Tinklalapio našumo atvėrimas: „WebCodecs“ aparatinis spartinimas GPU medijos apdorojimui

Šiuolaikinis internetas vis labiau tampa vizualine ir garsine patirtimi. Nuo įtraukiančių vaizdo konferencijų iki interaktyvaus turinio kūrimo ir sklandžių transliacijų paslaugų – aukštos kokybės, realiuoju laiku vykdomo medijos apdorojimo poreikis tiesiogiai naršyklėje dar niekada nebuvo toks didelis. Tradiciškai tai buvo daug procesoriaus (CPU) resursų reikalaujanti užduotis, dažnai sukelianti našumo problemas, didesnį akumuliatoriaus energijos suvartojimą ir ne pačią geriausią vartotojo patirtį, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose. Tačiau vyksta revoliucinis pokytis, kurį skatina interneto standartų konvergencija ir visur esantys galingi grafikos apdorojimo procesoriai (GPU). Ateina WebCodecs ir jo didžiulė įtaka, leidžianti išnaudoti GPU aparatinį spartinimą medijos apdorojimui.

Besikeičiantis interneto medijos pasaulis

Daugelį metų internetas rėmėsi standartizuotais medijos formatais ir naršyklėse integruotomis dekodavimo galimybėmis. Nors tai buvo efektyvu pagrindiniam atkūrimui, šiems metodams dažnai trūko lankstumo ir našumo, reikalingo sudėtingesniems naudojimo atvejams. Programuotojai turėjo ribotą kodavimo ir dekodavimo procesų kontrolę, todėl turėjo pasikliauti apdorojimu serveryje arba dideliais papildiniais, kurie sukeldavo delsą ir sudėtingumą. Atsiradusios JavaScript API, skirtos medijos manipuliavimui, nors ir galingos, dažnai reiškė užduočių perkėlimą atgal į procesorių, kuris greitai gali tapti našumo kliuviniu.

Apribojimai tapo ypač akivaizdūs šiose srityse:

• Realaus laiko vaizdo konferencijos: Aukštos raiškos vaizdo kodavimas ir dekodavimas keliems dalyviams vienu metu.
• Tiesioginių transliacijų programos: Efektyvus vaizdo srautų apdorojimas ir perdavimas be prarastų kadrų ar didelės delsos.
• Vaizdo įrašų redagavimas ir manipuliavimas: Sudėtingų operacijų, tokių kaip perkodavimas, filtrų taikymas ir efektų generavimas, atlikimas tiesiogiai naršyklėje.
• Interaktyvios medijos patirtys: Vizualinių efektų ar garso generavimas ir apdorojimas realiuoju laiku, reaguojant į vartotojo veiksmus.

Atsakymas į šiuos iššūkius slypi GPU lygiagretaus apdorojimo galios panaudojime. GPU iš prigimties yra sukurti atlikti milžinišką kiekį lygiagrečių operacijų, todėl jie yra išskirtinai tinkami skaičiavimams imlioms užduotims, susijusioms su vaizdo ir garso kodavimu bei dekodavimu.

Pristatome „WebCodecs“: nauja era naršyklės medijai

WebCodecs – tai galingų naujų interneto API rinkinys, suteikiantis žemo lygio prieigą prie medijos kodekų, kuriuos naršyklės naudoja garso ir vaizdo dekodavimui bei kodavimui. Skirtingai nuo ankstesnių API, „WebCodecs“ šias funkcijas pateikia taip, kad suteikia programuotojams beprecedentę kontrolę ir lankstumą. Ši kontrolė yra raktas į aparatinio spartinimo atvėrimą.

Savo esme „WebCodecs“ suteikia API šioms funkcijoms:

• VideoDecoder: Dekoduoja suspaustus vaizdo kadrus į neapdorotus, nesuspaustus vaizdo kadrus.
• VideoEncoder: Koduota neapdorotus, nesuspaustus vaizdo kadrus į suspaustus vaizdo kadrus.
• AudioDecoder: Dekoduoja suspaustus garso kadrus į neapdorotus garso pavyzdžius.
• AudioEncoder: Koduota neapdorotus garso pavyzdžius į suspaustus garso kadrus.
• Kodekų palaikymas: Nurodo palaikomus kodekus (pvz., H.264, VP9, AV1 vaizdui; AAC, Opus garsui) ir jų konfigūracijas.

Tai, kas daro „WebCodecs“ išties transformuojančiu, yra jo gebėjimas veikti kartu su pagrindinės operacinės sistemos aparatiškai spartinamomis medijos sistemomis. Teisingai įdiegus, naršyklės gali deleguoti skaičiavimams imlias kodavimo ir dekodavimo užduotis GPU, aplenkiant CPU ir žymiai padidinant našumą.

GPU aparatinio spartinimo galia

GPU aparatinis spartinimas reiškia kompiuterio grafikos apdorojimo procesoriaus naudojimą užduotims, kurias tradiciškai atlieka centrinis procesorius (CPU), vykdyti. Medijos apdorojimo kontekste tai reiškia sudėtingų matematinių operacijų, susijusių su šiomis sritimis, perkėlimą:

• Vaizdo dekodavimas: Suspaustų vaizdo srautų (pvz., H.264 ar VP9) konvertavimas į neapdorotus pikselių duomenis, kurie gali būti rodomi ekrane.
• Vaizdo kodavimas: Neapdorotų pikselių duomenų konvertavimas į suspaustus vaizdo srautus perdavimui ar saugojimui.
• Garso dekodavimas: Suspaustų garso srautų (pvz., AAC ar Opus) konvertavimas į neapdorotus garso pavyzdžius atkūrimui.
• Garso kodavimas: Neapdorotų garso pavyzdžių konvertavimas į suspaustus garso srautus.

GPU su tūkstančiais mažų apdorojimo branduolių yra daug efektyvesni atliekant šias lygiagrečias užduotis nei CPU. Išnaudodamos aparatinį spartinimą, programos gali pasiekti:

• Ženkliai pagerintas našumas: Greitesnis kodavimo/dekodavimo laikas, sklandesnis atkūrimas ir mažesnis kadrų praradimas.
• Sumažinta CPU apkrova: Atlaisvina CPU kitoms užduotims, todėl bendras programos ir sistemos atsakas tampa greitesnis.
• Mažesnis energijos suvartojimas: Ypač svarbu mobiliesiems ir baterija maitinamiems įrenginiams, nes GPU yra efektyvesni energijos požiūriu atliekant šias specifines užduotis.
• Aukštesnės kokybės rezultatas: Prieiga prie pažangių kodekų ir funkcijų, kurios galėtų būti per daug reikalaujančios apdorojimui naudojant CPU.

„WebCodecs“ ir GPU spartinimo sujungimas

Magija įvyksta, kai „WebCodecs“ API naršyklėse įdiegiamos taip, kad protingai nukreiptų medijos apdorojimo užduotis į GPU. Paprastai tai apima:

1. Naršyklės įgyvendinimas: Naršyklės, palaikančios „WebCodecs“, yra sukurtos sąveikauti su operacinės sistemos medijos sistemomis (pvz., „MediaCodec“ „Android“, „AVFoundation“ „macOS/iOS“, „Media Foundation“ „Windows“). Šios sistemos, savo ruožtu, abstrahuoja pagrindinės aparatinės įrangos galimybes.
2. Kodeko pasirinkimas: Programuotojai nurodo norimą kodeką ir jo konfigūraciją per „WebCodecs“ API. Tada naršyklė bando surasti aparatiškai spartinamą dekoderį ar koduotuvą tam konkrečiam kodekui.
3. Duomenų perdavimas: Neapdoroti vaizdo kadrai gali būti efektyviai perduodami tarp JavaScript atminties ir GPU atminties naudojant mechanizmus, tokius kaip VideoFrame objektai ir WebGPU API arba per WebGL tekstūras. Panašiai, suspausti duomenys gali būti tvarkomi kaip EncodedChunk objektai.
4. Žemo lygio kontrolė: „WebCodecs“ leidžia programuotojams valdyti duomenų dalių (koduotų ar dekoduotų) srautą ir konfigūruoti kodeko parametrus, suteikiant jiems smulkiagrūdę medijos proceso kontrolę.

Kaip tai veikia „po gaubtu“ (konceptualiai)

Įsivaizduokite interneto programą, kuriai reikia užkoduoti vaizdo srautą įkėlimui. Be aparatinio spartinimo, JavaScript kodas fiksuotų kadrus, galbūt konvertuotų juos į formatą, kurį supranta CPU, ir tada nusiųstų juos į CPU pagrįstą kodavimo biblioteką. CPU apdoroja duomenis, juos suspaudžia, o gauti užkoduoti duomenys yra grąžinami į JavaScript kontekstą.

Su „WebCodecs“ ir GPU spartinimu:

1. Interneto programa fiksuoja neapdorotus vaizdo kadrus (pvz., iš getUserMedia ar drobės (canvas)). Šie kadrai yra reprezentuojami kaip VideoFrame objektai.
2. Programa nurodo VideoEncoder (per „WebCodecs“) koduoti šiuos kadrus naudojant konkretų kodeką (pvz., VP9).
3. Naršyklė, atpažinusi užklausą spartinamam kodekui, perduoda neapdorotų kadrų duomenis (tikėtina, jau esančius GPU draugiškame formate arba lengvai konvertuojamus) operacinės sistemos medijos sistemai.
4. OS sistema nukreipia užduotį į GPU specializuotą vaizdo kodavimo aparatinę įrangą. Ši aparatinė įranga atlieka sudėtingus suspaudimo algoritmus daug greičiau ir efektyviau nei CPU.
5. GPU grąžina suspaustus duomenis (kaip EncodedChunk objektą) atgal į naršyklę, kuri tada juos padaro prieinamus JavaScript programai tolesniam apdorojimui ar perdavimui.

Tas pats principas taikomas ir dekodavimui, kai suspausti duomenys yra perduodami GPU dekoderio aparatūrai, kad būtų gauti neapdoroti kadrai, kuriuos galima atvaizduoti.

Pagrindiniai „WebCodecs“ su GPU spartinimu privalumai

„WebCodecs“ ir GPU spartinimo sinergija suteikia daugybę privalumų interneto kūrimui:

1. Pagerintas našumas ir reakcijos greitis

Tai bene didžiausias privalumas. Užduotys, kurios anksčiau reikalavo daug laiko ir CPU resursų, dabar gali būti atliktos per trumpesnį laiką. Interaktyvioms programoms tai reiškia:

• Sklandesnis vaizdo atkūrimas: Ypač aukštos raiškos ar didelio kadrų dažnio turiniui.
• Sumažinta delsa realaus laiko programose: Svarbu vaizdo konferencijoms, tiesioginėms transliacijoms ir interaktyviems žaidimams.
• Greitesnis vaizdo apdorojimas: Įgalina tokias funkcijas kaip realaus laiko vaizdo filtrai, efektai ir formatų konversijos naršyklėje.

2. Sumažinta CPU apkrova ir energijos suvartojimas

Didelės apkrovos perkėlimas į GPU dramatiškai sumažina naštą CPU. Tai lemia:

• Greičiau reaguojančios vartotojo sąsajos: Naršyklė ir kitos programos įrenginyje išlieka greitos.
• Ilgesnis mobiliųjų įrenginių baterijos veikimo laikas: GPU dažnai yra efektyvesni energijos požiūriu atliekant labai lygiagrečias užduotis, tokias kaip medijos kodavimas/dekodavimas.
• Mažesnis šilumos išskyrimas: Sumažina agresyvaus aušinimo poreikį ir prisideda prie tylesnės vartotojo patirties.

3. Didesnis lankstumas ir kontrolė

„WebCodecs“ suteikia programuotojams žemo lygio prieigą, leidžiančią:

• Palaikyti platesnį kodekų spektrą: Įskaitant modernius, efektyvius kodekus, tokius kaip AV1 ir Opus.
• Smulkiagrūdė kodavimo parametrų kontrolė: Leidžia optimizuoti specifiniams naudojimo atvejams (pvz., teikiant pirmenybę bitų spartai, delsai ar vaizdo kokybei).
• Individualūs medijos procesai: Programuotojai gali kurti sudėtingas darbo eigas, pavyzdžiui, taikyti GPU spartinamus filtrus prieš koduojant ar dekoduojant.
• WebAssembly integracija: Derinant „WebCodecs“ su „WebAssembly“ galima sukurti labai optimizuotą, individualią medijos apdorojimo logiką, kuri vis tiek gali pasinaudoti aparatinio spartinimo privalumais per efektyvų duomenų tvarkymą.

4. Naujų interneto programų galimybės

„WebCodecs“ ir GPU spartinimo teikiamas našumo padidėjimas ir lankstumas atveria kelią visiškai naujoms interneto programų klasėms, kurios anksčiau buvo nepraktiškos ar neįmanomos:

• Naršyklės pagrindu veikiantys vaizdo redaktoriai: Su funkcijomis, konkuruojančiomis su stacionariomis programomis.
• Pažangios virtualios ir papildytos realybės patirtys: Reikalaujančios realaus laiko sudėtingų vizualinių duomenų dekodavimo ir kodavimo.
• Interaktyvios tiesioginių transliacijų platformos: Leidžiančios žiūrovams manipuliuoti srautais ar dalyvauti realiuoju laiku.
• Aukšto našumo žaidimų transliacija: Suteikiant interaktyvias žaidimų patirtis per naršyklę.

Praktiniai panaudojimo atvejai ir pavyzdžiai

Panagrinėkime keletą konkrečių pavyzdžių, kaip naudojami „WebCodecs“ ir GPU spartinimas:

1. Realaus laiko vaizdo konferencijos (pvz., Jitsi Meet, Whereby)

Platformos, tokios kaip Jitsi Meet, yra ankstyvosios naudotojos, naudojančios „WebCodecs“ vaizdo skambučių kokybei ir efektyvumui pagerinti. Įgalindamos aparatinį kodavimą ir dekodavimą, jos gali:

• Palaikyti daugiau dalyvių skambutyje su aukštesne vaizdo kokybe.
• Sumažinti apdorojimo naštą vartotojų įrenginiams, pagerinant baterijos veikimo laiką ir reakcijos greitį.
• Siūlyti funkcijas, tokias kaip ekrano bendrinimas, su geresniu našumu.

2. Tiesioginės transliacijos ir transliavimas

Transliuotojams ir turinio kūrėjams efektyvus kodavimas yra svarbiausias. „WebCodecs“ leidžia interneto transliacijų įrankiams:

• Koduoti vaizdą realiuoju laiku naudojant modernius kodekus, tokius kaip AV1, siekiant geresnio suspaudimo ir kokybės esant mažesniam bitų srautui.
• Taikyti GPU spartinamus filtrus ir užrašus tiesiogiai naršyklėje prieš transliuojant.
• Išlaikyti stabilų kadrų dažnį net tada, kai CPU yra labai apkrautas dėl kitų programų.

3. Interneto pagrindu veikiantys vaizdo redaktoriai (pvz., Clipchamp)

Įmonės, tokios kaip „Microsoft“ Clipchamp, pademonstravo naršyklės pagrindu veikiančio vaizdo redagavimo galią. „WebCodecs“ yra labai svarbus:

• Greitam vaizdo perkodavimui ir efektų atvaizdavimui neišeinant iš naršyklės.
• Leidžiant vartotojams efektyviai importuoti ir eksportuoti įvairius vaizdo formatus.
• Suteikiant sklandžią redagavimo patirtį, artimą stacionarioms programoms.

4. Interaktyvios vizualizacijos ir kūrybiniai įrankiai

Interneto kūrėjams, kuriantiems dinamiškas vizualines patirtis:

• „WebCodecs“ gali būti naudojamas fiksuoti ir koduoti realaus laiko grafiką, atvaizduotą per WebGL ar WebGPU, leidžiant gauti aukštos kokybės dinamiškų scenų vaizdo išvestį.
• Jis gali būti naudojamas efektyviam vaizdo išteklių dekodavimui, kad juos būtų galima manipuliuoti drobėje (canvas) ar tekstūruoti 3D aplinkoje.

5. Medijos serveriai ir perkodavimo paslaugos

Nors tradiciškai tai yra serverio pusės užduotis, efektyvaus medijos apdorojimo principai dabar prieinami ir kliento pusėje. „WebCodecs“ gali būti dalis kliento pusės įrankių, skirtų:

• Kliento pusėje perkoduoti vartotojų įkeltus vaizdo įrašus prieš juos siunčiant į serverį, potencialiai sumažinant serverio išlaidas.
• Iš anksto apdoroti medijos išteklius vietoje, siekiant juos optimizuoti interneto pristatymui.

Iššūkiai ir svarstymai

Nepaisant didžiulio potencialo, „WebCodecs“ ir GPU spartinimo pritaikymas susiduria su savo iššūkiais:

1. Naršyklių ir aparatinės įrangos palaikymas

„WebCodecs“ ir, svarbiausia, aparatiškai spartinamų kodekų palaikymo lygis skiriasi tarp naršyklių ir operacinių sistemų. Programuotojams reikia:

• Tikrinti funkcijų palaikymą: Įdiegti atsarginius mechanizmus naršyklėms ar įrenginiams, kurie visiškai nepalaiko norimo kodeko ar aparatinio spartinimo.
• Suprasti tiekėjų įgyvendinimus: Skirtingi naršyklių tiekėjai („Chrome“, „Firefox“, „Safari“, „Edge“) „WebCodecs“ ir GPU spartinimą įgyvendina skirtingai, su skirtingais kodekų palaikymo lygiais ir našumo charakteristikomis.
• Įrenginių įvairovė: Net ir palaikomose platformose GPU spartinimo našumas gali labai skirtis priklausomai nuo konkrečios GPU aparatinės įrangos, tvarkyklių ir įrenginio galimybių (pvz., mobilusis vs. stacionarus).

2. Įgyvendinimo sudėtingumas

„WebCodecs“ yra žemo lygio API, ir darbas su ja reikalauja gilesnio medijos apdorojimo koncepcijų supratimo:

• Kodeko konfigūracija: Tinkamai konfigūruoti kodekus (pvz., nustatyti atraminius kadrus, bitų spartą, profilį) gali būti sudėtinga.
• Duomenų valdymas: Efektyvus EncodedChunk ir VideoFrame/AudioData objektų valdymas, ypač realaus laiko scenarijuose, reikalauja kruopštaus atminties ir duomenų srauto tvarkymo.
• Klaidų tvarkymas: Patikimas klaidų tvarkymas kodavimo/dekodavimo gedimų atveju yra būtinas.

3. Saugumas ir leidimai

Prieiga prie aparatinės įrangos koduotuvų/dekoderių reikalauja kruopštaus leidimų valdymo ir galimų saugumo aspektų. Naršyklės šias operacijas izoliuoja (sandbox), kad būtų išvengta kenkėjiško naudojimo.

4. Derinimas

Derinti žemo lygio medijos procesus, kurie sąveikauja su aparatūra, gali būti sudėtingiau nei derinti gryną JavaScript. Suprasti, kada duomenys yra CPU, o kada GPU, ir diagnozuoti problemas aparatinio spartinimo sluoksnyje reikalauja specializuotų įrankių ir žinių.

Kaip pradėti dirbti su „WebCodecs“ ir GPU spartinimu

Programuotojams, norintiems pasinaudoti šia technologija, štai planas:

1. Nustatykite savo panaudojimo atvejį

Nustatykite, ar jūsų programa tikrai gaus naudos iš aparatiškai spartinamo medijos apdorojimo. Ar tai realaus laiko vaizdo įrašas, didelės apimties kodavimas ar skaičiavimams imlus manipuliavimas?

2. Patikrinkite naršyklių palaikymą

Naudokite išteklius, tokius kaip caniuse.com ir MDN Web Docs, kad patikrintumėte dabartinę „WebCodecs“ API ir konkrečių aparatiškai spartinamų kodekų palaikymo būseną tikslinėse naršyklėse.

3. Eksperimentuokite su paprastais pavyzdžiais

Pradėkite nuo pagrindinių pavyzdžių:

• Fiksavimas ir dekodavimas: Naudokite getUserMedia vaizdui fiksuoti, sukurkite VideoDecoder ir dekoduokite kadrus. Tada atvaizduokite šiuos dekoduotus kadrus drobėje (canvas) arba HTML vaizdo elemente.
• Kodavimas ir atkūrimas: Fiksuokite vaizdo kadrus, sukurkite VideoEncoder, užkoduokite kadrus, o tada atkurkite užkoduotą srautą naudodami VideoDecoder.

Sutelkti dėmesį į EncodedChunk ir VideoFrame objektų gyvavimo ciklo supratimą.

4. Integruokite su „WebAssembly“

Sudėtingai logikai ar esamų C/C++ medijos bibliotekų panaudojimui, apsvarstykite jų kompiliavimą į „WebAssembly“. Tai leidžia atlikti sudėtingas operacijas su dekoduotais kadrais prieš juos vėl koduojant, tuo pačiu pasinaudojant pagrindiniu aparatinio spartinimo privalumu kodavimo/dekodavimo etapams.

5. Įdiekite atsarginius variantus

Visada numatykite sklandžius atsarginius variantus. Jei aparatinis spartinimas nėra prieinamas konkrečiam kodekui ar įrenginiui, jūsų programa idealiu atveju turėtų vis tiek veikti naudojant programinį apdorojimą (nors galbūt su sumažinta kokybe ar našumu).

6. Stebėkite našumą

Naudokite naršyklės našumo profiliavimo įrankius, kad suprastumėte, kur yra kliūtys, ir patikrintumėte, ar aparatinis spartinimas iš tikrųjų yra efektyviai naudojamas.

Interneto medijos apdorojimo ateitis

„WebCodecs“ ir GPU aparatinis spartinimas reiškia esminį pokytį to, kas įmanoma internete. Kadangi naršyklių tiekėjai toliau tobulina savo įgyvendinimus ir plečia kodekų palaikymą, galime tikėtis pamatyti:

• Visur esantys aukštos kokybės vaizdo įrašai: Sklandžios transliacijos ir interaktyvios vaizdo patirtys visuose įrenginiuose.
• Medijos kūrimo demokratizacija: Galingi vaizdo redagavimo ir kūrimo įrankiai tampa prieinami visiems per naršyklę.
• Naujos interaktyvios patirtys: Skatinančios inovacijas tokiose srityse kaip AR/VR, žaidimai ir realaus laiko bendradarbiavimo įrankiai.
• Pagerintas efektyvumas: Vedantis prie tvaresnių ir našesnių interneto programų, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose.

Gebėjimas efektyviai apdoroti mediją kliento pusėje, išnaudojant GPU galią, nebėra nišinis reikalavimas, o modernių, įtraukiančių interneto patirčių kertinis akmuo. „WebCodecs“ yra raktas, atveriantis šį potencialą, pradedant erą, kurioje naršyklė yra tikrai pajėgi platforma sudėtingam medijos manipuliavimui ir realaus laiko sąveikai.

Išvada

Kliento pusės „WebCodecs“ aparatinis spartinimas GPU medijos apdorojimui keičia žaidimo taisykles interneto kūrėjams. Perkeliant skaičiavimams imlias vaizdo ir garso kodavimo bei dekodavimo užduotis iš CPU į GPU, programos gali pasiekti beprecedentį našumo, efektyvumo ir reakcijos greičio lygį. Nors iššūkiai, susiję su naršyklių palaikymu ir įgyvendinimo sudėtingumu, išlieka, kryptis yra aiški: internetas tampa galinga platforma turtingoms, realaus laiko medijos patirtims. „WebCodecs“ priėmimas yra būtinas kuriant naujos kartos aukšto našumo, įtraukiančias interneto programas, atitinkančias augančius šiuolaikinių vartotojų poreikius.