Planurile VideoFrame WebCodecs: O analiză detaliată a accesului la datele cadrelor video

WebCodecs reprezintă o schimbare de paradigmă în procesarea media pe web. Oferă acces de nivel scăzut la elementele constitutive ale media, permițând dezvoltatorilor să creeze aplicații sofisticate direct în browser. Una dintre cele mai puternice caracteristici ale WebCodecs este obiectul VideoFrame, iar în cadrul acestuia, planurile VideoFrame care expun datele brute ale pixelilor din cadrele video. Acest articol oferă un ghid complet pentru înțelegerea și utilizarea planurilor VideoFrame pentru manipulare video avansată.

Înțelegerea obiectului VideoFrame

Înainte de a aprofunda planurile, să recapitulăm obiectul VideoFrame în sine. Un VideoFrame reprezintă un singur cadru video. Acesta încapsulează datele video decodate (sau codate), împreună cu metadate asociate precum marcajul de timp, durata și informații despre format. API-ul VideoFrame oferă metode pentru:

• Citirea datelor pixelilor: Aici intervin planurile.
• Copierea cadrelor: Crearea de noi obiecte VideoFrame din cele existente.
• Închiderea cadrelor: Eliberarea resurselor subiacente deținute de cadru.

Obiectul VideoFrame este creat în timpul procesului de decodare, de obicei de către un VideoDecoder, sau manual la crearea unui cadru personalizat.

Ce sunt planurile VideoFrame?

Datele de pixeli ale unui VideoFrame sunt adesea organizate în mai multe planuri, în special în formate precum YUV. Fiecare plan reprezintă o componentă diferită a imaginii. De exemplu, într-un format YUV420, există trei planuri:

• Y (Luma): Reprezintă luminozitatea (luminanța) imaginii. Acest plan conține informațiile alb-negru.
• U (Cb): Reprezintă componenta cromatică a diferenței de albastru.
• V (Cr): Reprezintă componenta cromatică a diferenței de roșu.

Formatele RGB, deși par mai simple, ar putea folosi, de asemenea, mai multe planuri în unele cazuri. Numărul de planuri și semnificația lor depind în întregime de VideoPixelFormat al VideoFrame.

Avantajul utilizării planurilor este că permite accesul și manipularea eficientă a componentelor specifice de culoare. De exemplu, ați putea dori să ajustați doar luminanța (planul Y) fără a afecta culoarea (planurile U și V).

Accesarea planurilor VideoFrame: API-ul

API-ul VideoFrame oferă următoarele metode pentru a accesa datele planurilor:

• copyTo(destination, options): Copiază conținutul VideoFrame într-o destinație, care poate fi un alt VideoFrame, un CanvasImageBitmap sau un ArrayBufferView. Obiectul options controlează ce planuri sunt copiate și cum. Acesta este mecanismul principal pentru accesarea planurilor.

Obiectul options din metoda copyTo vă permite să specificați layout-ul și ținta pentru datele cadrului video. Proprietățile cheie includ:

• format: Formatul de pixeli dorit pentru datele copiate. Acesta poate fi același cu cel al VideoFrame original sau un format diferit (de exemplu, conversia de la YUV la RGB).
• codedWidth și codedHeight: Lățimea și înălțimea cadrului video în pixeli.
• layout: O matrice de obiecte care descriu organizarea fiecărui plan în memorie. Fiecare obiect din matrice specifică:
• offset: Deplasamentul, în octeți, de la începutul bufferului de date până la începutul datelor planului.
• stride: Numărul de octeți între începutul fiecărui rând din plan. Acest lucru este crucial pentru gestionarea padding-ului.

Să vedem un exemplu de copiere a unui VideoFrame YUV420 într-un buffer brut:

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

  // YUV420 are 3 planuri: Y, U și V
  const yPlaneSize = width * height;
  const uvPlaneSize = width * height / 4;

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

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

  videoFrame.close(); // Important pentru a elibera resursele
}

Explicație:

• Calculăm dimensiunea fiecărui plan pe baza lățimii (width) și înălțimii (height). Y este la rezoluție completă, în timp ce U și V sunt subeșantionate (4:2:0).
• Matricea layout definește organizarea memoriei. offset specifică unde începe fiecare plan în buffer, iar stride specifică numărul de octeți peste care trebuie sărit pentru a ajunge la următorul rând din acel plan.
• Opțiunea format este setată la 'I420', care este un format YUV420 comun.
• În mod critic, după copiere, se apelează videoFrame.close() pentru a elibera resursele.

Formatele de pixeli: O lume de posibilități

Înțelegerea formatelor de pixeli este esențială pentru a lucra cu planurile VideoFrame. VideoPixelFormat definește modul în care informațiile de culoare sunt codificate în cadrul video. Iată câteva formate comune de pixeli pe care le-ați putea întâlni:

• I420 (YUV420p): Un format YUV planar în care componentele Y, U și V sunt stocate în planuri separate. U și V sunt subeșantionate cu un factor de 2 atât pe dimensiunea orizontală, cât și pe cea verticală. Este un format foarte comun și eficient.
• NV12 (YUV420sp): Un format YUV semi-planar în care Y este stocat într-un plan, iar componentele U și V sunt intercalate într-un al doilea plan.
• RGBA: Componentele Roșu, Verde, Albastru și Alfa sunt stocate într-un singur plan, de obicei cu 8 biți pe componentă (32 de biți pe pixel). Ordinea componentelor poate varia (de exemplu, BGRA).
• RGB565: Componentele Roșu, Verde și Albastru sunt stocate într-un singur plan cu 5 biți pentru Roșu, 6 biți pentru Verde și 5 biți pentru Albastru (16 biți pe pixel).
• GRAYSCALE: Reprezintă imagini în tonuri de gri cu o singură valoare de luminanță (luminozitate) pentru fiecare pixel.

Proprietatea VideoFrame.format vă va indica formatul de pixeli al unui cadru dat. Asigurați-vă că verificați această proprietate înainte de a încerca să accesați planurile. Puteți consulta specificația WebCodecs pentru o listă completă a formatelor acceptate.

Cazuri practice de utilizare

Accesarea planurilor VideoFrame deschide o gamă largă de posibilități pentru procesare video avansată în browser. Iată câteva exemple:

1. Efecte video în timp real

Puteți aplica efecte video în timp real manipulând datele de pixeli din VideoFrame. De exemplu, ați putea implementa un filtru alb-negru prin calcularea mediei componentelor R, G și B ale fiecărui pixel într-un cadru RGBA și apoi setând toate cele trei componente la acea valoare medie. De asemenea, ați putea crea un efect de ton sepia sau ajusta luminozitatea și contrastul.

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;       // Roșu
    rgba[i + 1] = gray;   // Verde
    rgba[i + 2] = gray;   // Albastru
  }

  // Creați un nou VideoFrame din datele modificate.
  const newFrame = new VideoFrame(rgba, {
    format: 'RGBA',
    codedWidth: width,
    codedHeight: height,
    timestamp: videoFrame.timestamp,
    duration: videoFrame.duration
  });

  videoFrame.close(); // Eliberați cadrul original
  return newFrame;
}

2. Aplicații de viziune computerizată

Planurile VideoFrame oferă acces direct la datele de pixeli necesare pentru sarcinile de viziune computerizată. Puteți utiliza aceste date pentru a implementa algoritmi de detectare a obiectelor, recunoaștere facială, urmărire a mișcării și multe altele. Puteți utiliza WebAssembly pentru secțiunile critice din punct de vedere al performanței din codul dvs.

De exemplu, ați putea converti un VideoFrame color în alb-negru și apoi aplica un algoritm de detectare a marginilor (de exemplu, operatorul Sobel) pentru a identifica marginile din imagine. Acesta ar putea fi folosit ca un pas de pre-procesare pentru recunoașterea obiectelor.

3. Editare și compoziție video

Puteți utiliza planurile VideoFrame pentru a implementa funcționalități de editare video precum decuparea, scalarea, rotirea și compoziția. Manipulând direct datele de pixeli, puteți crea tranziții și efecte personalizate.

De exemplu, ați putea decupa un VideoFrame copiind doar o porțiune din datele de pixeli într-un nou VideoFrame. Ar trebui să ajustați corespunzător offset-urile și stride-urile din layout.

4. Codecuri personalizate și transcodare

Deși WebCodecs oferă suport încorporat pentru codecuri comune precum AV1, VP9 și H.264, îl puteți folosi și pentru a implementa codecuri personalizate sau pipeline-uri de transcodare. Ar trebui să gestionați singur procesul de codare și decodare, dar planurile VideoFrame vă permit să accesați și să manipulați datele brute ale pixelilor. Acest lucru ar putea fi util pentru formate video de nișă sau cerințe de codare specializate.

5. Analiză avansată

Prin accesarea datelor de pixeli subiacente, puteți efectua analize profunde ale conținutului video. Acestea includ sarcini precum măsurarea luminozității medii a unei scene, identificarea culorilor dominante sau detectarea schimbărilor în conținutul scenei. Acest lucru poate permite aplicații avansate de analiză video pentru securitate, supraveghere sau analiza conținutului.

Lucrul cu Canvas și WebGL

Deși puteți manipula direct datele de pixeli din planurile VideoFrame, adesea trebuie să redați rezultatul pe ecran. Interfața CanvasImageBitmap oferă o punte între VideoFrame și elementul <canvas>. Puteți crea un CanvasImageBitmap dintr-un VideoFrame și apoi să îl desenați pe canvas folosind metoda 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(); // Eliberați resursele bitmap-ului
  videoFrame.close(); // Eliberați resursele VideoFrame
}

Pentru o randare mai avansată, puteți utiliza WebGL. Puteți încărca datele de pixeli din planurile VideoFrame în texturi WebGL și apoi utiliza shadere pentru a aplica efecte și transformări. Acest lucru vă permite să utilizați GPU-ul pentru procesare video de înaltă performanță.

Considerații de performanță

Lucrul cu datele brute ale pixelilor poate fi intensiv din punct de vedere computațional, deci este crucial să luați în considerare optimizarea performanței. Iată câteva sfaturi:

• Minimizați copiile: Evitați copierea inutilă a datelor de pixeli. Încercați să efectuați operațiuni pe loc ori de câte ori este posibil.
• Utilizați WebAssembly: Pentru secțiunile critice din punct de vedere al performanței din codul dvs., luați în considerare utilizarea WebAssembly. WebAssembly poate oferi performanțe aproape native pentru sarcini intensive din punct de vedere computațional.
• Optimizați organizarea memoriei: Alegeți formatul de pixeli și organizarea memoriei potrivite pentru aplicația dvs. Luați în considerare utilizarea formatelor împachetate (de exemplu, RGBA) dacă nu aveți nevoie să accesați frecvent componentele individuale de culoare.
• Utilizați OffscreenCanvas: Pentru procesare în fundal, utilizați OffscreenCanvas pentru a evita blocarea firului principal.
• Profilați-vă codul: Utilizați instrumentele pentru dezvoltatori din browser pentru a vă profila codul și a identifica blocajele de performanță.

Compatibilitatea browserelor

WebCodecs și API-ul VideoFrame sunt acceptate în majoritatea browserelor moderne, inclusiv Chrome, Firefox și Safari. Cu toate acestea, nivelul de suport poate varia în funcție de versiunea browserului și de sistemul de operare. Verificați cele mai recente tabele de compatibilitate a browserelor pe site-uri precum MDN Web Docs pentru a vă asigura că funcționalitățile pe care le utilizați sunt acceptate în browserele țintă. Pentru compatibilitate cross-browser, se recomandă detectarea funcționalităților.

Capcane comune și depanare

Iată câteva capcane comune de evitat atunci când lucrați cu planurile VideoFrame:

• Layout incorect: Asigurați-vă că matricea layout descrie cu precizie organizarea în memorie a datelor de pixeli. Offset-urile sau stride-urile incorecte pot duce la imagini corupte.
• Formate de pixeli nepotrivite: Asigurați-vă că formatul de pixeli pe care îl specificați în metoda copyTo se potrivește cu formatul real al VideoFrame.
• Scurgeri de memorie: Închideți întotdeauna obiectele VideoFrame și CanvasImageBitmap după ce ați terminat cu ele pentru a elibera resursele subiacente. Nerespectarea acestui lucru poate duce la scurgeri de memorie.
• Operațiuni asincrone: Amintiți-vă că copyTo este o operațiune asincronă. Utilizați await pentru a vă asigura că operațiunea de copiere se finalizează înainte de a accesa datele de pixeli.
• Restricții de securitate: Fiți conștienți de restricțiile de securitate care se pot aplica la accesarea datelor de pixeli din videoclipuri de origine diferită (cross-origin).

Exemplu: Conversie YUV la RGB

Să luăm în considerare un exemplu mai complex: conversia unui VideoFrame YUV420 într-un VideoFrame RGB. Acest lucru implică citirea planurilor Y, U și V, conversia lor în valori RGB și apoi crearea unui nou VideoFrame RGB.

Această conversie poate fi implementată folosind următoarea formulă:

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

Iată codul:

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 }, // Planul Y
    { offset: yPlaneSize, stride: width / 2 }, // Planul U
    { offset: yPlaneSize + uvPlaneSize, stride: width / 2 } // Planul V
  ];

  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; // Alfa
    }
  }

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

  videoFrame.close(); // Eliberați cadrul original
  return newFrame;
}

Acest exemplu demonstrează puterea și complexitatea lucrului cu planurile VideoFrame. Necesită o bună înțelegere a formatelor de pixeli, a organizării memoriei și a conversiilor spațiului de culoare.

Concluzie

API-ul pentru planurile VideoFrame din WebCodecs deblochează un nou nivel de control asupra procesării video în browser. Înțelegând cum să accesați și să manipulați direct datele pixelilor, puteți crea aplicații avansate pentru efecte video în timp real, viziune computerizată, editare video și multe altele. Deși lucrul cu planurile VideoFrame poate fi provocator, recompensele potențiale sunt semnificative. Pe măsură ce WebCodecs continuă să evolueze, va deveni, fără îndoială, un instrument esențial pentru dezvoltatorii web care lucrează cu media.

Vă încurajăm să experimentați cu API-ul pentru planurile VideoFrame și să explorați capacitățile acestuia. Înțelegând principiile de bază și aplicând cele mai bune practici, puteți crea aplicații video inovatoare și performante care împing limitele a ceea ce este posibil în browser.

Resurse suplimentare de învățare

• MDN Web Docs despre WebCodecs
• Specificația WebCodecs
• Depozite de cod exemplu WebCodecs pe GitHub.