H.265 编码入门：FFmpeg 快速上手指南

随着超高清视频（4K、8K）的普及和网络带宽的不断提升，视频编码技术也在持续演进。H.265（也称为高效率视频编码，HEVC）作为 H.264/AVC 的继任者，以其卓越的压缩效率成为了新一代视频编码标准。在相同的视觉质量下，H.265 可以比 H.264 节省高达 50% 的比特率，这意味着更小的文件大小和更低的带宽需求。

本文将带您深入了解 H.265 编码的基础知识，并重点介绍如何使用强大的开源工具 FFmpeg 快速上手 H.265 编码。无论您是视频处理新手，还是希望提升编码技能的专业人士，本文都将为您提供有价值的指导。

一、H.265/HEVC 编码基础

1.1 H.265 概述

H.265/HEVC 由 ITU-T 视频编码专家组（VCEG）和 ISO/IEC 运动图像专家组（MPEG）联合开发，于 2013 年正式发布。其主要目标是在 H.264 的基础上进一步提高压缩效率，同时保持或提高视频质量。

1.2 H.265 核心技术

H.265 之所以能够实现更高的压缩效率，主要得益于以下几项关键技术的改进：

• 编码单元（Coding Unit, CU）： H.265 采用了更加灵活的编码单元结构，最大 CU 尺寸可达 64x64 像素（H.264 最大为 16x16）。这种更大的 CU 可以更有效地编码平坦区域，减少编码所需的比特数。
• 预测单元（Prediction Unit, PU）： PU 用于帧内和帧间预测。H.265 支持更多、更灵活的 PU 分割模式，可以更精确地描述图像中的运动信息。
• 变换单元（Transform Unit, TU）： TU 用于对残差数据进行变换编码。H.265 支持更大尺寸的变换核（最大 32x32），可以更好地去除空间冗余。
• 帧内预测： H.265 提供了更多的帧内预测模式（35 种，H.264 为 9 种），可以更准确地预测像素值，减少残差。
• 帧间预测： H.265 采用了更先进的运动补偿技术，包括自适应运动矢量预测、合并模式（Merge Mode）和高级运动矢量预测（AMVP）等，可以更有效地去除时间冗余。
• 环路滤波： H.265 在 H.264 的去块效应滤波器（Deblocking Filter）基础上，增加了采样自适应偏移（Sample Adaptive Offset, SAO）滤波器，可以进一步减少编码噪声，提高主观质量。
• 熵编码： H.265 采用上下文自适应二进制算术编码（CABAC），与 H.264 类似，但进行了优化，提高了编码效率。

1.3 H.265 编码档次（Profiles）和级别（Levels）

为了适应不同的应用场景和设备能力，H.265 定义了多个编码档次和级别。

• 档次（Profiles）： 规定了编码器可以使用的工具集和算法。常见的档次有：

  • Main Profile: 主要用于广播和流媒体应用。
  • Main 10 Profile: 支持 10 位色深，可以提供更丰富的色彩表现。
  • Main Still Picture Profile: 用于静态图像编码。
  • RExt (Range Extensions): 包含一系列扩展档次，支持更高的色深、更大的分辨率和更高的帧率。

• 级别（Levels）： 规定了编码视频的最大分辨率、帧率、比特率等参数。级别越高，支持的视频规格越高。

在选择 H.265 编码器时，需要根据实际需求选择合适的档次和级别。

二、FFmpeg 简介

FFmpeg 是一款功能强大的开源音视频处理工具，被广泛应用于视频编码、解码、转码、流媒体处理等领域。它支持多种编码格式，包括 H.265、H.264、VP9、AV1 等。

2.1 FFmpeg 的优势

• 跨平台： FFmpeg 可以在 Windows、macOS、Linux 等多种操作系统上运行。
• 功能强大： FFmpeg 提供了丰富的音视频处理功能，包括编码、解码、转码、滤镜、封装、解封装、流媒体传输等。
• 灵活可定制： FFmpeg 提供了大量的命令行参数，可以对编码过程进行精细控制。
• 开源免费： FFmpeg 是完全开源的，可以免费使用和修改。

2.2 FFmpeg 安装

在开始使用 FFmpeg 之前，您需要先安装它。

• Windows: 可以从 FFmpeg 官网下载预编译的二进制文件，或者使用 Chocolatey 等包管理器进行安装。
• macOS: 可以使用 Homebrew 等包管理器进行安装：brew install ffmpeg。
• Linux: 大多数 Linux 发行版都提供了 FFmpeg 软件包，可以使用相应的包管理器进行安装（如 apt-get install ffmpeg 或 yum install ffmpeg）。

安装完成后，可以在命令行中输入 ffmpeg -version 来验证安装是否成功。

三、使用 FFmpeg 进行 H.265 编码

FFmpeg 提供了多种 H.265 编码器，其中最常用的是 libx265。libx265 是一个开源的 H.265 编码器，具有良好的性能和压缩效率。

3.1 基本编码命令

使用 FFmpeg 进行 H.265 编码的基本命令如下：

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -crf 28 -preset medium output.mp4

• -i input.mp4: 指定输入文件。
• -c:v libx265: 指定视频编码器为 libx265。
• -crf 28: 设置恒定速率因子（Constant Rate Factor, CRF）。CRF 是一个控制编码质量的参数，取值范围为 0-51，值越小，质量越高，文件越大；值越大，质量越低，文件越小。通常建议的 CRF 值为 18-28。
• -preset medium: 设置编码预设。预设会影响编码速度和压缩效率。可选的预设值有：ultrafast、superfast、veryfast、faster、fast、medium、slow、slower、veryslow、placebo。越慢的预设，压缩效率越高，但编码时间也越长。
• output.mp4: 指定输出文件。

3.2 常用编码参数

除了上述基本参数外，FFmpeg 还提供了许多其他参数来控制 H.265 编码过程。以下是一些常用的参数：

• -b:v <bitrate>: 设置视频比特率（例如 -b:v 2M 表示 2 Mbps）。使用固定比特率（CBR）或平均比特率（ABR）编码时需要指定此参数。
• -minrate <bitrate> 和 -maxrate <bitrate>: 设置最小和最大比特率。与 -b:v 一起使用，可以实现可变比特率（VBR）编码。
• -bufsize <size>: 设置缓冲区大小。与 -b:v、-minrate 和 -maxrate 一起使用，可以控制比特率波动。
• -x265-params <key=value:key=value:…>: 设置 libx265 的特定参数。例如，可以使用 -x265-params keyint=60:min-keyint=30 来设置关键帧间隔。
• -tune <tuning>: 针对特定类型的视频内容进行优化。可选的值有：film（电影）、animation（动画）、grain（胶片颗粒）、stillimage（静态图像）、fastdecode（快速解码）、zerolatency（零延迟）。
• -profile:v <profile>: 设置 H.265 编码档次（例如 -profile:v main 或 -profile:v main10）。
• -level <level>: 设置 H.265 编码级别（例如 -level 4.1）。
• -pix_fmt <format>: 设置像素格式（例如 -pix_fmt yuv420p 或 -pix_fmt yuv420p10le）。
• -color_range <range> 设置色彩范围, 可选 tv(有限范围) 或者 pc (全范围)
• -colorspace <space> 设置色彩空间, 可选 例如 bt709, bt470bg, bt601, smpte240m, 等等.
• -color_primaries <primaries> 设置颜色原色, 可选 例如 bt709, bt470bg, bt601, smpte240m, 等等.
• -color_trc <trc> 传输特性, 可选 例如 bt709, bt470bg, bt601, smpte240m, 等等.
• -vf <filter>: 应用视频滤镜。例如，可以使用 -vf scale=1280:720 来调整视频分辨率。
• -an: 禁用音频编码。
• -c:a <codec> 指定音频编码器
• -b:a <bitrate> 设置音频码率

3.3 示例：不同场景下的编码设置

以下是一些针对不同应用场景的 H.265 编码示例：

1. 高质量归档：

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -crf 18 -preset slow -tune film output.mp4

此设置将以较高的 CRF 值（18）和较慢的预设（slow）进行编码，以获得最佳的视觉质量。-tune film 参数针对电影内容进行了优化。

2. 流媒体传输（720p）：

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -b:v 1M -maxrate 1.5M -bufsize 2M -preset medium -tune fastdecode -vf scale=1280:720 output.mp4

此设置将视频分辨率调整为 720p，并使用可变比特率（VBR）编码，平均比特率为 1 Mbps，最大比特率为 1.5 Mbps。-preset medium 和 -tune fastdecode 参数在编码速度和压缩效率之间取得了平衡。

3. 快速编码（预览）：

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -crf 28 -preset ultrafast output.mp4

此设置将以较高的 CRF 值（28）和最快的预设（ultrafast）进行编码，以获得最快的编码速度。这适用于快速预览或草稿编码。

4. 10-bit 编码：

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -crf 22 -preset medium -profile:v main10 -pix_fmt yuv420p10le output.mp4

此设置使用 Main 10 Profile 和 10 位像素格式（yuv420p10le）进行编码，可以提供更丰富的色彩表现。

5. 指定关键帧间隔:
bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -x265-params keyint=60:min-keyint=30 -crf 23 output.mp4
通过-x265-params 参数，可以指定最大关键帧间隔60帧，最小关键帧间隔30帧。

3.4 其他 H.265 编码器

除了 libx265 外，FFmpeg 还支持其他一些 H.265 编码器，例如：

• nvenc_hevc: NVIDIA GPU 硬件编码器，可以利用 GPU 加速编码过程，显著提高编码速度。
• hevc_qsv: Intel Quick Sync Video 硬件编码器，类似于 nvenc_hevc，但用于 Intel 集成显卡。
• hevc_videotoolbox: Apple VideoToolbox 硬件编码器，用于 macOS 和 iOS 设备。

这些硬件编码器通常比 libx265 更快，但在某些情况下可能会牺牲一些压缩效率或质量。

四、高级技巧和优化

4.1 两遍编码（2-Pass Encoding）

两遍编码是一种可以提高编码质量的技术。在第一遍编码中，FFmpeg 会分析整个视频，收集统计信息。在第二遍编码中，FFmpeg 会根据第一遍收集的信息，更智能地分配比特率，从而提高编码质量。

使用 FFmpeg 进行两遍编码的命令如下：

第一遍：

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -b:v 2M -pass 1 -an -f null /dev/null

第二遍：

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -b:v 2M -pass 2 output.mp4

• -pass 1: 指定第一遍编码。
• -an: 禁用音频编码（第一遍不需要编码音频）。
• -f null /dev/null: 将输出重定向到空设备（第一遍不需要生成实际的输出文件）。
• -pass 2: 指定第二遍编码。

4.2 并行编码

对于多核 CPU，可以使用 FFmpeg 的并行编码功能来加速编码过程。可以使用 -threads <n> 参数来指定编码线程数。

bash
ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -crf 23 -preset medium -threads 4 output.mp4

通常，将线程数设置为 CPU 核心数可以获得最佳性能。

4.3 使用滤镜

FFmpeg 提供了丰富的视频滤镜，可以用于调整视频的亮度、对比度、饱和度、锐度等。例如，可以使用 -vf unsharp=5:5:1.0 来对视频进行锐化处理。

4.4 编码 HDR 视频

对于高动态范围(High Dynamic Range, HDR)视频, 需要设置色彩空间, 颜色原色, 传输特性等参数.
例如编码 BT.2020 色彩空间的 HDR10 视频：

bash
ffmpeg -i input.mkv -c:v libx265 -crf 18 -preset slow \
-pix_fmt yuv420p10le -color_range tv -colorspace bt2020nc \
-color_primaries bt2020 -color_trc smpte2084 \
-x265-params "hdr-opt=1:repeat-headers=1:colorprim=bt2020:transfer=smpte2084:colormatrix=bt2020nc:master-display=G(13250,34500)B(7500,3000)R(34000,16000)WP(15635,16450)L(10000000,1):max-cll=1000,400" \
output.mp4
主要参数说明:

• -pix_fmt yuv420p10le: 使用10-bit 像素格式.
• -color_range tv: 设置为有限范围(Limited Range).
• -colorspace bt2020nc: 设置 BT.2020 非恒定亮度色彩空间.
• -color_primaries bt2020: 设置 BT.2020 颜色原色.
• -color_trc smpte2084: 设置 SMPTE ST 2084 (PQ) 传输特性.
• -x265-params: 设置 libx265 的详细参数, 包括 HDR 优化, 重复头信息, 色彩信息, 主显示信息, 最大内容光亮度(MaxCLL) 和最大帧平均光亮度(MaxFALL)等.

五、总结

本文详细介绍了 H.265 编码的基础知识，并重点讲解了如何使用 FFmpeg 快速上手 H.265 编码。通过掌握 FFmpeg 的基本命令和常用参数，您可以轻松地将视频编码为 H.265 格式，以获得更小的文件大小和更高的压缩效率。

当然，H.265 编码是一个复杂的主题，本文只是一个入门指南。如果您想深入了解 H.265 编码的更多细节，建议您参考 H.265 标准文档和 FFmpeg 官方文档。此外，您还可以通过实践不断探索和尝试，找到最适合您需求的编码设置。

希望本文对您有所帮助！祝您在 H.265 编码的道路上一切顺利！