《视频直播技术详解》系列：（5）处理

原文来自七牛云，感谢原作者。

《视频直播技术详解》系列：（0）汇总

本片我们将介绍处理部分。互联网直播中，常见视频处理功能如美颜、视频水印、滤镜、连麦等。

视频或者音频完成采集之后得到原始数据，为了增强一些现场效果或者加上一些额外的效果，我们一般会在将其编码压缩前进行处理，比如打上时间戳或者公司 Logo 的水印，祛斑美颜和声音混淆等处理。在主播和观众连麦场景中，主播需要和某个或者多个观众进行对话，并将对话结果实时分享给其他所有观众，连麦的处理也有部分工作在推流端完成。

开放式设计 

如上图所示，处理环节中分为音频和视频处理，音频处理中具体包含混音、降噪和声音特效等处理，视频处理中包含美颜、水印、以及各种自定义滤镜等处理。对于七牛这样的直播云服务来说，为了满足所有客户的需求，除了要提供这些「标准」处理功能之外，我们还需要将该模块设计成可自由接入自定义处理功能的方式。

iOS SDK 地址：https://github.com/pili-engineering/PLMediaStreamingKit

Android SDK 地址：https://github.com/pili-engineering/PLDroidMediaStreaming

常见视频处理功能

1. 美颜 

都说「80% 的主播没有美颜根本没法看」，美颜是直播产品中最常见的功能之一。最近准备在香港上市的美图公司的主打产品就是美颜相机和美拍，有媒体戏称其会冲击化妆品行业，其实就是美颜的效果的功劳，让美女主播们不化妆也可以自信的直播，而美颜相机的用户则可以拍出「更好的自己」。

美颜的主要原理是通过「磨皮+美白」来达到整体美颜的效果。磨皮的技术术语是「去噪」，也即对图像中的噪点进行去除或者模糊化处理，常见的去噪算法有均值模糊、高斯模糊和中值滤波等。当然， 由于脸部的每个部位不尽相同，脸上的雀斑可能呈现出眼睛黑点的样子，对整张图像进行「去噪」处理的时候不需要将眼睛也去掉，因此这个环节中也涉及到人脸和皮肤检测技术。

七牛直播云提供的 iOS 和 Android 推流 SDK 中内置了美颜功能，你可以根据自己的需要选择开关美颜功能，并且能够自由调节包括美颜，美白，红润等在内的参数。其中 iOS 端 SDK PLCameraStreamingKit 的参数设置如下：

1）按照默认参数开启或关闭美颜：

1. -(void)setBeautifyModeOn:(BOOL)beautifyModeOn;

2）设置美颜程度，范围为 0 ~ 1：

1. -(void)setBeautify:(CGFloat)beautify;

3）设置美白程度，范围为 0 ~ 1

1. -(void)setWhiten:(CGFloat)whiten;

4）设置红润程度，范围为 0 ~ 1

1. -(void)setRedden:(CGFloat)redden;

2. 视频水印 

水印是图片和视频内容中常见的功能之一，它可用于简单是版权保护，或者进行广告设置。处于监管的需求，国家相关部门也规定视频直播过程中必须打上水印，同时直播的视频必须录制存储下来保存一定的时间，并在录制的视频上打上水印。

视频水印包括播放器水印和视频内嵌水印两种方式可供选择，对于播放器水印来说，如果没有有效的防盗措施，对于没有播放鉴权的推流，客户端拿到直播流之后可以在任何一个不带水印的播放器里面播放，因此也就失去了视频保护的能力。综合考虑云端录制对于水印的需求，我们一般会选择「视频内嵌水印」的方式打水印。

七牛直播云提供的 iOS 和 Android 推流 SDK 中也内置了水印功能，你可以根据自己的需要添加水印或移除水印，并且能够自由设置水印的大小和位置。其中 iOS 端 SDK PLCameraStreamingKit 的参数设置如下：

1）添加水印

1. -(void)setWaterMarkWithImage:(UIImage *)wateMarkImage position:(CGPoint)position; 

该方法将为直播流添加一个水印，水印的大小由 wateMarkImage 的大小决定，位置由 position 决定，需要注意的是这些值都是以采集数据的像素点为单位的。例如我们使用AVCaptureSessionPreset1280x720 进行采集，同时 wateMarkImage.size 为 (100, 100) 对应的origin 为 (200, 300)，那么水印的位置将在大小为 1280x720 的采集画幅中位于 (200, 300) 的位置，大小为 (100, 100)。

2）移除水印

1. -(void)clearWaterMark;

3. 滤镜 

除了上面提到的美颜和水印之外，视频中还有很多其它的处理效果也在这个环节完成。七牛直播云提供的 SDK 在开放性设计基础之上，通过数据源回调接口，可以支持各种自定义滤镜的接入。

为了实现丰富的滤镜效果，在 iOS 端可以考虑使用 GPUImage 这个库，这是一个开源的基于GPU的图片或视频的处理框架，内置了多达120多种常见的滤镜效果。有了它，添加实时的滤镜只需要简单地添加几行代码，还可以基于这个库自己写算法实现更丰富端效果。GPUImage 地址：https://github.com/BradLarson/GPUImage

除了 iOS 端之外，Android 也有 GPUImage 这个库的移植：https://github.com/CyberAgent/android-gpuimage

同时，Google 官方也开源了一个伟大的库，覆盖了 Android 上面很多多媒体和图形图像相关的处理：https://github.com/google/grafika

4. 连麦

连麦是互动直播中常见的需求，其流程如上图所示。主播和部分观众之间可以进行实时互动，然后将互动结果实时播放给其他观众观看。

基于以上业务需求，我们很容易想到基于单向直播原理，在主播端和连麦观众端进行双向推流和双向播流的方式互动，然后在服务端将两路推流合成一路推送给其他观众。但 RTMP 带来的延迟决定了这种方式无法做到用户可接受的互动直播。

实际上，互动直播的主要技术难点在于：

1）低延迟互动：保证主播和互动观众之间能够实时互动，两者之间就像电话沟通，因此必须保证两者能在秒级以内听到对方的声音，看到对方的视频；

2）音画同步：互动直播中对音画同步的需求和单向直播中类似，只不过互动直播中的延迟要求更高，必须保证在音视频秒级传输情况下的秒级同步。

3）音视频实时合成：其他观众需要实时观看到对话结果，因此需要在客户端或者服务端将画面和声音实时合成，然后以低成本高品质的方式传输观众端。

在视频和电话会议领域，目前比较成熟的方案是使用思科或者 WebEx 的方案，但这些商用的方案一不开源，二比较封闭，三成本比较高。对于互动人数比较少的互动直播，目前市场上比较成熟的方案是使用基于 WebRTC 的实时通讯方案。

上图是一个基于 WebRTC 协议实现多方实时通讯的示意图，本地用户（主播）和远程用户（连麦观众）之间的连接通过 RTCPeerConnection API 管理，这个 API 包装了底层流管理和信令控制相关的细节。基于该方案可以轻松实现多人（14 人以下）的多方实时通信，如下图所示：

当然，在通信人数少的情况下，其复杂度相对简单，如 2 人情况下。但人数增多至 4 人之后，其可选的网络结构就增多了，如上图所示，可以每个点之间形成自组织网络的方式通信，也可以以 1 人为中心形成星型通信网络，还可以让大家都通过一个集中式的服务端进行通信。

作为一个高性能、可伸缩的直播基础服务提供商，七牛直播云经过评估选择了以主播为中心形成星形通信网络，支持主播和多个观众之间的互动质量。同时，为了保证合成后的音视频实时传输到其他观众端，这里采用经过改造的 UDP 协议传输：

1. 通过 UDP 降低传输延迟。

2. 在 UDP 之上进行传输控制，保证用户互动体验 QoS。