华东师范大学：设计一个智能化视频直播系统

文/周祥

随着网络技术的发展，各高校已经发展到万兆主干网，百兆到桌面的校内宽带互联，为教学科研和教学管理等工作提供了高速的网络环境，同时为现代教育技术的发展提供了良好的平台。随着主流视频直播技术与硬件编码技术的不断发展，视频直播技术在系统稳定性、视频输出质量、编码效率、直播延迟等方面取得了很大的进展，视频直播技术不断成熟。校园网的完善和视频直播技术的成熟为视频直播系统在高校的应用提供了条件。本文中，笔者以自己所在的华东师范大学为例，介绍一个基于校园网的视频直播系统的设计与实现过程。

校园网的特点

校园网具有带宽高、延迟小的特点，为校内视频服务提供了高速网络环境。校园网络基础设施的不断完善，学校内网环境中有线网络带宽基本达到百兆到桌面，有些办公室甚至达到千兆到桌面，下行速度能够达到10MB/秒，而一般视频流经过编码器编码以后，大于2MB/秒以后，清晰度在视觉上已经基本无法辨别，因此校园网环境对高清网络视频直播提供了可靠的支持。

另外一方面，相较于城域网来说，校园网相对较小，网络属于学校所有，所以所有的网络设备都可以为校园的应用进行设置和优化，如对视频应用开启组播功能，对视频直播服务器进行DNS智能解析等，这些条件也为校园视频直播提供有利的条件。

校园网络视频直播的应用

随着视频技术和网络技术的发展，校园视频直播得到越来越广泛的应用，如课堂直播、学术讲座、远程会议、毕业典礼、全国辩论赛、成立大会、年度音乐会等等。网络视频直播教学

利用校园网络视频直播技术，我们可以将传统的课堂教学进行延伸。由于课堂的时间和空间是有限的，对于有些优秀教师的授课过程可以采用视频直播技术，使在不同教室的学生能同时上课。直播的同时可以使用编码器或其它设备同时记录下来，便于课后复习和学生自学。在2014年暑期，我们就配合学校河口海岸研究所直播了为期5天的精品暑期班，取得了良好的效果。学术报告

利用视频直播技术，将名师名家的学术讲座通过校园网直播，在两校区有网络和投影的阶梯教室、大礼堂中组织学生观看，实现多校区互动直播，解决了会场空间有限以及校区之间的距离问题，同时校内师生在校园网内利用可上网的计算机就可以实时收看，在校外可以使用VPN的方式观看，极大的方便了学术活动的开展，提高了资源的利用率。学校重要活动和会议

学校的重要会议和活动，如校庆、文艺晚会等通过网络进行直播，同时通过校内的大屏幕显示器播放出去，使全校教职员工都能实时收看，大大方便了师生，同时提高了宣传效果，丰富了师生员工的业余文化生活。

我校自从建立了网络视频直播系统，对学校首届免费师范生毕业典礼、60年校庆文艺晚会、丁肇中学术讲座、MBA全国精英案例大赛、新年音乐会、国际文化节晚会等重要活动进行了网络视频直播，并通过学校两校区的大屏幕显示器进行播放，据不完全统计（仅统计电脑、移动终端在线观看的次数），直播访问量大约8000人次数左右，取得了很好的效果。

基于校园网的视频直播系统方案

直播队伍的组成

直播队伍主要分两组人员，包括信号采集人员与网络直播人员。

信号采集人员主要负责音视频的采集工作，包括摄像人员、导播人员、调音师。摄像人员视摄像机的数目而定，每个机位至少1人，摄像人员应该熟悉摄像机的基本操作；调音师能熟练掌握常用音频设备以及各种音频设备的链接；导播人员要有较全面的业务素质和敏捷的反应能力，有一定的镜头艺术修养。

网络直播人员主要负责将采集到的音视频信号转为网络直播信号并播放出去，包括网络配置人员，编码器和直播服务器管理人员，播放网页开发人员。网络配置人员需要根据现场实际情况对网络进行配置，并对网络负载均衡及智能解析设备有一定了解；编码器和服务器管理人员需要对能熟练掌握编码器的配置以及直播服务器的配置；网页开发人员需要掌握网页视频播放组件开发技术，以及响应式开发技术以适应不同的播放终端。直播系统组成

图1 直播系统组成

直播系统的组成主要包括信号采集、编码广播、播放终端三个部分，如图1所示。

信号采集主要包括视频信号和音频信号的采集，通过导播台，将最终可以输出的音视频信号输出到视频广播部分；视频广播部分主要通过编码器将原始信号编码成适用于网络传输的格式并输出给直播服务器，代理服务器将直播服务器分发出的直播流进行代理，减少直播服务器的压力；播放终端部分通过DNS智能解析设备将代理服务生成的直播地址进行智能DNS解析，将来自不同网络运营商的请求转发给对应的IP地址，减少了网络传输延时。

视频直播的具体实现

在每次正式直播工作进行之前，相关技术人员和导播要先到现场勘察，根据现场直播的内容和场地环境，确定好摄像机的机位、视频导播切换台的位置。然后技术人员才能进行现场直播技术准备工作。根据我们学校的已往经验，通常是由宣传部相关专业人员负责摄像以及声音信号采集，信息化办公室负责网络直播部分。信号采集

根据节目的需要和场景的大小，确定摄像机的位置以及机位的个数，为了使图像的亮度、白平衡、饱和度等技术指标保持基本一致，应选用同型号或同档次的摄像机。音视频信号都是通过各种电缆传输的，如视频的SDI线，音频的卡农头的线缆，因此视频音频电缆的好坏直接影响音视频信号的质量。应选用屏蔽好、损耗小的视音频电缆线。同时，在确定导播台的位置时，应把编码器放在离导播台较近的位置，因为电缆越长，信号的衰减越大。另外导播与摄像人员交流时，应尽量使用有线的通讯模块，避免无限设备信号对现场使用的无线麦克风的影响。视频编码和广播

经过导播台的特技处理和切换，最终输出一路电视信号到视频编码服务器，应根画质的要求和可能的用户终端，选择合理的编码格式和码率。对于网络环境好，对图像质量要求高的情况下，如室外大屏幕或阶梯教室大屏幕，分辨率可以选择1920X1080i，MPEG-2格式，码率可以在2Mbps~4Mbps。对与网络情况不好，或图像要求质量不是很高的场合，如使用3G网络的移动终端设备，可以选择MPEG-4格式，分辨率选择640X480，码率在512Kbps~1Mbps之间。

编码器输出的信号通过rtmp协议传输至直播服务器，根据对播放终端的考虑，直播服务器的直播点应尽量选择输出能够最大兼容输出的格式。我们一般选择使用rtmp协议输出的flv格式的视频流，可以基本兼容大部分终端设备。由于APPLE终端设备上支持的编码格式为H.264编码，因此需要编码器输出一路MPEG-2的TS流至直播服务器，直播服务器根据这些*.ts流文件生成.m3u8的索引文件，并通过http协议分发给Web服务器。视频代理与智能解析

由于视频直播服务器在直播时一般都会有大量用户观看，因此服务器压力会非常大。为了减少直播服务器的压力，我们采用第三方代理设备，将视频直播服务器的直播流进行复制，这样用户的请求首先会到代理设备上。这种第三方代理设备的并发一般都在十万级左右，可以满足绝大多数的直播任务需求。

同时，目前许多高校都拥有多个网络出口，在电信拆分后，这些运营商之间互访时会出现速度瓶颈问题。因此，对于代理服务器输出的直播流的访问地址，先对其指定正向域名解析，在使用智能域名解析技术，将来自不同网络运营商的请求转发至对应的网络出口，减少外网不同ISP用户的访问延迟。

播放网页开发

由于当前智能设备的多样性，一套网页代码已经不能满足日益增多的播放终端，为了实现更好的播放效果，应当对播放网页进行响应式设计开发，自适应播放屏幕的大小。同时，对于无法兼容的直播流，也应当智能进行选择。

网络视频直播系统涉及到到音视频采集、视频服务和网络环境等诸多方面，只有认真准备，精心组织，所有参与人员通力合作，才能把这项工作做好。

同时，本文没有考虑到边远地区以及海外地区的访问情况，针对这种情况可以使用内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）解决。CDN服务可以将用户请求的内容保存在离用户较近的地方，从而缩短了访问延时，同时减轻网络的负载流量。因此在后续的工作中，可以考虑采用CDN加速服务来保障较远地理位置的视频直播效果。