Python下的毫秒级延迟RTSP|RTMP播放器技术探究和AI视觉算法对接

​引言

十年前，大牛直播SDK发布了跨平台的RTMP、RTSP毫秒级低延迟播放器，随着AI的爆发式普及和发展，加之大多视觉算法分析，都是用在Python下，Python下对视频流延迟的要求越来越高，本文将深入解析基于Python实现的RTSP/RTMP播放器，探讨其代码结构、实现原理以及优化策略，先看使用场景：

实时监控与安防预警

• 交通监控：在城市交通管理中，通过低延迟播放器实时获取各个路口和路段的监控视频，交通管理人员可以及时查看路况，如是否有拥堵、事故等，并做出相应决策，如调整信号灯时长、派遣交警疏导等。

• 安防监控：在小区、商场、工厂等场所，安防人员需要实时监控各个区域的情况，低延迟播放器能让他们及时发现异常行为、人员闯入等安全隐患，迅速采取措施。

• 工业监控：在工业生产中，对生产设备、生产线等进行实时监控，以便及时发现设备故障、生产异常等情况，减少停机时间和损失。

视频会议与远程协作

• 远程办公：在远程办公场景下，低延迟播放器可以用于实时获取远程同事的视频画面和音频，实现面对面般的沟通效果，提高远程协作的效率。

• 在线教育：教师可以通过低延迟播放器实时播放教学视频，学生能够及时看到教师的讲解和演示，增强在线学习的互动性和实时性。

智能视频分析与处理

• 体育赛事直播：在体育赛事直播中，低延迟播放器可以实时获取比赛画面，配合视频分析算法，实现对比赛情况的实时分析，如运动员的动作识别、球队战术分析等。

• 医疗手术直播：在医疗领域，低延迟播放器可以用于实时获取手术室的视频画面，供远程专家进行实时指导，提高手术的成功率和安全性。

Python下的RTMP、RTSP播放器延迟可以做到多低？以大牛直播SDK的Windows平台RTMP推送模块采集毫秒计数器窗口，然后推RTMP流到NGINX服务器，Python播放器拉流播放，整体延迟如下：

代码结构与功能概述

实际上，几年前就有一些开发者自己基于我们的Windows播放器SDK提供的接口，实现了Python下的低延迟播放，这个时候我们官方发布Python的demo，实际上一点儿也不意外，或者说本身难度也不大，因为底层都还是调了C接口，只是根据Python的调用规范做了下接口的转换，下面，我们从代码结构和功能这块，针对Python下的播放器实现，做个大概的说明：

类结构

整个播放器基于VideoPlayer类构建，它封装了播放器的核心逻辑和功能。其中，__init__方法初始化了播放器的各种属性和组件，包括用户界面（UI）元素、回调函数、事件队列等。

核心功能

• 播放控制 ：通过toggle_play方法实现播放与停止的切换。在播放过程中，调用init_common_sdk_param方法初始化SDK参数，设置缓冲区大小、渲染模式等，并通过SetRenderWindow将视频渲染窗口与GUI界面的画布关联起来。在停止播放时，调用StopPlay方法，并清除帧队列以确保线程安全退出。

  SmartPlayerPythonDemo.py

  Created by daniusdk.com

  WeChat: xinsheng120

  def start_playback(self): if not self.player_handle or not self.player_handle.value: self.update_status("play handle is None") return

  print(f"start_playback")
  
  self.init_common_sdk_param()
  
  hwnd = ctypes.c_void_p(self.canvas.winfo_id())
  print(f"Canvas hwnd: 0x{hwnd.value:x}")
  if self.smart_player_sdk_api.SetRenderWindow(self.player_handle, hwnd) != NTBaseCodeDefine.NT_ERC_OK:
  	self.update_status("设置渲染窗口失败")
  	return
  
  # 设置硬解码
  if self.hardware_decode.get():
  	self.smart_player_sdk_api.SetH264HardwareDecoder(self.player_handle, 1 if self.is_support_h264_hardware_decoder else 0, 0)
  	self.smart_player_sdk_api.SetH265HardwareDecoder(self.player_handle, 1 if self.is_support_h265_hardware_decoder else 0, 0)
  
  self.smart_player_sdk_api.SetAudioVolume(self.player_handle, int(self.volume_scale.get()))
  
  if self.smart_player_sdk_api.StartPlay(self.player_handle) != NTBaseCodeDefine.NT_ERC_OK:
  	self.update_status("开始播放失败")
  	return
  
  if self.is_enable_frame_callback:
  	# 启动帧处理线程
  	self.stop_event.clear()
  	self.frame_thread = threading.Thread(target=self.process_frames, daemon=True)
  	self.frame_thread.start()
  
  self.is_playing = True
  self.play_btn.config(text="停止")
  self.update_status("正在播放...")

  def stop_playback(self): if not self.player_handle or not self.player_handle.value: return

  self.smart_player_sdk_api.StopPlay(self.player_handle)
  self.is_playing = False
  self.play_btn.config(text="播放")
  self.update_status("已停止")

• 硬件解码 ：根据设备支持情况，通过SetH264HardwareDecoder和SetH265HardwareDecoder方法启用硬件解码，以提高播放性能。

  设置硬解码

  if self.hardware_decode.get(): self.smart_player_sdk_api.SetH264HardwareDecoder(self.player_handle, 1 if self.is_support_h264_hardware_decoder else 0, 0) self.smart_player_sdk_api.SetH265HardwareDecoder(self.player_handle, 1 if self.is_support_h265_hardware_decoder else 0, 0)

• 录像功能 ：通过start_recording和stop_recording方法实现录像功能。在录像前，需要配置录像参数，如文件名规则、保存目录等。

  def toggle_record(self): if not self.is_recording: self.start_recording() else: self.stop_recording()

  def start_recording(self): if not self.player_handle or not self.player_handle.value: self.update_status("play handle is None") return

  # 确保记录配置已初始化
  if self.record_config is None:
  	messagebox.showinfo("提示", "请先配置录像参数")
  	self.show_record_config()  # 打开配置对话框
  	return
  
  print(f"start_recording")
  
  self.init_common_sdk_param()
  
  # 设置录像参数
  ruler = NT_SP_RecorderFileNameRuler()
  ruler.type_ = 0
  if self.record_config is not None:
  	ruler.file_name_prefix_ = self.record_config["file_prefix"].encode()
  	ruler.append_date_ = 1 if self.record_config["is_append_date"] else 0
  	ruler.append_time_ = 1 if self.record_config["is_append_time"] else 0
  
  self.smart_player_sdk_api.SetRecorderDirectoryW(
  	self.player_handle,
  	ctypes.c_wchar_p(self.record_config["dir_path"])
  )
  self.smart_player_sdk_api.SetRecorderFileNameRuler(self.player_handle, byref(ruler))
  self.smart_player_sdk_api.SetRecorderVideo(self.player_handle,
  	c_int(1 if self.record_config["is_record_video"] else 0))
  self.smart_player_sdk_api.SetRecorderAudio(self.player_handle,
  	c_int(1 if self.record_config["is_record_audio"] else 0))
  
  if self.smart_player_sdk_api.StartRecorder(self.player_handle) == NTBaseCodeDefine.NT_ERC_OK:
  	self.is_recording = True
  	self.record_btn.config(text="停止录像")
  	self.update_status("录像中...")
  else:
  	self.update_status("启动录像失败")

  def stop_recording(self): if not self.player_handle or not self.player_handle.value: return

  print(f"stop_recording Player handle: 0x{self.player_handle.value:x}")
  
  self.smart_player_sdk_api.StopRecorder(self.player_handle)
  self.is_recording = False
  self.record_btn.config(text="录像")
  self.update_status("录像已停止")

• 截图功能 ：通过capture_image方法调用SDK的CaptureImage接口实现截图，并通过回调函数处理截图结果。

  def capture_image(self): if not self.player_handle or not self.player_handle.value: return

  filename = f"capture_{datetime.now().strftime('%Y%m%d%H%M%S')}.png"
  
  # 定义回调函数
  def capture_callback(handle, user_data, result, file_name):
  	status = "成功" if result == NTBaseCodeDefine.NT_ERC_OK else "失败"
  	self.capture_queue.put((result, file_name.decode('utf-8') if file_name else filename))
  
  # 创建回调对象并保持引用
  self.capture_image_cb = CAPTURE_IMAGE_CALLBACK(capture_callback)
  
  # 调用SDK接口
  ret = self.smart_player_sdk_api.CaptureImage(
  	self.player_handle,
  	filename.encode('utf-8'),
  	None,
  	self.capture_image_cb)
  
  if ret != NTBaseCodeDefine.NT_ERC_OK:
  	self.update_status("截图请求发送失败")

实现原理与关键技术

视频播放原理

大牛直播SDK的Python下的RTMP、RTSP播放器通过调用智能播放器SDK的StartPlay方法开始播放。在播放过程中，SDK会通过回调函数向帧队列中推送视频帧数据。帧处理线程从队列中获取帧数据，并将其转换为图像格式供UI界面显示。

回调机制

• 事件回调 ：事件回调函数用于处理各种播放事件，如连接状态变化、缓冲进度更新等。通过SetEventCallBack设置事件回调函数，事件信息将被传递到主线程进行处理。

• 视频帧回调 ：视频帧回调函数用于接收视频帧数据。在回调函数中，将视频帧数据转换为字节流并存入帧队列，以供后续处理和显示。

• 录像回调 ：录像回调函数用于处理录像状态变化，如新文件生成、文件完成等。通过SetRecorderCallBack设置录像回调函数，录像信息将被传递到主线程进行处理。

UI界面设计

UI界面基于Tkinter构建，包括视频画布、控制按钮、输入框等组件。通过pack方法和grid方法对组件进行布局和定位，实现了一个简洁直观的用户界面。

优化与扩展策略

性能优化

• 硬件加速 ：充分利用硬件解码功能，提高视频解码效率。

• 异步线程处理 ：通过多线程技术异步处理视频帧数据，避免阻塞主线程，提高播放流畅度。

• 缓冲区管理 ：合理设置缓冲区大小和超时时间，以平衡播放质量和网络延迟。

功能扩展

• 添加音量调节滑块 ：通过scale控件实现音量调节功能，用户可以实时调整播放音量。

• 改进录像回调处理 ：在录像回调函数中添加更多处理逻辑，如自动分割文件、上传录像文件等。

• 支持更多视频格式 ：通过扩展SDK接口或添加新的解码器，支持更多视频格式的播放。

Python播放器技术优势

1. 低延迟性

低延迟播放器通过优化数据处理和传输过程，实现了更低的延迟。这对于需要实时交互的应用场景非常重要，如监控、互动式直播、视频会议等。观众可以几乎实时地观看直播内容、参与互动，大大提升了实时性和互动性体验。

2. 高兼容性和灵活性

RTSP和RTMP协议支持多种媒体格式和编码方式，具有很强的兼容性。无论是常见的H.264、H.265视频编码格式，还是AAC、PCMA、PCMU等音频编码格式，低延迟播放器都能很好地支持，能够适应不同设备和系统的需求。

3. 支持多种网络环境

低延迟播放器能够适应不同的网络环境，包括TCP和UDP传输方式。TCP保证了传输的可靠性，适用于对数据准确性要求较高的场景；UDP则具有较低的延迟和较高的传输效率，适用于对实时性要求较高的场景。此外，播放器还支持自适应调整播放策略，如在网络带宽不足时自动降低视频的分辨率或帧率，以保证视频的流畅播放。

4. 硬件加速

现代播放器通常利用硬件加速来提高播放性能。这可以通过使用专用的硬件解码器和图形加速器来实现，以加快解码和渲染过程，从而降低延迟。例如，在解码过程中，采用高效的解码算法，充分利用硬件加速功能，如GPU加速，以快速处理大量的音视频数据。

5. 高效的缓冲管理

低延迟播放器通过有效的缓存管理来减少延迟。它会使用较小的缓冲区，并采用动态缓冲策略，使缓存保持最小化，从而减少播放器响应时间。同时，支持设置缓冲时间，以应对网络抖动等不稳定情况，确保播放的流畅性。

6. 快速起播

低延迟播放器致力于实现快速的起播时间。它可以使用预加载技术，提前缓存部分音视频数据，并在用户点击播放时立即开始播放，从而缩短起播延迟。

7. 支持多实例播放

低延迟播放器支持多实例播放，适用于需要同时监控多个视频源的场景。这不仅满足了不同用户的需求，还保证了低延迟性能。

8. 功能丰富

Python下的RTMP、RTSP播放器，实际上还是调用的C接口的，所以Windows平台播放器支持的功能，Python下依然支持，完善的功能，覆盖了95%以上的使用场景。

如何实现AI视觉算法对接？

大牛直播SDK做Python下的低延迟RTMP、RTSP播放器，除了常规播放外，更多的是为了方便做Python下的视觉算法对接处理。

一、回调函数的实现

1. 定义回调函数 在播放器的代码中，定义一个回调函数来接收YUV或RGB数据。例如：

   def video_frame_callback(self, handle, user_data, status, frame):
       if not frame:
           return
   
       frame_data = frame.contents
       if frame_data.format_ == NT_SP_E_VIDEO_FRAME_FORMAT.NT_SP_E_VIDEO_FRAME_FORMAT_YUV420P.value:
           # 处理YUV420P数据
           yuv_data = bytes(ctypes.cast(frame_data.plane0_, ctypes.POINTER(ctypes.c_ubyte * frame_data.size_)).contents)
           self.process_yuv_frame(yuv_data, frame_data.width_, frame_data.height_)
       elif frame_data.format_ == NT_SP_E_VIDEO_FRAME_FORMAT.NT_SP_E_VIDEO_FRAME_FORMAT_RGB24.value:
           # 处理RGB24数据
           rgb_data = bytes(ctypes.cast(frame_data.plane0_, ctypes.POINTER(ctypes.c_ubyte * frame_data.size_)).contents)
           self.process_rgb_frame(rgb_data, frame_data.width_, frame_data.height_)

2. 注册回调函数 在播放器初始化时，将回调函数注册到播放器SDK中：

   self.frame_cb = VIDEO_FRAME_CALLBACK(self.video_frame_callback)
   self.smart_player_sdk_api.SetVideoFrameCallBack(self.player_handle,
                              NT_SP_E_VIDEO_FRAME_FORMAT.NT_SP_E_VIDEO_FRAME_FORMAT_YUV420P.value,
                              None, self.frame_cb)

二、视觉算法的对接

1. YUV数据的处理

   • 如果视觉算法需要YUV数据，可以直接将回调函数中的YUV数据传递给算法：

     def process_yuv_frame(self, yuv_data, width, height):
         # 将YUV数据转换为numpy数组
         yuv_array = np.frombuffer(yuv_data, dtype=np.uint8).reshape((height * 3 // 2, width))
     
         # 调用视觉算法
         result = self.visual_algorithm.process_yuv(yuv_array)
     
         # 在主线程更新UI
         self.root.after(0, self.update_visual_result, result)

2. RGB数据的处理

   • 如果视觉算法需要RGB数据，可以将YUV数据转换为RGB数据，或者直接使用回调函数中的RGB数据：

     def process_rgb_frame(self, rgb_data, width, height):
         # 将RGB数据转换为numpy数组
         rgb_array = np.frombuffer(rgb_data, dtype=np.uint8).reshape((height, width, 3))
     
         # 调用视觉算法
         result = self.visual_algorithm.process_rgb(rgb_array)
     
         # 在主线程更新UI
         self.root.after(0, self.update_visual_result, result)

3. 视觉算法的实现

   • 定义一个视觉算法类，包含处理YUV和RGB数据的方法：

     class VisualAlgorithm:
         def process_yuv(self, yuv_array):
             # 在这里实现视觉算法对YUV数据的处理
             pass
     
         def process_rgb(self, rgb_array):
             # 在这里实现视觉算法对RGB数据的处理
             pass

三、在播放器中集成视觉算法

1. 初始化视觉算法 在播放器的初始化方法中，创建视觉算法的实例：

   def __init__(self, root):
       # 其他初始化代码
       self.visual_algorithm = VisualAlgorithm()

2. 更新视觉结果 定义一个方法来在UI上更新视觉算法的结果：

   def update_visual_result(self, result):
       # 在这里更新UI以显示视觉算法的结果
       pass

通过以上步骤，我们可以轻松将YUV或RGB数据回调与视觉算法对接，在播放器中实现视觉算法的功能。

结论

基于Python实现的RTSP/RTMP播放器具有简单易用、功能丰富、可扩展性强等特点。通过对代码结构和实现原理的深入解析，可以帮助开发者更好地理解和优化播放器，毫秒级的播放体验和解码后yuv或rgb数据回调模式，提高了实时直播场景下，Python环境下AI算法处理的效率，以上抛砖引玉，感兴趣的开发者，可以单独跟我沟通探讨。