WebCodecs VideoFrame ravnine: Dubinski uvid u pristup podacima video okvira

WebCodecs predstavlja promjenu paradigme u web obradi medija. Pruža niskorazinski pristup osnovnim gradivnim elementima medija, omogućujući programerima stvaranje sofisticiranih aplikacija izravno u pregledniku. Jedna od najmoćnijih značajki WebCodecsa je VideoFrame objekt, a unutar njega, VideoFrame ravnine koje izlažu sirove podatke piksela video okvira. Ovaj članak pruža sveobuhvatan vodič za razumijevanje i korištenje VideoFrame ravnina za naprednu manipulaciju videom.

Razumijevanje VideoFrame objekta

Prije nego što zaronimo u ravnine, prisjetimo se samog VideoFrame objekta. VideoFrame predstavlja jedan video okvir. On enkapsulira dekodirane (ili enkodirane) video podatke, zajedno s pripadajućim metapodacima poput vremenske oznake, trajanja i informacija o formatu. VideoFrame API nudi metode za:

• Čitanje podataka o pikselima: Ovdje na scenu stupaju ravnine.
• Kopiranje okvira: Stvaranje novih VideoFrame objekata iz postojećih.
• Zatvaranje okvira: Oslobađanje temeljnih resursa koje okvir drži.

VideoFrame objekt se stvara tijekom procesa dekodiranja, obično pomoću VideoDecoder-a, ili ručno prilikom stvaranja prilagođenog okvira.

Što su VideoFrame ravnine?

Podaci o pikselima VideoFrame-a često su organizirani u više ravnina, posebno u formatima kao što je YUV. Svaka ravnina predstavlja različitu komponentu slike. Na primjer, u formatu YUV420 postoje tri ravnine:

• Y (Luma): Predstavlja svjetlinu (luminanciju) slike. Ova ravnina sadrži informacije o nijansama sive boje.
• U (Cb): Predstavlja komponentu krome razlike plave boje.
• V (Cr): Predstavlja komponentu krome razlike crvene boje.

RGB formati, iako naizgled jednostavniji, također mogu u nekim slučajevima koristiti više ravnina. Broj ravnina i njihovo značenje u potpunosti ovise o VideoPixelFormat-u VideoFrame-a.

Prednost korištenja ravnina je u tome što omogućuje učinkovit pristup i manipulaciju specifičnim komponentama boje. Na primjer, možda želite prilagoditi samo luminanciju (Y ravnina) bez utjecaja na boju (U i V ravnine).

Pristup VideoFrame ravninama: API

VideoFrame API pruža sljedeće metode za pristup podacima ravnina:

• copyTo(destination, options): Kopira sadržaj VideoFrame-a na odredište, koje može biti drugi VideoFrame, CanvasImageBitmap ili ArrayBufferView. Objekt options kontrolira koje se ravnine kopiraju i kako. Ovo je primarni mehanizam za pristup ravninama.

Objekt options u metodi copyTo omogućuje vam da specificirate raspored i cilj za podatke video okvira. Ključna svojstva uključuju:

• format: Željeni format piksela kopiranih podataka. Može biti isti kao originalni VideoFrame ili drugačiji format (npr. pretvaranje iz YUV u RGB).
• codedWidth i codedHeight: Širina i visina video okvira u pikselima.
• layout: Niz objekata koji opisuju raspored svake ravnine u memoriji. Svaki objekt u nizu specificira:
• offset: Pomak, u bajtovima, od početka međuspremnika podataka do početka podataka ravnine.
• stride: Broj bajtova između početka svakog retka u ravnini. Ovo je ključno za rukovanje popunjavanjem (padding).

Pogledajmo primjer kopiranja YUV420 VideoFrame-a u sirovi međuspremnik (buffer):

async function copyYUV420ToBuffer(videoFrame, buffer) {
  const width = videoFrame.codedWidth;
  const height = videoFrame.codedHeight;

  // YUV420 has 3 planes: Y, U, and V
  const yPlaneSize = width * height;
  const uvPlaneSize = width * height / 4;

  const layout = [
    { offset: 0, stride: width }, // Y plane
    { offset: yPlaneSize, stride: width / 2 }, // U plane
    { offset: yPlaneSize + uvPlaneSize, stride: width / 2 } // V plane
  ];

  await videoFrame.copyTo(buffer, {
    format: 'I420',
    codedWidth: width,
    codedHeight: height,
    layout: layout
  });

  videoFrame.close(); // Important to release resources
}

Objašnjenje:

• Izračunavamo veličinu svake ravnine na temelju width i height. Y je pune rezolucije, dok su U i V poduzorkovani (4:2:0).
• Niz layout definira memorijski raspored. offset specificira gdje svaka ravnina počinje u međuspremniku, a stride specificira broj bajtova za preskok do sljedećeg retka u toj ravnini.
• Opcija format postavljena je na 'I420', što je uobičajen YUV420 format.
• Ključno je da se nakon kopiranja poziva videoFrame.close() kako bi se oslobodili resursi.

Formati piksela: Svijet mogućnosti

Razumijevanje formata piksela ključno je za rad s VideoFrame ravninama. VideoPixelFormat definira kako su informacije o boji enkodirane unutar video okvira. Evo nekih uobičajenih formata piksela s kojima se možete susresti:

• I420 (YUV420p): Planarni YUV format gdje se Y, U i V komponente pohranjuju u odvojenim ravninama. U i V su poduzorkovani za faktor 2 i u horizontalnoj i u vertikalnoj dimenziji. To je vrlo čest i učinkovit format.
• NV12 (YUV420sp): Polu-planarni YUV format gdje je Y pohranjen u jednoj ravnini, a U i V komponente su isprepletene u drugoj ravnini.
• RGBA: Crvena, Zelena, Plava i Alfa komponente pohranjuju se u jednoj ravnini, obično s 8 bita po komponenti (32 bita po pikselu). Redoslijed komponenti može varirati (npr. BGRA).
• RGB565: Crvena, Zelena i Plava komponente pohranjuju se u jednoj ravnini s 5 bita za Crvenu, 6 bita za Zelenu i 5 bita za Plavu (16 bita po pikselu).
• GRAYSCALE: Predstavlja slike u nijansama sive s jednom luma (svjetlina) vrijednošću za svaki piksel.

Svojstvo VideoFrame.format reći će vam format piksela danog okvira. Obavezno provjerite ovo svojstvo prije pokušaja pristupa ravninama. Možete konzultirati specifikaciju WebCodecsa za potpuni popis podržanih formata.

Praktični primjeri upotrebe

Pristup VideoFrame ravninama otvara širok raspon mogućnosti za naprednu obradu videa u pregledniku. Evo nekoliko primjera:

1. Video efekti u stvarnom vremenu

Možete primijeniti video efekte u stvarnom vremenu manipuliranjem podacima o pikselima u VideoFrame-u. Na primjer, mogli biste implementirati filtar sivih tonova usrednjavanjem R, G i B komponenti svakog piksela u RGBA okviru, a zatim postaviti sve tri komponente na tu prosječnu vrijednost. Također možete stvoriti efekt sepije ili prilagoditi svjetlinu i kontrast.

async function applyGrayscale(videoFrame) {
  const width = videoFrame.codedWidth;
  const height = videoFrame.codedHeight;
  const buffer = new ArrayBuffer(width * height * 4); // RGBA
  const rgba = new Uint8ClampedArray(buffer);

  await videoFrame.copyTo(rgba, {
    format: 'RGBA',
    codedWidth: width,
    codedHeight: height
  });

  for (let i = 0; i < rgba.length; i += 4) {
    const r = rgba[i];
    const g = rgba[i + 1];
    const b = rgba[i + 2];

    const gray = (r + g + b) / 3;

    rgba[i] = gray;       // Red
    rgba[i + 1] = gray;   // Green
    rgba[i + 2] = gray;   // Blue
  }

  // Create a new VideoFrame from the modified data.
  const newFrame = new VideoFrame(rgba, {
    format: 'RGBA',
    codedWidth: width,
    codedHeight: height,
    timestamp: videoFrame.timestamp,
    duration: videoFrame.duration
  });

  videoFrame.close(); // Release original frame
  return newFrame;
}

2. Primjene u računalnom vidu

VideoFrame ravnine pružaju izravan pristup podacima o pikselima potrebnim za zadatke računalnog vida. Možete koristiti te podatke za implementaciju algoritama za otkrivanje objekata, prepoznavanje lica, praćenje pokreta i više. Možete iskoristiti WebAssembly za dijelove koda koji su kritični za performanse.

Na primjer, mogli biste pretvoriti VideoFrame u boji u sive tonove, a zatim primijeniti algoritam za detekciju rubova (npr. Sobelov operator) kako biste identificirali rubove na slici. To bi se moglo koristiti kao korak predobrade za prepoznavanje objekata.

3. Uređivanje i kompozicija videa

Možete koristiti VideoFrame ravnine za implementaciju značajki za uređivanje videa poput obrezivanja, skaliranja, rotacije i kompozicije. Manipuliranjem podataka o pikselima izravno, možete stvoriti prilagođene prijelaze i efekte.

Na primjer, mogli biste obrezati VideoFrame kopiranjem samo dijela podataka o pikselima u novi VideoFrame. Prilagodili biste pomake i korake (stride) u layout-u u skladu s tim.

4. Prilagođeni kodeci i transkodiranje

Iako WebCodecs pruža ugrađenu podršku za uobičajene kodeke poput AV1, VP9 i H.264, možete ga koristiti i za implementaciju prilagođenih kodeka ili cjevovoda za transkodiranje. Morali biste sami rukovati procesom enkodiranja i dekodiranja, ali VideoFrame ravnine omogućuju vam pristup i manipulaciju sirovim podacima o pikselima. To bi moglo biti korisno za nišne video formate ili specijalizirane zahtjeve enkodiranja.

5. Napredna analitika

Pristupom temeljnim podacima o pikselima, možete izvršiti dubinsku analizu video sadržaja. To uključuje zadatke poput mjerenja prosječne svjetline scene, identificiranja dominantnih boja ili otkrivanja promjena u sadržaju scene. To može omogućiti napredne aplikacije za video analitiku za sigurnost, nadzor ili analizu sadržaja.

Rad s Canvasom i WebGL-om

Iako možete izravno manipulirati podacima o pikselima u VideoFrame ravninama, često trebate prikazati rezultat na zaslonu. Sučelje CanvasImageBitmap pruža most između VideoFrame-a i <canvas> elementa. Možete stvoriti CanvasImageBitmap iz VideoFrame-a, a zatim ga nacrtati na canvas pomoću metode drawImage().

async function renderVideoFrameToCanvas(videoFrame, canvas) {
  const bitmap = await createImageBitmap(videoFrame);
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0, canvas.width, canvas.height);
  bitmap.close(); // Release bitmap resources
  videoFrame.close(); // Release VideoFrame resources
}

Za naprednije iscrtavanje, možete koristiti WebGL. Možete učitati podatke o pikselima iz VideoFrame ravnina u WebGL teksture, a zatim koristiti shadere za primjenu efekata i transformacija. To vam omogućuje da iskoristite GPU za video obradu visokih performansi.

Razmatranja o performansama

Rad sa sirovim podacima o pikselima može biti računski intenzivan, stoga je ključno razmotriti optimizaciju performansi. Evo nekoliko savjeta:

• Minimizirajte kopiranja: Izbjegavajte nepotrebno kopiranje podataka o pikselima. Pokušajte izvoditi operacije na mjestu (in-place) kad god je to moguće.
• Koristite WebAssembly: Za dijelove koda koji su kritični za performanse, razmislite o korištenju WebAssemblyja. WebAssembly može pružiti performanse bliske nativnima za računski intenzivne zadatke.
• Optimizirajte memorijski raspored: Odaberite pravi format piksela i memorijski raspored za svoju aplikaciju. Razmislite o korištenju pakiranih formata (npr. RGBA) ako ne trebate često pristupati pojedinačnim komponentama boje.
• Koristite OffscreenCanvas: Za pozadinsku obradu, koristite OffscreenCanvas kako biste izbjegli blokiranje glavne niti (main thread).
• Profilirajte svoj kod: Koristite alate za programere u pregledniku kako biste profilirali svoj kod i identificirali uska grla u performansama.

Kompatibilnost s preglednicima

WebCodecs i VideoFrame API podržani su u većini modernih preglednika, uključujući Chrome, Firefox i Safari. Međutim, razina podrške može varirati ovisno o verziji preglednika i operativnom sustavu. Provjerite najnovije tablice kompatibilnosti preglednika na stranicama kao što je MDN Web Docs kako biste osigurali da su značajke koje koristite podržane u vašim ciljanim preglednicima. Za kompatibilnost među preglednicima, preporučuje se detekcija značajki (feature detection).

Uobičajene zamke i rješavanje problema

Evo nekih uobičajenih zamki koje treba izbjegavati pri radu s VideoFrame ravninama:

• Netočan raspored (layout): Osigurajte da niz layout točno opisuje memorijski raspored podataka o pikselima. Netočni pomaci ili koraci (strides) mogu dovesti do oštećenih slika.
• Nepodudaranje formata piksela: Provjerite odgovara li format piksela koji specificirate u metodi copyTo stvarnom formatu VideoFrame-a.
• Curenje memorije: Uvijek zatvorite VideoFrame i CanvasImageBitmap objekte nakon što završite s njima kako biste oslobodili temeljne resurse. Ako to ne učinite, može doći do curenja memorije.
• Asinkrone operacije: Zapamtite da je copyTo asinkrona operacija. Koristite await kako biste osigurali da se operacija kopiranja završi prije nego što pristupite podacima o pikselima.
• Sigurnosna ograničenja: Budite svjesni sigurnosnih ograničenja koja se mogu primijeniti prilikom pristupa podacima o pikselima iz videa s drugog porijekla (cross-origin).

Primjer: Konverzija iz YUV u RGB

Razmotrimo složeniji primjer: pretvaranje YUV420 VideoFrame-a u RGB VideoFrame. To uključuje čitanje Y, U i V ravnina, njihovo pretvaranje u RGB vrijednosti, a zatim stvaranje novog RGB VideoFrame-a.

Ova konverzija može se implementirati pomoću sljedeće formule:

R = Y + 1.402 * (Cr - 128)
G = Y - 0.34414 * (Cb - 128) - 0.71414 * (Cr - 128)
B = Y + 1.772 * (Cb - 128)

Evo koda:

async function convertYUV420ToRGBA(videoFrame) {
  const width = videoFrame.codedWidth;
  const height = videoFrame.codedHeight;

  const yPlaneSize = width * height;
  const uvPlaneSize = width * height / 4;

  const yuvBuffer = new ArrayBuffer(yPlaneSize + 2 * uvPlaneSize);
  const yuvPlanes = new Uint8ClampedArray(yuvBuffer);

  const layout = [
    { offset: 0, stride: width }, // Y plane
    { offset: yPlaneSize, stride: width / 2 }, // U plane
    { offset: yPlaneSize + uvPlaneSize, stride: width / 2 } // V plane
  ];

  await videoFrame.copyTo(yuvPlanes, {
    format: 'I420',
    codedWidth: width,
    codedHeight: height,
    layout: layout
  });

  const rgbaBuffer = new ArrayBuffer(width * height * 4);
  const rgba = new Uint8ClampedArray(rgbaBuffer);

  for (let y = 0; y < height; y++) {
    for (let x = 0; x < width; x++) {
      const yIndex = y * width + x;
      const uIndex = Math.floor(y / 2) * (width / 2) + Math.floor(x / 2) + yPlaneSize;
      const vIndex = Math.floor(y / 2) * (width / 2) + Math.floor(x / 2) + yPlaneSize + uvPlaneSize;

      const Y = yuvPlanes[yIndex];
      const U = yuvPlanes[uIndex] - 128;
      const V = yuvPlanes[vIndex] - 128;

      let R = Y + 1.402 * V;
      let G = Y - 0.34414 * U - 0.71414 * V;
      let B = Y + 1.772 * U;

      R = Math.max(0, Math.min(255, R));
      G = Math.max(0, Math.min(255, G));
      B = Math.max(0, Math.min(255, B));

      const rgbaIndex = y * width * 4 + x * 4;
      rgba[rgbaIndex] = R;
      rgba[rgbaIndex + 1] = G;
      rgba[rgbaIndex + 2] = B;
      rgba[rgbaIndex + 3] = 255; // Alpha
    }
  }

  const newFrame = new VideoFrame(rgba, {
    format: 'RGBA',
    codedWidth: width,
    codedHeight: height,
    timestamp: videoFrame.timestamp,
    duration: videoFrame.duration
  });

  videoFrame.close(); // Release original frame
  return newFrame;
}

Ovaj primjer pokazuje snagu i složenost rada s VideoFrame ravninama. Zahtijeva dobro razumijevanje formata piksela, memorijskog rasporeda i konverzija prostora boja.

Zaključak

API za VideoFrame ravnine u WebCodecsu otključava novu razinu kontrole nad obradom videa u pregledniku. Razumijevanjem kako pristupiti i izravno manipulirati podacima o pikselima, možete stvoriti napredne aplikacije za video efekte u stvarnom vremenu, računalni vid, uređivanje videa i više. Iako rad s VideoFrame ravninama može biti izazovan, potencijalne nagrade su značajne. Kako se WebCodecs nastavlja razvijati, nedvojbeno će postati ključan alat za web programere koji rade s medijima.

Potičemo vas da eksperimentirate s API-jem za VideoFrame ravnine i istražite njegove mogućnosti. Razumijevanjem temeljnih principa i primjenom najboljih praksi, možete stvoriti inovativne i učinkovite video aplikacije koje pomiču granice onoga što je moguće u pregledniku.

Daljnje učenje

• MDN Web Docs o WebCodecsu
• WebCodecs specifikacija
• Repozitoriji s primjerima koda za WebCodecs na GitHubu.