
SSE enabled yes
SSSE3 enabled yes
AESNI enabled yes
AVX enabled yes
AVX2 enabled yes
AVX-512 enabled yes
XOP enabled yes
FMA3 enabled yes
FMA4 enabled yes
i686 features enabled yes
CMOV is fast yes
EBX available yes
EBP available yes
debug symbols yes
strip symbols yes
optimize for size no
optimizations yes
static no
shared yes
postprocessing support no
network support yes
threading support pthreads
safe bitstream reader yes
texi2html enabled no
perl enabled yes
pod2man enabled yes
makeinfo enabled no
makeinfo supports HTML no
External libraries:
alsa libx264 lzma
bzlib libxcb zlib
gnutls libxcb_shape
iconv libxcb_xfixes
External libraries providing hardware acceleration:
cuda cuvid nvenc
cuda_llvm ffnvcodec v4l2_m2m
cuda_nvcc nvdec
Libraries:
avcodec avformat swscale
avdevice avutil
avfilter swresample
Programs:
ffmpeg ffprobe
Enabled decoders:
aac hevc rawvideo
av1 mjpeg vc1
h263 mpeg1video vp8
h264 mpeg2video vp9
h264_cuvid mpeg4
Enabled encoders:
h264_nvenc libx264
Enabled hwaccels:
av1_nvdec mpeg1_nvdec vp8_nvdec
h264_nvdec mpeg2_nvdec vp9_nvdec
hevc_nvdec mpeg4_nvdec wmv3_nvdec
mjpeg_nvdec vc1_nvdec
Enabled parsers:
h263 mpeg4video vp9
Enabled demuxers:
mov
Enabled muxers:
mov mp4
Enabled protocols:
file tcp
https tls
Enabled filters:
aformat hflip transpose
anull null trim
atrim scale vflip
format testsrc2
Enabled bsfs:
aac_adtstoasc null vp9_superframe_split
h264_mp4toannexb vp9_superframe
Enabled indevs:
lavfi
Enabled outdevs:
License: nonfree and unredistributable
现在我们开始构建和安装
make clean
make -j
sudo make install
... Omitted for brevity ...
INSTALL libavdevice/libavdevice.so
INSTALL libavfilter/libavfilter.so
INSTALL libavformat/libavformat.so
INSTALL libavcodec/libavcodec.so
INSTALL libswresample/libswresample.so
INSTALL libswscale/libswscale.so
INSTALL libavutil/libavutil.so
INSTALL install-progs-yes
INSTALL ffmpeg
INSTALL ffprobe
检查安装¶
要验证我们构建的 FFmpeg 是否支持 CUDA，我们可以检查可用解码器和编码器的列表。
ffprobe -hide_banner -decoders | grep h264
VFS..D h264 H.264 / AVC / MPEG-4 AVC / MPEG-4 part 10
V..... h264_cuvid Nvidia CUVID H264 decoder (codec h264)
ffmpeg -hide_banner -encoders | grep 264
V..... libx264 libx264 H.264 / AVC / MPEG-4 AVC / MPEG-4 part 10 (codec h264)
V....D h264_nvenc NVIDIA NVENC H.264 encoder (codec h264)
以下命令从远程服务器获取视频，使用 NVDEC (cuvid) 解码，然后使用 NVENC 重新编码。如果此命令不起作用，则 FFmpeg 安装存在问题，TorchAudio 也无法使用它们。
$ src="https://download.pytorch.org/torchaudio/tutorial-assets/stream-api/NASAs_Most_Scientifically_Complex_Space_Observatory_Requires_Precision-MP4_small.mp4"
$ ffmpeg -hide_banner -y -vsync 0 \
-hwaccel cuvid \
-hwaccel_output_format cuda \
-c:v h264_cuvid \
-resize 360x240 \
-i "${src}" \
-c:a copy \
-c:v h264_nvenc \
-b:v 5M test.mp4
请注意有 Stream #0:0 -> #0:0 (h264 (h264_cuvid) -> h264 (h264_nvenc))，这意味着视频使用 h264_cuvid 解码器和 h264_nvenc 编码器进行解码。
Input #0, mov,mp4,m4a,3gp,3g2,mj2, from 'https://download.pytorch.org/torchaudio/tutorial-assets/stream-api/NASAs_Most_Scientifically_Complex_Space_Observatory_Requires_Precision-MP4_small.mp4':
Metadata:
major_brand : mp42
minor_version : 512
compatible_brands: mp42iso2avc1mp41
encoder : Lavf58.76.100
Duration: 00:03:26.04, start: 0.000000, bitrate: 1294 kb/s
Stream #0:0(eng): Video: h264 (High) (avc1 / 0x31637661), yuv420p(tv, bt709), 960x540 [SAR 1:1 DAR 16:9], 1156 kb/s, 29.97 fps, 29.97 tbr, 30k tbn, 59.94 tbc (default)
Metadata:
handler_name : ?Mainconcept Video Media Handler
vendor_id : [0][0][0][0]
Stream #0:1(eng): Audio: aac (LC) (mp4a / 0x6134706D), 48000 Hz, stereo, fltp, 128 kb/s (default)
Metadata:
handler_name : #Mainconcept MP4 Sound Media Handler
vendor_id : [0][0][0][0]
Stream mapping:
Stream #0:0 -> #0:0 (h264 (h264_cuvid) -> h264 (h264_nvenc))
Stream #0:1 -> #0:1 (copy)
Press [q] to stop, [?] for help
Output #0, mp4, to 'test.mp4':
Metadata:
major_brand : mp42
minor_version : 512
compatible_brands: mp42iso2avc1mp41
encoder : Lavf58.76.100
Stream #0:0(eng): Video: h264 (Main) (avc1 / 0x31637661), cuda(tv, bt709, progressive), 360x240 [SAR 1:1 DAR 3:2], q=2-31, 5000 kb/s, 29.97 fps, 30k tbn (default)
Metadata:
handler_name : ?Mainconcept Video Media Handler
vendor_id : [0][0][0][0]
encoder : Lavc58.134.100 h264_nvenc
Side data:
cpb: bitrate max/min/avg: 0/0/5000000 buffer size: 10000000 vbv_delay: N/A
Stream #0:1(eng): Audio: aac (LC) (mp4a / 0x6134706D), 48000 Hz, stereo, fltp, 128 kb/s (default)
Metadata:
handler_name : #Mainconcept MP4 Sound Media Handler
vendor_id : [0][0][0][0]
frame= 6175 fps=1712 q=11.0 Lsize= 37935kB time=00:03:26.01 bitrate=1508.5kbits/s speed=57.1x
video:34502kB audio:3234kB subtitle:0kB other streams:0kB global headers:0kB muxing overhead: 0.526932%
从 TorchAudio 使用 GPU 解码器/编码器¶
检查安装¶
一旦 FFmpeg 能够正常使用硬件加速，我们需要检查 TorchAudio 是否可以正确识别它。
torchaudio.utils.ffmpeg_utils 中有用于查询 FFmpeg 功能的实用函数。
您可以首先使用 get_video_decoders() 和 get_video_encoders() 来检查是否列出了 GPU 解码器和编码器（例如 h264_cuvid 和 h264_nvenc）。
通常情况下，系统中存在多个 FFmpeg 安装，而 TorchAudio 加载的是与预期不同的版本。在这种情况下，使用 ffmpeg 检查安装没有帮助。您可以使用 get_build_config() 和 get_versions() 等函数来获取 TorchAudio 加载的 FFmpeg 库的信息。
from torchaudio.utils import ffmpeg_utils
print("Library versions:")
print(ffmpeg_utils.get_versions())
print("\nBuild config:")
print(ffmpeg_utils.get_build_config())
print("\nDecoders:")
print([k for k in ffmpeg_utils.get_video_decoders().keys() if "cuvid" in k])
print("\nEncoders:")
print([k for k in ffmpeg_utils.get_video_encoders().keys() if "nvenc" in k])
Library versions:
{'libavutil': (56, 31, 100), 'libavcodec': (58, 54, 100), 'libavformat': (58, 29, 100), 'libavfilter': (7, 57, 100), 'libavdevice': (58, 8, 100)}
Build config:
--prefix=/usr --extra-version=0ubuntu0.1 --toolchain=hardened --libdir=/usr/lib/x86_64-linux-gnu --incdir=/usr/include/x86_64-linux-gnu --arch=amd64 --enable-gpl --disable-stripping --enable-avresample --disable-filter=resample --enable-avisynth --enable-gnutls --enable-ladspa --enable-libaom --enable-libass --enable-libbluray --enable-libbs2b --enable-libcaca --enable-libcdio --enable-libcodec2 --enable-libflite --enable-libfontconfig --enable-libfreetype --enable-libfribidi --enable-libgme --enable-libgsm --enable-libjack --enable-libmp3lame --enable-libmysofa --enable-libopenjpeg --enable-libopenmpt --enable-libopus --enable-libpulse --enable-librsvg --enable-librubberband --enable-libshine --enable-libsnappy --enable-libsoxr --enable-libspeex --enable-libssh --enable-libtheora --enable-libtwolame --enable-libvidstab --enable-libvorbis --enable-libvpx --enable-libwavpack --enable-libwebp --enable-libx265 --enable-libxml2 --enable-libxvid --enable-libzmq --enable-libzvbi --enable-lv2 --enable-omx --enable-openal --enable-opencl --enable-opengl --enable-sdl2 --enable-libdc1394 --enable-libdrm --enable-libiec61883 --enable-nvenc --enable-chromaprint --enable-frei0r --enable-libx264 --enable-shared
Decoders:
['h264_cuvid', 'hevc_cuvid', 'mjpeg_cuvid', 'mpeg1_cuvid', 'mpeg2_cuvid', 'mpeg4_cuvid', 'vc1_cuvid', 'vp8_cuvid', 'vp9_cuvid']
Encoders:
['h264_nvenc', 'nvenc', 'nvenc_h264', 'nvenc_hevc', 'hevc_nvenc']
使用硬件解码器和编码器¶
一旦安装和运行时链接正常工作，您就可以通过以下方式测试 GPU 解码。
