NVIDIA GeForce GTX 1050のNVENCで動画を高速エンコード

「GeForce GTX 1050（GP107チップ搭載）」で動画をエンコードしてみたら強烈に速かった話です。

動作環境
検証用の動画
変換結果
CPU/GPUの負荷状況
ffmpegのコマンドの例

動作環境

環境は以下の通りで、定格で稼働してます。

OS	Windows 10 HOME 1803 64bit
CPU	INTEL Core i5-650 @ 3.20GHz
GPU	ZOTAC GeForce GTX 1050 2GB Mini（Driver ver. 398.11）
メモリ	8GB

GTX 1050にはデコーダー（NVDEC）とエンコーダー（NVENC）が実装されていて、それぞれがGPU（CUDAコア）とは別に動作します。これを使います。

検証用の動画

民生機（CANON iVIS HFM41）で撮影した動画をffmpegを使ってハードウェアエンコード（NVDEC + NVENC）とソフトウェアエンコード（CPU）とを比較します。動画は何も編集せず、ffmpegのオプションはcodec以外は無指定で変換しています。

フォーマット	MPEG4-AVC/H.264、1920×1080
時間	5分2秒
ビットレート	23Mbps
ファイルサイズ	830MB

変換結果

H.265/HEVC

H.265/HEVC	時間	fps	ファイルサイズ
ソフトウェアエンコード	0:19:45	8	13.8MB
ハードウェアエンコード	0:00:29	324	81.3MB

約40倍も違う。CPUが古いからか…。ソフトウェアだと実時間の4倍かかってますが、ハードウェアだと1/10と目の醒めるような速さです。一方、ファイルサイズは逆の開きがあります。ビットレートが23Mbps → 2Mbps（後述）なので双方ともファイルサイズはかなり縮小していますが、ソフトウェアはハードウェアの1/6程度になっています。

H.264

H.264	時間	fps	ファイルサイズ
ソフトウェアエンコード	0:11:46	13	74.2MB
ハードウェアエンコード	0:00:22	426	81.2MB

H.264の場合。ハードウェアはfpsが400を超えています。ファイルサイズは先のH.265のソフトウェアがさすがに圧倒的。圧縮率の違いがよく分かります。

動画データ

動画の情報をffmpegで見てみると…。ビットレートの指定なしだと、2Mbpsくらいになるようです。動きの少ない動画だったためか、再生しても違いがよく分からない…。

変換元

Duration: 00:05:02.82 Bitrate: 23016 kb/s Video: h264 (High) (HDMV / 0x564D4448), yuv420p(top first), 1920x1080 [SAR 1:1 DAR 16:9], 29.97 fps, 59.94 tbr, 90k tbn, 59.94 tbc Audio: ac3 (AC-3 / 0x332D4341), 48000 Hz, stereo, fltp, 256 kb/s

変換後（H.265/HEVC）

Duration: 00:05:02.84 Bitrate: 2253 kb/s Video: hevc (Main) (hev1 / 0x31766568), yuv420p(tv, top coded first (swapped)), 1920x1080 [SAR 1:1 DAR 16:9], 2118 kb/s, 29.97 fps, 29.97 tbr, 30k tbn, 29.97 tbc (default) Audio: aac (LC) (mp4a / 0x6134706D), 48000 Hz, stereo, fltp, 128 kb/s (default)

変換後（H.264）

Duration: 00:05:02.84 Bitrate: 2250 kb/s Video: h264 (Main) (avc1 / 0x31637661), yuv420p, 1920x1080 [SAR 1:1 DAR 16:9], 2115 kb/s, 29.97 fps, 29.97 tbr, 30k tbn, 59.94 tbc (default) Audio: aac (LC) (mp4a / 0x6134706D), 48000 Hz, stereo, fltp, 128 kb/s (default)

ビットレート変更

では、ビットレート8Mbpsではどうでしょう。ffmpegのオプションに -b:v 8000k を追加してH.265へ変換してみます。

H.265/HEVC（8Mbps）	時間	fps	ファイルサイズ
ソフトウェアエンコード	0:40:41	4	295MB
ハードウェアエンコード	0:00:38	241	297MB

スピードは60倍の差ながらファイルサイズはほぼ同じでした。

CPU/GPUの負荷状況

ハードウェアでの変換時にタスクマネージャーで使用率を見ると以下のような感じです。元の動画をデコーダーがデコードしつつ、エンコーダーが全負荷でエンコードしている様が分かります。GPUは無負荷、左上のCPUは高みの見物中くらいな感じ。

ffmpegのコマンドの例

もしエンコード中に動画を見るためにデコーダーを使いたいという場合は、エンコードだけハードウェアにする手もあります。

ハードウェアデコード（NVDEC）＋ハードウェアエンコード（NVENC）の例
ffmpeg -y -hwaccel cuvid -vcodec h264_cuvid -i input.mts -vcodec hevc_nvenc output.mp4
ソフトウェアデコード（CPU）＋ハードウェアエンコード（NVENC）の例
ffmpeg -y -i input.mts -vcodec hevc_nvenc output.mp4

青下線部分がハードウェアデコードの指定なので、それを外すだけです。下はソフトウェアデコード＋ハードウェアエンコードしながら、YoutubeでVP9の8K60Pの動画を再生している状態です。先ほどとは違って、今度はデコーダーがYoutube動画のデコードで全負荷で動いています。左上のCPU使用率にも注目。CPUが変換元の動画をデコードしているのでCPU負荷が上がっています。デコードが遅いので、それを入力とするGPUの「Video Encode」は3割程度の負荷しかかかっていませ。