基于RTMP協議的電視直播信號傳輸方法與應用

黎 梅

廣西廣播電視臺 廣西 南寧市 530022

1 互聯網傳輸電視現場直播信號的優點與可行性

在數字電視時代，傳輸電視現場直播信號時無論采用何種傳輸技術，首先要將直播信號的視音頻內容進行數字化編碼，之后通過不同信道傳輸，在接收端重新解碼視音頻數據并轉換為電視信號，采用衛星、光纖、微波等傳統傳輸技術與采用互聯網傳輸最大區別僅是傳輸鏈路、協議不同。

傳統電視信號的傳輸技術各有缺點，如衛星傳輸價格較高，光纖傳輸要求在指定地點，微波傳輸對直線距離有一定要求和限制?；ヂ摼W傳輸的優點是網絡接入點多，成本低，傳輸距離遠，在網絡帶寬允許情況下可以承擔傳輸任務。

通過互聯網傳輸電視信號的缺點在于其采用的不是專用網絡，存在網絡帶寬不穩定、數據時延不確定等問題，因此一直沒有廣泛應用。隨著電信技術發展，互聯網傳輸速率越來越高。據統計2022 年，中國固定互聯網寬帶接入速率在100M 和1000M 之間占比為78.4%，1000M以上占比為15.6%，20M 和100M 之間占比為4.8%，20M 以下為1.2%。高帶寬使得通過互聯網傳輸電視信號成為可能，這一點在網絡視頻直播領域得到驗證和應用。

2 常用網絡視頻直播協議

互聯網常用的網絡視頻直播協議主要有RTMP、RTSP、HTTP 等，分別基于TCP 或UDP協議工作。

2.1 RTMP 協議

RTMP 協議基于TCP，設計用于進行實時數據通信的網絡協議，主要在支持RTMP 協議流媒體/交互服務器之間進行音視頻和數據通信。

2.2 RTSP 協議

RTSP 是多媒體播放控制協議，用來控制多媒體串流暫停/繼續、后退、前進。RTSP 在體系結構上位于RTP 和RTCP 之上，使用TCP 或UDP 完成數據傳輸。

2.3 HTTP 協議

在視頻直播/點播時，將多媒體流數據切片封裝到HTTP 協議中進行發布。

表1 針對這三種協議進行比較，重點在于丟包和延時方面。如表1 所列，RTSP 協議直播延時最低，得益于其在傳輸多媒體流數據時采用丟包不重傳的UDP 協議，但是也容易因丟包而造成解碼錯誤，使視頻畫面出現花屏、馬賽克之類現象。

RTMP、HTTP 協議是基于TCP 協議，采用丟包重傳機制，可以保證IP 數據包可靠傳輸，由于RTMP 協議比HTTP 協議延時低，相比較之下RTMP 協議更適合用于電視現場直播信號傳輸。

3 RTMP 網絡直播系統架構和工作模式

RTMP協議是Adboe公司私有協議，傳輸flv、f4v格式流，視頻編碼為H.264，音頻編碼為AAC。

RTMP 協議應用于網絡視頻直播時有兩種工作模式，一種稱為“推流”，指將編碼后的視音頻流傳輸到RTMP 服務器，另一種稱為“拉流”，指客戶端從RTMP 服務器獲取其緩存的視音頻流。一般的網絡視頻直播系統由圖1所示的這三個部分組成。

圖1 RTMP 直播結構

3.1 RTMP 推送端

RTMP 推送端將視音頻信號按flv、f4v 的格式要求進行編碼、封裝后，將這些多媒體流數據重新分片發送到RTMP服務器。

3.2 RTMP 服務器

RTMP 服務器將收到的流數據暫存在本機內存或磁盤中，并提供RTMP 轉發服務，將流數據發送給已連接的RTMP 接收端。

3.3 RTMP 接收端

RTMP 接收端根據指定地址與RTMP 服務器建立連接，從RTMP 服務器上取得所需要的多媒體流數據。

RTMP 協議雖然可以在支持TCP/IP 協議的衛星、光纖鏈路上傳輸流數據，但相比于傳統電視信號傳輸技術并沒有優勢，其主要應用互聯網傳輸多媒體流。

4 電視現場直播信號RTMP 收發設備及應用

圖1 是RTMP 網絡視頻直播的應用架構，在用于傳輸電視現場直播信號時，需要在原基礎上進行修改，增加電視行業專業設備，如圖2所示。

圖2 廣播電視行業RTMP 協議應用

4.1 RTMP 推送端設備

RTMP 推送端設備由視音頻采集/輸出設備和視頻編碼器組成，前者主要是電視行業常用的數字攝像機、錄像機等設備，其作用是將電視信號通過SDI 接口輸出；視頻編碼器則對輸入SDI 信號進行編碼，并按RTMP 協議將視音頻流推送到指定RTMP 服務器。

市售SDI 視頻編碼器價格從1 千多元至數萬元不等，但功能相差不大，價格差別主要體現在編碼質量、性能及穩定性等方面。由于RTMP 推送端多數用于將外場直播信號回傳到臺內，考慮到外場環境下可能無法提供固定電源和寬帶，因此有一些專為這種環境下使用的移動SDI 視頻編碼器，其自帶充電電池，并可以通過Wi-Fi 或內置3G/4G 電話卡上網，完成RTMP 協議推流。

視頻編碼器配置主要分為以下4 個部分：

（1）網絡設置：配置編碼器IP 地址、網關、子網掩碼、DNS 等常用網絡參數。

（2）視頻參數設置：配置視頻編碼方式如H.264、H.265，及碼率、幀頻、關鍵幀間隔、視頻尺寸等參數。

（3）音頻參數設置：配置音頻編碼如AAC、MP3，及音頻采樣率、通道、碼率等參數。

（4）RTMP 參數配置：配置RTMP 服務的IP 地址（或域名） 及上傳端口號（一般為1935），另外就是上傳至RTMP服務器的目錄名稱以及上傳節點（流名稱），這幾個參數缺一不可。

一個RTMP 流的連接串由RTMP 參數配置項的信息組成，包括協議名稱、IP 地址（或域名）、端口號、上傳目錄名稱、上傳節點（流名稱）五部分組成，例如：RTMP：//172.16.66.21：1935/live/stream001。

RTMP 服務器不對接收到的流數據重新進行編碼，而僅作緩存和轉發，因此編碼器視音頻參數決定最終電視信號質量。由于傳輸電視信號時視頻數據占比較高，重點在于根據網絡帶寬設置視頻碼率，當視頻采用H.264 編碼時，傳輸1080i 高清電視信號碼率設為5Mbps 以上，標清電視信號碼率設為2Mbps 以上，符合電視播出要求。

4.2 RTMP 服務器及軟件

RTMP 服務器主要由服務器硬件、操作系統、RTMP 流媒體服務器軟件組成，其核心是RTMP 流媒體服務器軟件，主要分為付費商業軟件和免費開源軟件兩類。

付費軟件代表是FMS（Adobe Flash Media Server，Adobe公司的流媒體服務軟件）優點除穩定性、兼容性好之外，對于推送給FMS 的RTMP 流，接收端可以使用HLS 協議連接。

在免費RTMP 服務軟件中，Red5（Red5 Mesia Server，Red5流媒體服務軟件）是當前應用較多的一個，完全兼容FMS 的RTMP 協議。用Red5 替換FMS后，推送端、接收端的RTMP 連接參數基本不用修改就可以使用。Red5 的性能和穩定性相比FMS 稍差，且不支持HLS 協議。

此外還有Wowza、 CRTMPD、Nginx-RTMP、SRS 等付費或免費流媒體服務軟件支持RTMP 協議，因此RTMP 服務軟件可選范圍很廣。除了自行購買軟硬件建立自己的RTMP 服務器外，還可以利用第三方的云視頻服務如阿里云、騰訊云、網易視頻云、樂視云等平臺，實現RTMP 協議推流和拉流，從而發揮云平臺并發能力和高帶寬優勢。

4.3 RTMP 接收端設備

對于一般的網絡視頻直播，接收端只需在個人計算機、平板電腦、手機上通過影音軟件播放RTMP 流，當用于電視信號傳輸時，需要增加將RTMP 流轉換為SDI 信號環節。

低成本方法是通過電腦播放器+截屏轉換輸出方式，即用影音軟件播放RTMP 流，將電腦顯卡輸出的VGA、DVI、HDMI等信號，通過轉換器轉換為SDI信號，圖3 是通過北京東方艾迪普公司的B-BOX 視音頻轉換器將電腦顯卡信號轉為SDI 信號線路圖。

這種轉換方式對電視信號質量產生一些影響，例如播放時屏幕畫面有時會拉條、某幾幀畫面不同步，或混入其它電腦軟件輸出聲音等問題。

一些廣播電視設備可以將RTMP 流通過其內置的SDI 視頻板卡輸出，如美國TVU Networks 公司TVU Pack 接收服務器，圖4 是通過TVU Pack 接收服務器輸出的畫面，在帶寬良好情況下，輸出電視信號質量與通過傳統傳輸技術相比沒有差別。

圖4 TVU Pack 接收服務器SDI 信號輸出

4.4 RTMP 協議傳輸電視信號優劣勢和應用保障

使用RTMP 協議傳輸電視信號較之傳統廣播電視傳輸方式（光纖、微波、衛星），及同為互聯網傳輸的RTSP、HTTP 協議而言，主要優勢在于打破地域限制，其采用推、拉流工作方式，使得接收端只要連接互聯網就可以接收信號，且一個來源信號可以在多個不同地點接收和解碼使用，優勢明顯，缺點是傳輸信號延時較大，一般延時3 秒，當網絡速率較低時，視音頻信號會產生卡頓現象。

當使用RTMP 協議傳輸電視直播信號時，要保障信號穩定，除需要穩定可靠帶寬外，還需要利用其推、拉流工作原理，合理分配信號流走向，如2017 年，廣西廣播電視臺“壯族三月三”大直播時，將本臺新聞頻道直播信號通過RTMP協議傳輸給中央廣播電視總臺，上海、貴州、廣東等多家電視臺，采用多個SDI 視頻編碼器進行交叉推流，并通過一推一拉方式，保障8 小時信號傳輸，如圖5 所示。

圖5 “壯族三月三”大直播RTMP 傳輸系統

結束語

互聯網利用RTMP 協議傳輸電視現場直播信號時，如果需要保證電視信號質量，應設置較高碼率，對傳輸帶寬和穩定性有一定要求，因此仍未在廣播電視行業廣泛應用。

當前H.265 編碼開始使用，其在同等畫質下比H.264 編碼節省約50%的碼率，市售大部分視頻編碼器支持H.265 編碼，問題是少有RTMP 流媒體服務器軟件支持H.265 編碼，這使得H.265 編碼暫時無法應用于RTMP 協議體系。隨著RTMP 流媒體服務器軟件升級換代，此種傳輸技術將會廣泛應用。