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关于直播的技艺著作不少,成序列的不多。我们将用七篇著作,更系统化地介绍当下大热的视频直播各环节的关键技术,辅助视频直播创业者们更周详、深远地问询视频直播技术,更好地技术选型。

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视频编码是视频直播技术多元小说的第三篇,是本系列一个可怜紧要的有些,是活动支付必修的根底课程,本篇作品从理论到实施一网打尽主流编码器。

设若把全部流媒体比喻成一个物流序列,那么编解码就是中间配货和装货的历程,这多少个历程非常关键,它的速度和减弱比对物流系统的意思特别大,影响物流系统的一体化进度和本钱。同样,对流媒体传输来说,编码也要命重大,它的编码性能、编码速度和编码压缩比会直接影响总体流媒体传输的用户体验和传导成本。

本体系随笔大纲之类,想复习在此之前作品的直接点击直达链接:

(一)采集

(二)处理

(三)编码和打包

(四)推流和传导

(五)现代播放器原理

(六)延迟优化

(七)SDK 性能测试模型

视频编码的意义

  • 原本视频数据存储空间大,一个 1080P 的 7 s 视频需要 817 MB
  • 土生土长视频数据传输占用带宽大,10 Mbps 的带宽传输上述 7 s 视频需要 11
    分钟

而由此 H.264 编码压缩之后,录像大小惟有 708 k ,10 Mbps 的带宽仅仅需要
500 ms
,可以满意实时传输的需求,所以从视频采访传感器收集来的原始视频势必要通过录像编码。

基本原理

这干什么巨大的固有录像可以编码成很小的录像呢?这里面的技艺是何等啊?
核心理想就是去除冗余音信:

  • 空中冗余:图像相邻像素之间有较强的相关性
  • 日子冗余:录像系列的附近图像之间内容相似
  • 编码冗余:不同像素值出现的票房价值不同
  • 视觉冗余:人的视觉系统对某些细节不灵活
  • 文化冗余:规律性的布局可由先验知识和背景知识得到

视频本质上讲是一文山会海图片连续飞快的播报,最简单易行的回落模式就是对每一帧图片举办压缩,例如相比较古老的
MJPEG
编码就是这种编码模式,这种编码形式只有帧内编码,利用空间上的抽样预测来编码。形象的比喻就是把每帧都当做一张图片,采取JPEG
的编码格式对图纸展开削减,那种编码只考虑了一张图片内的冗余信息压缩,如图
1,藏紫色的局部就是时下待编码的区域,青色就是从未有过编码的区域,紫色区域可以依照现已编码的一部分开展展望(黑色的左手,上面,左下等)。

图1

然则帧和帧之间因为时间的相关性,后续开发出了部分比较高档的编码器可以使用帧间编码,简单点说就是通过搜索算法选定了帧上的一点区域,然后经过统计当前帧和左右参考帧的向量差举行编码的一种格局,通过下面三个图
2
连续帧我们可以见到,滑雪的同窗是向前位移的,但实质上是雪景在向后位移,P
帧通过参考帧(I 或任何 P
帧)就足以拓展编码了,编码之后的大大小小万分小,压缩比非凡高。

图 2

或是有同学对那两张图片怎么来的感兴趣,这里用了 FFmpeg
的两行命令来促成,具体 FFmpeg 的更多内容请看后续章节:

  • 首先行生成带有移动矢量的录像
  • 第二行把每一帧都输出成图片

ffmpeg  -flags2 +export_mvs -i tutu.mp4 -vf codecview=mv=pf+bf+bb tutudebug2.mp4

ffmpeg -i tutudebug2.mp4 'tutunormal-%03d.bmp'

除外空间冗余和岁月冗余的回落,重要还有编码压缩和视觉收缩,下面是一个编码器紧要的流程图:

图 3

图 4

图 3、图 4 两个流程,图 3 是帧内编码,图 4
是帧间编码,从图上来看的重点区别就是率先步不同等,其实这三个流程也是组成在联合的,大家常见说的
I 帧和 P 帧就是独家使用了帧内编码和帧间编码。

编码器的挑三拣四

眼前梳理了眨眼间间编码器的法则和主导流程,编码器经历了数十年的前行,已经从开首的只协助帧内编码演进到现近年来的
H.265 和 VP9
为表示的新一代编码器,就当下有的大面积的编码器举办解析,带我们商量一下编码器的世界。

H.264

简介

H.264/AVC
项目意向创设一种视频正式。与旧专业相比,它亦可在更低带宽下提供上乘视频(换言之,惟有MPEG-2,H.263 或 MPEG-4 第 2
片段的一半带宽或更少),也不增添太多设计复杂度使得无法实现或实现资产过高。另一目标是提供充分的八面玲珑以在各个应用、网络及系统中应用,包括高、低带宽,高、低视频分辨率,广播,DVD
存储,RTP/IP 网络,以及 ITU-T 多媒体公用电话系统。

H.264/AVC
包含了一雨后春笋新的特征,使得它比起往日的编解码器不但可以更实惠的展开编码,仍可以在各类网络环境下的施用中运用。这样的技能基础让
H.264 成为包括 YouTube
在内的在线录像集团拔取它当做根本的编解码器,不过利用它并不是一件很自在的事体,理论上讲使用
H.264 需要交纳不菲的专利费用。

专利许可

和 MPEG-2 第一部分、第二有些,MPEG-4第二有些雷同,使用 H.264/AVC
的出品成立商和服务提供商需要向她们的成品所运用的专利的主人支付专利许可费用。这么些专利许可的严重性来源于是一家名叫
MPEG-LA LLC 的民用社团,该团队和 MPEG
标准化社团尚未此外关联,可是该集团也管理著 MPEG-2
第一局部体系、第二片段视频、MPEG-4
第二片段视频和此外一些技巧的专利许可。

另外的专利许可则需要向另一家名叫 VIA Licensing
的个人社团报名,这家公司其余也管理偏向音频压缩的标准如 MPEG-2 AAC 及
MPEG-4 Audio 的专利许可。

H.264 的开源实现

  • openh264
  • x264

openh264
是思科落实的开源 H.264 编码,即使 H.264
需要缴纳不菲的专利费用,可是专利费有一个年份上限,思科把 OpenH264
实现的年度专利费交满后,OpenH264 事实上就可以免费自由的运用了。

x264
x264是一个采取GPL授权的视频编码自由软件。x264 的重点功能在于举办H.264/MPEG-4 AVC 的视频编码,而不是用作解码器(decoder)之用。

除去开销问题相比来看:

  • openh264 CPU 的占用绝对 x264低很多
  • openh264 只帮助 baseline profile,x264 襄助更多 profile

HEVC/H.265

简介

高功能视频编码(High Efficiency Video
Coding,简称HEVC)是一种录像压缩标准,被视为是 ITU-T H.264/MPEG-4 AVC
标准的继承人。2004 年起始由 ISO/IEC Moving Picture Experts
Group(MPEG)和 ITU-T Video Coding Experts Group(VCEG)作为 ISO/IEC
23008-2 MPEG-H Part 2 或称作 ITU-T H.265 起初制定。第一版的 HEVC/H.265
录像压缩正式在 2013 年 4 月 13
日被接受为国际电信联盟(ITU-T)的正规化标准。HEVC
被认为不但提升录像质料,同时也能达成 H.264/MPEG-4 AVC
两倍之压缩率(等同于同样画面质量下比特率收缩了 50%),可支撑 4K
分辨率甚至到超高清电视机(UHD电视机),最高分辨率可达成
8192×4320(8K分辨率)。

H.265 的开源实现

  • libde265
  • x265

libde265
HEVC 由 struktur 集团以开源许可证 GNU LesserGeneral Public License
(LGPL)
提供,观众得以较慢的网速下欣赏到最高质地的形象。跟往日基于H.264标准的解码器相相比较,libde265
HEVC 解码器可以将您的全高清内容带给多达两倍的受众,或者,缩短 50%
流媒体播放所急需的带宽。高清或者 4K/8K
超高清流媒体播发,低顺延/低带宽录像会议,以及完整的位移装备覆盖。具有「拥塞感知」视频编码的安居,分外顺应拔取在
3/4G 和 LTE 网络。

专利许可

HEVC Advance 要求所有包括苹果、YouTube、Netflix、非死不可、Amazon等应用
H.265 技术的始末创设商上缴内容收入的
0.5%当做技术使用费,而所有流媒体市场每年高达约 1000
亿日币的范畴,且频频提升中,征收
0.5%纯属是一笔巨大的开销。而且她们还一直不放过设备创立商,其中电视厂商需要付出每台
1.5 新币、移动设备厂商每台 0.8
新币的专利费。他们甚至没有放过蓝光设备播放器、游戏机、视频机这样的厂商,这么些厂商必须支出每台
1.1 先令的开销。最不能够令人承受的是,HEVC Advance
的专利使用权追溯到了厂商的「」”,意思是从前曾经出售的出品依旧要追缴费用。

x265 是由
MulticoreWare 开发,并开源。拔取 GPL
协议,可是接济这么些类型的多少个商店结合了同盟可以在非 GPL
协议下利用这些软件。

VP8

简介

VP8 是一个怒放的视频压缩格式,最早由 On2 Technologies 付出,随后由
Google 发表。同时 Google 也发表了 VP8 编码的实做库:libvpx,以 BSD
授权条款的艺术发行,随后也增大了专利使用权。而在通过一些争持过后,最终VP8 的授权确认为一个盛开源代码授权。

时下协理 VP8 的网页浏览器有 Opera、Firefox 和 Chrome。

专利许可

2013 年2月,Google 与 MPEG LA 及 11 个专利持有者达成协议,让Google 获取
VP8 以及其从前的 VPx 等编码所可能侵犯的专利授权,同时 Google也足以无偿再度授权相关专利给 VP8 的用户,此协议同时适用于下一代 VPx
编码。至此 MPEG LA 放弃创设 VP8 专利集中授权联盟,VP8
的用户将可规定权利使用此编码而无须担心可能的专利侵权授权金的问题。

VP8 的开源实现

  • libvpx

libvpx
是 VP8 的绝无仅有开源实现,由 On2 Technologies 支出,Google收购后将其开放源码,License 非凡宽松可以随意使用。

VP9

简介

VP9 的支付从 2011 年第三季起初,目标是在同画质下,比 VP8 编码缩短50%的文件大小,另一个对象则是要在编码效能上超过 HEVC 编码。

2012 年 12 月 13 日,Chromium 浏览器参与了 VP9 编码的支撑。Chrome
浏览器则是在 2013 年 2 月 21 日启幕援助 VP9 编码的录像播放。

Google 发布会在 2013 年 6 月 17 日完成 VP9 编码的制定工作,届时Chrome
浏览器将会把 VP9 编码默认携带。2014 年 3 月 18 日,Mozilla 在 Firefox
浏览器中出席了 VP9 的援助。

2015 年 4 月 3 日,Google披露了 libvpx1.4.0 增添了对 10 位和 12
位的比特深度帮助、4:2:2 和 4:4:4 色度抽样,并 VP9 多为重编/解码。

专利许可

VP9 是一个盛开格式、无权利金的视频编码格式。

VP9 的开源实现

  • libvpx

libvpx
是 VP9 的绝无仅有开源实现,由 谷歌 开发珍爱,里面有部分代码是 VP8 和 VP9
公用的,其它分别是 VP8 和 VP9 的编解码实现。

VP9 和 H.264 和 HEVC 比较

Codec HEVC x264 vp9
HEVC -42.2% 32.6%
x264 75.8% 18.5%
vp9 48.3% -14.6%
Codec HEVC vs. VP9(in %) VP9 vs. x264 (in %)
Total Average 612 39399

引用 Comparative Assessment of H.265/MPEG-HEVC, VP9, and
H.264/MPEG-AVC Encoders for Low-Delay Video Applications
这篇相比较新的舆论对,低延迟视频举办编码的测试结果。

HEVC 和 H.264 在不同分辨率下的比较

跟 H.264/MPEG-4 相比较,HEVC 的平分比特率减低值为:

分辨率 480P 720P 1080P 4K UHD
HEVC 52% 56% 62% 64%

可见码率下降了 60% 以上。

  • HEVC (H.265) 对 VP9 和 H.264 在码率节省上有较大的优势,在相同 PSNR
    下分别节省了 48.3% 和 75.8%。
  • H.264 在编码时间上有巨大优势,相比 VP9 和 HEVC(H.265) ,HEVC 是 VP9
    的6倍,VP9 是 H.264 的贴近 40 倍

FFmpeg

谈到录像编码相关内容就不得不提一个英雄的软件包 — FFmpeg。

FFmpeg
是一个自由软件,可以运作音频和视频多种格式的录影、转换、流效能,包含了
libavcodec ——这是一个用来五个系列中音频和视频的解码器库,以及
libavformat ——一个旋律与视频格式转换库。

FFmpeg 这么些单词中的 FF 指的是 法斯特(Fast)(Fast) Forward。有些新手写信给 FFmpeg
的品种领导,询问 FF 是不是表示 Fast Free 或者 法斯特 Fourier
等情趣,FFmpeg 的档次老总回信说:「Just for the record, the original
meaning of FF in FFmpeg is Fast Forward…」

本条项目初期是由 Fabrice Bellard 发起的,而现行是由 迈克尔(Michael) Niedermayer
在拓展珍重。许多FFmpeg的开发者同时也是 MPlayer 项目标分子,FFmpeg 在
MPlayer 项目中是被设计为服务器版本举行支付。

FFmpeg 下载地址是 : FFmpeg
Download

  • 能够浏览器输入下载,近来襄助 Linux ,Mac OS,Windows
    两个主流的平台,也得以协调编译到 Android 或者 iOS 平台。
  • 即便是 Mac OS ,能够由此 brew 安装
    brew install ffmpeg --with-libvpx --with-libvorbis --with-ffplay

我们得以用 FFmpeg
来做哪些有用有幽默的事体啊?通过一层层小试验来带我们理解 FFmpeg
的神奇和有力。

FFmpeg 录屏

透过一个小例子看一下怎么在 Mac OS 下边接纳 FFmpeg 举行录屏:

输入:

ffmpeg -f avfoundation -list_devices true -i ""

输出:

[AVFoundation input device @ 0x7fbec0c10940] AVFoundation video devices:
[AVFoundation input device @ 0x7fbec0c10940] [0] FaceTime HD Camera
[AVFoundation input device @ 0x7fbec0c10940] [1] Capture screen 0
[AVFoundation input device @ 0x7fbec0c10940] [2] Capture screen 1
[AVFoundation input device @ 0x7fbec0c10940] AVFoundation audio devices:
[AVFoundation input device @ 0x7fbec0c10940] [0] Built-in Microphone

提交了近日设备协助的保有输入设备的列表和数码,我本地有两块显示器,所以 1
和 2 都是本人屏幕,可以挑选一块举办录屏。

查看当前的 H.264 编解码器:

输入:

ffmpeg -codecs | grep 264

输出:

 DEV.LS h264                 H.264 / AVC / MPEG-4 AVC / MPEG-4 part 10 (decoders: h264 h264_vda ) (encoders: libx264 libx264rgb )

翻开当前的 VP8 编解码器:

输入:

ffmpeg -codecs | grep vp8

输出:

  DEV.L. vp8                  On2 VP8 (decoders: vp8 libvpx ) (encoders: libvpx )

可以拔取用 vp8 或者 h264 做编码器

ffmpeg -r 30 -f avfoundation -i 1 -vcodec vp8 -quality realtime screen2.webm
# -quality realtime 用来优化编码器,如果不加在我的 Air 上帧率只能达到 2

or

ffmpeg -r 30 -f avfoundation -i 1 -vcodec h264 screen.mp4

接下来用 ffplay 播放就足以了

ffplay screen.mp4

or

ffplay screen2.webp

FFmpeg 录像转换成 gif

有一个特地实用的需要,在网上发现了一个专门有意思的录像想把它转换成一个动态表情,作为一个
IT
从业者,我首先个想到的不是下载一个转码器,也不是去找一个在线转换网站,间接接纳手边的工具
FFmpeg,弹指间就完了了转码:

ffmpeg -ss 10 -t 10  -i tutu.mp4  -s 80x60  tutu.gif
## -ss 指从 10s 开始转码,-t 指转换 10s 的视频 -s

FFmpeg 录制屏幕并直播

可以延续扩充例子1,直播当前屏幕的内容,向我们介绍一下怎么通过几行命令搭建一个测试用的直播服务:

Step 1:首先安装 docker:
访问 Docker
Download

,按操作系统下载安装。

Step 2:下载 nginx-rtmp 镜像:

docker pull chakkritte/docker-nginx-rtmp

Step 3:创建 nginx html 路径,启动 docker-nginx-rtmp

mkdir ~/rtmp

docker run -d -p 80:80 -p 1935:1935 -v ~/rtmp:/usr/local/nginx/html chakkritte/docker-nginx-rtmp

Step 4:推送屏幕录制到 nignx-rtmp

ffmpeg -y -loglevel warning -f avfoundation -i 2 -r 30 -s 480x320 -threads 2 -vcodec libx264  -f flv rtmp://127.0.0.1/live/test

Step 5:用 ffplay 播放

ffplay rtmp://127.0.0.1/live/test

总结一下,FFmpeg
是个出色的工具,可以透过它形成很多经常的行事和试验,然而距离提供真正可用的流媒体服务、直播服务还有分外多的干活要做,这下面可以参见七牛云发表的
七牛直播云服务

封装

介绍完了录像编码后,再来介绍一些装进。沿用前边的比方,封装可以通晓为使用哪个种类货车去运输,也就是传媒的容器。

所谓容器,就是把编码器生成的多媒体内容(视频,音频,字幕,章节消息等)混合封装在一齐的正儿八经。容器使得不同多媒体内容同步播报变得很简单,而容器的另一个意义就是为多媒体内容提供索引,也就是说假如没有容器存在的话一部影视你只可以从一开端看到最终,无法拖动进度条(当然这种情景下部分播放器会话比较长的日子暂时创办索引),而且只要你不友好去手动另外载入音频就不曾动静,下面介绍二种普遍的封装格式和优缺点:

  1. AVI 格式(后缀为 .AVI): 它的英文全称为 Audio Video Interleaved
    ,即音频视频交错格式。它于 1992 年被 Microsoft 公司推出。
    这种视频格式的长处是图像质地好。由于无损AVI可以保留 alpha
    通道,通常被我们运用。缺点太多,体积过于庞大,而且越是不好的是减掉正式不合并,最广泛的景色就是高版本
    Windows 媒体播放器播放不了采取早期编码编辑的AVI格式录像,而低版本
    Windows
    媒体播放器又播放不了采纳新式编码编辑的AVI格式视频,所以我们在拓展局部AVI格式的视频播放时常会油可是生是因为录像编码问题而致使的录像不可能播放或虽然可以播放,但存在不可以调节播放进度和广播时唯有响动没有图像等部分不三不四的题材。

  2. DV-AVI 格式(后缀为 .AVI): DV的英文全称是 Digital Video Format
    ,是由索尼、松下、爱科技 等多家厂商共同提议的一种家用数字视频格式。
    数字录像机就是使用这种格式记录视频数据的。它能够经过电脑的 IEEE 1394
    端口传输视频数据到总括机,也得以将电脑中编辑好的的视频数据回录到多少录像机中。这种录像格式的文件扩张名也是
    avi。电视机台利用视频带记录模拟信号,通过 EDIUS 由IEEE
    1394端口采集卡从视频带中收集出来的视频就是这种格式。

  3. Quick提姆e File Format 格式(后缀为 .MOV):
    美利坚合众国Apple公司开发的一种视频格式,默认的播放器是苹果的Quick提姆(Tim)e。
    不无较高的压缩比率和较完善的录像清晰度等特征,并得以保存alpha通道。

  4. MPEG 格式(文件后缀可以是 .MPG .MPEG .MPE .DAT .VOB .ASF .3GP
    .MP4等) : 它的英文全称为 Moving Picture Experts
    Group,即活动图像专家组格式,该专家组建于1988年,专门负责为 CD
    建立录像和音频标准,而成员都是为录像、音频及系统领域的技术专家。
    MPEG 文件格式是活动图像压缩算法的国际标准。MPEG
    格式近期有多个裁减正式,分别是 MPEG-1、MPEG-2、和MPEG-4
    。MPEG-1、MPEG-2 如明儿早上就运用较少,着重介绍
    MPEG-4,其制订于1998年,MPEG-4
    是为着播放流式媒体的高质地录像而特别规划的,以求使用最少的数目得到最佳的图像质地。目前MPEG-4 最有吸重力的地点在于它可以保留接近于DVD画质的小体积视频文件。

  5. WMV 格式(后缀为.WMV .ASF): 它的英文全称为Windows Media
    Video,也是微软推出的一种选拔独立编码情势并且可以平素在网上实时看到视频节目标文本压缩格式。
    WMV格式的重中之重优点包括:本地或网络重放,丰裕的流间关系以及扩充性等。WMV
    格式需要在网站上播报,需要安装 Windows Media Player( 简称 WMP
    ),很不便宜,现在早就几乎从不网站选用了。

  6. Real Video 格式(后缀为 .RM .RMVB): Real Networks
    集团所制定的音频视频压缩正式称为Real Media。
    用户可以行使 RealPlayer
    依照不同的网络传输速率制定出不同的压缩比率,从而实现在低速率的网络上开展映像数据实时传送和广播。RMVB
    格式:这是一种由RM视频格式升级延伸出的新录像格式,当然性能上有很大的擢升。RMVB
    视频也是具有较明朗的优势,一部大小为700MB左右的 DVD
    影片,若是将其转录成同样质量的 RMVB 格式,其个头最多也就 400MB
    左右。大家莫不注意到了,以前在网络上下载电影和视频的时候,通常接触到
    RMVB
    格式,可是随着一代的前行这种格式被愈来愈多的更美妙的格式替代,出名的人们影视字幕组在二零一三年一度宣布不再限于
    RMVB 格式视频。

  7. Flash Video 格式(后缀为 .FLV):由 Adobe Flash
    延伸出来的的一种流行网络录像封装格式。随着视频网站的增长,这么些格式已经分外普及。

  8. Matroska 格式(后缀为
    .MKV):是一种新的多媒体封装格式,那些封装格式可把多种不同编码的视频及16条或上述不同格式的节拍和语言不同的字幕封装到一个
    Matroska Media
    档内。它也是其中一种开放源代码的多媒体封装格式。Matroska
    同时还足以提供特别好的相互效率,而且比 MPEG 的惠及、强大。

  9. MPEG2-TS 格式 (后缀为 .ts)(Transport
    Stream“传输流”;又称MTS、TS)是一种传输和存储包含音效、视频与通信协议各类数码的专业格式,用于数字电视广播系统,如DVB、ATSC、IP电视机等等。
    MPEG2-TS 定义于 MPEG-2
    第一部分,系统(即原来之ISO/IEC标准13818-1或ITU-T Rec. H.222.0)。
    Media Player Classic、VLC
    多媒体播放器等软件可以一贯播放MPEG-TS文件。

眼前,我们在流媒体传输,尤其是直播中第一采取的就是 FLV 和 MPEG2-TS
格式,分别用于 RTMP/HTTP-FLV 和 HLS 协议。

下一期大家将系统讲授视频直播的推流和传导,尽请期待~