2020 抖音短视频爆火！它的背后到底是什么——如何快速的开发一个完整的直播 app

4.一个完整直播 app 架构

5.一个完整直播 app 技术点

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

• GOP 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、直播基础知识介绍：

1.采集视频、音频

1.1 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

1.2 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）

• 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,.

***** 视频处理框架 *****

• 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。

• 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。

• 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

3.1 视频编码框架

• 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,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,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,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。

• X264:把视频原数据 YUV 编码压缩成 H.264 格式

• 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。

• AudioToolbox:苹果自带的音频硬解码和硬编码 API

3.2 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MPEG，H.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。

• 注意: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

• 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

• 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

• 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

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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。

3.3 音频编码技术

• AAC，mp3：这些属于音频编码技术,压缩音频用

3.4 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。

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

3.5 视频封装格式

• TS : 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: 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

4.1 数据传输框架

librtmp:用来传输 RTMP 协议格式的数据

4.2 流媒体数据传输协议

• RTMP: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:消息包

5.流媒体服务器

5.1 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。

5.2 数据分发

• 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

• 1.上传流媒体数据到服务器（源站）

• 2.源站存储流媒体数据

• 3.客户端播放流媒体，向 CDN 请求编码后的流媒体数据

• 4.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。

• 5.源站响应 CDN 的请求，将流媒体分发到相应的 CDN 节点上

• 6.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

• 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
  

直播协议对比 :

• HLS: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: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

***** 7.1 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。

***** 7.2 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

***** 7.3 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,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

• 降低成本