探讨 Web Codecs API 如何在浏览器中进行高性能的音视频编码和解码，实现自定义流媒体处理。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

观众朋友们，掌声在哪里？欢迎来到今天的“Web Codecs API：让浏览器成为你的流媒体工作室”讲座！我是今天的讲师，江湖人称“代码老司机”。今天咱们就一起飙车，看看 Web Codecs API 到底有多野，能不能把你的浏览器变成一个高性能的音视频处理中心。

第一站：Web Codecs API 是个啥？

想象一下，你想要在浏览器里做一些高级的音视频操作：比如自定义的视频特效、实时直播的编码、或者高效的视频转码。以前，这几乎是不可能的，因为浏览器提供的 API 太有限了。

但是，Web Codecs API 来了！它可以让你直接访问浏览器底层的音视频编解码器。就像打开了潘多拉的魔盒，你可以对音视频数据进行精细的控制，实现各种骚操作。

简单来说，Web Codecs API 是一组 JavaScript API，允许你以低延迟和高性能的方式在 Web 应用程序中编码和解码音视频数据。告别笨重的插件，拥抱原生的力量！

第二站：核心概念：Codec、Frame 和 Chunk

在深入代码之前，我们需要了解几个核心的概念。它们是 Web Codecs API 的基石。

Codec (编解码器)： 就像音视频世界的翻译官，负责把原始数据编码成压缩格式，或者把压缩格式解码成原始数据。常见的 Codec 包括 H.264、VP9、AAC、Opus 等。
Frame (帧)： 视频是由一帧帧图像组成的，每一帧都是一个独立的图像。音频也可以看作是一帧帧声音数据组成的。
Chunk (块)： 音视频数据被分割成一个个的块进行处理，每个块包含一部分编码后的数据。

可以用一个表格来总结一下：

概念	描述	例子
Codec	负责编码和解码音视频数据的算法	H.264, VP9, AAC, Opus
Frame	音视频数据的基本单元，视频中的一帧图像或音频中的一小段声音	一张图片，0.033 秒的音频片段 (30fps视频)
Chunk	编码后的音视频数据块，用于传输和处理	一个包含 H.264 编码数据的包

第三站：编码：把你的想法变成视频

现在，让我们开始编码吧！首先，我们需要创建一个 VideoEncoder 对象。

const encoderConfig = {
  codec: 'avc1.42E01E', // H.264 Baseline Profile level 3.0
  width: 640,
  height: 480,
  bitrate: 1000000, // 1 Mbps
  framerate: 30,
  latencyMode: "realtime", // "quality" | "realtime"
};

let encoder;

try {
    encoder = new VideoEncoder({
      output: (chunk, metadata) => {
        // 处理编码后的数据块
        console.log('Encoded chunk', chunk, metadata);
      },
      error: (e) => {
        console.error('Encoding error', e);
      }
    });

    encoder.configure(encoderConfig);
    console.log("VideoEncoder 配置成功！");
} catch(e) {
    console.error("VideoEncoder 配置失败！", e);
}

这段代码做了这些事情：

定义了一个 encoderConfig 对象，指定了编码器的配置，包括：
- codec：使用的编码器，这里是 H.264 Baseline Profile。
- width 和 height：视频的宽高。
- bitrate：码率，控制视频的质量和大小。
- framerate：帧率，每秒钟显示的帧数。
- latencyMode：编码器延迟模式， "realtime" 更适合直播场景。
创建了一个 VideoEncoder 对象，并传入一个 output 回调函数和一个 error 回调函数。
- output 回调函数会在每次编码完成一个 chunk 后被调用，你可以在这里处理编码后的数据，比如发送到服务器。
- error 回调函数会在发生错误时被调用，你可以处理错误。
调用 encoder.configure() 方法，传入 encoderConfig 对象，配置编码器。

接下来，我们需要把原始的视频帧送到编码器。假设你已经有了一个 VideoFrame 对象，你可以这样编码：

// 假设 videoFrame 是一个 VideoFrame 对象
encoder.encode(videoFrame);
videoFrame.close(); // 释放资源

encoder.encode() 方法会把 videoFrame 对象编码成一个 chunk，并调用 output 回调函数。 videoFrame.close() 方法会释放 VideoFrame 对象占用的资源。 很重要！ 不释放资源会导致内存泄漏。

编码完成之后，你需要调用 encoder.flush() 方法，确保所有的数据都被编码完成。

await encoder.flush();

第四站：解码：把视频变回画面

解码的过程和编码类似，首先，我们需要创建一个 VideoDecoder 对象。

const decoderConfig = {
  codec: 'avc1.42E01E', // H.264 Baseline Profile level 3.0
  codedWidth: 640,
  codedHeight: 480,
  description: null, // SPS/PPS data
};

let decoder;

try {
    decoder = new VideoDecoder({
      output: (frame) => {
        // 处理解码后的帧
        console.log('Decoded frame', frame);
      },
      error: (e) => {
        console.error('Decoding error', e);
      }
    });

    decoder.configure(decoderConfig);
    console.log("VideoDecoder 配置成功！");
} catch(e) {
    console.error("VideoDecoder 配置失败！", e);
}

这段代码和编码器的代码很相似，主要区别在于：

decoderConfig 对象中的 codec、codedWidth 和 codedHeight 必须和编码器的配置一致。
output 回调函数接收的是一个 VideoFrame 对象，你可以把这个对象绘制到 canvas 上，或者进行其他的处理。
description 字段需要提供SPS/PPS数据，这部分数据是解码H.264视频流所必需的，它包含了视频的profile、level、分辨率等重要信息。通常，SPS/PPS数据会在视频流的头部或者关键帧中出现。

接下来，我们需要把编码后的数据块送到解码器。假设你已经有了一个 EncodedVideoChunk 对象，你可以这样解码：

// 假设 encodedChunk 是一个 EncodedVideoChunk 对象
decoder.decode(encodedChunk);

decoder.decode() 方法会把 encodedChunk 对象解码成一个 VideoFrame 对象，并调用 output 回调函数。

解码完成之后，你需要调用 decoder.flush() 方法，确保所有的数据都被解码完成。

await decoder.flush();

第五站：实战演练：WebRTC 视频流的编码和解码

现在，让我们来一个实战演练，看看如何使用 Web Codecs API 对 WebRTC 视频流进行编码和解码。

首先，我们需要获取 WebRTC 的视频流。

navigator.mediaDevices.getUserMedia({ video: true, audio: false })
  .then(stream => {
    const videoTrack = stream.getVideoTracks()[0];
    const videoStreamTrackProcessor = new MediaStreamTrackProcessor(videoTrack);
    const videoStreamTrackGenerator = new MediaStreamTrackGenerator({ kind: 'video' });

    // 获取读取器
    const reader = videoStreamTrackProcessor.readable.getReader();
    // 创建写入器
    const writer = videoStreamTrackGenerator.writable.getWriter();

    encodeLoop(reader, writer);

    // 将转换后的流设置为video标签的源
    const newStream = new MediaStream();
    newStream.addTrack(videoStreamTrackGenerator);

    const videoElement = document.getElementById("myVideo");
    videoElement.srcObject = newStream;
    videoElement.play();

  })
  .catch(err => {
    console.error("无法获取媒体流: ", err);
  });

这段代码做了这些事情：

使用 navigator.mediaDevices.getUserMedia() 方法获取用户的摄像头视频流。
从视频流中获取视频轨道。
创建 MediaStreamTrackProcessor 对象和 MediaStreamTrackGenerator对象。 MediaStreamTrackProcessor用于读取 MediaStreamTrack 中的帧， MediaStreamTrackGenerator 则可以向 MediaStreamTrack 写入帧。
调用 encodeLoop() 函数，开始编码循环。
将转换后的流设置为video标签的源，这样就可以看到编码后的视频了。

接下来，我们需要实现 encodeLoop() 函数，这个函数会不断地从视频流中读取帧，并把它们编码成 EncodedVideoChunk 对象，然后解码回 VideoFrame 对象。

async function encodeLoop(reader, writer) {
    let encoder;
    let decoder;

    try {
        encoder = new VideoEncoder({
          output: (chunk, metadata) => {
            // 处理编码后的数据块
            console.log('Encoded chunk', chunk, metadata);

            // 将编码后的数据写入到输出流
            writer.write({
                type: 'key-frame',
                timestamp: chunk.timestamp,
                duration: chunk.duration,
                data: chunk.data
            }).catch(e => {
                console.error("写入失败", e);
            });

          },
          error: (e) => {
            console.error('Encoding error', e);
          }
        });

        const encoderConfig = {
            codec: 'avc1.42E01E',
            width: 640,
            height: 480,
            bitrate: 1000000,
            framerate: 30,
            latencyMode: "realtime",
          };

        encoder.configure(encoderConfig);
        console.log("VideoEncoder 配置成功！");
    } catch(e) {
        console.error("VideoEncoder 配置失败！", e);
        reader.releaseLock();
        await writer.close();
        return;
    }

    try {
        decoder = new VideoDecoder({
          output: (frame) => {
            // 处理解码后的帧
            console.log('Decoded frame', frame);
            frame.close(); // 释放资源
          },
          error: (e) => {
            console.error('Decoding error', e);
          }
        });

        const decoderConfig = {
            codec: 'avc1.42E01E',
            codedWidth: 640,
            codedHeight: 480,
            description: null, // SPS/PPS data
          };

        decoder.configure(decoderConfig);
        console.log("VideoDecoder 配置成功！");
    } catch(e) {
        console.error("VideoDecoder 配置失败！", e);
        reader.releaseLock();
        await writer.close();
        return;
    }

    while (true) {
      try {
        const { done, value } = await reader.read();
        if (done) {
          console.log("视频流读取完成");
          break;
        }

        const videoFrame = value;

        encoder.encode(videoFrame);
        videoFrame.close(); // 释放资源

      } catch (e) {
        console.error("读取视频帧失败", e);
        break;
      }
    }

    // 刷新编码器和解码器
    await encoder.flush();
    await decoder.flush();

    reader.releaseLock();
    await writer.close();
  }

这段代码做了这些事情：

创建 VideoEncoder 和 VideoDecoder 对象，并配置它们。
在一个循环中，不断地从 reader 中读取 VideoFrame 对象。
把 VideoFrame 对象编码成 EncodedVideoChunk 对象，并发送到 writer。
把 EncodedVideoChunk 对象发送到 decoder 进行解码。

第六站：高级技巧：自定义 WebCodecs 控制器

除了基本的编码和解码， Web Codecs API 还提供了很多高级的功能，比如：

可伸缩的编码： 可以根据网络状况动态调整视频的质量。
感兴趣区域编码： 可以对视频中感兴趣的区域进行更高的质量编码。
错误恢复： 可以在网络丢包的情况下，尽可能地恢复视频质量。

这些高级功能需要你对 Web Codecs API 有更深入的了解，并编写更复杂的代码。

第七站：总结和展望

Web Codecs API 是一把锋利的宝剑，它可以让你在浏览器中进行高性能的音视频编码和解码，实现各种自定义的流媒体处理。虽然学习曲线有点陡峭，但是一旦掌握了它，你就可以创造出令人惊艳的 Web 应用。

未来，Web Codecs API 将会变得更加强大和易用，更多的浏览器会支持它，更多的开发者会使用它。我们可以期待，Web Codecs API 将会改变 Web 音视频开发的格局，让我们一起拥抱这个充满机遇的时代吧！

今天的讲座就到这里，谢谢大家的收听！希望大家能够学有所获，早日成为 Web Codecs API 的高手！如果大家还有什么问题，可以在评论区留言，我会尽力解答。记住，代码老司机永远在这里等你！拜拜！

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