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    WebAssembly 尝试研究报告 - DIP 实践

    从本次报告开始,我们将花一点时间从零开始搭建一个基于 WebAssembly 的 DIP(数字图像处理) 应用,这个应用的主要功能是可以给一段在线视频添加实时滤镜。在 JS 层我们的主要任务是截取视频的每一帧画面,同时把该帧画面转换成对应的像素矩阵,然后调用 Wasm 模块对像素矩阵进行处理,最后再将处理后的像素矩阵渲染到页面上。对视频实时帧像素的处理部分我们会放到 WebAssembly 模块中实现。

    这个项目的源代码可以在这里找到。

    先来看一下效果对比图。下面给出的两张图中,第一张为视频经过滤镜处理前的截图效果。第二张为视频经过滤镜处理后的截图效果。本次实验中我们将使用一个卷积核对视频每一帧画面中的像素进行卷积操作,这里使用的卷积核是一个三乘三矩阵[[-1, -1, 1], [-1, 14, -1], [1, -1, -1]]。卷积核是在对图像进行卷积运算时的参数矩阵,常用的卷积核有低通滤波器(模糊效果)、高斯滤波器(基于正态分布)和用于边沿检测的滤波器等。

    为了便于更加深入的了解 Web 应用与 WebAssembly 模块的交互过程,我们将整个应用的架构图绘制如下:首先我们在页面上放置一个 canvas 标签和一个 video 标签。画布和视频画面的同步都是通过中间的 JS 逻辑层来控制的。JS 首先会读取视频标签返回的每一帧数据,然后将每一帧画面数据传递给 Wasm 进行处理,接下来再将处理好的帧画面数据渲染到画布上,这样应用的整个生命周期就构建完成了。

    1、画布视频同步

    首先,我们要实现的是能够将 video 标签的画面实时的显示在画布上。这部分的代码如下所示:

    
    <!DOCTYPE html>
    <html lang="en">
    <head>
        <meta charset="UTF-8">
        <title>SimpleDIP</title>
        <style>
            #video {
                display: none;
            }
        </style>
    </head>
    <body>
    	<canvas id="canvas">
    	<video id="video" loop="true" autoplay="" src="media/scenery.mp4" type="video/mp4">
    </body>
    <script>
        var video = document.getElementById('video');
        var canvas = document.getElementById('canvas');
        // 获得画布的绘制上下文;
        var context = canvas.getContext('2d');
        // 当视频的第一帧完全载入时触发回调;
        video.addEventListener("loadeddata", function() {
            // 设置画布的大小;
            canvas.setAttribute('height', video.videoHeight);
            canvas.setAttribute('width', video.videoWidth);
            // 获得画布的舞台(可绘制区域)大小;
            clientx = canvas.clientWidth;
            clienty = canvas.clientHeight;
            // 开始绘制;
            draw();
        });
    
        function draw() {
            // 从画布的左上角开始绘制当前视频的第一帧;
            context.drawImage(video, 0, 0);
            // 获得当前帧画面的 ImageData 对象;
            pixels = context.getImageData(0, 0, video.videoWidth, video.videoHeight);
    
            ... (调用 Wasm 模块处理该帧像素)
    
            // 将之前获得 ImageData 对象绘制到画布上;
            context.putImageData(pixels, 0, 0);
            // 逐帧绘制(通常60帧每秒);
            requestAnimationFrame(draw);
        }
    </script>
    </html>
    

    这部分代码很简单,这里首先根据视频大小来初始化对应大小的画布,接下来主要通过画布提供的 drawImage 方法将当前视频播放帧绘制到画布上,然后再从绘制好的画布上提取像素矩阵。

    2、WebAssembly 模块代码

    接下来我们要完成的是 WebAssembly 模块的 C++ 部分,这部分代码如下所示,算法的具体流程来自 Github 的开源项目。我们需要注意的是要为导出的方法添加 Emscripten 编译器后端对应的宏来保证方法不会被编译器清除(DCE)。

    
    // program.cpp
    
    #include <emscripten/emscripten.h>
    #include <math.h>
    
    extern "C" {
      void EMSCRIPTEN_KEEPALIVE convFilter (float* data, int width, int height, float* kern, int kWidth, int kHeight, float divisor, float bias, int count) {
        float r, g, b;
        int yy, xx, imageOffset, kernelOffset, pix; 
        int kCenterY = floor(kHeight / 2);
        int kCenterX = floor(kWidth / 2);
        for (int i = 0; i < count; ++i) {
          for (int y = kCenterY; y < height - kCenterY; ++y) {
            for (int x = kCenterX; x < width - kCenterX; ++x) {
              r = 0;
              g = 0;
              b = 0;
              for (int ky = 0; ky < kHeight; ++ky) {
                for (int kx = 0; kx < kWidth; ++kx) {
                  imageOffset = (width * (y - kCenterY + ky) + (x - kCenterX + kx)) * 4;
                  kernelOffset = kWidth * ky + kx;
                  // 对当前像素点进行卷积操作;
                  r += data[imageOffset + 0] * kern[kernelOffset];
                  g += data[imageOffset + 1] * kern[kernelOffset];
                  b += data[imageOffset + 2] * kern[kernelOffset];
                }
              }
              pix = (width * y + x) * 4;
              data[pix + 0] =  ((r / divisor)>255.0) ? 255.0 : ((r / divisor)<0.0) ? 0.0 : r / divisor;
              data[pix + 1] =  ((g / divisor)>255.0) ? 255.0 : ((g / divisor)<0.0) ? 0.0 : g / divisor;
              data[pix + 2] =  ((b / divisor)>255.0) ? 255.0 : ((b / divisor)<0.0) ? 0.0 : b / divisor;
            }
          }
        }
      }
    }
    

    代码写好后,我们可以使用 Emscripten 的编译器前端工具 emcc 来编译 C++ 源码到对应的 Wast 二进制格式。命令如下所示:

    
    emcc -s WASM=1 -s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1 -O3 -o program.js program.cpp
    

    上述编译命令的使用方法与我们之前报告中的用法基本相同,其中新加入的 LOW_MEMORY_GROWTH 参数允许 Wasm 模块在使用时根据应用程序使用情况自动扩大自身的可用内存。由于我们很难估计模块在处理帧数据时会消耗多少内存,因此无法在程序初始化时为模块创建固定大小的内存对象。在这里我们将内存大小管理完全交由程序自己进行处理。

    3、Emscripten Glue 连接程序

    接下来最后一步我们需要将 Wasm 模块和 JS 的逻辑层进行连接。在“连接”的过程中我们需要使用 Emscripten 为我们生成的的前端“胶水”工具。这部分 JS 逻辑层的代码我们单独放到一个文件中。代码如下所示:

    
    // dip.js
    
    var Module = {};
    
    function loadWASM() {
      return new Promise((resolve, reject) => {
        fetch('./program.wasm')
          .then(response => response.arrayBuffer())
          .then(buffer => {
            // 初始化 Wasm 模块;
            Module.wasmBinary = buffer;
            
            // 加载 Emscripten "胶水"模块;
            var script = document.createElement('script');
            script.src = "./program.js";
            document.body.appendChild(script);
            
            // 加载完成后初始化像素过滤方法;
            window.onload = function() {
              var filter = function(pixelData, width, height) {
                // 设置卷积核;
                var kernel = [[-1, -1, 1], [-1, 14, -1], [1, -1, -1]];
                var divisor = 3;
                const arLen = pixelData.length;
                // 
                const memData = _malloc(arLen * Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
    
                // var memory = new Float32Array(Module.wasmMemory.buffer);
                // memory.set(pixelData, memData / Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
                HEAPF32.set(pixelData, memData / Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
                const kerWidth = kernel[0].length;
                const kerHeight = kernel.length;
                const kerLen = kerWidth * kerHeight;
                const flatKernel = kernel.reduce((acc, cur) => acc.concat(cur));
                const memKernel = _malloc(kerLen * Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
                HEAPF32.set(flatKernel, memKernel / Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
                // 处理像素矩阵;
                _convFilter(memData, width, height, memKernel, 3, 3, divisor, 0, 1);
                const filtered = HEAPF32.subarray(memData / Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT, memData / Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT + arLen);
                // 释放内存;
                _free(memData);
                _free(memKernel);
                return filtered;
              }
              resolve(filter);
            }
          });
      });
    }
    

    在上述代码中,我们需要手动为像素矩阵分配内存。这里的 _malloc_free 等方法都是由 Emscripten 工具链为我们提供的用来在前端分配和释放内存的方法。代码中的 HEAPF32 是一个包含了 WebAssembly.Memoory 对象的 TypedArray 类型,我们可以直接使用它的 set 方法来将数据以32位浮点的类型写入到内存中。这里要注意线性内存地址是以1字节为单位的,1字节等于4比特,我们使用的 Float32Array 类型是以 32比特为单位,因此对应8字节偏移需要将新分配的内存地址除以8。如果不想使用 HEAPF32 来操作内存,我们也可以自己通过 TypedArray 进行封装,具体可以查看代码注释的两行。最后将上述 JS 文件起名为 ”dip.js“ 并插入到之前的超文本页面中,这里我们还需要在超文本页面中的脚本加入初始化 Wasm 模块和调用对应方法的逻辑,修改后的超文本页面代码如下所示:

    
    <!DOCTYPE html>
    <html lang="en">
    <head>
        <meta charset="UTF-8">
        <title>SimpleDIP</title>
        <style>
            #video {
                display: none;
            }
        </style>
    </head>
    <body>
    	<canvas id="canvas">
    	<video id="video" loop="true" autoplay="" src="media/scenery.mp4" type="video/mp4">
    </body>
    <script src = './dip.js' type = 'text/javascript'></script>
    <script>
    	loadWASM().then(filter => {
    	    var video = document.getElementById('video');
    	    var canvas = document.getElementById('canvas');
    	    // 获得画布的绘制上下文;
    	    var context = canvas.getContext('2d');
    	    // 当视频的第一帧完全载入时触发回调;
    	    video.addEventListener("loadeddata", function() {
    	        // 设置画布的大小;
    	        canvas.setAttribute('height', video.videoHeight);
    	        canvas.setAttribute('width', video.videoWidth);
    	        // 获得画布的舞台(可绘制区域)大小;
    	        clientx = canvas.clientWidth;
    	        clienty = canvas.clientHeight;
    	        // 开始绘制;
    	        draw();
    	    });
    
    	    function draw() {
    	        // 从画布的左上角开始绘制当前视频的第一帧;
    	        context.drawImage(video, 0, 0);
    	        // 获得当前帧画面的 ImageData 对象;
    	        pixels = context.getImageData(0, 0, video.videoWidth, video.videoHeight);
    	        pixels.data.set(filter(pixels.data, clientx, clienty));
    	        // 将之前获得 ImageData 对象绘制到画布上;
    	        context.putImageData(pixels, 0, 0);
    	        // 逐帧绘制(通常60帧每秒);
    	        requestAnimationFrame(draw);
    	    }
    	});
    </script>
    </html>
    

    至此,这个简单的 DIP 应用便完成了。

    发布时间 : 2017-06-16 14:13:41 作者 : YHSPY 类别 : WEB前端 Miscellaneous
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    数据结构:

    交互模式:

    前端 Javascript

    this 实例:

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    2、对象中函数的 this 指向调用方;

    
    var person = {  
      name: "Jason",
      say: function(thing) {
        console.log(this.name + " says hello " + thing);
      }
    }
    person.say("world"); // "Jason says hello world"
    
    var iSay = person.say;
    iSay("world"); // "undefined says hello world"
    

    3、使用 bind 来固化 this

    
    var boundSay = person.say.bind(person);  
    boundSay("world") // "Jason says hello world"
    
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    var constants = (function constants(){
        function sayHi(name){
            var message = "Hi " + name + "!"
            print(message)
        }
    
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    })()
     
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    replaceNumberToStringInJson(fields, json) {
      let result = json
      fields.forEach((field) => {
        result = result.replace(new RegExp(`"${field}":\\s([\\d.]+)`, 'g'), `"${field}": "$1"`)
      })
    
      return result
    }
     
    前端 Javascript

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    npm check -u -g  # 检测全局依赖
    npm check -u     # 检测当前项目的依赖
    

    代码库 Code Depot

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    const scaleNames = {
      c: 'Celsius',
      f: 'Fahrenheit'
    };
    
    function toCelsius(fahrenheit) {
      return (fahrenheit - 32) * 5 / 9;
    }
    
    function toFahrenheit(celsius) {
      return (celsius * 9 / 5) + 32;
    }
    
    function tryConvert(temperature, convert) {
      const input = parseFloat(temperature);
      if (Number.isNaN(input)) {
        return '';
      }
      const output = convert(input);
      const rounded = Math.round(output * 1000) / 1000;
      return rounded.toString();
    }
    
    function BoilingVerdict(props) {
      if (props.celsius >= 100) {
        return <p>The water would boil.</p>;
      }
      return <p>The water would not boil.</p>;
    }
    
    class TemperatureInput extends React.Component {
      constructor(props) {
        super(props);
        this.handleChange = this.handleChange.bind(this);
      }
    
      handleChange(e) {
        this.props.onTemperatureChange(e.target.value);
      }
    
      render() {
        const temperature = this.props.temperature;
        const scale = this.props.scale;
        return (
          <fieldset>
            <legend>Enter temperature in {scaleNames[scale]}:</legend>
            <input value={temperature}
                   onChange={this.handleChange} />
          </fieldset>
        );
      }
    }
    
    class Calculator extends React.Component {
      constructor(props) {
        super(props);
        this.handleCelsiusChange = this.handleCelsiusChange.bind(this);
        this.handleFahrenheitChange = this.handleFahrenheitChange.bind(this);
        this.state = {temperature: '', scale: 'c'};
      }
    
      handleCelsiusChange(temperature) {
        this.setState({scale: 'c', temperature});
      }
    
      handleFahrenheitChange(temperature) {
        this.setState({scale: 'f', temperature});
      }
    
      render() {
        const scale = this.state.scale;
        const temperature = this.state.temperature;
        const celsius = scale === 'f' ? tryConvert(temperature, toCelsius) : temperature;
        const fahrenheit = scale === 'c' ? tryConvert(temperature, toFahrenheit) : temperature;
    
        return (
          <div>
            <TemperatureInput
              scale="c"
              temperature={celsius}
              onTemperatureChange={this.handleCelsiusChange} />
            <TemperatureInput
              scale="f"
              temperature={fahrenheit}
              onTemperatureChange={this.handleFahrenheitChange} />
            <BoilingVerdict
              celsius={parseFloat(celsius)} />
          </div>
        );
      }
    }
    
    ReactDOM.render(
      <Calculator />,
      document.getElementById('root')
    );
    

    使用方法:浏览器。

    代码说明:完整的 Reactjs 代码片段。

    一个完整的 React 实例
    
    // sub-component
    function ListItem(props) {
      // Correct! There is no need to specify the key here:
      return <li>{props.value}</li>;
    }
    
    function NumberList(props) {
      const numbers = props.numbers;
      const listItems = numbers.map((number) =>
        // Correct! Key should be specified inside the array.
        <ListItem key={number.toString()}
                  value={number} />
    
      );
      return (
        <ul>
          {listItems}
        </ul>
      );
    }
    
    class Clock extends React.Component {
      constructor(props) {
        // 确保 props 能够正确传入;
        super(props);
        // Bind this
        this.handler = this.handler.bind(this);
        this.state = {
          date: new Date(),
          counter: 0,
          showWarning: true
        };
      }
      // 生命周期 Hook 函数;
      componentDidMount() {
        // 不需要在 View 中显示的属性不需要放到 State 中;
        this.timerID = setInterval(
          () => this.tick(),
          1000
        );
      }
    
      componentWillUnmount() {
        clearInterval(this.timerID);
      }
    
      tick() {
        this.setState({
          date: new Date()
        });
      }
      
      handler() {
        this.setState({
          counter: this.state.counter + 1
        });
      }
    
      render() {
        const numbers = [1, 2, 3, 4, 5];
        // JSX 中的 Callback 函数需要在构造函数中绑定 this 指针;
        return (
          <div>
            <NumberList numbers={numbers} />
            <h1 onClick={this.handler}>Hello, {this.props.user.toString()}!</h1>
            <h2>It is {this.state.date.toLocaleTimeString()}.</h2>
            <h2>Counter: {this.state.counter}</h2>
            <p>{this.state.counter > 2 && <WarningBanner warn={this.state.counter} />}

    </div> ); } } ReactDOM.render( <Clock user="YHSPY"/>, document.getElementById('root') );

    使用方法:浏览器。

    代码说明:完整的 Reactjs 代码片段。

    Node8 之 Util.promisify 常见用法
    
    var util = require('util')
    
    const wait = (delay, callback) => {
      const id = setInterval(() => {
        const rand = Math.random()
        if (rand > 0.95) {
          callback('Got data successfully!', null)
          clearInterval(id)
        } else if (rand < 0.1) {
          callback(null, 'Sorry, something wrong!') 
          clearInterval(id)
        } else {
          console.log("Waiting...")
        }
      }, Number(delay))
    }
    
    /*
      wait(1000, (data, err) => {
        if (err) {
          throw new Error(err)
        }
        console.log(data)
      })
    */
    
    // Use util.promisify
    util.promisify(wait)(1000).then(data => {
      console.log(data);
    }).catch(err => {
      console.error(err);
    })
    
    // Use async/await instead
    waitAsync = util.promisify(wait)
    let asyncFunc = async () => {
      let result;
      try {
        result = await waitAsync(1000);
      } catch (err) {
        return console.error(err);
      }
      return console.log(result);
    };
    asyncFunc().then(data => {
      // undefined
      console.log(data)
    })
    

    使用方法:Node8 命令行下直接运行。

    代码说明:Node8 新增的函数可以直接 Promise 化一个特定格式的函数,函数的回调函数需要符合 Node 的标准回调函数格式 。

    Leetcode - 169.Majority Element HashMap基础解法
    
    public static int majorityElement(int[] nums) {
        if (nums.length == 0)  // 如果数组长度为0则返回-1
        	return -1;
        
        int arrLen = nums.length;
        Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
        for (int i = 0;i < arrLen; i ++) {
        	int currentVal = 0;
        	if (map.containsKey(nums[i]))  // 如果HashMap中存在该值对应的元素则使用该值
        		currentVal = map.get(nums[i]);
    
        	if (currentVal > arrLen / 2) {  // 如果满足条件则返回该元素
        		return nums[i];
        	} else {
        		map.put(nums[i], currentVal + 1);  // 否则对应元素值加一
        	}
        }
        
        return -1;
    }
    

    使用方法:Eclipse新建工程,直接复制到主类里,通过类名静态调用即可。

    代码说明:本段代码为Leetcode题目“169.Majority Element”的实现代码,算法类代码建议先做题,再参考。题目详情请参考文章《Leetcode每日一题 - 169.Majority Element》。

    Leetcode - 219.Contains Duplicate II 窗口检测解法代码片段
    
    public static boolean containsDuplicateOptimizeFurther(int[] nums) {
        Set<Integer> set = new HashSet<Integer>();  
        int start = 0, end = 0;  // 定义窗口的首尾指针
        for(int i = 0; i < nums.length; i++) {   // 开始遍历
            if(!set.contains(nums[i])) {    
                set.add(nums[i]);   
                end++;   // 如果Set中没有此元素则加入,尾指针后移
            } else { 
                return true;   // 有则返回True
            }
            
            if(end - start  > k) {  // 保持首尾指针距离不大于k  
                set.remove(nums[start]);    //如果大于则移除首指针元素
                start++;   // 移除后首指针后移
            }  
        }  
        return false;
    }
    

    使用方法:Eclipse新建工程,直接复制到主类里,通过类名静态调用即可。

    代码说明:本段代码为Leetcode题目“219.Contains Duplicate II”的实现代码,算法类代码建议先做题,再参考。题目详情请参考文章《Leetcode每日一题 - 219.Contains Duplicate II》。