基于RTMP協(xié)議的電視直播信號(hào)傳輸方法與應(yīng)用

黎 梅

廣西廣播電視臺(tái) 廣西 南寧市 530022

1 互聯(lián)網(wǎng)傳輸電視現(xiàn)場直播信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)與可行性

在數(shù)字電視時(shí)代，傳輸電視現(xiàn)場直播信號(hào)時(shí)無論采用何種傳輸技術(shù)，首先要將直播信號(hào)的視音頻內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字化編碼，之后通過不同信道傳輸，在接收端重新解碼視音頻數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為電視信號(hào)，采用衛(wèi)星、光纖、微波等傳統(tǒng)傳輸技術(shù)與采用互聯(lián)網(wǎng)傳輸最大區(qū)別僅是傳輸鏈路、協(xié)議不同。

傳統(tǒng)電視信號(hào)的傳輸技術(shù)各有缺點(diǎn)，如衛(wèi)星傳輸價(jià)格較高，光纖傳輸要求在指定地點(diǎn)，微波傳輸對(duì)直線距離有一定要求和限制?；ヂ?lián)網(wǎng)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)多，成本低，傳輸距離遠(yuǎn)，在網(wǎng)絡(luò)帶寬允許情況下可以承擔(dān)傳輸任務(wù)。

通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸電視信號(hào)的缺點(diǎn)在于其采用的不是專用網(wǎng)絡(luò)，存在網(wǎng)絡(luò)帶寬不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)時(shí)延不確定等問題，因此一直沒有廣泛應(yīng)用。隨著電信技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)傳輸速率越來越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)2022 年，中國固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入速率在100M 和1000M 之間占比為78.4%，1000M以上占比為15.6%，20M 和100M 之間占比為4.8%，20M 以下為1.2%。高帶寬使得通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸電視信號(hào)成為可能，這一點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)視頻直播領(lǐng)域得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

2 常用網(wǎng)絡(luò)視頻直播協(xié)議

互聯(lián)網(wǎng)常用的網(wǎng)絡(luò)視頻直播協(xié)議主要有RTMP、RTSP、HTTP 等，分別基于TCP 或UDP協(xié)議工作。

2.1 RTMP 協(xié)議

RTMP 協(xié)議基于TCP，設(shè)計(jì)用于進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要在支持RTMP 協(xié)議流媒體/交互服務(wù)器之間進(jìn)行音視頻和數(shù)據(jù)通信。

2.2 RTSP 協(xié)議

RTSP 是多媒體播放控制協(xié)議，用來控制多媒體串流暫停/繼續(xù)、后退、前進(jìn)。RTSP 在體系結(jié)構(gòu)上位于RTP 和RTCP 之上，使用TCP 或UDP 完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 HTTP 協(xié)議

在視頻直播/點(diǎn)播時(shí)，將多媒體流數(shù)據(jù)切片封裝到HTTP 協(xié)議中進(jìn)行發(fā)布。

表1 針對(duì)這三種協(xié)議進(jìn)行比較，重點(diǎn)在于丟包和延時(shí)方面。如表1 所列，RTSP 協(xié)議直播延時(shí)最低，得益于其在傳輸多媒體流數(shù)據(jù)時(shí)采用丟包不重傳的UDP 協(xié)議，但是也容易因丟包而造成解碼錯(cuò)誤，使視頻畫面出現(xiàn)花屏、馬賽克之類現(xiàn)象。

RTMP、HTTP 協(xié)議是基于TCP 協(xié)議，采用丟包重傳機(jī)制，可以保證IP 數(shù)據(jù)包可靠傳輸，由于RTMP 協(xié)議比HTTP 協(xié)議延時(shí)低，相比較之下RTMP 協(xié)議更適合用于電視現(xiàn)場直播信號(hào)傳輸。

3 RTMP 網(wǎng)絡(luò)直播系統(tǒng)架構(gòu)和工作模式

RTMP協(xié)議是Adboe公司私有協(xié)議，傳輸flv、f4v格式流，視頻編碼為H.264，音頻編碼為AAC。

RTMP 協(xié)議應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻直播時(shí)有兩種工作模式，一種稱為“推流”，指將編碼后的視音頻流傳輸?shù)絉TMP 服務(wù)器，另一種稱為“拉流”，指客戶端從RTMP 服務(wù)器獲取其緩存的視音頻流。一般的網(wǎng)絡(luò)視頻直播系統(tǒng)由圖1所示的這三個(gè)部分組成。

圖1 RTMP 直播結(jié)構(gòu)

3.1 RTMP 推送端

RTMP 推送端將視音頻信號(hào)按flv、f4v 的格式要求進(jìn)行編碼、封裝后，將這些多媒體流數(shù)據(jù)重新分片發(fā)送到RTMP服務(wù)器。

3.2 RTMP 服務(wù)器

RTMP 服務(wù)器將收到的流數(shù)據(jù)暫存在本機(jī)內(nèi)存或磁盤中，并提供RTMP 轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，將流數(shù)據(jù)發(fā)送給已連接的RTMP 接收端。

3.3 RTMP 接收端

RTMP 接收端根據(jù)指定地址與RTMP 服務(wù)器建立連接，從RTMP 服務(wù)器上取得所需要的多媒體流數(shù)據(jù)。

RTMP 協(xié)議雖然可以在支持TCP/IP 協(xié)議的衛(wèi)星、光纖鏈路上傳輸流數(shù)據(jù)，但相比于傳統(tǒng)電視信號(hào)傳輸技術(shù)并沒有優(yōu)勢，其主要應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)傳輸多媒體流。

4 電視現(xiàn)場直播信號(hào)RTMP 收發(fā)設(shè)備及應(yīng)用

圖1 是RTMP 網(wǎng)絡(luò)視頻直播的應(yīng)用架構(gòu)，在用于傳輸電視現(xiàn)場直播信號(hào)時(shí)，需要在原基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，增加電視行業(yè)專業(yè)設(shè)備，如圖2所示。

圖2 廣播電視行業(yè)RTMP 協(xié)議應(yīng)用

4.1 RTMP 推送端設(shè)備

RTMP 推送端設(shè)備由視音頻采集/輸出設(shè)備和視頻編碼器組成，前者主要是電視行業(yè)常用的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、錄像機(jī)等設(shè)備，其作用是將電視信號(hào)通過SDI 接口輸出；視頻編碼器則對(duì)輸入SDI 信號(hào)進(jìn)行編碼，并按RTMP 協(xié)議將視音頻流推送到指定RTMP 服務(wù)器。

市售SDI 視頻編碼器價(jià)格從1 千多元至數(shù)萬元不等，但功能相差不大，價(jià)格差別主要體現(xiàn)在編碼質(zhì)量、性能及穩(wěn)定性等方面。由于RTMP 推送端多數(shù)用于將外場直播信號(hào)回傳到臺(tái)內(nèi)，考慮到外場環(huán)境下可能無法提供固定電源和寬帶，因此有一些專為這種環(huán)境下使用的移動(dòng)SDI 視頻編碼器，其自帶充電電池，并可以通過Wi-Fi 或內(nèi)置3G/4G 電話卡上網(wǎng)，完成RTMP 協(xié)議推流。

視頻編碼器配置主要分為以下4 個(gè)部分：

（1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：配置編碼器IP 地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、DNS 等常用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

（2）視頻參數(shù)設(shè)置：配置視頻編碼方式如H.264、H.265，及碼率、幀頻、關(guān)鍵幀間隔、視頻尺寸等參數(shù)。

（3）音頻參數(shù)設(shè)置：配置音頻編碼如AAC、MP3，及音頻采樣率、通道、碼率等參數(shù)。

（4）RTMP 參數(shù)配置：配置RTMP 服務(wù)的IP 地址（或域名） 及上傳端口號(hào)（一般為1935），另外就是上傳至RTMP服務(wù)器的目錄名稱以及上傳節(jié)點(diǎn)（流名稱），這幾個(gè)參數(shù)缺一不可。

一個(gè)RTMP 流的連接串由RTMP 參數(shù)配置項(xiàng)的信息組成，包括協(xié)議名稱、IP 地址（或域名）、端口號(hào)、上傳目錄名稱、上傳節(jié)點(diǎn)（流名稱）五部分組成，例如：RTMP：//172.16.66.21：1935/live/stream001。

RTMP 服務(wù)器不對(duì)接收到的流數(shù)據(jù)重新進(jìn)行編碼，而僅作緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，因此編碼器視音頻參數(shù)決定最終電視信號(hào)質(zhì)量。由于傳輸電視信號(hào)時(shí)視頻數(shù)據(jù)占比較高，重點(diǎn)在于根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)置視頻碼率，當(dāng)視頻采用H.264 編碼時(shí)，傳輸1080i 高清電視信號(hào)碼率設(shè)為5Mbps 以上，標(biāo)清電視信號(hào)碼率設(shè)為2Mbps 以上，符合電視播出要求。

4.2 RTMP 服務(wù)器及軟件

RTMP 服務(wù)器主要由服務(wù)器硬件、操作系統(tǒng)、RTMP 流媒體服務(wù)器軟件組成，其核心是RTMP 流媒體服務(wù)器軟件，主要分為付費(fèi)商業(yè)軟件和免費(fèi)開源軟件兩類。

付費(fèi)軟件代表是FMS（Adobe Flash Media Server，Adobe公司的流媒體服務(wù)軟件）優(yōu)點(diǎn)除穩(wěn)定性、兼容性好之外，對(duì)于推送給FMS 的RTMP 流，接收端可以使用HLS 協(xié)議連接。

在免費(fèi)RTMP 服務(wù)軟件中，Red5（Red5 Mesia Server，Red5流媒體服務(wù)軟件）是當(dāng)前應(yīng)用較多的一個(gè)，完全兼容FMS 的RTMP 協(xié)議。用Red5 替換FMS后，推送端、接收端的RTMP 連接參數(shù)基本不用修改就可以使用。Red5 的性能和穩(wěn)定性相比FMS 稍差，且不支持HLS 協(xié)議。

此外還有Wowza、 CRTMPD、Nginx-RTMP、SRS 等付費(fèi)或免費(fèi)流媒體服務(wù)軟件支持RTMP 協(xié)議，因此RTMP 服務(wù)軟件可選范圍很廣。除了自行購買軟硬件建立自己的RTMP 服務(wù)器外，還可以利用第三方的云視頻服務(wù)如阿里云、騰訊云、網(wǎng)易視頻云、樂視云等平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)RTMP 協(xié)議推流和拉流，從而發(fā)揮云平臺(tái)并發(fā)能力和高帶寬優(yōu)勢。

4.3 RTMP 接收端設(shè)備

對(duì)于一般的網(wǎng)絡(luò)視頻直播，接收端只需在個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)上通過影音軟件播放RTMP 流，當(dāng)用于電視信號(hào)傳輸時(shí)，需要增加將RTMP 流轉(zhuǎn)換為SDI 信號(hào)環(huán)節(jié)。

低成本方法是通過電腦播放器+截屏轉(zhuǎn)換輸出方式，即用影音軟件播放RTMP 流，將電腦顯卡輸出的VGA、DVI、HDMI等信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為SDI信號(hào)，圖3 是通過北京東方艾迪普公司的B-BOX 視音頻轉(zhuǎn)換器將電腦顯卡信號(hào)轉(zhuǎn)為SDI 信號(hào)線路圖。

這種轉(zhuǎn)換方式對(duì)電視信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生一些影響，例如播放時(shí)屏幕畫面有時(shí)會(huì)拉條、某幾幀畫面不同步，或混入其它電腦軟件輸出聲音等問題。

一些廣播電視設(shè)備可以將RTMP 流通過其內(nèi)置的SDI 視頻板卡輸出，如美國TVU Networks 公司TVU Pack 接收服務(wù)器，圖4 是通過TVU Pack 接收服務(wù)器輸出的畫面，在帶寬良好情況下，輸出電視信號(hào)質(zhì)量與通過傳統(tǒng)傳輸技術(shù)相比沒有差別。

圖4 TVU Pack 接收服務(wù)器SDI 信號(hào)輸出

4.4 RTMP 協(xié)議傳輸電視信號(hào)優(yōu)劣勢和應(yīng)用保障

使用RTMP 協(xié)議傳輸電視信號(hào)較之傳統(tǒng)廣播電視傳輸方式（光纖、微波、衛(wèi)星），及同為互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)腞TSP、HTTP 協(xié)議而言，主要優(yōu)勢在于打破地域限制，其采用推、拉流工作方式，使得接收端只要連接互聯(lián)網(wǎng)就可以接收信號(hào)，且一個(gè)來源信號(hào)可以在多個(gè)不同地點(diǎn)接收和解碼使用，優(yōu)勢明顯，缺點(diǎn)是傳輸信號(hào)延時(shí)較大，一般延時(shí)3 秒，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速率較低時(shí)，視音頻信號(hào)會(huì)產(chǎn)生卡頓現(xiàn)象。

當(dāng)使用RTMP 協(xié)議傳輸電視直播信號(hào)時(shí)，要保障信號(hào)穩(wěn)定，除需要穩(wěn)定可靠帶寬外，還需要利用其推、拉流工作原理，合理分配信號(hào)流走向，如2017 年，廣西廣播電視臺(tái)“壯族三月三”大直播時(shí)，將本臺(tái)新聞?lì)l道直播信號(hào)通過RTMP協(xié)議傳輸給中央廣播電視總臺(tái)，上海、貴州、廣東等多家電視臺(tái)，采用多個(gè)SDI 視頻編碼器進(jìn)行交叉推流，并通過一推一拉方式，保障8 小時(shí)信號(hào)傳輸，如圖5 所示。

圖5 “壯族三月三”大直播RTMP 傳輸系統(tǒng)

結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)利用RTMP 協(xié)議傳輸電視現(xiàn)場直播信號(hào)時(shí)，如果需要保證電視信號(hào)質(zhì)量，應(yīng)設(shè)置較高碼率，對(duì)傳輸帶寬和穩(wěn)定性有一定要求，因此仍未在廣播電視行業(yè)廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前H.265 編碼開始使用，其在同等畫質(zhì)下比H.264 編碼節(jié)省約50%的碼率，市售大部分視頻編碼器支持H.265 編碼，問題是少有RTMP 流媒體服務(wù)器軟件支持H.265 編碼，這使得H.265 編碼暫時(shí)無法應(yīng)用于RTMP 協(xié)議體系。隨著RTMP 流媒體服務(wù)器軟件升級(jí)換代，此種傳輸技術(shù)將會(huì)廣泛應(yīng)用。