JavaScript内核与高级编程之：`Web Codecs API`：其在视频和音频编解码中的应用。

各位靓仔靓女，大家好！今天咱们聊点新鲜又实用玩意儿——Web Codecs API。这玩意儿可不是啥高不可攀的黑科技，它能让你在浏览器里玩转音视频编解码，想想是不是有点小激动？

咱们今天的讲座，就围绕着这几个方面展开，保证让你听得懂、学得会、用得上：

1. 啥是Web Codecs API？ 先来认识一下这位新朋友，看看它到底能干啥。
2. 核心概念： 编解码器、帧、块… 这些术语别怕，咱们一个个掰开了揉碎了讲。
3. 音频编码实战： 从麦克风采集音频，然后用Web Codecs API把它变成AAC格式。
4. 视频解码探秘： 解码一段H.264视频，然后把它显示在<canvas>上。
5. 高级应用： 实时流处理、转码… 看看Web Codecs API还能玩出哪些花样。
6. 兼容性与性能： 聊聊这玩意儿的优缺点，以及如何优化性能。

1. 啥是Web Codecs API？

简单来说，Web Codecs API 就是浏览器提供的一套接口，让你可以直接在 JavaScript 中访问底层的音视频编解码器。以前，音视频处理主要靠浏览器自带的解码器，或者 Flash 这样的插件。现在有了 Web Codecs API，你就可以自己控制编解码过程，实现更灵活、更强大的功能。

你可以把它想象成一个万能的音视频工具箱，里面有各种各样的工具，比如：

• VideoEncoder/AudioEncoder: 用于将原始的视频/音频帧编码成特定的格式（如 H.264, VP9, AAC, Opus）。
• VideoDecoder/AudioDecoder: 用于将编码后的视频/音频数据解码成原始的帧。
• EncodedVideoChunk/EncodedAudioChunk: 封装了编码后的视频/音频数据块。
• VideoFrame/AudioFrame: 封装了原始的视频/音频帧。

有了这些工具，你就可以像搭积木一样，构建出各种各样的音视频应用。

2. 核心概念：

在深入代码之前，咱们先来搞清楚几个核心概念。别担心，我会尽量用大白话来解释。

• Codec (编解码器): 负责编码和解码的算法。常见的视频 codec 有 H.264, VP9, AV1，音频 codec 有 AAC, Opus, MP3。
• Frame (帧): 视频和音频的基本单位。视频帧就是一张图片，音频帧就是一小段声音。
• Chunk (块): 编码后的数据块。一个 Chunk 可能包含一个或多个 Frame。
• Key Frame (关键帧): 视频中一种特殊的帧，它包含了完整的图像信息，可以独立解码。其他帧则依赖于关键帧才能解码。
• Timestamp (时间戳): 用来标记帧或块的播放时间。

为了更清晰地理解这些概念，咱们可以画个表格：

概念	解释	举例
Codec	编解码算法，决定了数据的压缩方式和质量。	H.264, VP9, AAC, Opus
Frame	未压缩的音视频数据单元。	一张图片，一小段声音
Chunk	压缩后的音视频数据单元。	编码后的视频块，编码后的音频块
Key Frame	视频中可以独立解码的帧，其他帧依赖它才能解码。	I帧 (Intra-coded frame)
Timestamp	帧或块的播放时间，单位通常是毫秒。	1000 (表示 1 秒)

3. 音频编码实战：

现在，咱们来动手写点代码，把麦克风采集到的音频编码成 AAC 格式。

首先，我们需要获取麦克风的权限：

async function getMicrophoneStream() {
  try {
    const stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia({ audio: true, video: false });
    return stream;
  } catch (err) {
    console.error("无法获取麦克风权限:", err);
    return null;
  }
}

这段代码会弹出一个权限请求，用户同意后，我们就能拿到一个 MediaStream 对象，里面包含了麦克风采集到的音频数据。

接下来，我们需要创建一个 AudioEncoder 对象：

let audioEncoder;

async function initAudioEncoder() {
  audioEncoder = new AudioEncoder({
    output: (chunk) => {
      // 这里处理编码后的音频块
      console.log("Encoded audio chunk", chunk);
      // 可以将 chunk 发送到服务器，或者保存到本地
    },
    error: (e) => {
      console.error("AudioEncoder 错误:", e);
    }
  });

  audioEncoder.configure({
    codec: 'mp4a.40.2', // AAC LC
    sampleRate: 48000,
    numberOfChannels: 1,
    bitrate: 128000 // 128 kbps
  });
}

这段代码做了几件事：

• 创建了一个 AudioEncoder 对象，并定义了 output 和 error 回调函数。
• output 回调函数会在每次编码完成时被调用，参数是一个 EncodedAudioChunk 对象，包含了编码后的音频数据。
• error 回调函数会在发生错误时被调用。
• 调用 configure 方法来配置编码器的参数。codec 指定了编码格式，sampleRate 指定了采样率，numberOfChannels 指定了声道数，bitrate 指定了比特率。mp4a.40.2 是 AAC LC 的 MIME 类型。

现在，我们需要将麦克风采集到的音频数据送给编码器：

async function processAudioStream(stream) {
  const audioContext = new AudioContext();
  const source = audioContext.createMediaStreamSource(stream);
  const processor = audioContext.createScriptProcessor(4096, 1, 1); // 创建一个 ScriptProcessorNode

  source.connect(processor);
  processor.connect(audioContext.destination);

  processor.onaudioprocess = (event) => {
    const inputBuffer = event.inputBuffer;
    const channelData = inputBuffer.getChannelData(0); // 获取左声道的音频数据

    // 将音频数据转换为 AudioFrame
    const audioFrame = new AudioFrame({
      format: 'f32-planar', // 32位浮点数，平面格式
      sampleRate: audioContext.sampleRate,
      numberOfChannels: 1,
      numberOfFrames: inputBuffer.length,
      data: channelData // 直接使用 Float32Array 数据
    });

    audioEncoder.encode(audioFrame);
    audioFrame.close(); // 释放资源
  };
}

这段代码有点复杂，咱们来分解一下：

• 创建了一个 AudioContext 对象，用于处理音频数据。
• 使用 createMediaStreamSource 方法将 MediaStream 对象转换为 AudioNode 对象。
• 创建了一个 ScriptProcessorNode 对象，用于处理音频数据。这个节点会定期触发 onaudioprocess 事件。
• 在 onaudioprocess 事件处理函数中，我们从 inputBuffer 中获取音频数据，并将其转换为 AudioFrame 对象。
• 调用 audioEncoder.encode 方法将 AudioFrame 对象送给编码器。
• 调用 audioFrame.close() 释放资源，避免内存泄漏。

最后，我们需要调用这些函数：

async function startAudioEncoding() {
  const stream = await getMicrophoneStream();
  if (stream) {
    await initAudioEncoder();
    processAudioStream(stream);
  }
}

startAudioEncoding();

这段代码会启动音频编码，并将编码后的音频块打印到控制台。

4. 视频解码探秘：

接下来，咱们来解码一段 H.264 视频，并将其显示在 <canvas> 上。

首先，我们需要一个 H.264 视频文件。你可以自己录制一段，或者从网上下载一个。

然后，我们需要创建一个 VideoDecoder 对象：

let videoDecoder;
let canvas, ctx;

async function initVideoDecoder() {
  canvas = document.getElementById('myCanvas');
  ctx = canvas.getContext('2d');

  videoDecoder = new VideoDecoder({
    output: (frame) => {
      // 这里处理解码后的视频帧
      console.log("Decoded video frame", frame);
      ctx.drawImage(frame, 0, 0, canvas.width, canvas.height);
      frame.close(); // 释放资源
    },
    error: (e) => {
      console.error("VideoDecoder 错误:", e);
    }
  });

  videoDecoder.configure({
    codec: 'avc1.42E01E', // H.264 Baseline Profile level 3.0
    codedWidth: 640,
    codedHeight: 480
  });
}

这段代码和音频编码类似，也创建了一个 VideoDecoder 对象，并定义了 output 和 error 回调函数。

• output 回调函数会在每次解码完成时被调用，参数是一个 VideoFrame 对象，包含了解码后的视频帧。
• 在 output 回调函数中，我们使用 ctx.drawImage 方法将视频帧绘制到 <canvas> 上。
• 调用 videoFrame.close() 释放资源。
• codec 指定了编码格式，codedWidth 和 codedHeight 指定了视频的宽高。avc1.42E01E 是 H.264 Baseline Profile level 3.0 的 MIME 类型。

现在，我们需要读取视频文件，并将编码后的数据送给解码器：

async function decodeVideo(videoFile) {
  const reader = new FileReader();
  reader.onload = async (event) => {
    const buffer = event.target.result;
    const uint8Array = new Uint8Array(buffer);

    // 模拟从网络接收到的数据
    let offset = 0;
    while (offset < uint8Array.length) {
      // 假设每个 chunk 的大小为 1024 字节
      const chunkSize = Math.min(1024, uint8Array.length - offset);
      const chunkData = uint8Array.slice(offset, offset + chunkSize);

      const chunk = new EncodedVideoChunk({
        type: 'key', // 假设第一个 chunk 是关键帧
        timestamp: offset * 10, // 假设每 10 毫秒一个 chunk
        data: chunkData
      });

      videoDecoder.decode(chunk);
      offset += chunkSize;
      await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 10)); // 模拟实时接收
    }
  };
  reader.readAsArrayBuffer(videoFile);
}

这段代码做了几件事：

• 使用 FileReader 对象读取视频文件。
• 将读取到的数据转换为 Uint8Array 对象。
• 模拟从网络接收到的数据，将数据分成多个 chunk。
• 创建 EncodedVideoChunk 对象，并将其送给解码器。
• type 指定了 chunk 的类型，可以是 key (关键帧) 或 delta (非关键帧)。
• timestamp 指定了 chunk 的播放时间。
• 使用 setTimeout 函数模拟实时接收数据。

最后，我们需要调用这些函数：

<input type="file" id="videoFile" accept="video/*">
<canvas id="myCanvas" width="640" height="480"></canvas>

<script>
  const videoFileElement = document.getElementById('videoFile');

  videoFileElement.addEventListener('change', async (event) => {
    const videoFile = event.target.files[0];
    await initVideoDecoder();
    await decodeVideo(videoFile);
  });
</script>

这段代码会在用户选择视频文件后，启动视频解码，并将解码后的视频帧显示在 <canvas> 上。

5. 高级应用：

Web Codecs API 的应用场景非常广泛，除了基本的音视频编解码，还可以用于：

• 实时流处理: 例如，你可以用它来实现一个在线直播应用，将摄像头采集到的视频实时编码，然后发送到服务器。
• 转码: 你可以将一种格式的视频转换为另一种格式，例如将 H.264 转换为 VP9。
• 视频编辑: 你可以对视频进行剪辑、拼接、添加滤镜等操作。
• WebAssembly 集成: 你可以将一些高性能的编解码库编译成 WebAssembly 模块，然后在 JavaScript 中调用它们，以提高编解码速度。

6. 兼容性与性能：

Web Codecs API 的兼容性还不是很好，目前只有 Chrome 和 Edge 浏览器完全支持。不过，随着时间的推移，相信会有更多的浏览器支持它。

在性能方面，Web Codecs API 的表现还是不错的，尤其是在硬件加速的支持下。但是，如果你的应用需要处理大量的音视频数据，或者需要进行复杂的编解码操作，你可能需要考虑使用 WebAssembly 集成，或者将一些计算密集型的任务放到 Web Worker 中执行，以避免阻塞主线程。

总结:

Web Codecs API 是一个强大的工具，它让开发者可以在浏览器中自由地控制音视频编解码过程。虽然它的兼容性和性能还有一些限制，但随着技术的不断发展，相信它会在未来的 Web 应用中发挥越来越重要的作用。

今天的讲座就到这里，希望大家有所收获！ 记住，实践是检验真理的唯一标准，赶紧动手试试吧！ 如果遇到什么问题，欢迎随时提问。 祝大家编程愉快！