Web 端实时防挡脸弹幕(基于机器学习)

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

1. up 上传视频
2. 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
3. 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

1. 主播推流时，实时（主播设备）从画面提取人像区域，转换成 svg
2. 将 svg 数据合并到视频流中（SEI），推流至服务器
3. 客户端播放视频同时，从视频流中（SEI）解析出 svg
4. 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

1. 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）
2. 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<void> {
  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<void> {
  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。

1. 分别打包一个 loader，一个主体
2. 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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