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视频直播iOS端技术

  作者:陶金亮 网易通信与视频资深开发工程师
  随着网络基础建设的发展和资费的下降,在这个内容消费升级的时代,文字、图片无法满足人们对视觉的需求,因此视频直播应运而生。承载了实时性Real-Time和交互性的直播云服务是直播覆盖各行各业的新动力。
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  直播架构
  想必了解过直播的人都清楚直播主要分为3部分:推流->流媒体服务器->拉流。
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  而我们今天需要讲的就是推流这部分,它主要包括音视频采集,音视频前处理,音视频编码,推流和传输4个方面。但是由于网络的复杂性和大数据的统计,推流还需要有全局负载均衡调度GSLB(Global Server Load Balance),以及实时的统计数据上报服务器,包括提供频道管理给用户运营,因此推流SDK需要接入GSLB中心调度,统计服务器,心跳服务器,用于推流分配到网络最好的节点,有大数据的统计和分析。
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  下图涵盖了直播相关的所有服务,红色小标的线条代表指令流向,绿色小标的线条代表数据流向。
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  直播技术点
  
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  音视频采集
  采集是所有环节中的第一环,网易云通信与视频使用的系统原生框架AVFoundation采集数据。通过iPhone摄像头(AVCaptureSession)采集视频数据,通过麦克风(AudioUnit)采集音频数据。目前视频的采集源主要来自摄像头采集、屏幕录制(ReplayKit)、从视频文件读取推流。
  音视频都支持参数配置。音频可以设置采样率、声道数、帧大小、音频码率、是否使用外部采集、是否使用外部音频前处理;视频可以设置帧率、码率、分辨率、前后摄像头、摄像头采集方向、视频端显示比例、是否开启摄像头闪光灯、是否打开摄像头响应变焦、是否镜像前置摄像头预览、是否镜像前置摄像头编码、是否打开滤镜功能、滤镜类型、是否打开水印支持、是否打开QoS功能、是否输出RGB数据、是否使用外部视频采集。
  音视频处理
  前处理模块也是主观影响主播观看效果最主要的环节。目前iOS端比较知名的是GPUImage,提供了丰富的预处理效果,我们也在此基础上进行了封装开发。视频前处理包含滤镜、美颜、水印、涂鸦等功能,同时在人脸识别和特效方面接入了第三方厂商FaceU。SDK内置4款滤镜黑白、自然、粉嫩、怀旧;支持16:9裁剪;支持磨皮和美白(高斯模糊加边缘检测);支持静态水印,动态水印,涂鸦等功能。音频前处理则包括回声抑制、啸叫、增益控制等。音视频都支持外部前处理。
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  音视频编码
  编码最主要的两个难点是:
  处理硬件兼容性问题
  在高FPS、低bitrate和音质画质之间找个一个平衡点
  由于iOS端硬件兼容性比较好,因此可以采用硬编。SDK目前支持软件编码openH264,硬件编码VideoToolbox。而音频支持软件编码FDK-AAC和硬件编码AudioToolbox。
  视频编码的核心思想就是去除冗余信息:
  空间冗余:图像相邻像素之间有较强的相关性。
  时间冗余:视频序列的相邻图像之间内容相似。
  编码冗余:不同像素值出现的概率不同。
  视觉冗余:人的视觉系统对某些细节不敏感。
  
  音视频发送
  推流SDK使用的流媒体协议是RTMP(RealTime Messaging Protocol)。而音视频发送最困难的就是针对网络的带宽评估。由于从直播端到RTMP服务器的网络情况复杂,尤其是在3G和带宽较差的Wifi环境下,网络丢包、抖动和延迟经常发生,导致直播推流不畅。RTMP基于TCP进行传输,TCP自身实现了网络拥塞下的处理,内部的机制较为复杂,而且对开发者不可见,开发者无法根据TCP协议的信息判断当时的网络情况,导致发送码率大于实际网络带宽,造成比较严重的网络拥塞。因此我们自研开发了一款实时根据网络变化的QoS算法,用于实时调节码率、帧率、分辨率,同时将数据实时上报统计平台。
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  模块设计&线程模型
  模块设计
  鉴于推流的主流程分为上述描述的4个部分:音视频采集、音视频前处理、音视频编码、音视频发送。因此将推流SDK进行模块划分为LSMediacapture层(对外API+服务器交互)、视频融合模块(视频采集+视频前处理)、音频融合模块(音频采集+音频前处理)、基础服务模块、音视频编码模块、网络发送模块。
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  线程模型
  推流SDK总共含有10个线程。视频包含AVCaptureSession的原始采集线程、前处理线程、硬件编码线程、数据流向定义的采集线程、编码线程、发送线程。音频包含AudioUnit包含的原始采集线程、数据流向定义的采集线程、编码线程、发送线程。在数据流向定义的采集线程、编码线程、发送线程之间会创建2个bufferQueue,用于缓存音视频数据。采集编码队列可以有效的控制编码码率,编码发送队列可以有效自适应网络推流。
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  QoS&跳帧
  下图是直播的主要流程,用户初始化SDK,创建线程,开始直播,音视频数据采集,编码,发送。在发送线程下,音视频数据发送,QoS开启,根据网络实时评估带宽,调整帧率,码率控制编码器参数,同时触发跳帧,调整分辨率控制采集分辨率参数。用户停止直播,反初始化SDK,销毁线程。QoS&跳帧可以有效的解决用户在网络不好的情况下,直播卡顿的问题。在不同的码率和分辨率情况下,都能够做到让用户流畅地观看视频直播。
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