目录
一、自适应码率流的核心概念
1.1、流媒体传输的挑战
1.2、HLS与DASH协议简介
1.3、多码率自适应的实现原理
二. FFmpeg多码率输出的核心设计
2.1、单解码多编码架构
2.2、滤镜链与分辨率适配
三、完整代码实现与解析
3.1、初始化输入与输出上下文
3.2、多路编码器的配置
3.3、视频帧的缩放与编码
3.4、HLS/DASH格式的生成
四、性能优化与生产环境建议
4.1、硬件加速编码
4.2、多线程处理
4.3、码率梯度的合理配置
五、总结
参考资料：
一、自适应码率流的核心概念
1.1、流媒体传输的挑战
在实时视频传输中，网络带宽的动态变化可能导致卡顿或画质下降。自适应码率流（Adaptive Bitrate Streaming, ABS）通过动态切换不同码率的视频流，确保用户在不同网络条件下获得最佳体验。
图1.1、自适应码流流程
1.2、HLS与DASH协议简介
HLS (HTTP Live Streaming)：苹果公司提出的基于HTTP的分段流协议，通过m3u8索引文件描述多个码率的媒体片段（TS或MP4）。
DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)：MPEG标准，使用MPD清单文件管理媒体片段（通常为MP4），支持更灵活的编码组合。
1.3、多码率自适应的算法原理
客户端根据当前带宽选择合适码率的流，服务端需预先生成多个不同分辨率和码率的视频流，并通过分片机制（通常2-10秒一个片段）实现无缝切换，使用目标优化，Buffer建模，卡尔曼滤波，目标求解算法保证视频的清晰度、流畅度及平滑性。
图2.1、多码率自适应算法
二. FFmpeg多码率输出的核心设计
2.1、单解码多编码架构
FFmpeg的典型处理流程为 解码→处理→编码→复用。在多码率场景中，核心优化点在于：
// 单解码多编码流程
AVPacket pkt;
AVFrame *frame = av_frame_alloc();
while (av_read_frame(input_ctx, &pkt) == 0) {
if (pkt.stream_index == video_stream_idx) {
avcodec_send_packet(decoder_ctx, &pkt);
while (avcodec_receive_frame(decoder_ctx, frame) == 0) {
for (OutputStream &out : outputs) {
scale_frame(frame, out.scaled_frame); // 缩放
encode_and_write(out, out.scaled_frame); // 编码与写入
}
}
}
}
2.2、滤镜链与分辨率适配
使用libswscale或libavfilter实现分辨率动态调整。推荐使用滤镜图（Filter Graph）实现复杂处理：
// 创建缩放滤镜
snprintf(args, sizeof(args), "scale=%d:%d", out->width, out->height);
avfilter_graph_create_filter(&scale_ctx, scale_filter, "scaler", args, NULL, filter_graph);
2.3、多路输出的时间戳同步
不同编码器的输出流需独立管理时间戳（PTS/DTS），并转换到输出流的时间基：
// 转换PTS到输出流时间基
scaled_frame->pts = av_rescale_q(frame->pts,
input_stream->time_base,
out->stream->time_base);
三、完整代码实现与解析
3.1、初始化输入与输出上下文
AVFormatContext *input_ctx = NULL;
avformat_open_input(&input_ctx, "input.mp4", NULL, NULL);
// 配置输出流数组
OutputStream outputs[] = {
{.width=1280, .height=720, .bitrate=4000000},
{.width=854, .height=480, .bitrate=2000000},
{.width=640, .height=360, .bitrate=800000}
};
for (int i=0; i<OUTPUT_COUNT; i++) {
OutputStream *out = &outputs[i];
avformat_alloc_output_context2(&out->fmt_ctx, NULL, "hls", NULL);
// 设置HLS分片参数
av_opt_set(out->fmt_ctx->priv_data, "hls_time", "4", 0); // 4秒一个分片
}
3.2、多路编码器的配置
AVCodec *encoder = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_H264);
out->enc_ctx = avcodec_alloc_context3(encoder);
// 设置编码参数
out->enc_ctx->width = out->width;
out->enc_ctx->height = out->height;
out->enc_ctx->bit_rate = out->bitrate;
out->enc_ctx->time_base = (AVRational){1, 25}; // 帧率25fps
avcodec_open2(out->enc_ctx, encoder, NULL);
3.3、视频帧的缩放与编码
// 初始化SWS缩放上下文
out->sws_ctx = sws_getContext(decoder_ctx->width, decoder_ctx->height,
decoder_ctx->pix_fmt,
out->width, out->height,
AV_PIX_FMT_YUV420P, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);
// 缩放处理
sws_scale(out->sws_ctx, frame->data, frame->linesize, 0,
frame->height, scaled_frame->data, scaled_frame->linesize);
3.4、HLS/DASH格式的生成
FFmpeg的HLS复用器会自动生成分片文件和m3u8索引。关键配置：
// 设置HLS分片命名规则
av_opt_set(out->fmt_ctx->priv_data, "hls_segment_filename",
"output_%v_%03d.ts", 0); // %v代表变体名称
// 为每个变体添加带宽信息
avformat_write_header(out->fmt_ctx, NULL);
四、性能优化与生产环境建议
4.1、硬件加速编码
使用NVIDIA NVENC或Intel QSV编码器降低CPU负载：
AVCodec *encoder = avcodec_find_encoder_by_name("h264_nvenc");
4.2、多线程处理
启用编码器多线程（需编码器支持）：
out->enc_ctx->thread_count = 4; // 4个编码线程
4.3、码率梯度的合理配置
建议码率与分辨率呈非线性关系 ：
分辨率 码率范围 (bps)
1280x720 2.5M - 5M
854x480 1M - 2M
640x360 500k - 1M
关键代码示例：
#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavformat/avformat.h>
#include <libswscale/swscale.h>
#define OUTPUT_COUNT 3
typedef struct {
AVFormatContext *fmt_ctx;
AVCodecContext *enc_ctx;
struct SwsContext *sws_ctx;
int width, height, bitrate;
} OutputStream;
int main() {
// 初始化输入流
AVFormatContext *input_ctx = avformat_alloc_context();
avformat_open_input(&input_ctx, "input.mp4", NULL, NULL);
// 配置3个输出流
OutputStream outputs[OUTPUT_COUNT] = {...};
// 处理视频帧
while (av_read_frame(input_ctx, &pkt) >= 0) {
// 解码与多路编码处理
}
// 释放资源
for (int i=0; i<OUTPUT_COUNT; i++) {
av_write_trailer(outputs[i].fmt_ctx);
avcodec_free_context(&outputs[i].enc_ctx);
}
return 0;
}
五、总结
通过以上实现，我们可以构建一个高效的FFmpeg多码率转码系统，支持生成符合HLS/DASH标准的自适应码率流。本文提供的代码框架和优化建议，可直接应用于直播、点播等实际场景。
参考资料：
https://wenku.baidu.com/view/fe6c428251d380eb6294dd88d0d233d4b14e3fc7.html?fr=income3-doc-search&_wkts_=1748444783349&wkQuery=FFmpeg%E5%A4%9A%E7%A0%81%E7%8E%87%E8%BD%AC%E7%A0%81&needWelcomeRecommand=1
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