使用Flask实现视频的流媒体传输

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Flask 是一个 Python 实现的 Web 开发微框架。如何用它实现传送视频数据流呢?Flask应用拥有这样一种能力,以分割成小数据块的方式,高效地为大型请求提供数据。

使用Flask实现视频的流媒体传输

什么是流媒体?

流媒体是一种技术,其中,服务器以数据块的形式响应请求。我能想到一个原因来解释为什么这个技术可能是有用的:

非常大的响应 。对于非常大的响应而言,内存中收集的响应只返回给客户端,这是很低效的。另一种方法是将响应写入磁盘,然后使用flask.send_file()返回文件,但是这增加了I/O的组合。假设数据可以分块生成,以小块数据的方式给请求提供响应是一种更好的解决方案。

实时数据 。对于一些应用,需要请求返回的数据来自实时数据源。

使用Flask实现流式传输

Flask通过使用生成器函数对流式响应提供本机支持。生成器是一个特别的函数,它可以中断和恢复。考虑一下下面的函数:

def gen():  
  yield 1 
  yield 2 
  yield 3

这是一个运行三步的函数,其中每步返回一个值。描述生成器如何实现超出了本文的范围,但如果你有点好奇,下面的shell会话将给你说明生成器是如何被使用的:

>>> x = gen()
>>> x
<generator object="" gen="" at="" 0x7f06f3059c30="">
>>> x.next()
1
>>> x.next()
2
>>> x.next()
3
>>> x.next()
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration

在这个简单的例子中你能看到,一个生成器函数可以顺序得返回多个结果。Flask使用生成器 函数这一特性来实现流式传输。

下面的例子说明了如何使用流式传输能够产生大的数据表,而不必将整个表放入内存中:

from flask import Response, render_template
from app.models import Stock
  
def generate_stock_table():
  yield render_template('stock_header.html')
  for stock in Stock.query.all():
    yield render_template('stock_row.html', stock=stock)
  yield render_template('stock_footer.html')
  
@app.route('/stock-table')
def stock_table():
  return Response(generate_stock_table())

在这个例子中,你能看到Flask和生成器函数是如何一起工作的。返回流式响应的路由(route)需要返回一个由生成器函数初始化的Response对象。Flask然后采取调用生成器,并以分块的方式吧结果发送给客户端。

对于这个特殊的例子,如果你假设Stock.query.all()返回的数据库查询结果是一个迭代器,那么你能一次生成一个潜在大表的一行,因此无论查询中的字符数量有多少,Python过程中的内存消耗不会因为较大的响应字符串而越来越大。

多部分响应

上文提到了表的例子以小块的形式生成一个传统网页,各个的部分连接成最后的结果。对于如何生成较大的响应这是一个很好的例子,但更令人激动的事情是处理实时数据。

使用流式传输的一个有趣的应用是使用每个块来替换原来页面中的地方,这能使流在浏览器窗口中形成动画。利用这种技术,你可以让流中每个数据块成为一个图像,这给你提供了一个运行在浏览器中的很酷的视频输入信号!

实现就地更新的秘密是使用多部分响应。多部分响应由一个报头(header)和很多部分(parts)组成。报头包括多部分中的一种内容类型,后面的部分由边界标记分隔,每个部分中含有自身部分中的特定内容类型。

对于不同的需求,这里有一些多部分内容类型。对于具有流式传输的,每个部分替换先前部分必须使用multipart/x-mixed-replace内容类型。为了帮助你了解它到底是什么样子的,这里有一个多部分视频流传输的响应结构:

HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: multipart/x-mixed-replace; boundary=frame
  
--frame
Content-Type: image/jpeg
  
<jpeg data="" here="">
--frame
Content-Type: image/jpeg
  
<jpeg data="" here="">
...
</jpeg></jpeg>

正如你上面看到的,这个结构非常简单。主要的Content-Type头被设为multipart/x-mixed-replace,同时边界标记也被定义。然后每个部分中包括,有两个短横线的前缀,及这行上的边界字符串。每个部分有自己的Content-Type头,并且每个部分可以可选地包括一个说明所在部分有效载荷的字节长度的Content-Length头,但至少对图像浏览器而言,能够处理没有长度的流。

建立一个实时视频流媒体服务器

这篇文章中已经有足够的理论,现在是时候来建立一个将实时视频流式传输到Web浏览器的完整应用。

这里有很多方法将视频流式传输到浏览器,并且每个方法都有其优点和缺点。与Flask流特征协同工作的一个好方法是流式传输独立的JPEG图片序列。这就是动态JPEG。这被用于许多IP监控摄像机。这种方法具有较短的延迟时间,但传输质量并不是最好的,因为对于动态影像而言,JPEG压缩不是非常有效。

下面你可以看到一个非常简单但完整的Web应用。它可以提供一个动态JPEG流传输:

#!/usr/bin/env python
from flask import Flask, render_template, Response
from camera import Camera
  
app = Flask(__name__)
  
@app.route('/')
def index():  
  return render_template('index.html')
  
def gen(camera):
  while True:
    frame = camera.get_frame()
    yield (b'--framern'
        b'Content-Type: image/jpegrnrn' + frame + b'rn')
  
@app.route('/video_feed')
def video_feed():
  return Response(gen(Camera()),
          mimetype='multipart/x-mixed-replace; boundary=frame')
  
if __name__ == '__main__':
  app.run(host='0.0.0.0', debug=True)

这个应用导入一个Camera类来负责提供帧序列。在这个例子中,将camera控制部分放入一个单独的模块是一个很好的主意。这样,Web应用会保持干净、简单和通用。

该应用有两个路由(route)。/路由为主页服务,被定义在index.html模板中。下面你能看到这个模板文件中的内容:

<title>Video Streaming Demonstration</title>
 
 
<h1>Video Streaming Demonstration</h1>
<img src="{{ url_for('video_feed') }}">

这是一个简单的HTML页面,只含有一个标题和图像标签。注意这个图像标签的src属性指向这个应用的第二个路由,这就是魔法发生的地方。

/video_feed路由返回流式响应。因为这个流返回要被展示在web页面上的图像,在图像标签的src属性中,URL指向这个路由。因为大多数/所有浏览器支持多部分响应(如果你找到一个不支持这个的浏览器,请告诉我),浏览器会通过显示JPEG图像流自动保持图像元素的更新。

在/video_feed路由中使用的生成器函数叫gen(),将Camera类的一个实例作为其参数。mimetype参数设置如上所示,并具有multipart/x-mixed-replace的内容类型和设为"frame"的边界字符串。

gen()函数进入一个循环,其中连续的从camera返回帧作为响应块。如上所示,这个函数通过调用camera.get_frame()方法要求camera提供帧,然后生成帧,使用image/jpeg内容类型将该帧格式化为响应块。

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