流媒体技术基础-流媒体编码与协议

2023-11-05

一、流媒体传输协议

1.实时传输协议RTP

针对多媒体数据流的一种传输协议，建立在UDP协议上，属于传输层协议。
定义互联网上传递音频和视频的标准数据包格式。RTP协议常用于流媒体系统（配合RTCP协议）、视频会议和视频电话系统（配合H.263或SIP）。

2.实时传输控制协议RTCP

RTCP为RTP媒体流提供信道外控制，定期在流多媒体会话参加者之间传输控制数据，属于传输层协议。。
RTCP的主要功能是为RTP所提供的服务质量提供反馈，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，时延抖动，单向和双向网络延迟等。

3.实时流协议RTSP

RTSP协议定义了一对多应用程序如何有效通过IP网络传送多媒体数据。
RTSP在体系结构上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成数据传输，属于应用层协议。
RTSP与RTP最大的区别在于：RTSP是一种双向实时数据传输协议，它允许客户端向服务器端发送请求，如回放、快进、倒退等操作。
缺点：因为互联网网络环境的不稳定性，RTSP+RTP较少用于互联网视音频传输。

4.资源预定协议RSVP

使用RSVP预留一部分网络资源（即带宽），能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS，在RTP协议之下，属于网络层协议。

5.实时消息传输协议RTMP/RTMPS

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，属于应用层协议。
它有三种变种：
- 工作在TCP之上的明文协议，使用端口1935；
- RTMPT封装在HTTP请求之中，可穿越防火墙；
- RTMPS类似RTMPT，但使用的是HTTPS连接。
RTMP视频播放的特点：
- RTMP协议是采用实时的流式传输，所以不会缓存文件到客户端。
- 视频流可以随便拖动，既可以从任意时间点向服务器发送请求进行播放，并不需要视频有关键帧。
- RTMP协议支持点播/回放（通俗点将就是支持把flv,f4v,mp4文件放在RTMP服务器，客户端可以直接播放），直播（边录制视频边播放）
- 在浏览器端依赖Flash，可以满足直播产品的需求，但不能满足视频通话的产品需求。
RTMP推流：librtmp、ffmpeg
web无插件播放RTSP摄像机方案，拒绝插件，拥抱H5！

6.微软媒体服务器协议MMS

用来访问并流式接收WindowMedia服务器中.asf文件的一种协议。
MMS协议用于访问Windows Media发布点上的单播内容，MMS的预设端口是1755.

7.HTTP Live Streaming [IOS设备直播]

苹果公司实现的基于HTTP的流媒体传输协议，可实现流媒体的直播和点播，主要应用于iOS系统。
HLS直播最大的不同在于，直播客户端获取到的并不是一个完整的数据流，HLS协议在服务器端将直播数据流存储为连续的、很短时长的媒体文件（MPEG-TS格式），而客户端则不断的下载并播放这些小文件，因为服务器总是会将最新的直播数据生成新的小文件，这样客户端只要不停的按顺序播放从服务器获取到的文件，就实现了直播。
解决苹果原生环境中的流媒体播放，这个协议可以方便地让Mac和iPhone播放视频流，不依赖Adobe（RTMP）。
优点： HTTP 传输，有效避免防火墙拦截，支持网络分发，CDN 支持良好，自带多码率自适应。
缺点：
- 实时性差，延迟高，延迟基本在 10s+ 以上；
- 文件碎片，双刃剑，ts 切片较小，会造成海量小文件。

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8.WebRTC [音视频互通]

网页即时通信（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API。无需安装任何插件就可以实现在网页浏览器中的实时通信。WebRTC还具备跨平台属性。

应用场景：

视频社交、在线教育、视频会议、智能硬件（电视、智能音箱、智能手表等各种设备上进行音视频互动）。

9.HTTP-FLV

HttpFlv 就是 http+flv ，将音视频数据封装成FLV格式，然后通过 HTTP 协议传输给客户端。

FLV (Flash Video) 是 Adobe 公司推出的另一种视频格式，是一种在网络上传输的流媒体数据存储容器格式。

优点：可以通过 HTTP 传输，基于 HTTP/80 传输，有效避免被防火墙拦截，支持使用 HTTPS 加密传输，也能够兼容支持 Android，iOS 的移动端。

缺点：由于它的传输特性，会让流媒体资源缓存在本地客户端，在保密性方面不够好。因为网络流量较大，它也不适合做拉流协议。

10.Websocket-FLV

基于WebSocket传输FLV，依赖浏览器支持播放FLV。WebSocket建立在HTTP之上，建立WebSocket连接前还要先建立HTTP连接。

11.SRT

12.流媒体协议对比

流媒体协议	协议	视频封装	播放器	延时	数据分段	HTML5	场景
RTSP+RTP	TCP+UDP		VLC, WMP	2s	连续流	不支持	IPTV
RTMP	TCP	flv tag	Flash	2s	连续流	不支持	互联网直播，点播
HLS	HTTP	m3u8/ts	Video	10s+	切片	支持	H5，互联网直播，点播
HTTP-FLV	HTTP	flv	Video	2s	连续流	支持	H5，互联网直播，点播
Websocket-FLV	WebSocket	flv	Video	2s	连续流	支持	H5，互联网直播，点播
WebRTC							实时音视频对话

备注：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

13.直播运行流程

如果拉取RTSP音视频流，需要先将RTSP的H264 音视频源
主播端在采集到一段时间的音视频原数据后，因为音视频原数据庞大需要先压缩数据：
- YUV视频数据过视频编码压缩为H264视频数据
- PCM音频数据通过音频编码压缩为AAC音频数据
压缩完后再通过FLV容器格式封装压缩后的数据，封装成一个FLV TAG
再把FLV TAG通过RTMP协议编码再推流到音视频服务器，音视频服务器再从RTMP协议里解析出FLV TAG。
音视频服务器再通过HTTP协议通过和浏览器建立的长链接流式把FLV TAG传给浏览器。
flv.js 获取FLV TAG后解析出压缩后的音视频数据喂给Video播放。

14.直播平台参数对比

视音频编解码技术零基础学习方法

直播即互联网视音频平台直接将视频内容实时发送给用户

名称	协议	封装	视频编码	音频编码	播放器
华数TV	RTMP	FLV	H.264	AAC	Flash
六间房	RTMP	FLV	H.264	AAC	Flash
中国教育电视台	RTMP	FLV	H.264	AAC	Flash
北广传媒移动电视	RTMP	FLV	H.264	AAC	Flash
上海IPTV	RTSP+RTP	TS	H.264	MP2	机顶盒

直播服务普遍采用了RTMP作为流媒体协议，FLV作为封装格式，H.264作为视频编码格式，AAC作为音频编码格式。
采用RTMP作为直播协议的好处在于其被Flash播放器支持。而Flash播放器与浏览器结合的很好。

15.点播平台参数对比

点播即根据用户的需要播放相应的视频节目

名称	协议	封装	视频编码	音频编码	播放器
CNTV	HTTP	MP4	H.264	AAC	Flash
CNTV（部分）	RTMP	FLV	H.264	AAC	Flash
华数TV	HTTP	MP4	H.264	AAC	Flash
优酷网	HTTP	FLV	H.264	AAC	Flash
土豆网	HTTP	F4V	H.264	AAC	Flash
56网	HTTP	FLV	H.264	AAC	Flash
音悦台	HTTP	MP4	H.264	AAC	Flash
乐视网	HTTP	FLV	H.264	AAC	Flash
新浪视频	HTTP	FLV	H.264	AAC	Flash

点播服务普遍采用了HTTP作为流媒体协议，H.264作为视频编码格式，AAC作为音频编码格式。

二、音视频编码格式

1.视频播放器原理

视频播放器播放一个互联网上的视频文件，需要经过以下几个步骤：
- 解协议
- 解封装
- 解码视音频
- 视音频同步
如果播放本地文件则不需要解协议，为以下几个步骤：
- 解封装
- 解码视音频
- 视音频同步

过程如图所示：

2.视频的原始数据格式

YUV 格式

视频数据是使用称之为YCbCr颜色模式，它也是常称为YUV。
- YUV的颜色编码
  - YUV颜色编码采用的是明亮度和色度来指定像素的颜色。
    - Y代表明亮度（Luminance、Luma）
    - 而U和V表示色度（Chrominance、Chroma），色度又定义了颜色的两个方面：色调和饱和度。
- YUV 格式分类
  
  YUV 格式详解
  - 按照人眼的特性分类：
    - YUV 420，由 4 个 Y 分量共用一套 UV 分量，在每一行扫描时，只扫描一种色度分量(U或者V)，和Y分量按照2:1的方式采样。
    - YUV 422，由 2 个 Y 分量共用一套 UV 分量，Y分量和UV分量按照2：1的比例采样。
    - YUV 444，不共用，一个 Y 分量使用一套 UV 分量，色彩的全部信息被保存下来。
  - 按照 YUV 的排列方式，再次将 YUV 分成三个大类
    - Planar， YUV 三个分量分开存放
    - Semi-Planar， Y 分量单独存放，UV 分量交错存放
    - Packed YUV，三个分量全部交错存放
  - 具体分类
    - I420（属于 YUV 420 Plannar）
      - YUV 分量分别存放，先是 w * h 长度的 Y，后面跟 w * h * 0.25 长度的 U，最后是 w * h * 0.25 长度的 V，总长度为 w * h * 1.5。
    - YV12（属于 YUV 420 Plannar）
      - YUV 分量分别存放，先是 w * h 长度的 Y，后面跟 w * h * 0.25 长度的 V，最后是 w * h * 0.25 长度的 U，总长度为 w * h * 1.5。
    - NV12（属于 YUV 420 Semi-Planar）
      - Y 分量单独存放，UV 分量交错存放，UV 在排列的时候，从 U 开始。总长度为 w * h * 1.5。
    - NV21（属于 YUV 420 Semi-Planar）
      - Y 分量单独存放，UV 分量交错存放，UV 在排列的时候，从 V开始。总长度为 w * h * 1.5。
    - I422（属于 YUV 422 Plannar）
      - YUV 分量分别存放，先是 w * h 长度的 Y，后面跟 w * h * 0.5 长度的 U，最后是 w * h * 0.5 长度的 V，总长度为 w * h * 2。
    - YV16（属于 YUV 422 Plannar）
      - UV 分量分别存放，先是 w * h 长度的 Y，后面跟 w * h * 0.5 长度的 V，最后是 w * h * 0.5 长度的 U，总长度为 w * h * 2。
    - NV16（属于 YUV 422 Semi-Planar）
      - Y 分量单独存放，UV 分量交错存放，UV 在排列的时候，从 U 开始。总长度为 w * h * 2。
    - NV61（属于 YUV 422 Semi-Planar）
      - Y 分量单独存放，UV 分量交错存放，UV 在排列的时候，从 V 开始。总长度为 w * h * 2。
    - YUVY（属于 YUV 422 Interleaved）
      - Interleaved 即是 Packed ，在 Packed 内部，YUV 的排列顺序是 Y U V Y，两个 Y 共用一组 UV。
    - UYVY（属于 YUV 422 Interleaved）
      - YUV 的排列顺序是 UYVY，两个 Y 共用一组 UV。
    - I444（属于 YUV 444 Plannar）
      - YUV 分量分别存放，先是 w * h 长度的 Y，后面跟 w * h 长度的 U，最后是 w * h 长度的 V，总长度为 w * h * 3。
    - YV24（属于 YUV 444 Plannar）
      - YUV 分量分别存放，先是 w * h 长度的 Y，后面跟 w * h 长度的 V，最后是 w * h 长度的 U，总长度为 w * h * 3。
    - NV24（属于 YUV 444 Semi-Planar）
      - Y 分量单独存放，UV 分量交错存放，UV 在排列的时候，从 V 开始。总长度为 w * h * 3。
RGB 格式

RGB颜色模式，即每个像素点都由红，绿，蓝三个颜色组合而成，YCbCr（YUV）则使用色彩（颜色）通道UV替换了像素的亮度通道。
- RGB的颜色编码
  - RGB三个字母分别代表了红（red）、绿（green）、蓝（blue），这三种颜色称为三原色。
  - 在图像显示中，一张1280 * 720 大小的图片，就代表着它有1280 * 720 个像素点。每⼀个像素点的颜⾊显示都采⽤RGB 编码⽅法，将RGB 分别取不同的值，就会展示不同的颜⾊。
  - 红、绿、蓝三个原⾊，其中每种原⾊都占⽤8 bit，那么⼀个像素点也就占⽤24 bit，也就是三个字节。
    - ⼀张1280 * 720 ⼤⼩的图⽚，就占⽤1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存储空间
- RGB分类
  
  RGB在计算机中的表示主要分为两大类，一种是索引形式，一种是像素形式
  
  RGB格式详解
  - 索引
    
    关于调色板，可以简单理解为通过编号映射到颜色的一张二维表。
    - RGB1: 每个像素用1个bit表示，可表示的颜色范围为双色，即最传统的黑和白。1个bit只能表示0，1两种值。需要调色板，不过调色板只包含两种颜色。
    - RGB4: 每个像素用4个bit表示，4个bit所能够表示的索引范围是0-15，共16个。也就是可以表示16种颜色。即调色板中包含16中颜色。
    - RGB8: 每个像素用8个bit表示。8个bit所能够表示的索引范围是0-255，共256个。也就是可以表示256中颜色。即调色板中包含256中颜色。
  - 像素形式
    - RGB565: 一个像素用16个bit表示， R, G, B分别用5， 6， 5个bit来表示，格式也因此而得名，图像大小width * height * 2。
    - RGB555: 一个像素用16个bit表示，但是最高位不用，R, G, B分别用5个bit来表示，图像大小width * height * 2。
    - RGB24（RGB888）：一个像素用24个bit 表示，R, G，B分量分别用8个bit来表示，图像大小width * height * 3。
    - RGB32：一个像素用32个bit表示，R, G, B分量分别用8个bit表示，存储顺序为B, G, R,最后8个字节保留，图像大小width * height * 4。
    - ARGB32：与RGB32类似，不同的地方是RGB32保留的8个BIbit用来表示透明
- RGB 与 YUV 颜色编码转换
  
  对于图像显示器（即屏幕）来说，是通过RGB模型来展示图像的，而传输时的图像数据使用的是YUV模型，主要是因为YUV可以节省带宽。
  
  RGB 到 YUV的转换，其实就是将图像所有像素点的R、G、B分量转换到 Y、U、V分量。
```
//YUV和RGB的转换:
Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B
U = -0.1687 R - 0.3313 G + 0.5 B + 128
V = 0.5 R - 0.4187 G - 0.0813 B + 128

R = Y + 1.402 (V-128)
G= Y - 0.34414 (U-128) - 0.71414 (V-128)
B= Y + 1.772 (U-128)
```

3.视频的编码格式

H.264：高性能的视频编解码技术，有更高的数据压缩比。
- 在同等的图像质量，H.264的数据压缩比能比 MPEG-2高2～3倍，比MPEG-4高1.5～2倍。
H.265：比H.264压缩率更高的视频编解码技术
MPEG1：VCD编码格式
MPEG2：用于广播电视和DVD
MPEG4：适用于低传输速率应用的方案，更适于交互AV服务以及远程监控
Xvid：由MPEG-4衍生出的一种开源视频编码(压缩)标准，特别是用于家用DVD和便携式MP4等设备。
Divx：由MPEG-4衍生出的一种视频编码(压缩)标准，采用了MPEG4的压缩算法，同时又综合了MPEG-4与MP3各方面的技术，要收费。

4.音频的原始数据格式

PCM 格式

5.音频的编码格式

名称	推出机构	推出时间	目前使用领域
AAC	MPEG	1997	各个领域（新）
AC-3	Dolby Inc.	1992	电影
MP3	MPEG	1993	各个领域（旧）
WMA	Microsoft Inc.	1999	微软平台

6.视频封装格式

AVI
Matroska（MKV）
MP4
3GP
RMVB
FLV

封装格式包含视频编码和音频编码，封装容器对音频编码和视频编码的组合方式放的很开，封装格式是不影响画质。

封装容器	机构	流媒体	视频流编码格式	音频流编码格式	领域
AVI	Microsoft Inc.	不支持	几乎所有格式	几乎所有格式	BT下载
Matroska（MKV）	CoreCodec Inc.	支持	几乎所有格式	几乎所有格式	互联网视频网站
TS	MPEG	支持	MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264	MPEG-1 Layers I, II, III, AAC,	IPTV，数字电视
MP4	MPEG	支持	MPEG-2, MPEG-4, H.264, H.263等	AAC, MPEG-1 Layers I, II, III, AC-3等	互联网视频网站
FLV	Adobe Inc.	支持	Sorenson, VP6, H.264	MP3, ADPCM, Linear PCM, AAC等	互联网视频网站
MVB	Real Networks Inc.	支持	RealVideo 8, 9, 10	AAC, Cook Codec, RealAudio Lossless	BT下载影视
3GP			H.263	AAC

7.图片压缩格式

格式	压缩模式	透明支持
JPEG（JPG）	有损压缩	不支持
PNG	无损压缩	支持
BMP	无压缩	不支持

占用空间：BMP > PNG > JPG

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