Raspberry Pi 4 64ビット環境でffmpegをビルドしてハードウェアエンコードしてみました

Raspberry Pi地デジ関連記事

※22.12.25追記：Raspbrry Pi 4をお持ちの場合、令和5年(2023年)版最新記事が御座います。

以下、令和2年(2020年)以前の記事になります。

• 2020年最終版
  • Raspberry Pi 4をHDDから起動して64ビットEPGStationサーバを作ってみました
  • Raspberry Pi 4でUSB接続HDDから64ビットUbuntu 20.04.1を起動してみました
  • Raspberry Pi 4で64ビットMirakurun DVRチューナサーバを動かしてみました
  • Raspberry Pi 4で64ビットEPGStation録画環境を作ってみました
  • ラズパイ地デジ録画環境を安定させるには
  • Raspberry Pi 4 64ビット環境でffmpegをビルドしてハードウェアエンコードしてみました
• 32ビット検証
  • ①機材編
  • ②コマンドライン録画編
  • ③ストリーミング編
  • Raspberry Pi 4で地デジ4チャンネル同時録画するには
• Ubuntu 20.04.1添付のffpmegは使ってはダメよ検証
  • Raspberry Pi 4で64ビットハードウェアエンコードを試してみましたが
• DLNA配信
  • Raspberry Pi 4でDLNAサーバを簡単起動するには Podman版

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以前、Raspberry Pi 4の64ビット環境で、動画のハードウェアエンコードが可能かどうか検証しましたが、動画が緑色になり、うまくいかない状況でした。

• Raspberry Pi 4で64ビットハードウェアエンコードを試してみましたが

先日Oさんからコメントを頂き、動画が緑色になるのは、ffmpeg 4.2.xのバグという情報を頂きました。

ということは、ffmpegをなんとかすれば、Raspberry Pi 4の64ビット環境で、ハードウェアエンコードが可能ということですか？本当ですか？

というわけで。背中を押して頂いた勢いで、Raspberry Pi 4でffmpegをビルドして再度検証してみました。

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Raspberry pi 4 64ビット版Ubuntu 20.04.1のカスタムffmpegビルド手順

使用するRaspberry PiとOS

メモリー容量4GB版のRaspbery Piを使用しましたが。64ビットということで、8GB版でも問題ないかと思います。私は8GBでは試してませんが、むしろメモリー容量8GBが本気を出すときが来たのではないかと。ぜひ試してみたいです！

OSは、Ubuntu 20.04.1 LTS 64ビットServer版を使用しました。microSDカードは使用せずに、USB接続した1TBのHDDから起動しました。

• Raspberry Pi 4でUSB接続HDDから64ビットUbuntu 20.04.1を起動してみました

USB接続したHDDから起動する場合、容量が大きすぎると起動できないようです。3TBは起動できたという情報もありますが、環境によって異なるようです。

各種ライブラリはUbuntu 20.04.1標準を使用

最新バージョンのffmpegをビルド(ソースコードをコンパイルしてオブジェクトファイルを生成、リンクして実行バイナリを作成)しますが、使用するライブラリはUbuntu 20.04.1標準のものを使用しました。

具体的な意味ですが、configureのオプションを既存のUbuntu 20.04.1同梱のffmpeg 4.2.4に合わせて新しいffmpeg 4.3.xをビルドすることで、機能的に同じではあるもののバグが少ないffmpegにしましょう、という考え方になります。

新しいライブラリを取り入れれば機能が増えますが、作業が大変になりますので、そこは別の機会に致します。

既存のffmpeg 4.2.4のconfigureオプションは下記のようです。

configuration: 
--prefix=/usr 
--extra-version=1ubuntu0.1 
--toolchain=hardened 
--libdir=/usr/lib/aarch64-linux-gnu 
--incdir=/usr/include/aarch64-linux-gnu 
--arch=arm64 
--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-chromaprint 
--enable-frei0r 
--enable-libx264 
--enable-shared

こちらのconfigureオプションでビルドが可能になるように、各種パッケージのインストールを行いたいと思います。

ビルド関連ツールのインストール

「Raspberry Pi 4 Ubuntu 20.04.1 64ビット版で動画が緑色になるのはffmpegのバグ」というエビデンスはもう1つあります。次の記事になります。

• Hardware Accelerated Video Encoding on the Raspberry Pi 4 on Ubuntu 20.04 64-bit

こちらの記事のffmpegビルド手順を参考にさせて頂こうと思ったのですが、使用するライブラリが少なすぎる感じがしました。Ubuntu添付のffmpegの機能がずいぶん削られてしまいます。

このため、ビルドツールのインストール等のスクリプトを参考にさせて頂きつつ、不足していると感じたところは独自に補わせて頂きました。

最初に、上記の記事で紹介されているビルドツールとライブラリをインストールします。

sudo apt-get update -qq && sudo apt-get -y install \
  autoconf \
  automake \
  build-essential \
  cmake \
  git-core \
  libass-dev \
  libfreetype6-dev \
  libgnutls28-dev \
  libsdl2-dev \
  libtool \
  libva-dev \
  libvdpau-dev \
  libvorbis-dev \
  libxcb1-dev \
  libxcb-shm0-dev \
  libxcb-xfixes0-dev \
  pkg-config \
  texinfo \
  wget \
  yasm \
  zlib1g-dev

続いて、不足している各種ライブラリ(-dev付き)をインストールします。

sudo apt install \
libavresample-dev libavresample4 \
nasm \
libx264-dev \
libx265-dev libnuma-dev \
libvpx-dev \
libfdk-aac-dev \
libmp3lame-dev \
libopus-dev

こちらはffmpegのコンパイルガイドに基づきます。

• CompilationGuide – FFmpeg

ソースコードの取得

ビルドに必要なツールとライブラリのインストールが終わったところで。続いてffmpegのソースコードを取得します。

gitコマンドで最新バージョンを取得しました。

git clone --depth 1 git://github.com/FFmpeg/FFmpeg.git

ちなみにブランチからリリースバージョン4.3を取得する場合は下記のコマンドのようです。(自分用覚書

git clone --depth 1 --branch release/4.3 git://github.com/FFmp
eg/FFmpeg.git

今回は最新のソースをビルドしてみましたが、バージョンはgit-2021-01-03-6c24f2bでした。

configure実行

先ほど、Ubuntu 20.04.1標準のffmpeg configureオプションを記載致しましたが、そのままではビルドできませんでした。オプションを2つ削り、「–enable-avisynth」と「–enable-libwavpack」オプションはつけずにconfigureを実行しました。

またインストール先のprefixは既存のffmpegとぶつからないように「/opt/usr」に変更しました。

# git cloneで取得したソースディレクトリに移動
cd FFmpeg
# configure実行
./configure \
--prefix=/opt/usr \
--extra-version=1ubuntu0.1 \
--toolchain=hardened \
--libdir=/usr/lib/aarch64-linux-gnu \
--incdir=/usr/include/aarch64-linux-gnu \
--arch=arm64 \
--enable-gpl \
--disable-stripping \
--enable-avresample \
--disable-filter=resample \
--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-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-chromaprint \
--enable-frei0r \
--enable-libx264 \
--enable-shared
# 次の2行はコメント化
# --enable-avisynth \
# --enable-libwavpack \

しばらく待つとconfigureが完了し、Makefileが出力されます。ではいよいよmakeコマンドでビルドします。マルチコア最適化オプション付きでビルドしました。

make -j4

ビルドは30分弱で完了しました。コンパイル中に警告がちらほら表示されましたが、リンクエラーもなく無事にビルドできました。

既存のffmpegと共存できるように/optにインストール

インストール先はconfigureのprefixオプションで予め/optを指定しておきました。make installコマンドでインストールします。

sudo make install

このような感じで、ffmpeg,ffplayffprobeコマンドが/opt/usr/binにインストールされました。自力でビルド・インストールしたffmpegコマンドを実行してみましょう。ふむふむ。特に問題なく動きそうです。

以上で最新バージョンのffmpegのビルド・インストールが完了しました。

うまくビルドできたようですので、エンコードもうまくいく予感がしますが・・・どうでしょうか？実際に試してみました。

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Raspberry Pi 4 64ビット版Ubuntu 20.04.1 LTS Serverでffmpegハードウェアエンコード成功

結論から申し上げます。ビルドしたffmpegでエンコードしたところ。

• Raspberry Pi 4で64ビットハードウェアエンコードを試してみましたが

Ubuntu 20.04.1添付のffmpegと異なり、次の2つのポイントがありました。

1. 映像は正しい色で出力されました。緑色ではありません。
2. エンコード時、ビットレートを指定する必要があります。指定しないと400kbpsの低ビットレートでエンコードされるため、ファイルサイズが小さく画質が低くなります。適切なビットレートを指定することで、良好な画質が得られました。

短い動画ですが、これは1分20秒程度のtsファイルを実際にハードウェア・エンコードして出力されたファイルになります。

上述の通り、-b:v オプションでビットレートを指定しないと、低品質の映像が出力されてしまいます。5Mbpsでハードウェアエンコードしてみました。

time /opt/usr/bin/ffmpeg -i test.ts -c:v h264_v4l2m2m -b:v 5M -y test_v4l2m2m_5M.mp4
# -b:vオプションでビットレートを指定しないと低画質になります

エンコード中のフレームレートは65fps出ており、ハードウェアエンコーダが有効であることがわかります。エンコードにかかった実時間は43秒・・・動画の長さの1分20秒の半分で出力されています。ユーザ時間が1分かかっていますが、このあたりは動画が短すぎて計算の誤差が出ているようですが、動画の再生時間よりも短い時間でエンコードできているのは確かなようです。

生成されたtest_v4l2m2m_5M.mp4は問題なく再生できました。

ハードウェアエンコード時の負荷は最大4.0程度で、4コアのRaspberry Pi 4の負荷としてはバランスが良い状態です。ソフトウェアエンコードした場合は、ロードアベレージが8.0に達して、エンコード以外の処理に遅延が発生する状況でしたので、ハードウェアエンコードはソフトウェアエンコードよりも負荷がずっと小さいことが確認できました。

これで実際に、64ビットのUbuntu 20.04.1環境でも、ffmpegでハードウェアエンコードが可能であることがわかりました。

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EPGStationの設定変更

EPGStationの設定を変更して、ハードウェアエンコードが可能なffmpegを使用するようにしました。

vi EPGStation/config/config.json
# ffpmegのパスを/opt/usr/bin/ffmpegに変更
"ffmpeg": "/opt/usr/bin/ffmpeg",
"ffprobe": "/opt/usr/bin/ffprobe",
# libx264をh264_v4l2m2mに置換
# vimの場合、:(コロン)→%s/libx264/h264_v4l2m2m/g→エンターで一括置換

変更が終わりましたら、EPGStationを再起動しました。

# EPGStationのidを確認
sudo pm2 status
# idを指定して再起動
sudo pm2 restart 1

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Raspberry Piの録画環境を、いろいろと整えてきましたが。

ffmpegのビルドは、最後の難関だった感じがします。

苦労の甲斐があり、これでRaspberry Pi録画環境が完成！・・・というわけでも無さそうです。

libx264をh264_v4l2m2mに置換したものの、実用に耐えるエンコードオプションを、いろいろと調整する必要があるかと思います。

32ビット環境と64ビット環境では、調整～チューニングが異なるかと思いますので、64ビット環境での最適解を探す苦労があるかもしれません。

楽しみながら、いろいろと実験してみてください！(私は力尽きました

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