SVC+SFU融合的云視訊技術研究與方案應用

潘士勇

摘 要：本文從視訊技術的發展出發，歷經了以MCU架構為代表的早期視訊技術，到以SVC+SFU融合架構為代表的新型云視訊技術，并詳細解析了SVC和SFU的技術細節，最后綜合技術架構優勢，在當前政策熱點線上遠程教學場景中進行了實際應用與總結。

關鍵詞：SVC;SFU;云視訊;在線教學

1 技術背景

在當前疫情下，我們看到云視訊技術大規模應用到遠程辦公，遠程教育，遠程醫療等場景。而視頻會議技術在這幾年的發展中，經歷了比較大的變革，即從硬件MCU架構，發展成當前主流的云視訊技術方案。

在傳統的視訊技術時代，整體以硬件MCU架構[1]為主，主體采用H.264 AVC單層編碼，結合H323/SIP協議[4]實現多方通訊。MCU架構出現的相關長時間內，在硬件視頻會議中應用非常廣泛，但是整體需要購買一套硬件MCU設備加視頻會議硬件終端，擁有成本高。

MCU架構下，服務端需要對接收到的多路視頻進行全編全解，存在很大的性能瓶頸，對于網絡鏈路，通常需要專線來支撐，無法得到大規模應用。隨著互聯網的發展以及音視頻技術的成熟，帶來了視訊行業的變革，從傳統MCU向云視訊[2]進行跨越。下面將針對云視訊的關鍵技術進行細化的解析及方案應用說明。

2 技術解析

（1）SFU（全稱Selective Forwarding Unit，選擇性轉發單元），是一種通過服務器來路由和轉發音視頻流的技術。SFU形如一個媒體流路由器，接收終端的音視頻流，按需轉發給其他終端，SFU的拓撲和功能模型如下圖1所示：

如上圖1所示，4個終端分別為A1～A4，它們之間要互相進行視頻通話，只需要將自己本地的一路流向服務器推送，然后按需訂閱自己所關注的其他終端的視頻流，如A1/A4關心其他3個終端的視頻流，則將其他3方的視頻流全部訂閱并拉到本地進行解碼合成處理，而A2只關心A1的視頻流，則只需要訂閱A1這一路流即可，實現按需訂閱，整體框架上更加靈活。SFU轉發服務器全程不需要對視頻流進行編解碼，只是選擇性轉發，整體負載也較輕，更加容易實現大規模應用。

（2）SVC（全稱Scalable Video Coding，可適性視頻編碼）在H.264基礎上擴展了語法和工具集，支持具有分級特性的碼流。通過SVC機制編碼產生的碼流包含一個或多個可以單獨解碼的子碼流，各子碼流具有不同的碼率，幀率和空間分辨率。在終端能力、系統資源、網絡狀態事先不可知的情形下，可以更好地發布視頻流，實現在滿足碼流具有靈活可伸縮性的同時，也保證高的編碼效率。

（3）以SVC+SFU融合架構為代表的新型視訊技術。終端采用SVC編出多層視頻流，服務器利用SFU轉發替代傳統MCU二次編解碼方法。從而實現在弱網絡環境下利用時域可分級，拋棄部分時域級實現網絡適應性。一方面弱化對中心節點的要求，一方面弱化對網絡的強依賴，從而推動了云視訊的廣泛應用。

SVC+SFU融合技術模型如下圖所示，發送PC共享的是一路視頻流，按SVC規則編碼為三層發送給SFU轉發服務器，SFU根據接收端的情況，發現接收PC網絡狀況不錯，于是將0、1、2三層都發給接收PC;發現接收Pad網絡不好，則只將0層發給接收Pad;發現接收Phone網絡較好，但性能一般，則將0、1層發給接收Phone。通過SVC+SFU相融合的技術方案，從而實現可以適應不同的網絡環境和終端類型。

3 架構優勢

采用先進的SVC分層編解碼+SFU選擇性轉發技術，實現高質量且流暢的音視頻互動方案：

（1）終端采用先進的SVC柔性分層編碼技術，以及優異的抗丟包能力，自動適應學校多種網絡環境。支持N方清晰、流暢、實時的音視頻互動，在55%丟包的情況下聲音能聽清，在35%丟包的情況下視頻依然流暢。

（2）服務端采用SFU選擇性轉發技術，只對數據進行轉發，不對數據進行解密、解碼，數據只在發送端和接收端解密和解碼。既保障數據傳輸過程中的保密性，同時也可以減輕云端的處理瓶頸，減少遠程雙方的延時，最好的情況下，延時小于300ms。

4 案例應用

隨著城鎮化進程的發展，優質的資源都往城鎮聚集，在教育這塊體現得尤為明顯。而在邊遠山區，村小教學點，師資缺乏，有一些課程開不全，存在較嚴重的教育不均衡問題。國家為了解決城鎮學校與偏遠薄弱校的教育資源均衡問題，推出了新一輪的扶持政策，主要包括：新一輪薄改政策、“三個課堂”應用指導意見[5]等。在此政策場景下，主要建設訴求包括如下幾點：

4.1 覆蓋多個應用場景

整體方案應能滿足課中實時音視頻互動教學的基本要求，通過部署在學校或教學點的設備，以及部署在教育局的平臺，解決偏遠薄弱地區缺師少教問題，通過網絡研修支持網絡教研新形態，支持跨區域共享，實現優質資源均衡。

4.2 音視頻清晰穩定

針對網上專門開課或同步上課，需要適應多種網絡環境，在教育城域網或互聯網接入場景中，都需要降低網絡丟包、抖動和時延等現象對教學互動帶來的影響，避免卡頓，實現流暢清晰的音視頻傳輸效果。

4.3 更好的線上互動

應充分考慮學生居家通過BYOD設備接入參與互動學習的新模式，滿足老師和大多數學生在教室線下教學+部分學生線上學習的需求。

針對上述應用場景與建設訴求，本文設計了一種基于云視訊技術的整體架構，整體方案示意圖如下圖3：

4.3.1 如圖3所示，整體解決方案中，包括如下幾個關鍵組成

（1）區縣管理中心：部署教學服務業務平臺、云視訊服務平臺。其中：教學服務業務平臺推薦部署在電教館的數據中心，提供點播直播、巡課督導、課程管理等服務;云視訊平臺部署在公有云上面，滿足專遞課堂場景中的一拖多的實時互動，同時方便提供BYOD設備通過互聯網接入。

（2）主講教室（授課教室）/聽課教室：部署配套的硬件設備，包括音頻處理設備、視頻采集設備、側屏電視。在老師授課電腦上安裝互動教學軟件，實現遠程的畫面控制、音頻控制及相關的教學工具功能。

4.3.2 整體采用云視訊部署架構，實現易擴容，輕管理的效果

（1）區縣統一的教學服務業務平臺，采用容器技術，運行在虛擬機上面，安裝方便，并且容易進行擴容與遷移。

（2）采用SVC+SFU融合的云視訊技術架構，實現多個教室之間的實時互動教學，免去視頻會議服務器的部署和維護，并通過云端集群部署，實現音視頻流量的負載均衡、服務異地多活備份，比傳統硬件MCU方案，可以減少30%的擁有成本。

5 結語

縱觀上文，對視頻會議的核心技術進行分析，并綜合選擇了一種SVC+SFU融合的技術方案，應用于當前政策熱點場景專遞課堂建設方案中，主體采用云視訊架構，云化部署與服務，可以更好地適應后續的可擴展。

參考文獻：

[1]蔣林濤.視訊技術的現狀及發展趨勢[J].數據通信，2004，（2）：22-26.

[2]曹春江.融合云視訊系統技術方案研究和應用[J]，技術研究，2018，（9）：10-12.

[3]唐洪飛.基于IMS的云視訊平臺方案應用研究[J]，郵電設計技術，2016，（4）：48-59.

[4]高威，劉洋，李秋明.基于SIP協議的多業務融合視頻會議系統的設計與實現[J].信息通信，2011，（4）：56-57.

[5]中華人民共和國教育部.教育部關于加強“三個課堂”應用的指導意見http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/202003/t20200316_431659.html，2020-03-03.