SVC+SFU融合的云視訊技術(shù)研究與方案應(yīng)用

潘士勇

摘 要：本文從視訊技術(shù)的發(fā)展出發(fā)，歷經(jīng)了以MCU架構(gòu)為代表的早期視訊技術(shù)，到以SVC+SFU融合架構(gòu)為代表的新型云視訊技術(shù)，并詳細(xì)解析了SVC和SFU的技術(shù)細(xì)節(jié)，最后綜合技術(shù)架構(gòu)優(yōu)勢，在當(dāng)前政策熱點(diǎn)線上遠(yuǎn)程教學(xué)場景中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：SVC;SFU;云視訊;在線教學(xué)

1 技術(shù)背景

在當(dāng)前疫情下，我們看到云視訊技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用到遠(yuǎn)程辦公，遠(yuǎn)程教育，遠(yuǎn)程醫(yī)療等場景。而視頻會議技術(shù)在這幾年的發(fā)展中，經(jīng)歷了比較大的變革，即從硬件MCU架構(gòu)，發(fā)展成當(dāng)前主流的云視訊技術(shù)方案。

在傳統(tǒng)的視訊技術(shù)時代，整體以硬件MCU架構(gòu)[1]為主，主體采用H.264 AVC單層編碼，結(jié)合H323/SIP協(xié)議[4]實(shí)現(xiàn)多方通訊。MCU架構(gòu)出現(xiàn)的相關(guān)長時間內(nèi)，在硬件視頻會議中應(yīng)用非常廣泛，但是整體需要購買一套硬件MCU設(shè)備加視頻會議硬件終端，擁有成本高。

MCU架構(gòu)下，服務(wù)端需要對接收到的多路視頻進(jìn)行全編全解，存在很大的性能瓶頸，對于網(wǎng)絡(luò)鏈路，通常需要專線來支撐，無法得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及音視頻技術(shù)的成熟，帶來了視訊行業(yè)的變革，從傳統(tǒng)MCU向云視訊[2]進(jìn)行跨越。下面將針對云視訊的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行細(xì)化的解析及方案應(yīng)用說明。

2 技術(shù)解析

（1）SFU（全稱Selective Forwarding Unit，選擇性轉(zhuǎn)發(fā)單元），是一種通過服務(wù)器來路由和轉(zhuǎn)發(fā)音視頻流的技術(shù)。SFU形如一個媒體流路由器，接收終端的音視頻流，按需轉(zhuǎn)發(fā)給其他終端，SFU的拓?fù)浜凸δ苣Ｐ腿缦聢D1所示：

如上圖1所示，4個終端分別為A1～A4，它們之間要互相進(jìn)行視頻通話，只需要將自己本地的一路流向服務(wù)器推送，然后按需訂閱自己所關(guān)注的其他終端的視頻流，如A1/A4關(guān)心其他3個終端的視頻流，則將其他3方的視頻流全部訂閱并拉到本地進(jìn)行解碼合成處理，而A2只關(guān)心A1的視頻流，則只需要訂閱A1這一路流即可，實(shí)現(xiàn)按需訂閱，整體框架上更加靈活。SFU轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器全程不需要對視頻流進(jìn)行編解碼，只是選擇性轉(zhuǎn)發(fā)，整體負(fù)載也較輕，更加容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

（2）SVC（全稱Scalable Video Coding，可適性視頻編碼）在H.264基礎(chǔ)上擴(kuò)展了語法和工具集，支持具有分級特性的碼流。通過SVC機(jī)制編碼產(chǎn)生的碼流包含一個或多個可以單獨(dú)解碼的子碼流，各子碼流具有不同的碼率，幀率和空間分辨率。在終端能力、系統(tǒng)資源、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事先不可知的情形下，可以更好地發(fā)布視頻流，實(shí)現(xiàn)在滿足碼流具有靈活可伸縮性的同時，也保證高的編碼效率。

（3）以SVC+SFU融合架構(gòu)為代表的新型視訊技術(shù)。終端采用SVC編出多層視頻流，服務(wù)器利用SFU轉(zhuǎn)發(fā)替代傳統(tǒng)MCU二次編解碼方法。從而實(shí)現(xiàn)在弱網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下利用時域可分級，拋棄部分時域級實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。一方面弱化對中心節(jié)點(diǎn)的要求，一方面弱化對網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)依賴，從而推動了云視訊的廣泛應(yīng)用。

SVC+SFU融合技術(shù)模型如下圖所示，發(fā)送PC共享的是一路視頻流，按SVC規(guī)則編碼為三層發(fā)送給SFU轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，SFU根據(jù)接收端的情況，發(fā)現(xiàn)接收PC網(wǎng)絡(luò)狀況不錯，于是將0、1、2三層都發(fā)給接收PC;發(fā)現(xiàn)接收Pad網(wǎng)絡(luò)不好，則只將0層發(fā)給接收Pad;發(fā)現(xiàn)接收Phone網(wǎng)絡(luò)較好，但性能一般，則將0、1層發(fā)給接收Phone。通過SVC+SFU相融合的技術(shù)方案，從而實(shí)現(xiàn)可以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和終端類型。

3 架構(gòu)優(yōu)勢

采用先進(jìn)的SVC分層編解碼+SFU選擇性轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量且流暢的音視頻互動方案：

（1）終端采用先進(jìn)的SVC柔性分層編碼技術(shù)，以及優(yōu)異的抗丟包能力，自動適應(yīng)學(xué)校多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。支持N方清晰、流暢、實(shí)時的音視頻互動，在55%丟包的情況下聲音能聽清，在35%丟包的情況下視頻依然流暢。

（2）服務(wù)端采用SFU選擇性轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，只對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密、解碼，數(shù)據(jù)只在發(fā)送端和接收端解密和解碼。既保障數(shù)據(jù)傳輸過程中的保密性，同時也可以減輕云端的處理瓶頸，減少遠(yuǎn)程雙方的延時，最好的情況下，延時小于300ms。

4 案例應(yīng)用

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的資源都往城鎮(zhèn)聚集，在教育這塊體現(xiàn)得尤為明顯。而在邊遠(yuǎn)山區(qū)，村小教學(xué)點(diǎn)，師資缺乏，有一些課程開不全，存在較嚴(yán)重的教育不均衡問題。國家為了解決城鎮(zhèn)學(xué)校與偏遠(yuǎn)薄弱校的教育資源均衡問題，推出了新一輪的扶持政策，主要包括：新一輪薄改政策、“三個課堂”應(yīng)用指導(dǎo)意見[5]等。在此政策場景下，主要建設(shè)訴求包括如下幾點(diǎn)：

4.1 覆蓋多個應(yīng)用場景

整體方案應(yīng)能滿足課中實(shí)時音視頻互動教學(xué)的基本要求，通過部署在學(xué)校或教學(xué)點(diǎn)的設(shè)備，以及部署在教育局的平臺，解決偏遠(yuǎn)薄弱地區(qū)缺師少教問題，通過網(wǎng)絡(luò)研修支持網(wǎng)絡(luò)教研新形態(tài)，支持跨區(qū)域共享，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源均衡。

4.2 音視頻清晰穩(wěn)定

針對網(wǎng)上專門開課或同步上課，需要適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在教育城域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)接入場景中，都需要降低網(wǎng)絡(luò)丟包、抖動和時延等現(xiàn)象對教學(xué)互動帶來的影響，避免卡頓，實(shí)現(xiàn)流暢清晰的音視頻傳輸效果。

4.3 更好的線上互動

應(yīng)充分考慮學(xué)生居家通過BYOD設(shè)備接入?yún)⑴c互動學(xué)習(xí)的新模式，滿足老師和大多數(shù)學(xué)生在教室線下教學(xué)+部分學(xué)生線上學(xué)習(xí)的需求。

針對上述應(yīng)用場景與建設(shè)訴求，本文設(shè)計了一種基于云視訊技術(shù)的整體架構(gòu)，整體方案示意圖如下圖3：

4.3.1 如圖3所示，整體解決方案中，包括如下幾個關(guān)鍵組成

（1）區(qū)縣管理中心：部署教學(xué)服務(wù)業(yè)務(wù)平臺、云視訊服務(wù)平臺。其中：教學(xué)服務(wù)業(yè)務(wù)平臺推薦部署在電教館的數(shù)據(jù)中心，提供點(diǎn)播直播、巡課督導(dǎo)、課程管理等服務(wù);云視訊平臺部署在公有云上面，滿足專遞課堂場景中的一拖多的實(shí)時互動，同時方便提供BYOD設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)接入。

（2）主講教室（授課教室）/聽課教室：部署配套的硬件設(shè)備，包括音頻處理設(shè)備、視頻采集設(shè)備、側(cè)屏電視。在老師授課電腦上安裝互動教學(xué)軟件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的畫面控制、音頻控制及相關(guān)的教學(xué)工具功能。

4.3.2 整體采用云視訊部署架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)易擴(kuò)容，輕管理的效果

（1）區(qū)縣統(tǒng)一的教學(xué)服務(wù)業(yè)務(wù)平臺，采用容器技術(shù)，運(yùn)行在虛擬機(jī)上面，安裝方便，并且容易進(jìn)行擴(kuò)容與遷移。

（2）采用SVC+SFU融合的云視訊技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多個教室之間的實(shí)時互動教學(xué)，免去視頻會議服務(wù)器的部署和維護(hù)，并通過云端集群部署，實(shí)現(xiàn)音視頻流量的負(fù)載均衡、服務(wù)異地多活備份，比傳統(tǒng)硬件MCU方案，可以減少30%的擁有成本。

5 結(jié)語

縱觀上文，對視頻會議的核心技術(shù)進(jìn)行分析，并綜合選擇了一種SVC+SFU融合的技術(shù)方案，應(yīng)用于當(dāng)前政策熱點(diǎn)場景專遞課堂建設(shè)方案中，主體采用云視訊架構(gòu)，云化部署與服務(wù)，可以更好地適應(yīng)后續(xù)的可擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣林濤.視訊技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].數(shù)據(jù)通信，2004，（2）：22-26.

[2]曹春江.融合云視訊系統(tǒng)技術(shù)方案研究和應(yīng)用[J]，技術(shù)研究，2018，（9）：10-12.

[3]唐洪飛.基于IMS的云視訊平臺方案應(yīng)用研究[J]，郵電設(shè)計技術(shù)，2016，（4）：48-59.

[4]高威，劉洋，李秋明.基于SIP協(xié)議的多業(yè)務(wù)融合視頻會議系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2011，（4）：56-57.

[5]中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于加強(qiáng)“三個課堂”應(yīng)用的指導(dǎo)意見http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/202003/t20200316_431659.html，2020-03-03.