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        華東師范大學(xué):設(shè)計一個智能化視頻直播系統(tǒng)

        2015-09-10 06:45:46周祥
        中國教育網(wǎng)絡(luò) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:音視頻校園網(wǎng)編碼器

        文/周祥

        隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,各高校已經(jīng)發(fā)展到萬兆主干網(wǎng),百兆到桌面的校內(nèi)寬帶互聯(lián),為教學(xué)科研和教學(xué)管理等工作提供了高速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,同時為現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展提供了良好的平臺。隨著主流視頻直播技術(shù)與硬件編碼技術(shù)的不斷發(fā)展,視頻直播技術(shù)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、視頻輸出質(zhì)量、編碼效率、直播延遲等方面取得了很大的進展,視頻直播技術(shù)不斷成熟。校園網(wǎng)的完善和視頻直播技術(shù)的成熟為視頻直播系統(tǒng)在高校的應(yīng)用提供了條件。本文中,筆者以自己所在的華東師范大學(xué)為例,介紹一個基于校園網(wǎng)的視頻直播系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程。

        校園網(wǎng)的特點

        校園網(wǎng)具有帶寬高、延遲小的特點,為校內(nèi)視頻服務(wù)提供了高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,學(xué)校內(nèi)網(wǎng)環(huán)境中有線網(wǎng)絡(luò)帶寬基本達到百兆到桌面,有些辦公室甚至達到千兆到桌面,下行速度能夠達到10MB/秒,而一般視頻流經(jīng)過編碼器編碼以后,大于2MB/秒以后,清晰度在視覺上已經(jīng)基本無法辨別,因此校園網(wǎng)環(huán)境對高清網(wǎng)絡(luò)視頻直播提供了可靠的支持。

        另外一方面,相較于城域網(wǎng)來說,校園網(wǎng)相對較小,網(wǎng)絡(luò)屬于學(xué)校所有,所以所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以為校園的應(yīng)用進行設(shè)置和優(yōu)化,如對視頻應(yīng)用開啟組播功能,對視頻直播服務(wù)器進行DNS智能解析等,這些條件也為校園視頻直播提供有利的條件。

        校園網(wǎng)絡(luò)視頻直播的應(yīng)用

        隨著視頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,校園視頻直播得到越來越廣泛的應(yīng)用,如課堂直播、學(xué)術(shù)講座、遠程會議、畢業(yè)典禮、全國辯論賽、成立大會、年度音樂會等等。網(wǎng)絡(luò)視頻直播教學(xué)

        利用校園網(wǎng)絡(luò)視頻直播技術(shù),我們可以將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)進行延伸。由于課堂的時間和空間是有限的,對于有些優(yōu)秀教師的授課過程可以采用視頻直播技術(shù),使在不同教室的學(xué)生能同時上課。直播的同時可以使用編碼器或其它設(shè)備同時記錄下來,便于課后復(fù)習和學(xué)生自學(xué)。在2014年暑期,我們就配合學(xué)校河口海岸研究所直播了為期5天的精品暑期班,取得了良好的效果。學(xué)術(shù)報告

        利用視頻直播技術(shù),將名師名家的學(xué)術(shù)講座通過校園網(wǎng)直播,在兩校區(qū)有網(wǎng)絡(luò)和投影的階梯教室、大禮堂中組織學(xué)生觀看,實現(xiàn)多校區(qū)互動直播,解決了會場空間有限以及校區(qū)之間的距離問題,同時校內(nèi)師生在校園網(wǎng)內(nèi)利用可上網(wǎng)的計算機就可以實時收看,在校外可以使用VPN的方式觀看,極大的方便了學(xué)術(shù)活動的開展,提高了資源的利用率。學(xué)校重要活動和會議

        學(xué)校的重要會議和活動,如校慶、文藝晚會等通過網(wǎng)絡(luò)進行直播,同時通過校內(nèi)的大屏幕顯示器播放出去,使全校教職員工都能實時收看,大大方便了師生,同時提高了宣傳效果,豐富了師生員工的業(yè)余文化生活。

        我校自從建立了網(wǎng)絡(luò)視頻直播系統(tǒng),對學(xué)校首屆免費師范生畢業(yè)典禮、60年校慶文藝晚會、丁肇中學(xué)術(shù)講座、MBA全國精英案例大賽、新年音樂會、國際文化節(jié)晚會等重要活動進行了網(wǎng)絡(luò)視頻直播,并通過學(xué)校兩校區(qū)的大屏幕顯示器進行播放,據(jù)不完全統(tǒng)計(僅統(tǒng)計電腦、移動終端在線觀看的次數(shù)),直播訪問量大約8000人次數(shù)左右,取得了很好的效果。

        基于校園網(wǎng)的視頻直播系統(tǒng)方案

        直播隊伍的組成

        直播隊伍主要分兩組人員,包括信號采集人員與網(wǎng)絡(luò)直播人員。

        信號采集人員主要負責音視頻的采集工作,包括攝像人員、導(dǎo)播人員、調(diào)音師。攝像人員視攝像機的數(shù)目而定,每個機位至少1人,攝像人員應(yīng)該熟悉攝像機的基本操作;調(diào)音師能熟練掌握常用音頻設(shè)備以及各種音頻設(shè)備的鏈接;導(dǎo)播人員要有較全面的業(yè)務(wù)素質(zhì)和敏捷的反應(yīng)能力,有一定的鏡頭藝術(shù)修養(yǎng)。

        網(wǎng)絡(luò)直播人員主要負責將采集到的音視頻信號轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)直播信號并播放出去,包括網(wǎng)絡(luò)配置人員,編碼器和直播服務(wù)器管理人員,播放網(wǎng)頁開發(fā)人員。網(wǎng)絡(luò)配置人員需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況對網(wǎng)絡(luò)進行配置,并對網(wǎng)絡(luò)負載均衡及智能解析設(shè)備有一定了解;編碼器和服務(wù)器管理人員需要對能熟練掌握編碼器的配置以及直播服務(wù)器的配置;網(wǎng)頁開發(fā)人員需要掌握網(wǎng)頁視頻播放組件開發(fā)技術(shù),以及響應(yīng)式開發(fā)技術(shù)以適應(yīng)不同的播放終端。直播系統(tǒng)組成

        圖1 直播系統(tǒng)組成

        直播系統(tǒng)的組成主要包括信號采集、編碼廣播、播放終端三個部分,如圖1所示。

        信號采集主要包括視頻信號和音頻信號的采集,通過導(dǎo)播臺,將最終可以輸出的音視頻信號輸出到視頻廣播部分;視頻廣播部分主要通過編碼器將原始信號編碼成適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母袷讲⑤敵鼋o直播服務(wù)器,代理服務(wù)器將直播服務(wù)器分發(fā)出的直播流進行代理,減少直播服務(wù)器的壓力;播放終端部分通過DNS智能解析設(shè)備將代理服務(wù)生成的直播地址進行智能DNS解析,將來自不同網(wǎng)絡(luò)運營商的請求轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的IP地址,減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時。

        視頻直播的具體實現(xiàn)

        在每次正式直播工作進行之前,相關(guān)技術(shù)人員和導(dǎo)播要先到現(xiàn)場勘察,根據(jù)現(xiàn)場直播的內(nèi)容和場地環(huán)境,確定好攝像機的機位、視頻導(dǎo)播切換臺的位置。然后技術(shù)人員才能進行現(xiàn)場直播技術(shù)準備工作。根據(jù)我們學(xué)校的已往經(jīng)驗,通常是由宣傳部相關(guān)專業(yè)人員負責攝像以及聲音信號采集,信息化辦公室負責網(wǎng)絡(luò)直播部分。信號采集

        根據(jù)節(jié)目的需要和場景的大小,確定攝像機的位置以及機位的個數(shù),為了使圖像的亮度、白平衡、飽和度等技術(shù)指標保持基本一致,應(yīng)選用同型號或同檔次的攝像機。音視頻信號都是通過各種電纜傳輸?shù)?,如視頻的SDI線,音頻的卡農(nóng)頭的線纜,因此視頻音頻電纜的好壞直接影響音視頻信號的質(zhì)量。應(yīng)選用屏蔽好、損耗小的視音頻電纜線。同時,在確定導(dǎo)播臺的位置時,應(yīng)把編碼器放在離導(dǎo)播臺較近的位置,因為電纜越長,信號的衰減越大。另外導(dǎo)播與攝像人員交流時,應(yīng)盡量使用有線的通訊模塊,避免無限設(shè)備信號對現(xiàn)場使用的無線麥克風的影響。視頻編碼和廣播

        經(jīng)過導(dǎo)播臺的特技處理和切換,最終輸出一路電視信號到視頻編碼服務(wù)器,應(yīng)根畫質(zhì)的要求和可能的用戶終端,選擇合理的編碼格式和碼率。對于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好,對圖像質(zhì)量要求高的情況下,如室外大屏幕或階梯教室大屏幕,分辨率可以選擇1920X1080i,MPEG-2格式,碼率可以在2Mbps~4Mbps。對與網(wǎng)絡(luò)情況不好,或圖像要求質(zhì)量不是很高的場合,如使用3G網(wǎng)絡(luò)的移動終端設(shè)備,可以選擇MPEG-4格式,分辨率選擇640X480,碼率在512Kbps~1Mbps之間。

        編碼器輸出的信號通過rtmp協(xié)議傳輸至直播服務(wù)器,根據(jù)對播放終端的考慮,直播服務(wù)器的直播點應(yīng)盡量選擇輸出能夠最大兼容輸出的格式。我們一般選擇使用rtmp協(xié)議輸出的flv格式的視頻流,可以基本兼容大部分終端設(shè)備。由于APPLE終端設(shè)備上支持的編碼格式為H.264編碼,因此需要編碼器輸出一路MPEG-2的TS流至直播服務(wù)器,直播服務(wù)器根據(jù)這些*.ts流文件生成.m3u8的索引文件,并通過http協(xié)議分發(fā)給Web服務(wù)器。視頻代理與智能解析

        由于視頻直播服務(wù)器在直播時一般都會有大量用戶觀看,因此服務(wù)器壓力會非常大。為了減少直播服務(wù)器的壓力,我們采用第三方代理設(shè)備,將視頻直播服務(wù)器的直播流進行復(fù)制,這樣用戶的請求首先會到代理設(shè)備上。這種第三方代理設(shè)備的并發(fā)一般都在十萬級左右,可以滿足絕大多數(shù)的直播任務(wù)需求。

        同時,目前許多高校都擁有多個網(wǎng)絡(luò)出口,在電信拆分后,這些運營商之間互訪時會出現(xiàn)速度瓶頸問題。因此,對于代理服務(wù)器輸出的直播流的訪問地址,先對其指定正向域名解析,在使用智能域名解析技術(shù),將來自不同網(wǎng)絡(luò)運營商的請求轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)出口,減少外網(wǎng)不同ISP用戶的訪問延遲。

        播放網(wǎng)頁開發(fā)

        由于當前智能設(shè)備的多樣性,一套網(wǎng)頁代碼已經(jīng)不能滿足日益增多的播放終端,為了實現(xiàn)更好的播放效果,應(yīng)當對播放網(wǎng)頁進行響應(yīng)式設(shè)計開發(fā),自適應(yīng)播放屏幕的大小。同時,對于無法兼容的直播流,也應(yīng)當智能進行選擇。

        網(wǎng)絡(luò)視頻直播系統(tǒng)涉及到到音視頻采集、視頻服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等諸多方面,只有認真準備,精心組織,所有參與人員通力合作,才能把這項工作做好。

        同時,本文沒有考慮到邊遠地區(qū)以及海外地區(qū)的訪問情況,針對這種情況可以使用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Delivery Network,CDN)解決。CDN服務(wù)可以將用戶請求的內(nèi)容保存在離用戶較近的地方,從而縮短了訪問延時,同時減輕網(wǎng)絡(luò)的負載流量。因此在后續(xù)的工作中,可以考慮采用CDN加速服務(wù)來保障較遠地理位置的視頻直播效果。

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