直播技术总结

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2016-11-01
原文链接:github.com
直播总结 1.概述

关于直播的技术文章不少,成体系的不多。我们将用这篇文章,更系统化地介绍当下大热的视频直播各环节的关键技术,帮助视频直播创业者们更全面、深入地了解视频直播技术,更好地技术选型。

1.1 一个完整的直播APP原理

直播原理 : 把主播录制的视频,推流送到服务器,服务器经过处理(鉴黄等),通过CDN分发给观众看。

直播环节 : 推流端(采集、美颜、编码、推流),服务端处理(转码、录制、截图、鉴黄)、播放器(拉流、解码、渲染)、互动系统(聊天室、礼物系统、赞)

1.2 一个完整直播APP实现流程

1.采集、2.滤镜处理、3.编码、4.推流、5.CDN分发、6.拉流、7.解码、8.播放、9.聊天互动

1.3 一个完整直播APP架构

1.采集端、服务端、播放端

1.4 一个完整直播APP技术点

下面我们会选择一部分技术进行讲解。

提示总结不好 图看不清 请点这里

2. 视频采集 2.1 基本知识介绍

AVFundation : 音视频数据采集需要用AVFundation框架

AVCaptureDevice : 硬件设备,包括麦克风、摄像头、通过该对象可以设置物理设备的一些属性。例如相机焦距,白平衡等

AVCaptureDeviceInput : 硬件输入对象,可以根据AVCaptureDevice创建对应的AVCaptureDeviceInput对象,用于管理硬件输入数据

AVCaptureOutput : 硬件输出对象,用于接收各类输出数据,通常使用对应的子类AVCaptureAudioDataOutput(声音数据输出对象), AVCaptureVideoDataOutput(视频输出对象)

AVCaptureConnection : 当把一个输入和输出添加到AVCaptureSession后。AVCaptureSession就会在输出、输出设备之间建立连接,而且通过AVCaptureOutput可以获得这个对象

AVCaptureVideoPreviewLayer : 相机拍摄预览图层,能实时查看相机效果。创建该对象需要指定对应的AVCaptureSession对象,因为AVCaptureSession包含输出数据,有视频数据才能显示。

AVCaptureSession : 协调输入与输出之间传递数据

2.2 捕获音视频步骤

包含关系:

步骤:

  1. 创建AVCaptureDevice(video或者audio)
  2. 根据AVCaptureDevice创建AVCaptureDeviceInput。
  3. 创建AVCaptureSession
  4. 把创建的AVCaptureDeviceInput加入AVCaptureSession
  5. 添加视频预览图层AVCaptureVideoPreviewLayer
  6. 创建AVCaptureAudioDataOutput,并加入AVCaptureSession
  7. 启动会话

官方步骤(可以忽略):

  1. 创建AVCaptureSession对象
  2. 获取AVCaptureDevice录像设备(摄像头),录音设备(麦克风)。只用于配置
  3. 根据音频/视频硬件设备(AVCaptureDevice)创建音频/视频硬件输入数据对象(AVCaptureDeviceInput),专门管理数据输入。
  4. 创建视频输出数据管理对象(AVCaptureVideoDataOutput),并且设置样品缓存代理(setSampleBufferDelegate)就可以通过它拿到采集到的视频数据
  5. 创建音频输出数据管理对象(AVCaptureAudioDataOutput),并且设置样品缓存代理(setSampleBufferDelegate)就可以通过它拿到采集到的音频数据
  6. 将数据输入对象AVCaptureDeviceInput、数据输出对象AVCaptureOutput添加到媒体会话管理对象AVCaptureSession中,就会自动让音频输入与输出和视频输入与输出产生连接.
  7. 创建视频预览图层AVCaptureVideoPreviewLayer并指定媒体会话,添加图层到显示容器layer中
  8. 启动AVCaptureSession,只有开启,才会开始输入到输出数据流传输

其中AVCaptureAudioDataOutputAVCaptureVideoDataOutput包含两个代理方法,可以一直监听捕获属性。

- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection
{
    if (self.videoConnection == connection)
    {
        NSLog(@"采集到视频");
    }
    else if(self.audioConnection == connection)
    {
        NSLog(@"采集到音频");
    }
}

// 丢失帧会调用这里
- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)captureOutput didDropSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection NS_AVAILABLE(10_7, 6_0)
{
    NSLog(@"丢失帧");
}

不清楚可以看 : 官方文档

2.3 捕捉图片

AVCaptureStillImageOutput可以将捕获到的Video转换为图片。

  1. 创建device
  2. 根据device创建deviceInput
  3. 添加deviceInput进session
  4. 添加预览图层
  5. 添加deviceOutput进session
  6. 调用AVCaptureConnection生成图片
2.4 捕捉视频

AVCaptureMovieFileOutput 可以将捕捉到的视频输出到磁盘。可以设置录制最长时限或录制到特定大小,还可以配置成保留最小可用磁盘空间。

  1. 创建device
  2. 根据device创建deviceInput
  3. 添加deviceInput进session
  4. 添加预览图层
  5. 添加deviceOutput进session
  6. 调用AVCaptureMovieFileOutput把视频写入文件

AVCaptureMovieFileOutput包含有几个代理方法。分别是视频开始录制,视频暂停,视频恢复, 视频将要录制完成, 视频录制完成

2.5 采集音频视频按帧输出流程解析

1.找到物理设备摄像头_inputCamera、麦克风_microphone,创建摄像头输入videoInput和麦克风输入audioInput;

2.设置videoInput和audioInput为_captureSession的输入,同时设置videoOutput和audioOutput为_captureSession的输出,并且设置videoOutput和audioOutput的输出delegate;

3._captureSession调用startRunning,开始捕获信号;

4.音频数据到达,把数据转发给之前设置的audioEncodingTarget,并通过调用assetWriterAudioInput的appendSampleBuffer方法写入音频数据;

5.视频数据到达,视频数据传入响应链,经过处理后通过assetWriterPixelBufferInput的appendSampleBuffer方法写入视频数据;

6.选择保存后,文件通过ALAssertLibrary写入手机照片库。

流程图:

2.6 Demo在这里

代码 : 捕获音视频Demo

3. GPUImage

前面好像没看懂,可以看这里吗?

可以,GPUImage对AVFundation进行了一层封装,就算你不会前面的也没关系。

3.1 基本概念

GPU 手机或者电脑用于处理图像渲染的硬件

OpenGL ES 一套图形与硬件接口,用于把处理好的图片显示到屏幕上。

GPUImage 是一个基于OpenGL ES 2.0图像和视频处理的开源iOS框架,提供各种各样的图像处理滤镜,并且支持照相机和摄像机的实时滤镜,内置120多种滤镜效果,并且能够自定义图像滤镜。

GPUImage 是一个基于OpenGL ES 2.0图像和视频处理的开源iOS框架,提供各种各样的图像处理滤镜,并且支持照相机和摄像机的实时滤镜,内置120多种滤镜效果,并且能够自定义图像滤镜。

滤镜处理的原理 就是把静态图片或者视频的每一帧进行图形变换再显示出来。它的本质就是像素点的坐标和颜色变化

3.1 利用GPUImage处理直播过程中美颜流程

采集视频 => 获取每一帧图片 => 滤镜处理 => GPUImageView展示

3.2 处理画面原理

GPUImage采用链式方式来处理画面,通过addTarget:方法为链条添加每个环节的对象,处理完一个target,就会把上一个环节处理好的图像数据传递下一个target去处理,称为GPUImage处理链。 一般的target可以分为两类: 中间环节的target,一般是指各种filter,是GPUImageFilter或者是子类

最终环节的target,GPUImageView 用于显示到屏幕上或者GPUImageMovieWriter写成视频文件。

主要分为三个环节: source(视频,图片源) => filter(滤镜) => final target(处理后的视频、图片)

3.3 美颜原理

磨皮(GPUImageBilateralFilter):本质就是让像素点模糊,可以使用高斯模糊,但是可能导致边缘会不清晰,用双边滤波(Bilateral Filter) ,有针对性的模糊像素点,能保证边缘不被模糊。

美白(GPUImageBrightnessFilter):本质就是提高亮度。

3.4 GPUImage源对象

GPUImage的数据源只能是4类:

GPUImageVideoCamera ios摄像头的实时美颜。GPUImageVideoCamera是GPUImageOutput的子类,提供来自摄像头的图像数据作为源数据,一般是响应链的源头。

GPUImageStillCamera 相机拍照

GPUImagePicture 处理静止图像

GPUImageMovie 电影

3.5 用法
  1. 创建过滤器
  2. 创建源对象
  3. 把过滤器添加到源对象
  4. 生成target

静态图片处理:

UIImage *inputImage = [UIImage imageNamed:@"105"];

// 创建过滤器
GPUImageBrightnessFilter *filter = [[GPUImageBrightnessFilter alloc] init];
filter.brightness = 0.5;
[filter forceProcessingAtSize:inputImage.size];
[filter useNextFrameForImageCapture]; // 告诉系统从后来捕获过滤器

// 处理静止的图像
GPUImagePicture *stillPic = [[GPUImagePicture alloc] initWithImage:inputImage];
[stillPic addTarget:filter]; //添加过滤器
[stillPic processImage]; // 执行渲染

UIImage *newImage = [filter imageFromCurrentFramebuffer];

UIImageView *imageView = [[UIImageView alloc] initWithImage:newImage];
[imageView sizeToFit];
[self.view addSubview:imageView];
 imageView.center = CGPointMake(CGRectGetWidth(self.view.frame)/2, CGRectGetHeight(self.view.frame)/2);

实时美颜处理:

// 创建视频源
GPUImageVideoCamera *videoCamera = [[GPUImageVideoCamera alloc] initWithSessionPreset:AVCaptureSessionPresetHigh cameraPosition:AVCaptureDevicePositionBack];
// 设置方向
videoCamera.outputImageOrientation = UIInterfaceOrientationPortrait;

// 创建预览View
GPUImageView *videoPreview = [[GPUImageView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
[self.view insertSubview:videoPreview atIndex:0];

 // 添加预览图层到源
GPUImageBeautifyFilter *fiter = [[GPUImageBeautifyFilter alloc] init];
[_videoCamera addTarget:fiter];
[fiter addTarget:self.videoPreview];
// 开始采集视频
[videoCamera startCameraCapture];

到这里,仅仅是屏幕显示的内容有滤镜效果,而作为直播应用,还需要输出带有美颜效果的视频流。 我们需要使用GPUImageMovieWriter类,才能处理视频流。

核心思路:

通过GPUImageVideoCamera采集视频和音频信息,音频信息直接发送给GPUImageMovieWriter,视频信息传入响应链作为源头,渲染后的视频再写入GPUImageMovieWriter,同时通过GPUImageView显示在屏幕上。只需要addTarget就可以添加GPUImageMovieWriter;

3.6 实例代码在这里

美颜的使用

4. 音视频编码,解码

这一章太难了,以后再写。

VideoToolBox AudioToolBox 5. 流媒体服务器

国内外有很多好用的流媒体服务区。这里为了方便搭建我们采用nginx+RTMP搭建流媒体服务器。

5.1 MAC环境搭建

MACOS上搭建nginx+rtmp环境

5.2 Centos环境搭建

Centos下搭建的nginx + RTMP环境

5.3 服务端常用技术

CDN 直播数据上传到服务器后,观看直播的人比较多,服务器是承受不了的,会将数据分发到CDN,观众直接去CDN获取数据。减少服务器的负载。

负载均衡 由多台服务器组成一个服务器集群,每次请求的时候,会根据服务器负载选择处理请求的服务器。

6. 推流 6.1 推流协议的选择

HLS和RTMP

6.2 推流原理

在iOS设备上进行各推流的话,是通过AVCaptureSession这么一个捕捉会话,指定两个AVCaptureDevice 也就是iOS的摄像头和麦克风,获取个原始视频和音频,然后需要进行个H.264的视频编码和AAC的音频编码,再将编码后的数据整合成一个音视频包,通过rmtp推送到nginx服务器

6.3 librtmp

这个参考资料很少。不过大部分都采用的这个。 因为涉及太多C/C++这里不讨论。

参考:my.oschina.net/jerikc/blog…

7. 音视频播放 7.1 播放框架的选择

iOS的播放框架主要有以下三种:

  1. AVPlayer 可以播放本地、远程视频,可以自定义UI进行控制
  2. AVPlayerViewController 自带播放控制UI,不能自定义UI
  3. MPMoviePlayerController,MPMoviePlayerViewController (iOS9后弃用)

如果只是简单的播放视频,选择AVPlayerViewController,如果想自定义播放器,选择AVPlayer

7.2 AVPlayer

AVPlayer是一个用来播放基于时间的流媒体控制对象。支持播放从本地、分布下载或通过HTTP Live Streaming协议得到的流媒体。 AVPlayer只管理一个单独资源的播放,不过框架还提供了AVPlayer的一个子类AVQueuePlayer,可以用来管理一个资源队列。当你需要在一个序列中播放多个条目或者为音频、视频资源设置播放循环时可以使用该子类。

AVPlayer视频播放使用步骤:

  1. 创建视频资源地址URL,可以是网络URL
  2. 通过URL创建视频内容对象AVPlayerItem,一个视频对应一个AVPlayerItem
  3. 创建AVPlayer视频播放对象,需要一个AVPlayerItem进行初始化
  4. 创建AVPlayerLayer播放图层对象,添加到现实视图上去
  5. 添加KVO监听。 监听到AVPlayerItemStatusReadyToPlay的时候调用play方法

AVPlayer的使用

7.3 AVPlayerViewController

AVPlayerViewController属于AV Kit,它是UIViewController的子类,用于展示并控制AVPlayer实例的播放。

AVPlayerViewController类使用步骤

  1. 创建URL
  2. 创建AVPlayerViewController,并根据URL设置player属性
  3. 调用play方法

AVPlayerViewController的使用

Xcode8模拟器可能有问题,打开播放不了。

8.开源框架

前面所讲都有第三方框架支持。采集、美颜、推流有LFLiveKit, 拉流播放有IJKMediaFramework

LFLiveKit : LFLiveKit是iOS版开源RTMP流SDK。他支持后台录制、美颜功能、支持h264、AAC硬编码,动态改变速率,RTMP传输等

IJKMediaFramework : ijkplayer是B站开源的一款视频直播框架,它是基于ffmpeg。 如果从github下载是需要编译。参考地址:www.jianshu.com/p/1f06b27b3…

个人实验只需要配置Nginx+RTMP服务 这里我采用这两个第三方框架写了一个直播,包含在线观看直播,和直播推流,支持在线美颜,前后摄像头切换等你需要:

  1. 搭建Nginx+RTMP环境:MAC 或者 Centos
  2. 下载项目真机运行。github.comhttps://github.com… 登陆界面

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参考文章:

  1. 知乎 如何搭建一个完整的直播系统

  2. 袁峥技术博客

  3. GPUImage 基于GPU加速的图形和视频处理库

  4. iOS中为直播APP集成美颜功能

  5. iOS视频直播~推流、拉流原理

  6. 关于视频直播技术,你想要知道的都在这里了

  7. macOS上搭建Nginx+rtmp服务器

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