WebCodecs Pipeline за подобряване на VideoFrame: Многоетапна обработка на видео

WebCodecs революционизира начина, по който обработваме медии в мрежата. Той осигурява нисък достъп до видео и аудио кодеци, отваряйки възможности за създаване на производителни и сложни медийни приложения директно в браузъра. Едно от най-вълнуващите приложения на WebCodecs е изграждането на потребителски pipeline-и за обработка на видео за подобрения, филтриране и анализ в реално време. Тази статия разглежда създаването на многоетапен pipeline за обработка на видео с помощта на WebCodecs, изследвайки ключови концепции, техники и практически съображения.

Какво е VideoFrame?

В основата на WebCodecs е обектът VideoFrame. Мислете за него като за платно, представляващо единичен кадър от видео данни. За разлика от традиционните видео елементи, които абстрахират основните данни, VideoFrame осигурява директен достъп до пикселните данни, позволявайки манипулиране и обработка на гранулирано ниво. Този достъп е от решаващо значение за изграждането на потребителски pipeline-и за обработка на видео.

Основни характеристики на VideoFrame:

• Сурови пикселни данни: Съдържа действителните пикселни данни в специфичен формат (например, YUV, RGB).
• Метаданни: Включва информация като времева марка, кодирана ширина, кодирана височина, ширина на дисплея, височина на дисплея и цветово пространство.
• Прехвърляем: Може да се прехвърля ефективно между различни части на вашето приложение или дори към Web Workers за обработка извън основната нишка.
• Затваряем: Трябва изрично да бъде затворен, за да освободи ресурси, предотвратявайки изтичане на памет.

Изграждане на многоетапен Pipeline за обработка на видео

Многоетапният pipeline за обработка на видео включва разбиване на процеса на подобряване на видеото на поредица от отделни стъпки или етапи. Всеки етап извършва специфична трансформация върху VideoFrame, като например прилагане на филтър, регулиране на яркостта или откриване на ръбове. Изходът на един етап става вход на следващия, създавайки верига от операции.

Ето типична структура на pipeline за обработка на видео:

1. Входен етап: Получава суровите видео данни от източник, като например поток от камера (getUserMedia), видео файл или отдалечен поток. Конвертира този вход в VideoFrame обекти.
2. Етапи на обработка: Поредица от етапи, които извършват специфични видео трансформации. Те могат да включват:
   • Корекция на цветовете: Регулиране на яркостта, контраста, насищането и нюанса.
   • Филтриране: Прилагане на филтри за замъгляване, изостряне или откриване на ръбове.
   • Ефекти: Добавяне на визуални ефекти като сепия, сиво или инверсия на цветовете.
   • Анализ: Извършване на задачи за компютърно зрение като откриване на обекти или проследяване на движение.
3. Изходен етап: Взема обработения VideoFrame и го рендира на дисплей (например, <canvas> елемент) или го кодира за съхранение или предаване.

Пример: Прост двуетапен Pipeline (Преобразуване в сиво и регулиране на яркостта)

Нека илюстрираме това с прост пример, включващ два етапа: конвертиране на видео кадър в сиво и след това регулиране на неговата яркост.

Етап 1: Преобразуване в сиво

Този етап преобразува цветния VideoFrame в сиво.

            async function toGrayscale(frame) {
  const width = frame.codedWidth;
  const height = frame.codedHeight;
  const bitmap = await createImageBitmap(frame);
  const canvas = new OffscreenCanvas(width, height);
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0);

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

  for (let i = 0; i < data.length; i += 4) {
    const avg = (data[i] + data[i + 1] + data[i + 2]) / 3;
    data[i] = avg;    // Red
    data[i + 1] = avg; // Green
    data[i + 2] = avg; // Blue
  }

  ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
  bitmap.close();
  frame.close();

  return new VideoFrame(canvas.transferToImageBitmap(), { timestamp: frame.timestamp });
}

            

              
                Copy
              
            
          

Етап 2: Регулиране на яркостта

Този етап регулира яркостта на сивия VideoFrame.

            async function adjustBrightness(frame, brightness) {
  const width = frame.codedWidth;
  const height = frame.codedHeight;
  const bitmap = await createImageBitmap(frame);
  const canvas = new OffscreenCanvas(width, height);
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0);

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

  for (let i = 0; i < data.length; i += 4) {
    data[i] = Math.max(0, Math.min(255, data[i] + brightness));     // Red
    data[i + 1] = Math.max(0, Math.min(255, data[i + 1] + brightness)); // Green
    data[i + 2] = Math.max(0, Math.min(255, data[i + 2] + brightness)); // Blue
  }

  ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
  bitmap.close();
  frame.close();

  return new VideoFrame(canvas.transferToImageBitmap(), { timestamp: frame.timestamp });
}

            

              
                Copy
              
            
          

Интеграция на Pipeline

Пълният pipeline би включвал извличане на видео кадъра, преминаването му през преобразуването в сиво, след това през регулирането на яркостта и накрая рендирането му на платното.

            async function processVideoFrame(frame) {
  let grayscaleFrame = await toGrayscale(frame);
  let brightenedFrame = await adjustBrightness(grayscaleFrame, 50); // Example brightness adjustment

  // Render the brightenedFrame to the canvas
  renderFrameToCanvas(brightenedFrame);

  brightenedFrame.close();
}

            

              
                Copy
              
            
          

Важно: Не забравяйте винаги да close() вашите VideoFrame и ImageBitmap обекти, за да предотвратите изтичане на памет!

Ключови съображения за изграждане на WebCodecs Pipelines

Изграждането на ефективни и стабилни WebCodecs pipelines изисква внимателно разглеждане на няколко фактора:

1. Оптимизация на производителността

Обработката на видео може да бъде изчислително интензивна. Ето някои техники за оптимизация:

• Обработка извън основната нишка: Използвайте Web Workers, за да преместите изчислително скъпи задачи извън основната нишка, предотвратявайки блокиране на потребителския интерфейс.
• Управление на паметта: Внимателно управлявайте паметта, като затваряте VideoFrame и ImageBitmap обектите веднага след употреба. Избягвайте ненужното създаване на обекти.
• Избор на алгоритъм: Изберете ефективни алгоритми за задачи за обработка на видео. Например, използването на таблици за търсене за цветови трансформации може да бъде по-бързо от изчисленията пиксел по пиксел.
• Векторизация (SIMD): Разгледайте използването на SIMD (Single Instruction, Multiple Data) инструкции за паралелизиране на изчисленията върху множество пиксели едновременно. Някои JavaScript библиотеки предоставят SIMD възможности.
• Оптимизация на Canvas: Обмислете използването на OffscreenCanvas за рендиране, за да избегнете блокиране на основната нишка. Оптимизирайте операциите за рисуване върху canvas.

2. Обработка на грешки

Внедрете стабилна обработка на грешки, за да се справите грациозно с потенциални проблеми като грешки на кодека, невалидни входни данни или изчерпване на ресурси.

• Try-Catch блокове: Използвайте try...catch блокове, за да уловите изключения, които могат да възникнат по време на обработката на видео.
• Обработка на отхвърляне на Promise: Правилно обработвайте отхвърляния на promise в асинхронни операции.
• Поддръжка на кодеци: Проверете за поддръжка на кодеци, преди да се опитате да декодирате или кодирате видео.

3. Избор на кодек

Изборът на кодек зависи от фактори като желаното качество на видеото, степента на компресия и съвместимостта на браузъра. WebCodecs поддържа различни кодеци, включително VP8, VP9 и AV1.

• Съвместимост на браузъра: Уверете се, че избраният кодек се поддържа от целевите браузъри.
• Производителност: Различните кодеци имат различни характеристики на производителността. Експериментирайте, за да намерите най-добрия кодек за вашето приложение.
• Качество: Обмислете желаното качество на видеото, когато избирате кодек. Кодеците с по-високо качество обикновено изискват повече изчислителна мощност.
• Лицензиране: Бъдете наясно с последиците за лицензирането на различните кодеци.

4. Кадрова честота и време

Поддържането на постоянна кадрова честота е от решаващо значение за гладкото възпроизвеждане на видео. WebCodecs предоставя механизми за контролиране на кадровата честота и времето на обработка на видео.

• Времеви печати: Използвайте свойството timestamp на VideoFrame, за да синхронизирате обработката на видео с видео потока.
• RequestAnimationFrame: Използвайте requestAnimationFrame, за да планирате актуализациите на рендиране при оптималната кадрова честота за браузъра.
• Пропускане на кадри: Внедрете стратегии за пропускане на кадри, ако pipeline-ът за обработка не може да се справи с входящата кадрова честота.

5. Интернационализация и локализация

Когато създавате видео приложения за глобална аудитория, обмислете следното:

• Поддръжка на езици: Осигурете поддръжка за множество езици в потребителския интерфейс.
• Формати за дата и час: Използвайте подходящи формати за дата и час за локала на потребителя.
• Културна чувствителност: Бъдете внимателни към културните различия, когато проектирате потребителския интерфейс и съдържанието.

6. Достъпност

Уверете се, че вашите видео приложения са достъпни за потребители с увреждания.

• Субтитри и надписи: Осигурете субтитри и надписи за видеоклипове.
• Аудио описания: Осигурете аудио описания за видеоклипове, които описват визуалното съдържание.
• Навигация с клавиатура: Уверете се, че приложението може да се навигира с помощта на клавиатурата.
• Съвместимост с екранни четци: Уверете се, че приложението е съвместимо с екранни четци.

Приложения в реалния свят

Pipeline-ите за обработка на видео, базирани на WebCodecs, имат широк спектър от приложения:

• Видеоконференции: Подобряване на видеото в реално време, замъгляване на фона и намаляване на шума. Представете си система за видеоконференции, която автоматично регулира осветлението и прилага фино замъгляване на фона, подобрявайки външния вид на потребителя и минимизирайки разсейването.
• Редактиране на видео: Създаване на персонализирани видео ефекти и филтри в уеб-базирани видео редактори. Например, уеб-базиран редактор може да предложи усъвършенствани инструменти за цветово градиране, задвижвани от WebCodecs, позволяващи на потребителите да настройват фино външния вид и усещането на своите видеоклипове директно в браузъра.
• Поточно предаване на живо: Добавяне на ефекти и наслагвания в реално време към видео потоци на живо. Помислете за платформи за поточно предаване на живо, които позволяват на потребителите да добавят динамични филтри, анимирани наслагвания или дори интерактивни елементи към своите предавания в реално време.
• Компютърно зрение: Извършване на откриване на обекти в реално време, разпознаване на лица и други задачи за компютърно зрение в браузъра. Обмислете приложение за сигурност, което използва WebCodecs за анализ на видео потоци от охранителни камери и откриване на подозрителна дейност в реално време.
• Разширена реалност (AR): Интегриране на видео потоци с AR наслагвания и ефекти. Представете си уеб-базирано AR приложение, което използва WebCodecs за заснемане на видео от камерата на потребителя и наслагване на виртуални обекти върху сцената в реално време.
• Инструменти за отдалечено сътрудничество: Подобрете качеството на видеото в среда с ниска честотна лента, използвайки техники като супер-резолюция. Това е особено полезно за глобални екипи, които си сътрудничат в райони с ограничена интернет инфраструктура.

Примери от цял свят

Нека разгледаме някои потенциални примери за това как WebCodecs pipeline-ите за подобряване на видеото могат да бъдат използвани в различни региони:

• Азия: Телемедицинска платформа в селски район с ограничена честотна лента може да използва WebCodecs за оптимизиране на качеството на видеото за дистанционни консултации, осигурявайки ясна комуникация между лекари и пациенти. Pipeline-ът може да приоритизира основните детайли, като същевременно минимизира консумацията на честотна лента.
• Африка: Образователна платформа може да използва WebCodecs за предоставяне на интерактивни видео уроци с превод на език в реално време и екранни анотации, което прави ученето по-достъпно за ученици в различни езикови общности. Видео pipeline-ът може динамично да регулира субтитрите въз основа на езиковите предпочитания на потребителя.
• Европа: Музей може да използва WebCodecs за създаване на интерактивни изложби с елементи на разширена реалност, позволявайки на посетителите да изследват исторически артефакти и среди по по-ангажиращ начин. Посетителите могат да използват своите смартфони, за да сканират артефакти и да задействат AR наслагвания, които предоставят допълнителна информация и контекст.
• Северна Америка: Компания може да използва WebCodecs за разработване на по-приобщаваща платформа за видеоконференции, предлагаща функции като автоматизирано интерпретиране на жестомимичен език и транскрипция в реално време за глухи и трудночуващи потребители.
• Южна Америка: Земеделските производители могат да използват дронове, оборудвани с видео анализ, задвижван от WebCodecs, за да следят здравето на културите и да откриват вредители в реално време, което позволява по-ефективни и устойчиви земеделски практики. Системата може да идентифицира зони с недостиг на хранителни вещества или нашествия от вредители и да предупреди земеделските производители да предприемат коригиращи действия.

Заключение

WebCodecs отключва нова ера от възможности за уеб-базирана обработка на медии. Чрез използване на силата на VideoFrame и изграждане на многоетапни pipeline-и за обработка, разработчиците могат да създават сложни видео приложения, които преди това бяха невъзможни за постигане в браузъра. Въпреки че съществуват предизвикателства, свързани с оптимизацията на производителността и поддръжката на кодеци, потенциалните ползи по отношение на гъвкавостта, достъпността и обработката в реално време са огромни. Тъй като WebCodecs продължава да се развива и да получава по-широко разпространение, можем да очакваме да видим още по-иновативни и въздействащи приложения да се появяват, трансформирайки начина, по който взаимодействаме с видео в мрежата.

Допълнително изследване

• Документация на WebCodecs API
• WebCodecs примери в GitHub
• Web.dev статия за WebCodecs