视频直播关键技术解析

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这两年互联网领域的一个热门关键词就是视频直播,从刚开始的游戏直播和秀场娱乐开始,现在各个行业里都植入了直播元素。说起视频直播,让人有种又爱又恨的感觉,每天打开手机都有漂亮主播陪你聊一阵天,让人心情舒畅。但是,经常伴随着就会出现一些不那么让人舒心的事情,例如卡顿、掉线、黑屏等等。这些事情从始至终都困扰着直播APP开发者,从上线第一天起就注定不会再有安心日子,一入侯门深似海……

网易视频云目前承接了公司内部互联网产品的直播功能,同时也在公司外部提供视频直播公有云服务。与视频直播作斗争已两年有余,所以今天想跟大家探讨一下这里面的一些关键技术。先介绍一下视频直播的几个关键概念:

清晰度。4K、1080p、720p,这些概念被各大电视机厂商炒作了这么多年,已经地球人都懂了。4K在互联网视频直播里现在还不普及,主要是对网络数据传输要求太高了。1080p在一些对清晰度要求较高的场景如游戏直播里已经慢慢普及,要求的数据传输速率大约在4Mbps左右。720p是现在直播的主流清晰度,速率大约在1Mbps左右。在一些要求不太高的领域,还会有540p或者360p出现。

流畅度。如果在直播时出现卡顿、转圈,就意味着不流畅。主播和观众的连接通道好比一根水管,流量是有限的,因此如果清晰度提升意味着观众收看直播的流畅度有可能会下降。

延时。视频直播都是讲求互动性的,如果跟秀场妹妹聊天,讲了半天都没反应就略坑爹了。但是延时也不全是坏处,适当的延迟意味着在观众端能够有一定的视频流数据缓存,当出现网络不稳定时能够抵御小范围波动而使得观众无感知。

首屏时间。当观众进入直播间算起,到出现第一个主播画面的时间叫做首屏时间。为了保证直播流畅,会缓存一段数据之后再开始播放,但这个也不是绝对的,后文会详细描述。

所以,最后来总结一下这几个指标间的关系。


接下来我们会详细描述一下整个视频直播过程,视频流数据是如何在主播发送端、CDN、观众播放端之间流转的,而在技术上我们又可以做哪些事情来保证用户收看体验。

1. 首屏秒开

先从观众进入直播间那一刻说起,这相当于整个直播生命周期的开始。当进入直播间后,播放器会向CDN请求数据。此时,假设主播已经发送视频流数据到了第100帧,由于数据传输的一些延时,CDN端最新收到的数据可能在第90帧。当CDN接收到拉取视频流请求时,他会做一件非常有意思的事情,即往前回溯一段数据,在图中显示的是回溯2秒钟,那就到了视频流的第五帧。CDN会把第五帧开始往后的数据,通过RTMP或其他直播协议源源不断的发送到播放器。那为什么要往回2秒钟呢,这可能算是目前视频直播技术中一个比较有特点的技术优化,能用于很好地平衡流畅度和首屏秒开时间。具体运作机制我们接下来再看。

2. 流畅播放

接下去发生的事情,很好地可以说明回退2秒的作用。因为CDN是从第5帧开始发送数据,之后的数据全部缓存在CDN服务器中,因此可以源源不断地把数据发送到客户端,图中显示了从第5帧到50帧之间的数据,全部缓存在播放器内存中。这部分数据可以用于有效的抵抗网络波动造成的影响。当然,这样做的一个缺点是播放器相比于主播,延迟时间增加了2秒。所以说,视频直播所做的事情,就是在延时和流畅度之间找到一个很好的平衡点。

3. 网络拥塞

网络拥塞是互联网上最常见的一个情景,接下去讨论当发生网络拥塞时发生的情景。假设当观众播放到第150帧时,用户下行网络出现问题,如果播放器没有新的数据到来,必然会画面卡住并开始转菊花。而此时,主播端并不会感知到这个事情,主播还在正常推送视频流数据。在经过了大概4秒左右的卡顿后,观众端的网络恢复,数据又会源源不断从CDN流向播放器。在图中看到网络流畅时,播放器的缓存中已经存放了第280帧数据,此时当前画面是150帧。这会产生一个什么问题?因为播放器播放数据是按照每一帧的时间戳匀速播放,因此如果不做任何优化就意味着每经过一次卡顿,直播的延迟就会增加一段时间,而增加的时间和被卡住的时间是一致的。

4. 延时追赶

经过刚刚的描述,大家一定已经明白了延时累加是一个必须解决的问题。因此,播放器还需要做的事情就是延时追赶。播放器必须要实时侦测缓存中数据的情况,一旦大于某一阈值就启动延时追赶。追赶的方式,可以是直接扔掉多余数据也可以采用快进方式。快进模式相对来说用户体验会好一些,不会产生明显跳跃,处理时要注意声音不要因为快进而产生尖刺。最后再提一下,延时追赶不能太激进,还是应该在缓存中留一段数据,用于缓解以后可能再次发生的网络拥塞。

前文描述了首屏启动、流畅播放、网络拥塞、延时追赶的基本概念和每个阶段内部所发生的事情,整个直播就在流畅、拥塞和延时追赶三个阶段中来回往复。看完本文,有兴趣读者可以尝试利用开源软件自己去写个直播APP,可以拿来练手娱乐,如果要上线还有各种其他奇葩的坑。所以,最后推荐一个唯一正确的姿势:接入网易视频云服务~~~

本文来自网易云社区,作者:邱似峰

参考文档:https://sq.163yun.com/blog/article/165305487616262144

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