Odklepanje spletne zmogljivosti: Strojno pospeševanje WebCodecs za obdelavo medijev z grafično kartico (GPU)

Sodobni splet je vse bolj vizualna in zvočna izkušnja. Od poglobljenih videokonferenc do interaktivnega ustvarjanja vsebin in brezhibnih storitev pretakanja – povpraševanje po visokokakovostni obdelavi medijev v realnem času neposredno v brskalniku še nikoli ni bilo večje. Tradicionalno je bila to naloga, ki je močno obremenjevala procesor (CPU), kar je pogosto vodilo do ozkih grl v zmogljivosti, povečane porabe baterije in manj kot idealne uporabniške izkušnje, zlasti na mobilnih napravah. Vendar pa je v teku revolucionarna sprememba, ki jo poganjata združevanje spletnih standardov in vsesplošna dostopnost zmogljivih grafičnih procesnih enot (GPU). Vstopite v svet WebCodecs in njegovega globokega vpliva na izkoriščanje strojnega pospeševanja z GPU za obdelavo medijev.

Razvijajoča se pokrajina spletnih medijev

Splet se je leta zanašal na standardizirane medijske formate in zmožnosti dekodiranja, vgrajene v brskalnike. Čeprav so bile te metode učinkovite za osnovno predvajanje, jim je pogosto primanjkovalo prožnosti in zmogljivosti, potrebnih za naprednejše primere uporabe. Razvijalci so imeli omejen nadzor nad procesi kodiranja in dekodiranja, kar jih je sililo, da so se zanašali na strežniško obdelavo ali obsežne vtičnike, ki so povzročali zakasnitve in kompleksnost. Pojav JavaScript API-jev za manipulacijo medijev, čeprav zmogljiv, je pogosto pomenil prenašanje nalog nazaj na procesor, ki lahko hitro postane ozko grlo zmogljivosti.

Omejitve so postale posebej očitne pri:

• Videokonference v realnem času: Kodiranje in dekodiranje videa visoke ločljivosti za več udeležencev hkrati.
• Aplikacije za pretakanje v živo: Učinkovita obdelava in prenos video virov brez izpuščenih sličic ali znatne zakasnitve.
• Urejanje in obdelava videa: Izvajanje kompleksnih operacij, kot so prekodiranje, uporaba filtrov in upodabljanje učinkov neposredno v brskalniku.
• Interaktivne medijske izkušnje: Ustvarjanje in obdelava vizualnih ali zvočnih učinkov v realnem času kot odziv na interakcije uporabnikov.

Odgovor na te izzive leži v izkoriščanju moči vzporedne obdelave grafične kartice. Grafične kartice so zasnovane od temeljev za obravnavo ogromnega števila vzporednih operacij, zaradi česar so izjemno primerne za računsko intenzivne naloge, vključene v kodiranje in dekodiranje videa ter zvoka.

Predstavljamo WebCodecs: Nova doba za medije v brskalniku

WebCodecs je nabor novih, zmogljivih spletnih API-jev, ki omogočajo nizkonivojski dostop do medijskih kodekov, ki jih brskalniki uporabljajo za dekodiranje in kodiranje zvoka ter videa. Za razliko od prejšnjih API-jev, WebCodecs te funkcionalnosti izpostavlja na način, ki razvijalcem omogoča nadzor in prožnost brez primere. Ta nadzor je ključen za odklepanje strojnega pospeševanja.

V svojem jedru WebCodecs zagotavlja API-je za:

• VideoDecoder: Dekodira stisnjene video sličice v surove, nestisnjene video sličice.
• VideoEncoder: Kodira surove, nestisnjene video sličice v stisnjene video sličice.
• AudioDecoder: Dekodira stisnjene zvočne okvire v surove zvočne vzorce.
• AudioEncoder: Kodira surove zvočne vzorce v stisnjene zvočne okvire.
• Podpora za kodeke: Določa podprte kodeke (npr. H.264, VP9, AV1 za video; AAC, Opus za zvok) in njihove konfiguracije.

Kar dela WebCodecs resnično preoblikovalen, je njegova sposobnost sodelovanja z medijskimi ogrodji operacijskega sistema, ki so strojno pospešena. Ob pravilni implementaciji lahko brskalniki računsko zahtevne naloge kodiranja in dekodiranja prenesejo na grafično kartico, s čimer zaobidejo procesor in znatno povečajo zmogljivost.

Moč strojnega pospeševanja z grafično kartico (GPU)

Strojno pospeševanje z GPU se nanaša na proces uporabe grafične procesne enote računalnika za izvajanje nalog, ki jih tradicionalno opravlja centralna procesna enota (CPU). Za obdelavo medijev to pomeni prenos kompleksnih matematičnih operacij, vključenih v:

• Dekodiranje videa: Pretvarjanje stisnjenih video tokov (kot sta H.264 ali VP9) v surove slikovne podatke, ki jih je mogoče prikazati na zaslonu.
• Kodiranje videa: Pretvarjanje surovih slikovnih podatkov v stisnjene video tokove za prenos ali shranjevanje.
• Dekodiranje zvoka: Pretvarjanje stisnjenih zvočnih tokov (kot sta AAC ali Opus) v surove zvočne vzorce za predvajanje.
• Kodiranje zvoka: Pretvarjanje surovih zvočnih vzorcev v stisnjene zvočne tokove.

Grafične kartice s tisočimi majhnimi procesorskimi jedri so pri teh vzporednih nalogah veliko učinkovitejše od procesorjev. Z izkoriščanjem strojnega pospeševanja lahko aplikacije dosežejo:

• Bistveno izboljšana zmogljivost: Hitrejši časi kodiranja/dekodiranja, bolj tekoče predvajanje in manj izpuščenih sličic.
• Zmanjšana poraba procesorja: Sprosti procesor za druge naloge, kar vodi do bolj odzivne aplikacije in sistema na splošno.
• Nižja poraba energije: Še posebej pomembno za mobilne in baterijsko napajane naprave, saj so grafične kartice pri teh specifičnih obremenitvah energetsko učinkovitejše.
• Višja kakovost izhoda: Dostop do naprednih kodekov in funkcij, ki bi bile lahko prezahtevne za obdelavo s procesorjem.

Povezovanje WebCodecs in pospeševanja GPU

Čarovnija se zgodi, ko so API-ji WebCodecs v brskalnikih implementirani na način, ki pametno usmerja naloge obdelave medijev na grafično kartico. To običajno vključuje:

1. Implementacija v brskalniku: Brskalniki, ki podpirajo WebCodecs, so zgrajeni za povezovanje z medijskimi ogrodji operacijskega sistema (npr. MediaCodec na Androidu, AVFoundation na macOS/iOS, Media Foundation na Windows). Ta ogrodja nato abstrahirajo osnovne zmožnosti strojne opreme.
2. Izbira kodeka: Razvijalci določijo želeni kodek in njegovo konfiguracijo prek API-jev WebCodecs. Brskalnik nato poskuša najti strojno pospešen dekoder ali kodirnik za ta specifični kodek.
3. Prenos podatkov: Surove video sličice se lahko učinkovito prenašajo med pomnilnikom JavaScripta in pomnilnikom grafične kartice z uporabo mehanizmov, kot so objekti VideoFrame in API WebGPU ali prek tekstur WebGL. Podobno se stisnjeni podatki obravnavajo kot objekti EncodedChunk.
4. Nizkonivojski nadzor: WebCodecs omogoča razvijalcem upravljanje toka podatkovnih kosov (kodiranih ali dekodiranih) in konfiguriranje parametrov kodeka, kar jim daje natančen nadzor nad medijskim cevovodom.

Kako deluje pod pokrovom (konceptualno)

Predstavljajte si spletno aplikacijo, ki mora kodirati video tok za nalaganje. Brez strojnega pospeševanja bi koda JavaScript zajela sličice, jih morda pretvorila v format, ki ga procesor razume, in jih nato poslala v knjižnico za kodiranje, ki temelji na procesorju. Procesor obdela podatke, jih stisne, in dobljeni kodirani podatki se nato pošljejo nazaj v kontekst JavaScripta.

Z WebCodecs in pospeševanjem GPU:

1. Spletna aplikacija zajame surove video sličice (npr. iz getUserMedia ali platna). Te sličice so predstavljene kot objekti VideoFrame.
2. Aplikacija naroči VideoEncoder (prek WebCodecs), da kodira te sličice z uporabo določenega kodeka (npr. VP9).
3. Brskalnik, ki prepozna zahtevo za pospešen kodek, posreduje surove podatke sličic (verjetno že v formatu, prijaznem za GPU, ali enostavno pretvorljivem) medijskemu ogrodju operacijskega sistema.
4. Ogrodje OS usmeri nalogo na namensko strojno opremo za kodiranje videa na grafični kartici. Ta strojna oprema izvaja kompleksne algoritme stiskanja veliko hitreje in učinkoviteje kot procesor.
5. Grafična kartica vrne stisnjene podatke (kot objekt EncodedChunk) nazaj v brskalnik, ki jih nato da na voljo aplikaciji JavaScript za nadaljnjo obdelavo ali prenos.

Enak princip velja za dekodiranje, kjer se stisnjeni podatki posredujejo strojni opremi dekoderja na grafični kartici, da se proizvedejo surove sličice, ki jih je mogoče upodobiti.

Ključne prednosti WebCodecs s pospeševanjem GPU

Sinergija med WebCodecs in pospeševanjem GPU prinaša številne prednosti za spletni razvoj:

1. Izboljšana zmogljivost in odzivnost

To je morda najpomembnejša prednost. Naloge, ki so prej zahtevale veliko časa in virov procesorja, se lahko zdaj opravijo v delčku časa. Za interaktivne aplikacije to pomeni:

• Bolj tekoče predvajanje videa: Še posebej pri vsebini visoke ločljivosti ali z visoko hitrostjo sličic.
• Zmanjšana zakasnitev v aplikacijah v realnem času: Ključno za videokonference, oddajanje v živo in interaktivno igranje.
• Hitrejša obdelava videa: Omogočanje funkcij, kot so video filtri v realnem času, učinki in pretvorbe formatov znotraj brskalnika.

2. Zmanjšana obremenitev procesorja in poraba energije

Prenos težkih nalog na grafično kartico dramatično zmanjša obremenitev procesorja. To vodi do:

• Bolj odzivni uporabniški vmesniki: Brskalnik in druge aplikacije na napravi ostanejo hitri.
• Podaljšana življenjska doba baterije za mobilne naprave: Grafične kartice so pogosto energetsko učinkovitejše za visoko vzporedne naloge, kot je kodiranje/dekodiranje medijev.
• Manjše sproščanje toplote: Zmanjšanje potrebe po agresivnem hlajenju in prispevek k tišji uporabniški izkušnji.

3. Večja prožnost in nadzor

WebCodecs razvijalcem omogoča nizkonivojski dostop, kar omogoča:

• Podpora za širši nabor kodekov: Vključno s sodobnimi, učinkovitimi kodeki, kot sta AV1 in Opus.
• Natančen nadzor nad parametri kodiranja: Omogočanje optimizacije za specifične primere uporabe (npr. dajanje prednosti bitni hitrosti, zakasnitvi ali vizualni kakovosti).
• Prilagojeni medijski cevovodi: Razvijalci lahko zgradijo kompleksne delovne tokove, kot je uporaba filtrov, pospešenih z GPU, pred kodiranjem ali dekodiranjem.
• Integracija z WebAssembly: Združevanje WebCodecs z WebAssembly omogoča visoko optimizirano, prilagojeno logiko obdelave medijev, ki lahko še vedno koristi strojno pospeševanje z učinkovitim ravnanjem s podatki.

4. Omogočanje novih spletnih aplikacij

Povečanje zmogljivosti in prožnost, ki ju ponujata WebCodecs in pospeševanje GPU, utirata pot popolnoma novim razredom spletnih aplikacij, ki so bile prej nepraktične ali nemogoče:

• Urejevalniki videa v brskalniku: S funkcijami, ki konkurirajo namiznim aplikacijam.
• Napredne izkušnje navidezne in razširjene resničnosti: Ki zahtevajo dekodiranje in kodiranje kompleksnih vizualnih podatkov v realnem času.
• Interaktivne platforme za pretakanje v živo: Ki gledalcem omogočajo manipulacijo s tokovi ali sodelovanje v realnem času.
• Visokozmogljivo pretakanje iger: Zagotavljanje interaktivnih igralnih izkušenj prek brskalnika.

Praktični primeri uporabe in primeri

Poglejmo si nekaj konkretnih primerov, kako se uporabljata WebCodecs in pospeševanje GPU:

1. Videokonference v realnem času (npr. Jitsi Meet, Whereby)

Platforme, kot je Jitsi Meet, so zgodnji uporabniki, ki uporabljajo WebCodecs za izboljšanje kakovosti in učinkovitosti video klicev. Z omogočanjem strojnega kodiranja in dekodiranja lahko:

• Podpirajo več udeležencev v klicu z višjo kakovostjo videa.
• Zmanjšajo obremenitev obdelave na uporabniških napravah, kar izboljša življenjsko dobo baterije in odzivnost.
• Ponudijo funkcije, kot je deljenje zaslona, z boljšo zmogljivostjo.

2. Pretakanje v živo in oddajanje

Za streamerje in ustvarjalce vsebin je učinkovito kodiranje ključnega pomena. WebCodecs omogoča spletnim orodjem za pretakanje, da:

• Kodirajo video v realnem času z uporabo sodobnih kodekov, kot je AV1, za boljše stiskanje in kakovost pri nižjih bitnih hitrostih.
• Uporabijo filtre in prekrivne elemente, pospešene z GPU, neposredno v brskalniku pred pretakanjem.
• Ohranjajo stabilno hitrost sličic, tudi ko je procesor močno obremenjen z drugimi aplikacijami.

3. Spletni urejevalniki videa (npr. Clipchamp)

Podjetja, kot je Microsoftov Clipchamp, so pokazala moč urejanja videa v brskalniku. WebCodecs je ključen pri:

• Omogočanju hitrega prekodiranja videa in upodabljanja učinkov brez zapuščanja brskalnika.
• Omogočanju uporabnikom učinkovitega uvoza in izvoza različnih video formatov.
• Zagotavljanju tekoče izkušnje urejanja, ki je blizu izkušnji z izvornimi aplikacijami.

4. Interaktivne vizualizacije in ustvarjalna orodja

Za spletne razvijalce, ki gradijo dinamične vizualne izkušnje:

• WebCodecs se lahko uporablja za zajemanje in kodiranje grafike v realnem času, upodobljene prek WebGL ali WebGPU, kar omogoča visokokakovosten video izhod dinamičnih prizorov.
• Lahko se uporablja za učinkovito dekodiranje video vsebin, ki se nato obdelujejo na platnu ali teksturirajo v 3D okolju.

5. Medijski strežniki in storitve prekodiranja

Čeprav so tradicionalno strežniške, so načela učinkovite obdelave medijev zdaj dostopna tudi na odjemalcu. WebCodecs je lahko del odjemalskih orodij za:

• Prekodiranje videoposnetkov, ki jih naložijo uporabniki, na strani odjemalca, preden se pošljejo na strežnik, kar lahko zmanjša stroške strežnika.
• Pred-obdelavo medijskih sredstev lokalno za njihovo optimizacijo za spletno dostavo.

Izzivi in premisleki

Kljub ogromnemu potencialu prinaša sprejetje WebCodecs in pospeševanja GPU tudi lasten nabor izzivov:

1. Podpora brskalnikov in strojne opreme

Raven podpore za WebCodecs in, kar je ključno, za strojno pospešene kodeke se razlikuje med brskalniki in operacijskimi sistemi. Razvijalci morajo:

• Preveriti podporo za funkcije: Implementirati nadomestne mehanizme za brskalnike ali naprave, ki ne podpirajo v celoti želenega kodeka ali strojnega pospeševanja.
• Razumeti implementacije ponudnikov: Različni ponudniki brskalnikov (Chrome, Firefox, Safari, Edge) implementirajo WebCodecs in pospeševanje GPU različno, z različnimi ravnmi podpore za kodeke in značilnostmi delovanja.
• Raznolikost naprav: Tudi na podprtih platformah se lahko zmogljivost pospeševanja GPU bistveno razlikuje glede na specifično strojno opremo GPU, gonilnike in zmožnosti naprave (npr. mobilna naprava v primerjavi z namizno).

2. Kompleksnost implementacije

WebCodecs je nizkonivojski API in delo z njim zahteva globlje razumevanje konceptov obdelave medijev:

• Konfiguracija kodeka: Pravilno konfiguriranje kodekov (npr. nastavitev ključnih sličic, bitne hitrosti, profila) je lahko kompleksno.
• Upravljanje s podatki: Učinkovito upravljanje z objekti EncodedChunk in VideoFrame/AudioData, zlasti v scenarijih v realnem času, zahteva skrbno ravnanje s pomnilnikom in pretokom podatkov.
• Obravnavanje napak: Robustno obravnavanje napak pri kodiranju/dekodiranju je bistveno.

3. Varnost in dovoljenja

Dostop do strojnih kodirnikov/dekoderjev zahteva skrbno upravljanje z dovoljenji in upoštevanje morebitnih varnostnih vidikov. Brskalniki te operacije izvajajo v peskovniku, da preprečijo zlonamerno uporabo.

4. Odpravljanje napak

Odpravljanje napak v nizkonivojskih medijskih cevovodih, ki komunicirajo s strojno opremo, je lahko bolj zahtevno kot odpravljanje napak v čistem JavaScriptu. Razumevanje, kdaj so podatki na procesorju in kdaj na grafični kartici, ter diagnosticiranje težav znotraj plasti strojnega pospeševanja zahteva specializirana orodja in znanje.

Kako začeti z WebCodecs in pospeševanjem GPU

Za razvijalce, ki želijo izkoristiti to tehnologijo, je tu načrt:

1. Določite svoj primer uporabe

Ugotovite, ali vaša aplikacija resnično potrebuje strojno pospešeno obdelavo medijev. Gre za video v realnem času, kodiranje velikih količin podatkov ali računsko intenzivno obdelavo?

2. Preverite podporo brskalnikov

Uporabite vire, kot sta caniuse.com in MDN Web Docs, da preverite trenutno stanje podpore za API-je WebCodecs in specifične strojno pospešene kodeke v ciljnih brskalnikih.

3. Eksperimentirajte s preprostimi primeri

Začnite z osnovnimi primeri:

• Zajemanje in dekodiranje: Uporabite getUserMedia za zajem videa, ustvarite VideoDecoder in dekodirajte sličice. Nato te dekodirane sličice upodobite na platnu ali v HTML video elementu.
• Kodiranje in predvajanje: Zajamite video sličice, ustvarite VideoEncoder, kodirajte sličice in nato predvajajte kodiran tok z uporabo VideoDecoder.

Osredotočite se na razumevanje življenjskega cikla objektov EncodedChunk in VideoFrame.

4. Integrirajte z WebAssembly

Za kompleksno logiko ali ponovno uporabo obstoječih C/C++ medijskih knjižnic razmislite o njihovi kompilaciji v WebAssembly. To vam omogoča izvajanje sofisticiranih operacij na dekodiranih sličicah pred ponovnim kodiranjem, pri čemer še vedno izkoriščate osnovno strojno pospeševanje za korake kodiranja/dekodiranja.

5. Implementirajte nadomestne rešitve

Vedno zagotovite elegantne nadomestne rešitve. Če strojno pospeševanje ni na voljo za določen kodek ali na določeni napravi, bi morala vaša aplikacija idealno še vedno delovati z uporabo programske obdelave (čeprav morda z zmanjšano kakovostjo ali zmogljivostjo).

6. Spremljajte zmogljivost

Uporabite orodja za profiliranje zmogljivosti v brskalniku, da ugotovite, kje so ozka grla, in preverite, ali se strojno pospeševanje dejansko učinkovito uporablja.

Prihodnost spletne obdelave medijev

WebCodecs in strojno pospeševanje GPU predstavljata temeljit premik v tem, kar je mogoče na spletu. Ker ponudniki brskalnikov nadaljujejo z izpopolnjevanjem svojih implementacij in širjenjem podpore za kodeke, lahko pričakujemo:

• Vsesplošen visokokakovosten video: Brezhibno pretakanje in interaktivne video izkušnje na vseh napravah.
• Demokratizacija ustvarjanja medijev: Zmogljiva orodja za urejanje in ustvarjanje videa postajajo dostopna vsem prek brskalnika.
• Nove interaktivne izkušnje: Spodbujanje inovacij na področjih, kot so AR/VR, igre in orodja za sodelovanje v realnem času.
• Izboljšana učinkovitost: Kar vodi do bolj trajnostnih in zmogljivih spletnih aplikacij, zlasti na mobilnih napravah.

Sposobnost učinkovite obdelave medijev na strani odjemalca, z izkoriščanjem moči grafične kartice, ni več nišna zahteva, temveč temelj sodobnih, privlačnih spletnih izkušenj. WebCodecs je ključ, ki odpira ta potencial in uvaja obdobje, v katerem je brskalnik resnično zmogljiva platforma za kompleksno obdelavo medijev in interakcijo v realnem času.

Zaključek

Strojno pospeševanje WebCodecs na odjemalcu za obdelavo medijev z grafično kartico je prelomnica za spletne razvijalce. S prenosom računsko intenzivnih nalog kodiranja in dekodiranja videa ter zvoka s procesorja na grafično kartico lahko aplikacije dosežejo raven zmogljivosti, učinkovitosti in odzivnosti brez primere. Čeprav izzivi, povezani s podporo brskalnikov in kompleksnostjo implementacije, ostajajo, je smer jasna: splet postaja velesila za bogate medijske izkušnje v realnem času. Sprejetje WebCodecs je bistveno za gradnjo naslednje generacije visoko zmogljivih, privlačnih spletnih aplikacij, ki izpolnjujejo naraščajoče zahteve današnjih uporabnikov.