如何设计开发RTSP直播播放器？

音视频牛哥2024-10-12 16:21

​技术背景

我们在对接RTSP直播播放器相关技术诉求的时候，好多开发者，除了选用成熟的RTSP播放器外，还想知其然知其所以然，对RTSP播放器的整体开发有个基础的了解，方便方案之作和技术延伸。本文抛砖引玉，做个大概的介绍。

技术实现

技术难点

在探讨RTSP直播播放器技术实现之前，我们先来看，为什么RTSP播放器的开发看似简单，实则复杂，或者说做播放器容易，做个好的播放器，为什么就那么难？

协议复杂性

  1. 理解 RTSP 协议规范
    • RTSP 协议本身比较复杂，包含多种请求方法（如 OPTIONS、DESCRIBE、SETUP、PLAY、PAUSE、TEARDOWN 等）、状态码和头部字段。开发者需要深入理解这些规范，以便正确地与服务器进行交互。
    • 例如，在处理 DESCRIBE 请求时，需要解析服务器返回的媒体描述信息，其中可能包含复杂的 SDP（Session Description Protocol）格式，包括媒体类型、编码方式、帧率、分辨率等参数的描述。理解和解析这些信息需要对协议规范有深入的了解。
  2. 处理不同的协议变种和扩展
    • 在实际应用中，可能会遇到不同的 RTSP 服务器实现，它们可能会有一些协议变种或自定义的扩展。开发者需要能够处理这些差异，确保播放器能够与各种服务器兼容。
    • 例如，某些服务器可能会在 RTSP 响应中添加自定义的头部字段，或者对标准的请求方法有不同的处理方式。开发者需要能够识别这些差异，并进行相应的处理，以保证播放器的兼容性。

网络环境的不确定性

  1. 适应不同的网络条件
    • RTSP 播放器需要在各种网络环境下工作，包括不同的带宽、延迟、丢包率等。开发者需要考虑如何适应这些不同的网络条件，以确保视频的流畅播放。
    • 例如，在低带宽环境下，可能需要采用自适应比特率技术，根据网络状况动态调整视频的码率，以避免卡顿和缓冲。在高延迟网络中，需要优化播放控制算法，减少播放延迟，提高用户体验。
  2. 处理网络错误和异常情况
    • 网络环境中可能会出现各种错误和异常情况，如连接中断、服务器故障、丢包等。开发者需要能够处理这些情况，进行适当的错误恢复和重试机制，以保证播放器的稳定性。
    • 例如，当连接中断时，播放器需要能够自动尝试重新连接服务器，并在重新连接成功后继续播放。当出现丢包情况时，需要采用适当的错误隐藏技术，如帧间插值或重复上一帧，以减少视频的卡顿和花屏现象。

视频解码和播放的复杂性

  1. 支持多种视频编码格式
    • RTSP 流可以使用多种视频编码格式，如 H.264、H.265、MPEG-4 等。开发者需要选择合适的视频解码器，并确保播放器能够支持各种常见的编码格式。
    • 不同的编码格式具有不同的特点和复杂性，需要对其进行深入了解和处理。例如，H.265 编码具有更高的压缩率，但解码复杂度也更高。开发者需要选择高效的解码器，并进行优化，以确保在不同设备上的性能表现。
  2. 处理视频同步问题
    • 在播放视频时，需要确保音频和视频的同步播放。这涉及到处理视频和音频的时间戳、帧率、采样率等参数，以及进行适当的同步调整。
    • 视频和音频的同步是一个复杂的问题，需要考虑多种因素，如网络延迟、解码时间、播放设备的性能等。开发者需要采用适当的同步算法，确保音频和视频的同步播放，提高用户体验。

跨平台开发的挑战

  1. 适应不同的操作系统和设备
    • RTSP 播放器需要在不同的操作系统和设备上运行，如 Windows、Linux、Android、iOS 等。开发者需要考虑如何进行跨平台开发，确保播放器在各种平台上都能正常工作。
    • 不同的平台具有不同的开发环境、编程语言和多媒体框架，需要进行相应的适配和优化。例如，在 Android 平台上，可能需要使用 Java 或 Kotlin 进行开发，并利用 Android 的多媒体框架；在 iOS 平台上，可能需要使用 Objective-C 或 Swift 进行开发，并利用 iOS 的 AVFoundation 框架。
  2. 处理不同的硬件特性
    • 不同的设备具有不同的硬件特性，如处理器性能、内存大小、图形处理能力等。开发者需要考虑如何优化播放器的性能，以适应不同设备的硬件特性。
    • 例如，在性能较低的设备上，可能需要采用更高效的解码算法和播放控制策略，以减少资源占用和提高播放流畅性。在具有硬件加速功能的设备上，可以利用硬件加速来提高解码和播放性能。

技术选型

编程语言和平台

  • 选择适合的编程语言和开发平台。常见的选择包括 C++、Java、Python等编程语言，以及 Android、iOS、Windows、Linux 等操作系统平台。
  • 例如，在 Android平台上可以使用 Java 或 Kotlin 进行开发，利用 Android SDK 提供的多媒体框架和网络功能来实现 RTSP 播放器。，也可以通过jni接口封装，核心业务在底层，对上提供jni调用接口。

多媒体框架和库

  • 选择合适的多媒体框架和库来实现视频解码和播放功能。一些常用的多媒体框架和库包括 FFmpeg、GStreamer、VLC 等。
  • 这些框架和库提供了丰富的功能，如视频解码、音频解码、流媒体协议支持等，可以大大简化 RTSP 播放器的开发过程。例如，FFmpeg 是一个广泛使用的开源多媒体框架，支持众多的视频和音频格式以及流媒体协议，可以在多个平台上使用。

了解RTSP协议

  1. 协议结构和工作原理
    • 深入了解 RTSP 协议的结构和工作原理。RTSP 是一个应用层协议，用于控制实时流媒体的传输。它使用 TCP 或 UDP 作为传输层协议，通过发送请求和接收响应来实现对媒体流的控制。
    • RTSP 协议的主要功能包括媒体流的播放、暂停、快进、快退等操作，以及媒体流的描述、设置和传输控制等。了解 RTSP 协议的请求和响应格式、状态码、方法等内容，对于开发 RTSP 播放器至关重要。
  2. 协议交互过程
    • 熟悉 RTSP 协议的交互过程。当播放器连接到 RTSP 服务器时，首先发送 OPTIONS 请求以获取服务器支持的方法列表。然后，播放器发送 DESCRIBE 请求获取媒体流的描述信息，包括媒体格式、编码方式、帧率等。
    • 根据媒体流的描述信息，播放器选择合适的解码器进行视频和音频解码。接下来，播放器发送 SETUP 请求建立媒体流的传输连接，并发送 PLAY 请求开始播放媒体流。在播放过程中，播放器可以发送 PAUSE、TEARDOWN 等请求来控制媒体流的播放状态。

实现播放器功能

网络连接和数据接收

  • 实现与 RTSP 服务器的网络连接和数据接收功能。使用所选编程语言的网络编程库，建立与 RTSP 服务器的 TCP 或 UDP 连接，并接收服务器发送的媒体流数据。
  • 在接收数据时，需要处理网络错误、丢包等情况，确保数据的完整性和准确性。可以使用缓冲区来存储接收到的数据，以便后续的解码和播放操作。

视频解码和播放

  • 选择合适的视频解码器对接收的媒体流数据进行解码，并将解码后的视频帧显示在屏幕上。根据所选的多媒体框架和库，配置解码器参数，如视频格式、分辨率、帧率等。
  • 对于视频播放，可以使用图形库或多媒体框架提供的显示功能，将解码后的视频帧绘制在窗口或视图中。同时，需要处理视频的同步问题，确保音频和视频的同步播放。

音频解码和播放

  • 对接收的媒体流数据中的音频部分进行解码，并通过音频设备播放出来。选择合适的音频解码器，配置解码器参数，如音频格式、采样率、声道数等。
  • 使用音频输出库或多媒体框架提供的音频播放功能，将解码后的音频数据发送到音频设备进行播放。同样，需要处理音频的同步问题，确保音频和视频的同步播放。

播放控制和用户界面

  • 实现播放控制功能，如播放、暂停、快进、快退等操作。通过发送相应的 RTSP 请求来控制媒体流的播放状态，并在用户界面上提供相应的控制按钮。
  • 设计用户界面，包括视频显示区域、播放控制按钮、进度条等。使用图形用户界面库或开发平台提供的界面设计工具，创建直观、易用的用户界面。

SmartPlayer设计实现

以大牛直播SDK的SmartPlayer RTSP直播播放模块为例，我们来看看，如何实现低延迟的RTSP播放器。大牛直播SDK自2015年发布RTSP、RTMP直播播放模块，迭代从未停止，SmartPlayer功能强大、性能强劲、高稳定、超低延迟、超低资源占用。无需赘述，全自研内核，行业内一致认可的跨平台RTSP、RTMP直播播放器。先说功能设计，如不单独说明，Windows、Linux（x86_64|aarch64架构）、Android、iOS全平台支持。

  • [多实例播放]支持多实例播放；
  • [事件回调]支持网络状态、buffer状态等回调；
  • [视频格式]支持H.265、H.264，此外，还支持RTSP MJPEG播放；
  • [音频格式]支持AAC/PCMA/PCMU；
  • [H.264/H.265软解码]支持H.264/H.265软解；
  • [H.264硬解码]Windows/Android/iOS支持特定机型H.264硬解；
  • [H.265硬解]Windows/Android/iOS支持特定机型H.265硬解；
  • [H.264/H.265硬解码]Android支持设置Surface模式硬解和普通模式硬解码；
  • [RTSP模式设置]支持RTSP TCP/UDP模式设置；
  • [RTSP TCP/UDP自动切换]支持RTSP TCP、UDP模式自动切换；
  • [RTSP超时设置]支持RTSP超时时间设置，单位：秒；
  • [RTSP 401认证处理]支持上报RTSP 401事件，如URL携带鉴权信息，会自动处理；
  • [缓冲时间设置]支持buffer time设置；
  • [首屏秒开]支持首屏秒开模式；
  • [复杂网络处理]支持断网重连等各种网络环境自动适配；
  • [快速切换URL]支持播放过程中，快速切换其他URL，内容切换更快；
  • [音视频多种render机制]Android平台，视频：surfaceview/OpenGL ES，音频：AudioTrack/OpenSL ES；
  • [实时静音]支持播放过程中，实时静音/取消静音；
  • [实时音量调节]支持播放过程中实时调节音量；
  • [实时快照]支持播放过程中截取当前播放画面；
  • [只播关键帧]Windows平台支持实时设置是否只播放关键帧；
  • [渲染角度]支持0°，90°，180°和270°四个视频画面渲染角度设置；
  • [渲染镜像]支持水平反转、垂直反转模式设置；
  • [等比例缩放]支持图像等比例缩放绘制(Android设置surface模式硬解模式不支持)；
  • [实时下载速度更新]支持当前下载速度实时回调(支持设置回调时间间隔)；
  • [解码前视频数据回调]支持H.264/H.265数据回调；
  • [解码后视频数据回调]支持解码后YUV/RGB数据回调；
  • [解码前音频数据回调]支持AAC/PCMA/PCMU数据回调；
  • [音视频自适应]支持播放过程中，音视频信息改变后自适应；
  • [扩展录像功能]完美支持和录像SDK组合使用。

RTSP播放器设计要点

  1. ****低延迟：****大多数RTSP的播放都面向直播场景，所以，如果延迟过大，严重影响体验，所以，低延迟是衡量一个好的RTSP播放器非常重要的指标，目前大牛直播SDK的RTSP直播播放延迟比开源播放器更优异，而且长时间运行下，不会造成延迟累积；

****2. 音视频同步处理：****有些播放器为了追求低延迟，甚至不做音视频同步，拿到audio video直接播放，导致a/v不同步，还有就是时间戳乱跳等各种问题，大牛直播SDK提供的播放器，具备好的时间戳同步和异常时间戳矫正机制；

****3. 支持多实例：****大牛直播SDK提供的播放器支持同时播放多路音视频数据，比如4-8-9窗口，大多开源播放器对多实例支持不太友好；

****4. 支持buffer time设置：****在一些有网络抖动的场景，播放器需要支持buffer time设置，一般来说，以毫秒计，开源播放器对此支持不够友好；

****5. TCP/UDP模式设定 、自动切换：****考虑到好多服务器仅支持TCP或UDP模式，一个好的RTSP播放器需要支持TCP/UDP模式设置，如链接不支持TCP或UDP，大牛直播SDK可自动切换，，开源播放器不具备自动切换TCP/UDP能力；

****6. 实时********静音：****比如，多窗口播放RTSP流，如果每个audio都播放出来，体验非常不好，所以实时静音功能非常必要，开源播放器不具备实时静音功能；

7****. 视频view旋转：****好多摄像头由于安装限制，导致图像倒置，所以一个好的RTSP播放器应该支持如视频view实时旋转(0° 90° 180° 270°)、水平反转、垂直反转，开源播放器不具备此功能；

8****. 支持解码后audio/video数据输出：****大牛直播SDK接触到好多开发者，希望能在播放的同时，获取到YUV或RGB数据，进行人脸匹配等算法分析，开源播放器不具备此功能；

9****.**** ****实时********快照：****感兴趣或重要的画面，实时截取下来非常必要，一般播放器不具备快照能力，开源播放器不具备此功能；

****10. 网络抖动处理(如断网重连)：****稳定的网络处理机制、支持如断网重连等，开源播放器对网络异常处理支持较差；

11. ****长期运行稳定性：****不同于市面上的开源播放器，大牛直播SDK提供的Windows平台RTSP直播播放SDK适用于数天长时间运行，开源播放器对长时间运行稳定性支持较差；

  1. ****log信息记录：****整体流程机制记录到LOG文件，确保出问题时，有据可依，开源播放器几无log记录。

13. ****实时下载速度********反馈：****大牛直播SDK提供音视频流实时下载回调，并可设置回调时间间隔，确保实时下载速度反馈，以此来监听网络状态，开源播放器不具备此能力；

14. 异常状态处理 ****、Event状态回调：****如播放的过程中，断网、网络抖动、等各种场景，大牛直播SDK提供的播放器可实时回调相关状态，确保上层模块感知处理，开源播放器对此支持不好；

**15. 关键帧/全帧播放实时切换：**特别是播放多路画面的时候，如果路数过多，全部解码、绘制，系统资源占用会加大，如果能灵活的处理，可以随时只播放关键帧，全帧播放切换，对系统性能要求大幅降低。

Android平台RTSP播放示例

下面以Android平台多实例RTSP播放为例，探讨下接口设计和调用说明。

我们针对的功能展示，主要是播放和录像这块，先说播放：

ini 复制代码 
/*
 * SmartPlayer.java
 * Author: https://daniusdk.com
 * WeChat: xinsheng120
 * Created by DaniuLive on 2015/09/26.
 */
class ButtonPlayback1Listener implements View.OnClickListener {
	public void onClick(View v) {
		if (stream_player_1_.is_playing()) {
			Log.i(TAG, "Stop player1..");

			boolean iRet = stream_player_1_.StopPlayer();

			if (!iRet) {
				Log.e(TAG, "Call StopPlayer failed..");
				return;
			}

			stream_player_1_.try_release();
			btn_playback1.setText("开始播放1");
			SetViewVisibility(surface_view_1_);
		} else {
			Log.i(TAG, "Start playback stream1++");

			int play_buffer = 0;
			int is_using_tcp = 0;
			if(!stream_player_1_.OpenPlayerHandle(playback_url_1_, play_buffer, is_using_tcp))
				return;

			stream_player_1_.SetView(surface_view_1_);

			boolean is_mute = false;
			boolean iPlaybackRet = stream_player_1_.StartPlayer(isHardwareDecoder, is_enable_hardware_render_mode, is_mute);
			if (!iPlaybackRet) {
				Log.e(TAG, "Call StartPlayer failed..");
				return;
			}

			btn_playback1.setText("停止播放1");
		}
	}
}

对应的OpenPlayerHandle()实现如下：

ini 复制代码 
/*
 * LibPlayerWrapper.java.java
 * Author: https://daniusdk.com
 */
public boolean OpenPlayerHandle(String playback_url, int play_buffer, int is_using_tcp) {

	if (check_native_handle())
		return true;

	if(!isValidRtspOrRtmpUrl(playback_url))
		return false;

	long handle = lib_player_.SmartPlayerOpen(application_context());
	if (0==handle) {
		Log.e(TAG, "sdk open failed!");
		return false;
	}

	lib_player_.SetSmartPlayerEventCallbackV2(handle, new EventHandleV2());

	lib_player_.SmartPlayerSetBuffer(handle, play_buffer);

	// set report download speed(默认2秒一次回调 用户可自行调整report间隔)
	lib_player_.SmartPlayerSetReportDownloadSpeed(handle, 1, 4);

	boolean isFastStartup = true;
	lib_player_.SmartPlayerSetFastStartup(handle, isFastStartup ? 1 : 0);

	//设置RTSP超时时间
	int rtsp_timeout = 10;
	lib_player_.SmartPlayerSetRTSPTimeout(handle, rtsp_timeout);

	//设置RTSP TCP/UDP模式自动切换
	int is_auto_switch_tcp_udp = 1;
	lib_player_.SmartPlayerSetRTSPAutoSwitchTcpUdp(handle, is_auto_switch_tcp_udp);

	lib_player_.SmartPlayerSaveImageFlag(handle, 1);

	// It only used when playback RTSP stream..
	lib_player_.SmartPlayerSetRTSPTcpMode(handle, is_using_tcp);

	lib_player_.DisableEnhancedRTMP(handle, 0);

	lib_player_.SmartPlayerSetUrl(handle, playback_url);

	set(handle);

	return true;
}

对应的开始播放、停止播放设计：

kotlin 复制代码 
/*
 * LibPlayerWrapper.java
 * Author: https://daniusdk.com
 */
public boolean StartPlayer(boolean is_hardware_decoder, boolean is_enable_hardware_render_mode, boolean is_mute) {
	if (is_playing()) {
		Log.e(TAG, "already playing, native_handle:" + get());
		return false;
	}

	SetPlayerParam(is_hardware_decoder, is_enable_hardware_render_mode, is_mute);

	int ret = lib_player_.SmartPlayerStartPlay(get());
	if (ret != OK) {
		Log.e(TAG, "call StartPlay failed, native_handle:" + get() + ", ret:" + ret);
		return false;
	}

	write_lock_.lock();
	try {
		this.is_playing_ = true;
	} finally {
		write_lock_.unlock();
	}

	Log.i(TAG, "call StartPlayer OK, native_handle:" + get());
	return true;
}

public boolean StopPlayer() {
	if (!check_native_handle())
		return false;

	if (!is_playing()) {
		Log.w(TAG, "it's not playing, native_handle:" + get());
		return false;
	}

	boolean is_need_call = false;
	write_lock_.lock();
	try {
		if (this.is_playing_) {
			this.is_playing_ = false;
			is_need_call = true;
		}
	} finally {
		write_lock_.unlock();
	}

	if (is_need_call)
		lib_player_.SmartPlayerStopPlay(get());

	return true;
}

录像设计：

ini 复制代码 
/*
 * SmartPlayer.java
 * Author: https://daniusdk.com
 */
class ButtonRecorder1Listener implements View.OnClickListener {
	public void onClick(View v) {
		if (stream_player_1_.is_recording()) {
			Log.i(TAG, "Stop recorder1..");

			boolean iRet = stream_player_1_.StopRecorder();

			if (!iRet) {
				Log.e(TAG, "Call StopRecorder failed..");
				return;
			}

			stream_player_1_.try_release();
			btn_recorder1.setText("开始录像1");
		} else {
			Log.i(TAG, "Start recorder stream1++");

			int play_buffer = 0;
			int is_using_tcp = 0;

			if(!stream_player_1_.OpenPlayerHandle(playback_url_1_, play_buffer, is_using_tcp))
				return;

			stream_player_1_.ConfigRecorderParam(recDir, 400, 1, 1, 1);

			boolean iRecRet = stream_player_1_.StartRecorder();
			if (!iRecRet) {
				Log.e(TAG, "Call StartRecorder failed..");
				return;
			}

			btn_recorder1.setText("停止录像1");
		}
	}
}

录像参数配置选项：

csharp 复制代码 
/*
 * LibPlayerWrapper.java
 * Author: https://daniusdk.com
 */
public boolean ConfigRecorderParam(String rec_dir, int file_max_size, int is_transcode_aac,
								   int is_record_video, int is_record_audio) {

	if(!check_native_handle())
		return false;

	if (null == rec_dir || rec_dir.isEmpty())
		return false;

	int ret = lib_player_.SmartPlayerCreateFileDirectory(rec_dir);
	if (ret != 0) {
		Log.e(TAG, "Create record dir failed, path:" + rec_dir);
		return false;
	}

	if (lib_player_.SmartPlayerSetRecorderDirectory(get(), rec_dir) != 0) {
		Log.e(TAG, "Set record dir failed , path:" + rec_dir);
		return false;
	}

	if (lib_player_.SmartPlayerSetRecorderFileMaxSize(get(),file_max_size) != 0) {
		Log.e(TAG, "SmartPlayerSetRecorderFileMaxSize failed.");
		return false;
	}

	lib_player_.SmartPlayerSetRecorderAudioTranscodeAAC(get(), is_transcode_aac);

	// 更细粒度控制录像的, 一般情况无需调用
	lib_player_.SmartPlayerSetRecorderVideo(get(), is_record_video);
	lib_player_.SmartPlayerSetRecorderAudio(get(), is_record_audio);
	return true;
}

开始录像、结束录像：

kotlin 复制代码 
/*
 * LibPlayerWrapper.java
 * Author: https://daniusdk.com
 */
public boolean StartRecorder() {

	if (is_recording()) {
		Log.e(TAG, "already recording, native_handle:" + get());
		return false;
	}

	int ret = lib_player_.SmartPlayerStartRecorder(get());
	if (ret != OK) {
		Log.e(TAG, "call SmartPlayerStartRecorder failed, native_handle:" + get() + ", ret:" + ret);
		return false;
	}

	write_lock_.lock();
	try {
		this.is_recording_ = true;
	} finally {
		write_lock_.unlock();
	}

	Log.i(TAG, "call SmartPlayerStartRecorder OK, native_handle:" + get());
	return true;
}

public boolean StopRecorder() {
	if (!check_native_handle())
		return false;

	if (!is_recording()) {
		Log.w(TAG, "it's not recording, native_handle:" + get());
		return false;
	}

	boolean is_need_call = false;
	write_lock_.lock();
	try {
		if (this.is_recording_) {
			this.is_recording_ = false;
			is_need_call = true;
		}
	} finally {
		write_lock_.unlock();
	}

	if (is_need_call)
		lib_player_.SmartPlayerStopRecorder(get());

	return true;
}

总结

做RTSP播放器容易，做个可以稳定用于实际场景的低延迟RTSP播放器，真的非常困难，首先，RTSP协议本身的复杂度，如果不涉及底层协议栈，只是开源的项目编译调试小修小改，遇到问题，很难处理。还有就是网络环境的不确定性，视频解码和播放的复杂性，视频同步问题的复杂性及考虑因素。最后在跨平台开发的挑战，不同操作系统和设备以及处理不同硬件特性，都需要考虑。以上抛砖引玉，感兴趣的开发者，可以单独跟我沟通探讨。

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