Android使用Camera2获取预览数据

一、Camera2简介

Camera2是Google在Android 5.0后推出的一个全新的相机API,Camera2和Camera没有继承关系,是完全重新设计的,且Camera2支持的功能也更加丰富,但是提供了更丰富的功能的同时也增加了使用的难度。Google的官方Demo:https://github.com/googlesamples/android-Camera2Basic

二、Camera2 VS Camera

以下分别是使用Camera2和Camera打开相机进行预览并获取预览数据的流程图。


Camera2 API使用流程
Camera API使用流程

可以看到,和Camera相比,Camera2的调用明显复杂得多,但同时也提供了更强大的功能:

  • 支持在非UI线程获取预览数据
  • 可以获取更多的预览帧
  • 对相机的控制更加完备
  • 支持更多格式的预览数据
  • 支持高速连拍

但是具体能否使用还要看设备的厂商有无实现。

三、如何使用Camera2

  • 获取预览数据

一般情况下,大多设备其实只支持ImageFormat.YUV_420_888ImageFormat.JPEG格式的预览数据,而ImageFormat.JPEG是压缩格式,一般适用于拍照的场景,而不适合直接用于算法检测,因此我们一般取ImageFormat.YUV_420_888作为我们获取预览数据的格式,对于YUV不太了解的同学可以戳这里

mImageReader = ImageReader.newInstance(mPreviewSize.getWidth(), mPreviewSize.getHeight(),
                ImageFormat.YUV_420_888, 2);
mImageReader.setOnImageAvailableListener(
               new OnImageAvailableListenerImpl(), mBackgroundHandler);

其中OnImageAvailableListenerImpl的实现如下

  private class OnImageAvailableListenerImpl implements ImageReader.OnImageAvailableListener {
        private byte[] y;
        private byte[] u;
        private byte[] v;
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        @Override
        public void onImageAvailable(ImageReader reader) {
            Image image = reader.acquireNextImage();
            // Y:U:V == 4:2:2
            if (camera2Listener != null && image.getFormat() == ImageFormat.YUV_420_888) {
                Image.Plane[] planes = image.getPlanes();
                // 加锁确保y、u、v来源于同一个Image
                lock.lock();
                // 重复使用同一批byte数组,减少gc频率
                if (y == null) {
                    y = new byte[planes[0].getBuffer().limit() - planes[0].getBuffer().position()];
                    u = new byte[planes[1].getBuffer().limit() - planes[1].getBuffer().position()];
                    v = new byte[planes[2].getBuffer().limit() - planes[2].getBuffer().position()];
                }
                if (image.getPlanes()[0].getBuffer().remaining() == y.length) {
                    planes[0].getBuffer().get(y);
                    planes[1].getBuffer().get(u);
                    planes[2].getBuffer().get(v);
                    camera2Listener.onPreview(y, u, v, mPreviewSize, planes[0].getRowStride());
                }
                lock.unlock();
            }
            image.close();
        }
    }
  • 注意事项

1. 图像格式问题
经过在多台设备上测试,明明设置的预览数据格式是ImageFormat.YUV_420_888(4个Y对应一组UV,即平均1个像素占1.5个byte,12位),但是拿到的数据却都是YUV_422格式(2个Y对应一组UV,即平均1个像素占2个byte,16位),且UV的长度都少了一些(在Oneplus 5和Samsung Tab s3上长度都少了1),也就是:
(u.length == v.length) && (y.length / 2 > u.length) && (y.length / 2 ≈ u.length)
YUV_420_888数据的YUV关系应该是:
y.length / 4 == u.length == v.length
且系统API中android.graphics.ImageFormat类的getBitsPerPixel方法可说明上述Y、U、V数据比例不对的问题,内容如下:

 public static int getBitsPerPixel(int format) {
        switch (format) {
            ...
            case YUV_420_888:
                return 12;
            case YUV_422_888:
                return 16;
            ...
        }
        return -1;
    }

以及android.media.ImageUtils类的imageCopy(Image src, Image dst)函数中有这么一段注释说明的确可能会有部分像素丢失:

public static void imageCopy(Image src, Image dst) {
                ...
                for (int row = 0; row < effectivePlaneSize.getHeight(); row++) {
                    if (row == effectivePlaneSize.getHeight() - 1) {
                        // Special case for NV21 backed YUV420_888: need handle the last row
                        // carefully to avoid memory corruption. Check if we have enough bytes to
                        // copy.
                        int remainingBytes = srcBuffer.remaining() - srcOffset;
                        if (srcByteCount > remainingBytes) {
                            srcByteCount = remainingBytes;
                        }
                    }
                    directByteBufferCopy(srcBuffer, srcOffset, dstBuffer, dstOffset, srcByteCount);
                    srcOffset += srcRowStride;
                    dstOffset += dstRowStride;
                }
                ...
    }

2. 图像宽度不一定为stride(步长)
在有些设备上,回传的图像的rowStride不一定为previewSize.getWidth(),比如在OPPO K3手机上,选择的分辨率为1520x760,但是回传的图像数据的rowStride却是1536,且总数据少了16个像素(Y少了16,U和V分别少了8)。

  • frameworks/base/media/jni/android_media_ImageReader.cpp
static jobjectArray Image_createSurfacePlanes(JNIEnv* env, jobject thiz,
        int numPlanes, int readerFormat)
{
    ...
    // Create all SurfacePlanes
    for (int i = 0; i < numPlanes; i++) {
        Image_getLockedImageInfo(env, &lockedImg, i, halReaderFormat,
                &pData, &dataSize, &pixelStride, &rowStride);
        byteBuffer = env->NewDirectByteBuffer(pData, dataSize);
        if ((byteBuffer == NULL) && (env->ExceptionCheck() == false)) {
            jniThrowException(env, "java/lang/IllegalStateException",
                    "Failed to allocate ByteBuffer");
            return NULL;
        }

        // Finally, create this SurfacePlane.
        jobject surfacePlane = env->NewObject(gSurfacePlaneClassInfo.clazz,
                    gSurfacePlaneClassInfo.ctor, thiz, rowStride, pixelStride, byteBuffer);
        env->SetObjectArrayElement(surfacePlanes, i, surfacePlane);
    }

    return surfacePlanes;
}

static void Image_getLockedImageInfo(JNIEnv* env, LockedImage* buffer, int idx,
        int32_t writerFormat, uint8_t **base, uint32_t *size, int *pixelStride, int *rowStride) {
    ALOGV("%s", __FUNCTION__);

    status_t res = getLockedImageInfo(buffer, idx, writerFormat, base, size,
            pixelStride, rowStride);
    if (res != OK) {
        jniThrowExceptionFmt(env, "java/lang/UnsupportedOperationException",
                             "Pixel format: 0x%x is unsupported", buffer->flexFormat);
    }
}
  • frameworks/base/media/jni/android_media_Utils.cpp

status_t getLockedImageInfo(LockedImage* buffer, int idx,
        int32_t containerFormat, uint8_t **base, uint32_t *size, int *pixelStride, int *rowStride) {
    ...
    switch (fmt) {
        case HAL_PIXEL_FORMAT_YCbCr_420_888:
            pData =
                (idx == 0) ?
                    buffer->data :
                (idx == 1) ?
                    buffer->dataCb :
                buffer->dataCr;
            // only map until last pixel
            if (idx == 0) {
                pStride = 1;
                rStride = buffer->stride;
                dataSize = buffer->stride * (buffer->height - 1) + buffer->width;
            } else {
                // 对于 U 和 V,pStride(也就是buffer->chromaStep)一般都是2,因此dataSize一般都是个奇数
                pStride = buffer->chromaStep;
                rStride = buffer->chromaStride;
                dataSize = buffer->chromaStride * (buffer->height / 2 - 1) +
                        buffer->chromaStep * (buffer->width / 2 - 1) + 1;
            }
            break;
            ...
    }
    ...
}

3. 当心数组越界
上述说到,Camera2设置的预览数据格式是ImageFormat.YUV_420_888时,回传的Y,U,V的关系一般是
(u.length == v.length) && (y.length / 2 > u.length) && (y.length / 2 ≈ u.length)
UV是有部分缺失的,因此我们在进行数组操作时需要注意越界问题,示例如下:

    /**
     * 将Y:U:V == 4:2:2的数据转换为nv21
     *
     * @param y      Y 数据
     * @param u      U 数据
     * @param v      V 数据
     * @param nv21   生成的nv21,需要预先分配内存
     * @param stride 步长
     * @param height 图像高度
     */
    public static void yuv422ToYuv420sp(byte[] y, byte[] u, byte[] v, byte[] nv21, int stride, int height) {
        System.arraycopy(y, 0, nv21, 0, y.length);
        // 注意,若length值为 y.length * 3 / 2 会有数组越界的风险,需使用真实数据长度计算
        int length = y.length + u.length / 2 + v.length / 2;
        int uIndex = 0, vIndex = 0;
        for (int i = stride * height; i < length; i += 2) {
            nv21[i] = v[vIndex];
            nv21[i + 1] = u[uIndex];
            vIndex += 2;
            uIndex += 2;
        }
    }

4. 避免频繁创建对象
若选择的图像格式是ImageFormat.YUV_420_888,那么相机回传的Image数据包将含3个plane,分别代表Y,U,V,但是一般情况下我们可能需要的是其组合的结果,如NV21I420等。由于Java的gc会影响性能,在从plane中获取Y、U、V数据和Y、U、V转换为其他数据的过程中,我们需要注意对象的创建频率,我们可以创建一次对象重复使用。不仅是Y,U,V这三个对象,组合的对象,如NV21,也可以用同样的方式处理,但若有将 NV21传出当前线程,用于异步处理的操作,则需要做深拷贝,避免异步处理时引用数据被修改

四、示例代码

  • 示例代码
    https://github.com/wangshengyang1996/Camera2Demo
  • demo功能
    • 演示Camera2的使用
    • 获取预览帧数据并隔一段时间将原始画面和处理过的画面显示到UI上
    • 将预览的YUV数据转换为NV21,再转换为Bitmap并显示到控件上,同时也将该Bitmap转换为相机预览效果的Bitmap显示到控件上,便于了解原始数据和预览画面的关系
  • 运行效果
    效果图