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JS `WebRTC` `AV1/VP9` 视频编解码器优化与实时通信质量

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊聊WebRTC里AV1/VP9这对“好基友”视频编解码器，以及怎么让它们在实时通信里表现得更好，让你的视频通话更流畅，就像丝般顺滑，而不是卡成PPT。

WebRTC与视频编解码：它们之间的爱恨情仇

WebRTC，全名Web Real-Time Communication，简单说就是让浏览器拥有实时通信能力的技术。想象一下，以前你要视频聊天，得装个QQ、微信啥的，现在有了WebRTC，直接在浏览器里就能搞定，多方便！

但是，浏览器怎么知道该怎么处理视频数据呢？ 这就得靠视频编解码器了。 视频编解码器就像翻译官，把摄像头捕捉到的原始视频数据（体积巨大，像个胖子）压缩成适合网络传输的格式（瘦身成功，变型男），然后在接收端再把压缩后的数据还原成视频画面。

WebRTC支持多种视频编解码器，比如H.264，VP8，VP9，AV1等等。今天咱们重点关注VP9和AV1。

VP9和AV1：后起之秀的逆袭之路

H.264曾经是视频编码界的扛把子，但VP9和AV1这两位后起之秀，凭借着更高的压缩率和更好的图像质量，正在逐渐取代H.264的地位。

  • VP9：谷歌出品，必属精品？

    VP9是谷歌开发的开放且免版税的视频编解码器。 它的优点是：

    • 压缩率高： 相同画质下，VP9比H.264能节省更多的带宽。
    • 免版税： 用起来不用担心被收专利费。
    • 支持多种分辨率和帧率： 适应各种场景。

  • AV1：更胜一筹的后来者

    AV1是Alliance for Open Media（AOMedia）联盟开发的，成员包括谷歌、苹果、微软、亚马逊、Netflix等等。AV1的目标是取代VP9，成为下一代开放免版税的视频编解码标准。它的优点是：

    • 压缩率更高： 相同画质下，AV1比VP9能节省更多的带宽。
    • 图像质量更好： 细节更丰富，画面更清晰。
    • 免版税： 这是必须的。

    但是，AV1的缺点也很明显：

    • 编码复杂度高： 需要更强大的计算资源。 这意味着编码和解码都需要消耗更多的CPU。

为什么要在WebRTC里用VP9和AV1？

说了这么多，那么为什么要在WebRTC里用VP9和AV1呢？ 答案很简单：为了省带宽和提高用户体验。

  • 省带宽： 在网络条件不好的情况下，使用VP9或AV1可以降低视频码率，保证视频通话的流畅性。
  • 提高用户体验： 在网络条件好的情况下，使用VP9或AV1可以提供更高质量的视频画面，让用户看得更爽。

WebRTC中的VP9/AV1配置与优化

接下来，我们来聊聊如何在WebRTC里配置和优化VP9和AV1，让它们发挥出最大的威力。

  1. 启用VP9/AV1编解码器

    在WebRTC中，默认情况下可能没有启用VP9/AV1编解码器。你需要手动启用它们。 这可以通过修改SDP（Session Description Protocol）来实现。

    SDP是描述多媒体会话的协议。 它包含了编解码器、网络地址、端口号等信息。 在WebRTC协商过程中，双方会交换SDP信息，以确定使用哪些编解码器。

    以下是一个简单的JavaScript代码示例，演示如何设置VP9编解码器：

    // 获取 PeerConnection 对象
const pc = new RTCPeerConnection();

// 创建 Offer (或者 Answer)
pc.createOffer()
  .then(offer => {
    // 修改 SDP
    const sdp = offer.sdp;
    const vp9PayloadType = findVP9PayloadType(sdp);

    if (vp9PayloadType) {
      const newSdp = forceCodecPreference(sdp, 'VP9', vp9PayloadType);
      offer.sdp = newSdp;
    }

    pc.setLocalDescription(offer);
  })
  .catch(error => {
    console.error('Failed to create offer:', error);
  });

//辅助函数
function findVP9PayloadType(sdp) {
    const lines = sdp.split('rn');
    for (const line of lines) {
        if (line.startsWith('a=rtpmap:') && line.includes('VP9/')) {
            return line.substring(9, line.indexOf(' '));
        }
    }
    return null;
}

function forceCodecPreference(sdp, codec, payloadType) {
    const lines = sdp.split('rn');
    let mLineIndex = -1;
    for (let i = 0; i < lines.length; i++) {
        if (lines[i].startsWith('m=video')) {
            mLineIndex = i;
            break;
        }
    }
    if (mLineIndex === -1) {
        return sdp;
    }

    let payloadTypes = lines[mLineIndex].split(' ').slice(3);
    if (payloadTypes.includes(payloadType)) {
        payloadTypes = [payloadType].concat(payloadTypes.filter(pt => pt !== payloadType));
        lines[mLineIndex] = lines[mLineIndex].split(' ').slice(0, 3).concat(payloadTypes).join(' ');
    }

    return lines.join('rn');
}

    这段代码的主要作用是：

    1. 找到SDP中VP9的Payload Type。
    2. 将VP9的Payload Type移动到m=video行的最前面，以强制WebRTC优先使用VP9编解码器。

    对于AV1，代码类似，只需要把VP9换成AV1即可。

  2. 调整编码参数

    VP9和AV1都提供了很多编码参数，可以根据实际情况进行调整，以获得最佳的性能。 常用的参数包括：

    • 码率（Bitrate）： 码率越高，视频质量越好，但需要的带宽也越高。 可以根据网络状况动态调整码率。
    • 帧率（Framerate）： 帧率越高，视频越流畅，但需要的计算资源也越多。 一般来说，30fps就足够了。
    • 分辨率（Resolution）： 分辨率越高，视频越清晰，但需要的带宽和计算资源也越多。
    • 编码器预设（Encoder Preset）： 编码器预设决定了编码的速度和质量之间的平衡。 不同的预设会影响CPU的占用率。 例如，veryfast预设编码速度快，但质量稍差；veryslow预设编码速度慢，但质量最好。
    • 丢包恢复（Packet Loss Resilience）： 开启丢包恢复功能可以提高在网络状况不佳时的视频质量，但会增加带宽消耗。

    WebRTC提供了一些API来设置这些参数。 例如：

    const pc = new RTCPeerConnection();

pc.addTransceiver('video', { direction: 'sendrecv' });

pc.onnegotiationneeded = async () => {
    try {
        const offer = await pc.createOffer();
        await pc.setLocalDescription(offer);

        // 获取视频 track
        const videoTrack = pc.getTransceivers()[0].sender.track;
        const sender = pc.getSenders().find(s => s.track === videoTrack);

        if (sender) {
            const parameters = sender.getParameters();
            parameters.encodings[0].maxBitrate = 1000000; // 设置最大码率为 1Mbps
            parameters.encodings[0].maxFramerate = 30; // 设置最大帧率为 30fps
            await sender.setParameters(parameters);
        }

        // 将 offer 发送给对方
    } catch (e) {
        console.error(e);
    }
};

    这段代码设置了视频的最大码率和最大帧率。

  3. 码率控制

    码率控制是保证视频通话质量的关键。 在网络状况良好的情况下，可以提高码率，提供更高质量的视频画面。 在网络状况不佳的情况下，应该降低码率，以保证视频通话的流畅性。

    WebRTC提供了一些码率控制算法，例如：

    • GCC (Google Congestion Control)： WebRTC默认的码率控制算法。
    • NADA (Network-Assisted Dynamic Adaptation)： 一种基于网络的码率控制算法。

    你可以根据实际情况选择合适的码率控制算法。

  4. 硬件加速

    VP9和AV1的编码复杂度都很高，如果使用纯软件编码，会消耗大量的CPU资源。 如果你的设备支持硬件加速，可以启用硬件加速，以减轻CPU的负担。

    WebRTC会自动检测设备是否支持硬件加速，并尽可能使用硬件加速。 你也可以手动配置硬件加速。

    例如，在Chrome浏览器中，你可以通过以下方式启用硬件加速：

    • 打开 chrome://flags
    • 搜索 "Hardware-accelerated video decode" 和 "Hardware-accelerated video encode"
    • 将它们设置为 "Enabled"
    • 重启浏览器

实时通信质量优化策略

除了配置和优化VP9/AV1编解码器之外，还有一些其他的策略可以提高实时通信质量。

  1. 网络优化

    网络是实时通信的基础。 优化网络可以显著提高视频通话质量。 一些常用的网络优化策略包括：

    • 使用有线网络： 有线网络比无线网络更稳定。
    • 避免使用公共Wi-Fi： 公共Wi-Fi通常比较拥堵，容易出现丢包和延迟。
    • 优化Wi-Fi配置： 确保Wi-Fi路由器的固件是最新的，并使用WPA3加密。
    • 使用QoS (Quality of Service)： QoS可以为实时通信数据分配更高的优先级，保证其传输质量。

  2. 拥塞控制

    拥塞是指网络中的数据包过多，导致延迟和丢包。 拥塞控制是指采取一些措施来缓解拥塞，提高网络利用率。

    WebRTC内置了一些拥塞控制算法，例如：

    • AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease)： 一种常用的拥塞控制算法。
    • BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT)： 谷歌开发的拥塞控制算法，可以更好地利用带宽。

  3. 丢包恢复

    丢包是指数据包在传输过程中丢失。 丢包会导致视频画面出现马赛克和卡顿。 丢包恢复是指采取一些措施来恢复丢失的数据包，提高视频质量。

    常用的丢包恢复技术包括：

    • FEC (Forward Error Correction)： 发送冗余数据，以便在接收端恢复丢失的数据包。
    • ARQ (Automatic Repeat Request)： 接收端请求发送端重新发送丢失的数据包。

    WebRTC支持FEC。

  4. Jitter Buffer

    Jitter是指数据包到达时间的波动。 Jitter会导致视频画面出现卡顿。 Jitter Buffer是指在接收端缓存一定数量的数据包，以平滑Jitter。

    WebRTC会自动调整Jitter Buffer的大小。

  5. 自适应码率调整

    根据网络状况动态调整码率，可以在保证视频通话流畅性的前提下，提供尽可能高的视频质量。

    WebRTC内置了自适应码率调整算法。

总结

WebRTC里的VP9和AV1编解码器是提高实时通信质量的利器。 通过合理的配置和优化，可以充分发挥它们的优势，让你的视频通话更流畅，更清晰。 当然，除了编解码器之外，网络、拥塞控制、丢包恢复等因素也会影响实时通信质量。 综合考虑这些因素，才能打造出最佳的实时通信体验。

代码示例补充

为了更清晰地展示如何调整编码参数，这里提供一个更完整的代码示例，包括如何获取 RTCRtpSender 对象，以及如何设置 scalabilityMode （只针对AV1）：

async function setVideoEncodingParameters(pc, bitrate, framerate, scalabilityMode) {
    const videoTrack = pc.getTransceivers().find(t => t.mid === 'video').sender.track;
    const sender = pc.getSenders().find(s => s.track === videoTrack);

    if (!sender) {
        console.warn("Video sender not found.");
        return;
    }

    const parameters = sender.getParameters();

    // 设置码率和帧率
    if (parameters.encodings && parameters.encodings.length > 0) {
        parameters.encodings[0].maxBitrate = bitrate;
        parameters.encodings[0].maxFramerate = framerate;
    } else {
        console.warn("Encoding parameters not found or empty.");
        return;
    }

    // 设置 scalabilityMode (仅适用于 AV1)
    if (scalabilityMode && parameters.codecs) {
        const av1Codec = parameters.codecs.find(codec => codec.mimeType === 'video/AV1');
        if (av1Codec) {
            av1Codec.scalabilityMode = scalabilityMode;  // 例如: 'L1T2', 'L1T3'
        } else {
            console.warn("AV1 codec not found. Scalability mode not set.");
        }
    }

    try {
        await sender.setParameters(parameters);
        console.log("Video encoding parameters updated successfully.");
    } catch (e) {
        console.error("Failed to set video encoding parameters:", e);
    }
}

// 如何调用这个函数：
// 假设 pc 是你的 RTCPeerConnection 对象
// 1. 设置码率 1Mbps， 帧率 30fps
// await setVideoEncodingParameters(pc, 1000000, 30);
// 2. 设置码率 1Mbps, 帧率 30fps,  AV1 scalabilityMode 为 L1T2
// await setVideoEncodingParameters(pc, 1000000, 30, 'L1T2');

这个例子更完整地展示了如何找到 RTCRtpSender 对象，然后设置编码参数。 注意 scalabilityMode 是AV1特有的参数，用于控制空间和时间可伸缩性。 L1T2表示一个空间层和两个时间层，L1T3表示一个空间层和三个时间层。 选择合适的scalabilityMode可以提高AV1在不同网络条件下的适应性。

最后的提醒

  • 兼容性： VP9和AV1的兼容性不如H.264，在一些老旧设备上可能不支持。
  • 测试： 在实际部署之前，一定要进行充分的测试，以确保VP9/AV1能够正常工作。
  • 持续优化： 实时通信技术在不断发展，要持续关注最新的技术动态，并不断优化你的WebRTC应用。

好了，今天的讲座就到这里。 希望大家都能用好VP9和AV1，打造出更流畅、更清晰的实时通信体验！ 谢谢大家！

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