WebAssembly在数字图像处理中的应用

1. 前言

数字图像处理的本质就是对图片的再次加工，这其中又分好几个层次，如下图 1 所示：

图 1. 图像处理分类

1.1 低层次的图像处理

低层次图像处理主要对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果、或突出有用信息，并为自动识别打基础，或通过编码以减少对其所需存储空间、传输时间或传输带宽的要求。

简单来说，我们以 x,y 分别表示图片横纵坐标，那么这就是(x, y) => f(x, y)的过程，即对输入的图片的所有像素进行处理，并生成一个新的图片，如下图 2 所示。

图 2. 低层次的滤镜处理

1.2 中层次的图像分析

中层次图像分析主要对图像中感兴趣的目标进行检测（或分割）和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像中目标的描述，是一个从图像到数值或符号的过程。最终输出具有特征的数据，如下图 3 所示。

图 3. 中层次的关键点识别

1.3 高层次的图像理解

高层次图像理解在中级图像处理的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间相互的联系，并得出对图像内容含义的理解（对象识别）及对原来客观场景的解释（计算机视觉），从而指导和规划行动。其特点是基于人类对客观世界的认知，结合图像数据，最终产出的是对图像的理解，如下图 4 所示。

图 4. 高层次的特征理解

底层的图像处理能力为上层能力提供基本的数学工具，而上层的分析或者理解结果又能进一步优化底层图像处理效果，比如最近很火的“抖音 AI 作画”，就是基于输入图片的特征，绘制一副新的图画，如下图 5 所示。

图 5. AI 识别原图特征并作画

这里我们会优先重点介绍常见的基本图像处理方法——滤镜，以及基于伟大的计算机视觉库 OpenCV 做一些扩展的说明。

2. 常见滤镜实现效果说明

滤镜是一种经典的像素处理函数，大家知道图片是由大量纵横排列的像素构成的，每个像素在计算机中使用[红色，绿色，蓝色，不透明度]表示，所以滤镜的本质就是一个纯函数：

我们以这张图片作为原始图片，列举一些常见的滤镜函数算法：

图 6. 原始图片

2.1 灰度效果

按照 0.3 * R + 0.59 * G + 0.11 * B 的计算公式得出结果统一赋值给 R、G、B。

图 7. 灰度图片

2.2 黑白效果

判断 R、G、B 的平均值是否超过了 100(阈值)，超过就是纯白 255，否则纯黑 0。

图 8. 黑白图片

2.3 反色效果

分别用 255 减去原始的 R、G、B 值，得到的就是反色值。

图 9. 反色图片

2.4 镜像效果

把图片上 Y 对称轴左边的每一个像素，转移到对称点 (x' = width - x) 即可。

图 10. 镜像图片

2.5 浮雕效果

按个扫描图像单元，分别用后一个图像单元的 R、G、B 减去前一个单元，得到的结果再进行灰度处理(不然会有色彩残留)，此算法原理就是相当于绘制 R、G、B 相差特别大的轮廓。

图 11. 浮雕图片

2.6 卡通效果

按照如下公式计算，会使得图片色彩变得更加鲜艳

图 12. 卡通图片

2.7 怀旧效果

图 13. 怀旧图片

2.8 熔铸效果

图 14. 熔铸图片

2.9 毛玻璃效果

遍历每一个图像单元，然后取其附近的单元(如随机数取左右 1-8 个中任意一个)，将这个随机单元数据填充到原始单元中，就会造成一种毛毛糙糙的感觉。

图 15. 毛玻璃图片

2.10 高斯模糊效果

高斯模糊首先要确定模糊半径，原理就是让每个像素挨个去计算半径内其他像素的平均值，色彩平均了那就看起来是模糊的效果。具体原理可见阮一峰的博客

图 16. 高斯模糊图片

2.11 素描效果

这里需要两个图层，A 图层是原图经过一次灰度效果后形成。然后拷贝 A 图层，应用反色处理生成 B 图层，再对 B 图层应用高斯模糊。A、B 图层合并的时候，分别对 R、G、B 采用如下公式计算。

图 17. 素描图片

3. 一个简单的图片处理站点

我设计了一个前端处理站点，它可以接受摄像机或者用户上传的图片作为输入，支持多种类型的处理函数，最终输出图像元素。这并不是一个最好的实践，但是可以帮助大家更多了解一些基本知识。

图 18. 简单的图片站点

图片的输入源可以是上传的图片，也可以是通过浏览器提供的摄像机 API 进行拍照，我们将输入图片的像素数据统一转化为二进制数据格式，在中间中转层来进行滤镜处理。中转层可以支持多种运行方式，比如放在纯前端(JavaScript、WebAssembly)，或者把数据传输给后端，使用相同的逻辑处理后再返回给前端。一方面可以验证各服务实现效果是否一致，另一方面也很容易进行对比总结。

3.1 数据类型

所有的图片都是按照像素来处理的，也就是说无论调用摄像头 API 向 Canvas 绘制数据的，或者读取用户上传的图片数据，以及最后绘制的结果，都是以 Uint8ClampedArray 作为数据格式传输的。这是一种特定类型的数组，它的元素限制为 8 位无符号整型，也就是值在 0-255 区间，如果赋值超过此区间，则按照最近的值处理，比如赋值 1000 会修改为 255，赋值-23 会修改为 0。如果使用Uint8Array类型，则只是读取前 8 位，-23 因为补码形式的存在，会被修改为 233。

不过，当数据需要传递给服务端的时候，往往需要编码为占用空间更小的 Base64 字符串，后端进行解码并处理后，再编码为 Base64 返回。

3.2 AssemblyScript

大家知道，WebAssembly[1] 是一种紧凑的二进制程序格式，它不是一种高级语言，难以用人能表达清楚的方式直接编写，所以一般都会有专门的工具提供转译的手段。

AssemblyScript 是一种类似 TypeScript，且对前端相对友好的编译语言，我们简单看一下它的代码：

export function add(a: i32, b: i32): i32 {
    return a + b;
}

相比 TypeScript，看起来只是多了一个更细的类型定义。

不过如果只是这么简单的场景，根本没必要使用 WebAssembly 绕一圈，我们完整的介绍一下流程。

• 先写一个 AssemblyScript 函数

// 导出灰度函数，语法与TS高度类似，为了节省空间，我们直接修改入参并返回结果
export function gray(data: Uint32Array): Uint32Array {
  const { length } = data;
  for (let i = 0; i < length; i += 4) {
    // 使用了乘法的情况下，可能存在溢出情况，需要统一转为i32处理，实际上类型转化可能是耗费性能的关键点
    const grayRgb = i32(0.3 * data[i] + 0.59 * data[i + 1] + 0.11 * data[i + 2]);
    data[i] = grayRgb;
    data[i + 1] = grayRgb;
    data[i + 2] = grayRgb;
  }
  // 事实上这里已经不是uint32Array了，不过AS内置了一套数据类型转换
  return data;
}
// 指定Uint32Array类型的数组并导出，实例化时需要
export const Uint32Array_ID = idof<Uint32Array>();

• 使用官方工具编译为 WebAssembly 格式的文件

asc filter.ts --outFile filter.wasm --optimize

• 在 Web Browser 引入，使用官方封装好的工具实例化更方便一些

import { instantiate } from '@assemblyscript/loader'; // or require

const instance = instantiate(
  fetch('your wasm.wasm'), {/* importObject */}
).catch(console.error);

• 使用的时候，要特别注意数据是需要通过指针的形式传入的，需要关注指针的生命周期

// 首先拿到wasm实例
const wasm = await instance.then();
// 通过上述的loader加载和编译设置，wasm.export提供了所有导出的函数和工具函数
// __newArray用来生成wasm内部数组，__getArray用来将wasm
// __pin是一个指针指向wasm内部数据，__unpin则是释放这个指针触发垃圾回收
// Uint32Array_ID是上面导出的标识，gray是上文自定义的灰度函数
const { __newArray, __getArray, __pin, __unpin, Uint32Array_ID, gray } = wasm.exports;
// 将js中的canvasData传入__newArray函数中，在wasm中生成对应的数组内容
// 再用__pin获取指向这个数据的指针
const arrayPtr = __pin(__newArray(Uint32Array_ID, canvasData));
// 调用wasm生成的函数进行数据处理(传入上一步wasm指针)，返回一个wasm内部ID
const result = gray(arrayPtr);
// 通过__getArray将内部ID解析为JS数组
const resultArray = __getArray(result);
// 最后需要释放指针引用，触发垃圾回收
__unpin(arrayPtr);

在之前的测试中，因为 JS 和 WebAssembly 的数据通信需要大量的拷贝，加上 AssemblyScript 对代码的优化不如 Rust 等编译器做的好，再加上 Chrome V8 TurboFan 强大的 JIT 优化能力，WebAssembly 的处理速度往往不一定能超过原生的 JavaScript，不过 AssemblyScript 仍然是前端同学开发 WebAssembly 最方便的途径之一，值得推荐。

3.3 Rust

Rust[2] 可以算是当今最“网红”的编程语言了，不过它确实配的上，Rust 通过把在运行时可能会遇到的问题提前到编译时进行，相当于用开发时间换取运行效率。Rust 可能是支持 WebAssembly 最好的语言了，不仅有非常完整体系的工具链，性能更好，服务端运行时 (WASI) 也提供相当完备的生态。

我们这里只介绍一下 Rust 编译 WebAssembly 在前端的应用：

• 安装 Rust 环境和 wasm-pack 包，初始化工程

curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

cargo install wasm-pack

cargo new --lib hello-wasm

• 接着我们书写逻辑代码，比如一个可调用的函数参考如下，注意我们要包含 wasm 相关的工具链和 json 处理工具

extern crate wasm_bindgen;
extern crate serde_json;
use wasm_bindgen::prelude::*;

#[macro_use]
extern crate serde_derive;

#[wasm_bindgen]
pub fn desaturate(js_objects: &JsValue) -> String {
    let elements: Vec<i32> = js_objects.into_serde().unwrap();
    let mut i = 0;
    let data_len = data.len();
    while i < data_len {
        let min = min(data[i], min(data[i + 1], data[i + 2]));
        let max = max(data[i], max(data[i + 1], data[i + 2]));
        let avg_rgb = (min + max) / 2 as i32;
        data[i] = avg_rgb;
        data[i + 1] = avg_rgb;
        data[i + 2] = avg_rgb;
        i = i + 4;
    }
    String::from("去色滤镜")
}

• 我们需要配置一下描述文件

[package]
name = "sample"
......

[lib]
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"

然后运行 wasm-pack build，这会生成一个pkg目录，包括相关的 JS 胶水代码。

• 浏览器端运行，我们直接引入刚才生成好的文件即可

const wasm = await import("./wasm.js");

wasm.desaturate(array);

胶水层会帮我们处理好 JavaScript 对象和 WebAssembly 指针相关的处理逻辑，因此使用起来还是比较方便的。

3.4 FaaS Edge

实际上，字节跳动基础架构的 faas 团队已经提供了 Rust->WebAssembly 成熟的运行环境了

图 19. FaaS 概念示意

基于此服务，我们可以很轻松的做到：

• serverless，无需关注服务器的申请，部署，运维等等

• WebAssembly 天然自带冷启动快、资源隔离的优势

• 部署在边缘，成本更低，网络消耗更低

4. 更专业的工具 —— OpenCV

上面讲到的是低层次的图像处理，其实我们可以基于一个成熟的库来尝试往更多方向进行探索。OpenCV 是计算机视觉(Computer vision)领域最受欢迎的开源库，它最初是由 intel 使用 C 和 C++进行开发的，如今已经演化为一个免费的、跨平台的、且高度优化过的库。

借助 WebAssembly 特性，OpenCV 能很方便的提供能力给前端或者 Node.js 开发者。

4.1 构建

OpenCV 官方已经封装好了基于 Emscripten 的工具链[3]，大概有下面这些方式：

• 构建 asm.js 风格的产物

emcmake python ./opencv/platforms/js/build_js.py build_js

asm.js 是一种带有特定类型声明的 JavaScript，在早期 WebAssembly 未诞生时作为一种内置的优化手段

• 构建 wasm 产物

emcmake python ./opencv/platforms/js/build_js.py build_wasm --build_wasm

// 往往需要配合loader扩展多线程、SIMD能力
emcmake python ./opencv/platforms/js/build_js.py build_js --build_loader

• 使用官方文件

官方会提供 opencv.js 格式的文件[4][5]，一般建议项目自己拷贝一份下来，避免海外网络拥塞导致系统不稳定。

• 使用封装库[推荐]

NPM 仓库有很多人封装过了 OpenCV，并添加了或多或少的辅助工具。我使用的是 opencv-ts[6]，不仅不需要打包，还提供了 TypeScript 语法提示能力，使用起来是比较方便的。

4.2 基本用法

官方已经提供比较完整的说明文档，这里不详细介绍具体的 API 了，我们简单说一下用法。

注意：所有的代码应该写在初始化函数onRuntimeInitialized中。

cv 提供了imread(imageid | HTMLImageElement | HTMLCanvasElement) 的函数签名，这可以从指定的源读取图片内容，并返回一个cv.Mat类型的对象，这是一个基本的存储二维空间的数据结构——矩阵，这里用来存储图片的像素结构，后面很多操作都是基于Mat类型来操作的。

输出图片也非常方便，直接调用cv.imshow(canvasid | HTMLCanvasElement, cv.Mat对象) 就可以把图像绘制在屏幕上。

需要记住的是 WebAssembly 不会帮助你回收内存，所以记得 cv.Mat 对象用完后及时调用delete()方法释放内存。

5. 写一个实时视频转化工具

有没有想过可以用少量代码写一个实时转化视频的案例？

图 20. 实时视频滤镜

我们先创建两个 DOM 节点，分别放置视频和画布

<video controls src="/play.mp4" width="640" height="360" />

<canvas id="output" width="640" height="360"/>

其实，视频本质上可以当做一帧又一帧的图像轮播，OpenCV 内置了对视频流的截取能力

const capture = new cv.VideoCapture(videoElement);

const frameMat = new cv.Mat(videoElement.height, videoElement.width, cv.CV_8UC4);

因此我们尽量保证在每一帧进行一次渲染计算即可

const onPaint = () => {
  // 把图像信息绘制在矩阵中
  capture.read(frameMat);
  // 调用绘制函数，下面会讨论实现
  render(frameMat);
  // 触发下一次帧渲染
  requestAnimationFrame(onPaint);
}

onPaint();

那么现在问题就到了如何基于 OpenCV 进行线条化滤镜的绘制了，以下面这张图为例

图 21. 原图

总体过程可以分为 5 步：

5.1 灰度化

OpenCV 自带了灰度处理函数，使用常量 cv.COLOR_RGBA2GRAY 表示

const grayMat = new cv.Mat();
cv.cvtColor(frameMat, grayMat, cv.COLOR_RGBA2GRAY);

图 22. 灰度化处理

5.2 高斯模糊

上面也提到了高斯模糊算法，需要一个像素半径作为指标即可，OpenCV 自带了高斯模糊方法

const ksize = new cv.Size(5,5);

const blurMat = new cv.Mat();
cv.GaussianBlur(grayMat, blurMat, ksize, 0, 0, cv.BORDER_CONSTANT);

图 23. 模糊处理

5.3 黑白化

黑白化(专业名词叫二值化)，即像素若大于某个值则为最大值，小于某个值即为最小值

let thresholdMat = new cv.Mat();
cv.adaptiveThreshold(blurMat, thresholdMat, 255, cv.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C, cv.THRESH_BINARY, 5, 2);

图 24. 黑白化处理

接下来分别进行一次高斯模糊和黑白化，

图 25. 第二次模糊处理

图 26. 第二次黑白处理

可以让线条轮廓更加明显一点，当然还有其他优化效果的算法，这里不赘述了，最后，千万记得释放内存。

OpenCV 是一个非常强大的工具库，上面举得只是一个非常简单的例子。结合机器学习模型，可以把实时的人脸识别、车牌 OCR、美颜相机、闯红灯识别等直接放在前端来完成，不得不说 WebAssembly 为前端同学提供了一个很好融合其它学科精华的机会。

6. 总结

正如上面所说，WebAssembly 可以方便的整合成熟的工具库，让它们以高性能在浏览器环境上运行。

图 27. WebAssembly 应用

其实可以这样盲下结论，理论上可在浏览器上运行的，最终都可以在浏览器端运行。

WebAssembly 另一个巨大的应用前景就是浏览器外，轻量级、高效率、天然隔离性让它在容器化、特别是在低端设备上有很大的发展潜力。

然而，WebAssembly 还处于发展的初始阶段，很多能力都亟待进一步的提高。

• Web 端性能

V8 的 TurboFan 提供了 JIT 能力，能把热点代码直接转化为机器码执行，能达到 C 语言效率级别，另一方面 WebAssembly 和 JavaScript 通信需要一定的上下文开销，单纯的浏览器场景下，如果 WebAssembly 效率不能稳定优于 JavaScript，那其实大部分业务场景下没有绝对的必要。

• 开发不友好

Emscripten 和 WASM-PACK 可以说是里程碑式的工具，它们让 WebAssembly 走进前端变成了可能，不过像周边的生态，特别是调试、断点、部署等还是比较麻烦的。

• 浏览器外可靠的虚拟机

WebAssembly 需要一个可靠的运行时才能在浏览器外稳定运行，目前像字节码联盟或者一些边缘云公司 (fastly) 会提供一些运行时，这些运行时各有自身适合的场景，区别于 Docker 几乎成为容器的事实标准，百花齐放恰恰也说明了 WebAssembly 的生态还有很长的路要探索。

7. 参考文献

[1]. AssemblyScript: https://www.assemblyscript.org/introduction.html
[2]. Rust: https://rustwasm.github.io/
[2]. Build OpenCV.js: https://docs.opencv.org/4.x/d4/da1/tutorial_js_setup.html
[3]. Using OpenCV.js: https://docs.opencv.org/4.6.0/d0/d84/tutorial_js_usage.html
[4]. opencv.js: https://docs.opencv.org/4.6.0/opencv.js
[5]. opencv-ts: https://www.npmjs.com/package/opencv-ts

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