教育視頻云服務(wù)中實時視頻流接入技術(shù)探索*

任光杰 代 毅

(1 華南師范大學教育信息技術(shù)學院，廣東廣州 510631；2 廣東省珠海市教育局，廣東珠海 519000)

一、引言

互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)已經(jīng)成為一種備受關(guān)注的新興服務(wù)技術(shù)。當前，視頻內(nèi)容在整個網(wǎng)絡(luò)分發(fā)傳輸中占絕對主導的地位，并使得數(shù)據(jù)量大大提升。愛立信預(yù)計到2019年，視頻流量將增加13 倍，屆時，它將占全球移動流量的50%以上[1]。如此大規(guī)模的視頻流量，不但反映了全球的互聯(lián)網(wǎng)用戶對于網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)的需求，同時指明了互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)的發(fā)展方向是視頻云服務(wù)。視頻云服務(wù)可以很好解決存儲資源擴充成本問題，降低部署與運維的成本，同時又能更加有效利用鏈路帶寬，滿足個人計算機以及其他移動終端的視頻服務(wù)需求。視頻云服務(wù)是一種基于云計算架構(gòu)的SaaS（Software-as-aservice，軟件運營服務(wù)模式）產(chǎn)品。它代表著一類集中了存儲、管理、播放以及流量統(tǒng)計等功能于一體的互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)[2]。目前，視頻云服務(wù)主要融合了視頻并行分布處理技術(shù)、大規(guī)模分布存儲技術(shù)、分發(fā)技術(shù)、碼流自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)等，從而可提供用戶在不同場景跨平臺、不中斷地觀看視頻[3]。

當前在教育信息化領(lǐng)域，開放共享與深度應(yīng)用成為教育視頻資源建設(shè)與應(yīng)用新趨勢。精品課程錄播系統(tǒng)是隨著精品課程的建設(shè)而發(fā)展起來的系統(tǒng)，它極大地方便了教學錄像的制作。但因建設(shè)成本高，缺乏應(yīng)用驅(qū)動導致使用率低等原因，也使它成了眾人眼中“昂貴的擺設(shè)”，遭受質(zhì)疑。以云平臺匯聚資源與服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，為更好發(fā)揮已有設(shè)備的效益，支持廣域范圍內(nèi)的開放和共享提供了技術(shù)解決方案。

二、粵教云視通簡介

粵教云視通基于云端環(huán)境大規(guī)模流媒體交互和時移流媒體等關(guān)鍵技術(shù)，為教育視頻應(yīng)用面臨的大用戶并發(fā)密集訪問、分布式特征明顯視頻資源海量增長和應(yīng)用，新興交互式應(yīng)用等重大應(yīng)用需求提供技術(shù)解決方案。

基于面向大視頻應(yīng)用的云編/轉(zhuǎn)碼、云分發(fā)和云存儲技術(shù)，粵教云視通支持多終端多模式接入，實現(xiàn)對教學、教研直播設(shè)備/環(huán)境的集成與整合，提供大規(guī)模流媒體直播、點播和實時交互服務(wù)，構(gòu)建起支撐實時互動的直播課堂、在線培訓、協(xié)作教研等應(yīng)用的服務(wù)平臺。為我們探索云服務(wù)支持下的教師培訓創(chuàng)新模式，促進優(yōu)質(zhì)教育資源共享和教育均衡發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

如圖1 所示，粵教云視通系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能如下：

（1）對錄播系統(tǒng)等教學、教研直播設(shè)備/環(huán)境實時視頻流的接入?yún)R聚。

（2）以實時碼流或視頻文件傳輸?shù)姆绞?，實現(xiàn)對第三方平臺服務(wù)的集成整合。包括廣東省教育視頻網(wǎng)、珠海教育視頻資源平臺、區(qū)域級視頻教育平臺和教育視頻庫等。

（3）流媒體服務(wù)：流媒體視頻的云編碼、直播、虛擬直播、時移、點播、切片、交互協(xié)作等服務(wù)，提供自適應(yīng)碼流的多終端云分發(fā)。

（4）教育視頻高效能分布式云存儲與內(nèi)容管理。

（5）以視頻為核心的教育應(yīng)用的活動管理。

圖1 粵教云視通體系結(jié)構(gòu)圖

基于上述功能，粵教云視通體系能夠支撐直播課堂、專遞課堂、名師名校課堂、網(wǎng)絡(luò)協(xié)作教研等應(yīng)用。

三、實時視頻流接入的技術(shù)實現(xiàn)探索

1.粵教云視通直播服務(wù)器接入的技術(shù)要點

粵教云視通直播服務(wù)器支持多種形式輸入源，并且能夠為多種主流終端平臺提供相應(yīng)的直播流服務(wù)。具體來說，可以支持UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議拉流、RTSP（Real Time Streaming Protocol）協(xié)議拉流、RTMP（Real Time Messaging Protocol）拉流、RTMP 推流等主流的輸入方式。支持RTMP、HTTP-FLV、M3U8、RTSP 四種輸出方式，支持h.264+aac|mp3 編碼格式的視音頻流。直播服務(wù)器可以支持分布式部署，具有靈活的技術(shù)架構(gòu)。

對錄播系統(tǒng)等教學、教研直播設(shè)備（環(huán)境）實時視頻流的接入?yún)R聚就是將直播流作為輸入源添加到粵教云視通的直播服務(wù)器中進行鏈接、管理和應(yīng)用。實時視頻流的接入主要采用拉流（Pull）和推流（Push）兩種接入模式。

拉流的模式需要獲取到視頻源直播流采用的傳輸協(xié)議、主機（直播服務(wù)器）IP 地址、應(yīng)用名和流ID。例如，RTSP：//202.116.39.42：554/stream/yhblsqt。其 中“stream”為應(yīng)用名，一般由設(shè)備（系統(tǒng)）自定義，不同的設(shè)備（系統(tǒng)）會有不同的應(yīng)用名。例子中的“yhblsqt”是流ID，用來標記該直播流。命名方式也會因設(shè)備不同而不同。每啟動一個直播，就會產(chǎn)生一個標記這路直播的流ID。由此也可以看出，采用拉流模式，需要直播服務(wù)器能訪問到錄播主機的IP 地址，并獲取應(yīng)用名和流ID。

推流模式的接入機制與拉流正相反。先通過粵教云視通直播服務(wù)器生成一個直播鏈接。例如RTMP：//202.116.39.43：1935/livestream/54dyqwkk。讓錄播系統(tǒng)的視頻源通過直播編碼器推送到這個地址。這就需要解決如何將錄播系統(tǒng)的視頻發(fā)送到視頻編碼器的問題。

2.技術(shù)實現(xiàn)探索

由于許多地區(qū)教育信息化建設(shè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和整體部署，采取的是學校分散建設(shè)方式，形成了不同型號、不同平臺的錄播系統(tǒng)設(shè)備并存的局面。需要面對種類繁多、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異、技術(shù)實現(xiàn)方式不同、功能差異化明顯、部署方式多樣等較復雜的局面，這給實現(xiàn)大規(guī)模的接入?yún)R聚帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。

針對這一問題，筆者進行了系統(tǒng)的調(diào)研，對當前珠海市中小學裝備的幾十套錄播系統(tǒng)和正在進行建設(shè)錄播課室采用的設(shè)備及相應(yīng)的管理平臺進行歸類分析。采用下列具體技術(shù)方法，順利完成了接入?yún)R聚。

（1）采用RTMP推流的方式，實現(xiàn)對于一些早期部署、以封閉式直播服務(wù)為特征的錄播系統(tǒng)的接入?yún)R聚。

這一類錄播系統(tǒng)的主機將視頻信號、VGA 信號、音頻信號進行整合錄制，并且本身就是一個媒體服務(wù)器，對外提供直播和點播服務(wù)。用戶是通過直接訪問這一主機的方式收看直播和進行點播。一般采用私有協(xié)議進行傳輸和使用專用播放器（客戶端軟件）觀看。也有通過錄播管理平臺，啟動本地播放器（例如，Windows Media Player 等）來收看直播視頻。

接入的技術(shù)實現(xiàn)方式：在錄播系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)PC 機上，通過 VLC media player[4]或windows meida player 播放其直播視頻。將該視頻作為一個外部視頻源，用虛擬攝像頭軟件（例如，e2eSoft vcam），將直播視頻虛擬成一個攝像頭設(shè)備提供的視頻信號。在直播編碼器（例如，Adobe Flash Media Live Encoder）中Device 選為該虛擬攝像頭。

將云視通直播服務(wù)器中生成的RTMP 推流地址，rtmp：//IP：1935/livestream 填入FMS URL；將流ID 填入Stream，進行連接（connect）。啟動就可以連接到播控系統(tǒng)的直播服務(wù)器中。

在這一實現(xiàn)方式中，虛擬攝像頭軟件就是一塊虛擬的視頻采集卡。其作用就是將錄播系統(tǒng)直播的視頻，通過“屏幕捕獲”或“外部視頻源”等方式采集，然后顯示出來。前者適用于私有播放器嵌入網(wǎng)頁的情景，后者適用于可以通用媒體播放器播放的情況。Adobe Flash Media Live Encoder 的作用就是，將這一虛擬設(shè)備采集到的視頻信號，以RTMP 流的方式提供出去。

優(yōu)點：①可以作為面對不同品牌、新舊型號錄播系統(tǒng)導致流協(xié)議等復雜情況對接的權(quán)宜之計。②降低網(wǎng)絡(luò)配置管理的復雜性。這種外推策略不需要給錄播主機配置公網(wǎng)地址或進行端口映射，通過推流方式出來。③豐富粵教云視通可接入直播源，從而在不同的應(yīng)用場景中發(fā)揮更大的作用。例如可適用于個人電腦（筆記本）+攝像頭等非錄播系統(tǒng)作為直播接入源，在遠程專家點評等活動中應(yīng)用。

缺點：①需配置一臺較高性能的PC 作為轉(zhuǎn)碼用。②需要進行軟件安裝設(shè)置，流程稍顯復雜。另外，e2eSoft VCAM 等虛擬攝像頭軟件為共享軟件，可以使用一段時間。但如果你要使用功能齊全，沒有任何限制，就必須購買注冊。③整個過程需要人工參與，不容易實現(xiàn)自動化。

（2）以拉流方式與目前主流錄播系統(tǒng)實現(xiàn)對接

目前，主流的錄播系統(tǒng)都包括控流媒體服務(wù)模塊。一般來說，該模塊基于服務(wù)器端的流媒體服務(wù)平臺，集教學視頻的點播、錄播資源點播、錄播教室現(xiàn)場直播等功能。在管理平臺中，啟動直播就可以有直播流送出。并且，越來越多的系統(tǒng)都支持RTSP 等開放的流媒體傳輸協(xié)議。采用拉流的模式，實現(xiàn)該類系統(tǒng)的接入要解決云視通直播服務(wù)器能找到流的問題?？梢赞D(zhuǎn)化為兩個技術(shù)問題，①粵教云視通直播服務(wù)器能在網(wǎng)上訪問到錄播主機；②要知道不同品牌型號錄播系統(tǒng)直播的端口、應(yīng)用名和流ID 的生成方式的問題。

技術(shù)實現(xiàn)方式：對于問題（1）可以為直播主機配置公網(wǎng)地址，除了會帶來大量的安全問題之外，同時也受到教育城域網(wǎng)IP 資源的限制。從長遠發(fā)展來看，這種方式不能作為常用的處理手段。也可采用端口映射方式，將錄播主機的校園內(nèi)網(wǎng)IP轉(zhuǎn)換為外部能訪問的方式。對于問題（2）向不同廠家了解錄播設(shè)備（系統(tǒng)）流動生成規(guī)則和獲取方法。采用手動生成添加，最好能讓廠家提供相應(yīng)的API 或 SDK，以系統(tǒng)對接的方式接入云視通系統(tǒng)，以實現(xiàn)多種前端設(shè)備統(tǒng)一接入，供本平臺內(nèi)其他模塊統(tǒng)一調(diào)用。

優(yōu)點：采用直連的方式，穩(wěn)定性比較好。能利用錄播系統(tǒng)管理平臺和導播平臺的一些功能，可以輸出單流單畫面、全景式單流多畫面、多流多畫面等輸出形式。通過API，實現(xiàn)對錄播系統(tǒng)進行遠程導播等相應(yīng)控制，提高自動化管理的程度。

缺點：部署前期，要做大量的網(wǎng)絡(luò)配置和鏈接設(shè)置的工作，需要學校、區(qū)縣、地市等多級系統(tǒng)管理人員協(xié)作完成。在規(guī)?；瘧?yīng)用的情景下，工作量較大。

（3）與區(qū)域集中控制管理的錄播系統(tǒng)群平臺級對接

隨著錄播系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)的發(fā)展以及成本的降低，許多地區(qū)可以做批量化購置部署的嘗試。相應(yīng)地，許多錄播系統(tǒng)廠商，也給出了自己的區(qū)域集中管理錄播系統(tǒng)平臺的技術(shù)解決方案。技術(shù)方案的基本要點，將錄播平臺軟件部署在學校（區(qū)域）中心機房服務(wù)器上，負責協(xié)同調(diào)度分布式的硬件系統(tǒng)，并提供Web 服務(wù)，處理網(wǎng)絡(luò)用戶的大規(guī)模直播、點播以及錄制需求。分布式的硬件系統(tǒng)，可以是連接攝像機的視頻信號、云臺控制信號和現(xiàn)場拾音器的音頻信號的錄播主機，也可以只部署一個編碼器。錄播主機或編碼器再通過IP 網(wǎng)絡(luò)將音視頻流直接推送到錄播平臺以供網(wǎng)絡(luò)直播或點播。

技術(shù)實現(xiàn)方式：將粵教云視通的接入?yún)R聚管理與區(qū)域集中管理錄播系統(tǒng)平臺進行平臺級的對接。利用云視通平臺提供的API 接口。錄播系統(tǒng)提供商定義和實現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用接口，實現(xiàn)對接。這樣云視通平臺能對該平臺集中管理系統(tǒng)進行批量的接入管理，實現(xiàn)資源共享和管理功能的共享。目前，粵教云平臺已經(jīng)實現(xiàn)了與幾家主流廠商的平臺的對接。

優(yōu)點：共享對設(shè)備和資源的管理功能，不再需要云視通平臺直連錄播主機，實現(xiàn)自動化批量管理。并以此為基礎(chǔ)，支撐資源的自動匯聚，各種類型直播活動的管理。有利于形成全局統(tǒng)籌、區(qū)域自治、上下對接的融合開放的服務(wù)體系，代表了將來的主流方向。

缺點：需要設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的API 接口，有一定的工作量。

四、結(jié)束語

本研究的技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)在系統(tǒng)的集成創(chuàng)新。面向不同技術(shù)路線和傳輸協(xié)議的錄播系統(tǒng)和平臺，通過轉(zhuǎn)換成開放協(xié)議的方法實現(xiàn)一致性接入。以此為基礎(chǔ)，在粵教云視通平臺上可實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻交互的虛擬空間與錄播課室等直播環(huán)境的物理空間的融合應(yīng)用。可以為直播課堂觀摩與在線視頻協(xié)作教研等活動的整合提供技術(shù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。

基于粵教云視通服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)，采用開放的RTSP、RTMP 等流媒體協(xié)議，輔之以相應(yīng)的工具軟件或SDK，以拉流或推流的方式實現(xiàn)了多種錄播系統(tǒng)、已有平臺的統(tǒng)一接入。有效地支撐了粵教云珠海試驗區(qū)規(guī)模化部署，為今后粵教云試驗區(qū)大規(guī)模部署提供了技術(shù)解決方案。同時對于面臨同樣業(yè)務(wù)需求的相關(guān)平臺建設(shè)亦有借鑒意義。這些研究成果對于更好發(fā)揮已有設(shè)備的效益，實現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，支持廣域范圍內(nèi)的開放和共享具有重要的意義。在這一過程中，筆者也深刻地認識到，云計算技術(shù)在教育信息化領(lǐng)域中的應(yīng)用，將會帶來建設(shè)模式、服務(wù)模式和應(yīng)用模式的變革。將來錄播系統(tǒng)（平臺）的產(chǎn)品形態(tài)和技術(shù)方案也應(yīng)該在新的應(yīng)用模式的驅(qū)動下，進行技術(shù)創(chuàng)新，向協(xié)議開放化、輕型化、智能化和“云化”方向發(fā)展。

[1]愛立信：2013-2019年中國移動數(shù)據(jù)總流量將增長15倍http://www.199it.com/archives/241647.html.

[2]徐 飛.視頻云服務(wù)測試技術(shù)研究.電子科技大學

[3]王亞軍.企業(yè)級視頻應(yīng)用技術(shù)分析.現(xiàn)代電信科技,2014,(04-4):69-76.