教育视频云服务中实时视频流接入技术探索*

任光杰 代 毅

(1 华南师范大学教育信息技术学院，广东广州 510631；2 广东省珠海市教育局，广东珠海 519000)

一、引言

互联网视频服务已经成为一种备受关注的新兴服务技术。当前，视频内容在整个网络分发传输中占绝对主导的地位，并使得数据量大大提升。爱立信预计到2019年，视频流量将增加13 倍，届时，它将占全球移动流量的50%以上[1]。如此大规模的视频流量，不但反映了全球的互联网用户对于网络视频服务的需求，同时指明了互联网视频服务的发展方向是视频云服务。视频云服务可以很好解决存储资源扩充成本问题，降低部署与运维的成本，同时又能更加有效利用链路带宽，满足个人计算机以及其他移动终端的视频服务需求。视频云服务是一种基于云计算架构的SaaS（Software-as-aservice，软件运营服务模式）产品。它代表着一类集中了存储、管理、播放以及流量统计等功能于一体的互联网视频服务[2]。目前，视频云服务主要融合了视频并行分布处理技术、大规模分布存储技术、分发技术、码流自适应调整技术等，从而可提供用户在不同场景跨平台、不中断地观看视频[3]。

当前在教育信息化领域，开放共享与深度应用成为教育视频资源建设与应用新趋势。精品课程录播系统是随着精品课程的建设而发展起来的系统，它极大地方便了教学录像的制作。但因建设成本高，缺乏应用驱动导致使用率低等原因，也使它成了众人眼中“昂贵的摆设”，遭受质疑。以云平台汇聚资源与服务，实现系统的互联互通，为更好发挥已有设备的效益，支持广域范围内的开放和共享提供了技术解决方案。

二、粤教云视通简介

粤教云视通基于云端环境大规模流媒体交互和时移流媒体等关键技术，为教育视频应用面临的大用户并发密集访问、分布式特征明显视频资源海量增长和应用，新兴交互式应用等重大应用需求提供技术解决方案。

基于面向大视频应用的云编/转码、云分发和云存储技术，粤教云视通支持多终端多模式接入，实现对教学、教研直播设备/环境的集成与整合，提供大规模流媒体直播、点播和实时交互服务，构建起支撑实时互动的直播课堂、在线培训、协作教研等应用的服务平台。为我们探索云服务支持下的教师培训创新模式，促进优质教育资源共享和教育均衡发展提供了技术支撑。

如图1 所示，粤教云视通系统主要实现的功能如下：

（1）对录播系统等教学、教研直播设备/环境实时视频流的接入汇聚。

（2）以实时码流或视频文件传输的方式，实现对第三方平台服务的集成整合。包括广东省教育视频网、珠海教育视频资源平台、区域级视频教育平台和教育视频库等。

（3）流媒体服务：流媒体视频的云编码、直播、虚拟直播、时移、点播、切片、交互协作等服务，提供自适应码流的多终端云分发。

（4）教育视频高效能分布式云存储与内容管理。

（5）以视频为核心的教育应用的活动管理。

图1 粤教云视通体系结构图

基于上述功能，粤教云视通体系能够支撑直播课堂、专递课堂、名师名校课堂、网络协作教研等应用。

三、实时视频流接入的技术实现探索

1.粤教云视通直播服务器接入的技术要点

粤教云视通直播服务器支持多种形式输入源，并且能够为多种主流终端平台提供相应的直播流服务。具体来说，可以支持UDP（User Datagram Protocol）协议拉流、RTSP（Real Time Streaming Protocol）协议拉流、RTMP（Real Time Messaging Protocol）拉流、RTMP 推流等主流的输入方式。支持RTMP、HTTP-FLV、M3U8、RTSP 四种输出方式，支持h.264+aac|mp3 编码格式的视音频流。直播服务器可以支持分布式部署，具有灵活的技术架构。

对录播系统等教学、教研直播设备（环境）实时视频流的接入汇聚就是将直播流作为输入源添加到粤教云视通的直播服务器中进行链接、管理和应用。实时视频流的接入主要采用拉流（Pull）和推流（Push）两种接入模式。

拉流的模式需要获取到视频源直播流采用的传输协议、主机（直播服务器）IP 地址、应用名和流ID。例如，RTSP：//202.116.39.42：554/stream/yhblsqt。其 中“stream”为应用名，一般由设备（系统）自定义，不同的设备（系统）会有不同的应用名。例子中的“yhblsqt”是流ID，用来标记该直播流。命名方式也会因设备不同而不同。每启动一个直播，就会产生一个标记这路直播的流ID。由此也可以看出，采用拉流模式，需要直播服务器能访问到录播主机的IP 地址，并获取应用名和流ID。

推流模式的接入机制与拉流正相反。先通过粤教云视通直播服务器生成一个直播链接。例如RTMP：//202.116.39.43：1935/livestream/54dyqwkk。让录播系统的视频源通过直播编码器推送到这个地址。这就需要解决如何将录播系统的视频发送到视频编码器的问题。

2.技术实现探索

由于许多地区教育信息化建设缺乏统筹规划和整体部署，采取的是学校分散建设方式，形成了不同型号、不同平台的录播系统设备并存的局面。需要面对种类繁多、系统结构各异、技术实现方式不同、功能差异化明显、部署方式多样等较复杂的局面，这给实现大规模的接入汇聚带来了技术挑战。

针对这一问题，笔者进行了系统的调研，对当前珠海市中小学装备的几十套录播系统和正在进行建设录播课室采用的设备及相应的管理平台进行归类分析。采用下列具体技术方法，顺利完成了接入汇聚。

（1）采用RTMP推流的方式，实现对于一些早期部署、以封闭式直播服务为特征的录播系统的接入汇聚。

这一类录播系统的主机将视频信号、VGA 信号、音频信号进行整合录制，并且本身就是一个媒体服务器，对外提供直播和点播服务。用户是通过直接访问这一主机的方式收看直播和进行点播。一般采用私有协议进行传输和使用专用播放器（客户端软件）观看。也有通过录播管理平台，启动本地播放器（例如，Windows Media Player 等）来收看直播视频。

接入的技术实现方式：在录播系统内网PC 机上，通过 VLC media player[4]或windows meida player 播放其直播视频。将该视频作为一个外部视频源，用虚拟摄像头软件（例如，e2eSoft vcam），将直播视频虚拟成一个摄像头设备提供的视频信号。在直播编码器（例如，Adobe Flash Media Live Encoder）中Device 选为该虚拟摄像头。

将云视通直播服务器中生成的RTMP 推流地址，rtmp：//IP：1935/livestream 填入FMS URL；将流ID 填入Stream，进行连接（connect）。启动就可以连接到播控系统的直播服务器中。

在这一实现方式中，虚拟摄像头软件就是一块虚拟的视频采集卡。其作用就是将录播系统直播的视频，通过“屏幕捕获”或“外部视频源”等方式采集，然后显示出来。前者适用于私有播放器嵌入网页的情景，后者适用于可以通用媒体播放器播放的情况。Adobe Flash Media Live Encoder 的作用就是，将这一虚拟设备采集到的视频信号，以RTMP 流的方式提供出去。

优点：①可以作为面对不同品牌、新旧型号录播系统导致流协议等复杂情况对接的权宜之计。②降低网络配置管理的复杂性。这种外推策略不需要给录播主机配置公网地址或进行端口映射，通过推流方式出来。③丰富粤教云视通可接入直播源，从而在不同的应用场景中发挥更大的作用。例如可适用于个人电脑（笔记本）+摄像头等非录播系统作为直播接入源，在远程专家点评等活动中应用。

缺点：①需配置一台较高性能的PC 作为转码用。②需要进行软件安装设置，流程稍显复杂。另外，e2eSoft VCAM 等虚拟摄像头软件为共享软件，可以使用一段时间。但如果你要使用功能齐全，没有任何限制，就必须购买注册。③整个过程需要人工参与，不容易实现自动化。

（2）以拉流方式与目前主流录播系统实现对接

目前，主流的录播系统都包括控流媒体服务模块。一般来说，该模块基于服务器端的流媒体服务平台，集教学视频的点播、录播资源点播、录播教室现场直播等功能。在管理平台中，启动直播就可以有直播流送出。并且，越来越多的系统都支持RTSP 等开放的流媒体传输协议。采用拉流的模式，实现该类系统的接入要解决云视通直播服务器能找到流的问题。可以转化为两个技术问题，①粤教云视通直播服务器能在网上访问到录播主机；②要知道不同品牌型号录播系统直播的端口、应用名和流ID 的生成方式的问题。

技术实现方式：对于问题（1）可以为直播主机配置公网地址，除了会带来大量的安全问题之外，同时也受到教育城域网IP 资源的限制。从长远发展来看，这种方式不能作为常用的处理手段。也可采用端口映射方式，将录播主机的校园内网IP转换为外部能访问的方式。对于问题（2）向不同厂家了解录播设备（系统）流动生成规则和获取方法。采用手动生成添加，最好能让厂家提供相应的API 或 SDK，以系统对接的方式接入云视通系统，以实现多种前端设备统一接入，供本平台内其他模块统一调用。

优点：采用直连的方式，稳定性比较好。能利用录播系统管理平台和导播平台的一些功能，可以输出单流单画面、全景式单流多画面、多流多画面等输出形式。通过API，实现对录播系统进行远程导播等相应控制，提高自动化管理的程度。

缺点：部署前期，要做大量的网络配置和链接设置的工作，需要学校、区县、地市等多级系统管理人员协作完成。在规模化应用的情景下，工作量较大。

（3）与区域集中控制管理的录播系统群平台级对接

随着录播系统技术体系架构的发展以及成本的降低，许多地区可以做批量化购置部署的尝试。相应地，许多录播系统厂商，也给出了自己的区域集中管理录播系统平台的技术解决方案。技术方案的基本要点，将录播平台软件部署在学校（区域）中心机房服务器上，负责协同调度分布式的硬件系统，并提供Web 服务，处理网络用户的大规模直播、点播以及录制需求。分布式的硬件系统，可以是连接摄像机的视频信号、云台控制信号和现场拾音器的音频信号的录播主机，也可以只部署一个编码器。录播主机或编码器再通过IP 网络将音视频流直接推送到录播平台以供网络直播或点播。

技术实现方式：将粤教云视通的接入汇聚管理与区域集中管理录播系统平台进行平台级的对接。利用云视通平台提供的API 接口。录播系统提供商定义和实现相关应用接口，实现对接。这样云视通平台能对该平台集中管理系统进行批量的接入管理，实现资源共享和管理功能的共享。目前，粤教云平台已经实现了与几家主流厂商的平台的对接。

优点：共享对设备和资源的管理功能，不再需要云视通平台直连录播主机，实现自动化批量管理。并以此为基础，支撑资源的自动汇聚，各种类型直播活动的管理。有利于形成全局统筹、区域自治、上下对接的融合开放的服务体系，代表了将来的主流方向。

缺点：需要设计开发相应的API 接口，有一定的工作量。

四、结束语

本研究的技术创新体现在系统的集成创新。面向不同技术路线和传输协议的录播系统和平台，通过转换成开放协议的方法实现一致性接入。以此为基础，在粤教云视通平台上可实现基于网络摄像头的视频交互的虚拟空间与录播课室等直播环境的物理空间的融合应用。可以为直播课堂观摩与在线视频协作教研等活动的整合提供技术支撑，具有广阔的应用前景。

基于粤教云视通服务的技术架构，采用开放的RTSP、RTMP 等流媒体协议，辅之以相应的工具软件或SDK，以拉流或推流的方式实现了多种录播系统、已有平台的统一接入。有效地支撑了粤教云珠海试验区规模化部署，为今后粤教云试验区大规模部署提供了技术解决方案。同时对于面临同样业务需求的相关平台建设亦有借鉴意义。这些研究成果对于更好发挥已有设备的效益，实现系统的互联互通，支持广域范围内的开放和共享具有重要的意义。在这一过程中，笔者也深刻地认识到，云计算技术在教育信息化领域中的应用，将会带来建设模式、服务模式和应用模式的变革。将来录播系统（平台）的产品形态和技术方案也应该在新的应用模式的驱动下，进行技术创新，向协议开放化、轻型化、智能化和“云化”方向发展。

[1]爱立信：2013-2019年中国移动数据总流量将增长15倍http://www.199it.com/archives/241647.html.

[2]徐 飞.视频云服务测试技术研究.电子科技大学

[3]王亚军.企业级视频应用技术分析.现代电信科技,2014,(04-4):69-76.