H5直播技术起航

作者:京东科技 吴磊

音视频基本概念

视频格式就是通常所说的.mp4,.flv,.ogv,.webm等。简单来说,它其实就是一个盒子,用来将实际的视频流以一定的顺序放入,确保播放的有序和完整性。

视频压缩格式和视频格式具体的区别就是,它是将原始的视频码流变为可用的数字编码。因为,原始的视频流非常大,打个比方就是,你直接使用手机录音,你会发现你几分钟的音频会比市面上出现的 MP3 音频大小大很多,这就是压缩格式起的主要作用。

首先,由原始数码设备提供相关的数字信号流,然后经由视频压缩算法,大幅度的减少流的大小,然后交给视频盒子,打上相应的dts,pts字段,最终生成可用的视频文件。

DTS(Decoding Time Stamp):即解码时间戳,这个时间戳的意义在于告诉播放器该在什么时候解码这一帧的数据。

PTS(Presentation Time Stamp):即显示时间戳,这个时间戳用来告诉播放器该在什么时候显示这一帧的数据。

视频编码

视频实际上就是一帧一帧的图片,拼接起来进行播放而已。而图片本身也可以进行相关的压缩,比如去除重复像素,合并像素块等等。不过,还有另外一种压缩方法就是,运动估计和运动补偿压缩,因为相邻图片一定会有一大块是相似的,所以,为了解决这个问题,可以在不同图片之间进行去重。

所以,总的来说,常用的编码方式分为三种:

  • 变换编码:消除图像的帧内冗余
  • 运动估计和运动补偿:消除帧间冗余
  • 熵编码:提高压缩效率

熵编码即编码过程中按熵原理不丢失任何信息的编码。信息熵为信源的平均信息量(不确定性的度量)。常见的熵编码有:香农(Shannon)编码、哈夫曼(Huffman)编码和算术编码(arithmetic coding)。

直播

现在,常用的直播协议有 RTMP,HLS,HTTP-FLV。最常用的还是 HLS 协议,因为支持度高,技术简单,但是延迟非常严重。这对一些对实时性比较高的场景,比如运动赛事直播来说非常的不友好。这里来细分的看一下每个协议。

协议对比

协议 优势 劣势 延时
HLS 支持性广 延时巨高 10s 以上
RTMP 延时性好,灵活 量大的话,负载较高 1s 以上
HTTP-FLV 延时性好,游戏直播常用 只能在手机 APP 播放 2s 以上

HLS

HLS 全称是 HTTP Live Streaming。这是Apple提出的直播流协议。

HLS 由两部分构成,一个是.m3u8文件,一个是.ts视频文件(TS 是视频文件格式的一种)。整个过程是,浏览器会首先去请求.m3u8的索引文件,然后解析m3u8,找出对应的.ts文件链接,并开始下载。

H5直播技术起航插图1
他的使用方式为:


直接可以将m3u8写进src中,然后交由浏览器自己去解析。当然也可以采取fetch来手动解析并获取相关文件。HLS 详细版的内容比上面的简版多了一个playlist,也可以叫做master。在master中,会根据网络段实现设置好不同的 m3u8 文件,比如,3G/4G/wifi 网速等。比如,一个 master 文件中为:

#EXTM3U
#EXT-X-VERSION:6
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=2855600,CODECS="avc1.4d001f,mp4a.40.2",RESOLUTION=960x540
live/medium.m3u8
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=5605600,CODECS="avc1.640028,mp4a.40.2",RESOLUTION=1280x720
live/high.m3u8
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=1755600,CODECS="avc1.42001f,mp4a.40.2",RESOLUTION=640x360
live/low.m3u8
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=545600,CODECS="avc1.42001e,mp4a.40.2",RESOLUTION=416x234
live/cellular.m3u8

大家只要关注BANDWIDTH(带宽)字段,其他的看一下字段内容大致就清楚了。假如这里选择high.m3u8文件,那么,里面内容为:

#EXTM3U
#EXT-X-VERSION:6
#EXT-X-TARGETDURATION:10
#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:26
#EXTINF:9.901,
http://media.example.com/wifi/segment26.ts
#EXTINF:9.901,
http://media.example.com/wifi/segment27.ts
#EXTINF:9.501,
http://media.example.com/wifi/segment28.ts

注意,其中以ts结尾的链接就是在直播中真正需要播放的视频文件。该第二级的m3u8文件也可以叫做media文件。该文件,其实有三种类型:

  1. live playlist: 动态列表。顾名思义,该列表是动态变化的,里面的 ts 文件会实时更新,并且过期的 ts 索引会被删除。默认,情况下都是使用动态列表。
  1. event playlist: 静态列表。它和动态列表主要区别就是,原来的 ts 文件索引不会被删除,该列表是不断更新,而且文件大小会逐渐增大。它会在文件中,直接添加 #EXT-X-PLAYLIST-TYPE:EVENT 作为标识。
  1. VOD playlist: 全量列表。它就是将所有的 ts 文件都列在 list 当中。如果,使用该列表,就和播放一整个视频没有啥区别了。它是使用 #EXT-X-ENDLIST 表示文件结尾。

https://developer.apple.com/library/archive/referencelibrary/GettingStarted/AboutHTTPLiveStreaming/about/about.html

HLS 缺陷

HLS 缺陷就是延迟性太大了。HLS 中的延时包括:

  • TCP 握手
  • m3u8 文件下载
  • m3u8 文件下所有 ts 文件下载

这里先假设每个 ts 文件播放时长为 5s,每个 m3u8 最多可携带的 ts 文件数为 3~8。那么最大的延迟则为 40s。注意,只有当一个m3u8文件下所有的 ts 文件下载完后,才能开始播放。这里还不包括 TCP 握手,DNS 解析,m3u8 文件下载。所以,HLS 总的延时是非常令人绝望的。

那解决办法有吗? 有,很简单,要么减少每个 ts 文件播放时长,要么减少m3u8的中包含 ts 的数量。如果超过平衡点,那么每次请求新的 m3u8 文件时,都会加上一定的延时,所以,这里需要根据业务指定合适的策略。

RTMP

RTMP 全称为:Real-Time Messaging Protocol。它是基于FLV格式进行开发的,所以,第一反应就是,又不能用了!!!

H5直播技术起航插图2

是的,在现在设备中,由于 FLV 的不支持,基本上 RTMP 协议在 Web 中,根本用不到。不过,由于MSE(MediaSource Extensions)的出现,在 Web 上直接接入 RTMP 也不是不可能的。基本思路是根据 WebSocket 直接建立长连接进行数据的交流和监听。RTMP 协议根据不同的套层,也可以分为:

  • 纯 RTMP: 直接通过 TCP 连接,端口为 1935
  • RTMPS: RTMP + TLS/SSL,用于安全性的交流。
  • RTMPE: RTMP + encryption。在 RTMP 原始协议上使用,Adobe 自身的加密方法
  • RTMPT: RTMP + HTTP。使用 HTTP 的方式来包裹 RTMP 流,延迟性比较大。
  • RTMFP: RMPT + UDP。该协议常常用于 P2P 的场景中,针对延时有变态的要求。

RTMP 内部是借由 TCP 长连接协议传输相关数据,所以,它的延时性非常低。并且,该协议灵活性非常好(所以,也很复杂),它可以根据 message stream ID 传输数据,也可以根据 chunk stream ID 传递数据。两者都可以起到流的划分作用。流的内容也主要分为:视频,音频,相关协议包等。

HTTP-FLV

该协议和 RTMP 比起来其实差别不大,只是落地部分有些不同:

RTMP 是直接将流的传输架在 RTMP 协议之上,而 HTTP-FLV 是在 RTMP 和客户端之间套了一层转码的过程,由于,每个 FLV 文件是通过 HTTP 的方式获取的,所以,它通过抓包得出的协议头需要使用chunked编码。

Content-Type:video/x-flv
Expires:Fri, 10 Feb 2017 05:24:03 GMT
Pragma:no-cache
Transfer-Encoding:chunked

它用起来比较方便,不过后端实现的难度和直接使用 RTMP 来说还是比较大的。

前端音视频流

由于各大浏览器的对 FLV 的围追堵截,导致 FLV 在浏览器的生存状况堪忧,但是,FLV 凭借其格式简单,处理效率高的特点,使各大视频后台的开发者都舍不得弃用,如果一旦更改的话,就需要对现有视频进行转码,比如变为 MP4,这样不仅在播放,而且在流处理来说都有点重的让人无法接受。而 MSE 的出现,彻底解决了这个尴尬点,能够让前端能够自定义来实现一个 Web 播放器,确实完美。(不过,苹果觉得没这必要,所以,在 IOS 上无法实现。)

MSE

MSE 全称就是Media Source Extensions。它是一套处理视频流技术的简称,里面包括了一系列 API:Media SourceSource Buffer等。在没有 MSE 出现之前,前端对 video 的操作,仅仅局限在对视频文件的操作,而并不能对视频流做任何相关的操作。现在 MSE 提供了一系列的接口,使开发者可以直接提供 media stream。

来看一下 MSE 是如何完成基本流的处理的。

var vidElement = document.querySelector('video');

if (window.MediaSource) {
  var mediaSource = new MediaSource();
  vidElement.src = URL.createObjectURL(mediaSource);
  mediaSource.addEventListener('sourceopen', sourceOpen);
} else {
  console.log("The Media Source Extensions API is not supported.")
}

function sourceOpen(e) {
  URL.revokeObjectURL(vidElement.src);
  var mime = 'video/webm; codecs="opus, vp9"';
  var mediaSource = e.target;
  var sourceBuffer = mediaSource.addSourceBuffer(mime);
  var videoUrl = 'droid.webm';
  fetch(videoUrl)
    .then(function(response) {
      return response.arrayBuffer();
    })
    .then(function(arrayBuffer) {
      sourceBuffer.addEventListener('updateend', function(e) {
        if (!sourceBuffer.updating && mediaSource.readyState === 'open') {
          mediaSource.endOfStream();
        }
      });
      sourceBuffer.appendBuffer(arrayBuffer);
    });
}

上面这个例子可以简单理解为:

H5直播技术起航插图3

  • 第一步,通过异步拉取数据。
  • 第二步,通过 MediaSource 处理数据。
  • 第三步,将数据流交给 audio/video 标签进行播放。

而中间传递的数据都是通过Buffer的形式来进行传递的。

H5直播技术起航插图4

中间有个需要注意的点,MS 的实例通过URL.createObjectURL()创建的 url 并不会同步连接到 video.src。换句话说,URL.createObjectURL()只是将底层的流(MS)和 video.src 连接中间者,一旦两者连接到一起之后,该对象就没用了。

MediaSource

MediaSource 是 Media Source Extensions API 表示媒体资源 HTMLMediaElement 对象的接口。MediaSource 对象可以附着在 HTMLMediaElement 在客户端进行播放。

MS(MediaSource) 只是一系列视频流的管理工具,它可以将音视频流完整的暴露给 Web 开发者来进行相关的操作和处理。所以,它本身不会造成过度的复杂性。

MS 整个只挂载了 4 个属性,3 个方法和 1 个静态测试方法。

4 个属性:

  • sourceBuffers: 获得当前创建出来的 SourceBuffer
  • activeSourceBuffers: 获得当前正处于激活状态的 SourceBuffer
  • readyState: 返回当前 MS 的状态,比如:closed,open,ended.
  • duration: 设置当前 MS 的播放时长。

3 个方法:

  • addSourceBuffer(): 根据给定的 MIME 创建指定类型的 SourceBuffer
  • removeSourceBuffer(): 将 MS 上指定的 SourceBuffer 移除。
  • endOfStream(): 直接终止该流

1 个静态测试方法:

  • isTypeSupported(): 主要用来判断指定的音频的 MIME 是否支持。

最基本的就是使用addSourceBuffer该方法来获得指定的 SourceBuffer。

var sourceBuffer = mediaSource.addSourceBuffer('video/mp4; codecs="avc1.42E01E, mp4a.40.2"');

资料:https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/MediaSource

SourceBuffer

SourceBuffer 接口表示通过 MediaSource 对象传递到 HTMLMediaElement 并播放的媒体分块。它可以由一个或者多个媒体片段组成。

一旦利用 MS 创建好 SourceBuffer 之后,后续的工作就是将额外获得的流放进 Buffer 里面进行播放即可。所以,SourceBuffer 提供两个最基本的操作appendBufferremove。之后,就可以通过appendBuffer直接将 ArrayBuffer 放进去即可。

其中,SourceBuffer 还提供了一个应急的方法abort()如果该流发生问题的话可以直接将指定的流给废弃掉。

音视频的 ArrayBuffer 通过 MediaSource 和 SourceBuffer 的处理直接将&&接入。然后,就可以实现正常播放的效果。

资料:https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/SourceBuffer

基于flv.js实现H5直播

flv.js 简介

flv.js是来自Bilibli的开源项目。它解析FLV文件传给原生HTML5 Video标签播放音视频数据,使浏览器在不借助Flash的情况下播放FLV成为可能。

flv.js 优势

  • 由于浏览器对原生Video标签采用了硬件加速,性能很好,支持高清。
  • 同时支持录播和直播
  • 去掉对Flash的依赖

flv.js 限制

  • FLV里所包含的视频编码必须是H.264,音频编码必须是AAC或MP3, IE11和Edge浏览器不支持MP3音频编码,所以FLV里采用的编码最好是H.264+AAC,这个让音视频服务兼容不是问题。
  • 对于录播,依赖 原生HTML5 Video标签 和 Media Source Extensions API
  • 对于直播,依赖录播所需要的播放技术,同时依赖 HTTP FLV 或者 WebSocket 中的一种协议来传输FLV。其中HTTP FLV需通过流式IO去拉取数据,支持流式IO的有fetch或者stream
  • 由于依赖Media Source Extensions,目前所有iOS和Android4.4.4以下里的浏览器都不支持,也就是说目前对于移动端flv.js是有局限性的。

flv.js 原理

flv.js只做了一件事,在获取到FLV格式的音视频数据后通过原生的JS去解码FLV数据,再通过Media Source Extensions API 传递给原生HTML5 Video标签。(HTML5 原生仅支持播放 mp4/webm 格式,不支持 FLV)

vue + flv.js

//下载flv.js包
npm i flv.js -S
//引入flv.js包
import flv from 'flv.js'
//HTML部分

//script部分
//创建一个Player实例,它接收一个MediaDataSource(必选), 一个Config(可选) flvjs.createPlayer(mediaDataSource: MediaDataSource, config?: Config)
export default {
    data() {
        return {
            player: null,
        }
    },
    created() {
        if (flv.isSupported()) {
            this.player = flv.createPlayer({
                    type: 'flv',
                    isLive: true,
                    url: 'https://api.tjdataspace.com/flv.flv'
                }, {
                    enableWorker: true,
                    enableStashBuffer: false,
                    stashInitialSize: 128,
                }
            );
        }
    },
    mounted() {
        this.player.attachMediaElement(this.$refs.myVideo);
        this.player.load();
        this.player.play();

        setInterval(() => {
            if (!this.player.buffered.length) {return;}
            let end = this.player.buffered.end(0);
            let diff = end - this.player.currentTime;
            if (diff >= 1.5) { //延时如果大于1.5秒,就让直播跳到当前时间位置播放
                this.player.currentTime = end - 0.5;
            }
        }, 3 * 60 * 1000);
    },
}

flv.js资料:https://www.npmjs.com/package/flv.js

参考资料:

https://segmentfault.com/a/1190000008916399

https://segmentfault.com/a/1190000010440054

https://blog.csdn.net/An1090239782/article/details/108972491

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47773064

https://juejin.cn/post/6900540290432499725

文章来源于互联网:H5直播技术起航

THE END
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