.NET 摄像头采集

本文主要介绍摄像头（相机）如何采集数据，用于类似摄像头当地显示软件，以及流媒体数据传输场景如传屏、视讯会议等。
摄像头采集有多种方案，如AForge.NET、WPFMediaKit、OpenCvSharp、EmguCv、DirectShow.NET、MediaCaptre（UWP），网上一些文章以及github已经有很多介绍，这里总结、确认技术选型给大家一个参考
1. AForge.NET

AForge视频库是基于DirectShow技术开发的，提供了捕捉、处理惩罚和显示视频流接口，以及图像丰富的图像处理惩罚功能，如滤镜、特征提取和物体检测。详见官网开源堆栈 andrewkirillov/AForge.NET(github.com)
我们下面看下AForge录制代码，安装Nuget包依靠：

1. 1     <PackageReference Include="AForge.Video" Version="2.2.5" />
2. 2     <PackageReference Include="AForge.Video.DirectShow" Version="2.2.5" />
3. 3     <PackageReference Include="System.Drawing.Common" Version="8.0.8" />

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 摄像头显示：

1. 1     private void StartButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
2. 2     {
3. 3         // 获取所有视频输入设备
4. 4         var videoDevices = new FilterInfoCollection(FilterCategory.VideoInputDevice);
5. 5         if (videoDevices.Count > 0)
6. 6         {
7. 7             // 选择第一个视频输入设备
8. 8             var videoSource = new VideoCaptureDevice(videoDevices[0].MonikerString);
9. 9             // 注册NewFrame事件处理程序
10. 10             videoSource.NewFrame += new NewFrameEventHandler(videoSource_NewFrame);
11. 11             // 开始摄像头视频源
12. 12             videoSource.Start();
13. 13         }
14. 14     }
15. 15
16. 16     private async void videoSource_NewFrame(object sender, NewFrameEventArgs eventArgs)
17. 17     {
18. 18         // 获取当前的视频帧，显示
19. 19         var image = ToBitmapImage(eventArgs.Frame);
20. 20         await Dispatcher.InvokeAsync(() => { CaptureImage.Source = image; });
21. 21     }

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摄像头录制视频流：

1. 1     private async void videoSource_NewFrame1(object sender, NewFrameEventArgs eventArgs)
2. 2     {
3. 3         // 获取当前的视频帧
4. 4         // 将Bitmap转换为byte[]，用于流媒体传输
5. 5         byte[] byteArray = BitmapToByteArray(eventArgs.Frame, out int stride);
6. 6         // 将byte[]转换为BitmapImage，用于临时展示
7. 7         BitmapImage image = ByteArrayToBitmapImage(byteArray, eventArgs.Frame.Width, eventArgs.Frame.Height, stride, eventArgs.Frame.PixelFormat);
8. 8         await Dispatcher.InvokeAsync(() => { CaptureImage.Source = image; });
9. 9     }

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其中的数据转换，这里要把分辨率stride同byte[]数据一同储存，不然后续数据是无法处理惩罚的：

1. 1     // 将Bitmap转换为byte[]
2. 2     public byte[] BitmapToByteArray(Bitmap bitmap, out int stride)
3. 3     {
4. 4         Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, bitmap.Width, bitmap.Height);
5. 5         BitmapData bitmapData = bitmap.LockBits(rect, ImageLockMode.ReadOnly, bitmap.PixelFormat);
6. 6         //stride是分辨率水平值，如3840
7. 7         stride = bitmapData.Stride;
8. 8         int bytes = Math.Abs(bitmapData.Stride) * bitmap.Height;
9. 9         byte[] rgbValues = new byte[bytes];
10. 10
11. 11         // 复制位图数据到字节数组
12. 12         Marshal.Copy(bitmapData.Scan0, rgbValues, 0, bytes);
13. 13
14. 14         bitmap.UnlockBits(bitmapData);
15. 15         return rgbValues;
16. 16     }
17. 17
18. 18     // 将byte[]转换为BitmapImage
19. 19     public BitmapImage ByteArrayToBitmapImage(byte[] byteArray, int width, int height, int stride, PixelFormat pixelFormat)
20. 20     {
21. 21         var bitmapImage = new BitmapImage();
22. 22         using (var memoryStream = new MemoryStream())
23. 23         {
24. 24             var bmp = new Bitmap(width, height, stride, pixelFormat, Marshal.UnsafeAddrOfPinnedArrayElement(byteArray, 0));
25. 25             // 保存到MemoryStream中
26. 26             bmp.Save(memoryStream, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Bmp);
27. 27             memoryStream.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
28. 28             bitmapImage.BeginInit();
29. 29             bitmapImage.StreamSource = memoryStream;
30. 30             bitmapImage.CacheOption = BitmapCacheOption.OnLoad;
31. 31             bitmapImage.EndInit();
32. 32             bitmapImage.Freeze();
33. 33         }
34. 34         return bitmapImage;
35. 35     }

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详见Demo代码 kybs00/AForgeNETDemo (github.com)
履历证，延迟较大，对比Windows系统相机不敷清晰
2. WPFMediaKit

WPFMediaKit也是基于DirectShow的，它提供了一些封装便于在WPF应用中使用媒体功能。
使用 WPFMediaKit 要录制摄像头视频，必要结合 WPFMediaKit 提供的视频捕获功能和其他库（比方 AForge 或 FFmpeg）来实现录制功能。
这里引用WPFMediaKit、AForge.Video.FFMPEG俩个Nuget包，然后通过定时器捕获当前视频帧：

1. 1     var bitmap = new Bitmap(videoCaptureElement.Width, videoCaptureElement.Height, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format24bppRgb);
2. 2     var bitmapData = bitmap.LockBits(new Rectangle(0, 0, bitmap.Width, bitmap.Height),System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.WriteOnly,bitmap.PixelFormat);
3. 3     try
4. 4     {
5. 5         videoCaptureElement.VideoCaptureDevice.GetCurrentVideoFrame(out IntPtr frame);
6. 6         System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(frame, 0, bitmapData.Scan0, videoCaptureElement.Width * videoCaptureElement.Height * 3);
7. 7     }
8. 8     finally
9. 9     {
10. 10         bitmap.UnlockBits(bitmapData);
11. 11     }

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这个定时器的实现比较low。延时较低、较流通，但与Win系统相机对比也是不敷清晰
3.MediaCapture（UWP）

MediaCapture是Windows 8及以上版本的WinRT API，专为捕获音频、视频和照片设计。
MediaCaptuer是UWP应用的API 使用 MediaCapture 捕获基本的照片、视频和音频 - UWP applications | Microsoft Learn，要在WPF内使用必要引入俩个Nuget包：

1. 1     <PackageReference Include="Microsoft.Toolkit.Wpf.UI.XamlHost" Version="6.1.2" />
2. 2     <PackageReference Include="Microsoft.Windows.SDK.Contracts" Version="10.0.26100.1" />

复制代码

初始化MediaCapture:

1. 1     var mediaCapture =new MediaCapture();
2. 2     var videos = await DeviceInformation.FindAllAsync(DeviceClass.VideoCapture);
3. 3     var settings = new MediaCaptureInitializationSettings()
4. 4     {
5. 5         VideoDeviceId = videos[0].Id,
6. 6         StreamingCaptureMode = StreamingCaptureMode.Video,
7. 7     };
8. 8     await mediaCapture.InitializeAsync(settings);

复制代码

分几个场景，分别输出Demo。录制当地文件，注释已经很详细了并不重复解释，直接看代码：

1. 1     private MediaCapture _mediaCapture;
2. 2     private InMemoryRandomAccessStream _randomAccessStream;
3. 3     private async void StartButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
4. 4     {
5. 5         // 1. 初始化 MediaCapture 对象
6. 6         var mediaCapture = _mediaCapture = new MediaCapture();
7. 7         var videos = await DeviceInformation.FindAllAsync(DeviceClass.VideoCapture);
8. 8         var settings = new MediaCaptureInitializationSettings()
9. 9         {
10. 10             VideoDeviceId = videos[0].Id,
11. 11             StreamingCaptureMode = StreamingCaptureMode.Video,
12. 12         };
13. 13         await mediaCapture.InitializeAsync(settings);
14. 14
15. 15         // 2. 设置要录制的数据流
16. 16         var randomAccessStream = _randomAccessStream = new InMemoryRandomAccessStream();
17. 17         // 3. 配置录制的视频设置
18. 18         var mediaEncodingProfile = MediaEncodingProfile.CreateMp4(VideoEncodingQuality.Auto);
19. 19         // 4. 开始录制
20. 20         await mediaCapture.StartRecordToStreamAsync(mediaEncodingProfile, randomAccessStream);
21. 21     }
22. 22
23. 23     private async void StopButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
24. 24     {
25. 25         // 停止录制
26. 26         await _mediaCapture.StopRecordAsync();
27. 27         // 处理录制后的数据,保存至"C:\Users\XXX\Videos\RecordedVideo.mp4"
28. 28         var storageFolder = Windows.Storage.KnownFolders.VideosLibrary;
29. 29         var file = await storageFolder.CreateFileAsync("RecordedVideo.mp4", Windows.Storage.CreationCollisionOption.GenerateUniqueName);
30. 30         using var fileStream = await file.OpenAsync(Windows.Storage.FileAccessMode.ReadWrite);
31. 31         await RandomAccessStream.CopyAndCloseAsync(_randomAccessStream.GetInputStreamAt(0), fileStream.GetOutputStreamAt(0));
32. 32         _randomAccessStream.Dispose();
33. 33     }

复制代码

摄像头显示，通过UWP-WindowsXamlHost承载画面（置顶）：

1. 1     private async void StartButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
2. 2     {
3. 3         _mediaCapture = new MediaCapture();
4. 4         var videos = await DeviceInformation.FindAllAsync(DeviceClass.VideoCapture);
5. 5         var settings = new MediaCaptureInitializationSettings()
6. 6         {
7. 7             VideoDeviceId = videos[0].Id,
8. 8             StreamingCaptureMode = StreamingCaptureMode.Video,
9. 9         };
10. 10         await _mediaCapture.InitializeAsync(settings);
11. 11         //显示WindowsXamlHost
12. 12         VideoViewHost.Visibility = Visibility.Visible;
13. 13         //绑定画面源
14. 14         _captureElement.Source = _mediaCapture;
15. 15         await _mediaCapture.StartPreviewAsync();
16. 16     }

复制代码

MediaCapture是UWP平台的实现方案，直接给CaptureElement赋值绑定画面源。直接用CaptureElement渲染速度很快，这个实现逻辑同windows系统相机是一样的
另外，使用MediaCapture也可以捕获画面帧事件，用于流媒体数据捕获收集：

1. 1 // 配置视频帧读取器
2. 2 var frameSource = mediaCapture.FrameSources.Values.FirstOrDefault(source => source.Info.MediaStreamType == MediaStreamType.VideoRecord);
3. 3 _frameReader = await mediaCapture.CreateFrameReaderAsync(frameSource, MediaEncodingSubtypes.Argb32);
4. 4 _frameReader.FrameArrived += FrameReader_FrameArrived;
5. 5 await _frameReader.StartAsync();

复制代码

如下方所示，监听FrameArrived，使用Windows.UI.Xaml.Media.Imaging.BitmapImage渲染展示（仅用于展示，延迟很高）：

1. 1     private async void FrameReader_FrameArrived(MediaFrameReader sender, MediaFrameArrivedEventArgs args)
2. 2     {
3. 3         var frame = sender.TryAcquireLatestFrame();
4. 4         if (frame != null)
5. 5         {
6. 6             var bitmap = frame.VideoMediaFrame?.SoftwareBitmap;
7. 7             if (bitmap != null)
8. 8             {
9. 9                 // 在这里对每一帧进行处理
10. 10                 await Dispatcher.InvokeAsync(async () =>
11. 11                 {
12. 12                     var bitmapImage = await ConvertSoftwareBitmapToBitmapImageAsync(bitmap);
13. 13                     _captureImage.Source = bitmapImage;
14. 14                 });
15. 15             }
16. 16         }
17. 17     }

复制代码

如必要将SoftwareBitmap转为buffer字节数据，可以按如下处理惩罚：

1. 1     public async Task<byte[]> SoftwareBitmapToByteArrayAsync(SoftwareBitmap softwareBitmap)
2. 2     {
3. 3         // 使用InMemoryRandomAccessStream来存储图像数据
4. 4         using var stream = new InMemoryRandomAccessStream();
5. 5         // 创建位图编码器
6. 6         var encoder = await BitmapEncoder.CreateAsync(BitmapEncoder.PngEncoderId, stream);
7. 7         // 转换为BGRA8格式，如果当前格式不同
8. 8         var bitmap = SoftwareBitmap.Convert(softwareBitmap, BitmapPixelFormat.Bgra8, BitmapAlphaMode.Premultiplied);
9. 9         encoder.SetSoftwareBitmap(bitmap);
10. 10         await encoder.FlushAsync();
11. 11         bitmap.Dispose();
12. 12
13. 13         // 读取字节数据
14. 14         using var reader = new DataReader(stream.GetInputStreamAt(0));
15. 15         byte[] byteArray = new byte[stream.Size];
16. 16         await reader.LoadAsync((uint)stream.Size);
17. 17         reader.ReadBytes(byteArray);
18. 18
19. 19         return byteArray;
20. 20     }

复制代码

以上，MediaCapture能实现摄像头显示及录制相关功能。MediaCapture代码Demo详见Github：kybs00/CameraCaptureDemo: 摄像头预览、捕获DEMO (github.com)
3.其它

OpenCvSharp是OpenCV在C#环境中的包装，提供跨平台的计算机视觉和图像处理惩罚功能。2K视频较为流通，4K视频延迟较低但显示效果较差
其它的如EmguCV是另一个基于OpenCV的C#包装组件库，具有与OpenCVSharp雷同的强大功能。
DirectShow.NET，提供对DirectShow API的托管包装，使得在.NET框架中可以直接使用DirectShow的强大功能来进行视频捕获和处理惩罚。DirectShow本身性能较好，但DirectShow.NET作为托管包装，性能会受一定影响。延迟效果待验证
此处就不逐一例写Demo了
我们看看性能数据，4K屏设备+4K摄像头，通过当地摄像头预览显示。借用组内小伙伴建凯大佬对各方案的延时统计数据：

验证了下MediaCaptre的延时与系统相机差不多。通过任务管理器我们可以看到，系统相机CPU占用3%，但GPU是15%。

使用了硬件加速，性能方面很不错，以是摄像头采集保举MediaCaptre方案
值得一提的是，公司大屏HDMI采集卡信号Hdmi Record即6911龙讯固件，采用MediaCapture采集画面会稳定很多，减少了黑屏、粉屏的概率。从这点也说明Windows系统相机的原生实现方案，兼容性更好
另外，这里验证的方案都是针对4K摄像头，如果是8K摄像头，其性能要求更高了，后面单独介绍
 
参考列表：
使用 MediaCapture 捕获基本的照片、视频和音频 - UWP applications | Microsoft Learn
[C#] 使用Accord.Net，实现相机画面采集，视频保存及裁剪视频区域，使用WriteableBitmap高效渲染 - 孤独成派 - 博客园 (cnblogs.com)
.net中捕获摄像头视频的方式及对比(How to Capture Camera Video via .Net) - Wuya - 博客园 (cnblogs.com)
C# 使用AForge进行摄像头信息采集 - 老码识途呀 - 博客园 (cnblogs.com)
WPF摄像头使用(WPFMediaKit) - 深秋无痕 - 博客园 (cnblogs.com)
C#使用OpenCvSharp4库读取电脑摄像头数据并及时显示_c#显示摄像头画面-CSDN博客
SharpCaptureDemo: C#，vb, .net采集摄像头，桌面屏幕，麦克风话筒声音，摄像头画面，而且支持混音，也支持同时采集录制。服从高，底层采用了directshow技术，稳定性强，兼容性好。 (gitee.com)
出处：http://www.cnblogs.com/kybs0/本文版权归作者和博客园共有，欢迎转载，但未经作者同意必须在文章页面给出原文连接，否则保留追究法律责任的权利。
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