Android视频开发基础(四)

       前面几篇文章介绍了视频技术中最基础的概念以及Android中关于视频处理的一些知识，这些都是Android视频功能开发必须掌握的基础。这一篇文章作为这个系列的第四篇，主要来介绍直播相关的概念。

       在这篇文章中，你可以学习到以下内容：

1.当前直播产品的现状和面临的挑战

2.直播系统的整体架构是怎样的

3.直播客户端的结构如何

4.常用的直播协议有哪些，他们有什么不同

5.直播卡顿和延时的原因和优化方式

       带着这些问题，我们来开始今天的这篇文章~

现状

       任何事物的兴起和发展都是有其客观原因的，随着网络越来越发达，流量成本越来越低，移动设备性能和体验的不断提升，给直播提供了成长的土壤。正是基础设施的发展使得移动直播的门槛变的很低。对于那些有才艺、有特长、有颜值的内容生产者，他们迫不及待的需要一个平台去展示自己，吸引更多人的关注，并以此获得极高的人气和丰厚的收入，并有可能一举成名。游戏直播、体育直播、音乐直播、才艺直播等等，直播也在垂直领域自然而然的进行了细分。看惯了PGC的常规内容，甚至有些厌倦，现在的人们对于UGC内容越来越有兴趣，这给了他们极强的参与感和和带入感，可以进行实时互动，使得人的某些欲望得到了满足。UGC时代的到来，让直播成为内容领域不可或缺的一部分。

        那么，在使用直播App时，对用户来说什么最重要呢？答案就是流畅性。现在直播软件众多，要在其中脱颖而出不只内容要有吸引力，软件的体验也是决定成功与否的关键。一个频繁卡顿又延迟很大的软件必然得不到用户的青睐。虽然说当前网络发达，设备配置越来越高，但是弱网环境是我们绕不过去的问题，低端设备也还大量存在，这些都是挡在用户体验面前的大山。作为一个开发者，我们需要给用户提供丰富的功能，但同时也不能忽视了App的体验也是决定其成败的关键因素。

 

整体架构

       直播中涉及到众多技术和方案，直播数据的采集、前处理（美颜和滤镜）、音视频编解码、流媒体协议、系统架构、CDN、播放器优化、用户互动等。其中的任何一项单独拿出来，都可以作为一个主题来展开讲解，并不是一篇文章就能完全讲清楚的。因此，我们在这篇文章中也只是先从宏观上对直播技术进行介绍，并不会对某一项进行深入分析。

 

       

       我们先对直播系统做一个全局的介绍。从上图来看，直播系统主要由推流端、拉流端、业务服务器、IM、视频处理系统、CDN、视频管理系统等几部分组成。下面分别讲一下这几个组成部分的作用。

• 推流端：视频数据的生成端，可以是Android、iOS等手机端，也可以是web或者PC开播工具。主播可以使用专门的话筒或摄像设备作为输入工具，并通过滤镜、美颜等功能来提升直播的效果。
• 拉流端：直播的观众端，也可以是手机、web、PC等，现在通常都会用移动设备进行观看。
• 业务服务器：给直播客户端提供用户数据、管理数据等一系列业务相关的信息。
• IM：负责多端之间的互动，通过聊天、弹幕、礼物等形式实时进行交流。
• 视频处理系统：视频流传输到后台可能需要进行截图、转码、录制（保存成本地文件）等处理，都是由视频处理系统完成。
• CDN：视频数据的分发、最优节点的选择、推送数据到边缘节点、数据的回源等等一些保证播放可用性和优化播放体验的功能都需要CDN网络的支持。
• 视频管理系统：对视频进行操作和管理的系统，给运营人员提供对视频进行上架、下架、断播、拉黑、推荐等等的管理功能。

 

客户端结构

       直播客户端结构分为推流端和拉流端。推流端就是主播端，视频的生产者；拉流端即观众端，视频的消费者。它们的职责不同，也就决定了结构有所差异。

       首先来看推流端。

       直播数据由视频和音频数据合成而成，数据的采集和处理需要分成视频和音频两部分来看。先来看视频部分，Camera负责采集原始视频数据，原始数据为YUV格式，然后经过编码器进行编码，生成编码后的数据，现在用的比较多的是H264格式。视频数据的编码可以通过软编码或者硬编码两种方式实现，Android上的硬编码使用MediaCodec，而软编码通常需要使用第三方库x264或者openh264。虽然硬件编码的效率要高一些，但是由于硬件的一致性比较差，很难实现统一的高质量的编码，所以通常都是使用软件方式来编码的。对于音频部分，通过麦克风获取音频并生成PCM格式的原始音频数据，然后通过某种音频编码器（如FAAC）编码成AAC格式的音频数据。最后，通过合成器将视频和音频数据合成为FLV格式的视频，通过RTMP协议发送出去。这样，整个推流端的处理就全部完成了。

 

       

       我们了解了推流端的结构和原理，再来看一下拉流端的情况。其实我们可以合理的猜测，拉流端就是推流端的一个逆向的过程，实际也差不多就是这样。 拉流端播放器通过http-flv协议拉取数据，拿到flv格式的视频流数据。然后对音视频数据进行分离，分离出视频流和音频流，分别为H264和AAC格式，然后通过解码器对数据进行解码。像编码一样，解码也会有两种方式：硬解和软解，硬解码使用MediaCodec，而软解码使用ffmpeg。视频数据被解码成YUV原始数据并最终渲染到屏幕上，音频数据解码成PCM数据通过扬声器播放出来。这里有个音频和视频的同步过程，在播放音视频的时候，播放器会根据数据帧里的时间戳来保证音视频能够同步播放，否则会出现音画不同步的现象。

 

 

常用的直播协议

       直播技术中有很多种协议，分别适用于不同的场景。今天我们来介绍三种常用的协议：rtmp、http-flv、hls。下面分别简单讲一下这几种协议的特点。

• rtmp

       实时消息传输协议，Real Time Messaging Protocol，是 Adobe公司为 Flash 播放器和服务器之间音视频和数据传输开发的开放协议。协议基于tcp协议进行传输，实质上也是传输的flv格式的数据，不仅可以拉流，也可以推流。正常情况下拉流延迟在3s左右。

• http-flv

       它直接基于http协议, 实际上就是将音视频数据封装成flv格式通过http协议进行传输。http-flv协议传送的数据可以看做一个无限大的flv文件，原理是服务器回复客户端请求的时候不加content-length字段。http-flv的延迟也比较小，一般在3s以内。

       相比rtmp拉流，由于是直接基于http协议，http-flv有更多的优点，它可以很好的穿越防火墙，可以支持302跳转，可以使用https的加密，移动端支持的也比较好。

• hls

       全称为Http Living Stream，是Apple开发的协议，也是基于http协议的。它的最大特点就是直播播放器获取到的并不是一个完整的视频流。hls协议在服务端将直播数据切片封装成ts段，形成无数小的ts文件。播放器在请求播放数据的时候，首先得到一个m3u8文件，该文件内部会有一个playlist，客户端按照顺序依次请求并播放ts文件数据。它的特点导致了实时性比较差，播放延迟很大，这个延迟是由切片长度决定的，一般大于10s。另外，hls也是基于http协议的，所以穿透性比较好，不容易被墙。

       从上面的介绍看来，三种协议各有优缺点，我们通过一个表格来对三种协议做一个更为清晰的对比。

 

协议	http-flv	rtmp	hls
传输	http	tcp	http
视频格式	flv	flv	ts
延时	低	低	高
数据分段	连续	连续	切片文件
H5播放	不支持	不支持	支持

       通常，推流端会选用rtmp协议，客户端会选择http-flv来拉流，而h5则会选择hls协议进行拉流。

 

卡顿和延时

       我们要清楚的是，卡顿和延时是有相关性的，卡顿可能会导致延时越来越大，而延时也会导致观众端的卡顿。       

 

       首先我们来看一下卡顿的原因。卡顿的主要来源有两个：设备性能和带宽限制。设备性能又分主播和观众端。由于Android本身的碎片化问题，Android设备性能良莠不齐，所以在编解码性能上很难保证所有机器都能满足要求。尤其为了保证一致性和兼容性，编解码通常会使用软解，更加重了机器的负担。既然观众端很难控制，为了尽量减少卡顿，只能是主播端尽量去使用更好的机器了。另外一个卡顿的原因就是网络状况的复杂性。不像设备问题只限于端，网络问题更是受运营商、CDN提供方的影响，可能某个CDN节点抽风一下，就会影响到一拨观众。因此，除了主播要保证良好的网络连通性，最重要的就是CDN网络的稳定，能够在大部分情况下给观众提供流畅稳定的服务。

       对于卡顿，有一些优化策略，比如可以通过使用硬编解码充分利用GPU资源，或者通过增加播放器的缓冲区来降低网络不稳定带来的影响，或者降低编码质量来降低编码时间和传输时间等等。

      下面再来看延时的问题，延时的来源也有很多。像上面提到的，网络状况比较差的时候，网络延迟增大，自然观众端的延时就会变大。其实有延迟是正常的，从推流端的数据采集，美颜和滤镜的处理，视频数据的编码，以及最终的数据发送，到服务端的网络延时，CDN的分发，数据的回源，再到观众端对数据的接收、解码和渲染，都是需要时间的。所以我们只要把延时控制在一个合理的区间内就是可以接受的。

       对于延时的优化，可以优化推拉流端编解码的速度，可以通过优化首帧的展示时间来减少延时。另外，在播放器的策略上也可以做一些优化，比如可以适当的丢帧来进行追帧，或者在发现延迟很大的时候断掉连接重新进行连接等策略。

       本文只是对直播的整体框架和技术的一个介绍，并没有对细节进行展开，比如对于卡顿和延时的优化的细节，后面有机会可以再单独来讲一讲。大家看完文章之后如果能够对直播技术有一个整体全面的认识，也就达到目的了。

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