前端算法之弹幕设计

大家都说前端写页面较多，几乎用不到算法。本文愿从弹幕设计这个场景来描述算法在前端中的应用，我们先来看下实现效果：

图1.1 弹幕效果

 

开场之前我们先来描述弹幕开发的难度，再集中精力描述算法设计的思路。

* 如何保证不同字号的弹幕不碰撞
* 弹幕的位置计算
* 弹幕的速度控制及动画实现
* 弹幕与视频的同步

***如何保证不同字号的弹幕不碰撞***

如果弹幕采用相同的字号，碰撞的问题处理起来比较简单，只要考虑相邻弹幕的播放速度和偏移的位置就可以计算出来。然而使用不同字号的弹幕处理起来就麻烦了许多，弹幕的起始位置不可以线性的增加，比如第一行放了字幕，接下来的字幕可以按顺序从上至下依次放置即可。

***弹幕的位置计算***

只有设计好弹幕的初始位置，才可以动态、高效的管理不同字号弹幕的碰撞问题。打个比方，我们通过接口获取了2秒之内的弹幕数据1000条，每个字幕的长度、速度、字号都不同，怎么管理这些弹幕，示意图如下：

图2.1 弹幕管理示意图

 

这是第一种情况，按照从上到啊的顺序依次摆放以后会有几个问题：
1. 弹幕五、六、七该怎么计算位置，按top值循环取模+累加吗？
2. 当弹幕一或者弹幕三足够长的时候，如何准时的跳过当前位置计算？
3. 当前屏幕的弹幕播放结束，如何再计算的时候利用空出来的位置
4. 空出的位置是否满足当前弹幕的高度
5. ……

一系列问题就不统统列举出来了，基于这个背景我们结合数学建模的思维方式，找到了弹幕场景相似度非常高的机场运营。我们可以把弹幕当做飞机，每个时间段播放多少弹幕和机场每个时间段放飞多少飞机一个道理。

首都国际机场一共有3条跑道，两条4E级跑道、一条4F级跑道，2016年的吞吐量为9000万人次。它的运行机制就是所有飞机通过搭台有顺序的共用3条跑道来完成运输任务的。

同理，我们也设计了几个个角色：一个是轨道(跑道)、一个是调度(塔台)、一个是弹幕(飞机)，我们为每个角色设计一个类分为为Track、Main、Bullet。

* 轨道
            
       轨道这个角色很重要，它可以解决弹幕位置计算、速度控制、碰撞检测问题。
       首先，我们要来初始化轨道。通俗的说我们要修建几个跑道呢，我们不是实物，可以动态调整轨道的                        数量，计算的原则：
        轨道数量 = 播放器有效高度 / 设备基准字号
    * 播放器有效高度：播放器的实际高度减去控制条的高度，因为弹幕不可以遮挡控制条。
    * 设备基准字号：移动端是10px，pc端是12px；
        为啥计算公式是这样的？因为我们要支持不同字号的弹幕。试想不同的字号对物理空间的占用是不同的，然而如果要求轨道的尺寸是动态的，那就带来很复杂的计算。本文提出“虚拟轨道”的概念，在交通管制中最常见的就是道路合并或者改向。我们也是采用将相邻的物理轨道临时合并为一条轨道。这样就可以轻松的解决不同字号的轨道占用问题。原理图如下：
        

图2.2 轨道计算示意图

其次我们来回忆下机场的工作流程：
1. 机长呼叫塔台，CZ6132请求起飞
    * 目前跑道均被占用，请等待
        * N时刻后再次执行步骤1
    * 目前跑道 A1 空闲，准许进入
        * 执行步骤3
2. 塔台查看跑道使用情况
3. 进入跑道，起飞完成
4. 机长通知塔台，本次起飞完成，释放跑道的占用
5. 其他飞机同样执行上述步骤

按照这个思路，我们的弹幕工作流程：
    
1. 弹幕进入播放器
2. 轨道根据弹幕的播放速度、尺寸计算是否有合适的轨道提供
    * 没有
        * 通知弹幕尚无合适轨道提供，请等待；同时，弹幕队列中的其他弹幕依次执行步骤1
    * 有
        * 执行步骤3
3. 播放器加载弹幕DOM，开始播放，待播放完成
4. 播放完成通知轨道更新轨道占用情况
5. 其他弹幕同样执行上述步骤

图2.3 轨道可用性计算示意图

 

关于轨道的基本原理我们整理清楚了，当然还有不少细节比如如何和调度通信、如何和弹幕通信以及虚拟轨道检测算法等。有兴趣的同学可以参考代码吧。https://github.com/bytedance/xgplayer/blob/master/packages/xgplayer/src/control/makeBullet.js

* 弹幕
       弹幕基本是实现“飞机”的角色，我们要求它具有自身的属性和方法。比如调度中心通过id能拿到它所有的基本信息，轨道控制也可以通过弹幕进行检查和更新。当然弹幕也必须具备状态自动更新、移动、播放结束通知、自动销毁等功能。
* 调度
        调度就是搭台的化身，承接着轨道、弹幕的控制，也保持着与播放器的步调一致。它的职责如下：
    1. 播放器交互控制
    2. 弹幕队列控制
    3. 自身状态更新
    4. 数据格式转换
    5. 动画执行
        还是直接用流程图来描述更直接些：
        
       

图2.4 弹幕运行机制流程图

在弹幕启动之后，首先要检查本地是否已有缓存数据，没有的话直接请求数据并缓存，然后执行数据读取，首次过滤数据进入弹幕队列，同时启动定时器。弹幕队列的数据会定期请求轨道，检测队列里的弹幕是否可以进入，一旦确认后轨道做好登记，弹幕就可以进入播放器开启动画播放了。定时器每隔2秒就会再次更新数据进入到弹幕队列（这块不同的业务可以定制不同的规则）。弹幕播放结束后会通知调度和轨道，调度会在弹幕队列中移除该弹幕实例，轨道也会移除该弹幕实例的轨道占用。

所有代码实现来自带解析器、能节省流量的[西瓜播放器](https://h5player.bytedance.com/), [Github](https://github.com/bytedance/xgplayer/)

  [1]: /img/bVbd8mH
  [2]: /img/bVbd8nj
  [3]: /img/bVbd8nq
  [4]: /img/bVbd8nz
  [5]: /img/bVbd8nH