前端演算法之彈幕設計

大家都說前端寫頁面較多，幾乎用不到演算法。本文願從彈幕設計這個場景來描述演算法在前端中的應用，我們先來看下實現效果：

圖1.1 彈幕效果

開場之前我們先來描述彈幕開發的難度，再集中精力描述演算法設計的思路。

• 如何保證不同字號的彈幕不碰撞
• 彈幕的位置計算
• 彈幕的速度控制及動畫實現
• 彈幕與視訊的同步

如何保證不同字號的彈幕不碰撞

如果彈幕採用相同的字號，碰撞的問題處理起來比較簡單，只要考慮相鄰彈幕的播放速度和偏移的位置就可以計算出來。然而使用不同字號的彈幕處理起來就麻煩了許多，彈幕的起始位置不可以線性的增加，比如第一行放了字幕，接下來的字幕可以按順序從上至下依次放置即可。

彈幕的位置計算

只有設計好彈幕的初始位置，才可以動態、高效的管理不同字號彈幕的碰撞問題。打個比方，我們通過介面獲取了2秒之內的彈幕資料1000條，每個字幕的長度、速度、字號都不同，怎麼管理這些彈幕，示意圖如下：

圖2.1 彈幕管理示意圖

這是第一種情況，按照從上到啊的順序依次擺放以後會有幾個問題：

1. 彈幕五、六、七該怎麼計算位置，按top值迴圈取模+累加嗎？
2. 當彈幕一或者彈幕三足夠長的時候，如何準時的跳過當前位置計算？
3. 當前螢幕的彈幕播放結束，如何再計算的時候利用空出來的位置
4. 空出的位置是否滿足當前彈幕的高度
5. ……

一系列問題就不統統列舉出來了，基於這個背景我們結合數學建模的思維方式，找到了彈幕場景相似度非常高的機場運營。我們可以把彈幕當做飛機，每個時間段播放多少彈幕和機場每個時間段放飛多少飛機一個道理。

首都國際機場一共有3條跑道，兩條4E級跑道、一條4F級跑道，2016年的吞吐量為9000萬人次。它的執行機制就是所有飛機通過搭臺有順序的共用3條跑道來完成運輸任務的。

同理，我們也設計了幾個個角色：一個是軌道(跑道)、一個是排程(塔臺)、一個是彈幕(飛機)，我們為每個角色設計一個類分為為Track、Main、Bullet。

• 軌道

  軌道這個角色很重要，它可以解決彈幕位置計算、速度控制、碰撞檢測問題。

  首先，我們要來初始化軌道。通俗的說我們要修建幾個跑道呢，我們不是實物，可以動態調整軌道的 數量，計算的原則：

    軌道數量 = 播放器有效高度 / 裝置基準字號
        * 播放器有效高度：播放器的實際高度減去控制條的高度，因為彈幕不可以遮擋控制條。
        * 裝置基準字號：移動端是10px，pc端是12px；
  複製程式碼

  為啥計算公式是這樣的？因為我們要支援不同字號的彈幕。試想不同的字號對物理空間的佔用是不同的，然而如果要求軌道的尺寸是動態的，那就帶來很複雜的計算。本文提出“虛擬軌道”的概念，在交通管制中最常見的就是道路合併或者改向。我們也是採用將相鄰的物理軌道臨時合併為一條軌道。這樣就可以輕鬆的解決不同字號的軌道佔用問題。原理圖如下：

圖2.2 軌道計算示意圖

其次我們來回憶下機場的工作流程：

1. 機長呼叫塔臺，CZ6132請求起飛
   • 目前跑道均被佔用，請等待
     • N時刻後再次執行步驟1
   • 目前跑道 A1 空閒，准許進入
     • 執行步驟3
2. 塔臺檢視跑道使用情況
3. 進入跑道，起飛完成
4. 機長通知塔臺，本次起飛完成，釋放跑道的佔用
5. 其他飛機同樣執行上述步驟

按照這個思路，我們的彈幕工作流程：

1. 彈幕進入播放器
2. 軌道根據彈幕的播放速度、尺寸計算是否有合適的軌道提供
   • 沒有
     • 通知彈幕尚無合適軌道提供，請等待；同時，彈幕佇列中的其他彈幕依次執行步驟1
   • 有
     • 執行步驟3
3. 播放器載入彈幕DOM，開始播放，待播放完成
4. 播放完成通知軌道更新軌道佔用情況
5. 其他彈幕同樣執行上述步驟

圖2.3 軌道可用性計算示意圖

關於軌道的基本原理我們整理清楚了，當然還有不少細節比如如何和排程通訊、如何和彈幕通訊以及虛擬軌道檢測演算法等。有興趣的同學可以參考程式碼吧。https://github.com/bytedance/xgplayer/blob/master/packages/xgplayer/src/control/makeBullet.js

• 彈幕 彈幕基本是實現“飛機”的角色，我們要求它具有自身的屬性和方法。比如排程中心通過id能拿到它所有的基本資訊，軌道控制也可以通過彈幕進行檢查和更新。當然彈幕也必須具備狀態自動更新、移動、播放結束通知、自動銷燬等功能。
• 排程 排程就是搭臺的化身，承接著軌道、彈幕的控制，也保持著與播放器的步調一致。它的職責如下：
  1. 播放器互動控制
  2. 彈幕佇列控制
  3. 自身狀態更新
  4. 資料格式轉換
  5. 動畫執行 還是直接用流程圖來描述更直接些：

在彈幕啟動之後，首先要檢查本地是否已有快取資料，沒有的話直接請求資料並快取，然後執行資料讀取，首次過濾資料進入彈幕佇列，同時啟動定時器。彈幕佇列的資料會定期請求軌道，檢測佇列裡的彈幕是否可以進入，一旦確認後軌道做好登記，彈幕就可以進入播放器開啟動畫播放了。定時器每隔2秒就會再次更新資料進入到彈幕佇列（這塊不同的業務可以定製不同的規則）。彈幕播放結束後會通知排程和軌道，排程會在彈幕佇列中移除該彈幕例項，軌道也會移除該彈幕例項的軌道佔用。

所有程式碼實現來自帶解析器、能節省流量的西瓜播放器, Github