WebCodecs VideoFrame Конвертиране на цветовото пространство: Задълбочено изследване на трансформацията на формата на кадрите

В сферата на уеб-базираната видео обработка, способността да се манипулират видео кадри ефективно и ефикасно е от решаващо значение. WebCodecs API предоставя мощен и гъвкав интерфейс за работа с медийни потоци директно в браузъра. Основен аспект на това е възможността за извършване на конвертиране на цветовото пространство и трансформация на формата на кадрите върху VideoFrame обекти. Тази публикация в блога се задълбочава в техническите детайли и практическите приложения на тази функция, изследвайки тънкостите на конвертирането между различни цветови пространства и формати на кадри.

Разбиране на цветовите пространства и форматите на кадрите

Преди да се потопите в спецификата на WebCodecs, от съществено значение е да разберете основните концепции за цветовите пространства и форматите на кадрите. Тези концепции са основополагащи за разбирането как се представят видео данните и как могат да бъдат манипулирани.

Цветови пространства

Цветовото пространство определя как цветовете в изображение или видео се представят числено. Различните цветови пространства използват различни модели, за да опишат диапазона от цветове, които могат да бъдат показани. Някои общи цветови пространства включват:

• RGB (червено, зелено, синьо): Широко използвано цветово пространство, особено за компютърни дисплеи. Всеки цвят е представен от неговите червени, зелени и сини компоненти.
• YUV (и YCbCr): Използва се предимно за видео кодиране и предаване поради своята ефективност. Y представлява компонента на лума (яркост), докато U и V (или Cb и Cr) представляват компонентите на хроминантността (цвят). Това разделяне позволява ефективни техники за компресиране. Общите YUV формати включват YUV420p, YUV422p и YUV444p, които се различават по отношение на тяхното субсемплиране на хрома.
• HDR (High Dynamic Range): Предлага по-широк диапазон от стойности на яркостта, позволявайки по-реалистични и детайлни визуализации. HDR съдържанието може да бъде кодирано в различни формати като HDR10, Dolby Vision и HLG.
• SDR (Standard Dynamic Range): Традиционният динамичен диапазон, използван в стандартното видео и дисплеи.

Формати на кадрите

Форматът на кадъра описва как данните за цветовете са подредени във всеки кадър от видеото. Това включва аспекти като:

• Формат на пикселите: Това определя как са представени цветовите компоненти. Например, RGB888 (8 бита за всеки червен, зелен и син компонент) и YUV420p (както е споменато по-горе).
• Ширина и височина: Размерите на видео кадъра.
• Стъпка: Броят байтове между началото на един ред пиксели и началото на следващия ред. Това е важно за оформлението на паметта и ефективната обработка.

Изборът на цветово пространство и формат на кадъра влияе върху качеството, размера на файла и съвместимостта на видео съдържанието. Конвертирането между различни формати позволява адаптиране на видео за различни дисплеи, стандарти за кодиране и обработващи тръбопроводи.

WebCodecs и VideoFrame API

WebCodecs предоставя API от ниско ниво за достъп и манипулиране на медийни данни в браузъра. Интерфейсът VideoFrame представлява един кадър от видео данни. Той е проектиран да бъде високоефективен и позволява директен достъп до основните пикселни данни.

Ключови аспекти на VideoFrame API, свързани с конвертирането на цветовото пространство, включват:

• Конструктор: Позволява създаването на VideoFrame обекти от различни източници, включително сурови пикселни данни и ImageBitmap обекти.
• colorSpace свойство: Определя цветовото пространство на кадъра (напр. 'srgb', 'rec709', 'hdr10', 'prophoto').
• format свойство: Определя формата на кадъра, включително формата на пикселите и размерите. Това свойство е само за четене.
• codedWidth и codedHeight: Размери, използвани в процеса на кодиране и може да са различни от width и height.
• Достъп до пикселни данни: Въпреки че WebCodecs не предоставя директно функции за конвертиране на цветовото пространство в рамките на самия интерфейс VideoFrame, VideoFrame може да се използва с други уеб технологии като Canvas API и WebAssembly за прилагане на трансформации на формати.

Техники за конвертиране на цветовото пространство с WebCodecs

Тъй като WebCodecs няма присъщи функции за конвертиране на цветовото пространство, разработчиците трябва да използват други уеб технологии във връзка с VideoFrame обекти. Общите подходи са:

Използване на Canvas API

Canvas API предоставя удобен начин за достъп и манипулиране на пикселни данни. Ето общ работен процес за конвертиране на VideoFrame с помощта на Canvas API:

1. Създайте Canvas елемент: Създайте скрит canvas елемент във вашия HTML: <canvas id="tempCanvas" style="display:none;"></canvas>
2. Нарисувайте VideoFrame върху Canvas: Използвайте метода drawImage() на 2D контекста за рендиране на Canvas. Ще трябва да използвате getImageData(), за да получите данните след завършване на рисуването.
3. Извличане на пикселни данни: Използвайте getImageData() върху контекста на canvas, за да извлечете пикселни данни като ImageData обект. Този обект осигурява достъп до пикселните стойности в масив (RGBA формат).
4. Извършете конвертиране на цветовото пространство: Итерирайте през пикселните данни и приложете съответните формули за конвертиране на цветовото пространство. Това включва математически изчисления за конвертиране на цветовите стойности от изходното цветово пространство в желаното цветово пространство. Библиотеки като Color.js или различни матрици за конвертиране могат да помогнат с тази стъпка.
5. Върнете пикселните данни обратно в Canvas: Създайте нов ImageData обект с конвертираните пикселни данни и използвайте putImageData(), за да актуализирате canvas.
6. Създайте нов VideoFrame: Накрая, използвайте съдържанието на Canvas като източник на вашия нов VideoFrame.

Пример: Конвертиране от RGB в нюанси на сивото (опростено)

            
async function convertToGrayscale(videoFrame) {
  const canvas = document.createElement('canvas');
  canvas.width = videoFrame.width;
  canvas.height = videoFrame.height;
  const ctx = canvas.getContext('2d');

  if (!ctx) {
    console.error('Could not get 2D context');
    return null;
  }

  ctx.drawImage(videoFrame, 0, 0);
  const imageData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  const data = imageData.data;

  for (let i = 0; i < data.length; i += 4) {
    const r = data[i];
    const g = data[i + 1];
    const b = data[i + 2];
    const grayscale = (r * 0.299) + (g * 0.587) + (b * 0.114);
    data[i] = grayscale;
    data[i + 1] = grayscale;
    data[i + 2] = grayscale;
  }

  ctx.putImageData(imageData, 0, 0);

  // Important: Create a new VideoFrame using the canvas context
  const newVideoFrame = new VideoFrame(canvas, {
      timestamp: videoFrame.timestamp, // Preserve original timestamp
      alpha: 'discard', // or 'keep' depending on requirements
  });

  videoFrame.close(); //Close the original VideoFrame after creating a new one
  return newVideoFrame;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Забележка: Това конвертиране в нюанси на сивото е много прост пример. Конвертирането на цветовото пространство в реалния свят включва сложни изчисления и може да изисква специализирани библиотеки за обработка на различни цветови пространства (YUV, HDR и т.н.). Уверете се, че управлявате правилно жизнения цикъл на вашите VideoFrame обекти, като извиквате close(), когато приключите с тях, за да избегнете изтичане на памет.

Използване на WebAssembly

За приложения, критични за производителността, WebAssembly предлага значително предимство. Можете да напишете силно оптимизирани рутинни процедури за конвертиране на цветовото пространство на езици като C++ и да ги компилирате в WebAssembly модули. След това тези модули могат да бъдат изпълнени в браузъра, използвайки ниско ниво на достъп до паметта и изчислителна ефективност. Ето общия процес:

1. Напишете C/C++ код: Напишете функция за конвертиране на цветовото пространство в C/C++. Този код ще вземе изходните пикселни данни (напр. RGB или YUV) и ще ги конвертира в целевото цветово пространство. Ще трябва да управлявате паметта директно.
2. Компилирайте в WebAssembly: Използвайте WebAssembly компилатор (напр. Emscripten), за да компилирате вашия C/C++ код в WebAssembly модул (.wasm файл).
3. Заредете и инстанцирайте модула: Във вашия JavaScript код заредете WebAssembly модула с помощта на функцията WebAssembly.instantiate(). Това създава екземпляр на модула.
4. Достъп до функцията за конвертиране: Достъп до функцията за конвертиране на цветовото пространство, експортирана от вашия WebAssembly модул.
5. Предайте данни и изпълнете: Предоставете входните пикселни данни (от VideoFrame, до които ще трябва да се получи достъп чрез копия на паметта) и извикайте WebAssembly функцията.
6. Вземете конвертираните данни: Извлечете конвертираните пикселни данни от паметта на WebAssembly модула.
7. Създайте нов VideoFrame: Накрая, създайте нов VideoFrame обект с конвертираните данни.

Предимства на WebAssembly:

• Производителност: WebAssembly може значително да превъзхожда JavaScript, особено за изчислително интензивни задачи като конвертиране на цветовото пространство.
• Преносимост: WebAssembly модулите могат да бъдат използвани повторно на различни платформи и браузъри.

Недостатъци на WebAssembly:

• Сложност: Изисква познания за C/C++ и WebAssembly.
• Отстраняване на грешки: Отстраняването на грешки в WebAssembly код може да бъде по-трудно от отстраняването на грешки в JavaScript.

Използване на Web Workers

Web Workers ви позволяват да прехвърлите изчислително интензивни задачи, като конвертиране на цветовото пространство, към фонов поток. Това предотвратява блокирането на основния поток, осигурявайки по-плавно потребителско изживяване. Работният процес е подобен на използването на WebAssembly, но изчисленията ще бъдат извършени от Web Worker.

1. Създайте Web Worker: Във вашия основен скрипт създайте нов Web Worker и заредете отделен JavaScript файл, който ще извърши конвертирането на цветовото пространство.
2. Публикувайте данните на VideoFrame: Изпратете суровите пикселни данни от VideoFrame към Web Worker с помощта на postMessage(). Като алтернатива, можете да прехвърлите видео кадъра, като използвате прехвърляеми обекти като ImageBitmap, което може да бъде по-ефективно.
3. Извършете конвертиране на цветовото пространство в рамките на Worker: Web Worker получава данните, извършва конвертирането на цветовото пространство, като използва Canvas API (подобно на примера по-горе), WebAssembly или други методи.
4. Публикувайте резултата: Web Worker изпраща конвертираните пикселни данни обратно към основния поток с помощта на postMessage().
5. Обработете резултата: Основният поток получава конвертираните данни и създава нов VideoFrame обект или каквото и да е желаният изход за обработените данни.

Ползи от Web Workers:

• Подобрена производителност: Основният поток остава отзивчив.
• Конкурентност: Позволява извършване на множество задачи за видео обработка едновременно.

Предизвикателства на Web Workers:

• Комуникационна тежест: Изисква изпращане на данни между потоци, което може да добави тежест.
• Сложност: Въвежда допълнителна сложност в структурата на приложението.

Практически приложения на конвертирането на цветовото пространство и трансформациите на формата на кадрите

Възможността за конвертиране на цветови пространства и формати на кадри е от съществено значение за широк спектър от уеб-базирани видео приложения, включително:

• Редактиране и обработка на видео: Позволява на потребителите да извършват корекция на цветовете, оценка и други визуални ефекти директно в браузъра. Например, редактор може да се наложи да конвертира изходното видео в YUV формат за ефективна обработка на филтри, базирани на хрома.
• Видеоконференции и поточно предаване: Осигуряване на съвместимост между различни устройства и платформи. Видео потоците често трябва да бъдат конвертирани в общо цветово пространство (напр. YUV) за ефективно кодиране и предаване. Освен това, приложение за видеоконференции може да се наложи да конвертира входящо видео от различни камери и формати в последователен формат за обработка.
• Възпроизвеждане на видео: Разрешаване на възпроизвеждане на видео съдържание на различни дисплейни устройства. Например, конвертиране на HDR съдържание в SDR за дисплеи, които не поддържат HDR.
• Платформи за създаване на съдържание: Позволява на потребителите да импортират видео в различни формати и след това да ги конвертират в уеб-приятелски формат за онлайн споделяне.
• Приложения за разширена реалност (AR) и виртуална реалност (VR): AR/VR приложенията се нуждаят от прецизно съвпадение на цветовете и формати на кадрите, за да осигурят безпроблемно потребителско изживяване.
• Предаване на видео на живо: Адаптиране на видео потоци към различни зрителни устройства с различни възможности. Например, телевизионен оператор може да конвертира своята излъчване с висока разделителна способност в различни формати с по-ниска разделителна способност за мобилни потребители.

Оптимизиране на производителността

Конвертирането на цветовото пространство може да бъде изчислително интензивен процес. За да оптимизирате производителността, помислете за следните стратегии:

• Изберете правилната техника: Изберете най-подходящия метод (Canvas API, WebAssembly, Web Workers) въз основа на специфичните нужди на вашето приложение и сложността на конвертирането. За приложения в реално време често се предпочитат WebAssembly или Web Workers.
• Оптимизирайте вашия код за конвертиране: Напишете високоефективен код, особено за основните изчисления за конвертиране. Сведете до минимум излишните операции и използвайте оптимизирани алгоритми.
• Използвайте паралелна обработка: Използвайте Web Workers, за да паралелизирате процеса на конвертиране, разпределяйки натоварването между множество потоци.
• Сведете до минимум прехвърлянето на данни: Избягвайте ненужното прехвърляне на данни между основния поток и Web Workers или WebAssembly модули. Използвайте прехвърляеми обекти (като ImageBitmap), за да намалите тежестта.
• Кеширайте резултатите: Ако е възможно, кеширайте резултатите от конвертирането на цветовото пространство, за да избегнете повторното им изчисляване ненужно.
• Профилирайте вашия код: Използвайте инструменти за разработка на браузъра, за да профилирате вашия код и да идентифицирате тесните места в производителността. Оптимизирайте най-бавните части от вашето приложение.
• Помислете за честотата на кадрите: Намалете честотата на кадрите, ако е възможно. Много пъти потребителят няма да разбере дали конвертирането е станало при 30FPS вместо 60FPS.

Обработка на грешки и отстраняване на грешки

Когато работите с WebCodecs и конвертиране на цветовото пространство, от решаващо значение е да включите стабилна обработка на грешки и техники за отстраняване на грешки:

• Проверете за съвместимост на браузъра: Уверете се, че WebCodecs API и технологиите, които използвате (напр. WebAssembly), се поддържат от целевите браузъри. Използвайте откриване на функции, за да обработвате грациозно ситуации, в които дадена функция не е налична.
• Обработвайте изключения: Обвийте вашия код в `try...catch` блокове, за да уловите всички изключения, които могат да възникнат по време на конвертиране на цветовото пространство или трансформации на формата на кадрите.
• Използвайте регистриране: Приложете цялостно регистриране, за да проследявате изпълнението на вашия код и да идентифицирате потенциални проблеми. Регистрирайте грешки, предупреждения и подходяща информация.
• Проверете пикселните данни: Използвайте инструменти за разработка на браузъра, за да проверите пикселните данни преди и след конвертирането, за да се уверите, че конвертирането на цветовото пространство работи правилно.
• Тествайте на различни устройства и браузъри: Тествайте вашето приложение на различни устройства и браузъри, за да осигурите съвместимост и че конвертирането на цветовото пространство се прилага правилно.
• Проверете цветовите пространства: Уверете се, че правилно идентифицирате изходното и целевото цветово пространство на вашите видео кадри. Неправилната информация за цветовото пространство може да доведе до неточни конвертирания.
• Наблюдавайте изпускането на кадри: Ако производителността е проблем, наблюдавайте изпускането на кадри по време на конвертирането. Регулирайте техниките за обработка, за да сведете до минимум изпуснатите кадри.

Бъдещи насоки и нововъзникващи технологии

WebCodecs API и свързаните технологии непрекъснато се развиват. Ето някои области, които трябва да наблюдавате за бъдещо развитие:

• Възможности за директно конвертиране на цветовото пространство: Въпреки че текущият WebCodecs API няма вградени функционалности за конвертиране на цветовото пространство, има потенциал за бъдещи допълнения към API, за да се опрости този процес.
• Подобрения в поддръжката на HDR: Тъй като HDR дисплеите стават по-разпространени, очаквайте подобрения в обработката на HDR съдържание в рамките на WebCodecs, включително по-всеобхватна поддръжка за различни HDR формати.
• GPU ускорение: Използване на GPU за по-бързо конвертиране на цветовото пространство.
• Интеграция с WebAssembly: Продължаващият напредък в WebAssembly и свързаните инструменти ще продължат да оптимизират производителността на видео обработката.
• Интеграция с машинно обучение: Изследване на модели за машинно обучение за подобряване на качеството на видеото, подобряване на компресията и създаване на по-добри видео изживявания.

Заключение

WebCodecs предоставя мощна основа за уеб-базирана видео обработка, а конвертирането на цветовото пространство е критичен елемент. Въпреки че самият API не предоставя директна функция за конвертиране, той ни позволява да конвертираме с помощта на инструменти като Canvas, WebAssembly и Web Workers. Като разберем концепциите за цветовите пространства и форматите на кадрите, изберем правилните техники и оптимизираме производителността, разработчиците могат да изградят сложни видео приложения, които предлагат висококачествени видео изживявания. Тъй като уеб видео пейзажът продължава да се развива, оставането информиран за тези възможности и възприемането на нови технологии ще бъде от съществено значение за създаването на иновативни и ангажиращи уеб приложения.

Чрез прилагането на тези техники и оптимизирането за производителност, разработчиците могат да отключат широк спектър от възможности за видео обработка в браузъра, което води до по-динамични и завладяващи уеб изживявания за потребителите по целия свят.