一种新媒体直播系统的设计与实现
作者： 井波 顾少伟
摘要：传统媒体直播行业存在着诸多痛点，包括受时间和空间限制、成本高昂、内容单一和互动性差等问题。随着媒体融合的不断深入和移动互联网的快速发展，网络直播已成为重要的信息传播方式，直播轻量化已成为传媒领域的热门话题。与传统的电视直播方式相比，基于手机端的新媒体直播系统具有成本低、操作简便、用户体验好、实时性和便捷性更高等诸多优势。基于手机端的新媒体直播系统不仅可以充分发挥手机直播的优势，提高传统直播的效率，同时也可以克服传统直播的时间和空间限制，拓宽媒体传播的渠道，为媒体行业带来了更多的发展机遇和商业机会。
关键词：新媒体直播；CDN网络；视频编码；轻量化；流媒体
中图分类号：TP37 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2024）13-0058-05 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：
0 引言
新媒体直播是即时现场直播的一种崭新手段，新媒体直播设备结构简单，小巧便携，智能手机、平板电脑等都可以充当直播的工具[1]。新媒体直播系统通过利用流媒体传输技术，将视频、音频等多媒体数据进行压缩编码，并通过互联网实时传输至服务器，服务器对接收到的流进行转码、分发，借助CDN网络确保各地用户都能获得快速、稳定的观看体验。采用先进的编码技术，可以确保数据在有限带宽下仍能流畅传输，播放端的手机设备通过拉流、解码技术接收并播放直播内容。本文从设计和实现两个角度深入探讨了这一系统，从视频采集、编码、传输、分发、播放等多个环节，解析了基于手机端的媒体直播系统的设计和实现。系统充分考虑了网络状况、设备性能等多方面因素，同时确保用户数据隐私得到保护，保证系统的稳定性与安全性。本文详细介绍了系统的设计思路、关键技术和实现过程，并对其在技术创新、市场竞争等方面的影响进行了分析和展望。
1 系统设计
1.1 系统架构
系统主要包括音视频采集端、管理端和观看端三个部分。采集端通过手机摄像头和麦克风将直播视频和音频信号进行采集，通过压缩转码技术转为H.264格式，随后将信号推送至最优的网络节点。服务端接收到数据之后使用FFmpeg等技术进行视频解码、切片、录制和存储，然后通过CDN分发至客户端。直播信号到达用户观看端后，将视频进行解码播放，通过优化传输机制与播放策略，可实现观看端音视频播放秒级延时。图1为系统架构图。
1.2 视频采集端设计
使用手机App 进行直播画面采集具有便捷、灵活、高清、实时预览、便于分享和节省成本等优势，为用户提供了随时随地进行直播的便利性和多样化的拍摄体验。相较于传统的摄像设备，使用手机进行直播节省了成本，降低了直播门槛，使更多人能够参与直播行业。
采集端的设计包括实现高质量、稳定的视频采集，确保直播画面的清晰流畅。同时提供良好的用户体验，包括界面友好性、操作便捷性等。考虑设备的兼容性，确保视频采集设备与软件系统的兼容。性能上确保App的运行效率和响应速度。用户可以通过房间推流码向业务服务端获取房间信息，信息中包括推流地址。通过移动设备的摄像头和麦克风，对音视频信号进行实时采集，将采集到的内容压缩编码，并通过获取推流地址，将编码后的音视频数据推送至流媒体服务器，实现移动端直播功能。
功能上主要设计了音视频采集、画面预览、音频采集、画面调整、音量调整、水印添加、美颜滤镜、特效等。用户可以通过手机应用实时捕获摄像头的图像和麦克风的声音，预览直播画面，调整画面分辨率、旋转画面和音量大小等，同时也可以控制直播的播放状态和监控网络状态。
用户可以选择合适的视频采集设备，包括前置摄像头、后置摄像头，甚至外接摄像头。iOS平台使用AVFoundation框架来实现音视频采集，控制摄像头参数、预览画面等。对采集到的视频流进行编码压缩，以减小数据体积并提高传输效率，常用编码方式包括H.264、H.265、AAC等。同时对视频采集和编码过程进行性能优化，包括预览帧率调节、编码参数优化等，确保视频采集端的稳定性和流畅性。
1.3 管理端设计
系统管理端是新媒体直播系统的后台管理工具，负责管理系统的用户、频道、直播间内容、权限、推流状态、回放以及互动等各项功能。总体的设计目标是：功能全面，使用便捷，接口稳定，界面设计简洁直观，高扩展性和灵活性，支持大规模用户和房间管理，保证高安全性和稳定性，防止数据泄露和系统故障。图2为管理端架构图。
管理员可以在管理端建立房间，系统向流媒体服务器申请推流和拉流地址，并将获得的地址配置在业务服务器的数据库内。房间信息包括：房间名、直播时间、简介、直播封面、横竖屏状态等，管理员可以控制房间状态和回放状态。
1.4 播放端设计
播放端的总体设计旨在提供稳定流畅的直播内容播放，并为用户提供丰富的互动功能。播放端采用现代化的前端技术实现，分为手机App和H5，按照横竖屏可分为横屏直播和竖屏直播两种页面。
播放端通过流媒体协议（如RTMP、HLS） 从服务器获取直播流，直播间支持点赞、评论、礼物赠送等互动功能，可以提升用户参与度和互动性。播放端同时还支持直播预约功能，用户可提前预约感兴趣的直播房间，在开始直播前可以及时收到开播提醒，确保不会错过精彩直播。在用户界面设计上，以简洁直观为主要思路，提供清晰的直播画面和易于操作的互动按钮。综合考虑用户需求和系统性能，播放端设计了稳定的播放引擎和流畅的交互体验，可以为用户提供优质的直播观看和互动体验。同时，为了保证系统的稳定性和可靠性，播放端还考虑了对不同网络环境的适应性和流畅度，以及用户数据的隐私保护和安全性。总体上，直播系统播放端通过合理的架构设计和功能实现，为直播平台的用户提供了一站式的直播观看和互动服务，满足了用户多样化的需求。用户还可通过App的分享功能将直播间H5页面分享给其他观众。
2 系统实现
系统客户端基于iOS平台进行开发，采用Xcode 作为主要的开发工具，Objective-C作为开发语言，使用CocoaPods 用于管理第三方库，同时遵循MVC（Model-View-Controller） 设计模式。系统使用了Foun⁃dation、UIKit、AVFoundation、AFNetworking、SDWebIm⁃age等框架。还使用了NSOperationQueue多线程技术实现数据的异步操作。
2.1 采集端
直播系统的视频采集端主要实现了以下几个方面的功能：首先，利用AVFoundation框架实现摄像头设备的调用和视频数据的采集，通过控制摄像头参数和实时预览画面，确保视频采集的稳定性和质量。同时，控制音频采样率和声道数，实现音频的同步采集。采集到的视频和音频数据经过编码压缩，使用VideoToolbox框架进行H.264的视频编码，保证数据体积的减小和传输效率的提高。此外，利用时间戳等方式实现音视频的同步，确保播放端能够准确地展示采集到的视频和音频内容。为了提高系统的稳定性和流畅性，采集端采取了预览帧率调节、编码参数优化等措施。在用户界面设计上，设计了简洁直观的界面，包括摄像头预览界面、录制控制界面等，提供了摄像头切换、闪光灯控制等功能，结合图像处理SDK，实现了美颜滤镜、视频特效等功能，以提升用户体验。综合考虑用户需求和系统性能，视频采集端功能实现旨在为用户提供稳定、高效的视频采集解决方案，满足直播应用的需求。
H.264是一种广泛使用的视频编码标准，也称为MPEG-4 AVC，是ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG联合制定的国际视频编解码标准[2]，具有较高的压缩率和良好的画质，适用于移动设备上的直播推流。它能够在保证画质的同时减少带宽消耗，是目前手机直播中最常用的编码方式之一。
H.264编码的数据组织由多个NALU（Network Ab⁃straction Layer Unit） 单元组成，每个NALU单元包含了视频数据的一部分，主要有以下类型：SPS（SequenceParameter Set） ：序列参数集，描述视频序列的参数；PPS（Picture Parameter Set） ：图像参数集，描述图像的参数；IDR帧：关键帧，也称为I帧；非IDR帧：P帧或B帧。
在进行H.264编码之前，首先通过AVFoundation 获取视频数据。这个过程会生成一系列连续的视频帧，每一帧都包含了视频画面的像素信息。
在这里通过 AVCaptureDeviceInput获取到设备的前后摄像头和音频设备，并通过AVCaptureVideoData⁃Output的代理方法拿到CMSampleBufferRef格式的原始流数据。
1.@protocol SystemCaptureManagerDelegate <NSOb⁃ject>
2. @optional
3. - （void）captureSampleBuffer： （CMSampleBuffer⁃Ref）sampleBuffer type：（SystemCaptureType）type;
4. @end
然后将原始流交给VideoToolbox进行压缩。创建一个编码器会话（VTCompressionSession） ，这个会话将负责管理编码器的配置和操作。同时设置编码器的属性，包括视频的分辨率、帧率、比特率等。
1. VTCompressionSessionRef compressionSession;
2. OSStatus status = VTCompressionSessionCreate（NULL， width， height， kCMVideoCodecType_H264， NULL，NULL， NULL， compressionOutputCallback， NULL， &com⁃pressionSession）;
3. VTSessionSetProperty（compressionSession， kVT⁃CompressionPropertyKey_RealTime， kCFBooleanTrue）;
4. VTSessionSetProperty（compressionSession，kVTCompressionPropertyKey_ProfileLevel， kVT⁃ProfileLevel_H264_Main_AutoLevel）;
5. VTSessionSetProperty（compressionSession， kVT⁃CompressionPropertyKey_AverageBitRate，（__bridge CFTy⁃peRef）@（bitrate））;
6. VTSessionSetProperty（compressionSession， kVT⁃CompressionPropertyKey_ExpectedFrameRate， （__bridgeCFTypeRef）@（30））;
7. 调用VTCompressionSessionPrepareToEncode⁃Frames准备编码器，开始编码帧，并将AVFoundation 捕获的CVPixelBufferRef类型视频帧数据传递给编码器进行编码。
8. VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames（compressionSession）;
9. CVPixelBufferRef pixelBuffer = // 获取捕获的视频帧