WebCodecs VideoFrame spalvų erdvės konvertavimas: išsamus kadro formato transformacijos tyrimas

Žiniatinklio vaizdo įrašų apdorojimo srityje galimybė efektyviai ir veiksmingai manipuliuoti vaizdo kadrais yra labai svarbi. WebCodecs API suteikia galingą ir lanksčią sąsają, skirtą tiesiogiai naršyklėje tvarkyti medijos srautus. Pagrindinis šio aspekto elementas yra galimybė atlikti spalvų erdvės konvertavimus ir kadro formato transformacijas su VideoFrame objektais. Šiame tinklaraščio įraše nagrinėjamos techninės detalės ir praktinis šios funkcijos pritaikymas, nagrinėjami skirtingų spalvų erdvių ir kadrų formatų konvertavimo niuansai.

Spalvų erdvių ir kadrų formatų supratimas

Prieš gilinantis į WebCodecs specifiką, būtina suvokti pagrindines spalvų erdvių ir kadrų formatų sąvokas. Šios sąvokos yra esminės norint suprasti, kaip vaizdo įrašo duomenys yra atvaizduojami ir kaip jais galima manipuliuoti.

Spalvų erdvės

Spalvų erdvė apibrėžia, kaip vaizdo ar vaizdo įrašo spalvos yra atvaizduojamos skaitmeniškai. Skirtingos spalvų erdvės naudoja skirtingus modelius, kad apibūdintų spalvų, kurias galima atvaizduoti, diapazoną. Kai kurios dažniausios spalvų erdvės yra:

• RGB (raudona, žalia, mėlyna): Plačiai naudojama spalvų erdvė, ypač kompiuterių ekranams. Kiekviena spalva yra atvaizduojama pagal jos raudoną, žalią ir mėlyną komponentus.
• YUV (ir YCbCr): Pirmiausia naudojama vaizdo įrašų kodavimui ir perdavimui dėl savo efektyvumo. Y atvaizduoja liumą (ryškumą), o U ir V (arba Cb ir Cr) atvaizduoja chrominansą (spalvą). Šis atskyrimas leidžia naudoti efektyvius glaudinimo metodus. Dažni YUV formatai yra YUV420p, YUV422p ir YUV444p, kurie skiriasi savo chroma subdiskretizacija.
• HDR (didelis dinaminis diapazonas): Siūlo platesnį šviesumo verčių diapazoną, leidžiantį gauti realistiškesnius ir detalesnius vaizdus. HDR turinys gali būti koduojamas įvairiais formatais, tokiais kaip HDR10, Dolby Vision ir HLG.
• SDR (standartinis dinaminis diapazonas): Tradicinis dinaminis diapazonas, naudojamas standartiniuose vaizdo įrašuose ir ekranuose.

Kadro formatai

Kadro formatas apibūdina, kaip spalvų duomenys yra išdėstyti kiekviename vaizdo įrašo kadre. Tai apima tokius aspektus kaip:

• Pikselių formatas: Tai nurodo, kaip atvaizduojami spalvų komponentai. Pavyzdžiui, RGB888 (8 bitai kiekvienam raudonam, žaliu ir mėlynam komponentui) ir YUV420p (kaip minėta aukščiau).
• Plotis ir aukštis: Vaizdo įrašo kadro matmenys.
• Žingsnis: Baitų skaičius tarp vienos pikselių eilutės pradžios ir kitos eilutės pradžios. Tai svarbu atminties išdėstymui ir efektyviam apdorojimui.

Spalvų erdvės ir kadro formato pasirinkimas daro įtaką vaizdo įrašo turinio kokybei, failo dydžiui ir suderinamumui. Konvertavimas tarp skirtingų formatų leidžia pritaikyti vaizdo įrašą skirtingiems ekranams, kodavimo standartams ir apdorojimo kanalams.

WebCodecs ir VideoFrame API

WebCodecs suteikia žemo lygio API, skirtą prieigai prie medijos duomenų ir jų manipuliavimui naršyklėje. VideoFrame sąsaja atvaizduoja vieną vaizdo įrašo duomenų kadrą. Jis sukurtas taip, kad būtų labai efektyvus ir leistų tiesioginę prieigą prie pagrindinių pikselių duomenų.

Pagrindiniai VideoFrame API aspektai, susiję su spalvų erdvės konvertavimu, apima:

• Konstruktorius: Leidžia sukurti VideoFrame objektus iš įvairių šaltinių, įskaitant neapdorotus pikselių duomenis ir ImageBitmap objektus.
• colorSpace ypatybė: Nurodo kadro spalvų erdvę (pvz., „srgb“, „rec709“, „hdr10“, „prophoto“).
• format ypatybė: Apibrėžia kadro formatą, įskaitant pikselių formatą ir matmenis. Ši ypatybė yra tik skaitoma.
• codedWidth ir codedHeight: Matmenys, naudojami kodavimo procese ir gali skirtis nuo width ir height.
• Prieiga prie pikselių duomenų: Nors WebCodecs tiesiogiai neatskleidžia funkcijų, skirtų spalvų erdvės konvertavimui pačioje VideoFrame sąsajoje, VideoFrame galima naudoti su kitomis žiniatinklio technologijomis, tokiomis kaip Canvas API ir WebAssembly, kad būtų įdiegtos formato transformacijos.

Spalvų erdvės konvertavimo metodai su WebCodecs

Kadangi WebCodecs iš esmės neturi spalvų erdvės konvertavimo funkcijų, kūrėjai turi naudoti kitas žiniatinklio technologijas kartu su VideoFrame objektais. Dažniausiai naudojami metodai yra:

Naudojant Canvas API

Canvas API suteikia patogų būdą pasiekti ir manipuliuoti pikselių duomenimis. Štai bendra darbo eiga, skirta konvertuoti VideoFrame naudojant Canvas API:

1. Sukurkite Canvas elementą: Sukurkite paslėptą Canvas elementą savo HTML: <canvas id="tempCanvas" style="display:none;"></canvas>
2. Nupieškite VideoFrame į Canvas: Naudokite Canvas 2D atvaizdavimo konteksto metodą drawImage(). Norėdami gauti duomenis po piešimo pabaigos, turėsite naudoti getImageData().
3. Ištraukite pikselių duomenis: Naudokite getImageData() Canvas kontekste, kad gautumėte pikselių duomenis kaip ImageData objektą. Šis objektas suteikia prieigą prie pikselių verčių masyve (RGBA formatas).
4. Atlikite spalvų erdvės konvertavimą: Pereikite per pikselių duomenis ir pritaikykite atitinkamas spalvų erdvės konvertavimo formules. Tai apima matematinius skaičiavimus, kad spalvų vertės būtų konvertuotos iš šaltinio spalvų erdvės į norimą spalvų erdvę. Bibliotekos, tokios kaip Color.js arba įvairios konvertavimo matricos, gali padėti atlikti šį veiksmą.
5. Įdėkite pikselių duomenis atgal į Canvas: Sukurkite naują ImageData objektą su konvertuotais pikselių duomenimis ir naudokite putImageData(), kad atnaujintumėte Canvas.
6. Sukurkite naują VideoFrame: Galiausiai naudokite Canvas turinį kaip naujo VideoFrame šaltinį.

Pavyzdys: RGB konvertavimas į pilkos spalvos (supaprastintas)

            
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
              
            
          

Pastaba: Šis pilkos spalvos konvertavimas yra labai paprastas pavyzdys. Realūs spalvų erdvės konvertavimai apima sudėtingus skaičiavimus ir gali prireikti specializuotų bibliotekų, skirtų tvarkyti skirtingas spalvų erdves (YUV, HDR ir kt.). Užtikrinkite, kad tinkamai tvarkytumėte savo VideoFrame objektų gyvavimo ciklą, iškviesdami close(), kai baigsite juos naudoti, kad išvengtumėte atminties nutekėjimo.

Naudojant WebAssembly

Našumo požiūriu kritinėms programoms WebAssembly siūlo didelį pranašumą. Galite parašyti labai optimizuotas spalvų erdvės konvertavimo procedūras tokiomis kalbomis kaip C++ ir kompiliuoti jas į WebAssembly modulius. Šie moduliai gali būti vykdomi naršyklėje, naudojant žemo lygio prieigą prie atminties ir skaičiavimo efektyvumą. Štai bendras procesas:

1. Rašykite C/C++ kodą: Parašykite spalvų erdvės konvertavimo funkciją C/C++. Šis kodas paims šaltinio pikselių duomenis (pvz., RGB arba YUV) ir konvertuos juos į tikslinę spalvų erdvę. Turėsite tvarkyti atmintį tiesiogiai.
2. Kompiliuokite į WebAssembly: Naudokite WebAssembly kompiliatorių (pvz., Emscripten), kad kompiliuotumėte C/C++ kodą į WebAssembly modulį (.wasm failą).
3. Įkelkite ir sukurkite modulio egzempliorių: Savo JavaScript kode įkelkite WebAssembly modulį naudodami funkciją WebAssembly.instantiate(). Tai sukuria modulio egzempliorių.
4. Pasiekite konvertavimo funkciją: Pasiekite spalvų erdvės konvertavimo funkciją, eksportuotą jūsų WebAssembly modulio.
5. Perduokite duomenis ir vykdykite: Pateikite įvesties pikselių duomenis (iš VideoFrame, kuriuos reikės pasiekti per atminties kopijas) ir iškvieskite WebAssembly funkciją.
6. Gaukite konvertuotus duomenis: Atkurkite konvertuotus pikselių duomenis iš WebAssembly modulio atminties.
7. Sukurkite naują VideoFrame: Galiausiai sukurkite naują VideoFrame objektą su konvertuotais duomenimis.

WebAssembly pranašumai:

• Našumas: WebAssembly gali žymiai pranokti JavaScript, ypač atliekant skaičiavimo intensyvias užduotis, tokias kaip spalvų erdvės konvertavimas.
• Perkeliamumas: WebAssembly modulius galima pakartotinai naudoti skirtingose platformose ir naršyklėse.

WebAssembly trūkumai:

• Sudėtingumas: Reikalauja C/C++ ir WebAssembly žinių.
• Derinimas: WebAssembly kodo derinimas gali būti sudėtingesnis nei JavaScript derinimas.

Naudojant Web Workers

Web Workers leidžia perkelti skaičiavimo intensyvias užduotis, tokias kaip spalvų erdvės konvertavimas, į foninį srautą. Tai apsaugo pagrindinį srautą nuo blokavimo, užtikrinant sklandesnę vartotojo patirtį. Darbo eiga yra panaši į WebAssembly naudojimą, tačiau skaičiavimus atliks Web Worker.

1. Sukurkite Web Worker: Savo pagrindiniame scenarijuje sukurkite naują Web Worker ir įkelkite atskirą JavaScript failą, kuris atliks spalvų erdvės konvertavimą.
2. Paskelbkite VideoFrame duomenis: Nusiųskite neapdorotus pikselių duomenis iš VideoFrame į Web Worker naudodami postMessage(). Arba galite perkelti vaizdo įrašo kadrą naudodami perkeliamus objektus, tokius kaip ImageBitmap, kurie gali būti efektyvesni.
3. Atlikite spalvų erdvės konvertavimą darbuotojo viduje: Web Worker gauna duomenis, atlieka spalvų erdvės konvertavimą naudodamas Canvas API (panašiai kaip pavyzdyje aukščiau), WebAssembly arba kitus metodus.
4. Paskelbkite rezultatą: Web Worker grąžina konvertuotus pikselių duomenis į pagrindinį srautą naudodamas postMessage().
5. Apdorokite rezultatą: Pagrindinis srautas gauna konvertuotus duomenis ir sukuria naują VideoFrame objektą arba bet kokią norimą apdorotų duomenų išvestį.

Web Workers privalumai:

• Pagerintas našumas: Pagrindinis srautas išlieka reaguojantis.
• Vienalaikiškumas: Leidžia vienu metu atlikti kelias vaizdo įrašų apdorojimo užduotis.

Web Workers iššūkiai:

• Ryšio pridėtinės išlaidos: Reikalauja siųsti duomenis tarp srautų, o tai gali pridėti papildomų išlaidų.
• Sudėtingumas: Įveda papildomą sudėtingumą programos struktūrai.

Praktinis spalvų erdvės konvertavimo ir kadro formato transformacijų pritaikymas

Galimybė konvertuoti spalvų erdves ir kadrų formatus yra būtina įvairioms žiniatinklio vaizdo įrašų programoms, įskaitant:

• Vaizdo įrašų redagavimas ir apdorojimas: Leidžia vartotojams atlikti spalvų korekciją, gradavimą ir kitus vaizdo efektus tiesiogiai naršyklėje. Pavyzdžiui, redaktoriui gali reikėti konvertuoti šaltinio vaizdo įrašą į YUV formatą, kad būtų galima efektyviai apdoroti chroma pagrindu sukurtus filtrus.
• Vaizdo konferencijos ir transliacija: Užtikrina suderinamumą tarp skirtingų įrenginių ir platformų. Vaizdo įrašų srautai dažnai turi būti konvertuojami į bendrą spalvų erdvę (pvz., YUV), kad būtų galima efektyviai koduoti ir perduoti. Be to, vaizdo konferencijų programai gali reikėti konvertuoti gaunamą vaizdo įrašą iš įvairių kamerų ir formatų į nuoseklų formatą apdorojimui.
• Vaizdo įrašų atkūrimas: Leidžia atkurti vaizdo įrašo turinį skirtinguose ekranuose. Pavyzdžiui, HDR turinio konvertavimas į SDR ekranams, kurie nepalaiko HDR.
• Turinio kūrimo platformos: Leiskite vartotojams importuoti vaizdo įrašus skirtingais formatais ir konvertuoti juos į žiniatinkliui tinkamą formatą, skirtą dalytis internete.
• Papildytos realybės (AR) ir virtualios realybės (VR) programos: AR/VR programoms reikia tikslaus spalvų atitikimo ir kadrų formatų, kad būtų užtikrinta sklandi vartotojo patirtis.
• Tiesioginė vaizdo transliacija: Vaizdo įrašų srautų pritaikymas skirtingiems žiūrovų įrenginiams su skirtingomis galimybėmis. Pavyzdžiui, transliuotojas gali konvertuoti savo didelės raiškos transliaciją į įvairius mažesnės raiškos formatus mobiliesiems vartotojams.

Našumo optimizavimas

Spalvų erdvės konvertavimas gali būti skaičiavimo intensyvus procesas. Norėdami optimizuoti našumą, apsvarstykite šias strategijas:

• Pasirinkite tinkamą techniką: Pasirinkite tinkamiausią metodą (Canvas API, WebAssembly, Web Workers) pagal konkrečius jūsų programos poreikius ir konvertavimo sudėtingumą. Realaus laiko programoms dažnai pirmenybė teikiama WebAssembly arba Web Workers.
• Optimizuokite savo konvertavimo kodą: Rašykite labai efektyvų kodą, ypač pagrindiniams konvertavimo skaičiavimams. Sumažinkite nereikalingas operacijas ir naudokite optimizuotus algoritmus.
• Naudokite lygiagrečiai apdorojimą: Naudokite Web Workers, kad lygiagrečiai apdorotumėte konvertavimo procesą, paskirstydami darbo krūvį keliems srautams.
• Sumažinkite duomenų perdavimą: Venkite nereikalingo duomenų perdavimo tarp pagrindinio srauto ir Web Workers arba WebAssembly modulių. Naudokite perkeliamus objektus (pvz., ImageBitmap), kad sumažintumėte pridėtines išlaidas.
• Kaupkite rezultatus talpykloje: Jei įmanoma, kaupkite spalvų erdvės konvertavimų rezultatus talpykloje, kad išvengtumėte nereikalingo perskaičiavimo.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad profiluotumėte savo kodą ir nustatytumėte našumo kliūtis. Optimizuokite lėčiausias savo programos dalis.
• Apsvarstykite kadrų dažnį: Jei įmanoma, sumažinkite kadrų dažnį. Dažnai vartotojas nepastebės, jei konvertavimas įvyko 30 kadrų per sekundę, o ne 60 kadrų per sekundę.

Klaidų tvarkymas ir derinimas

Dirbant su WebCodecs ir spalvų erdvės konvertavimu, labai svarbu įtraukti patikimus klaidų tvarkymo ir derinimo metodus:

• Patikrinkite naršyklės suderinamumą: Įsitikinkite, kad WebCodecs API ir jūsų naudojamos technologijos (pvz., WebAssembly) yra palaikomos tikslinių naršyklių. Naudokite funkcijų aptikimą, kad sklandžiai tvarkytumėte situacijas, kai funkcija nepasiekiama.
• Tvarkykite išimtis: Apvyniokite savo kodą try...catch blokais, kad sugautumėte visas išimtis, kurios gali atsirasti spalvų erdvės konvertavimo arba kadro formato transformacijų metu.
• Naudokite registravimą: Įdiekite visapusišką registravimą, kad galėtumėte stebėti savo kodo vykdymą ir nustatyti galimas problemas. Registruokite klaidas, įspėjimus ir atitinkamą informaciją.
• Patikrinkite pikselių duomenis: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad patikrintumėte pikselių duomenis prieš konvertavimą ir po jo, kad patikrintumėte, ar spalvų erdvės konvertavimas veikia tinkamai.
• Išbandykite skirtinguose įrenginiuose ir naršyklėse: Išbandykite savo programą įvairiuose įrenginiuose ir naršyklėse, kad užtikrintumėte suderinamumą ir kad spalvų erdvės konvertavimai būtų taikomi tinkamai.
• Patikrinkite spalvų erdves: Įsitikinkite, kad teisingai nustatėte šaltinio ir tikslinės vaizdo įrašų kadrų spalvų erdves. Netiksli informacija apie spalvų erdvę gali lemti netikslius konvertavimus.
• Stebėkite kadrų praleidimą: Jei našumas kelia susirūpinimą, stebėkite kadrų praleidimą konvertavimo metu. Pakoreguokite apdorojimo metodus, kad sumažintumėte praleistus kadrus.

Ateities kryptys ir naujos technologijos

WebCodecs API ir susijusios technologijos nuolat tobulėja. Štai keletas sričių, kurias reikia stebėti ateityje:

• Tiesioginės spalvų erdvės konvertavimo galimybės: Nors dabartinė WebCodecs API neturi įtaisytų spalvų erdvės konvertavimo funkcijų, yra galimybė, kad ateityje bus pridėta API, kad būtų supaprastintas šis procesas.
• HDR palaikymo patobulinimai: Kadangi HDR ekranai tampa vis labiau paplitę, tikėkitės, kad bus patobulintas HDR turinio tvarkymas WebCodecs, įskaitant išsamesnį skirtingų HDR formatų palaikymą.
• GPU pagreitinimas: GPU panaudojimas greitesniam spalvų erdvės konvertavimui.
• Integracija su WebAssembly: Nuolatinė pažanga WebAssembly ir susijusiuose įrankiuose ir toliau optimizuos vaizdo įrašų apdorojimo našumą.
• Integracija su mašininiu mokymusi: Mašininio mokymosi modelių tyrinėjimas siekiant pagerinti vaizdo įrašo kokybę, pagerinti glaudinimą ir sukurti geresnę vaizdo įrašų patirtį.

Išvada

WebCodecs suteikia tvirtą pagrindą žiniatinklio vaizdo įrašų apdorojimui, o spalvų erdvės konvertavimas yra esminis elementas. Nors pati API nesuteikia tiesioginės konvertavimo funkcijos, ji leidžia mums konvertuoti naudojant tokius įrankius kaip Canvas, WebAssembly ir Web Workers. Suprasdami spalvų erdvių ir kadrų formatų sąvokas, pasirinkdami tinkamus metodus ir optimizuodami našumą, kūrėjai gali sukurti sudėtingas vaizdo įrašų programas, kurios siūlo aukštos kokybės vaizdo įrašų patirtį. Žiniatinklio vaizdo įrašų kraštovaizdžiui nuolat tobulėjant, labai svarbu būti informuotam apie šias galimybes ir priimti naujas technologijas kuriant novatoriškas ir patrauklias žiniatinklio programas.

Įdiegdami šiuos metodus ir optimizuodami našumą, kūrėjai gali atrakinti daugybę vaizdo įrašų apdorojimo galimybių naršyklėje, o tai leis vartotojams visame pasaulyje patirti dinamiškesnes ir labiau įtraukiančias žiniatinklio patirtis.