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Android Camera-相机尺寸、方向和图像数据

前面几篇文章介绍了Camera1,Camera2,CameraView和CameraX的使用,对各个API的使用,应该问题不大,不过在真正开发过程中,也会遇到各种不同的问题,本篇文章继续介绍相机开发过程中遇到的问题,主要是相机预览、拍照尺寸,方向,以及图像数据的处理。

尺寸

这里的尺寸,主要是预览尺寸、拍照尺寸和显示预览画面的View大小。

预览尺寸

如何获取预览尺寸?我们可以从cameraview的源码中获取到,分为了Camera1和Camera2。

Camera1

mCameraParameters = mCamera.getParameters();
// Supported preview sizes
mPreviewSizes.clear();
for (Camera.Size size : mCameraParameters.getSupportedPreviewSizes()) {
    Log.d("DEBUG", "###### SupportedPreviewSizes: width=" + size.width + ", height="
            + size.height);
    mPreviewSizes.add(new Size(size.width, size.height));
}
复制代码

Camera2

mPreviewSizes.clear();
for (android.util.Size size : map.getOutputSizes(mPreview.getOutputClass())) {
    int width = size.getWidth();
    int height = size.getHeight();
    if (width <= MAX_PREVIEW_WIDTH && height <= MAX_PREVIEW_HEIGHT) {
        mPreviewSizes.add(new Size(width, height));
    }
}
复制代码

不同的厂商和系统所支持的预览尺寸是不一样,下面是红米Note 5A手机上支持的所有预览尺寸:

SupportedPreviewSizes: width=1280, height=720
SupportedPreviewSizes: width=960, height=720
SupportedPreviewSizes: width=864, height=480
SupportedPreviewSizes: width=800, height=480
SupportedPreviewSizes: width=768, height=432
SupportedPreviewSizes: width=720, height=480
SupportedPreviewSizes: width=640, height=640
SupportedPreviewSizes: width=640, height=480
SupportedPreviewSizes: width=480, height=640
SupportedPreviewSizes: width=640, height=360
SupportedPreviewSizes: width=576, height=432
SupportedPreviewSizes: width=480, height=360
SupportedPreviewSizes: width=480, height=320
SupportedPreviewSizes: width=384, height=288
SupportedPreviewSizes: width=352, height=288
SupportedPreviewSizes: width=320, height=240
SupportedPreviewSizes: width=240, height=320
SupportedPreviewSizes: width=240, height=160
SupportedPreviewSizes: width=176, height=144
SupportedPreviewSizes: width=144, height=176
SupportedPreviewSizes: width=160, height=120
复制代码

这里尺寸的比例一般都是4:3、16:9,其他比例是在此基础上裁剪出来的

选取预览尺寸

在相同宽高比下,选择最接近View的宽高,避免过大的预览尺寸, 造成性能损耗, 引起预览卡顿。
cameraview源码中,默认定义的宽高比AspectRatio DEFAULT_ASPECT_RATIO = AspectRatio.of(4, 3)

Camera1

private Size chooseOptimalSize(SortedSet<Size> sizes) {
    if (!mPreview.isReady()) { // Not yet laid out
        return sizes.first(); // Return the smallest size
    }
    int desiredWidth;
    int desiredHeight;
    final int surfaceWidth = mPreview.getWidth();
    final int surfaceHeight = mPreview.getHeight();
    if (isLandscape(mDisplayOrientation)) {
        desiredWidth = surfaceHeight;
        desiredHeight = surfaceWidth;
    } else {
        desiredWidth = surfaceWidth;
        desiredHeight = surfaceHeight;
    }
    Size result = null;
    for (Size size : sizes) { // Iterate from small to large
        if (desiredWidth <= size.getWidth() && desiredHeight <= size.getHeight()) {
            return size;

        }
        result = size;
    }
    return result;
}
复制代码

区分了横竖屏,然后得到尺寸中宽和高等于或者大于View的宽高的尺寸。

Camera2

private Size chooseOptimalSize() {
    int surfaceLonger, surfaceShorter;
    final int surfaceWidth = mPreview.getWidth();
    final int surfaceHeight = mPreview.getHeight();
    if (surfaceWidth < surfaceHeight) {
        surfaceLonger = surfaceHeight;
        surfaceShorter = surfaceWidth;
    } else {
        surfaceLonger = surfaceWidth;
        surfaceShorter = surfaceHeight;
    }
    SortedSet<Size> candidates = mPreviewSizes.sizes(mAspectRatio);

    // Pick the smallest of those big enough
    for (Size size : candidates) {
        if (size.getWidth() >= surfaceLonger && size.getHeight() >= surfaceShorter) {
            return size;
        }
    }
    // If no size is big enough, pick the largest one.
    return candidates.last();
}
复制代码

先判断View宽高,区分其中较大值和较小值,然后再得到尺寸中宽和高大于或者等于View的较大值和较小值的尺寸。

拍照尺寸

代码也是从cameraview中截取出来的

Camera1

mPictureSizes.clear();
for (Camera.Size size : mCameraParameters.getSupportedPictureSizes()) {
    Log.d("DEBUG", "###### SupportedPictureSizes: width=" + size.width + ", height="
            + size.height);
    mPictureSizes.add(new Size(size.width, size.height));
}
复制代码

Camera2

protected void collectPictureSizes(SizeMap sizes, StreamConfigurationMap map) {
    for (android.util.Size size : map.getOutputSizes(ImageFormat.JPEG)) {
        mPictureSizes.add(new Size(size.getWidth(), size.getHeight()));
    }
}
复制代码

在红米Note 5A手机支持的拍照尺寸:

SupportedPictureSizes: width=4160, height=3120
SupportedPictureSizes: width=4160, height=2340
SupportedPictureSizes: width=4096, height=3072
SupportedPictureSizes: width=4096, height=2304
SupportedPictureSizes: width=4000, height=3000
SupportedPictureSizes: width=3840, height=2160
SupportedPictureSizes: width=3264, height=2448
SupportedPictureSizes: width=3200, height=2400
SupportedPictureSizes: width=2976, height=2976
SupportedPictureSizes: width=2592, height=1944
SupportedPictureSizes: width=2592, height=1458
SupportedPictureSizes: width=2688, height=1512
SupportedPictureSizes: width=2304, height=1728
SupportedPictureSizes: width=2048, height=1536
SupportedPictureSizes: width=2336, height=1314
SupportedPictureSizes: width=1920, height=1080
SupportedPictureSizes: width=1600, height=1200
SupportedPictureSizes: width=1440, height=1080
SupportedPictureSizes: width=1280, height=960
SupportedPictureSizes: width=1280, height=768
SupportedPictureSizes: width=1280, height=720
SupportedPictureSizes: width=1200, height=1200
SupportedPictureSizes: width=1024, height=768
SupportedPictureSizes: width=800, height=600
SupportedPictureSizes: width=864, height=480
SupportedPictureSizes: width=800, height=480
SupportedPictureSizes: width=720, height=480
SupportedPictureSizes: width=640, height=480
SupportedPictureSizes: width=640, height=360
SupportedPictureSizes: width=480, height=640
SupportedPictureSizes: width=480, height=360
SupportedPictureSizes: width=480, height=320
SupportedPictureSizes: width=352, height=288
SupportedPictureSizes: width=320, height=240
SupportedPictureSizes: width=240, height=320
复制代码

这里尺寸的比例一般也是4:3、16:9

选取拍照尺寸

Camaer1和Camera2都是一样的逻辑,选取固定宽高比例中的最大尺寸,这样拍摄的图片最清晰。

Size largest = mPictureSizes.sizes(mAspectRatio).last();
复制代码

方向

这里的设置方向有两种:图像预览方向和拍照方向。在这之前,需要先介绍几个概念:

  • 屏幕坐标方向
  • 设备自然方向
  • 摄像头传感器方向
  • 相机预览方向

屏幕坐标方向

在Android系统中,以屏幕左上角为坐标系统的原点(0,0)坐标,该坐标系是固定不变的,不会因为设备方向的变化而改变。

屏幕坐标方向

屏幕自然方向

每个设备都有一个自然方向,手机和平板自然方向不一样,如图所示,这里盗个图:

设备自然方向
默认情况下,平板的自然方向是横屏,而手机的自然方向是竖屏方向。Android系统可以通过View的OrientationEventListener监听设备方向,回调方法:

abstract public void onOrientationChanged(int orientation);
复制代码

onOrientationChanged返回0到359的角度,其中0表示自然方向。

摄像头传感器方向

摄像头传感器方向
手机相机的图像数据都是来自于摄像头硬件的图像传感器,这个传感器在被固定到手机上后有一个默认的取景方向,方向一般是和手机横屏方向一致,如上图所示。

相机预览方向

将摄像头传感器捕获的图像,显示在屏幕上的方向,就是相机预览方向。默认情况下,和摄像头传感器方向一致,可以通过Camera API进行改变。
Camaer1可以使用setDisplayOrientation设置预览方向,Camera2则可以通过TextureView来实现。
不同的摄像头位置,orientation是不一样的,orientation就是摄像头传感器方向顺时针旋转到屏幕自然方向的角度。

后置

后置的orientation90

后置
对横屏来说,屏幕的自然方向和相机的摄像头传感器方向一致的。
对竖屏来说,看到的图像逆时针旋转了90度,因此预览方向需要顺时针旋转90度,才能与屏幕的自然方向保持一致。

前置

前置的orientation270,收集到图像后(没有经过镜像处理),但是要显示到屏幕上,就要按照屏幕自然方向的坐标系来进行显示,需要顺时针旋转270度,才能和设备自然方向一致。预览的时候,做了镜像处理,所以只需要顺时针旋转90度,就能和设置自然方向一致。
那么Camera1和Camera2具体设置预览方向的代码,来自cameraview

Camera1

private int calcDisplayOrientation(int screenOrientationDegrees) {
    if (mCameraInfo.facing == Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_FRONT) {
        return (360 - (mCameraInfo.orientation + screenOrientationDegrees) % 360) % 360;    // compensate the mirror
    } else {  // back-facing
        return (mCameraInfo.orientation - screenOrientationDegrees + 360) % 360;
    }
}
复制代码

代码中区分了前置和后置摄像头。

  • 后置:(mCameraInfo.orientation - screenOrientationDegrees + 360) % 360,恢复到自然方向需要顺时针旋转,而屏幕逆时针旋转正好抵掉了摄像头的旋转,两者差值+360取模。
  • 前置:(mCameraInfo.orientation + screenOrientationDegrees) % 360,屏幕竖直方向看到的是一个镜像,360-(mCameraInfo.orientation + screenOrientationDegrees) % 360,顺时针旋转这个差值可以到自然方向,只不过这是个镜像,左右翻转了

Camera2 使用的TextureView的setTransform进行旋转,并有区分横竖屏。

/**
* Configures the transform matrix for TextureView based on {@link #mDisplayOrientation} and
* the surface size.
*/
void configureTransform() {
    Matrix matrix = new Matrix();
    if (mDisplayOrientation % 180 == 90) {
        final int width = getWidth();
        final int height = getHeight();
        // Rotate the camera preview when the screen is landscape.
        matrix.setPolyToPoly(
                new float[]{
                        0.f, 0.f, // top left
                        width, 0.f, // top right
                        0.f, height, // bottom left
                        width, height, // bottom right
                }, 0,
                mDisplayOrientation == 90 ?
                        // Clockwise
                        new float[]{
                                0.f, height, // top left
                                0.f, 0.f, // top right
                                width, height, // bottom left
                                width, 0.f, // bottom right
                        } : // mDisplayOrientation == 270
                        // Counter-clockwise
                        new float[]{
                                width, 0.f, // top left
                                width, height, // top right
                                0.f, 0.f, // bottom left
                                0.f, height, // bottom right
                        }, 0,
                4);
    } else if (mDisplayOrientation == 180) {
        matrix.postRotate(180, getWidth() / 2, getHeight() / 2);
    }
    mTextureView.setTransform(matrix);
}
复制代码

拍照方向

设置预览方向并不会改变拍出照片的方向。
对于后置相机,相机采集到的图像和相机预览的图像是一样的,只需要旋转后置相机orientation度。 对于前置相机来说,相机预览的图像和相机采集到的图像是镜像关系。
采集的图像:顺时针旋转270度后,与屏幕自然方向一致。
预览的图像:顺时针旋转90度后,与屏幕自然方向一致。
最后盗用一张图来说明:

拍照方向

Camera1

使用mCameraParameters.setRotation()设置拍照后图像方向:

mCameraParameters.setRotation(calcCameraRotation(displayOrientation));
......
/**
* Calculate camera rotation
*
* This calculation is applied to the output JPEG either via Exif Orientation tag
* or by actually transforming the bitmap. (Determined by vendor camera API implementation)
*
* Note: This is not the same calculation as the display orientation
*
* @param screenOrientationDegrees Screen orientation in degrees
* @return Number of degrees to rotate image in order for it to view correctly.
*/
private int calcCameraRotation(int screenOrientationDegrees) {
    if (mCameraInfo.facing == Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_FRONT) {
        return (mCameraInfo.orientation + screenOrientationDegrees) % 360;
    } else {  // back-facing
        final int landscapeFlip = isLandscape(screenOrientationDegrees) ? 180 : 0;
        return (mCameraInfo.orientation + screenOrientationDegrees + landscapeFlip) % 360;
    }
}
复制代码

相机采集到的图像,只需要旋转相机orientation度。

Camera2

根据CameraCharacteristics.SENSOR_ORIENTATION,使用captureRequest设置了JPEG图像的旋转方向。

// Calculate JPEG orientation.
@SuppressWarnings("ConstantConditions")
int sensorOrientation = mCameraCharacteristics.get(
        CameraCharacteristics.SENSOR_ORIENTATION);
captureRequestBuilder.set(CaptureRequest.JPEG_ORIENTATION,
        (sensorOrientation +
                mDisplayOrientation * (mFacing == Constants.FACING_FRONT ? 1 : -1) +
                360) % 360);
复制代码

图像数据

Android Camera默认返回的数据格式是NV21。Camera1通过mParameters.setPreviewFormat()设置,Camera2通过ImageReader.newInstance()设置。
ImageFormat枚举了很多种图片格式,其中ImageFormat.NV21和ImageFormat.YV12是官方推荐的格式,NV21、YV12格式都属于 YUV 格式,也可以表示为YCbCr,Cb、Cr的含义等同于U、V。

YUV

YUV是一种颜色编码方法,和它类似的还有RGB颜色编码方法,主要应用于电视系统和模拟视频领域。其中YUV代表三个分量,Y 代表明亮度,U 和 V 表示的是色度,色度又定义了颜色的两个方面:色调和饱和度。将Y与UV分离,没有UV信息一样可以显示完整的图像,但是只能显示灰度图。

YUV采样格式

YUV 图像的主流采样方式有如下三种:

  • YUV 4:4:4 采样:每一个Y对应一组UV分量
  • YUV 4:2:2 采样:每两个Y共用一组UV分量
  • YUV 4:2:0 采样:每四个Y共用一组UV分量

盗个图说明比较清晰,黑点表示采样该像素点的Y分量,空心圆圈表示采用该像素点的UV分量

YUV

YUV存储格式

有两种存储格式,planar和packed。

  • planar:先连续存储所有像素点的Y,紧接着存储所有像素点的U,随后是所有像素点的V
  • packed:每个像素点的Y,U,V是连续交替存储

YUV格式信息可以参考:YUV pixel formats
根据采样方式和存储格式的不同,形成了多种YUV格式,常见的YUV格式:

采样/格式
YUV422 YUVY 格式 UYVY 格式 YUV422P 格式
YUV420 YUV420P
(YV12、YU12格式)
YUV420P
(NV12、NV21格式)

YUVY格式

YUVY格式属于packed存储格式,相邻的两个Y共用其相邻的两个U、V

Y0 UO Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2
复制代码

Y0、Y1共用 U0、V0
Y2、Y3共用 U2、V2

UYVY格式

UYVY格式也属于packed存储格式,与YUYV格式不同的是UV的排列顺序不一样而已

YUV422P格式

YUV422P格式属于planar存储格式,先连续存储所有像素点的Y,紧接着存储所有像素点的U,随后是所有像素点的V

YV12、YU12格式

YU12和YV12格式都属于YUV420P格式,YUV420P是planar存储格式。先存储所有Y,然后在存储U、V。
YU12和YV12的区别在于YU12是先Y再U后V,而YV12是先Y再V后U。

NV12、NV21格式

NV12、NV21格式YUV420SP格式,YUV420SP也是planar存储格式。先存储所有Y,然后按照UV或者VU的交替顺序进行存储。
NV12格式先存储Y,然后UV再进行交替存储。
NV21格式则是先存储Y,然后VU再进行交替存储。
最后盗用一个数据格式的总结:

YV21: YYYYYYYY UU VV => YUV420P   
YV12: YYYYYYYY VV UU => YUV420P   
NV12: YYYYYYYY UV UV => YUV420SP   
NV21: YYYYYYYY VU VU => YUV420SP
复制代码

Android Camera 默认数据格式是 NV21,Camera1直接设置mParameters.setPreviewFormat(ImageFormat.NV21),然后拍照回调中的 raw data 数据返回就是 NV21的。
Camera2通过ImageReader.newInstance()设置,但是不能直接设置格式ImageFormat.NV21,在源码中有段代码:

if (format == ImageFormat.NV21) {
    throw new IllegalArgumentException(
            "NV21 format is not supported");
}
复制代码

在最新的ImageFormat.NV21上有说明:

YCrCb format used for images, which uses the NV21 encoding format.   
This is the default format for android.hardware.Camera preview images,
when not otherwise set with android.hardware.Camera.Parameters.setPreviewFormat(int).
For the android.hardware.camera2 API, the YUV_420_888 format is recommended for YUV output instead.
复制代码

Camera2建议使用YUV_420_888来替代,所以要得到NV21的数据需要进行数据转化,具体可以参考Image类浅析(结合YUV_420_888)

参考