一天超2000次，阿里如何打響音視訊超時空戰役？

阿里妹導讀：在阿里，音視訊會議已經成為跨地區溝通、開會以及招聘的首選方式。據悉，目前阿里巴巴的辦公網路與音視訊會議已經覆蓋全球33個國家和地區，其中，音視訊會議在過去3個月平均每天召開超過2000餘場。在使用如此頻繁、覆蓋面如此之廣的音視訊場景中，如何滿足全球各地使用者的不同需求，保障交流的順暢？下面，我們一起來探討、研究。

分享者：阿里巴巴資訊平臺事業部資深技術專家致凡

音視訊行業的發展

 

音視訊行業發展迅速，經歷了1970年代的黑白時代、1980年代的數字化時代、1990年代的數字標清時代、2006-2015年代的高清時代，2016年逐步開始以融合通訊為主的行業趨勢，高質量（4K，高清，高幀率，HDR）、多場景（點播，直播，實時通訊）、雲化（硬體軟體化，平臺雲化）和行業化已經成為當下音視訊行業的發展趨勢。

 

音視訊行業未來的發展趨勢，在我看來就是雲+端+服務。

• 雲：平臺雲化，從PaaS到SaaS，從私有公有云，一切都是基於雲的服務。

• 端：相容各種終端，PSTN和VOIP，會議室裝置，手機，PC，Web，Android終端等。

• 服務：包括簡訊，語音，IM，音視訊，呼叫中心，雲客服和附加AI服務等多種服務。

目前，音視訊已廣泛應用於包括B2B（企業與企業間、企業內部間）、C2C（使用者與使用者間），以及B2C（企業和使用者間）。

 

圖片來自《艾瑞2018通訊雲服務行業報告》

 

根據著名Cisco的VNI（Virtual Network Index）預測，到2021年，地球上將有46億網際網路使用者，271億聯網裝置，82%網際網路的流量是視訊。每一秒鐘將會有一百萬分鐘的視訊內容被建立，其中4K高清的內容會增加30%，相當於每個月生成71億部DVD影片，直播的需求也會大幅增長15倍。

 

從視訊本身發展的趨勢看也是一路狂奔向高清、CIP、4CIP、720P、1080P、UHD4K和8K；加上高幀率FPS 120-160FPS、HDR（High Dynamic Range）、寬色域（Wide Color Gamut），一切發展變化都是為了給人一種身臨其境的Immersive體驗。當然還有VR、AR、360視訊，這所有的一切都意味著更多的視訊資料流將被生成和消費。

 

網路環境讓我們需不斷完善音視訊服務

 

如果網路頻寬是無限且暢通無阻的，那世界將是多麼美好。但網路並不是一馬平川的。有時像十一長假堵車，有時像鄉間泥濘小道，而且還有可能佈滿大坑。

 

根據Silver-Peak跨美國和歐洲的網路健康報告發現，網路傳輸的延時、抖動和丟包是普遍存在現象。有時網路狀況就像天氣一樣令人難以捉摸。雖然網路的平均丟包率只有0.34%，但個別情況下可以達到2.2%；而且丟包從來都不是均勻的，是突發性的Burst，網路延遲可能會超過平均值300多倍。這些極端的網路情況對音視訊的傳輸和使用者體驗來說，都是極大挑戰。

 

網路和音視訊流量的供求矛盾，網路傳輸的不確定和不完善的殘酷現實，倒逼著我們不斷完善和監控音視訊服務。

 

音視訊內容從生產到消費的過程會經歷不同環節，且鏈路較長，其中涉及的技術也較多，下面將主要對其中的視訊編碼，網路構架進行解析。

 

視訊編碼

 

視訊編碼標準的選擇

 

視訊編碼標準作為視訊技術的核心，在過去幾個世紀出現過很多不同標準，但最終被市場採納主要為以下兩套體系：一套是標準化體系的H264、H265 和正在制定中的VVC；另一套是開源無版稅的VP8、VP9和AOM(Alliance for Open Meida)的AV1。

 

阿里巴巴是AOM的成員也同時積極參與VVC的制定，對於視訊編碼的核心不能被掐住發展的咽喉。

 

 

針對不同場景的不同編碼需求

 

視訊不同的應用場景（如：點播、直播、實時通訊），決定了在每一個應用場景底下對編碼的不同需求。

 

對點播而言最重要的是編碼效率，如何有效節約頻寬。直播對延時有要求，但是是在秒級的，對編碼的速度和穩定性的需求也比點播高。實時通訊對“點對點”的延時要求最高，同時它對穩定性和容錯性的要求也很高，這需要通過平衡編碼效率來實現。

 

如何配對編位元速率與解析度

 

視訊編碼以前簡單地採用固定壓縮引數，固定位元速率和固定解析度，對於HLS和MPEG-DASH的ABR(Adaptive Bitrate)，也用固定編位元速率和解析度來配對。這就無法滿足不同視訊對位元速率的不同需求。1M的720P動畫片看起來可能已經不錯了，但是1M的720P動作片看起來就會很糊。

 

但對於ABR，編位元速率和解析度也是一個動態平衡的過程。在低位元速率的情況下用低解析度以減少塊狀效果（blocking effects），當位元速率的提高到一定程度時提升解析度，包圍不同解析度RD曲線的就是凸包（Convex Hall）。曲線中的交叉點就是理性的編位元速率和解析度配對。

 

如何確定視訊質量的衡量指標

 

但怎麼確定曲線中的交叉點呢？這需要有衡量視訊質量的指標。

 

通常的視訊指標包括主觀的MOS分和客觀指標比如PSNR，SSIM和VMAF。阿里巴巴的視訊質量指標，不但結合了通用的客觀指標，也同時考慮了影響播放質量的的卡頓和網路狀況。

 

如何進行自適應編碼

 

自適應編碼（Content Adaptive Encoding）是視訊編碼的一大趨勢。從One-size-fit-all的單一編碼引數、位元速率和解析度配對，到根據視訊內容的複雜度進行定製化的編碼引數適配。自適應編碼可以針對單個視訊、場景、GOP，甚至是Frame用不同的壓縮引數進行動態調整，這樣最大限度優化視訊質量、節約頻寬。這種自適應優化最重要的就是視訊質量的衡量指標。一旦定義好可用的指標，就可以圍繞它進行不同層次的優化。

對於自適應編碼，機器學習可以大有用處。比如利用機器學習針對不同的視訊特徵，找到對應優化的編碼引數。

 

人腦占人身體的比例不大，但是消耗人體大約1/3的能量，人的基因特性決定了大腦只會關注畫面中重要區域，忽略不重要的區域。利用這種ROI（Region of Interest）進行編碼，就可以在保持視訊主觀質量的情況下減少編位元速率。比如人臉和文字是經驗意義下的ROI的例子。

 

音視訊伺服器網路架構

 

實時音視訊伺服器的網路架構，除了MESH外，還有MCU（Multi-point Control Unit）和SFU(Selectiveforward Unit)兩種。

 

MCU是集中的媒體處理服務，優勢在於可以對媒體和信令進行控制和轉換，如對媒體進行轉碼、轉流、混屏、分流，對信令進行轉換，對媒體包進行路由優化等等。MCU可以減低Client端的CPU和對網路頻寬的需求，但是MCU的缺點也較明顯，那就是伺服器CPU的開銷以及帶來的延遲。

 

相對MCU來說，目前更流行的架構是SFU，它主要的好處是簡單、低時延、高吞吐，缺點是對client端的頻寬要求比較高，client上傳一路或者多路流同時下載多路流。SFU的客戶端可以發單流、多流（Simulcast）和SVC。根據運用場景的不同，客戶端發流策略也不同。

 

在阿里巴巴的音視訊會議系統中，採用的是一種SFU+MCU的混合模式，以保證最大的相容性。這種SFU和MCU級聯的策略保證對各類客戶端的最大靈活性。此外媒體伺服器在不同區域可以進行級聯，客戶端就近入會、就近補包，減低第一公里和最後一公里對音視訊質量的影響。

 

網路頻寬評估

 

網路頻寬評估是實時通話的關鍵技術。阿里巴巴在這方面進行了很多針對會議室場景的優化。並且通過評估演算法可以在伺服器端快速釋出，不用等待更新客戶端軟體。

 

在弱網不可避免的情況下，通過合理的頻寬分配，確保音訊優先傳輸，同時及時把弱網資訊傳達給使用者，同樣可以得到使用者理解，提升使用者體驗。

 

後記

 

音視訊提供的是服務，不是單點的QoS，使用者的最終體驗不是簡單的抗丟包率、卡頓率的指標，而是端到端的體驗。所以不僅需要我們在事先創造一個良好的音視訊環境，更需要我們對整體鏈路進行質量監控。除了能及時發現問題，快速響應外，還能幫助我們不斷發現與創造更多新業務場景。通過把業務資料化，再根據資料來指導業務，這樣才能讓音視訊的服務體驗達到極致。

 

歡迎更多對音視訊感興趣的技術專家加入我們，一起打響音視訊超時空戰役！點選文末“閱讀原文”，即可檢視招聘崗位具體資訊，投遞簡歷。

你可能還喜歡

點選下方圖片即可閱讀

聊一聊 | IPv6 來了，哪些行業會發生美好的改變？

阿里玄難：面向不確定性的軟體設計幾點思考

早訊 | 阿里已全面應用 IPv6；連任 Java 組織蓆位；全球數學大賽決賽開戰

關注「阿里技術」

把握前沿技術脈搏