WebCodecs AudioData: neapstrādātu audio datu apstrādes un manipulācijas meistarība globāliem izstrādātājiem

Strauji mainīgajā tīmekļa multivides vidē spēja tieši piekļūt un manipulēt ar neapstrādātiem audio datiem pārlūkprogrammā kļūst arvien svarīgāka. Vēsturiski izstrādātāji sarežģītai audio apstrādei paļāvās uz Web Audio API, kas, lai arī jaudīgs, bieži vien abstrahēja pamatā esošos neapstrādātos datus. WebCodecs API un īpaši tā AudioData saskarnes ieviešana iezīmē būtisku pavērsienu, sniedzot izstrādātājiem detalizētu kontroli pār audio straumēm fundamentālā līmenī. Šis visaptverošais ceļvedis ir paredzēts starptautiskai izstrādātāju auditorijai, kas vēlas izmantot AudioData potenciālu neapstrādātu audio datu apstrādei, reāllaika manipulācijai un inovatīvām audio lietojumprogrammām visā pasaulē.

Neapstrādātu audio datu nozīmes izpratne

Pirms iedziļināties AudioData specifikā, ir svarīgi saprast, kāpēc tieša piekļuve neapstrādātiem audio datiem ir tik vērtīga. Neapstrādāti audio dati attēlo skaņu kā skaitlisku paraugu sēriju. Katrs paraugs atbilst skaņas viļņa amplitūdai (skaļumam) noteiktā laika brīdī. Manipulējot ar šiem paraugiem, izstrādātāji var:

• Ieviest pielāgotus audio efektus: Papildus standarta filtriem radīt unikālus efektus, piemēram, toņa maiņu, granulāro sintēzi vai sarežģītu telpiskā audio renderēšanu.
• Veikt padziļinātu audio analīzi: Iegūt tādas iezīmes kā frekvenču saturu, skaļuma līmeņus vai pārejas informāciju lietojumprogrammām, piemēram, ritma noteikšanai, runas atpazīšanas priekšapstrādei vai mūzikas informācijas izgūšanai.
• Optimizēt audio apstrādes konveijerus: Iegūt detalizētu kontroli pār atmiņas pārvaldību un apstrādes loģiku veiktspējai kritiskās lietojumprogrammās, īpaši reāllaika scenārijos.
• Nodrošināt starpplatformu saderību: Strādāt ar standartizētiem audio formātiem un datu attēlojumiem, kurus var viegli koplietot un apstrādāt dažādās ierīcēs un operētājsistēmās.
• Izstrādāt inovatīvas audio lietojumprogrammas: Veidot interaktīvu mūzikas pieredzi, pieejamus saziņas rīkus vai imersīvas audio vides.

WebCodecs API, jaunāks papildinājums tīmekļa platformai, papildina esošos API, piemēram, Web Audio API, piedāvājot zemāka līmeņa piekļuvi multivides kodekiem un neapstrādātiem multivides datiem. Tas ļauj tiešāk mijiedarboties ar audio un video kadriem, paverot jaunas iespējas tīmekļa multivides lietojumprogrammām.

Iepazīstinām ar WebCodecs AudioData

AudioData saskarne WebCodecs ietvaros attēlo neapstrādātu audio datu gabalu. Tā ir izstrādāta kā fundamentāls būvelements audio kadru apstrādei un transportēšanai. Atšķirībā no augstāka līmeņa abstrakcijām, AudioData nodrošina tiešu piekļuvi audio paraugiem, parasti planārā formātā.

AudioData galvenās īpašības:

• Parauga formāts: AudioData var attēlot audio dažādos formātos, bet parasti tie ir mijas vai planāri 32 bitu peldošā komata paraugi (S32LE) vai 16 bitu parakstīti veseli skaitļi (S16LE). Konkrētais formāts ir atkarīgs no avota un izmantotā kodeka.
• Kanālu izkārtojums: Tas norāda, kā ir sakārtoti audio kanāli (piemēram, mono, stereo, telpiskā skaņa).
• Izlases biežums (Sample Rate): Paraugu skaits sekundē, kas ir būtiski precīzai atskaņošanai un apstrādei.
• Laika zīmogs (Timestamp): Laika zīmogs, kas norāda audio gabala prezentācijas laiku.
• Ilgums (Duration): Audio gabala ilgums.

Uztveriet AudioData kā audio "pikseļus". Tāpat kā jūs varat manipulēt ar atsevišķiem pikseļiem, lai radītu attēlu efektus, jūs varat manipulēt ar atsevišķiem audio paraugiem, lai veidotu un pārveidotu skaņu.

Pamatdarbības ar AudioData

Darbs ar AudioData ietver vairākas galvenās darbības:

1. AudioData iegūšana

Pirms varat apstrādāt AudioData, tas ir jāiegūst. Tas parasti notiek vairākos veidos:

• No MediaStreamTrack: Jūs varat iegūt AudioData no audio MediaStreamTrack, izmantojot tā getMutableChunks() vai getControllable() metodes (eksperimentālas). Biežāk sastopama un stabilāka pieeja ir izmantot MediaStreamTrackProcessor.
• No dekoderiem: Dekodējot kodētu audio (piemēram, MP3 vai AAC), izmantojot WebCodecs API AudioDecoder, dekoders izvadīs AudioData gabalus.
• No EncodedData: Lai gan AudioData ir neapstrādāti dati, jūs varat sākt ar kodētiem datiem un vispirms tos dekodēt.

Apskatīsim piemēru, kā iegūt audio gabalus no mikrofona, izmantojot MediaStreamTrackProcessor:

            async function getAudioDataFromMicrophone() {
  try {
    const stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia({ audio: true });
    const audioTrack = stream.getAudioTracks()[0];

    if (!audioTrack) {
      console.error('No audio track found.');
      return;
    }

    const processor = new MediaStreamTrackProcessor({ track: audioTrack });
    const reader = processor.readable.getReader();

    while (true) {
      const { value, done } = await reader.read();
      if (done) {
        break;
      }

      // 'value' here is a VideoFrame or AudioData object.
      // We are interested in AudioData.
      if (value instanceof AudioData) {
        console.log(`Received AudioData: Sample Rate=${value.sampleRate}, Channels=${value.numberOfChannels}, Duration=${value.duration}ms`);
        // Process the AudioData here...
        processRawAudioData(value);
        value.close(); // Important to close the AudioData when done
      } else {
        value.close(); // Close if it's not AudioData
      }
    }
  } catch (error) {
    console.error('Error accessing microphone:', error);
  }
}

function processRawAudioData(audioData) {
  // This is where you'd implement your audio manipulation logic.
  // For demonstration, we'll just log some info.
  console.log(`Processing AudioData: ${audioData.format}, ${audioData.sampleRate}Hz, ${audioData.numberOfChannels} channels.`);

  // Accessing raw sample data (this is a simplified conceptual example)
  // The actual access might involve WebAssembly or specific APIs depending on the format.
  // For planar floating-point data:
  // const plane = audioData.getPlane(0); // Get the first channel's data
  // const buffer = plane.buffer;
  // const view = new Float32Array(buffer);
  // console.log(`First sample of channel 0: ${view[0]}`);
}

// Call the function to start processing
// getAudioDataFromMicrophone();

            

              
                Copy
              
            
          

Piezīme: MediaStreamTrackProcessor un tā readable īpašība joprojām ir eksperimentālas funkcijas. Iespējams, jums būs jāiespējo noteikti pārlūkprogrammas karodziņi.

2. Piekļuve neapstrādātiem paraugu datiem

Neapstrādātas audio apstrādes pamatā ir piekļuve faktiskajiem audio paraugiem. AudioData saskarne nodrošina metodes šim nolūkam:

• format: Virkne, kas norāda parauga formātu (piem., 'f32-planar', 's16-planar').
• numberOfChannels: Audio kanālu skaits.
• sampleRate: Audio datu izlases biežums.
• new AudioData({ format, sampleRate, numberOfChannels, timestamp, data }): Konstruktors jaunu AudioData objektu izveidei.
• allocationSize({ format, sampleRate, numberOfChannels, numberOfFrames }): Statiska metode, lai aprēķinātu atmiņu, kas nepieciešama konkrētam AudioData.
• copyTo({ plane, format, sampleRate, numberOfChannels, /* ... */ }): Kopē audio datus uz norādīto ArrayBuffer.
• getPlane(planeIndex): Atgriež AudioData.Plane objektu konkrētam kanālam (plaknei). Šai plaknei ir buffer īpašība.

Bieži sastopama ir tieša darbība ar baitu buferiem un tipizētiem masīviem (piemēram, Float32Array vai Int16Array). Ilustrēsim, kā jūs varētu nolasīt paraugu datus (konceptuāli):

            function processAudioSamples(audioData) {
  const format = audioData.format;
  const sampleRate = audioData.sampleRate;
  const channels = audioData.numberOfChannels;

  console.log(`Processing format: ${format}, Sample Rate: ${sampleRate}, Channels: ${channels}`);

  for (let i = 0; i < channels; i++) {
    const plane = audioData.getPlane(i);
    const buffer = plane.buffer;

    if (format === 'f32-planar') {
      const samples = new Float32Array(buffer);
      console.log(`Channel ${i} has ${samples.length} samples.`);
      // Manipulate 'samples' array here (e.g., amplify, add noise)
      for (let j = 0; j < samples.length; j++) {
        samples[j] = samples[j] * 1.2; // Amplify by 20%
      }
      // Important: After manipulation, you might need to copy it back or create a new AudioData.
    } else if (format === 's16-planar') {
      const samples = new Int16Array(buffer);
      console.log(`Channel ${i} has ${samples.length} samples.`);
      // Manipulate 'samples' array here
      for (let j = 0; j < samples.length; j++) {
        samples[j] = Math.max(-32768, Math.min(32767, samples[j] * 1.2)); // Amplify by 20%, clamp for s16
      }
    }
    // Handle other formats as needed
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Audio datu manipulācija

Kad jums ir piekļuve paraugu buferiem, manipulācijas iespējas ir plašas. Šeit ir dažas izplatītas tehnikas:

• Pastiprinājuma/Skaļuma kontrole: Reiziniet paraugu vērtības ar pastiprinājuma koeficientu.

              // Inside processAudioSamples loop, for Float32Array:
  samples[j] *= gainFactor; // gainFactor between 0.0 and 1.0 for reduction, > 1.0 for amplification
  
              
  
                
                  Copy
                
              
            

• Miksēšana: Saskaitiet paraugu vērtības no diviem dažādiem AudioData objektiem (pārliecinieties, ka izlases biežumi un kanālu skaits sakrīt, vai arī veiciet pārizlasi/pārmiksēšanu).

              // Assuming audioData1 and audioData2 are compatible:
  const mixedSamples = new Float32Array(samples1.length);
  for (let k = 0; k < samples1.length; k++) {
    mixedSamples[k] = (samples1[k] + samples2[k]) / 2; // Simple average mixing
  }
  
              
  
                
                  Copy
                
              
            

• Iepludināšana/Izpludināšana (Fading): Laika gaitā pielietojiet pakāpeniski pieaugošu vai dilstošu pastiprinājuma koeficientu.

              // Apply a fade-in to the first 1000 samples:
  const fadeInDuration = 1000;
  for (let j = 0; j < Math.min(samples.length, fadeInDuration); j++) {
    const fadeFactor = j / fadeInDuration;
    samples[j] *= fadeFactor;
  }
  
              
  
                
                  Copy
                
              
            

• Efektu pievienošana: Ieviesiet vienkāršus filtrus, piemēram, pamata zemo frekvenču vai augsto frekvenču filtru, manipulējot ar paraugu secībām. Sarežģītākiem efektiem bieži nepieciešami algoritmi, kas vienlaikus ņem vērā vairākus paraugus.

              // Example: Simple delay effect (conceptual, requires buffering previous samples)
  // let delayedSample = 0;
  // for (let j = 0; j < samples.length; j++) {
  //   const currentSample = samples[j];
  //   samples[j] = (currentSample + delayedSample) / 2; // Mix current with delayed
  //   delayedSample = currentSample; // Prepare for next iteration
  // }
  
              
  
                
                  Copy
                
              
            

4. Jaunu AudioData izveide

Pēc manipulācijas bieži vien ir jāizveido jauns AudioData objekts, ko nodot kodētājam vai citam apstrādes posmam. Konstruktoram nepieciešama rūpīga uzmanība parametriem.

Piemērs jauna AudioData objekta izveidei no apstrādātiem paraugiem:

            function createAudioDataFromSamples(samplesArray, originalAudioData) {
  const { sampleRate, numberOfChannels, format } = originalAudioData;
  const frameCount = samplesArray.length / numberOfChannels; // Assuming interleaved for simplicity here, adjust for planar
  const duration = (frameCount / sampleRate) * 1e6; // Duration in microseconds
  const timestamp = originalAudioData.timestamp; // Or use a new timestamp

  // For planar f32 format, you'd construct by planes.
  // This example assumes you've processed and have data ready to be put into AudioData structure.

  // Let's assume we process data into a single plane for simplicity in this example
  // but real applications would handle multiple channels correctly.
  const dataArrayBuffer = samplesArray.buffer;

  // Determine the correct format for constructor based on processed data.
  // If original was f32-planar, the new data should ideally be too.
  // For demonstration, let's create a new f32-planar AudioData

  // Creating a single-channel AudioData from Float32Array
  const planeData = [{ buffer: dataArrayBuffer, stride: samplesArray.byteLength, offset: 0 }];

  // The constructor needs careful handling of data and format.
  // For 'f32-planar', the 'data' argument should be an array of planes, each with buffer, stride, offset.
  const newAudioData = new AudioData({
    format: 'f32-planar', // Match your processed data format
    sampleRate: sampleRate,
    numberOfChannels: 1, // Adjust based on your processed data
    numberOfFrames: frameCount, // Number of samples per channel
    timestamp: timestamp,
    // The data argument depends on the format. For 'f32-planar', it's an array of planes.
    // Here, assuming we have a single plane (channel).
    data: planeData
  });

  return newAudioData;
}

            

              
                Copy
              
            
          

5. Kodēšana un izvade

Pēc manipulācijas jūs, iespējams, vēlēsities kodēt neapstrādātos AudioData standarta formātā (piem., AAC, Opus) atskaņošanai vai pārraidei. Šeit noder AudioEncoder.

            async function encodeAndPlayAudio(processedAudioData) {
  const encoder = new AudioEncoder({
    output: chunk => {
      // 'chunk' is an EncodedAudioChunk. Play it or send it.
      console.log('Encoded chunk received:', chunk);
      // For playback, you'd typically queue these chunks for decoding and playing.
      // Or, if playing directly via AudioData, you'd add it to an AudioWorklet or similar.
    },
    error: error => {
      console.error('AudioEncoder error:', error);
    }
  });

  // Configure the encoder with the desired codec and parameters
  const config = {
    codec: 'opus',
    sampleRate: processedAudioData.sampleRate,
    numberOfChannels: processedAudioData.numberOfChannels,
    bitrate: 128000 // Example bitrate
  };
  encoder.configure(config);

  // Encode the processed AudioData
  encoder.encode(processedAudioData);

  // Flush the encoder to ensure all buffered data is processed
  await encoder.flush();
  encoder.close();
}

// Example usage:
// const manipulatedAudioData = ...; // Your processed AudioData object
// encodeAndPlayAudio(manipulatedAudioData);

            

              
                Copy
              
            
          

Progresīvas tehnikas un globāli apsvērumi

Strādājot ar audio apstrādi globālā mērogā, ir jāņem vērā vairāki faktori:

1. Veiktspējas optimizācija

Tieša neapstrādātu audio paraugu manipulācija var būt skaitļošanas ziņā intensīva. Veiktspējai kritiskām lietojumprogrammām:

• WebAssembly (Wasm): Sarežģītiem algoritmiem apsveriet to implementēšanu C/C++ un kompilēšanu uz WebAssembly. Tas ļauj daudz ātrāk veikt skaitliskos aprēķinus salīdzinājumā ar JavaScript. Jūs varat nodot AudioData buferus Wasm moduļiem un saņemt atpakaļ apstrādātus datus.
• Efektīva datu apstrāde: Minimizējiet lielu ArrayBuffer kopēšanu. Lietojiet copyTo apdomīgi un, ja iespējams, strādājiet ar tipizētiem masīviem "in-place".
• Profilēšana: Izmantojiet pārlūkprogrammas izstrādātāju rīkus, lai profilētu savu audio apstrādes kodu un identificētu vājās vietas.

2. Starp-pārlūku un starpplatformu saderība

Lai gan WebCodecs ir tīmekļa standarts, implementācijas detaļas un funkciju atbalsts var atšķirties dažādās pārlūkprogrammās un operētājsistēmās.

• Funkciju noteikšana: Vienmēr pārbaudiet WebCodecs un konkrētu saskarņu pieejamību pirms to izmantošanas.
• Eksperimentālās funkcijas: Apzinieties, ka daži WebCodecs aspekti joprojām var būt eksperimentāli un prasīt karodziņu iespējošanu. Rūpīgi testējiet uz mērķa platformām.
• Audio formāti: Pārliecinieties, ka jūsu izvēlētie kodeki un paraugu formāti ir plaši atbalstīti.

3. Reāllaika apstrāde un latentums

Tādām lietojumprogrammām kā tiešraides straumēšana, virtuālie instrumenti vai interaktīva saziņa, latentuma minimizēšana ir vissvarīgākā.

• AudioWorklet: Web Audio API AudioWorklet nodrošina īpašu pavedienu audio apstrādei, piedāvājot zemāku latentumu un deterministiskāku uzvedību nekā novecojušais ScriptProcessorNode. Jūs varat integrēt WebCodecs AudioData apstrādi AudioWorklet ietvaros, lai sasniegtu reāllaika efektus.
• Buferizācijas stratēģijas: Ieviesiet gudru buferizāciju, lai apstrādātu tīkla svārstības vai apstrādes aizkaves, nezaudējot audio un neieviešot traucējumus.
• Kadra izmērs: AudioData gabalu izmērs (kadru skaits) ietekmē latentumu. Mazāki gabali nozīmē zemāku latentumu, bet potenciāli lielāku apstrādes slogu. Eksperimentējiet, lai atrastu optimālo līdzsvaru.

4. Internacionalizācija un pieejamība

Veidojot globālas audio lietojumprogrammas, apsveriet:

• Lokalizācija: Lietotāja saskarnes elementi, kas saistīti ar audio vadību, ir jālokalizē.
• Audio pieejamība: Nodrošiniet iespējas lietotājiem ar dzirdes traucējumiem, piemēram, vizualizatorus vai transkripcijas. Pārliecinieties, ka jūsu pielāgotie audio efekti netraucē sapratni lietotājiem, kas paļaujas uz palīgtehnoloģijām.
• Kultūras nianses: Lai gan paši audio dati ir universāli, noteiktu skaņu vai efektu uztvere un priekšroka var atšķirties atkarībā no kultūras. Lietotāju testēšana dažādos reģionos ir noderīga.

Lietošanas gadījumi un nākotnes potenciāls

Spēja manipulēt ar neapstrādātiem AudioData paver durvis plašam inovatīvu tīmekļa lietojumprogrammu klāstam:

• Tiešraides audio efektu ķēdes: Veidojiet sarežģītas audio efektu plauktus tieši pārlūkprogrammā mūziķiem un audio inženieriem.
• Pielāgoti audio sintezatori: Izveidojiet unikālus skaņas ģenerēšanas rīkus ar detalizētu kontroli pār viļņu formām un sintēzes parametriem.
• Progresīvi balss mainītāji: Izstrādājiet sarežģītus reāllaika balss modifikācijas rīkus saziņai vai izklaidei.
• Interaktīvi audio vizualizatori: Izveidojiet dinamiskas vizualizācijas, kas precīzi reaģē uz neapstrādātu audio saturu.
• Personalizēta audio pieredze: Pielāgojiet audio atskaņošanu, pamatojoties uz lietotāja preferencēm, vidi vai biometriskajiem datiem.
• Tīmekļa digitālās audio darbstacijas (DAW): Izstrādājiet jaudīgāku un funkcijām bagātāku tīmekļa mūzikas producēšanas programmatūru.
• Pieejami saziņas rīki: Uzlabojiet tādas funkcijas kā trokšņu slāpēšana vai atbalss atcelšana tīmekļa konferenču platformām.

WebCodecs API attīstoties un pārlūkprogrammu atbalstam paplašinoties, mēs varam sagaidīt radošu lietojumprogrammu eksploziju, kas izmanto tiešu audio datu manipulāciju. Spēja strādāt ar audio paraugu līmenī demokratizē sarežģītu audio apstrādi, padarot to pieejamu tīmekļa izstrādātājiem visā pasaulē.

Noslēgums

WebCodecs API un tā AudioData saskarne ir spēcīgs progress tīmekļa audio izstrādē. Nodrošinot zema līmeņa piekļuvi neapstrādātiem audio paraugiem, izstrādātāji var atbrīvoties no tradicionālajiem ierobežojumiem un ieviest ļoti pielāgotu audio apstrādi, reāllaika efektus un inovatīvas funkcionalitātes. Lai gan šīs tehnikas prasa dziļāku izpratni par digitālā audio principiem un rūpīgu implementāciju, ieguvumi elastības un radošās kontroles ziņā ir milzīgi.

Izstrādātājiem visā pasaulē WebCodecs AudioData pieņemšana nozīmē jaunu robežu atklāšanu tīmekļa audio jomā. Neatkarīgi no tā, vai jūs veidojat nākamās paaudzes mūzikas producēšanas rīkus, uzlabojat saziņas platformas vai radāt imersīvu interaktīvu pieredzi, neapstrādātas audio apstrādes apgūšana ir atslēga, lai paliktu tīmekļa multivides inovāciju priekšgalā. Sāciet pētīt, eksperimentēt un veidot skaņas nākotni tīmeklī.