Android Camera2 API实践：实现预览与图像数据捕获

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  简介：介绍了在Android 5.0及以上版本中使用Camera2 API进行相机预览和图像数据捕获的方法。从基础概念到预览设置，再到图像数据的获取和处置惩罚，具体阐述了Camera2 API的核心组件和功能，以及如何通过实战示例学习和应用这些技术。

1. Camera2 API基础介绍

1.1 Camera2 API的作用与上风

  Camera2 API是Android平台上用于控制相机硬件的先辈接口，它提供了比旧版Camera API更丰富、更精细的控制本领。开发者可以使用Camera2 API来控制高级摄影功能，比如手动曝光、手动对焦、raw图像捕获等。如许的灵活性使得开发者能创建出更专业、更符合用户需求的照相应用。
1.2 Camera2 API与旧版Camera API的区别

  与旧版的Camera API相比，Camera2 API具有诸多改进之处。首先，Camera2 API对摄像头硬件的操作提供了更细粒度的控制，从初始化到捕获过程的每一帧，都能进行精细的调解。其次，Camera2 API支持更高分辨率的图像捕获，以及更广泛的图像格式。此外，Camera2 API引入了异步回调机制，从而提供更低延迟的预览和捕获体验，这对于寻求高质量用户体验的应用来说是一个明显的提升。
1.3 Camera2 API的核心概念和架构

  Camera2 API的核心概念包括CameraDevice、CameraCaptureSession、CaptureRequest等。CameraDevice代表了具体的相机硬件，而CameraCaptureSession则用于管理与相机硬件的会话，并负责发送捕获请求。CaptureRequest则用于界说一次捕获的具体设置，比如曝光、ISO、白平衡等。Camera2 API的架构是高度模块化的，允许开发者根据本身的需求进行灵活配置和使用。通过理解这些核心组件和它们之间的交互方式，开发者可以更好地利用Camera2 API的功能来实现复杂和高度定制化的相机应用。
2. 摄像头获取与预览设置

2.1 摄像头权限的申请与管理

  在Android平台上开发涉及摄像头的应用时，权限管理是首当其冲的重要部门。无论是为了遵照Google Play的政策还是为了用户数据的安全，正确地处置惩罚用户权限是开发过程中不可或缺的一环。
2.1.1 用户权限请求与处置惩罚

  为了使用摄像头，应用必要请求用户授予摄像头访问权限。这一过程通常发生在运行时，即应用运行时向用户请求必要的权限。以下是一段示例代码，展示如何检查并请求摄像头权限：

1. if (ContextCompat.checkSelfPermission(thisActivity, Manifest.permission.CAMERA)
2.         != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
3.     // Permission is not granted
4.     ActivityCompat.requestPermissions(thisActivity,
5.             new String[]{Manifest.permission.CAMERA},
6.             MY_PERMISSIONS_REQUEST_CAMERA);
7. }

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在上述代码中，  ContextCompat.checkSelfPermission  用于检查应用是否已经得到了摄像头权限，  requestPermissions  方法则是当应用未得到权限时向用户申请权限的函数。
2.1.2 系统权限的声明与获取

  除了在代码中动态请求外，还必要在AndroidManifest.xml文件中声明必要的权限。例如：

1. <uses-permission android:name="android.permission.CAMERA" />

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假如您的应用面向Android 6.0（API 级别 23）或更高版本，必须在运行时请求权限。当用户授予权限后，系统会调用  onRequestPermissionsResult  方法。您的应用必要实现此方法以正确处置惩罚用户的响应。
2.2 摄像头装备的枚举与选择

  摄像头装备的枚举和选择是构建任何摄像头应用的基础，它涉及到如何在多个摄像头装备中选择最合适的装备供用户使用。
2.2.1 遍历可用摄像头装备

  首先，我们必要遍历装备上全部的摄像头，并得到它们的具体信息。以下是使用Camera2 API遍历摄像头装备的代码段：

1. CameraManager manager = (CameraManager) getSystemService(Context.CAMERA_SERVICE);
2. for (String cameraId : manager.getCameraIdList()) {
3.     CameraCharacteristics characteristics = manager.getCameraCharacteristics(cameraId);
4.     // 获取摄像头的详细信息
5.     Integer facing = characteristics.get(CameraCharacteristics.LENS_FACING);
6.     if (facing != null && facing == CameraCharacteristics.LENS_FACING_FRONT) {
7.         // 此处添加代码选择前摄像头设备
8.     }
9. }

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2.2.2 根据必要选择合适的摄像头

  摄像头的种类可能非常多，包括前后摄像头、深度摄像头等，我们必要根据应用需求来选择最合适的摄像头。例如，假如应用必要进行人脸辨认，那么通常会选用前摄像头。
2.3 摄像头预览参数的配置

  配置摄像头预览参数是实现个性化预览体验的关键，参数的合理设置能够影响预览的流畅度和质量。
2.3.1 设置预览巨细和格式

  预览的尺寸和格式直接关系到用户所见的预览效果和性能。以下代码展示了如何设置预览尺寸和格式：

1. CameraCharacteristics characteristics = manager.getCameraCharacteristics(cameraId);
2. StreamConfigurationMap map = characteristics.get(CameraCharacteristics.SCALER_STREAM_CONFIGURATION_MAP);
3. Size[] previewSizes = map.getOutputSizes(SurfaceTexture.class);
5. // 假设我们选择的预览大小为1080x1920
6. Size previewSize = new Size(1080, 1920);

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2.3.2 预览帧率的调解和限制

  预览帧率的调解是平衡装备性能和用户体验的重要手段。过高的帧率会导致装备负荷增加，而过低的帧率则会影响用户体验。

1. // 设置期望的帧率范围
2. int[] frameRates = map.getOutputMinFrameDuration(SurfaceTexture.class, previewSize);
3. int minFps = frameRates[0];
4. int maxFps = frameRates[1];
5. // 根据设备性能调整实际帧率
6. int actualFps = Math.min(Math.max(minFps, desiredFps), maxFps);

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在上述代码中，首先获取预览巨细对应的最小和最大帧率，然后在允许的范围内根据应用需求选择合适的帧率。
   表格展示不同预览尺寸与帧率的组合对性能的影响：
  | 预览尺寸（像素） | 最小帧率（fps） | 最大帧率（fps） | |------------------|-----------------|-----------------| | 1280x720 | 30 | 60 | | 1080x1920 | 24 | 48 | | 1920x1080 | 15 | 30 |
  通过表格可以清晰看到，预览尺寸和帧率对装备性能的要求。开发者可以根据表格信息和应用需求进行合理的预览参数配置。
  通过本章节的介绍，我们了解了摄像头权限申请与管理、摄像头装备的枚举与选择以及预览参数的配置等核心内容。这些内容为后续章节中进行高级配置和应用开发打下了坚固的基础。接下来，我们将进一步深入探讨如何创建和配置预览Surface，从而将摄像头的实时画面展示给用户。
3. 预览Surface的创建与配置

  在第三章中，我们将深入探讨如何在Android应用中创建和配置用于Camera2 API的预览Surface。预览Surface是显示摄像头预览画面的关键组件，本章将涵盖从创建Surface到绑定预览流的整个流程，并说明如何管理和更新动态Surface。
3.1 Surface的创建与预览流的绑定

3.1.1 创建Surface用于显示预览

  为了在Android应用中显示摄像头预览，首先必要创建一个Surface。在Camera2 API中，可以使用  SurfaceView  或  TextureView  来显示预览。以下代码展示了如何使用  TextureView  创建一个用于预览的Surface：

1. TextureView textureView = (TextureView) findViewById(R.id.texture_view);
2. textureView.setSurfaceTextureListener(new TextureView.SurfaceTextureListener() {
3.     @Override
4.     public void onSurfaceTextureAvailable(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
5.         // 当Surface可用时，配置摄像头并开始预览
6.         setupCameraAndStartPreview(surface);
7.     }
9.     @Override
10.     public void onSurfaceTextureSizeChanged(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
11.         // 处理Surface尺寸变化
12.     }
14.     @Override
15.     public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
16.         // 表面被销毁时，释放资源
17.         return true;
18.     }
20.     @Override
21.     public void onSurfaceTextureUpdated(SurfaceTexture surface) {
22.         // 表面被更新时的回调
23.     }
24. });

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在上述代码中，我们为  TextureView  设置了  SurfaceTextureListener  ，此中  onSurfaceTextureAvailable  回调会在Surface准备好时被调用。在这时，我们可以开始配置摄像头并启动预览。
3.1.2 将预览流与Surface绑定

  在获取到可用的Surface之后，我们必要将其与摄像头预览流绑定。这可以通过  CameraDevice  和  CaptureRequest.Builder  来完成。下面的代码段展示了如何将Surface与摄像头预览流绑定：

1. private void setupCameraAndStartPreview(SurfaceTexture surface) {
2.     try {
3.         // 创建CaptureRequest.Builder实例，用于构建预览请求
4.         CaptureRequest.Builder previewBuilder = mCameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_PREVIEW);
5.         // 将Surface添加到预览请求中
6.         previewBuilder.addTarget(surface);
8.         // 开始摄像头预览
9.         mCameraDevice.createCaptureSession(Arrays.asList(surface), new CameraCaptureSession.StateCallback() {
10.             @Override
11.             public void onConfigured(CameraCaptureSession session) {
12.                 // 当预览会话配置成功时，提交预览请求
13.                 session.setRepeatingRequest(previewBuilder.build(), null, null);
14.             }
16.             @Override
17.             public void onConfigureFailed(CameraCaptureSession session) {
18.                 // 配置失败时的处理
19.             }
20.         }, mBackgroundHandler);
21.     } catch (CameraAccessException e) {
22.         // 处理摄像头访问异常
23.     }
24. }

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在上面的代码段中，我们首先创建了一个  CaptureRequest.Builder  的实例，并通过  addTarget  方法将Surface添加到预览构建器中。然后，我们创建了一个  CameraCaptureSession  并通过  setRepeatingRequest  方法开始周期性地提交预览请求。
3.2 Surface的管理与更新

3.2.1 监听Surface状态变革

  Surface的状态可能会因为各种原因发生变革，例如，当用户按下Home键或应用进入后台时，Surface可能会被系统销毁。因此，必要对Surface的状态变革进行监听，以便在应用必要时正确地处置惩罚这些变革。这可以通过  SurfaceTextureListener  中的  onSurfaceTextureDestroyed  和  onSurfaceTextureSizeChanged  回调实现。
3.2.2 动态Surface的配置更新

  在某些情况下，可能必要根据应用的必要动态地更新Surface的配置。例如，用户在应用内调解了预览窗口的巨细，或者摄像头的某些参数发生了变革。在这些情况下，必要重新绑定或更新Surface配置。以下是如何在运行时更新Surface配置的示例代码：

1. private void updateSurfaceConfiguration(SurfaceTexture newSurface) {
2.     // 停止当前的捕获会话
3.     mCaptureSession.stopRepeating();
4.     // 移除旧的Surface并添加新的Surface
5.     try {
6.         mCaptureSession.setRepeatingRequest(
7.             mPreviewRequestBuilder.build(),
8.             null,
9.             mBackgroundHandler);
10.     } catch (CameraAccessException e) {
11.         // 处理摄像头访问异常
12.     }
13. }

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在上述代码中，首先停止了当前的捕获会话，然后更新了Surface配置，并重新开始了预览请求。如许的操作确保了预览窗口可以顺应Surface的变革。
  通过本章的介绍，我们已经了解了如何创建和配置用于Camera2 API的预览Surface，以及如何管理动态Surface。这些知识对于实现流畅的摄像头预览功能至关重要。在接下来的章节中，我们将继承探索构建CaptureSession和发送预览请求的具体步调，使我们能更全面地掌握Camera2 API的使用。
4. CaptureSession的构建与预览请求的发送

4.1 CaptureSession的初始化与配置

4.1.1 创建CaptureSession实例

  在深入探讨如何构建  CaptureSession  实例之前，有必要先理解  CaptureSession  是什么。  CaptureSession  是Camera2 API中的一个核心概念，用于控制相机的捕获操作。它是一个会话，用于将预览、录制、静态图片捕获等功能联合起来，协调它们的实行。在Camera2中，几乎全部的捕获操作都是通过  CaptureSession  来进行的。
  创建  CaptureSession  实例的代码如下所示：

1. // 创建CameraDevice实例后，进行Session的创建
2. CameraCaptureSession mCaptureSession = null;
4. // 构建一个列表，列出我们想要与CaptureSession关联的输出目标
5. List<Surface> outputs = new ArrayList<>();
6. outputs.add(previewSurface); // 假设previewSurface是有效的Surface实例
8. // 开始创建Session
9. mCameraDevice.createCaptureSession(outputs, new CameraCaptureSession.StateCallback() {
10.     @Override
11.     public void onConfigured(CameraCaptureSession session) {
12.         // 当Session配置完成时，此回调会被触发。
13.         mCaptureSession = session;
14.         // 这里可以发送预览请求等操作。
15.     }
17.     @Override
18.     public void onConfigureFailed(CameraCaptureSession session) {
19.         // 如果配置失败，将无法开始捕获。
20.         // 此处可以进行错误处理。
21.     }
22. }, mBackgroundHandler);

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参数说明： -  outputs  : 这是一个  Surface  的列表，包含了一个或多个必要在  CaptureSession  中使用的  Surface  实例。 -  StateCallback  : 这是一个回调接口，它界说了几个重要的方法，比如  onConfigured  和  onConfigureFailed  ，用于吸取Session配置成功与否的通知。
  逻辑分析： 在这段代码中，我们首先创建了一个  CameraCaptureSession.StateCallback  实例，界说了处置惩罚  CaptureSession  配置成功或失败的回调函数。接着，我们使用  CameraDevice.createCaptureSession  方法创建  CaptureSession  ，传入了输出目标列表和状态回调。在  onConfigured  回调函数中，我们可以得到一个配置好的  CaptureSession  实例，并可以开始发送请求，如预览请求。
4.1.2 配置Session的输出目标

  在  onConfigured  回调中，一旦我们得到了配置好的  CaptureSession  实例，下一步就是设置输出目标。输出目标可以是屏幕预览、视频录制输出、图像捕获等，每一个输出目标都对应一个  Surface  对象。
  设置  CaptureSession  输出目标的代码如下：

1. // 假设我们已经创建了CaptureSession实例和相应的Surface
2. // 下面的代码应当在onConfigured()回调函数内执行
4. try {
5.     // 开始配置CaptureSession的输出目标
6.     mCaptureSession.setRepeatingRequest(request, null, mBackgroundHandler);
7. } catch (CameraAccessException e) {
8.     // 处理可能出现的CameraAccessException异常
9. }

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参数说明： -  request  : 是一个  CaptureRequest  对象，它表现一个请求，指示相机应该以何种方式捕获一帧图像。  setRepeatingRequest  方法将这个请求配置为重复实行，从而实现一连的预览。 -  null  : 这是  CaptureCallback  的占位符，假如必要吸取每个单独捕获请求的回调，则可以传入一个有效的  CaptureCallback  实例。在这里我们不必要，所以传入  null  。
  逻辑分析：  setRepeatingRequest  方法用于设置一个重复实行的捕获请求，例如一连的视频预览。这个方法接受三个参数：捕获请求、回调函数以及一个  Handler  。在上述代码中，  null  代表我们不必要为单个捕获事件吸取回调。假如捕获请求成功配置，将开始一连预览。假如在请求配置过程中出现非常，比如  CameraAccessException  ，则必要进行非常处置惩罚。
   CaptureSession  与输出目标的配置是实现相机应勤劳能的关键一步，它确保了图像数据可以流向正确的方向，例如屏幕预览或文件存储等。接下来的章节，我们将探讨如何构建预览请求并发送管理这些请求。
5. ImageReader的使用与图像数据处置惩罚

5.1 ImageReader基础与配置

5.1.1 ImageReader的工作原理

  ImageReader是Android中的一个类，专门用于处置惩罚图像数据的捕获。通过ImageReader，应用步伐能够高效地从摄像头预览中捕获帧，并将其转换为图像缓冲区，以便进行进一步的处置惩罚。ImageReader在内部使用生产者-消耗者模型，此中摄像头作为生产者，应用步伐作为消耗者。它允许应用步伐以同步或异步的方式从摄像头吸取一连的图像帧。
5.1.2 创建ImageReader实例并配置参数

  使用ImageReader时，首先必要创建一个ImageReader实例，该实例将界说所盼望的图像巨细和格式。例如，假如你希望捕获YUV格式的图像，巨细为1280x720像素，你可以如许做：

1. ImageReader imageReader = ImageReader.newInstance(1280, 720, PixelFormat.YUV_420_888, 2);

复制代码

这段代码创建了一个ImageReader实例，它将提供两个缓冲区（缓冲区的数量由最后一个参数决定），每个缓冲区包含YUV格式的图像数据。
5.2 图像数据的捕获与处置惩罚

5.2.1 同步捕获图像帧

  在ImageReader创建之后，你可以将其与一个CaptureSession绑定，并注册一个ImageAvailableListener监听器来吸取图像帧。当缓冲区可用时，监听器的onImageAvailable方法会被调用：

1. imageReader.setOnImageAvailableListener(new ImageReader.OnImageAvailableListener() {
2.     @Override
3.     public void onImageAvailable(ImageReader reader) {
4.         Image image = null;
5.         try {
6.             image = reader.acquireLatestImage();
7.             if (image != null) {
8.                 // 处理图像数据...
9.             }
10.         } finally {
11.             if (image != null) {
12.                 image.close(); // 确保及时释放资源
13.             }
14.         }
15.     }
16. }, handler);

复制代码

5.2.2 图像数据的处置惩罚方法和流程

  处置惩罚图像数据时，通常会涉及到对图像缓冲区的操作。根据所使用的图像格式，处置惩罚方法也会有所不同。例如，对于YUV格式的图像，你可能会必要进行色彩转换，以便将其用于图像处置惩罚库或显示到屏幕上。
  图像处置惩罚流程可能包括以下步调： - 获取图像缓冲区的引用。 - 读取缓冲区中的图像数据。 - 根据必要转换图像数据的格式。 - 应用图像处置惩罚算法，例如图像增强或滤镜效果。 - 将处置惩罚后的图像数据用于显示或生存。
5.3 图像数据的存储与使用

5.3.1 图像数据的格式转换

  捕获的图像数据通常必要转换为其他格式以顺应不同的用途。例如，将YUV格式转换为RGB格式，以便于图像编辑或显示。转换过程中要注意服从和质量的平衡。

1. // 示例：YUV到RGB的转换过程（简化示例）
2. byte[] yuvData = ... // 假设从Image对象中获取到的YUV数据
3. int[] rgbData = new int[yuvData.length]; // 为转换后的RGB数据分配空间
5. // 转换算法的实现（这里省略具体实现细节）
6. // ...
8. // 此时rgbData数组中包含了转换后的RGB数据

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5.3.2 将图像数据用于进一步处置惩罚或存储

  捕获并处置惩罚后的图像数据可以用于多种用途，例如实时分析、对象辨认、图像编辑或者直接生存到存储装备。在生存图像之前，通常还必要编码转换为JPEG或PNG格式：

1. Bitmap bitmap = ... // 假设从Image对象中创建的Bitmap对象
2. ByteArrayOutputStream stream = new ByteArrayOutputStream();
3. bitmap.compress(Bitmap.CompressFormat.PNG, 100, stream);
4. byte[] byteArray = stream.toByteArray();
5. File file = new File(getExternalFilesDir(null), "captured_image.png");
6. FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
7. fos.write(byteArray);
8. fos.close();

复制代码

以上章节的代码示例展示了ImageReader的基本使用方法和图像数据处置惩罚的初步步调，为读者提供了一个从捕获随处置惩罚和存储图像数据的完备流程。在现实应用中，必要针对具体需求进行相应的优化和调解。
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