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RTSP 音视频play同步分析

article 2024/10/11 4:42:23

基础理论

RTSP RTP RTCP SDP基础知识-CSDN博客

关于RTP的时间戳知识点回顾

时间戳单位：时间戳计算的单位不是秒，而是采用采样频率的倒数，这样做的目的是为了使时间戳单位更为精准。比如说一个音频的采样频率为8000Hz，那么我们可以把时间戳单位设为1/8000s。

时间戳增量：相邻两个RTP包之间的时间差(以时间戳单位为基准)

采样频率：每秒钟抽取样本的次数，例如音频的采样率一般为8000Hz，即每秒采样8000次，产生8000个样本

帧率：每秒传输或者显示帧数，例如25f/s

小结：

时间戳反映了RTP分组中的数据的第一个字节的采样时刻。在一次会话开始时的时间戳初值也是随机选择的。即使是没有信号发送时，时间戳的数值也要随时间不断的增加。接收端使用时间戳可准确知道应当在什么时间还原哪一个数据块，从而消除传输中的抖动。时间戳还可用来使视频应用中声音和图像同步。

在RTP协议中并没有规定时间戳的粒度，这取决于有效载荷的类型。因此RTP的时间戳又称为媒体时间戳，以强调这种时间戳的粒度取决于信号的类型。例如，对于8kHz采样的音频信号，若每隔20ms构成一个数据块，则一个数据块中包含有160个样本（0.02×8000=160）。因此每发送一个RTP分组，其时间戳的值就增加160。

如果采样频率为90000Hz，则时间戳单位为1/90000，我们就假设1s钟被划分了90000个时间块，那么，如果每秒发送25帧，那么，每一个帧的发送占多少个时间块呢？当然是 90000/25 = 3600。因此，我们根据定义“时间戳增量是发送第二个RTP包相距发送第一个RTP包时的时间间隔”，故时间戳增量应该为3600。

1,时间戳可用来使视频应用中声音和图像同步，为什么呢？

首先，这个时间戳就是一个值且必须满足大家都来使用这个值，用来反映某个数据块的产生(采集)时间点的，后采集的数据块的时间戳肯定是大于先采集的数据块的。有了这样一个时间戳，就可以标记数据块的先后顺序。
第二，在实时流传输中，数据采集后立刻传递到RTP 模块进行发送，那么，其实，数据块的采集时间戳就直接作为RTP包的时间戳。
第三，如果用RTP来传输固定的文件，则这个时间戳就是读文件的时间点，依次递增。这个不再我们当前的讨论范围内，暂时不考虑。

rtsp时间戳类型

在分析音视频同步之前，我们先知道都有哪几类的时间戳。

RTP 包中的 rtptime：这是 RTP 协议中用于同步媒体流的关键字段。它表示的是分组中数据的第一个字节的采样时间。RTP 时间戳的初始值是随机的，而且即使没有数据发送，时间戳也会随着时间的推移而增加，这样可以保持媒体流的连续性。RTP 时间戳不能单独用于同步，因为它的初始值是随机的，需要通过 RTCP 协议来同步不同的 RTP 流。

PLAY 请求的 Response 中的 rtp time 和 npt：

npt (Normal Play Time)：这是正常播放时间，它表示流相对于播放开始时的绝对位置。播放开始时的时间定义为 0.0s。这个时间用于客户端请求特定时间点的媒体流，并且可以用于在播放过程中跟踪当前播放的位置。
rtptime：这是发送 PLAY 请求后收到的第一个 RTP 包的时间戳值。它表示的是会话开始的相对时间，用于客户端计算当前播放时间戳。
npt 是影⽚开始的相对时间，⽽ rtptime 是会话开始的相对时间。

RTCP 的 SR (Sender Report) 中的 rtp 和 ntp 时间戳对：

RTP 时间戳：与数据包中的 RTP 时间戳具有相同的单位和偏移量，但它通常不等于任何临近的 RTP 包中的时间戳。
NTP 时间戳：这是一个 64 位的时间戳，用于在 RTCP 报文中表示发送者报告的绝对时间。NTP 时间戳基于协调世界时（UTC），提供了一个全局的时间参考，使得不同的 RTP 流可以通过 NTP 时间戳同步到同一个时间轴上。

流内同步和流间同步

多媒体通信同步方法，主要有时间戳同步法、同步标记法、多路复用同步法三种。

下面主要讨论时间戳同步法，特别是RTP时间戳同步。内容包括RTP媒体间同步的实现。

1.序列号字段是否可以作为流内的同步标识？

序列号只表示了包发出的先后顺序，它表示不了任何时间上的其它概念，所以严格的说，序列号并不能作为流内的同步标志。但是，由于一般来说，包的发送时间都会有严格限制，比如音频包是每秒种发送30个数据包，也就是说，每个包间隔1000/30MS，而这个时间就可以作为一个同步时间来播放。也就是说，按照序列号，每1000/30MS间隔播放一个数据包，这样也能保证同步，但是这时候请考虑丢包问题。

2.为什么需要RTCP的NTP时间来实现媒体间同步？没有RTCP，能实现RTP媒体间的同步吗？

仅仅使用RTP时间戳是无法实现媒体间同步的，根本的原因是音频时间轴和视频时间轴是完全独立的，通过音频帧和视频帧的时间戳，无法确定一个视频帧和一个音频帧的相对时间关系，也就是无法把它们都准确定位在绝对时间轴上。

　　要实现RTP媒体间同步，需要借助于RTCP，在RTCP的SR包中，包含有对，音频帧RTP时间戳和视频帧RTP时间戳通过对，都可以准确定位到绝对时间轴NTP上，音频帧和视频帧的相对时间关系就可以确定下来了。为什么设计了sr包，主要是为了能让音频视频的rtp的时间戳可以有不同的起点，sr包的<rtp ntp>就是为了获取这个不同的起点。

本质而言：如果音频视频时间戳都是同样的起点就不需要用到ntp。

基本上可以这么认为。例如，对于RTP实时流，在发送端媒体间就同步的很好，在接收端只需做少许处理，不需要RTCP，就可以实现媒体间同步。当然，这只是少数例外。因为RTP规范并不包括这个假设，所以我们还是按照RTP规范来做吧。

1.流内时间戳映射关系

npt 和 rtptime 的区别在于 npt 是影⽚开始的相对时间，⽽ rtptime 是会话开始的相对时间。因此在 client 端，需要对这两者进⾏ map 处理。

在 client 端计算播放时间戳的公式如下：

scale 值。在正常播放的情况下为 1 ，快速播放时⼤于 1 ，当处于反向扫描模式时⼩于 -1 .

客户端播放时间 = rtp.ts - play.rtp.ts / scale + play.ntp.ts

假设有以下情况:
视频编码格式为 30 fps
PLAY 请求的 Response 中获得:
npt=0.0
rtptime=1000
scale=1.0
现在收到一个 RTP 数据包,其 rtptime=2500
nptUs = (2500 - 1000) / 1.0 + 0.0
= 1500 / 1.0 + 0.0
= 1.5 seconds

为了消除网络延迟的影响,可以结合 RTCP SR 报文中提供的 LSR (Last Sender Report) 和 DLSR (Delay Since Last Sender Report) 信息,对 RTP 时间戳进行校正:
corrected_rtpTime = current_rtpTime - (LSR + DLSR)

2.媒体间同步⽅法（不同设备的同步）

上⾯的处理仅仅实现了媒体内的同步，在实现媒体间同步时，还需要进⾏其他的处理⼯作。这就需要⽤到 RTCP 的 SR ( Sender Report )。在 SR 中包含⼀个< rtp ， ntp >时间戳对，通过这个时间戳对可以将⾳频和视频准确的定位到⼀个绝对时间轴上。

RTP 时间戳对应的 NTP 时间戳，从而将 RTP 流中的事件映射到全局的 NTP 时间轴上。

推导图：

同步流程:
接收端收到 RTCP SR 报文,获取 <rtp, ntp> 时间戳对。
根据 <rtp, ntp> 时间戳对,将不同 RTP 流的时间戳映射到统一的时间轴上。
利用映射后的时间戳值进行媒体间的时间校准和同步播放。

音视频不是同时产生

发送端的音视频流并没有对齐，但是周期地发送SR包，接收端得到音视频SR包的RTP时间戳、NTP时间戳后通过线性回归得到NTP时间戳Tntp和RTP时间戳Trtp时间戳的对应关系：

Tntp_audio = f(Trtp_audio)
Tntp_video = f(Trtp_video)

其中Tntp = f(Trtp) = a*kTrtp + b 为线性函数，其中 a 是比例系数, b 是时间偏移量

这样接收端每收到一个RTP包，都可以将RTP时间戳换算成NTP时间戳，从而在同一时间基准下进行音视频同步。

rtp和ntp转换是线性关系:绝对时间 ntp=x+80ms,rtp=80*90=7200;
建立线性关系:则rtp=(ntp-x)*90，RTP时间戳 = (x + 80ms - x) * 90 = 80ms * 90 = 7200

这个示例是一种简单的线性关系:RTP时间戳可以通过NTP时间减去一个基准时间x,再乘以一个比例因子90来计算得出。 不是所以情况都适用

实际情况如下图：

实例分析：
问：音频采样率8k,视频帧率25. Audio从头开始,音频时间戳320会在多少ms播放呢？
答：320*1000/8000 =40ms
问：那么收到的视频帧rtp时间戳是7200应该在多少ms播放呢？
答：
因为第一个音频是从0开始播放的,但是第一个视频帧可能是在第1ms开始的,而不是从0ms开始的.
如果视频从1ms开始，rtcp第一个音视频帧 video rtp 是3600，它表示1+40 = 41ms。而audio rtp 是160表示40ms.所以先要计算audio,video的绝对时间差，倒退开始的时间差.
视频同步到音频为例:

diff=(video ntp time)-(audio ntp time)=1ms (rtcp中NTP时间相减).
对应的rtp时间相减,3600-90=3510.3510就是视频ntp对应的40ms绝对时间(time base).
后面rtp 7200是多少ms呢?
7200-3510=7200-(3600-90)=3600+90=40ms+1=41ms；即在播放base 40ms之后的41ms播放，等于81ms的地方播放.
或者使用线性回归 rtp=(ntp-x)*90 7200 = （ntp - 1）*90 =81ms
后续的每个audio/video rtp timestamp减去这个base就是播放时间。实现同步.

音频同步到视频原理一样.