iOS 视频直播技术

iOS 视频直播技术

• 直播难：直播中运用到的技术难点非常之多，视频/音频处理，图形处理，视频/音频压缩，CDN分发，即时通讯等技术，每一个技术都够你学几年的。

• 直播易：市场已经有很多成熟的案例了。最常用的如：腾讯、七牛的是SDK。也就是传说中的站在大牛肩膀上编程。

  
  

直播环节：

1. 推流端（采集、美颜处理、编码、推流）
2. 服务端处理（转码、录制、截图、鉴黄）
3. 播放器（拉流、解码、渲染）
4. 互动系统（聊天室、礼物系统、赞）
   

一、推流端：

采集音视频数据：

• 主要挑战：
  1. 设备兼容性（尺寸、性能、支持清晰度）、
  2. 卡顿敏感（手机配置、丢帧处理、渲染流程解释为什么卡帧）、
  3. 图像的处理（如美颜、水印等）

• 原生格式： 音频（PCM），视频（YUV/RGB）

• 采集可设置： 前后置、灯光、聚焦、fps、分辨率（针对硬件适配）；音频采样频率、采样精度、声道等

1. 数据处理：

• 音频：处理混音、降噪和声音特效等。

  • 增益降噪等处理可以使用 WebRTC 来声音处理，然后调用处理（一套是定点算法（noise_suppression_x.h），一套是浮点算法（noise_suppression.h））。
  • 如有播放背景音乐的混音要求。 可以使用 AudioUnit、AudioToolBox、AVFoundation 将混音的背景音乐转成 PCM 数据，拷贝一份送入混音，原来的数据送入播放器。

• 视频：美颜、水印、滤镜

  • 滤镜、美颜功能是直播标配，如果需要美白、水印、裁剪等处理效果，就必须处理拿到的buffer, 这个时候还要考虑到拿到的数据是YUV 还是 RGB。
  • 但是 iOS 上是不能对 YUV 格式直接进行美颜处理，只能是 RGB 格式。
  • 可选择使用 GPUImage 库，调用 GPUImage 来进行采集和美白、水印、裁剪的处理，然后取出来进行编码上传，并显示在预览画面上。

2. 音视频编码：

• 视频编码的意义：
  压缩视频大小，满足实时传输要求。所以从视频采集传感器采集来的原始视频势必要经过视频编码。
  例子： 原始视频数据存储空间大，一个 1080P 的 7 s 视频需要 817 MB ，原始视频数据传输占用带宽大，10 Mbps 的带宽传输上述 7 s 视频需要 11 分钟。而经过 H.264 编码压缩之后，视频大小只有 708 k ，10 Mbps 的带宽仅仅需要 500 ms ，可以满足实时传输的需求。

• 编码首先要开启编码器，软编码就是利用CPU资源来压缩音视频数据，硬编码与之相反。

  • 软编码: 现在广泛采用FFmpeg库结合编码库来实现，FFmpeg + x264 来编码视频数据YUV/RGB 输出 H264 数据， FFmpeg+fdk_aac 来编码音频数据 PCM 输出 AAC 数据。
  • 硬编码: iOS 8之后开放了硬解码和硬编码AP，所以基本上都是选择VideoToolBox 和 AudioToolBox 进行图像和音频的硬编码。

3.封包推流：

推流，将采集到的音频，视频数据通过流媒体协议发送到流媒体服务器。

• 推流协议选择： 现在直播应用，采用RTMP协议居多，也有部分使用HLS协议。

  • 采用RTMP协议，就要看下它与流媒体服务器交互的过程，RTMP协议的默认端口是1935，采用TCP协议，并且需要了解FLV的封装格式。
  • 采用HLS协议，因为涉及到切片，延时会比较大，需要了解TS流。

• 几种常用推流技术对比：
  

  图片.png

4.补充：

• 视频处理框架有哪些？
  1. GPUImage : GPUImage是一个基于OpenGL ES的一个强大的图像/视频处理框架,封装好了各种滤镜同时也可以编写自定义的滤镜,其本身内置了多达120多种常见的滤镜效果。
  2. OpenGL: OpenGL（全写Open Graphics Library）是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格，它用于三维图象（二维的亦可）。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。
  3. OpenGL ES:OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 是 OpenGL三维图形 API 的子集 ，针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计。

• 视频编码解码相关：

  • 视频编码框架?
  1. FFmpeg：是一个跨平台的开源视频框架,能实现如视频编码,解码,转码,串流,播放等丰富的功能。其支持的视频格式以及播放协议非常丰富,几乎包含了所有音视频编解码、封装格式以及播放协议。X264: 把视频原数据 YUV 编码压缩成H.264格式。
  2. VideoToolbox: 苹果自带的视频硬解码和硬编码API，但是在iOS8之后才开放。
  3. AudioToolbox: 苹果自带的音频硬解码和硬编码API。

  • H.264/HEVC：
    一种视频压缩方式，基于H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进，以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。

  • H.265：
    是一种更为高效的编码标准，能够在同等画质效果下将内容的体积压缩得更小，传输时更快更省带宽。

  • H264中 I帧、P帧、B帧的含义？

  1. I帧：第一幅图片是被单独编码成一个单元（NALU）的，在H264中我们定义关键帧（用字母I表示，I帧包含一幅图片的所有信息，可独立解码成一幅完整的图片）。
  2. P帧：后面的第二个单元一直到第十个单元中的每一个单元我们定义为P帧（差别帧，因为它不包含完整的画面，只包含和前面帧的差别的信息，不能独立解码成一幅完整的图片，需要和前面解码后的图片一起才能解码出完整的图片）。
  3. B帧：当然H264中还有B帧（双向帧，需要前后的数据才能解码成单独的图片）。
  • 视频封装格式？
  1. TS： 一种流媒体封装格式，流媒体封装有一个好处，就是不需要加载索引播放，大大减少了首次载入的延迟，如果片子比较长，mp4文件的索引相当大，影响用户体验。
     为什么要用TS：这是因为两个TS片段可以无缝拼接，播放器能连续播放
  2. FLV： 一种流媒体封装格式，由于它形成的文件极小、加载速度极快，使得网络观看视频文件成为可能。因此FLV格式成为了当今主流视频格式。

  • 流媒体开发？
    网络层(socket或st)负责传输，协议层(rtmp或hls)负责网络打包，封装层(flv、ts)负责编解码数据的封装，编码层(h.264和aac)负责图像，音频压缩。

  • 视频文件格式？
    文件的后缀。比如.wmv、.mov、.MP4、.mp3、.avi。

二、服务端：

1.常用服务器

• SRS： 一款国人开发的优秀开源流媒体服务器系统。
• BMS： 也是一款流媒体服务器系统，但不开源，是SRS的商业版，比SRS功能更多。
• nginx：免费开源web服务器，常用来配置流媒体服务器。

2.数据分发

• CDN：(Content Delivery Network)：
  即内容分发网络。将网站的内容发布到最接近用户的网络”边缘”，使用户可以就近取得所需的内容，解决 Internet网络拥挤的状况，提高用户访问网站的响应速度。
  回源： 当有用户访问某一个URL的时候，如果被解析到的那个CDN节点没有缓存响应的内容，或者是缓存已经到期，就会回源站去获取搜索。如果没有人访问，那么 CDN节点不会主动去源站拿。

  • CDN：代理服务器，相当于一个中介。
  • CDN工作原理：比如请求流媒体数据：
  1. 上传流媒体数据到服务器 （源站）；
  2. 源站存储流媒体数据；
  3. 客户端播放流媒体，向CDN请求编码后的流媒体数据；
  4. CDN的服务器响应请求，若节点上没有该流媒体数据存在，则向源站继续请求流媒体数据；若节点上已经缓存了该视频文件，则跳到第6步。
  5. 源站响应CDN的请求，将流媒体分发到相应的CDN节点上；
  6. CDN将流媒体数据发送到客户端；

• 带宽：在固定的时间可传输的数据总量。
  比如64位、800MHz的前端总线，它的数据传输率就等于 64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s 。

• 负载均衡：

  1. 由多台服务器以对称的方式组成一个服务器集合。
  2. 每台服务器都具有等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。
  3. Qos(带宽管理)： 限制每一个组群的带宽，让有限的带宽发挥最大的效用。

  负载均衡作用：

  4. 通过某种负载分担技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。
  5. 均衡负载能够平均分配客户请求到服务器列阵，籍此提供快速获取重要数据，解决大量并发访问服务问题。
  6. 这种群集技术可以用最少的投资获得接近于大型主机的性能。

3.截图 待补充

4. 鉴黄 待补充

三、播放器：

1.拉流

• 直播协议选择：

1. 即时性要求较高或有互动需求的可以采用RETP、RTSP。
2. 对于有回放或跨平台需求的，推荐使用HLS 。

• 直播协议对比：
  

  

  HLS：由Apple公司定义的用于实时流传输的协议，HLS基于HTTP协议实现，传输内容包括两部分，一是M3U8描述文件，二是TS媒体文件。可实现流媒体的直播和点播，主要应用在iOS系统。

  • HLS 是以点播的技术方式来实现直播。
  • HLS是自适应码率流播。客户端会根据网络状况自动选择不同码率的视频流，条件允许的情况下使用高码率，网络繁忙的时候使用低码率，并且自动在二者间随意切换。这对移动设备网络状况不稳定的情况下保障流畅播放非常有帮助。
  • 实现方法是服务器端提供多码率视频流，并且在列表文件中注明，播放器根据播放进度和下载速度自动调整。

  HLS与RTMP对比：

  • HLS主要是延时比较大，RTMP主要优势在于延时低。
  • HLS协议的小切片方式会生成大量的文件，存储或处理这些文件会造成大量资源浪费。
  • 相比使用RTSP协议的好处在于：一旦切分完成，之后的分发过程完全不需要额外使用任何专门软件，普通的网络服务器即可，大大降低了CDN边缘服务器的配置要求。可以使用任何现成的CDN,而一般服务器很少支持RTSP。

  HTTP-FLV：基于HTTP协议流式的传输媒体内容。相对于RTMP，HTTP更简单和广为人知，内容延迟同样可以做到1~3秒，打开速度更快，因为HTTP本身没有复杂的状态交互。所以从延迟角度来看，HTTP-FLV要优于RTMP。

  RTSP：实时流传输协议，定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。

  RTP: 实时传输协议，RTP是建立在UDP协议上的，常与RTCP一起使用，其本身并没有提供按时发送机制或其它服务质量（QoS）保证，它依赖于低层服务去实现这一过程。

  RTCP：RTP的配套协议。主要功能是为RTP所提供的服务质量（QoS）提供反馈，收集相关媒体连接的统计信息。例如传输字节数，传输分组数，丢失分组数，单向和双向网络延迟等等。

2.解码

1. 解封装：
   demuxing（分离）：从视频流、音频流，字幕流合成的文件(容器格式 FLV/TS）中， 分解出视频、音频或字幕，各自进行解码。

2. 音频编码框架：
   fdk_aac：音频编码解码框架，PCM音频数据和AAC音频数据互转。

3. 解码介绍：

   1. 硬解码：用GPU来解码，减少CPU运算
      优点：播放流畅、低功耗，解码速度快。
缺点：兼容不好。
   2. 软解码：用CPU来解码
      优点：兼容好。
缺点：加大CPU负担，耗电增加、没有硬解码流畅，解码速度相对慢。

3.播放

• IJKPlayer ：一个基于FFmpeg的开源Android/iOS视频播放器
  • API易于集成；
  • 编译配置可裁剪，方便控制安装包大小；
  • 支持硬件加速解码，更加省电
  • 简单易用，指定拉流URL，自动解码播放.