原理篇|如何快速地开发一个完整的iOS直播App

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今年移动直播行业的兴起,诞生了一大批网红,甚至明星也开始直播了,因此不得不跟上时代的步伐。由于第一次接触的原因,因此花了很多时间了解直播,整理了直播的原理,当前只是原理篇,后续会持续发布实战篇,教你从零开始搭建一个完整的iOS直播app,希望能帮助到更多的人更快地了解直播。

kaifa

一、直播难与易

直播难

个人认为要想把直播从零开始做出来,绝对是牛逼中的牛逼,大牛中的大牛。因为直播中运用到的技术难点非常之多,视频/音频处理,图形处理,视频/音频压缩,CDN分发,即时通讯等技术,每一个技术都够你学几年的。

直播易

已经有各个领域的大牛,封装好了许多牛逼的框架,我们只需要用别人写好的框架,就能快速地搭建一个直播app,也就是传说中的站在大牛肩膀上编程。

二、了解直播

1.热门直播产品

映客、斗鱼、熊猫、虎牙、花椒等等。

2.一个完整直播app功能

(1)聊天

私聊、聊天室、点亮、推送、黑名单等;

(2)礼物

普通礼物、豪华礼物、红包、排行榜、第三方充值、内购、礼物动态更新、提现等;

(3)直播列表

关注、热门、最新、分类直播用户列表等;

(4)自己直播

录制、推流、解码、播放、美颜、心跳、后台切换、主播对管理员操作、管理员对用户等;

(5)房间逻辑

创建房间、进入房间、退出房间、关闭房间、切换房间、房间管理员设置、房间用户列表等;

(6)用户逻辑

普通登陆、第三方登陆、注册、搜索、修改个人信息、关注列表、粉丝列表、忘记密码、查看个人信息、收入榜、关注和取关、检索等;

(7)观看直播

聊天信息、滚屏弹幕、礼物显示、加载界面等;

(8)统计

APP业务统计、第三方统计等;

(9)超管

禁播、隐藏、审核等;

3.一个完整直播app原理

(1)直播原理:

把主播录制的视频,推送到服务器,在由服务器分发给观众观看。

(2)直播环节:

  • 推流端(采集、美颜处理、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)

4.一个完整直播app实现流程

直播APP实现流程有采集、滤镜处理、编码、推流、CDN分发、拉流、解码、播和聊天互动,如下图:

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直播流程

5.一个完整直播app架构

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直播架构

6.一个完整直播app技术点

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三、了解流媒体(直播需要用到流媒体)

  • 流媒体开发:网络层(socket或st)负责传输,协议层(rtmp或hls)负责网络打包,封装层(flv、ts)负责编解码数据的封装,编码层(h.264和aac)负责图像,音频压缩。
  • 帧:每帧代表一幅静止的图像
  • GOP:(Group of Pictures)画面组,一个GOP就是一组连续的画面,每个画面都是一帧,一个GOP就是很多帧的集合

直播的数据,其实是一组图片,包括I帧、P帧、B帧,当用户第一次观看的时候,会寻找I帧,而播放器会到服务器寻找到最近的I帧反馈给用户。因此,GOP Cache增加了端到端延迟,因为它必须要拿到最近的I帧。OP Cache的长度越长,画面质量越好。

  • 码率:图片进行压缩后每秒显示的数据量。
  • 帧率:每秒显示的图片数。影响画面流畅度,与画面流畅度成正比:帧率越大,画面越流畅;帧率越小,画面越有跳动感。

由于人类眼睛的特殊生理结构,如果所看画面之帧率高于16的时候,就会认为是连贯的,此现象称之为视觉暂留。并且当帧速达到一定数值后,再增长的话,人眼也不容易察觉到有明显的流畅度提升了。

  • 分辨率:(矩形)图片的长度和宽度,即图片的尺寸
  • 压缩前的每秒数据量:帧率X分辨率(单位应该是若干个字节)
  • 压缩比:压缩前的每秒数据量/码率 (对于同一个视频源并采用同一种视频编码算法,则压缩比越高,画面质量越差。)

视频文件格式:文件的后缀,比如.wmv,.mov,.mp4,.mp3,.avi。

主要用处,根据文件格式,系统会自动判断用什么软件打开。

注意: 随意修改文件格式,对文件的本身不会造成太大的影响,比如把avi改成mp4,文件还是avi.

视频封装格式:一种储存视频信息的容器,流式封装可以有TS、FLV等,索引式的封装有MP4,MOV,AVI等。

主要作用:一个视频文件往往会包含图像和音频,还有一些配置信息(如图像和音频的关联,如何解码它们等):这些内容需要按照一定的规则组织、封装起来。

注意:会发现封装格式跟文件格式一样,因为一般视频文件格式的后缀名即采用相应的视频封装格式的名称,所以视频文件格式就是视频封装格式。

视频封装格式和视频压缩编码标准:就好像项目工程和编程语言,封装格式就是一个项目的工程,视频编码方式就是编程语言,一个项目工程可以用不同语言开发。

四、直播基础知识

1.采集视频、音频

(1)采集视频、音频编码框架 

AVFoundation:AVFoundation是用来播放和创建实时的视听媒体数据的框架,同时提供Objective-C接口来操作这些视听数据,比如编辑,旋转,重编码

(2)视频、音频硬件设备 

  • CCD:图像传感器: 用于图像采集和处理的过程,把图像转换成电信号。
  • 拾音器:声音传感器: 用于声音采集和处理的过程,把声音转换成电信号。
  • 音频采样数据:一般都是PCM格式
  • 视频采样数据::一般都是YUV,或RGB格式,采集到的原始音视频的体积是非常大的,需要经过压缩技术处理来提高传输效率

2.视频处理(美颜,水印)

(1)视频处理原理

因为视频最终也是通过GPU,一帧一帧渲染到屏幕上的,所以我们可以利用OpenGL ES,对视频帧进行各种加工,从而视频各种不同的效果,就好像一个水龙头流出的水,经过若干节管道,然后流向不同的目标。

现在的各种美颜和视频添加特效的app都是利用GPUImage这个框架实现的。

(2)视频处理框架 

1)GPUImage :

GPUImage是一个基于OpenGL ES的一个强大的图像/视频处理框架,封装好了各种滤镜同时也可以编写自定义的滤镜,其本身内置了多达120多种常见的滤镜效果。

2)OpenGL:

OpenGL(全写Open Graphics Library)是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格,它用于三维图象(二维的亦可)。OpenGL是个专业的图形程序接口,是一个功能强大,调用方便的底层图形库。

3)OpenGL ES:

OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 是 OpenGL三维图形 API 的子集,针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计。

3.视频编码解码

(1)视频编码框架 

1)FFmpeg:是一个跨平台的开源视频框架,能实现如视频编码、解码、转码、串流和播放等丰富的功能。其支持的视频格式以及播放协议非常丰富,几乎包含了所有音视频编解码、封装格式以及播放协议。

  • -Libswresample:可以对音频进行重采样,rematrixing 以及转换采样格式等操作;
  • -Libavcodec:提供了一个通用的编解码框架,包含了许多视频、音频和字幕流等编码/解码器;
  • -Libavformat:用于对视频进行封装/解封装;
  • -Libavutil:包含一些共用的函数,如随机数生成、数据结构和数学运算等;
  • -Libpostproc:用于进行视频的一些后期处理;
  • -Libswscale:用于视频图像缩放,颜色空间转换等;
  • -Libavfilter:提供滤镜功能。

2)X264:把视频原数据YUV编码压缩成H.264格式。

3)VideoToolbox:苹果自带的视频硬解码和硬编码API,但是在iOS8之后才开放。

4)AudioToolbox:苹果自带的音频硬解码和硬编码API。

(2) 视频编码技术 

视频压缩编码标准:对视频进行压缩(视频编码)或者解压缩(视频解码)的编码技术,比如MPEGH.264这些视频编码技术是压缩编码视频的。

主要作用是将视频像素数据压缩成为视频码流,从而降低视频的数据量。如果视频不经过压缩编码的话,体积通常是非常大的,一部电影可能就要上百G的空间。

但要注意的是,最影响视频质量的是其视频编码数据和音频编码数据,跟封装格式没有多大关系

1)MPEG:一种视频压缩方式,它采用了帧间压缩,仅存储连续帧之间有差别的地方 ,从而达到较大的压缩比。

2)H.264/AVC:一种视频压缩方式,采用事先预测和与MPEG中的P-B帧一样的帧预测方法压缩,它可以根据需要产生适合网络情况传输的视频流,还有更高的压缩比,有更好的图象质量。

  • 注意1:如果是从单个画面清晰度比较,MPEG4有优势;从动作连贯性上的清晰度,H.264有优势;
  • 注意2:由于264的算法更加复杂,程序实现烦琐,运行它需要更多的处理器和内存资源。因此,运行264对系统要求是比较高的;
  • 注意3:由于264的实现更加灵活,它把一些实现留给了厂商自己去实现,虽然这样给实现带来了很多好处,但是不同产品之间互通成了很大的问题,造成了通过A公司的编码器编出的数据,必须通过A公司的解码器去解这样尴尬的事情

3)H.265/HEVC:一种视频压缩方式,基于H.264,保留原来的某些技术,同时对一些相关的技术加以改进,以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系,达到最优化设置。

H.265 是一种更为高效的编码标准,能够在同等画质效果下将内容的体积压缩得更小,传输时更快更省带宽

  • I帧:(关键帧)保留一副完整的画面,解码时只需要本帧数据就可以完成(因为包含完整画面)
  • P帧:(差别帧)保留这一帧跟之前帧的差别,解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别,生成最终画面。(P帧没有完整画面数据,只有与前一帧的画面差别的数据)
  • B帧:(双向差别帧)保留的是本帧与前后帧的差别,解码B帧,不仅要取得之前的缓存画面,还要解码之后的画面,通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高,但是解码时CPU会比较累
  • 帧内(Intraframe)压缩:当压缩一帧图像时,仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息,帧内一般采用有损压缩算法
  • 帧间(Interframe)压缩:时间压缩(Temporal compression),它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的
  • muxing(合成):将视频流、音频流甚至是字幕流封装到一个文件中(容器格式(FLV,TS)),作为一个信号进行传输。

(3)音频编码技术

AAC、mp3:这些属于音频编码技术,压缩音频用。

(4)码率控制

多码率:观众所处的网络情况是非常复杂的,有可能是WiFi,有可能4G、3G、甚至2G,那么怎么满足多方需求呢?多搞几条线路,根据当前网络环境自定义码率。

例如:常常看见视频播放软件中的1024,720、高清、标清和流畅等,指的就是各种码率。

(5)视频封装格式

TS 是 一种流媒体封装格式,流媒体封装有一个好处,就是不需要加载索引再播放,大大减少了首次载入的延迟。如果片子比较长,mp4文件的索引相当大,影响用户体验。

为什么要用TS?这是因为两个TS片段可以无缝拼接,播放器能连续播放

FLV:是一种流媒体封装格式,由于它形成的文件极小、加载速度极快,使得网络观看视频文件成为可能。因此,FLV格式成为了当今主流视频格式

4.推流

(1) 数据传输框架 

librtmp是用来传输RTMP协议格式的数据。

(2)流媒体数据传输协议 

RTMP是实时消息传输协议,Adobe Systems公司为Flash播放器和服务器之间音频、视频和数据传输开发的开放协议,因为是开放协议所以都可以使用了。

RTMP协议用于对象、视频、音频的传输。这个协议建立在TCP协议或者轮询HTTP协议之上。

RTMP协议就像一个用来装数据包的容器,这些数据可以是FLV中的视音频数据。一个单一的连接可以通过不同的通道传输多路网络流,这些通道中的包都是按照固定大小的包传输的。chunk是消息包。

5.流媒体服务器

(1)常用服务器 

  • SRS:一款国人开发的优秀开源流媒体服务器系统
  • BMS:也是一款流媒体服务器系统,但不开源,是SRS的商业版,比SRS功能更多
  • nginx:免费开源web服务器,常用来配置流媒体服务器。

(2)数据分发 

1)CDN:(Content Delivery Network),即内容分发网络,将网站的内容发布到最接近用户的网络”边缘”,使用户可以就近取得所需的内容,解决 Internet网络拥挤的状况,提高用户访问网站的响应速度。

CDN:代理服务器,相当于一个中介。

CDN工作原理:比如请求流媒体数据

上传流媒体数据到服务器(源站)

源站存储流媒体数据

客户端播放流媒体,向CDN请求编码后的流媒体数据

CDN的服务器响应请求,若节点上没有该流媒体数据存在,则向源站继续请求流媒体数据;若节点上已经缓存了该视频文件,则跳到第6步。

源站响应CDN的请求,将流媒体分发到相应的CDN节点上。

CDN将流媒体数据发送到客户端。

回源:当有用户访问某一个URL的时候,如果被解析到的那个CDN节点没有缓存响应的内容,或者是缓存已经到期,就会回源站去获取搜索。如果没有人访问,那么CDN节点不会主动去源站拿。

带宽:在固定的时间可传输的数据总量。

比如64位、800MHz的前端总线,它的数据传输率就等于64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s

负载均衡: 由多台服务器以对称的方式组成一个服务器集合,每台服务器都具有等价的地位,都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。

通过某种负载分担技术,将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器上,而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。

均衡负载能够平均分配客户请求到服务器列阵,籍此提供快速获取重要数据,解决大量并发访问服务问题。

这种群集技术可以用最少的投资获得接近于大型主机的性能。

QoS(带宽管理):限制每一个组群的带宽,让有限的带宽发挥最大的效用

6.拉流

(1)直播协议选择:

  • 即时性要求较高或有互动需求的可以采用RTMP,RTSP
  • 对于有回放或跨平台需求的,推荐使用HLS

(2)直播协议对比 :

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HLS是由Apple公司定义的用于实时流传输的协议,HLS基于HTTP协议实现,传输内容包括两部分,一是M3U8描述文件,二是TS媒体文件。可实现流媒体的直播和点播,主要应用在iOS系统。 HLS是以点播的技术方式来实现直播。

HLS是自适应码率流播,客户端会根据网络状况自动选择不同码率的视频流,条件允许的情况下使用高码率,网络繁忙的时候使用低码率,并且自动在二者间随意切换。这对移动设备网络状况不稳定的情况下保障流畅播放非常有帮助。

实现方法是服务器端提供多码率视频流,并且在列表文件中注明,播放器根据播放进度和下载速度自动调整。

HLS与RTMP对比:HLS主要是延时比较大,RTMP主要优势在于延时低。

HLS协议的小切片方式会生成大量的文件,存储或处理这些文件会造成大量资源浪费。

相比使用RTSP协议的好处在于,一旦切分完成,之后的分发过程完全不需要额外使用任何专门软件,普通的网络服务器即可,大大降低了CDN边缘服务器的配置要求,可以使用任何现成的CDN,而一般服务器很少支持RTSP。

HTTP-FLV是基于HTTP协议流式的传输媒体内容。相对于RTMP,HTTP更简单和广为人知,内容延迟同样可以做到1~3秒,打开速度更快,因为HTTP本身没有复杂的状态交互。所以从延迟角度来看,HTTP-FLV要优于RTMP。

RTSP:实时流传输协议,定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。

RTP:实时传输协议,RTP是建立在UDP协议上的,常与RTCP一起使用,其本身并没有提供按时发送机制或其它服务质量(QoS)保证,它依赖于低层服务去实现这一过程。

RTCP:RTP的配套协议,主要功能是为RTP所提供的服务质量(QoS)提供反馈,收集相关媒体连接的统计信息,例如传输字节数,传输分组数,丢失分组数,单向和双向网络延迟等等。

7.解码

(1)解封装 

demuxing(分离):从视频流、音频流,字幕流合成的文件(容器格式(FLV,TS))中, 分解出视频、音频或字幕,各自进行解码。

(2) 音频编码框架

fdk_aac:音频编码解码框架,PCM音频数据和AAC音频数据互转

(3)解码介绍 

硬解码:用GPU来解码,减少CPU运算

  • 优点:播放流畅、低功耗,解码速度快
  • 缺点:兼容不好

软解码:用CPU来解码

  • 优点:兼容好
  • 缺点:加大CPU负担,耗电增加、没有硬解码流畅,解码速度相对慢

8.播放

ijkplayer:一个基于FFmpeg的开源Android/iOS视频播放器

  • API易于集成
  • 编译配置可裁剪,方便控制安装包大小
  • 支持硬件加速解码,更加省电
  • 简单易用,指定拉流URL,自动解码播放

9.聊天互动

IM(InstantMessaging)即时通讯:是一个实时通信系统,允许两人或多人使用网络实时的传递文字消息、文件、语音与视频交流。IM在直播系统中的主要作用是实现观众与主播、观众与观众之间的文字互动。

第三方SDK

  • 腾讯云:腾讯提供的即时通讯SDK,可作为直播的聊天室
  • 融云:一个比较常用的即时通讯SDK,可作为直播的聊天室

五、如何快速的开发一个完整的iOS直播app

1、利用第三方直播SDK快速的开发

七牛云:七牛直播云是专为直播平台打造的全球化直播流服务和一站式实现SDK端到端直播场景的企业级直播云服务平台。熊猫TV和龙珠TV等直播平台都是用的七牛云。

网易视频云:基于专业的跨平台视频编解码技术和大规模视频内容分发网络,提供稳定流畅、低延时、高并发的实时音视频服务,可将视频直播无缝对接到自身App。

2、第三方SDK公司为什么要提供SDK给我们?

  • 希望把我们的产品和它绑在一条船上,更加的依赖它。
  • 技术生钱,帮养一大批牛B的程序员

3、直播功能:自研还是使用第三方直播SDK开发?

第三方SDK开发: 对于一个初创团队来讲,自研直播不管在技术门槛、CDN、带宽上都是有很大的门槛的,而且需要耗费大量的时间才能做出成品,不利于拉投资。

自研:公司直播平台大,从长远看,自研可以节省成本,技术成面比直接用SDK可控多了。

4.第三方SDK好处

(1)降低成本

使用好的第三方企业服务,将不用再花高价请猎头去挖昂贵的大牛,也不用去安抚大牛们个性化的脾气;

(2)提升效率

第三方服务的专注与代码集成所带来的方便,所花费的时间可能仅仅是1-2个小时,节约近99%的时间,足够换取更多的时间去和竞争对手斗智斗勇,增加更大的成功可能性;

(3)降低风险

借助专业的第三方服务,由于它的快速、专业、稳定等特点,能够极大地加强产品的竞争能力(优质服务、研发速度等),缩短试错时间,必将是创业中保命的手段之一;

(4)专业的事,找专业的人来做

第三方服务最少是10-20人的团队专注地解决同一个问题,做同一件事情。第三方服务所带来的支持效果,绝不是通过1-2个人处理所能对比的,难道不是吗

结束语

后续还会有讲解视频采集、美颜、聊天室和礼物系统等更多功能,敬请关注!!!

 

作者:峥吖,如果喜欢我的文章,可以关注我微博:袁峥Seemygo,也可以来袁峥Seemygo,了解下我们的iOS培训课程。后续还会更新更多内容,有任何问题,欢迎留言峥吖

来源:http://www.jianshu.com/p/bd42bacbe4cc

本文由 @峥吖 授权发布于人人都是产品经理,未经作者许可,禁止转载。

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评论( 3

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  1. 专业贴!

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  2. :shock: 看了一大堆,最后才是重点。 直播现在是风口,但是可能过段时间就没这么热,对于初创公司,选择第三方SDK先把产品上了拉投资才是最好的选择!

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  3. :?: :cool:

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