本文由融云技術(shù)團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)投稿，作者是融云WebRTC高級(jí)工程師蘇道，轉(zhuǎn)載請注明出處。

1、引言

在一個(gè)典型的IM應(yīng)用里，使用實(shí)時(shí)音視頻聊天功能時(shí)，視頻首幀的顯示，是一項(xiàng)很重要的用戶體驗(yàn)指標(biāo)。

本文主要通過對(duì)WebRTC接收端的音視頻處理過程分析，來了解和優(yōu)化視頻首幀的顯示時(shí)間，并進(jìn)行了總結(jié)和分享。

（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-3169-1-1.html）

2、什么是WebRTC？

對(duì)于沒接觸過實(shí)時(shí)音視頻技術(shù)的人來說，總是看到別人在提WebRTC，那WebRTC是什么？我們有必要簡單介紹一下。

說到 WebRTC，我們不得不提到 Gobal IP Solutions，簡稱 GIPS。這是一家 1990 年成立于瑞典斯德哥爾摩的 VoIP 軟件開發(fā)商，提供了可以說是世界上最好的語音引擎。相關(guān)介紹詳見《訪談WebRTC標(biāo)準(zhǔn)之父：WebRTC的過去、現(xiàn)在和未來》。

Skype、騰訊 QQ、WebEx、Vidyo 等都使用了它的音頻處理引擎，包含了受專利保護(hù)的回聲消除算法，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)和丟包的低延遲算法，以及先進(jìn)的音頻編解碼器。

Google 在 Gtalk 中也使用了 GIPS 的授權(quán)。Google 在 2011 年以6820萬美元收購了 GIPS，并將其源代碼開源，加上在 2010 年收購的 On2 獲取到的 VPx 系列視頻編解碼器（詳見《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十七）：視頻編碼H.264、VP8的前世今生》），WebRTC 開源項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，即 GIPS 音視頻引擎 + 替換掉 H.264 的 VPx 視頻編解碼器。

在此之后，Google 又將在 Gtalk 中用于 P2P 打洞的開源項(xiàng)目 libjingle 融合進(jìn)了 WebRTC。目前 WebRTC 提供了包括 Web、iOS、Android、Mac、Windows、Linux 在內(nèi)的所有平臺(tái)支持。

（以上介紹，引用自《了不起的WebRTC：生態(tài)日趨完善，或?qū)?shí)時(shí)音視頻技術(shù)白菜化》）

雖然WebRTC的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的Web端實(shí)時(shí)音視頻通訊，但因?yàn)楹诵膶哟a的Native、高品質(zhì)和內(nèi)聚性，開發(fā)者很容易進(jìn)行除Web平臺(tái)外的移殖和應(yīng)用。目前為止，WebRTC幾乎是是業(yè)界能免費(fèi)得到的唯一高品質(zhì)實(shí)時(shí)音視頻通訊技術(shù)。

3、流程介紹

一個(gè)典型的實(shí)時(shí)音視頻處理流程大概是這樣：

• 1）發(fā)送端采集音視頻數(shù)據(jù)，通過編碼器生成幀數(shù)據(jù)；
• 2）這數(shù)據(jù)被打包成 RTP 包，通過 ICE 通道發(fā)送到接收端；
• 3）接收端接收 RTP 包，取出 RTP payload，完成組幀的操作；
• 4）之后音視頻解碼器解碼幀數(shù)據(jù)，生成視頻圖像或音頻 PCM 數(shù)據(jù)。

如下圖所示：

本文所涉及的參數(shù)調(diào)整，談?wù)摰牟糠治挥谏蠄D中的第 4 步。

因?yàn)槭墙邮斩耍詴?huì)收到對(duì)方的 Offer 請求。先設(shè)置 SetRemoteDescription 再 SetLocalDescription。

如下圖藍(lán)色部分： 

4、參數(shù)調(diào)整

4.1 視頻參數(shù)調(diào)整

當(dāng)收到 Signal 線程 SetRemoteDescription 后，會(huì)在 Worker 線程中創(chuàng)建 VideoReceiveStream 對(duì)象。具體流程為 SetRemoteDescription -> VideoChannel::SetRemoteContent_w 創(chuàng)建 WebRtcVideoReceiveStream。

WebRtcVideoReceiveStream 包含了一個(gè) VideoReceiveStream 類型 stream_ 對(duì)象， 通過 webrtc::VideoReceiveStream* Call::CreateVideoReceiveStream 創(chuàng)建。

創(chuàng)建后立即啟動(dòng) VideoReceiveStream 工作，即調(diào)用 Start() 方法。

此時(shí) VideoReceiveStream 包含一個(gè) RtpVideoStreamReceiver 對(duì)象準(zhǔn)備開始處理 video RTP 包。

接收方創(chuàng)建 createAnswer 后通過 setLocalDescription 設(shè)置 local descritpion。 

對(duì)應(yīng)會(huì)在 Worker 線程中 setLocalContent_w 方法中根據(jù) SDP 設(shè)置 channel 的接收參數(shù)，最終會(huì)調(diào)用到 WebRtcVideoReceiveStream::SetRecvParameters。

WebRtcVideoReceiveStream::SetRecvParameters 實(shí)現(xiàn)如下：

void WebRtcVideoChannel::WebRtcVideoReceiveStream::SetRecvParameters(

    const ChangedRecvParameters& params) {

  bool video_needs_recreation = false;

  bool flexfec_needs_recreation = false;

  if(params.codec_settings) {

    ConfigureCodecs(*params.codec_settings);

    video_needs_recreation = true;

  }

  if(params.rtp_header_extensions) {

    config_.rtp.extensions = *params.rtp_header_extensions;

    flexfec_config_.rtp_header_extensions = *params.rtp_header_extensions;

    video_needs_recreation = true;

    flexfec_needs_recreation = true;

  }

  if(params.flexfec_payload_type) {

    ConfigureFlexfecCodec(*params.flexfec_payload_type);

    flexfec_needs_recreation = true;

  }

  if(flexfec_needs_recreation) {

    RTC_LOG(LS_INFO) << "MaybeRecreateWebRtcFlexfecStream (recv) because of "

                        "SetRecvParameters";

    MaybeRecreateWebRtcFlexfecStream();

  }

  if(video_needs_recreation) {

    RTC_LOG(LS_INFO)

        << "RecreateWebRtcVideoStream (recv) because of SetRecvParameters";

    RecreateWebRtcVideoStream();

  }

}

根據(jù)上面 SetRecvParameters 代碼，如果 codec_settings 不為空、rtp_header_extensions 不為空、flexfec_payload_type 不為空都會(huì)重啟 VideoReceiveStream。

video_needs_recreation 表示是否要重啟 VideoReceiveStream。

重啟過程為：把先前創(chuàng)建的釋放掉，然后重建新的 VideoReceiveStream。

以 codec_settings 為例：初始 video codec 支持 H264 和 VP8。若對(duì)端只支持 H264，協(xié)商后的 codec 僅支持 H264。SetRecvParameters 中的 codec_settings 為 H264 不空。其實(shí)前后 VideoReceiveStream 的都有 H264 codec，沒有必要重建 VideoReceiveStream。可以通過配置本地支持的 video codec 初始列表和 rtp extensions，從而生成的 local SDP 和 remote SDP 中影響接收參數(shù)部分調(diào)整一致，并且判斷 codec_settings 是否相等。 如果不相等再 video_needs_recreation 為 true。

這樣設(shè)置就會(huì)使 SetRecvParameters 避免觸發(fā)重啟 VideoReceiveStream 邏輯。 

在 debug 模式下，修改后，驗(yàn)證沒有 “RecreateWebRtcVideoStream (recv) because of SetRecvParameters” 的打印, 即可證明沒有 VideoReceiveStream 重啟。

4.2 音頻參數(shù)調(diào)整

和上面的視頻調(diào)整類似，音頻也會(huì)有因?yàn)?rtp extensions 不一致導(dǎo)致重新創(chuàng)建 AudioReceiveStream，也是釋放先前的 AudioReceiveStream，再重新創(chuàng)建 AudioReceiveStream。

參考代碼:

bool WebRtcVoiceMediaChannel::SetRecvParameters(

    const AudioRecvParameters& params) {

  TRACE_EVENT0("webrtc", "WebRtcVoiceMediaChannel::SetRecvParameters");

  RTC_DCHECK(worker_thread_checker_.CalledOnValidThread());

  RTC_LOG(LS_INFO) << "WebRtcVoiceMediaChannel::SetRecvParameters: "

                   << params.ToString();

  // TODO(pthatcher): Refactor this to be more clean now that we have

  // all the information at once.

 

  if(!SetRecvCodecs(params.codecs)) {

    return false;

  }

 

  if(!ValidateRtpExtensions(params.extensions)) {

    return false;

  }

  std::vector<webrtc::RtpExtension> filtered_extensions = FilterRtpExtensions(

      params.extensions, webrtc::RtpExtension::IsSupportedForAudio, false);

  if(recv_rtp_extensions_ != filtered_extensions) {

    recv_rtp_extensions_.swap(filtered_extensions);

    for(auto& it : recv_streams_) {

      it.second->SetRtpExtensionsAndRecreateStream(recv_rtp_extensions_);

    }

  }

  return true;

}

AudioReceiveStream 的構(gòu)造方法會(huì)啟動(dòng)音頻設(shè)備，即調(diào)用 AudioDeviceModule 的 StartPlayout。

AudioReceiveStream 的析構(gòu)方法會(huì)停止音頻設(shè)備，即調(diào)用 AudioDeviceModule 的 StopPlayout。

因此重啟 AudioReceiveStream 會(huì)觸發(fā)多次 StartPlayout/StopPlayout。

經(jīng)測試，這些不必要的操作會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入視頻會(huì)議的房間時(shí)，播放的音頻有一小段間斷的情況。

解決方法：同樣是通過配置本地支持的 audio codec 初始列表和 rtp extensions，從而生成的 local SDP 和 remote SDP 中影響接收參數(shù)部分調(diào)整一致，避免 AudioReceiveStream 重啟邏輯。

另外 audio codec 多為 WebRTC 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，去掉一些不用的 Audio Codec，可以減小 WebRTC 對(duì)應(yīng)的庫文件。

4.3 音視頻相互影響

WebRTC 內(nèi)部有三個(gè)非常重要的線程：

• 1）woker 線程；
• 2）signal 線程；
• 3）network 線程。

調(diào)用 PeerConnection 的 API 的調(diào)用會(huì)由 signal 線程進(jìn)入到 worker 線程。

worker 線程內(nèi)完成媒體數(shù)據(jù)的處理，network 線程處理網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的事務(wù)，channel.h 文件中有說明，以 _w 結(jié)尾的方法為 worker 線程的方法，signal 線程的到 worker 線程的調(diào)用是同步操作。

如下面代碼中的 InvokerOnWorker 是同步操作，setLocalContent_w 和 setRemoteContent_w 是 worker 線程中的方法。

bool BaseChannel::SetLocalContent(const MediaContentDescription* content,

                                  SdpType type,

                                  std::string* error_desc) {

  TRACE_EVENT0("webrtc", "BaseChannel::SetLocalContent");

  returnI nvokeOnWorker<bool>(

      RTC_FROM_HERE,

      Bind(&BaseChannel::SetLocalContent_w, this, content, type, error_desc));

}

 

bool BaseChannel::SetRemoteContent(const MediaContentDescription* content,

                                   SdpType type,

                                   std::string* error_desc) {

  TRACE_EVENT0("webrtc", "BaseChannel::SetRemoteContent");

  return InvokeOnWorker<bool>(

      RTC_FROM_HERE,

      Bind(&BaseChannel::SetRemoteContent_w, this, content, type, error_desc));

}

setLocalDescription 和 setRemoteDescription 中的 SDP 信息都會(huì)通過 PeerConnection 的 PushdownMediaDescription 方法依次下發(fā)給 audio/video RtpTransceiver 設(shè)置 SDP 信息。

舉例：執(zhí)行 audio 的 SetRemoteContent_w 執(zhí)行很長（比如音頻 AudioDeviceModule 的 InitPlayout 執(zhí)行耗時(shí)）, 會(huì)影響后面的 video SetRemoteContent_w 的設(shè)置時(shí)間。

PushdownMediaDescription 代碼：

RTCError PeerConnection::PushdownMediaDescription(

    SdpType type,

    cricket::ContentSource source) {

  const SessionDescriptionInterface* sdesc =

      (source == cricket::CS_LOCAL ? local_description()

                                   : remote_description());

  RTC_DCHECK(sdesc);

 

  // Push down the new SDP media section for each audio/video transceiver.

  for(const auto& transceiver : transceivers_) {

    const ContentInfo* content_info =

        FindMediaSectionForTransceiver(transceiver, sdesc);

    cricket::ChannelInterface* channel = transceiver->internal()->channel();

    if(!channel || !content_info || content_info->rejected) {

      continue;

    }

    const MediaContentDescription* content_desc =

        content_info->media_description();

    if(!content_desc) {

      continue;

    }

    std::string error;

    bool success = (source == cricket::CS_LOCAL)

                       ? channel->SetLocalContent(content_desc, type, &error)

                       : channel->SetRemoteContent(content_desc, type, &error);

    if(!success) {

      LOG_AND_RETURN_ERROR(RTCErrorType::INVALID_PARAMETER, error);

    }

  }

  ...

}

5、其他影響首幀顯示的問題

5.1 Android圖像寬高16字節(jié)對(duì)齊

AndroidVideoDecoder 是 WebRTC Android 平臺(tái)上的視頻硬解類。AndroidVideoDecoder 利用 MediaCodec API 完成對(duì)硬件解碼器的調(diào)用。

MediaCodec 有已下解碼相關(guān)的 API：

• 1）dequeueInputBuffer：若大于 0，則是返回填充編碼數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的索引，該操作為同步操作；
• 2）getInputBuffer：填充編碼數(shù)據(jù)的 ByteBuffer 數(shù)組，結(jié)合 dequeueInputBuffer 返回值，可獲取一個(gè)可填充編碼數(shù)據(jù)的 ByteBuffer；
• 3）queueInputBuffer：應(yīng)用將編碼數(shù)據(jù)拷貝到 ByteBuffer 后，通過該方法告知 MediaCodec 已經(jīng)填寫的編碼數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)索引；
• 4）dequeueOutputBuffer：若大于 0，則是返回填充解碼數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的索引，該操作為同步操作；
• 5）getOutputBuffer：填充解碼數(shù)據(jù)的 ByteBuffer 數(shù)組，結(jié)合 dequeueOutputBuffer 返回值，可獲取一個(gè)可填充解碼數(shù)據(jù)的 ByteBuffer；
• 6）releaseOutputBuffer：告訴編碼器數(shù)據(jù)處理完成，釋放 ByteBuffer 數(shù)據(jù)。

在實(shí)踐當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)送端發(fā)送的視頻寬高需要 16 字節(jié)對(duì)齊，因?yàn)樵谀承?Android 手機(jī)上解碼器需要 16 字節(jié)對(duì)齊。

大致的原理就是：Android 上視頻解碼先是把待解碼的數(shù)據(jù)通過 queueInputBuffer 給到 MediaCodec。然后通過 dequeueOutputBuffer 反復(fù)查看是否有解完的視頻幀。若非 16 字節(jié)對(duì)齊，dequeueOutputBuffer 會(huì)有一次MediaCodec.INFO_OUTPUT_BUFFERS_CHANGED。而不是一上來就能成功解碼一幀。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：幀寬高非 16 字節(jié)對(duì)齊會(huì)比 16 字節(jié)對(duì)齊的慢 100 ms 左右。

5.2 服務(wù)器需轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵幀請求

iOS 移動(dòng)設(shè)備上，WebRTC App應(yīng)用進(jìn)入后臺(tái)后，視頻解碼由 VTDecompressionSessionDecodeFrame 返回 kVTInvalidSessionErr，表示解碼session 無效。從而會(huì)觸發(fā)觀看端的關(guān)鍵幀請求給服務(wù)器。

這里要求服務(wù)器必須轉(zhuǎn)發(fā)接收端發(fā)來的關(guān)鍵幀請求給發(fā)送端。若服務(wù)器沒有轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵幀給發(fā)送端，接收端就會(huì)長時(shí)間沒有可以渲染的圖像，從而出現(xiàn)黑屏問題。

這種情況下只能等待發(fā)送端自己生成關(guān)鍵幀，發(fā)送個(gè)接收端，從而使黑屏的接收端恢復(fù)正常。

5.3 WebRTC內(nèi)部的一些丟棄數(shù)據(jù)邏輯舉例

Webrtc從接受報(bào)數(shù)據(jù)到、給到解碼器之間的過程中也會(huì)有很多驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。

舉例1：

PacketBuffer 中記錄著當(dāng)前緩存的最小的序號(hào) first_seq_num_（這個(gè)值也是會(huì)被更新的）。 當(dāng) PacketBuffer 中 InsertPacket 時(shí)候，如果即將要插入的 packet 的序號(hào) seq_num 小于 first_seq_num，這個(gè) packet 會(huì)被丟棄掉。如果因此持續(xù)丟棄 packet，就會(huì)有視頻不顯示或卡頓的情況。

舉例2：

正常情況下 FrameBuffer 中幀的 picture id，時(shí)間戳都是一直正增長的。

如果 FrameBuffer 收到 picture_id 比最后解碼幀的 picture id 小時(shí)，分兩種情況：

• 1）時(shí)間戳比最后解碼幀的時(shí)間戳大，且是關(guān)鍵幀，就會(huì)保存下來。
• 2）除情況 1 之外的幀都會(huì)丟棄掉。

代碼如下: 

auto last_decoded_frame = decoded_frames_history_.GetLastDecodedFrameId();

 auto last_decoded_frame_timestamp =

     decoded_frames_history_.GetLastDecodedFrameTimestamp();

 if(last_decoded_frame && id <= *last_decoded_frame) {

   if(AheadOf(frame->Timestamp(), *last_decoded_frame_timestamp) &&

       frame->is_keyframe()) {

     // If this frame has a newer timestamp but an earlier picture id then we

     // assume there has been a jump in the picture id due to some encoder

     // reconfiguration or some other reason. Even though this is not according

     // to spec we can still continue to decode from this frame if it is a

     // keyframe.

     RTC_LOG(LS_WARNING)

         << "A jump in picture id was detected, clearing buffer.";

     ClearFramesAndHistory();

     last_continuous_picture_id = -1;

   } else{

     RTC_LOG(LS_WARNING) << "Frame with (picture_id:spatial_id) ("

                         << id.picture_id << ":"

                         << static_cast<int>(id.spatial_layer)

                         << ") inserted after frame ("

                         << last_decoded_frame->picture_id << ":"

                         << static_cast<int>(last_decoded_frame->spatial_layer)

                         << ") was handed off for decoding, dropping frame.";

     return last_continuous_picture_id;

   }

 }

因此為了能讓收到了流順利播放，發(fā)送端和中轉(zhuǎn)的服務(wù)端需要確保視頻幀的 picture_id, 時(shí)間戳正確性。

WebRTC 還有其他很多丟幀邏輯，若網(wǎng)絡(luò)正常且有持續(xù)有接收數(shù)據(jù)，但是視頻卡頓或黑屏無顯示，多為流本身的問題。

6、本文小結(jié)

本文通過分析 WebRTC 音視頻接收端的處理邏輯，列舉了一些可以優(yōu)化首幀顯示的點(diǎn)，比如通過調(diào)整 local SDP 和 remote SDP 中與影響接收端處理的相關(guān)部分，從而避免 Audio/Video ReceiveStream 的重啟。

另外列舉了 Android 解碼器對(duì)視頻寬高的要求、服務(wù)端對(duì)關(guān)鍵幀請求處理、以及 WebRTC 代碼內(nèi)部的一些丟幀邏輯等多個(gè)方面對(duì)視頻顯示的影響。 這些點(diǎn)都提高了融云 SDK 視頻首幀的顯示時(shí)間，改善了用戶體驗(yàn)。

因個(gè)人水平有限，文章內(nèi)容或許存在一定的局限性，歡迎回復(fù)進(jìn)行討論。

附錄1：融云分享的其它文章

《融云技術(shù)分享：融云安卓端IM產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)鏈路保活技術(shù)實(shí)踐》

《IM消息ID技術(shù)專題(三)：解密融云IM產(chǎn)品的聊天消息ID生成策略》

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附錄2：更多實(shí)時(shí)音視頻相關(guān)技術(shù)文章

[1] 開源實(shí)時(shí)音視頻技術(shù)WebRTC的文章：
《開源實(shí)時(shí)音視頻技術(shù)WebRTC的現(xiàn)狀》
《簡述開源實(shí)時(shí)音視頻技術(shù)WebRTC的優(yōu)缺點(diǎn)》
《訪談WebRTC標(biāo)準(zhǔn)之父：WebRTC的過去、現(xiàn)在和未來》
《良心分享：WebRTC 零基礎(chǔ)開發(fā)者教程（中文）[附件下載]》
《WebRTC實(shí)時(shí)音視頻技術(shù)的整體架構(gòu)介紹》
《新手入門：到底什么是WebRTC服務(wù)器，以及它是如何聯(lián)接通話的？》
《WebRTC實(shí)時(shí)音視頻技術(shù)基礎(chǔ)：基本架構(gòu)和協(xié)議棧》
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[2] 實(shí)時(shí)音視頻開發(fā)的其它精華資料：
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（一）：視頻編解碼之理論概述》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（二）：視頻編解碼之?dāng)?shù)字視頻介紹》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（三）：視頻編解碼之編碼基礎(chǔ)》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（四）：視頻編解碼之預(yù)測技術(shù)介紹》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（五）：認(rèn)識(shí)主流視頻編碼技術(shù)H.264》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（六）：如何開始音頻編解碼技術(shù)的學(xué)習(xí)》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（七）：音頻基礎(chǔ)及編碼原理入門》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（八）：常見的實(shí)時(shí)語音通訊編碼標(biāo)準(zhǔn)》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（九）：實(shí)時(shí)語音通訊的回音及回音消除概述》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十）：實(shí)時(shí)語音通訊的回音消除技術(shù)詳解》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十一）：實(shí)時(shí)語音通訊丟包補(bǔ)償技術(shù)詳解》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十二）：多人實(shí)時(shí)音視頻聊天架構(gòu)探討》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十三）：實(shí)時(shí)視頻編碼H.264的特點(diǎn)與優(yōu)勢》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十四）：實(shí)時(shí)音視頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議介紹》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十五）：聊聊P2P與實(shí)時(shí)音視頻的應(yīng)用情況》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十六）：移動(dòng)端實(shí)時(shí)音視頻開發(fā)的幾個(gè)建議》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十七）：視頻編碼H.264、VP8的前世今生》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十八）：詳解音頻編解碼的原理、演進(jìn)和應(yīng)用選型》
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