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オーディオワークレットがデフォルトで使用できるようになりました

Hongchan Choi

Chrome 64 では、Web Audio API の待望の新機能である AudioWorklet が導入されています。ここでは、JavaScript コードを使用してカスタム音声プロセッサを作成するコンセプトと使用方法について説明します。ライブデモをご覧ください。高度なオーディオアプリを構築する場合は、シリーズの次の記事「オーディオワークレットの設計パターン」もご覧ください。

背景: ScriptProcessorNode

Web Audio API のオーディオ処理は、メイン UI スレッドとは別のスレッドで実行されるため、スムーズに実行されます。JavaScript でカスタム音声処理を有効にするために、Web Audio API では、イベントハンドラを使用してメイン UI スレッドでユーザースクリプトを呼び出す ScriptProcessorNode が提案されました。

この設計には 2 つの問題があります。イベント処理は設計上非同期であり、コードの実行はメインスレッドで行われます。前者はレイテンシを引き起こし、後者は通常、さまざまな UI と DOM 関連のタスクで混雑しているメインスレッドに負荷をかけ、UI の「ジャンク」や音声の「グリッチ」を引き起こします。この根本的な設計上の欠陥のため、ScriptProcessorNode は仕様から非推奨となり、AudioWorklet に置き換えられました。

コンセプト

Audio Worklet は、ユーザー提供の JavaScript コードをすべてオーディオ処理スレッド内に保持します。つまり、音声を処理するためにメインスレッドにジャンプする必要はありません。つまり、ユーザー提供のスクリプトコードは、他の組み込み AudioNodes とともにオーディオレンダリングスレッド（AudioWorkletGlobalScope）で実行されるため、追加のレイテンシが発生せず、同期レンダリングが保証されます。

登録とインスタンス化

Audio Worklet の使用は、AudioWorkletProcessor と AudioWorkletNode の 2 つの部分で構成されます。これは ScriptProcessorNode を使用するよりも複雑ですが、カスタム音声処理の低レベル機能をデベロッパーに提供するために必要です。AudioWorkletProcessor は、JavaScript コードで記述された実際のオーディオプロセッサを表し、AudioWorkletGlobalScope に存在します。AudioWorkletNode は AudioWorkletProcessor に対応しており、メインスレッド内の他の AudioNodes との接続を処理します。これはメインのグローバルスコープで公開され、通常の AudioNode のように機能します。

登録とインスタンス化を示すコードスニペットを次に示します。

// The code in the main global scope.
class MyWorkletNode extends AudioWorkletNode {
  constructor(context) {
    super(context, 'my-worklet-processor');
  }
}

let context = new AudioContext();

context.audioWorklet.addModule('processors.js').then(() => {
  let node = new MyWorkletNode(context);
});

AudioWorkletNode を作成するには、AudioContext オブジェクトとプロセッサ名を文字列として追加する必要があります。プロセッサ定義は、新しい Audio Worklet オブジェクトの addModule() 呼び出しによって読み込まれ、登録できます。Audio Worklet などの Worklet API は安全なコンテキストでのみ使用できるため、それらを使用するページは HTTPS 経由で配信する必要があります。ただし、http://localhost はローカルテストでは安全と見なされます。

AudioWorkletNode をサブクラス化して、ワークレットで実行されているプロセッサを基盤とするカスタムノードを定義できます。

// This is the "processors.js" file, evaluated in AudioWorkletGlobalScope
// upon audioWorklet.addModule() call in the main global scope.
class MyWorkletProcessor extends AudioWorkletProcessor {
  constructor() {
    super();
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    // audio processing code here.
  }
}

registerProcessor('my-worklet-processor', MyWorkletProcessor);

AudioWorkletGlobalScope の registerProcessor() メソッドは、登録するプロセッサの名前とクラス定義の文字列を受け取ります。グローバルスコープでスクリプトコードの評価が完了すると、AudioWorklet.addModule() の Promise が解決され、クラス定義がメインのグローバルスコープで使用できる状態になったことをユーザーに通知します。

カスタム音声パラメータ

AudioNode の便利な点の 1 つは、AudioParam によるスケジュール設定可能なパラメータオートメーションです。AudioWorkletNodes は、これらのパラメータを使用して、オーディオレートで自動的に制御できる公開パラメータを取得できます。

ユーザー定義の音声パラメータは、AudioParamDescriptor のセットを設定して AudioWorkletProcessor クラス定義で宣言できます。基盤となる WebAudio エンジンは、AudioWorkletNode の作成時にこの情報を取得し、それに応じて AudioParam オブジェクトを作成してノードにリンクします。

/* A separate script file, like "my-worklet-processor.js" */
class MyWorkletProcessor extends AudioWorkletProcessor {

  // Static getter to define AudioParam objects in this custom processor.
  static get parameterDescriptors() {
    return [{
      name: 'myParam',
      defaultValue: 0.707
    }];
  }

  constructor() { super(); }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    // |myParamValues| is a Float32Array of either 1 or 128 audio samples
    // calculated by WebAudio engine from regular AudioParam operations.
    // (automation methods, setter) Without any AudioParam change, this array
    // would be a single value of 0.707.
    const myParamValues = parameters.myParam;

    if (myParamValues.length === 1) {
      // |myParam| has been a constant value for the current render quantum,
      // which can be accessed by |myParamValues[0]|.
    } else {
      // |myParam| has been changed and |myParamValues| has 128 values.
    }
  }
}

`AudioWorkletProcessor.process()` メソッド

実際の音声処理は、AudioWorkletProcessor の process() コールバックメソッドで行われます。これは、ユーザーがクラス定義で実装する必要があります。WebAudio エンジンは、この関数を同期的に呼び出して、入力とパラメータをフィードし、出力を取得します。

/* AudioWorkletProcessor.process() method */
process(inputs, outputs, parameters) {
  // The processor may have multiple inputs and outputs. Get the first input and
  // output.
  const input = inputs[0];
  const output = outputs[0];

  // Each input or output may have multiple channels. Get the first channel.
  const inputChannel0 = input[0];
  const outputChannel0 = output[0];

  // Get the parameter value array.
  const myParamValues = parameters.myParam;

  // if |myParam| has been a constant value during this render quantum, the
  // length of the array would be 1.
  if (myParamValues.length === 1) {
    // Simple gain (multiplication) processing over a render quantum
    // (128 samples). This processor only supports the mono channel.
    for (let i = 0; i < inputChannel0.length; ++i) {
      outputChannel0[i] = inputChannel0[i] * myParamValues[0];
    }
  } else {
    for (let i = 0; i < inputChannel0.length; ++i) {
      outputChannel0[i] = inputChannel0[i] * myParamValues[i];
    }
  }

  // To keep this processor alive.
  return true;
}

また、process() メソッドの戻り値を使用して AudioWorkletNode の存続期間を制御し、デベロッパーがメモリフットプリントを管理できるようにすることもできます。process() メソッドから false を返すと、プロセッサが無効になり、WebAudio エンジンはメソッドを呼び出しません。プロセッサを存続させるには、メソッドが true を返す必要があります。それ以外の場合、ノードとプロセッサのペアは最終的にシステムによってガベージコレクションされます。

MessagePort による双方向通信

カスタム AudioWorkletNode で、カスタムフィルタの制御に使用される文字列ベースの type 属性など、AudioParam にマッピングされないコントロールを公開することがあります。この目的とそれ以外のために、AudioWorkletNode と AudioWorkletProcessor には双方向通信用の MessagePort が装備されています。このチャネルでは、あらゆる種類のカスタムデータを交換できます。

MessagePort には、ノードとプロセッサの両方で .port 属性を使用してアクセスできます。ノードの port.postMessage() メソッドは、関連するプロセッサの port.onmessage ハンドラにメッセージを送信します。また、その逆も同様です。

/* The code in the main global scope. */
context.audioWorklet.addModule('processors.js').then(() => {
  let node = new AudioWorkletNode(context, 'port-processor');
  node.port.onmessage = (event) => {
    // Handling data from the processor.
    console.log(event.data);
  };

  node.port.postMessage('Hello!');
});

/* "processors.js" file. */
class PortProcessor extends AudioWorkletProcessor {
  constructor() {
    super();
    this.port.onmessage = (event) => {
      // Handling data from the node.
      console.log(event.data);
    };

    this.port.postMessage('Hi!');
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    // Do nothing, producing silent output.
    return true;
  }
}

registerProcessor('port-processor', PortProcessor);

MessagePort は transferable をサポートしているため、スレッド境界を越えてデータストレージまたは WASM モジュールを転送できます。これにより、オーディオワークレットシステムの使用方法が無数に広がります。

チュートリアル: GainNode を作成する

AudioWorkletNode と AudioWorkletProcessor 上に構築された GainNode の完全な例を次に示します。

index.html ファイル:

<!doctype html>
<html>
<script>
  const context = new AudioContext();

  // Loads module script with AudioWorklet.
  context.audioWorklet.addModule('gain-processor.js').then(() => {
    let oscillator = new OscillatorNode(context);

    // After the resolution of module loading, an AudioWorkletNode can be
    // constructed.
    let gainWorkletNode = new AudioWorkletNode(context, 'gain-processor');

    // AudioWorkletNode can be interoperable with other native AudioNodes.
    oscillator.connect(gainWorkletNode).connect(context.destination);
    oscillator.start();
  });
</script>
</html>

gain-processor.js ファイル:

class GainProcessor extends AudioWorkletProcessor {

  // Custom AudioParams can be defined with this static getter.
  static get parameterDescriptors() {
    return [{ name: 'gain', defaultValue: 1 }];
  }

  constructor() {
    // The super constructor call is required.
    super();
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    const input = inputs[0];
    const output = outputs[0];
    const gain = parameters.gain;
    for (let channel = 0; channel < input.length; ++channel) {
      const inputChannel = input[channel];
      const outputChannel = output[channel];
      if (gain.length === 1) {
        for (let i = 0; i < inputChannel.length; ++i)
          outputChannel[i] = inputChannel[i] * gain[0];
      } else {
        for (let i = 0; i < inputChannel.length; ++i)
          outputChannel[i] = inputChannel[i] * gain[i];
      }
    }

    return true;
  }
}

registerProcessor('gain-processor', GainProcessor);

ここでは、オーディオワークレットシステムの基本について説明します。ライブデモは Chrome WebAudio チームの GitHub リポジトリで確認できます。

機能の移行: 試験運用版から安定版

音声ワークレットは、Chrome 66 以降ではデフォルトで有効になっています。Chrome 64 と 65 では、この機能は試験運用版フラグで制限されていました。