Supporto di JPEG YCbCr

A partire da Windows 8.1, il codec JPEG Windows Imaging Component (WIC) supporta la lettura e la scrittura di dati dell'immagine_{nel formato} YC_bC r nativo. Il_{supporto di} WIC YC_bC r può essere usato insieme a Direct2D per eseguire il rendering di_{dati pixel} YC_bC r con un effetto immagine. Inoltre, il codec WIC JPEG può usare dati pixel YC_bC_r prodotti da determinati driver di fotocamera tramite Media Foundation.

I dati pixel YC_{bC r} utilizzano una memoria significativamente inferiore rispetto ai formati di pixel BGRA standard. Inoltre, l'accesso_{ai dati} YC_bC r consente di scaricare alcune fasi della pipeline di decodifica/codifica JPEG in Direct2D, che è accelerata dalla GPU. Usando YC_bC_r, l'app può ridurre il consumo di memoria JPEG e i tempi di caricamento per le stesse dimensioni e immagini di qualità. In alternativa, l'app può usare più immagini JPEG a risoluzione superiore senza soffrire di sanzioni sulle prestazioni.

Questo argomento descrive come funzionano i dati YC_bC_r e come usarli in WIC e Direct2D.

• Informazioni sui dati JPEG YC_bC_r
  • Modello di colore YC_bC_r
  • Layout di memoria planare rispetto ai layout di memoria interleaved
  • Sottocampionamento Chroma
  • Utilizzo JPEG di YC_bC_r
• Uso di dati JPEG YC_bC_r
  • Uso delle_{immagini JPEG di} YC_bC
  • API del componente di creazione immagini di Windows
  • API Direct2D
  • Determinare se è supportata la configurazione YC_bC_r
  • Decodifica dei dati di YC_bC_r Pixel
  • Trasformazione dei dati di YC_bC_r Pixel
  • Codifica YC_bC_r Pixel Data
  • Decodifica dei dati_{dei pixel} YC_bC in Windows 10
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Informazioni sui dati JPEG YC_bC_r

Questa sezione illustra alcuni concetti chiave necessari per comprendere il funzionamento del supporto di YC_bC_r in WIC e i relativi vantaggi principali.

Modello di colore YC_bC_r

WiC in Windows 8 e versioni precedenti supporta quattro modelli di colore diversi, il più comune dei quali è RGB/BGR. Questo modello di colore definisce i dati dei colori usando componenti rossi, verdi e blu; un quarto componente alfa può essere usato anche.

Ecco un'immagine decomposta nei suoi componenti rossi, verdi e blu.

YC_bC_r è un modello di colore alternativo che definisce i dati di colore usando un componente di luminanza (Y) e due componenti di luminanza (C_b e C_r). Viene comunemente usato negli scenari di immagine digitale e video. Il termine YC_bC_r viene spesso usato in modo intercambiabile con YUV, anche se i due sono tecnicamente distinti.

Esistono diverse varianti di YC b C_r che differiscono in spazi colori e definizioni di intervallo dinamico: WIC supporta in modo specifico_{i dati} JFIF_YCbC r JPEG. Per altre informazioni, vedere la specifica JPEG ITU-T81.

Ecco un'immagine decomposta nei componenti Y, C_b e C_r .

Layout di memoria planare rispetto ai layout di memoria interleaved

In questa sezione vengono descritte alcune differenze tra l'accesso e l'archiviazione dei dati dei pixel RGB in memoria rispetto ai dati di YC_bC_r .

I dati dei pixel RGB vengono in genere archiviati usando un layout di memoria interleaved. Ciò significa che i dati per un singolo componente di colore vengono interleavedi tra pixel e ogni pixel viene archiviato in modo contiguo in memoria.

Ecco una figura che mostra i dati dei pixel RGBA archiviati in un layout di memoria interleaved.

I dati YC_bC_r vengono in genere archiviati usando un layout di memoria planare. Ciò significa che ogni componente di colore viene archiviato separatamente nel proprio piano contiguo, per un totale di tre piani. In un'altra configurazione comune, i componenti C_b e C_r vengono interleavedi e archiviati insieme, mentre il componente Y rimane nel proprio piano, per un totale di due piani.

Ecco una figura che mostra i dati di memoria Y planari e interleaved_C b r pixel, un layout comune_{di memoriaYCb}C r.

In WIC e Direct2D ogni piano di colore viene considerato come un oggetto distinto ( un'immagine IWICBitmapSource o ID2D1Bitmap) e collettivamente questi piani formano i dati di backup per un'immagine YC_bC_r .

Mentre WIC supporta l'accesso_{ai dati} YC_bC r nelle configurazioni del piano 2 e 3, Direct2D supporta solo l'ex (Y_{e C cr).} Pertanto, quando si usa WIC e Direct2D insieme, è consigliabile usare sempre_{la configurazione} YC_bC r del piano 2.

Sottocampionamento Chroma

Il modello_{di colore} YC_bC r è adatto per scenari di immagine digitale perché può sfruttare determinati aspetti del sistema visivo umano. In particolare, gli esseri umani sono più sensibili ai cambiamenti nella luminanza (luminosità) di un'immagine e meno sensibili alla dominanza (colore). Suddividendo i dati del colore in componenti di luminanza e luminanza separati, è possibile comprimere in modo selettivo solo i componenti della dominanza per ottenere risparmi sullo spazio con una perdita minima di qualità.

Una tecnica per eseguire questa operazione è denominata sottocampionamento chroma. I piani C_e C_r sono sottocampionati (ridimensionati) in una o entrambe le dimensioni orizzontali e verticali. Per motivi cronologici, ogni sottocampionamento di croma viene comunemente fatto riferimento all'uso di un rapporto J:a:b di tre parti.

Modalità sub-ampling	Ridimensionamento orizzontale	Ridimensionamento verticale	Bit per pixel*
4:4:4	1x	1x	24
4:2:2	2x	1x	16
4:4:0	1x	2x	16
4:2:0	2x	2x	12

 

* Include dati Y.

Dalla tabella precedente, se si usa YC_bC_r per archiviare i dati dell'immagine non compressi, è possibile ottenere un risparmio di memoria pari al 25% al 62,5% rispetto a 32 bit per pixel dati RGBA, a seconda della modalità di subampling di chroma.

Utilizzo JPEG di YC_bC_r

A livello generale, la pipeline di decompressione JPEG è costituita dalle fasi seguenti:

1. Eseguire entropia (ad esempio Huffman) decompressione
2. Eseguire la dequantizzazione
3. Eseguire una trasformazione cosina discreta inversa
4. Eseguire l'upsampling chroma nei dati C_bC_r
5. Convertire_{i dati} YC_bC r in RGBA (se necessario)

Se il codec JPEG produce dati YC_bC_r , è possibile evitare i due passaggi finali del processo di decodifica o rinviarli alla GPU. Oltre ai risparmi di memoria elencati nella sezione precedente, questo riduce notevolmente il tempo complessivo necessario per decodificare l'immagine. Lo stesso risparmio si applica quando si codificano i dati YC_bC_r .

Uso di dati JPEG YC_bC_r

Questa sezione illustra come usare WIC e Direct2D per operare sui dati YC_bC_r .

Per visualizzare le indicazioni di questo documento usato in pratica, vedere le ottimizzazioni JPEG YCbCr nell'esempio Direct2D e WIC che illustra tutti i passaggi necessari per decodificare e eseguire il rendering_{del contenuto} YC_bC r in un'app Direct2D.

Uso delle_{immagini JPEG di} YC_bC

La maggior parte delle immagini JPEG viene archiviata come YC_bC_r. Alcuni JPEG contengono dati cmYK o scala grigia e non usano YC_bC_r. Ciò significa che in genere, ma non sempre, può usare direttamente contenuto JPEG pre-esistente senza modifiche.

WIC e Direct2D non supportano tutte le possibili configurazioni YC_bC_r e il supporto YC_bC_r in Direct2D dipende dall'hardware e dal driver grafici sottostanti. Per questo motivo, una pipeline di creazione di immagini per utilizzo generico deve essere affidabile per le immagini che non usano YC_bC_r (inclusi altri formati di immagine comuni, ad esempio PNG o BMP) o nei casi in cui il supporto di YC_bC_r non è disponibile. È consigliabile mantenere la pipeline di creazione di immagini basata su BGRA esistente e abilitare YC_bC_r come ottimizzazione delle prestazioni quando disponibile.

API del componente Windows Imaging

WiC in Windows 8.1 aggiunge tre nuove interfacce per fornire l'accesso ai dati JPEG YC_bC_r.

IWICPlanarBitmapSourceTransform

IWICPlanarBitmapSourceTransform è analogo a IWICBitmapSourceTransform, ad eccezione del fatto che produce pixel in una configurazione planare, inclusi i dati YC_bC_r . È possibile ottenere questa interfaccia chiamando QueryInterface su un'implementazione di IWICBitmapSource che supporta l'accesso planare. Ciò include l'implementazione del codec JPEG di IWICBitmapFrameDecode e IWICBitmapScaler, IWICBitmapFlipRotator e IWICColorTransform.

IWICPlanarBitmapFrameEncode

IWICPlanarBitmapFrameEncode offre la possibilità di codificare i dati dei pixel planari, inclusi i dati YC_bC_r . È possibile ottenere questa interfaccia chiamando QueryInterface nell'implementazione del codec JPEG di IWICBitmapFrameEncode.

IWICPlanarFormatConverter

IWICPlanarFormatConverter consente a IWICFormatConverter di utilizzare dati pixel planari, tra cui YC_bC_r, e convertirli in un formato pixel interleaved. Non espone la possibilità di convertire i dati in pixel interleaved in un formato planare. È possibile ottenere questa interfaccia chiamando QueryInterface nell'implementazione fornita da Windows di IWICFormatConverter.

API Direct2D

Direct2D in Windows 8.1 supporta i dati in_{pixel planari} YC_bC con il nuovo effetto immagine YC_bC_r . Questo effetto consente di eseguire il rendering dei dati YC_bC_r . L'effetto assume come input due interfacce ID2D1Bitmap : una contenente dati Y planari nel formato DXGI_FORMAT_R8_UNORM e una contenente i dati CbCr interleaved nel formato DXGI_FORMAT_R8G8_UNORM. In genere si usa questo effetto al posto di ID2D1Bitmap che contiene dati in pixel BGRA.

L'effetto immagine YC_bC_r deve essere usato insieme alle API WIC YC_bC_r che forniscono i dati YC_bC_r . Ciò agisce in modo efficace per eseguire l'offload di parte del lavoro di decodifica dalla CPU alla GPU, in cui può essere elaborato molto più rapidamente e in parallelo.

Determinare se la configurazione di YC_bC_r è supportata

Come indicato in precedenza, l'app deve essere affidabile nei casi in cui il supporto di YC_bC_r non è disponibile. Questa sezione illustra le condizioni che l'app deve verificare. Se uno dei controlli seguenti ha esito negativo, l'app deve eseguire il fallback a una pipeline standard basata su BGRA.

Il componente WIC supporta l'accesso ai dati YC_bC_r ?

Solo il codec JPEG fornito da Windows e alcune trasformazioni WIC supportano l'accesso ai dati YC_bC_r . Per un elenco completo, vedere la sezione API del componente windows imaging .

Per ottenere una delle interfacce YC_bC_r planari, chiamare QueryInterface sull'interfaccia originale. Questo errore avrà esito negativo se il componente non supporta l'accesso ai dati YC_bC_r .

La trasformazione WIC richiesta è supportata per YC_bC_r?

Dopo aver ottenuto un IWICPlanarBitmapSourceTransform, devi prima chiamare DoesSupportTransform. Questo metodo accetta come parametri di input il set completo di trasformazioni che si desidera applicare ai dati planari YC_bC_r e restituisce un valore Boolean che indica il supporto, nonché le dimensioni più vicine alle dimensioni richieste che possono essere restituite. È necessario controllare tutti e tre i valori prima di accedere ai dati pixel con IWICPlanarBitmapSourceTransform::CopyPixels.

Questo modello è simile al modo in cui viene usato IWICBitmapSourceTransform .

Il driver grafico supporta le funzionalità necessarie per usare YC_bC_r con Direct2D?

Questo controllo è necessario solo se si usa l'effetto Direct2D YC_bC_r per eseguire il rendering del contenuto YC_bC_r . Direct2D archivia i dati YC_bC_r usando i formati DXGI_FORMAT_R8_UNORM e DXGI_FORMAT_R8G8_UNORM pixel, che non sono disponibili da tutti i driver di grafica.

Prima di usare l'effetto immagine YC_bC_r , devi chiamare ID2D1DeviceContext::IsDxgiFormatSupported per assicurarsi che entrambi i formati siano supportati dal driver.

Codice di esempio

Di seguito è riportato un esempio di codice che illustra i controlli consigliati. Questo esempio è stato tratto dalle ottimizzazioni JPEG YCbCr nell'esempio Direct2D e WIC.

bool DirectXSampleRenderer::DoesWicSupportRequestedYCbCr()
{
    ComPtr<IWICPlanarBitmapSourceTransform> wicPlanarSource;
    HRESULT hr = m_wicScaler.As(&wicPlanarSource);
    if (SUCCEEDED(hr))
    {
        BOOL isTransformSupported;
        uint32 supportedWidth = m_cachedBitmapPixelWidth;
        uint32 supportedHeight = m_cachedBitmapPixelHeight;
        DX::ThrowIfFailed(
            wicPlanarSource->DoesSupportTransform(
                &supportedWidth,
                &supportedHeight,
                WICBitmapTransformRotate0,
                WICPlanarOptionsDefault,
                SampleConstants::WicYCbCrFormats,
                m_planeDescriptions,
                SampleConstants::NumPlanes,
                &isTransformSupported
                )
            );

        // The returned width and height may be larger if IWICPlanarBitmapSourceTransform does not
        // exactly support what is requested.
        if ((isTransformSupported == TRUE) &&
            (supportedWidth == m_cachedBitmapPixelWidth) &&
            (supportedHeight == m_cachedBitmapPixelHeight))
        {
            return true;
        }
    }

    return false;
}

bool DirectXSampleRenderer::DoesDriverSupportYCbCr()
{
    auto d2dContext = m_deviceResources->GetD2DDeviceContext();

    return (d2dContext->IsDxgiFormatSupported(DXGI_FORMAT_R8_UNORM)) &&
        (d2dContext->IsDxgiFormatSupported(DXGI_FORMAT_R8G8_UNORM));
}

Decodifica dei dati pixel YC_bC_R

Se vuoi ottenere_{dati pixel} YC_bC, devi chiamare IWICPlanarBitmapSourceTransform::CopyPixels. Questo metodo copia i dati pixel in una matrice di strutture WICBitmapPlane compilate, una per ogni piano di dati desiderato ,ad esempio Y e C_{bC r}. WiCBitmapPlane contiene informazioni sui dati pixel e punta al buffer di memoria che riceverà i dati.

Se vuoi usare i dati pixel YC_bC_r con altre API WIC, devi creare un IWICBitmap configurato in modo appropriato, chiamare Lock per ottenere il buffer di memoria sottostante e associare il buffer a WICBitmapPlane usato per ricevere i dati pixel YC_bC_r . È quindi possibile usare normalmente IWICBitmap .

Infine, se si desidera eseguire il rendering dei dati YC_bC_r in Direct2D, è necessario creare un ID2D1Bitmap da ogni IWICBitmap e usarli come origine per l'effetto immagine YC_bC_r . WiC consente di richiedere più configurazioni planari. Quando si interagisce con Direct2D, è necessario richiedere due piani, uno usando GUID_WICPixelFormat8bppY e l'altro usando GUID_WICPixelFormat16bppCbCr, in quanto questa è la configurazione prevista da Direct2D.

Codice di esempio

Di seguito è riportato un esempio di codice che illustra i passaggi per decodificare ed eseguire il rendering dei dati YC_bC_r in Direct2D. Questo esempio è stato tratto dalle ottimizzazioni JPEG YCbCr nell'esempio Direct2D e WIC.

void DirectXSampleRenderer::CreateYCbCrDeviceResources()
{
    auto wicFactory = m_deviceResources->GetWicImagingFactory();
    auto d2dContext = m_deviceResources->GetD2DDeviceContext();

    ComPtr<IWICPlanarBitmapSourceTransform> wicPlanarSource;
    DX::ThrowIfFailed(
        m_wicScaler.As(&wicPlanarSource)
        );

    ComPtr<IWICBitmap> bitmaps[SampleConstants::NumPlanes];
    ComPtr<IWICBitmapLock> locks[SampleConstants::NumPlanes];
    WICBitmapPlane planes[SampleConstants::NumPlanes];

    for (uint32 i = 0; i < SampleConstants::NumPlanes; i++)
    {
        DX::ThrowIfFailed(
            wicFactory->CreateBitmap(
                m_planeDescriptions[i].Width,
                m_planeDescriptions[i].Height,
                m_planeDescriptions[i].Format,
                WICBitmapCacheOnLoad,
                &bitmaps[i]
                )
            );

        LockBitmap(bitmaps[i].Get(), WICBitmapLockWrite, nullptr, &locks[i], &planes[i]);
    }

    DX::ThrowIfFailed(
        wicPlanarSource->CopyPixels(
            nullptr, // Copy the entire source region.
            m_cachedBitmapPixelWidth,
            m_cachedBitmapPixelHeight,
            WICBitmapTransformRotate0,
            WICPlanarOptionsDefault,
            planes,
            SampleConstants::NumPlanes
            )
        );

    DX::ThrowIfFailed(d2dContext->CreateEffect(CLSID_D2D1YCbCr, &m_d2dYCbCrEffect));

    ComPtr<ID2D1Bitmap1> d2dBitmaps[SampleConstants::NumPlanes];
    for (uint32 i = 0; i < SampleConstants::NumPlanes; i++)
    {
        // IWICBitmapLock must be released before using the IWICBitmap.
        locks[i] = nullptr;

        // First ID2D1Bitmap1 is DXGI_FORMAT_R8 (Y), second is DXGI_FORMAT_R8G8 (CbCr).
        DX::ThrowIfFailed(d2dContext->CreateBitmapFromWicBitmap(bitmaps[i].Get(), &d2dBitmaps[i]));
        m_d2dYCbCrEffect->SetInput(i, d2dBitmaps[i].Get());
    }
}

void DirectXSampleRenderer::LockBitmap(
    _In_ IWICBitmap *pBitmap,
    DWORD bitmapLockFlags,
    _In_opt_ const WICRect *prcSource,
    _Outptr_ IWICBitmapLock **ppBitmapLock,
    _Out_ WICBitmapPlane *pPlane
    )
{
    // ComPtr guarantees the IWICBitmapLock is released if an exception is thrown.
    ComPtr<IWICBitmapLock> lock;
    DX::ThrowIfFailed(pBitmap->Lock(prcSource, bitmapLockFlags, &lock));
    DX::ThrowIfFailed(lock->GetStride(&pPlane->cbStride));
    DX::ThrowIfFailed(lock->GetDataPointer(&pPlane->cbBufferSize, &pPlane->pbBuffer));
    DX::ThrowIfFailed(lock->GetPixelFormat(&pPlane->Format));
    *ppBitmapLock = lock.Detach();
}

Trasformazione dei dati pixel YC_bC_r

La trasformazione dei dati YC_bC_r è quasi identica alla decodifica, poiché entrambi coinvolgono IWICPlanarBitmapSourceTransform. L'unica differenza è l'oggetto WIC da cui hai ottenuto l'interfaccia. Lo strumento di ridimensionamento, la rotazione capovolgimento e la trasformazione del colore di Windows supportano tutti l'accesso YC_bC_r .

Concatenamento delle trasformazioni

WIC supporta la nozione di concatenamento di più trasformazioni. Ad esempio, è possibile creare la pipeline WIC seguente:

È quindi possibile chiamare QueryInterface in IWICColorTransform per ottenere IWICPlanarBitmapSourceTransform. La trasformazione del colore può comunicare con le trasformazioni precedenti e può esporre le funzionalità di aggregazione di ogni fase della pipeline. WIC garantisce che i dati YC_bC_r vengano mantenuti tramite l'intero processo. Questo concatenamento funziona solo quando si usano componenti che supportano l'accesso YC_bC_r .

Ottimizzazioni codec JPEG

Analogamente all'implementazione della decodifica dei frame JPEG di IWICBitmapSourceTransform, l'implementazione del decodifica frame JPEG di IWICPlanarBitmapSourceTransform supporta il ridimensionamento e la rotazione del dominio JPEG nativi. È possibile richiedere una potenza di due ridimensionamento o una rotazione direttamente dal decodificatore JPEG. Ciò comporta in genere una qualità e prestazioni superiori rispetto all'uso delle trasformazioni discrete.

Inoltre, quando concatena una o più trasformazioni WIC dopo il decodificatore JPEG, può sfruttare la scalabilità e la rotazione JPEG native per soddisfare l'operazione richiesta di aggregazione.

Conversioni di formato

Usare IWICPlanarFormatConverter per convertire i dati pixel YC_bC_r planari in un formato pixel interleaved, ad esempio GUID_WICPixelFormat32bppPBGRA. WiC in Windows 8.1 non offre la possibilità di eseguire la conversione in un formato pixel YC_{b Cr} planare.

Codifica dei dati pixel YC_bC_r

Usare IWICPlanarBitmapFrameEncode per codificare i dati pixel YC_bC_r nel codificatore JPEG. La codifica dei dati YC_bC_rIWICPlanarBitmapFrameEncode è simile ma non identica alla codifica dei dati interleaved usando IWICBitmapFrameEncode. L'interfaccia planare espone solo la possibilità di scrivere dati dell'immagine del frame planare ed è consigliabile continuare a usare l'interfaccia di codifica dei fotogrammi per impostare metadati o un'anteprima e per eseguire il commit alla fine dell'operazione.

Per il caso tipico, è necessario seguire questa procedura:

1. Ottenere IWICBitmapFrameEncode come di consueto . Se si vuole configurare il sottocampionamento chroma, impostare l'opzione codificatore JpegYCrCbSubsampling durante la creazione del frame.
2. Se è necessario impostare metadati o un'anteprima, eseguire questa operazione usando IWICBitmapFrameEncode come di consueto .
3. QueryInterface per IWICPlanarBitmapFrameEncode.
4. Impostare i dati pixel YC_bC_usandoIWICPlanarBitmapFrameEncode::WriteSource o IWICPlanarBitmapFrameEncode::WritePixels. A differenza delle controparti IWICBitmapFrameEncode , questi metodi vengono forniti con una matrice di IWICBitmapSource o WICBitmapPlane che contengono i piani pixel YC_bC_r .
5. Al termine, chiamare IWICBitmapFrameEncode::Commit.

Decodifica dei dati pixel YC_bC_R in Windows 10

A partire da Windows 10 build 1507, Direct2D fornisce ID2D1ImageSourceFromWic, un modo più semplice per decodificare i JPEG in Direct2D sfruttando le ottimizzazioni YC_bC_r. ID2D1ImageSourceFromWic esegue automaticamente tutti i controlli di funzionalità YC_bC_r necessari; usa il percorso di codice ottimizzato quando possibile e usa un fallback in caso contrario. Abilita anche nuove ottimizzazioni, ad esempio la memorizzazione nella cache solo delle sottoregioni dell'immagine necessarie alla volta.

Per altre informazioni sull'uso di ID2D1ImageSourceFromWic, vedere l'esempio Direct2D Photo Adjustment SDK.

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