Web 端实时防挡脸弹幕（基于机器学习）

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

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/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/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/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/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/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（/d/file/gt/2023-09/g4xnkv3rpqi.md CPU 占用 70% 左右

const canvas = document.createElement('canvas')canvas.width = videoElWidthcanvas.height = videoElHeightasync 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/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/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offsecreenCvsElnvertToBlob({ 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.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。

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（/d/file/gt/2023-09/nd2iduyoriz 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 （/d/file/gt/2023-09/olj5rszsgl4 哔哩哔哩资深开发工程师

来源:微信公众号:哔哩哔哩技术

出处:/d/file/gt/2023-09/1d0sgpegevc