JavaCV实战之调用摄像头基础详解

关于《JavaCV的摄像头实战》系列

《JavaCV的摄像头实战》顾名思义，是使用JavaCV框架对摄像头进行各种处理的实战集合，这是欣宸作为一名Java程序员，在计算机视觉（computer vision）领域的一个原创系列，通过连续的编码实战，与您一同学习掌握视频、音频、图片等资源的各种操作

另外要说明的是，整个系列使用的摄像头是USB摄像图或者笔记本的内置摄像头，并非基于网络访问的智能摄像头

本篇概览

作为整个系列的开篇，本文非常重要，从环境到代码的方方面面，都会为后续文章打好基础，简单来说本篇由以下内容构成：

1.环境和版本信息

2.基本套路分析

3.基本框架编码

4.部署媒体服务器

接下来就从环境和版本信息开始吧

环境和版本信息

现在就把实战涉及的软硬件环境交代清楚，您可以用来参考：

操作系统：win10

JDK：1.8.0_291

maven：3.8.1

IDEA：2021.2.2(Ultimate Edition)

JavaCV：1.5.6

媒体服务器：基于dockek部署的nginx-rtmp，镜像是：alfg/nginx-rtmp:v1.3.1

源码下载

《JavaCV的摄像头实战》的完整源码可在GitHub下载到，地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：

这个git项目中有多个文件夹，本篇的源码在javacv-tutorials文件夹下，如下图红框所示：

javacv-tutorials里面有多个子工程，《JavaCV的摄像头实战》系列的代码在simple-grab-push工程下：

基本套路分析

全系列有多个基于摄像头的实战，例如窗口预览、把视频保存为文件、把视频推送到媒体服务器等，其基本套路是大致相同的，用最简单的流程图表示如下：

从上图可见，整个流程就是不停的从摄像头取帧，然后处理和输出

基本框架编码

看过了上面基本套路，聪明的您可能会有这样的想法：既然套路是固定的，那代码也可以按套路固定下来吧

没错，接下来就考虑如何把代码按照套路固定下来，我的思路是开发名为AbstractCameraApplication的抽象类，作为《JavaCV的摄像头实战》系列每个应用的父类，它负责搭建整个初始化、取帧、处理、输出的流程，它的子类则专注帧数据的具体处理和输出，整个体系的UML图如下所示：

接下来就该开发抽象类AbstractCameraApplication.java了，编码前先设计，下图是AbstractCameraApplication的主要方法和执行流程，粗体全部是方法名，红色块代表留给子类实现的抽象方法：

接下来是创建工程，我这里创建的是maven工程，pom.xml如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
        xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
   <parent>
       <artifactId>javacv-tutorials</artifactId>
       <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
       <version>1.0-SNAPSHOT</version>
   </parent>
   <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
   <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
   <version>1.0-SNAPSHOT</version>
   <artifactId>simple-grab-push</artifactId>
   <packaging>jar</packaging>

<properties>
       <!-- javacpp当前版本 -->
       <javacpp.version>1.5.6</javacpp.version>
   </properties>

<dependencies>
       <dependency>
           <groupId>org.projectlombok</groupId>
           <artifactId>lombok</artifactId>
       </dependency>
       <dependency>
           <groupId>ch.qos.logback</groupId>
           <artifactId>logback-classic</artifactId>
           <version>1.2.3</version>
       </dependency>
       <dependency>
           <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
           <artifactId>log4j-to-slf4j</artifactId>
           <version>2.13.3</version>
       </dependency>

<!-- javacv相关依赖，一个就够了 -->
       <dependency>
           <groupId>org.bytedeco</groupId>
           <artifactId>javacv-platform</artifactId>
           <version>${javacpp.version}</version>
       </dependency>
   </dependencies>
</project>

接下来就是AbstractCameraApplication.java的完整代码，这些代码的流程和方法命名都与上图保持一致，并且添加了详细的注释，有几处要注意的地方稍后会提到：

package com.bolingcavalry.grabpush.camera;

import lombok.Getter;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.bytedeco.ffmpeg.global.avutil;
import org.bytedeco.javacv.*;
import org.bytedeco.opencv.global.opencv_imgproc;
import org.bytedeco.opencv.opencv_core.Mat;
import org.bytedeco.opencv.opencv_core.Scalar;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

/**
* @author will
* @email zq2599@gmail.com
* @date 2021/11/19 8:07 上午
* @description 摄像头应用的基础类，这里面定义了拉流和推流的基本流程，子类只需实现具体的业务方法即可
*/
@Slf4j
public abstract class AbstractCameraApplication {

/**
    * 摄像头序号，如果只有一个摄像头，那就是0
    */
   protected static final int CAMERA_INDEX = 0;

/**
    * 帧抓取器
    */
   protected FrameGrabber grabber;

/**
    * 输出帧率
    */
   @Getter
   private final double frameRate = 30;

/**
    * 摄像头视频的宽
    */
   @Getter
   private final int cameraImageWidth = 1280;

/**
    * 摄像头视频的高
    */
   @Getter
   private final int cameraImageHeight = 720;

/**
    * 转换器
    */
   private final OpenCVFrameConverter.ToIplImage openCVConverter = new OpenCVFrameConverter.ToIplImage();

/**
    * 实例化、初始化输出操作相关的资源
    */
   protected abstract void initOutput() throws Exception;

/**
    * 输出
    */
   protected abstract void output(Frame frame) throws Exception;

/**
    * 释放输出操作相关的资源
    */
   protected abstract void releaseOutputResource() throws Exception;

/**
    * 两帧之间的间隔时间
    * @return
    */
   protected int getInterval() {
       // 假设一秒钟15帧，那么两帧间隔就是(1000/15)毫秒
       return (int)(1000/ frameRate);
   }

/**
    * 实例化帧抓取器，默认OpenCVFrameGrabber对象，
    * 子类可按需要自行覆盖
    * @throws FFmpegFrameGrabber.Exception
    */
   protected void instanceGrabber() throws FrameGrabber.Exception {
       grabber = new OpenCVFrameGrabber(CAMERA_INDEX);
   }

/**
    * 用帧抓取器抓取一帧，默认调用grab()方法，
    * 子类可以按需求自行覆盖
    * @return
    */
   protected Frame grabFrame() throws FrameGrabber.Exception {
       return grabber.grab();
   }

/**
    * 初始化帧抓取器
    * @throws Exception
    */
   protected void initGrabber() throws Exception {
       // 实例化帧抓取器
       instanceGrabber();

// 摄像头有可能有多个分辨率，这里指定
       // 可以指定宽高，也可以不指定反而调用grabber.getImageWidth去获取，
       grabber.setImageWidth(cameraImageWidth);
       grabber.setImageHeight(cameraImageHeight);

// 开启抓取器
       grabber.start();
   }

/**
    * 预览和输出
    * @param grabSeconds 持续时长
    * @throws Exception
    */
   private void grabAndOutput(int grabSeconds) throws Exception {
       // 添加水印时用到的时间工具
       SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

long endTime = System.currentTimeMillis() + 1000L *grabSeconds;

// 两帧输出之间的间隔时间，默认是1000除以帧率，子类可酌情修改
       int interVal = getInterval();

// 水印在图片上的位置
       org.bytedeco.opencv.opencv_core.Point point = new org.bytedeco.opencv.opencv_core.Point(15, 35);

Frame captureFrame;
       Mat mat;

// 超过指定时间就结束循环
       while (System.currentTimeMillis()<endTime) {
           // 取一帧
           captureFrame = grabFrame();

if (null==captureFrame) {
               log.error("帧对象为空");
               break;
           }

// 将帧对象转为mat对象
           mat = openCVConverter.convertToMat(captureFrame);

// 在图片上添加水印，水印内容是当前时间，位置是左上角
           opencv_imgproc.putText(mat,
                   simpleDateFormat.format(new Date()),
                   point,
                   opencv_imgproc.CV_FONT_VECTOR0,
                   0.8,
                   new Scalar(0, 200, 255, 0),
                   1,
                   0,
                   false);

// 子类输出
           output(openCVConverter.convert(mat));

// 适当间隔，让肉感感受不到闪屏即可
           if(interVal>0) {
               Thread.sleep(interVal);
           }
       }

log.info("输出结束");
   }

/**
    * 释放所有资源
    */
   private void safeRelease() {
       try {
           // 子类需要释放的资源
           releaseOutputResource();
       } catch (Exception exception) {
           log.error("do releaseOutputResource error", exception);
       }

if (null!=grabber) {
           try {
               grabber.close();
           } catch (Exception exception) {
               log.error("close grabber error", exception);
           }
       }
   }

/**
    * 整合了所有初始化操作
    * @throws Exception
    */
   private void init() throws Exception {
       long startTime = System.currentTimeMillis();

// 设置ffmepg日志级别
       avutil.av_log_set_level(avutil.AV_LOG_INFO);
       FFmpegLogCallback.set();

// 实例化、初始化帧抓取器
       initGrabber();

// 实例化、初始化输出操作相关的资源，
       // 具体怎么输出由子类决定，例如窗口预览、存视频文件等
       initOutput();

log.info("初始化完成，耗时[{}]毫秒，帧率[{}]，图像宽度[{}]，图像高度[{}]",
               System.currentTimeMillis()-startTime,
               frameRate,
               cameraImageWidth,
               cameraImageHeight);
   }

/**
    * 执行抓取和输出的操作
    */
   public void action(int grabSeconds) {
       try {
           // 初始化操作
           init();
           // 持续拉取和推送
           grabAndOutput(grabSeconds);
       } catch (Exception exception) {
           log.error("execute action error", exception);
       } finally {
           // 无论如何都要释放资源
           safeRelease();
       }
   }
}

上述代码有以下几处要注意：

1.负责从摄像头取数据的是OpenCVFrameGrabber对象，即帧抓取器

2.initGrabber方法中，通过setImageWidth和setImageHeight方法为帧抓取器设置图像的宽和高，其实也可以不用设置宽高，由帧抓取器自动适配，但是考虑到有些摄像头支持多种分辨率，所以还是按照自己的实际情况来主动设置

3.grabAndOutput方法中，使用了while循环来不断地取帧、处理、输出，这个while循环的结束条件是指定时长，这样的结束条件可能满足不了您的需要，请按照您的实际情况自行调整（例如检测某个按键是否按下）

4.grabAndOutput方法中，将取到的帧转为Mat对象，然后在Mat对象上添加文字，内容是当前时间，再将Mat对象转为帧对象，将此帧对象传给子类的output方法，如此一来，子类做处理和输出的时候，拿到的帧都有了时间水印

至此，父类已经完成，接下来的实战，咱们只要专注用子类处理和输出帧数据即可

部署媒体服务器

《JavaCV的摄像头实战》系列的一些实战涉及到推流和远程播放，这就要用到流媒体服务器了，流媒体服务器的作用如下图，咱们也在这一篇提前部署好：

关于媒体服务器的类型，我选的是常用的nginx-rtmp，简单起见，找了一台linux电脑，在上面用docker来部署，也就是一行命令的事儿：

docker run -d --name nginx_rtmp -p 1935:1935 -p 18080:80 alfg/nginx-rtmp:v1.3.1

另外还有个特殊情况，就是我这边有个闲置的树莓派3B，也可以用来做媒体服务器，也是用docker部署的，这里要注意镜像要选用shamelesscookie/nginx-rtmp-ffmpeg:latest，这个镜像有ARM64版本，适合在树莓派上使用：

docker run -d --name nginx_rtmp -p 1935:1935 -p 18080:80 shamelesscookie/nginx-rtmp-ffmpeg:latest

来源：https://xinchen.blog.csdn.net/article/details/121572093