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理论联系实际:实现一个简单地基于HTML5的实时视频直播

1、前言


目前视频直播,尤其是移动端的视频直播已经火到不行了,基本上各大互联网公司都有了自己的直播产品,所以对于直播的一些基本知识和主要技术点也要有所了解,本次分享就向大家介绍一下分享一下直播的整个流程和一些技术点,并动手实现一个简单的Demo。

本次分享内容包括以下方面:

  • 怎样利用H5来播放直播视频;
  • 怎样录制直播视频;
  • 怎样实时上传直播视频;
  • 直播中的用户交互。

分享人介绍:
吕鸣,目前在腾讯SNG担任手Q的web前端开发工作,个人博客:http://www.nihaoshijie.com.cn/

2、HTML5在视频直播中的发展


大家首先来看下面这张图:
1.jpg

可以看到,直播从 PC 到一直发展到移动端,越来越多的直播类 App 上线,同时移动直播进入了前所未有的爆发阶段,但是对于大多数移动直播来说,还是要以 Native 客户端实现为主,但是 H5 在移动直播端也承载着不可替代的作用,例如 H5 有着传播快、易发布的优势,同时最为关键的是 H5 同样可以播放直播视频。

大家可以看下面这张大概的实现图:
2.jpg

完整的直播可以分为以下几块:

  • 视频录制端:一般是电脑上的音视频输入设备或者手机端的摄像头或者麦克风,目前以移动端的手机视频为主。
  • 视频播放端:可以是电脑上的播放器,手机端的 Native 播放器,还有就是 H5 的 video 标签等,目前还是已手机端的 Native 播放器为主。
  • 视频服务器端:一般是一台 nginx 服务器,用来接受视频录制端提供的视频源,同时提供给视频播放端流服务。


大家可以看下大致的结构图:
3.jpg

3、直播视频的录制


对于H5视频录制,可以使用强大的 webRTC (Web Real-Time Communication)是一个支持网页浏览器进行实时语音对话或视频对话的技术,缺点是只在 PC 的 Chrome 上支持较好,移动端支持不太理想。(有关WebRTC的技术资料:点此进入

使用 webRTC 录制视频基本流程是:

  • 调用 window.navigator.webkitGetUserMedia() 获取用户的PC摄像头视频数据;
  • 将获取到视频流数据转换成 window.webkitRTCPeerConnection (一种视频流数据格式);
  • 利用 webscoket 将视频流数据传输到服务端。

由于许多方法都要加上浏览器前缀,所以很多移动端的浏览器还不支持 webRTC,所以真正的视频录制还是要靠客户端(iOS,Android)来实现,效果会好一些。

4、HTML5如何播放直播的视频


对于视频播放,可以使用 HLS(HTTP Live Streaming)协议播放直播流,iOS和 Android 都天然支持这种协议,配置简单,直接使用 video 标签即可。

下面是简单的代码使用 video 播放直播视频:
4.jpg

1什么是 HLS 协议


简单讲就是把整个流分成一个个小的,基于 HTTP 的文件来下载,每次只下载一些,前面提到了用于 H5 播放直播视频时引入的一个 .m3u8 的文件,这个文件就是基于 HLS 协议,存放视频流元数据的文件。

每一个 .m3u8 文件,分别对应若干个 ts 文件,这些 ts 文件才是真正存放视频的数据,m3u8 文件只是存放了一些 ts 文件的配置信息和相关路径,当视频播放时,.m3u8 是动态改变的,video 标签会解析这个文件,并找到对应的 ts 文件来播放,所以一般为了加快速度,.m3u8 放在 Web 服务器上,ts 文件放在 CDN 上。

.m3u8 文件,其实就是以 UTF-8 编码的 m3u 文件,这个文件本身不能播放,只是存放了播放信息的文本文件。

打开之后就是这个样子:
5.jpg

下面这个是 ts 文件,就是存放视频的文件:
6.jpg

2HLS 的请求流程


流程大体如下:

  • HTTP 请求 m3u8 的 url;
  • 服务端返回一个 m3u8 的播放列表,这个播放列表是实时更新的,一般一次给出5段数据的 url;
  • 客户端解析 m3u8 的播放列表,再按序请求每一段的 url,获取 ts 数据流。

流程图如下所示:
7.jpg

3HLS 直播延时


我们知道 hls 协议是将直播流分成一段一段的小段视频去下载播放的,所以假设列表里面的包含5个 ts 文件,每个 TS 文件包含5秒的视频内容,那么整体的延迟就是25秒。因为当你看到这些视频时,主播已经将视频录制好上传上去了,所以时这样产生的延迟。当然可以缩短列表的长度和单个 ts 文件的大小来降低延迟,极致来说可以缩减列表长度为1,并且 ts 的时长为1s,但是这样会造成请求次数增加,增大服务器压力,当网速慢时回造成更多的缓冲,所以苹果官方推荐的 ts 时长时10s,所以这样就会大改有30s的延迟。所以服务器接收流,转码,保存,切块,再分发给客户端,这里就延时的根本原因。

更多关于延迟的问题可以参考苹果官方地址:
https://developer.apple.com/library/ios/documentation/NetworkingInternet/Conceptual/StreamingMediaGuide/FrequentlyAskedQuestions/FrequentlyAskedQuestions.html

但是 H5 直播视频却有一些不可替代的优势:

  • 传播性好,利于分享等操作;
  • 可以动态发布,有利于实时迭代产品需求并迅速上线;
  • 不用安装 App,直接打开浏览器即可。

5、以iOS为例演示采集(录制)音视频数据


关于音视频采集录制,首先明确下面几个概念:

  • 视频编码:所谓视频编码就是指通过特定的压缩技术,将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件的方式,我们使用的 iPhone 录制的视频,必须要经过编码,上传,解码,才能真正的在用户端的播放器里播放。
  • 编解码标准:视频流传输中最为重要的编解码标准有国际电联的 H.261、H.263、H.264,其中 HLS 协议支持 H.264 格式的编码。
  • 音频编码:同视频编码类似,将原始的音频流按照一定的标准进行编码,上传,解码,同时在播放器里播放,当然音频也有许多编码标准,例如 PCM 编码,WMA 编码,AAC 编码等等,这里我们 HLS 协议支持的音频编码方式是 AAC 编码。

利用 iOS 上的摄像头,进行音视频的数据采集,主要分为以下几个步骤:

  • 音视频的采集,iOS 中,利用 AVCaptureSession 和 AVCaptureDevice 可以采集到原始的音视频数据流。
  • 对视频进行 H264 编码,对音频进行 AAC 编码,在 iOS 中分别有已经封装好的编码库来实现对音视频的编码。
  • 对编码后的音、视频数据进行组装封包;
  • 建立 RTMP 连接并上推到服务端。

下面是具体的采集音视频数据的流程:
8.jpg

*关于 RTMP


Real Time Messaging Protocol(简称 RTMP)是 Macromedia 开发的一套视频直播协议,现在属于 Adobe。和 HLS 一样都可以应用于视频直播,区别是 RTMP 基于 flash 无法在 iOS 的浏览器里播放,但是实时性比 HLS 要好。所以一般使用这种协议来上传视频流,也就是视频流推送到服务器。

下面是 HLS 和 RTMP 的对比:
9.jpg

*关于推流


所谓推流,就是将我们已经编码好的音视频数据发往视频流服务器中,在 iOS 代码里面一般常用的是使用 RTMP 推流,可以使用第三方库 librtmp-iOS 进行推流,librtmp 封装了一些核心的 API 供使用者调用。例如推流 API 等等,配置服务器地址,即可将转码后的视频流推往服务器。

那么如何搭建一个推流服务器呢?

简单的推流服务器搭建,由于我们上传的视频流都是基于 RTMP 协议的,所以服务器也必须要支持 RTMP 才行,大概需要以下几个步骤:

  • 安装一台 nginx 服务器。
  • 安装 nginx 的 RTMP 扩展,目前使用比较多的是 https://github.com/arut/nginx-rtmp-module
  • 配置 nginx 的 conf 文件
  • 重启 nginx,将 RTMP 的推流地址写为 rtmp://ip:1935/hls/mystream, 其中 hls_path 表示生成的 .m3u8 和 ts 文件所存放的地址,hls_fragment 表示切片时长,mysteam 表示一个实例,即将来要生成的文件名可以先自己随便设置一个。

更多配置可以参考:https://github.com/arut/nginx-rtmp-module/wiki/

下面是 nginx 的配置文件:
10.jpg

6、视频直播中的用户交互


对于直播中的用户交互大致可以分为:

  • 送礼物;
  • 发表评论或者弹幕。

对于送礼物,在 H5 端可以利用 DOM 和 CSS3 实现送礼物逻辑和一些特殊的礼物动画,实现技术难点不大。

对于弹幕来说,要稍微复杂一些,可能需要关注以下几点:

  • 弹幕实时性,可以利用 webscoket 来实时发送和接收新的弹幕并渲染出来;
  • 对于不支持 webscoket 的浏览器来说,只能降级为长轮询或者前端定时器发送请求来获取实时弹幕;
  • 弹幕渲染时的动画和碰撞检测(即弹幕不重叠)等等。

7、本文小结


目前较为成熟的直播产品,大致都是以 Server 端和 H5 和 Native(android,ios)搭配实现直播。

基本是下图这个套路:
11.jpg

所以 H5 在整个直播中,还是有着重要的地位的!

8、本文 Demo 源码下载


根据本次分享的内容,实现了一个 iOS 端录制、推流、NGINX 接收流,同时分发的 HLS 直播流的一整套 Demo,感兴趣的同学可以看下面这个链接:https://github.com/52im/LMVideoTest

9、互动问答


Q1: Demo 包含 iOS 端的 RTMP 播放不?
答:Demo 里面没有 RTMP 的播放,Demo 主要是提供录制,推流的。

Q2: 对于 H5  HLS 播放 卡顿问题,前端与 server 端,有什么配置上的优化吗?
答:server 端要做好分片策略,同时要将 ts 文件放在 CDN 上,前端这边可以尽量做到 DNS 缓存等,由于H5是使用的 video 标签,所以要修改 video 的播放优化,还是不那么容易。

Q3: 在手机推流时的码率是根据怎样的策略做选择的?不同机型和网络下如何保持流畅?
答:可以提供不同的视频码率来供用户选择,例如网速差的可以选择较为低清晰度的码率,网络好的用户可以选择更加清晰的码率,同时做好视频播放端的容错和异常处理等等。

Q4: RTMP 比起 HTTP 他的优势主要是几种在哪里?
答:RTMP 是基于 TCP 的保持的是长连接,而 HTTP 是一次性的,每次都要三次握手,所以对于直播来说还是 RTMP 好一些

Q5: 据我所知 nginx rtmp-module 好像性能不是很高…为什么会采用这个来作为后端服务?
答:这里只是 Demo 用了这个 nginx rtmp-module,其实也可已选择 SRS(simple-rtmp-server)都是可以的哈

Q6: 移动端这边怎么进行编码转码?用 ffmpeg 编译时很麻烦
答:关于 iOS 这边,其实不用关心转码问题,因为已经有了很多开源的库提供给我们了例如:
x264 编码:https://github.com/kewlbear/x264-ios
faac 编码:https://github.com/fflydev/faac-ios-build

Q7: 您介绍的都是 Native 播放和还有 H5 的 video 标签播放, iOS 端有没有考虑过整个用原生的 OC 或者 Swift 实现?
答:关于播放端,其实真正体验好的还是要用 native 来实现的,而且 native 实现可以用 RTMP 来播放直播,延迟会好很多,H5 来播直播主要是考虑到易传播性好。

Q8: 在用户非常多的情况下,或者网络慢的情况下,有什么策略可以保证质量?
答:可以提供不同的视频码率来供用户选择,例如网速差的可以选择较为低清晰度的码率,网络好的用户可以选择更加清晰的码率,同时做好视频播放端的容错和异常处理等等。

Q9: 请问直播这块的测试中关注的几个指标是什么,有什么比较好的测试方法呢?
答:主要就是:
  • 首次打开的白屏时间
  • 直播中的卡顿和缓冲
  • 直播的延时。

Q10: 您提供的 Demo 为什么不是 H5 的呢 iOS 推流和 nginx 服务器都有,能不能提供一个前面第二张叶子美女直播那个页面的 Demo?
答:这个 Demo 你下载下拉运行的话,根据配置就可直接自己实现一个利用 H5 直播的页面,很简单,就像使用 video 标签一样,其他的样式你可以自己定制的。

Q11: HLS 的延时有没有比较好的方法解决?
答:HLS 确实是会有延迟,相对比较优的策略是调整好分片策略,在保证性能的情况下,和延迟达到平衡。

Q12: 如果加入视频电话功能,上面的结构需要作什么改变?视频电话的目的大概是:直播可以选择某一观众或者多个观众视频对话
答:视频电话,也就是说作为视频录制端的同时也作为视频播放端,所以实现实时电话简单就是:我在直播的同时观看别人的直播视频,别人在直播的同时观看我的直播视频,可以这样理解,上面的结构复制一份对调即可。

Q13: 如何实现滤镜功能?
答:一般是在视频录制之后,在转码前给视频数据增加滤镜功能,在 iOS 里可以使用一些滤镜库等等实现滤镜功能

Q14: 在 App 端如果不利用 H5 能实现直播吗?
答:可以啊,app 有更加丰富的播放接口,和开源播放器可以实现直播的。

Q15: 既然 HLS 有较高的延迟 为什么苹果推荐的的方式却是 HLS?
答:并不是说苹果主要推荐使用 HLS,对于 H5 来说目前只有这一种比较好的方式来播放直播视频,所以还是很期待苹果能对延迟问题做一些改进的。

Q16: 同滤镜问题,音频变声是如何实现的?
答:同样是可以在对音频转码前操作。

Q17: 如果针对网络较差的观看用户,是需要直播推流到服务器后做多份不同分辨率的拷贝,以适应不同网络的用户观看?如果是这样的话,对延迟会不会影响很大? 毕竟编解码也是需要时间的.
答:这个其实本身就应该做的,对于网络差的用户,完全可以提供给他们较低码率的直播流来减少卡顿问题,延迟问题的话还是要根据具体使用哪种协议来定。

Q18: 推流目前大部分都是第三方在做,难度点在哪?然后目前业内比较成熟的主要哪些?
答:难点主要是服务器端的性能压力和分发直播流的效率,业界都已经有了较成熟的方案,例如腾讯云的直播。

(原文链接:点此进入

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即时通讯音视频开发(二):视频编解码之数字视频介绍
即时通讯音视频开发(三):视频编解码之编码基础
即时通讯音视频开发(四):视频编解码之预测技术介绍
即时通讯音视频开发(五):认识主流视频编码技术H.264
即时通讯音视频开发(六):如何开始音频编解码技术的学习
即时通讯音视频开发(七):音频基础及编码原理入门
即时通讯音视频开发(八):常见的实时语音通讯编码标准
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即时通讯音视频开发(十):实时语音通讯的回音消除技术详解
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评论 1
文章内容组织稍显单薄,但如果有这方面需求的话,这篇文章还是可以作为入门参考的。
签名: 《保活终极总结(三):Android6.0及以上的保活实践(被杀复活篇)》http://www.52im.net/thread-1140-1-1.html
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