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Browser-based music source separation using Demucs AI model with WebGPU/WASM acceleration

// repository documentation

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# Demucs Web

在瀏覽器中運行的音樂源分離 AI，使用 ONNX Runtime Web 實現 WebGPU/WASM 加速推論。

## 功能

- 純前端運行，無需後端伺服器
- 支援 WebGPU 加速（macOS Safari、Chrome 等）
- 支援 4 軌道分離：drums、bass、other、vocals
- 基於 Meta 的 HTDemucs 模型

## 安裝

```bash
npm install demucs-web
```

## 使用方式

```javascript
import * as ort from 'onnxruntime-web';
import { DemucsProcessor } from 'demucs-web';

// 初始化處理器
const processor = new DemucsProcessor({
  ort,
  onProgress: (progress) => console.log(`Progress: ${(progress * 100).toFixed(1)}%`),
  onLog: (phase, msg) => console.log(`[${phase}] ${msg}`)
});

// 載入模型（約 172MB）
await processor.loadModel('./htdemucs_embedded.onnx');

// 分離音軌（輸入為 44100Hz 立體聲）
const result = await processor.separate(leftChannel, rightChannel);

// 結果包含四個軌道
console.log(result.drums);   // { left: Float32Array, right: Float32Array }
console.log(result.bass);
console.log(result.other);
console.log(result.vocals);
```

## Demo

```bash
# 啟動開發伺服器
cd demo
python3 -m http.server 8080

# 需要 COOP/COEP headers 支援 SharedArrayBuffer
# 可使用以下 server.py：
python3 server.py
```

## 重要注意事項

### Cross-Origin Isolation

ONNX Runtime Web 需要 SharedArrayBuffer，必須設定以下 HTTP headers：

```
Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin
Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp
```

### 模型檔案

ONNX 模型（約 172MB）託管於 Hugging Face Hub：

**下載連結**：https://huggingface.co/timcsy/demucs-web-onnx/resolve/main/htdemucs_embedded.onnx

```javascript
// 方式 1：使用預設 URL（從 Hugging Face 下載）
import { CONSTANTS } from 'demucs-web';
await processor.loadModel(CONSTANTS.DEFAULT_MODEL_URL);

// 方式 2：使用本地檔案
await processor.loadModel('./htdemucs_embedded.onnx');

// 方式 3：傳入 ArrayBuffer
const response = await fetch(modelUrl);
const buffer = await response.arrayBuffer();
await processor.loadModel(buffer);
```

**自行託管模型**：
```bash
# 安裝 huggingface_hub
uv tool install huggingface_hub
hf auth login

# 上傳到你的 HF 帳號
./scripts/upload-model.sh <your-username>
```

## API

### DemucsProcessor

```typescript
interface DemucsProcessorOptions {
  ort: typeof import('onnxruntime-web');
  modelPath?: string;
  sessionOptions?: ort.InferenceSession.SessionOptions;
  onProgress?: (info: ProgressInfo) => void;
  onLog?: (phase: string, message: string) => void;
  onDownloadProgress?: (loaded: number, total: number) => void;
}

interface ProgressInfo {
  progress: number;        // 0-1 之間的進度值
  currentSegment: number;  // 目前處理的區段編號
  totalSegments: number;   // 總區段數量
}

class DemucsProcessor {
  constructor(options: DemucsProcessorOptions);
  loadModel(pathOrBuffer?: string | ArrayBuffer): Promise<void>;
  separate(left: Float32Array, right: Float32Array): Promise<SeparationResult>;
}

interface SeparationResult {
  drums: { left: Float32Array; right: Float32Array };
  bass: { left: Float32Array; right: Float32Array };
  other: { left: Float32Array; right: Float32Array };
  vocals: { left: Float32Array; right: Float32Array };
}
```

### 回呼函數詳細說明

#### onProgress - 處理進度回呼

在音訊分離過程中，每完成一個區段會觸發此回呼：

```javascript
const processor = new DemucsProcessor({
  ort,
  onProgress: ({ progress, currentSegment, totalSegments }) => {
    // progress: 0-1 之間的數值
    const percent = (progress * 100).toFixed(1);
    console.log(`進度: ${percent}%`);
    console.log(`區段: ${currentSegment}/${totalSegments}`);

// 更新進度條
    progressBar.style.width = `${progress * 100}%`;

// 計算處理速度與預估剩餘時間
    if (currentSegment > 0) {
      const elapsed = (Date.now() - startTime) / 1000;
      const processedDuration = (currentSegment / totalSegments) * audioDuration;
      const speed = processedDuration / elapsed;
      console.log(`處理速度: ${speed.toFixed(2)}x 即時`);

const remainingSegments = totalSegments - currentSegment;
      const avgTimePerSegment = elapsed / currentSegment;
      const eta = remainingSegments * avgTimePerSegment;
      console.log(`預估剩餘時間: ${eta.toFixed(0)}秒`);
    }
  }
});
```

#### onLog - 處理階段日誌回呼

在各個處理階段會觸發此回呼，用於顯示詳細日誌：

```javascript
const processor = new DemucsProcessor({
  ort,
  onLog: (phase, message) => {
    const timeStr = new Date().toLocaleTimeString();
    console.log(`[${timeStr}][${phase}] ${message}`);

// 常見的 phase 值：
    // - 'Init': 初始化
    // - 'Segment': 區段處理
    // - 'Inference': 模型推論
    // - 'PostProcess': 後處理
  }
});
```

#### onDownloadProgress - 模型下載進度回呼

在下載模型時觸發，用於顯示下載進度：

```javascript
const processor = new DemucsProcessor({
  ort,
  onDownloadProgress: (loaded, total) => {
    const percent = ((loaded / total) * 100).toFixed(1);
    const loadedMB = (loaded / 1024 / 1024).toFixed(1);
    const totalMB = (total / 1024 / 1024).toFixed(1);
    console.log(`下載模型: ${loadedMB}MB / ${totalMB}MB (${percent}%)`);

// 更新下載進度條
    downloadBar.style.width = `${(loaded / total) * 100}%`;
  }
});
```

#### sessionOptions - ONNX Runtime Session 設定

可傳入 ONNX Runtime 的 `InferenceSession.SessionOptions` 來自訂模型載入行為。這對於在行動裝置或記憶體受限的環境中降低記憶體使用量特別有用。

```javascript
const processor = new DemucsProcessor({
  ort,
  sessionOptions: {
    // 停用 CPU 記憶體競技場，減少記憶體預分配
    enableCpuMemArena: false,
    // 停用記憶體模式優化，減少記憶體使用
    enableMemPattern: false,
    // 覆蓋預設的執行提供者（預設為 ['webgpu', 'wasm']）
    // executionProviders: ['wasm'],
    // 覆蓋圖形優化等級（預設為 'basic'）
    // graphOptimizationLevel: 'disabled',
  }
});
```

**常用的 sessionOptions：**

| 選項 | 類型 | 預設值 | 說明 |
|------|------|--------|------|
| `enableCpuMemArena` | boolean | true | CPU 記憶體競技場。設為 false 可減少記憶體使用 |
| `enableMemPattern` | boolean | true | 記憶體模式優化。設為 false 可減少記憶體峰值 |
| `executionProviders` | string[] | ['webgpu', 'wasm'] | 執行提供者優先順序 |
| `graphOptimizationLevel` | string | 'basic' | 圖形優化等級：'disabled', 'basic', 'extended', 'all' |

**行動裝置建議設定：**

```javascript
// 針對 iOS/Android 行動裝置的低記憶體設定
const processor = new DemucsProcessor({
  ort,
  sessionOptions: {
    enableCpuMemArena: false,
    enableMemPattern: false,
  }
});
```

### 完整範例

```javascript
import * as ort from 'onnxruntime-web';
import { DemucsProcessor, CONSTANTS } from 'demucs-web';

// 配置 ONNX Runtime
ort.env.wasm.numThreads = navigator.hardwareConcurrency || 4;

// 檢測 WebGPU 支援
let backend = 'wasm';
if ('gpu' in navigator) {
  try {
    const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
    if (adapter) {
      backend = 'webgpu';
      ort.env.webgpu = { powerPreference: 'high-performance' };
    }
  } catch (e) {
    console.log('WebGPU 不可用，使用 WASM');
  }
}

// 建立處理器
let startTime;
const processor = new DemucsProcessor({
  ort,
  onProgress: ({ progress, currentSegment, totalSegments }) => {
    console.log(`處理中: ${(progress * 100).toFixed(1)}% (${currentSegment}/${totalSegments})`);
  },
  onLog: (phase, msg) => {
    console.log(`[${phase}] ${msg}`);
  },
  onDownloadProgress: (loaded, total) => {
    console.log(`下載: ${(loaded / total * 100).toFixed(1)}%`);
  }
});

// 載入模型
await processor.loadModel(CONSTANTS.DEFAULT_MODEL_URL);

// 載入音訊（使用 Web Audio API）
const audioContext = new AudioContext({ sampleRate: CONSTANTS.SAMPLE_RATE });
const response = await fetch('your-audio-file.mp3');
const arrayBuffer = await response.arrayBuffer();
const audioBuffer = await audioContext.decodeAudioData(arrayBuffer);

// 取得聲道資料
const leftChannel = audioBuffer.getChannelData(0);
const rightChannel = audioBuffer.numberOfChannels > 1
  ? audioBuffer.getChannelData(1)
  : leftChannel;  // 單聲道時複製左聲道

// 開始分離
startTime = Date.now();
const result = await processor.separate(leftChannel, rightChannel);

// 處理結果
const totalTime = ((Date.now() - startTime) / 1000).toFixed(1);
console.log(`處理完成，耗時 ${totalTime} 秒`);

// result.drums, result.bass, result.other, result.vocals
// 每個軌道都有 { left: Float32Array, right: Float32Array }
```

### 常數

```javascript
import { CONSTANTS } from 'demucs-web';

CONSTANTS.SAMPLE_RATE       // 44100
CONSTANTS.FFT_SIZE          // 4096
CONSTANTS.HOP_SIZE          // 1024
CONSTANTS.TRAINING_SAMPLES  // 343980
CONSTANTS.TRACKS            // ['drums', 'bass', 'other', 'vocals']
```

### FFT 工具

```javascript
import { fft, ifft, stft, istft, reflectPad } from 'demucs-web';

// Cooley-Tukey radix-2 FFT
fft(realOut, imagOut, realIn, n);
ifft(realOut, imagOut, realIn, imagIn, n);

// Short-Time Fourier Transform
const spec = stft(signal, fftSize, hopSize);
const reconstructed = istft(spec.real, spec.imag, numFrames, numBins, fftSize, hopSize);
```

## 技術細節

詳細的移植經驗請參考 [EXPERIENCE_REPORT.md](./EXPERIENCE_REPORT.md)

## License

MIT

demucs-web

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