WebRTC 的音视频如何同步

Posted on Wed 19 July 2023 in Journal

Abstract	WebRTC 的音视频如何同步s
Authors	Walter Fan
Category	learning note
Status	v1.0
Updated	2023-07-19
License	CC-BY-NC-ND 4.0

在网络视频会议中，我们常会遇到音视频不同步的问题，我们有一个专有名词 lip-sync 唇同步来描述这类问题，当我们看到人的嘴唇动作与听到的声音对不上的时候，不同步的问题就出现了

而在线会议中，听见清晰的声音是优先级最高的，人耳对于声音的延迟是很敏感的

根据 T-REC-G.114-200305 中的描述

大于~280ms 有些用户就会不满意
大于~380ms 多数用户就会不满意
大于~500ms 几乎所有用户就会不满意

我们就尽量使得声音的延迟在 280 ms 之内，这是解决 lip-sync 问题的前提, 声音不好的严重程序超过音视频不同步。

我们可以定义一个 sync_diff 值来表示音频帧和视频帧之间的时间差 * 正值表示音频领先于视频 * 负值表示音频落后于视频

ITU 对此给出以下的阈值: * 不可感知 Undetectability (-100ms, +25ms) * 可感知 Detectability: (-125ms, +45ms) * 可接受 Acceptability: (–185ms, +90 ms) * 影响用户 Impact user experience (-∞, -185ms) ∪ (+90ms,∞)

(ITU-R BT.1359-1, Relative Timing of Sound and Vision for Broadcasting" 1998. Retrieved 30 May 2015)

当我们在播放一个视频帧及对应的音频帧的时候，要计算一下这个 sync_diff

sync_diff = audio_frame_time - video_frame_time

如果这个 sync_diff 大于 90ms, 也就是音频包到得过早，就会有音视频不同步的问题 - 声音听到了，嘴巴没跟上.

如果这个 sync_diff 小于 -185ms, 也就是视频包到得过早，就会有音视频不同步的问题 - 嘴巴在动，声音没跟上.

不同步的原因

lip sync 1

这个问题的原因主要在于音频的采集，编码，传输，解码，播放与视频的采集，编码，传输，解码以及渲染一般是分开进行的，因为音频和视频采集自不同的设备，即它们的来源不同，在网络上传输也会有延迟，也由不同的设备进行播放，这样如果在接收方不采取措施进行时间同步，就会极有可能看到口型和听到的声音对不上的情况。

由此派生出３个小问题：

如何将来自同一个人或设备的多路 audio 及 video stream关联起来?
如何将 RTP 中的时间戳 timestamp 映射到发送方的音视频采集时间
如何调整音频或者视频帧的播放时间，让它们怎么之间相对同步？

解决方案

1. 如何将来自同一个人或设备的音视频流关联起来?

对于多媒体会话，每种类型的媒体（例如音频或视频）一般会在单独的 RTP 会话中发送，发送方会在 RTCP SDES 消息中指明接收方通过 CNAME 项关联要同步的RTP流, 而这个 CNAME 包含在发送方所发送的 RTCP SDES 中

SDES 数据包包含常规包头，有效负载类型为 202，项目计数等于数据包中 SSRC/CSRC 块的数量，后跟零个或多个 SSRC/CSRC 块，其中包含有关特定 SSRC 或 CSRC，每个都与 32 位边界对齐。

    0               1               2               3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    |V=2|P|    SC   |  PT=SDES=202  |            length L           |
    +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
    |                          SSRC/CSRC_1                          |
    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    |                           SDES items                          |
    |                              ...                              |
    +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
    |                          SSRC/CSRC_2                          |
    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    |                           SDES items                          |
    |                              ...                              |
    +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+

CNAME 项在每个 SDES 数据包中都是必需的，而 SDES 数据包又是每个复合 RTCP 数据包中的必需部分。

与 SSRC 标识符一样，CNAME 必须与其他会话参与者的 CNAME 不同。但 CNAME 不应随机选择 CNAME 标识符，而应允许个人或程序通过 CNAME 内容来定位其来源。

    0               1               2               3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    |    CNAME=1    |     length    | user and domain name         ...
    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

例如 Alice 向外发送一路音频流，一路视频流, 这两路流会使用不同的 SSRC, 但是在其所发送的 RTCP SDES 消息会使用相同的 CNAME.

RTP SSRC 1 ~ CNAME 1
RTP SSRC 2 ~ CNAME 1

2. 同步的时间如何计算

来自同一个终端用户的音频和视频, 在编码发送的 RTP 包中有一个 timestamp, 这个时间戳表示媒体流的捕捉时间。同时, 作为发送者也会发送 RTCP Sender Report, 其中包含发送的 RTP timestamp 和 NTP timestamp 的映射关系，这样我们在接收方就可以把 RTP 包里的

lip sync flow

对于每个 RTP 流，发送方定期发出 RTCP SR, 其中包含一对时间戳：

NTP 时间戳以及与该 RTP 流关联的相应 RTP 时间戳。

这对时间戳传达每个媒体流的 NTP 时间和 RTP 时间之间的关系。

先回顾一下 RTP packet 和 RTCP sender report

RTP 包结构

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |V=2|P|X|  CC   |M|     PT      |       sequence number         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                           timestamp                           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           synchronization source (SSRC) identifier            |
   +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
   |            contributing source (CSRC) identifiers             |
   |                             ....                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

RTCP Sender Report 结构

         0                   1                   2                   3
         0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   header |V=2|P|    RC   |   PT=SR=200   |             length            |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |                         SSRC of sender                        |
         +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
   sender |              NTP timestamp, most significant word             |
   info   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |             NTP timestamp, least significant word             |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |                         RTP timestamp                         |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |                     sender's packet count                     |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |                      sender's octet count                     |
         +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
   report |                 SSRC_1 (SSRC of first source)                 |
   block  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   1    | fraction lost |       cumulative number of packets lost       |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |           extended highest sequence number received           |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |                      interarrival jitter                      |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |                         last SR (LSR)                         |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
         |                   delay since last SR (DLSR)                  |
         +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
   report |                 SSRC_2 (SSRC of second source)                |
   block  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   2    :                               ...                             :
         +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
         |                  profile-specific extensions                  |
         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

通过 NTP timestamp 和 RTP timestamp 之间的映射, 我们可以知道 audio 包的时间和 video 包的时间。

具体的计算可以参见 WebRTC 的 RtpToNtpEstimator 类, 它将收到的若干 SR 中的 NTP time 和 RTP timestamp 保存下来，然后应用最小二乘法来估算后续 RTP timestamp 所对应的 NTP timestamp, 大致为用最近 N=20 个 RTCP SR 包的 ntp timestamp 和 rtp timestamp 的构造出线性关系 y = ax + b，通过最小二乘法来计算收到的 RTP 包对应的 ntp timestamp.

// Converts an RTP timestamp to the NTP domain.
// The class needs to be trained with (at least 2) RTP/NTP timestamp pairs from
// RTCP sender reports before the convertion can be done.
class RtpToNtpEstimator {
      public:
            //...

            enum UpdateResult { kInvalidMeasurement, kSameMeasurement, kNewMeasurement };
            // Updates measurements with RTP/NTP timestamp pair from a RTCP sender report.
            UpdateResult UpdateMeasurements(NtpTime ntp, uint32_t rtp_timestamp);

            // Converts an RTP timestamp to the NTP domain.
            // Returns invalid NtpTime (i.e. NtpTime(0)) on failure.
            NtpTime Estimate(uint32_t rtp_timestamp) const;

            // Returns estimated rtp_timestamp frequency, or 0 on failure.
            double EstimatedFrequencyKhz() const;

      private:
            // Estimated parameters from RTP and NTP timestamp pairs in `measurements_`.
            // Defines linear estimation: NtpTime (in units of 1s/2^32) =
            //   `Parameters::slope` * rtp_timestamp + `Parameters::offset`.
            struct Parameters {
                  double slope;
                  double offset;
            };

            // RTP and NTP timestamp pair from a RTCP SR report.
            struct RtcpMeasurement {
                  NtpTime ntp_time;
                  int64_t unwrapped_rtp_timestamp;
            };

            void UpdateParameters();

            int consecutive_invalid_samples_ = 0;
            std::list<RtcpMeasurement> measurements_;
            absl::optional<Parameters> params_;
            mutable RtpTimestampUnwrapper unwrapper_;
};

3. 调整播放和渲染时间

一般我们会以 audio 为主, video 向 audio 靠拢, 两者时间一致也就会达到 lip sync 音视频同步

audio 包先来, video 包后来: audio 包放在 jitter buffer 时等一会儿, 但是这个时间是有限的, 音频的流畅是首先要保证的, 视频跟不上可以降低视频的码率
video 包先来, audio 包后来: video 包要等 audio 包来, 这是为了让音视频同步要付出的代价

一般以音频为主流 master stream，视频为从流 slave stream。一般方法是接收方维护音频流的缓冲区的管理，并通过将视频 RTP 时间戳转换为正确从属于音频流的时间戳来调整视频流的播放。

当带有RTP时间戳 RTPv的视频帧到达接收器时，接收器通过四个步骤将RTP时间戳 RTPv 映射到视频设备时间戳VTB( Video Time Base)，如图所示。

使用 Video RTCP SR 中的 RTP/NTP 时间戳对建立的映射，将视频 RTP 时间戳 RTPv 映射到发送方 NTP 时间。
根据该 NTP 时间戳，使用 Audio RTCP SR 中的 RTP/NTP 时间戳对建立的映射，计算来自发送方的相应音频 RTPa 时间戳。此时，视频RTP时间戳被映射到音频RTP 包的相同时间基准。
根据该音频 RTP 时间戳，使用卡尔曼滤波的方法计算音频设备时间基准中的相应时间戳。结果是音频设备时间基准 ATB(Audio Time Base) 中的时间戳。
根据 ATB，使用偏移量 AtoV 计算视频设备时基 VTB 中的相应时间戳。

接收方需要确保带有 RTP 时间戳 RTPv 的视频帧使用所计算出的发送方视频设备时间基准 VTB 播放。

      AtoV = V_time - A_Time/(audio sample rate)

注: * AtoV: 音频相较视频的偏移量 * ATB: Audio device Time Base 音频设备的时间基准 * VTB: Video device Time Base 视频设备的时间基准

具体方法可以参见 https://www.ccexpert.us/video-conferencing/using-rtcp-for-media-synchronization.html) av sync

WebRTC 的做法原理上差不多，实现略有不同，可以参见 WebRTC 的源代码 StreamSynchronization 类和 RtpStreamsSynchronizer 类

大致上它会计算出 video 的延迟

current_delay_ms = max(min_playout_delay_ms, jitter_delay_ms + decode_time _ms + render_delay_ms)

然后再计算视频相对于音频的延迟 relative_delay_ms, - 如果它大于0，视频比音频慢，减小视频延迟（主要是调整 jitter buffer delay)，或者是增大音频延迟，取决于阈值 base_target_delay_ms - 如果它小于0，音频比视频慢，减小音频延迟，或者是增大视频延迟，取决于阈值base_target_delay_ms

base_target_delay_ms 的比较逻辑参见StreamSynchronization::ComputeDelays,

if (diff_ms > 0) {
      // The minimum video delay is longer than the current audio delay.
      // We need to decrease extra video delay, or add extra audio delay.
      if (video_delay_.extra_ms > base_target_delay_ms_) {
            // We have extra delay added to ViE. Reduce this delay before adding
            // extra delay to VoE.
            video_delay_.extra_ms -= diff_ms;
            audio_delay_.extra_ms = base_target_delay_ms_;
      } else {  // video_delay_.extra_ms > 0
            // We have no extra video delay to remove, increase the audio delay.
            audio_delay_.extra_ms += diff_ms;
            video_delay_.extra_ms = base_target_delay_ms_;
      }
      } else {  // if (diff_ms > 0)
      // The video delay is lower than the current audio delay.
      // We need to decrease extra audio delay, or add extra video delay.
      if (audio_delay_.extra_ms > base_target_delay_ms_) {
            // We have extra delay in VoiceEngine.
            // Start with decreasing the voice delay.
            // Note: diff_ms is negative; add the negative difference.
            audio_delay_.extra_ms += diff_ms;
            video_delay_.extra_ms = base_target_delay_ms_;
      } else {  // audio_delay_.extra_ms > base_target_delay_ms_
            // We have no extra delay in VoiceEngine, increase the video delay.
            // Note: diff_ms is negative; subtract the negative difference.
            video_delay_.extra_ms -= diff_ms;  // X - (-Y) = X + Y.
            audio_delay_.extra_ms = base_target_delay_ms_;
      }
}

更多细节在 WebRTC 的代码中 * class StreamSynchronization * class RtpStreamsSynchronizer

通过StreamSynchronization::ComputeDelays计算出音频和视频的相对延迟，如果相对延迟很小( < 30ms), 则无需调整音视频的播放时间，如果相对延迟很大，则以 80ms 的幅度进行逐步调整。与传统的只调视频延迟，不调音频延迟， WebRTC 会两边都调点，使得音视频的时间彼此靠近，前提是音频的延迟是在上面提到的可接受范围之内。

参考资料

https://www.ciscopress.com/articles/article.asp?p=705533&seqNum=6
https://www.ccexpert.us/video-conferencing/using-rtcp-for-media-synchronization.html
https://testrtc.com/docs/how-do-you-find-lip-sync-issues-in-webrtc/
https://en.wikipedia.org/wiki/Audio-to-video_synchronization
https://www.simplehelp.net/2018/05/29/how-to-fix-out-of-sync-audio-video-in-an-mkv-mp4-or-avi/ *RFC6051: Rapid Synchronisation of RTP Flows

本作品采用知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际许可协议进行许可。

Previous Post Next Post