刘俊 哔哩哔哩技术 2023-06-09 12:00 发表于上海
本期作者
刘俊
哔哩哔哩资深开发工程师
前言
防挡脸弹幕，即大量弹幕飘过，但不会遮挡视频画面中的人物，看起来像是从人物背后飘过去的。
机器学习已经火了好几年了，但很多人都不知道浏览器中也能运行这些能力；
本文介绍在视频弹幕方面的实践优化过程，文末列举了一些本方案可适用的场景，期望能开启一些脑洞。
mediapipe Demo（
https://google.github.io/mediapipe/）展示
，时长00:05
主流防挡脸弹幕实现原理
点播
- up 上传视频
- 服务器后台计算提取视频画面中的人像区域，转换成 svg 存储
- 客户端播放视频的同时，从服务器下载 svg 与弹幕合成，人像区域不显示弹幕
直播
- 主播推流时，实时（主播设备）从画面提取人像区域，转换成 svg
- 将 svg 数据合并到视频流中（SEI），推流至服务器
- 客户端播放视频同时，从视频流中（SEI）解析出 svg
- 将 svg 与弹幕合成，人像区域不显示弹幕
本文实现方案
客户端播放视频同时，实时从画面提取人像区域信息，将人像区域信息导出成图片与弹幕合成，人像区域不显示弹幕。
实现原理
- 采用机器学习开源库从视频画面实时提取人像轮廓，如Body Segmentation（https://github.com/tensorflow/tfjs-models/blob/master/body-segmentation/README.md）
- 将人像轮廓转导出为图片，设置弹幕层的 mask-image（https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/CSS/mask-image）
对比传统（直播SEI实时）方案
优点：
- 易于实现；只需要Video标签一个参数，无需多端协同配合
- 无网络带宽消耗
缺点：
- 理论性能极限劣于传统方案；相当于性能资源换网络资源
面临的问题
众所周知“JS 性能太辣鸡”，不适合执行 CPU 密集型任务。
由官方demo变成工程实践，最大的挑战就是——性能。
本次实践最终将 CPU 占用优化到 5% 左右（2020 M1 Macbook），达到生产可用状态。
实践调优过程
选择机器学习模型
BodyPix （https://github.com/tensorflow/tfjs-models/blob/master/body-segmentation/src/body_pix/README.md）
精确度太差，面部偏窄，有很明显的弹幕与人物面部边缘重叠现象
BlazePose（https://github.com/tensorflow/tfjs-models/blob/master/pose-detection/src/blazepose_mediapipe/README.md）
精确度优秀，且提供了肢体点位信息，但性能较差
返回数据结构示例
[
{
score: 0.8,
keypoints: [
{x: 230, y: 220, score: 0.9, score: 0.99, name: "nose"},
{x: 212, y: 190, score: 0.8, score: 0.91, name: "left_eye"},
...
],
keypoints3D: [
{x: 0.65, y: 0.11, z: 0.05, score: 0.99, name: "nose"},
...
],
segmentation: {
maskValueToLabel: (maskValue: number) => { return 'person' },
mask: {
toCanvasImageSource(): ...
toImageData(): ...
toTensor(): ...
getUnderlyingType(): ...
}
}
}
]MediaPipe SelfieSegmentation （https://github.com/tensorflow/tfjs-models/blob/master/body-segmentation/src/selfie_segmentation_mediapipe/README.md）
精确度优秀（跟 BlazePose 模型效果一致），CPU 占用相对 BlazePose 模型降低 15% 左右，性能取胜，但返回数据中不提供肢体点位信息
返回数据结构示例
{
maskValueToLabel: (maskValue: number) => { return 'person' },
mask: {
toCanvasImageSource(): ...
toImageData(): ...
toTensor(): ...
getUnderlyingType(): ...
}
}初版实现
参考 MediaPipe SelfieSegmentation 模型 官方实现（
https://github.com/tensorflow/tfjs-models/blob/master/body-segmentation/README.md#bodysegmentationdrawmask），未做优化的情况下 CPU 占用 70% 左右
const canvas = document.createElement('canvas')
canvas.width = videoEl.videoWidth
canvas.height = videoEl.videoHeight
async function detect (): Promise {
const segmentation = await segmenter.segmentPeople(videoEl)
const foregroundColor = { r: 0, g: 0, b: 0, a: 0 }
const backgroundColor = { r: 0, g: 0, b: 0, a: 255 }
const mask = await toBinaryMask(segmentation, foregroundColor, backgroundColor)
await drawMask(canvas, canvas, mask, 1, 9)
// 导出Mask图片，需要的是轮廓，图片质量设为最低
handler(canvas.toDataURL('image/png', 0))
window.setTimeout(detect, 33)
}
detect().catch(console.error) 降低提取频率，平衡 性能-体验
一般视频 30FPS，尝试弹幕遮罩（后称 Mask）刷新频率降为 15FPS，体验上还能接受
window.setTimeout(detect, 66) // 33 => 66此时，CPU 占用 50% 左右
解决性能瓶颈
分析火焰图可发现，性能瓶颈在 toBinaryMask 和 toDataURL
重写toBinaryMask
分析源码，结合打印segmentation的信息，发现
segmentation.mask.toCanvasImageSource可获取原始ImageBitmap对象，即是模型提取出来的信息。
尝试自行实现将ImageBitmap转换成 Mask 的能力，替换开源库提供的默认实现。
实现原理
async function detect (): Promise {
const segmentation = await segmenter.segmentPeople(videoEl)
context.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height)
// 1. 将`ImageBitmap`绘制到 Canvas 上
context.drawImage(
// 经验证 即使出现多人，也只有一个 segmentation
await segmentation[0].mask.toCanvasImageSource(),
0, 0,
canvas.width, canvas.height
)
// 2. 设置混合模式
context.globalCompositeOperation = 'source-out'
// 3. 反向填充黑色
context.fillRect(0, 0, canvas.width, canvas.height)
// 导出Mask图片，需要的是轮廓，图片质量设为最低
handler(canvas.toDataURL('image/png', 0))
window.setTimeout(detect, 66)
} 第 2、3 步相当于给人像区域外的内容填充黑色（反向填充ImageBitmap），是为了配合css（mask-image）， 不然只有当弹幕飘到人像区域才可见（与目标效果正好相反）。
globalCompositeOperation MDN（https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/CanvasRenderingContext2D/globalCompositeOperation）
此时，CPU 占用 33% 左右
多线程优化
只剩下toDataURL这个耗时操作了，本以为toDataURL是浏览器内部实现，无法再进行优化了。
虽没有替换实现，但可使用 OffscreenCanvas （
https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/OffscreenCanvas）+ Worker，将耗时任务转移到 Worker 中去， 避免占用主线程，就不会影响用户体验了。
并且ImageBitmap实现了Transferable接口，可被转移所有权，跨 Worker 传递也没有性能损耗（
https://hughfenghen.github.io/fe-basic-course/js-concurrent.html#
%E4%B8%A4%E4%B8%AA%E6%96%B9%E6%B3%95%E5%AF%B9%E6%AF%94）。
// 前文 detect 的反向填充 ImageBitmap 也可以转移到 Worker 中
// 用 OffscreenCanvas 实现， 此处略过
const reader = new FileReaderSync()
// OffscreenCanvas 不支持 toDataURL，使用 convertToBlob 代替
offsecreenCvsEl.convertToBlob({
type: 'image/png',
quality: 0
}).then((blob) => {
const dataURL = reader.readAsDataURL(blob)
self.postMessage({
msgType: 'mask',
val: dataURL
})
}).catch(console.error)可以看到两个耗时的操作消失了
此时，CPU 占用 15% 左右
降低分辨率
继续分析，上图重新计算样式（紫色部分）耗时约 3ms
Demo 足够简单很容易推测到是这行代码导致的，发现 imgStr 大概 100kb 左右（视频分辨率 1280x720）。
danmakuContainer.style.webkitMaskImage = `url(${imgStr})通过canvas缩小图片尺寸（360P甚至更低），再进行推理。
优化后，导出的 imgStr 大概 12kb，重新计算样式耗时约 0.5ms。
此时，CPU 占用 5% 左右
启动条件优化
虽然提取 Mask 整个过程的 CPU 占用已优化到可喜程度。
当在画面没人的时候，或没有弹幕时候，可以停止计算，实现 0 CPU 占用。
无弹幕判断比较简单（比如 10s 内收超过两条弹幕则启动计算），也不在该 SDK 实现范围，略过
判定画面是否有人
第一步中为了高性能，选择的模型只有ImageBitmap，并没有提供肢体点位信息，所以只能使用getImageData返回的像素点值来判断画面是否有人。
画面无人时，CPU 占用接近 0%
发布构建优化
依赖包的提交较大，构建出的 bundle 体积：684.75 KiB / gzip: 125.83 KiB
所以，可以进行异步加载SDK，提升页面加载性能。
- 分别打包一个 loader，一个主体
- 由业务方 import loader，首次启用时异步加载主体
这个两步前端工程已经非常成熟了，略过细节。
运行效果
，时长00:13
总结
过程
- 选择高性能模型后，初始状态 CPU 70%
- 降低 Mask 刷新频率（15FPS），CPU 50%
- 重写开源库实现（toBinaryMask），CPU 33%
- 多线程优化，CPU 15%
- 降低分辨率，CPU 5%
- 判断画面是否有人，无人时 CPU 接近 0%
CPU 数值指主线程占用
注意事项
- 兼容性：Chrome 79及以上，不支持 Firefox、Safari。因为使用了OffscreenCanvas
- 不应创建多个或多次创建segmenter实例（bodySegmentation.createSegmenter），如需复用请保存实例引用，因为：
- 创建实例时低性能设备会有明显的卡顿现象
- 会内存泄露；如果无法避免，这是mediapipe 内存泄露 解决方法（https://github.com/google/mediapipe/issues/2819#issuecomment-1160335349）
经验
- 优化完成之后，提取并应用 Mask 关键计算量在 GPU (30%左右)，而不是 CPU
- 性能优化需要业务场景分析，防挡弹幕场景可以使用低分辨率、低刷新率的 mask-image，能大幅减少计算量
- 该方案其他应用场景：
- 替换/模糊人物背景
- 人像马赛克
- 人像抠图
- 卡通头套，虚拟饰品，如猫耳朵、兔耳朵、带花、戴眼镜什么的（换一个模型，略改）
- 关注Web 神经网络 API （https://mp.weixin.qq.com/s/v7-xwYJqOfFDIAvwIVZVdg）进展，以后实现相关功能也许会更简单
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