Плоскости VideoFrame в WebCodecs: Глубокое погружение в доступ к данным видеокадров

WebCodecs представляет собой сдвиг парадигмы в обработке медиа в вебе. Он предоставляет низкоуровневый доступ к строительным блокам медиа, позволяя разработчикам создавать сложные приложения непосредственно в браузере. Одной из самых мощных функций WebCodecs является объект VideoFrame, а внутри него — плоскости VideoFrame, которые предоставляют доступ к сырым пиксельным данным видеокадров. Эта статья представляет собой всеобъемлющее руководство по пониманию и использованию плоскостей VideoFrame для продвинутой обработки видео.

Понимание объекта VideoFrame

Прежде чем углубляться в плоскости, давайте кратко рассмотрим сам объект VideoFrame. VideoFrame представляет собой один кадр видео. Он инкапсулирует декодированные (или закодированные) видеоданные вместе с сопутствующими метаданными, такими как временная метка, длительность и информация о формате. API VideoFrame предлагает методы для:

• Чтения пиксельных данных: здесь и вступают в игру плоскости.
• Копирования кадров: создания новых объектов VideoFrame из существующих.
• Закрытия кадров: освобождения ресурсов, удерживаемых кадром.

Объект VideoFrame создается в процессе декодирования, обычно с помощью VideoDecoder, или вручную при создании пользовательского кадра.

Что такое плоскости VideoFrame?

Пиксельные данные VideoFrame часто организованы в несколько плоскостей, особенно в форматах, таких как YUV. Каждая плоскость представляет отдельный компонент изображения. Например, в формате YUV420 существует три плоскости:

• Y (Luma): Представляет яркость (светимость) изображения. Эта плоскость содержит информацию в оттенках серого.
• U (Cb): Представляет компонент цветности, отвечающий за разницу синего цвета.
• V (Cr): Представляет компонент цветности, отвечающий за разницу красного цвета.

Форматы RGB, хотя и кажутся проще, в некоторых случаях также могут использовать несколько плоскостей. Количество плоскостей и их значение полностью зависят от VideoPixelFormat объекта VideoFrame.

Преимущество использования плоскостей заключается в том, что это позволяет эффективно получать доступ и манипулировать определенными цветовыми компонентами. Например, вы можете захотеть изменить только яркость (плоскость Y), не затрагивая цвет (плоскости U и V).

Доступ к плоскостям VideoFrame: API

API VideoFrame предоставляет следующие методы для доступа к данным плоскостей:

• copyTo(destination, options): Копирует содержимое VideoFrame в целевой объект, которым может быть другой VideoFrame, CanvasImageBitmap или ArrayBufferView. Объект options управляет тем, какие плоскости копируются и как. Это основной механизм для доступа к плоскостям.

Объект options в методе copyTo позволяет указать компоновку и целевое расположение для данных видеокадра. Ключевые свойства включают:

• format: Желаемый формат пикселей скопированных данных. Он может быть таким же, как у исходного VideoFrame, или другим (например, конвертация из YUV в RGB).
• codedWidth и codedHeight: Ширина и высота видеокадра в пикселях.
• layout: Массив объектов, описывающих компоновку каждой плоскости в памяти. Каждый объект в массиве указывает:
• offset: Смещение в байтах от начала буфера данных до начала данных плоскости.
• stride: Количество байтов между началом каждой строки в плоскости. Это критически важно для обработки выравнивания (padding).

Давайте рассмотрим пример копирования VideoFrame в формате YUV420 в сырой буфер:

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

  // YUV420 имеет 3 плоскости: Y, U и V
  const yPlaneSize = width * height;
  const uvPlaneSize = width * height / 4;

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

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

  videoFrame.close(); // Важно освободить ресурсы
}

Объяснение:

• Мы вычисляем размер каждой плоскости на основе width и height. Плоскость Y имеет полное разрешение, в то время как U и V подвергаются субдискретизации (4:2:0).
• Массив layout определяет компоновку в памяти. offset указывает, где начинается каждая плоскость в буфере, а stride — количество байтов, на которое нужно перейти, чтобы добраться до следующей строки в этой плоскости.
• Опция format установлена в 'I420', что является распространенным форматом YUV420.
• Критически важно, что после копирования вызывается videoFrame.close() для освобождения ресурсов.

Пиксельные форматы: Мир возможностей

Понимание пиксельных форматов необходимо для работы с плоскостями VideoFrame. VideoPixelFormat определяет, как цветовая информация кодируется в видеокадре. Вот некоторые распространенные форматы пикселей, с которыми вы можете столкнуться:

• I420 (YUV420p): Планарный формат YUV, в котором компоненты Y, U и V хранятся в отдельных плоскостях. U и V подвергаются субдискретизации в 2 раза как по горизонтали, так и по вертикали. Это очень распространенный и эффективный формат.
• NV12 (YUV420sp): Полупланарный формат YUV, где Y хранится в одной плоскости, а компоненты U и V чередуются во второй плоскости.
• RGBA: Компоненты Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий) и Alpha (прозрачность) хранятся в одной плоскости, обычно с 8 битами на компонент (32 бита на пиксель). Порядок компонентов может варьироваться (например, BGRA).
• RGB565: Компоненты Red, Green и Blue хранятся в одной плоскости с 5 битами для красного, 6 битами для зеленого и 5 битами для синего (16 бит на пиксель).
• GRAYSCALE: Представляет изображения в оттенках серого с одним значением яркости (luma) для каждого пикселя.

Свойство VideoFrame.format сообщит вам формат пикселей данного кадра. Обязательно проверьте это свойство перед попыткой доступа к плоскостям. Полный список поддерживаемых форматов можно найти в спецификации WebCodecs.

Практические примеры использования

Доступ к плоскостям VideoFrame открывает широкий спектр возможностей для продвинутой обработки видео в браузере. Вот несколько примеров:

1. Видеоэффекты в реальном времени

Вы можете применять видеоэффекты в реальном времени, манипулируя пиксельными данными в VideoFrame. Например, вы могли бы реализовать фильтр оттенков серого, усредняя компоненты R, G и B каждого пикселя в кадре RGBA, а затем устанавливая все три компонента в это среднее значение. Вы также можете создать эффект сепии или настроить яркость и контрастность.

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;       // Красный
    rgba[i + 1] = gray;   // Зеленый
    rgba[i + 2] = gray;   // Синий
  }

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

  videoFrame.close(); // Освобождаем исходный кадр
  return newFrame;
}

2. Приложения для компьютерного зрения

Плоскости VideoFrame предоставляют прямой доступ к пиксельным данным, необходимым для задач компьютерного зрения. Вы можете использовать эти данные для реализации алгоритмов обнаружения объектов, распознавания лиц, отслеживания движения и многого другого. Вы можете использовать WebAssembly для критически важных по производительности участков вашего кода.

Например, вы могли бы преобразовать цветной VideoFrame в оттенки серого, а затем применить алгоритм обнаружения краев (например, оператор Собеля) для идентификации краев на изображении. Это может быть использовано как предварительный этап для распознавания объектов.

3. Редактирование и композитинг видео

Вы можете использовать плоскости VideoFrame для реализации функций видеомонтажа, таких как обрезка, масштабирование, поворот и композитинг. Манипулируя пиксельными данными напрямую, вы можете создавать пользовательские переходы и эффекты.

Например, вы можете обрезать VideoFrame, скопировав только часть пиксельных данных в новый VideoFrame. Для этого вам потребуется соответствующим образом настроить смещения и шаги (stride) в layout.

4. Пользовательские кодеки и транскодирование

Хотя WebCodecs предоставляет встроенную поддержку распространенных кодеков, таких как AV1, VP9 и H.264, вы также можете использовать его для реализации пользовательских кодеков или конвейеров транскодирования. Вам придется самостоятельно обрабатывать процесс кодирования и декодирования, но плоскости VideoFrame позволяют получать доступ к сырым пиксельным данным и манипулировать ими. Это может быть полезно для нишевых видеоформатов или специализированных требований к кодированию.

5. Продвинутая аналитика

Получая доступ к базовым пиксельным данным, вы можете проводить глубокий анализ видеоконтента. Это включает в себя такие задачи, как измерение средней яркости сцены, определение доминирующих цветов или обнаружение изменений в содержимом сцены. Это может обеспечить работу продвинутых приложений видеоаналитики для безопасности, наблюдения или анализа контента.

Работа с Canvas и WebGL

Хотя вы можете напрямую манипулировать пиксельными данными в плоскостях VideoFrame, часто вам нужно отобразить результат на экране. Интерфейс CanvasImageBitmap обеспечивает мост между VideoFrame и элементом <canvas>. Вы можете создать CanvasImageBitmap из VideoFrame, а затем нарисовать его на холсте с помощью метода 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(); // Освобождаем ресурсы bitmap
  videoFrame.close(); // Освобождаем ресурсы VideoFrame
}

Для более продвинутого рендеринга вы можете использовать WebGL. Вы можете загружать пиксельные данные из плоскостей VideoFrame в текстуры WebGL, а затем использовать шейдеры для применения эффектов и преобразований. Это позволяет вам использовать GPU для высокопроизводительной обработки видео.

Вопросы производительности

Работа с сырыми пиксельными данными может быть вычислительно интенсивной, поэтому крайне важно учитывать оптимизацию производительности. Вот несколько советов:

• Минимизируйте копирование: Избегайте ненужного копирования пиксельных данных. Старайтесь выполнять операции на месте, когда это возможно.
• Используйте WebAssembly: Для критически важных по производительности участков вашего кода рассмотрите возможность использования WebAssembly. WebAssembly может обеспечить производительность, близкую к нативной, для вычислительно интенсивных задач.
• Оптимизируйте компоновку памяти: Выберите правильный формат пикселей и компоновку памяти для вашего приложения. Рассмотрите возможность использования упакованных форматов (например, RGBA), если вам не нужно часто получать доступ к отдельным цветовым компонентам.
• Используйте OffscreenCanvas: Для фоновой обработки используйте OffscreenCanvas, чтобы не блокировать основной поток.
• Профилируйте свой код: Используйте инструменты разработчика в браузере для профилирования вашего кода и выявления узких мест в производительности.

Совместимость с браузерами

WebCodecs и API VideoFrame поддерживаются в большинстве современных браузеров, включая Chrome, Firefox и Safari. Однако уровень поддержки может варьироваться в зависимости от версии браузера и операционной системы. Проверяйте последние таблицы совместимости браузеров на сайтах, таких как MDN Web Docs, чтобы убедиться, что используемые вами функции поддерживаются в ваших целевых браузерах. Для кросс-браузерной совместимости рекомендуется использовать обнаружение функций (feature detection).

Распространенные ошибки и их устранение

Вот некоторые распространенные ошибки, которых следует избегать при работе с плоскостями VideoFrame:

• Неправильная компоновка (layout): Убедитесь, что массив layout точно описывает компоновку пиксельных данных в памяти. Неправильные смещения или шаги (strides) могут привести к повреждению изображений.
• Несоответствие форматов пикселей: Убедитесь, что формат пикселей, который вы указываете в методе copyTo, соответствует фактическому формату VideoFrame.
• Утечки памяти: Всегда закрывайте объекты VideoFrame и CanvasImageBitmap после завершения работы с ними, чтобы освободить базовые ресурсы. Несоблюдение этого правила может привести к утечкам памяти.
• Асинхронные операции: Помните, что copyTo — это асинхронная операция. Используйте await, чтобы убедиться, что операция копирования завершена, прежде чем вы получите доступ к пиксельным данным.
• Ограничения безопасности: Помните об ограничениях безопасности, которые могут применяться при доступе к пиксельным данным из видео с другого домена (cross-origin).

Пример: Конвертация YUV в RGB

Рассмотрим более сложный пример: преобразование VideoFrame в формате YUV420 в VideoFrame в формате RGB. Это включает чтение плоскостей Y, U и V, их преобразование в значения RGB, а затем создание нового VideoFrame в формате RGB.

Это преобразование можно реализовать с помощью следующей формулы:

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

Вот код:

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 }, // Плоскость Y
    { offset: yPlaneSize, stride: width / 2 }, // Плоскость U
    { offset: yPlaneSize + uvPlaneSize, stride: width / 2 } // Плоскость 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; // Альфа-канал
    }
  }

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

  videoFrame.close(); // Освобождаем исходный кадр
  return newFrame;
}

Этот пример демонстрирует мощь и сложность работы с плоскостями VideoFrame. Он требует хорошего понимания форматов пикселей, компоновки памяти и преобразований цветовых пространств.

Заключение

API для работы с плоскостями VideoFrame в WebCodecs открывает новый уровень контроля над обработкой видео в браузере. Понимая, как получать доступ и напрямую манипулировать пиксельными данными, вы можете создавать продвинутые приложения для видеоэффектов в реальном времени, компьютерного зрения, видеомонтажа и многого другого. Хотя работа с плоскостями VideoFrame может быть сложной, потенциальные выгоды значительны. По мере развития WebCodecs он, несомненно, станет незаменимым инструментом для веб-разработчиков, работающих с медиа.

Мы призываем вас экспериментировать с API плоскостей VideoFrame и исследовать его возможности. Понимая основополагающие принципы и применяя лучшие практики, вы можете создавать инновационные и производительные видеоприложения, которые расширяют границы возможного в браузере.

Дополнительные материалы

• MDN Web Docs о WebCodecs
• Спецификация WebCodecs
• Репозитории с примерами кода WebCodecs на GitHub.