Pipeline na vylepšenie VideoFrame pomocou WebCodecs: Viacstupňové spracovanie videa

WebCodecs prináša revolúciu do spôsobu, akým spracovávame médiá na webe. Poskytuje nízkoúrovňový prístup k video a audio kodekom, čím otvára možnosti pre tvorbu výkonných a sofistikovaných mediálnych aplikácií priamo v prehliadači. Jednou z najzaujímavejších aplikácií WebCodecs je budovanie vlastných pipeline na spracovanie videa v reálnom čase na vylepšovanie, filtrovanie a analýzu. Tento článok sa ponorí do tvorby viacstupňovej pipeline na spracovanie videa pomocou WebCodecs, pričom preskúma kľúčové koncepty, techniky a praktické aspekty.

Čo je VideoFrame?

V srdci WebCodecs leží objekt VideoFrame. Predstavte si ho ako plátno reprezentujúce jeden snímok video dát. Na rozdiel od tradičných video elementov, ktoré abstrahujú podkladové dáta, VideoFrame poskytuje priamy prístup k pixelovým dátam, čo umožňuje manipuláciu a spracovanie na granulárnej úrovni. Tento prístup je kľúčový pre budovanie vlastných pipeline na spracovanie videa.

Kľúčové vlastnosti objektu VideoFrame:

• Surové pixelové dáta: Obsahuje skutočné pixelové dáta v špecifickom formáte (napr. YUV, RGB).
• Metadáta: Zahŕňa informácie ako časová značka, kódovaná šírka, kódovaná výška, zobrazovaná šírka, zobrazovaná výška a farebný priestor.
• Prenosný: Môže byť efektívne prenesený medzi rôznymi časťami vašej aplikácie alebo dokonca do Web Workers na spracovanie mimo hlavného vlákna.
• Uzatvárateľný: Musí byť explicitne uzavretý na uvoľnenie zdrojov, aby sa predišlo únikom pamäte.

Budovanie viacstupňovej pipeline na spracovanie videa

Viacstupňová pipeline na spracovanie videa zahŕňa rozdelenie procesu vylepšovania videa do série odlišných krokov alebo stupňov. Každý stupeň vykonáva špecifickú transformáciu na VideoFrame, ako je aplikovanie filtra, úprava jasu alebo detekcia hrán. Výstup jedného stupňa sa stáva vstupom pre ďalší, čím sa vytvára reťazec operácií.

Tu je typická štruktúra pipeline na spracovanie videa:

1. Vstupný stupeň: Prijíma surové video dáta zo zdroja, ako je stream z kamery (getUserMedia), video súbor alebo vzdialený stream. Konvertuje tento vstup na objekty VideoFrame.
2. Spracovateľské stupne: Séria stupňov, ktoré vykonávajú špecifické transformácie videa. Môžu zahŕňať:
   • Korekcia farieb: Úprava jasu, kontrastu, sýtosti a odtieňa.
   • Filtrovanie: Aplikovanie rozmazania, zaostrenia alebo filtrov na detekciu hrán.
   • Efekty: Pridávanie vizuálnych efektov ako sépiový tón, odtiene sivej alebo inverzia farieb.
   • Analýza: Vykonávanie úloh počítačového videnia ako detekcia objektov alebo sledovanie pohybu.
3. Výstupný stupeň: Berie spracovaný VideoFrame a vykresľuje ho na displej (napr. element <canvas>) alebo ho kóduje na uloženie či prenos.

Príklad: Jednoduchá dvojstupňová pipeline (Konverzia na odtiene sivej a úprava jasu)

Ukážme si to na jednoduchom príklade zahŕňajúcom dva stupne: konverzia video snímku na odtiene sivej a následná úprava jasu.

Stupeň 1: Konverzia na odtiene sivej

Tento stupeň konvertuje farebný VideoFrame na odtiene sivej.

            async function toGrayscale(frame) {
  const width = frame.codedWidth;
  const height = frame.codedHeight;
  const bitmap = await createImageBitmap(frame);
  const canvas = new OffscreenCanvas(width, height);
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0);

  const imageData = ctx.getImageData(0, 0, width, height);
  const data = imageData.data;

  for (let i = 0; i < data.length; i += 4) {
    const avg = (data[i] + data[i + 1] + data[i + 2]) / 3;
    data[i] = avg;    // Red
    data[i + 1] = avg; // Green
    data[i + 2] = avg; // Blue
  }

  ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
  bitmap.close();
  frame.close();

  return new VideoFrame(canvas.transferToImageBitmap(), { timestamp: frame.timestamp });
}

            

              
                Copy
              
            
          

Stupeň 2: Úprava jasu

Tento stupeň upravuje jas VideoFrame v odtieňoch sivej.

            async function adjustBrightness(frame, brightness) {
  const width = frame.codedWidth;
  const height = frame.codedHeight;
  const bitmap = await createImageBitmap(frame);
  const canvas = new OffscreenCanvas(width, height);
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0);

  const imageData = ctx.getImageData(0, 0, width, height);
  const data = imageData.data;

  for (let i = 0; i < data.length; i += 4) {
    data[i] = Math.max(0, Math.min(255, data[i] + brightness));     // Red
    data[i + 1] = Math.max(0, Math.min(255, data[i + 1] + brightness)); // Green
    data[i + 2] = Math.max(0, Math.min(255, data[i + 2] + brightness)); // Blue
  }

  ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
  bitmap.close();
  frame.close();

  return new VideoFrame(canvas.transferToImageBitmap(), { timestamp: frame.timestamp });
}

            

              
                Copy
              
            
          

Integrácia pipeline

Kompletná pipeline by zahŕňala načítanie video snímku, jeho prechod cez konverziu na odtiene sivej, potom cez úpravu jasu a nakoniec jeho vykreslenie na plátno.

            async function processVideoFrame(frame) {
  let grayscaleFrame = await toGrayscale(frame);
  let brightenedFrame = await adjustBrightness(grayscaleFrame, 50); // Example brightness adjustment

  // Render the brightenedFrame to the canvas
  renderFrameToCanvas(brightenedFrame);

  brightenedFrame.close();
}

            

              
                Copy
              
            
          

Dôležité: Nezabudnite vždy zavolať close() na vašich objektoch VideoFrame a ImageBitmap, aby ste predišli únikom pamäte!

Kľúčové aspekty pri budovaní pipeline s WebCodecs

Budovanie efektívnych a robustných pipeline s WebCodecs si vyžaduje starostlivé zváženie niekoľkých faktorov:

1. Optimalizácia výkonu

Spracovanie videa môže byť výpočtovo náročné. Tu sú niektoré optimalizačné techniky:

• Spracovanie mimo hlavného vlákna: Použite Web Workers na presunutie výpočtovo náročných úloh mimo hlavného vlákna, čím zabránite blokovaniu UI.
• Správa pamäte: Starostlivo spravujte pamäť zatváraním objektov VideoFrame a ImageBitmap hneď po použití. Vyhnite sa zbytočnému vytváraniu objektov.
• Výber algoritmov: Vyberajte efektívne algoritmy pre úlohy spracovania videa. Napríklad, použitie vyhľadávacích tabuliek pre farebné transformácie môže byť rýchlejšie ako výpočty pixel po pixeli.
• Vektorizácia (SIMD): Preskúmajte použitie inštrukcií SIMD (Single Instruction, Multiple Data) na paralelizáciu výpočtov na viacerých pixeloch súčasne. Niektoré JavaScript knižnice poskytujú SIMD schopnosti.
• Optimalizácia Canvas: Zvážte použitie OffscreenCanvas na vykresľovanie, aby ste sa vyhli blokovaniu hlavného vlákna. Optimalizujte operácie kreslenia na plátno.

2. Spracovanie chýb

Implementujte robustné spracovanie chýb na elegantné zvládnutie potenciálnych problémov, ako sú chyby kodekov, neplatné vstupné dáta alebo vyčerpanie zdrojov.

• Bloky Try-Catch: Použite bloky try...catch na zachytenie výnimiek, ktoré sa môžu vyskytnúť počas spracovania videa.
• Spracovanie zamietnutia Promise: Správne spracujte zamietnutia promise v asynchrónnych operáciách.
• Podpora kodekov: Skontrolujte podporu kodekov pred pokusom o dekódovanie alebo kódovanie videa.

3. Výber kodeku

Výber kodeku závisí od faktorov ako požadovaná kvalita videa, kompresný pomer a kompatibilita prehliadačov. WebCodecs podporuje rôzne kodeky, vrátane VP8, VP9 a AV1.

• Kompatibilita prehliadačov: Uistite sa, že vybraný kodek je podporovaný cieľovými prehliadačmi.
• Výkon: Rôzne kodeky majú rôzne výkonnostné charakteristiky. Experimentujte, aby ste našli najlepší kodek pre vašu aplikáciu.
• Kvalita: Pri výbere kodeku zvážte požadovanú kvalitu videa. Kodeky s vyššou kvalitou zvyčajne vyžadujú viac výpočtového výkonu.
• Licencovanie: Buďte si vedomí licenčných dôsledkov rôznych kodekov.

4. Snímková frekvencia a časovanie

Udržiavanie konzistentnej snímkovej frekvencie je kľúčové pre plynulé prehrávanie videa. WebCodecs poskytuje mechanizmy na kontrolu snímkovej frekvencie a časovania spracovania videa.

• Časové značky: Použite vlastnosť timestamp objektu VideoFrame na synchronizáciu spracovania videa s video streamom.
• RequestAnimationFrame: Použite requestAnimationFrame na plánovanie aktualizácií vykresľovania pri optimálnej snímkovej frekvencii pre prehliadač.
• Vynechávanie snímkov: Implementujte stratégie na vynechávanie snímkov, ak pipeline spracovania nedokáže držať krok s prichádzajúcou snímkovou frekvenciou.

5. Internacionalizácia a lokalizácia

Pri tvorbe video aplikácií pre globálne publikum zvážte nasledujúce:

• Jazyková podpora: Poskytnite podporu pre viacero jazykov v používateľskom rozhraní.
• Formáty dátumu a času: Používajte vhodné formáty dátumu a času pre lokálne nastavenia používateľa.
• Kultúrna citlivosť: Buďte si vedomí kultúrnych rozdielov pri navrhovaní používateľského rozhrania a obsahu.

6. Prístupnosť

Zabezpečte, aby boli vaše video aplikácie prístupné pre používateľov so zdravotným postihnutím.

• Titulky a skryté titulky: Poskytnite titulky a skryté titulky pre videá.
• Zvukové popisy: Poskytnite zvukové popisy pre videá, ktoré opisujú vizuálny obsah.
• Navigácia klávesnicou: Zabezpečte, aby sa aplikácia dala ovládať pomocou klávesnice.
• Kompatibilita s čítačkami obrazovky: Zabezpečte, aby bola aplikácia kompatibilná s čítačkami obrazovky.

Aplikácie v reálnom svete

Pipeline na spracovanie videa založené na WebCodecs majú širokú škálu aplikácií:

• Videokonferencie: Vylepšenie videa v reálnom čase, rozmazanie pozadia a redukcia šumu. Predstavte si videokonferenčný systém, ktorý automaticky upravuje osvetlenie a aplikuje jemné rozmazanie na pozadie, čím zlepšuje vzhľad používateľa a minimalizuje rušivé vplyvy.
• Strih videa: Tvorba vlastných video efektov a filtrov vo webových editoroch videa. Napríklad, webový editor by mohol ponúkať pokročilé nástroje na úpravu farieb poháňané WebCodecs, ktoré by používateľom umožnili doladiť vzhľad a dojem z ich videí priamo v prehliadači.
• Živé vysielanie: Pridávanie efektov a prekrytí v reálnom čase do živých video streamov. Predstavte si platformy pre živé vysielanie, ktoré umožňujú používateľom pridávať dynamické filtre, animované prekrytia alebo dokonca interaktívne prvky do svojich vysielaní v reálnom čase.
• Počítačové videnie: Vykonávanie detekcie objektov v reálnom čase, rozpoznávanie tvárí a ďalšie úlohy počítačového videnia v prehliadači. Zvážte bezpečnostnú aplikáciu, ktorá používa WebCodecs na analýzu video streamov z bezpečnostných kamier a detekciu podozrivej aktivity v reálnom čase.
• Rozšírená realita (AR): Integrácia video streamov s AR prekrytiami a efektmi. Predstavte si webovú AR aplikáciu, ktorá používa WebCodecs na zachytenie videa z kamery používateľa a prekrytie virtuálnych objektov na scénu v reálnom čase.
• Nástroje pre vzdialenú spoluprácu: Zlepšenie kvality videa v prostrediach s nízkou šírkou pásma pomocou techník ako super-rozlíšenie. To je obzvlášť užitočné pre globálne tímy spolupracujúce v oblastiach s obmedzenou internetovou infraštruktúrou.

Príklady z celého sveta

Pozrime sa na niekoľko potenciálnych príkladov, ako by sa mohli pipeline na vylepšenie videa pomocou WebCodecs využiť v rôznych regiónoch:

• Ázia: Telemedicínska platforma vo vidieckej oblasti s obmedzenou šírkou pásma by mohla použiť WebCodecs na optimalizáciu kvality videa pre vzdialené konzultácie, čím by sa zabezpečila jasná komunikácia medzi lekármi a pacientmi. Pipeline by mohla uprednostniť podstatné detaily a zároveň minimalizovať spotrebu šírky pásma.
• Afrika: Vzdelávacia platforma by mohla použiť WebCodecs na poskytovanie interaktívnych video lekcií s prekladom jazyka v reálnom čase a anotáciami na obrazovke, čím by sa učenie stalo prístupnejším pre študentov v rôznych jazykových komunitách. Video pipeline by mohla dynamicky prispôsobovať titulky na základe jazykových preferencií používateľa.
• Európa: Múzeum by mohlo použiť WebCodecs na vytvorenie interaktívnych exponátov s prvkami rozšírenej reality, čo by návštevníkom umožnilo preskúmať historické artefakty a prostredia pútavejším spôsobom. Návštevníci by mohli použiť svoje smartfóny na skenovanie artefaktov a spúšťanie AR prekrytí, ktoré poskytujú dodatočné informácie a kontext.
• Severná Amerika: Spoločnosť by mohla použiť WebCodecs na vývoj inkluzívnejšej videokonferenčnej platformy, ktorá by ponúkala funkcie ako automatizované tlmočenie posunkovej reči a prepis v reálnom čase pre nepočujúcich a nedoslýchavých používateľov.
• Južná Amerika: Farmári by mohli používať drony vybavené video analýzou poháňanou WebCodecs na monitorovanie zdravia plodín a detekciu škodcov v reálnom čase, čo by umožnilo efektívnejšie a udržateľnejšie poľnohospodárske postupy. Systém by mohol identifikovať oblasti s nedostatkom živín alebo napadnutím škodcami a upozorniť farmárov na prijatie nápravných opatrení.

Záver

WebCodecs odomyká novú éru možností pre webové spracovanie médií. Využitím sily VideoFrame a budovaním viacstupňových pipeline na spracovanie môžu vývojári vytvárať sofistikované video aplikácie, ktoré bolo predtým nemožné dosiahnuť v prehliadači. Aj keď existujú výzvy súvisiace s optimalizáciou výkonu a podporou kodekov, potenciálne výhody v oblasti flexibility, prístupnosti a spracovania v reálnom čase sú obrovské. Ako sa WebCodecs naďalej vyvíja a získava širšie uplatnenie, môžeme očakávať, že sa objavia ešte inovatívnejšie a vplyvnejšie aplikácie, ktoré zmenia spôsob, akým interagujeme s videom na webe.

Ďalšie zdroje

• Dokumentácia WebCodecs API
• Ukážky WebCodecs na GitHub
• Článok o WebCodecs na Web.dev