使用ffmpeg搭建HLS直播系统

[时间：2018-04] [状态：Open]
[关键词：流媒体，stream，HLS, ffmpeg,live,直播，点播, nginx, ssegment]

0 引言

本文作为HLS综述的后续文章。
主要目的是使用ffmpeg搭建一个简单的HLS点播及直播系统。使用nginx作为HTTP服务器。

HLS不管点播还是直播，都是基于HTTP的文件分发系统，所以本文的基本思路是：

1. 使用nginx搭建HTTP服务器
2. 使用ffmpeg实现ts文件的分片，并生成m3u8
3. ffmpeg使用本地文件模拟HLS直播
4. 支持多码率HLS生成

1 基于nginx的网络服务器搭建

伴随着大数据、云计算与云服务的兴起，nginx作为一款轻量级、高性能的web服务器，得到广泛的应用，其特点是占用内存小、并发能力强。目前国内的BAT基本上都在使用nginx。（如果你对nginx一无所知，不妨找找资料简单了解下）
言归正传，这里我们要是会用nginx搭建web服务器。先说明下我的系统环境：Ubuntu 15.04 （带有各种开发环境）

1.1 安装nginx

之前诸多网络资料中介绍的nginx安装都是从源码编译而来，但从目前的nginx开源环境来看，如果不修改相关代码，可以直接下载[nginx官网]((http://nginx.org)所提供的编译后的可执行文件。（如果你想从源码编译nginx，官网也有提供对应的文档）
我这里安装nginx比较简单，直接通过apt-get安装，命令如下：

sudo apt-get install nginx

就跟ubuntu上正常安装一个软件一样。
安装之后的nginx版本如下：

获取：2 http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ precise-updates/universe nginx-common all 1.1.19-1ubuntu0.8 [17.1 kB]
获取：3 http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ precise-updates/universe nginx-full amd64 1.1.19-1ubuntu0.8 [379 kB]
获取：4 http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ precise-updates/universe nginx all 1.1.19-1ubuntu0.8 [5,812 B]

1.2 nginx启动及关闭

启动nginx很简单，直接使用以下命令即可：（nginx安装之后运行，需要权限较高，简单期间这里直接使用管理员启动，实际使用不建议这么做）
sudo nginx

启动之后你就可以通过ps aux | grep nginx检索到，我的主机上输出结果如下：

$ ps aux | grep nginx
root     14443  0.0  0.0 100240  3012 ?        Ss   14:49   0:00 nginx: master process nginx
www-data 14444  0.0  0.0 100544  3780 ?        S    14:49   0:00 nginx: worker process
www-data 14445  0.0  0.0 100544  3780 ?        S    14:49   0:00 nginx: worker process
www-data 14446  0.0  0.0 100544  3780 ?        S    14:49   0:00 nginx: worker process
www-data 14447  0.0  0.0 100544  3780 ?        S    14:49   0:00 nginx: worker process

nginx启动成功之后，可以在浏览器中输入本机IP，就可以看到"Welcome to nginx!"的页面显示。

nginx退出可以使用nginx -s stop(强制退出，相当于直接杀进程)或nginx -s quit（优雅关闭，推荐使用）。

在修改nginx配置文件之后，可以通过nginx -s reload重新加载配置，无需重启。

1.3 配置nginx以支持html文件发布

nginx配置文件位于/etc/nginx目录下，日志文件位于/var/log/nginx下。下面是nginx配置文件的目录构成：
$ ls
conf.d koi-utf mime.types naxsi.rules proxy_params sites-available uwsgi_params
fastcgi_params koi-win naxsi_core.rules nginx.conf scgi_params sites-enabled win-utf

其中最主要的nginx.conf和sites-enabled/default两个文件。我们需要修改后者以保证网络可以访问指定目录下资源。
比如我们创建一个hls目录，放到/data/目录下，并在hls目录中创建一个名为index.html的文件，你可以在其中添加任何想添加的资源。要通过网络访问hls目录需要在sites-enabled/default中添加如下修改：

    location /hls/ {
        #alias /data/hls/;
        root /data;
    }

如果你对nginx配置文件语法感兴趣，建议参考官网中的用户手册。

修改完成之后重启nginx或者重新加载下nginx配置文件，就可以通过浏览器访问了，网址为: http://localhost/hls/index.html

到此我们基于nginx的网络服务器搭建完成，可以对外提供网络服务了。

1.4 参考资料

• nginx documentation
• nginx安装与搭建教程
• 使用Nginx+FFMPEG搭建HLS直播转码服务器

2. 使用ffmpeg实现文件的分片，并生成m3u8

2.1 准备工作

你需要下载或者编译一个可以在你系统运行的ffmpeg，自己编译的话请确保所有关于HLS的部分是使能的。
我是通过 https://johnvansickle.com/ffmpeg 网站下载的ubuntu下可运行的ffmpeg。

2.2 ffmpeg对文件分片①

这里使用直播中比较常用的hls_muxer对本地文件进行分片，其命令格式如下：
./ffmpeg -i s1080p.mp4 -c:v copy -c:a copy -f hls -hls_time 10 -hls_playlist_type vod high.m3u8
这里hls_time表示分片长度为10s，high.m3u8是最后输出的m3u8文件，同时这里设置了HLS类型为VOD。
成功运行之后，就可以通过 http://localhost/hls/high.m3u8 访问了。
关于ffmpeg的HLS demuxer更多参数介绍，请参考hls-doc。

2.3 ffmpeg对文件分片②

ffmpeg还提供了segment_demuxer，提供了更通用的分片机制及参数。
实现跟2.2同样的本地文件分片，可以使用下面命令：
./ffmpeg -i s1080p.mp4 -c:v copy -c:a copy -f ssegment -segment_format mpegts -segment_list shigh.m3u8 -segment_time 10 shigh%d.ts
segment_format表示输出格式，这里设置为mpegts；segment_list表示输出切片之后的文件列表；segment_time表示切片长度，最后一个字符串给定输出文件名的格式。
关于ffmpeg的segment demuxer更多参数介绍，请参考segment-doc

2.4 参考资料

• ffmpeg-doc
• 使用FFMPEG生成HLS
• ffmpeg命令之HLS切割ts流

3. ffmpeg使用本地文件模拟HLS直播

既然点播实现了，直播就相对简单了，你可以直接换个直播源就实现了转播，输出还是直播。当然你也可以从摄像头读取数据编码输出，也可以使用本地文件模拟直播（类似循环播放）。本文件使用最简单的本地文件模拟直播。（对于其他情况，ffmpeg直接支持各种设备和协议，换个-i参数即可。）
对于直播的情况，一般使用hls muxer。其命令格式如下：
./ffmpeg -re -i s1080p.mp4 -c:v libx264 -s 720x576 -c:a copy -f hls -hls_time 10 live.m3u8
hls muxer默认的是输出类型是直播的，所有这里去掉了设置hls_playlist_type的选项；由于我的主机性能一般，这里就不直接转码1080p的，将输出分辨率设置为720x576。
模拟直播最主要的参数是ffmpeg提供的re，这个参数的意思是按照实际帧率读取输入文件，多数用于模拟直播设备的输入的情况下。

更多信息建议参考ffmpeg-StreamingGuide

4. 支持多码率HLS生成

对于点播而言，当然可以通过独立的m3u8，然后自己编写一个master playlist来实现类似HLS多码率的效果。但是ffmpeg是否有提供类似一次性生成master playlist的机制呢？（毕竟能少一步是一步，提供效率是主要的。）

没找到网上相关的资料，那就直接看ffmpeg官网的HLS文档吧。各种命令尝试了下，最终验证可实现的命令行如下：

./ffmpeg -i s1080p.mp4 -c:v:0 copy -c:v:1 libx264 -s 640x320 -c:a:0 copy -b:a:1 32k 
	-map 0:v -map 0:a -map 0:v -map 0:a -f hls  -var_stream_map "v:0,a:0 v:1,a:1" 、
	-hls_time 10 -hls_playlist_type vod -master_pl_name master.m3u8 out%v/out.m3u8`

这里多了几个特殊hls参数。master_pl_name用于指定输出的master playlist文件名；var_stream_map用于指定variant list中包含的节目信息，其中以空格分隔，比如上面的参数表示：variant#0中包含原始的1080p视频和音频，variant#1包含640x320的视频和32k的音频。

这个命令输出的master.m3u8格式如下：

#EXTM3U
#EXT-X-VERSION:3
#EXT-X-STREAM-INF:BANDWIDTH=1029895,RESOLUTION=1920x1080
out0/out.m3u8

#EXT-X-STREAM-INF:BANDWIDTH=35200,RESOLUTION=640x320,CODECS="avc1.64001e,mp4a.40.2"
out1/out.m3u8

所生成的ts文件分别位于out0和out1目录下。

要是需要多码率直播，请参考2.2节和3小节的介绍

5. 小结

本文首先介绍了如何安装配置nginx，这样就可以实现http服务器，并在此基础上使用ffmpeg实现HLS点播/直播的处理，最后给出了ffmpeg命令以实现一条语句生成HLS所需的master playlist。
总体来说，做完这些让我对HLS系统环境搭建有了大体上的认识，仅作记录，以供后续参考。