JavaCV的攝像頭實戰之一：基礎-有解無憂

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這里分類和匯總了欣宸的全部原創(含配套原始碼)：https://github.com/zq2599/blog_demos

關于《JavaCV的攝像頭實戰》系列

《JavaCV的攝像頭實戰》顧名思義，是使用JavaCV框架對攝像頭進行各種處理的實戰集合，這是欣宸作為一名Java程式員，在計算機視覺（computer vision）領域的一個原創系列，通過連續的編碼實戰，與您一同學習掌握視頻、音頻、圖片等資源的各種操作
另外要說明的是，整個系列使用的攝像頭是USB攝像圖或者筆記本的內置攝像頭，并非基于網路訪問的智能攝像頭

本篇概覽

作為整個系列的開篇，本文非常重要，從環境到代碼的方方面面，都會為后續文章打好基礎，簡單來說本篇由以下內容構成：

環境和版本資訊
基本套路分析
基本框架編碼
部署媒體服務器

接下來就從環境和版本資訊開始吧

環境和版本資訊

現在就把實戰涉及的軟硬體環境交代清楚，您可以用來參考：

作業系統：win10
JDK：1.8.0_291
maven：3.8.1
IDEA：2021.2.2(Ultimate Edition)
JavaCV：1.5.6
媒體服務器：基于dockek部署的nginx-rtmp，鏡像是：alfg/nginx-rtmp:v1.3.1

原始碼下載

《JavaCV的攝像頭實戰》的完整原始碼可在GitHub下載到，地址和鏈接資訊如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：

名稱	鏈接	備注
專案主頁	https://github.com/zq2599/blog_demos	該專案在GitHub上的主頁
git倉庫地址(https)	https://github.com/zq2599/blog_demos.git	該專案原始碼的倉庫地址，https協議
git倉庫地址(ssh)	[email protected]:zq2599/blog_demos.git	該專案原始碼的倉庫地址，ssh協議

這個git專案中有多個檔案夾，本篇的原始碼在javacv-tutorials檔案夾下，如下圖紅框所示：

在這里插入圖片描述

javacv-tutorials里面有多個子工程，《JavaCV的攝像頭實戰》系列的代碼在simple-grab-push工程下：

在這里插入圖片描述

基本套路分析

全系列有多個基于攝像頭的實戰，例如視窗預覽、把視頻保存為檔案、把視頻推送到媒體服務器等，其基本套路是大致相同的，用最簡單的流程圖表示如下：

在這里插入圖片描述

從上圖可見，整個流程就是不停的從攝像頭取幀，然后處理和輸出

基本框架編碼

看過了上面基本套路，聰明的您可能會有這樣的想法：既然套路是固定的，那代碼也可以按套路固定下來吧
沒錯，接下來就考慮如何把代碼按照套路固定下來，我的思路是開發名為AbstractCameraApplication的抽象類，作為《JavaCV的攝像頭實戰》系列每個應用的父類，它負責搭建整個初始化、取幀、處理、輸出的流程，它的子類則專注幀資料的具體處理和輸出，整個體系的UML圖如下所示：

在這里插入圖片描述

接下來就該開發抽象類AbstractCameraApplication.java了，編碼前先設計，下圖是AbstractCameraApplication的主要方法和執行流程，粗體全部是方法名，紅色塊代表留給子類實作的抽象方法：

在這里插入圖片描述

接下來是創建工程，我這里創建的是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當前版本 -->
        <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相關依賴，一個就夠了 -->
        <dependency>
            <groupId>org.bytedeco</groupId>
            <artifactId>javacv-platform</artifactId>
            <version>${javacpp.version}</version>
        </dependency>
    </dependencies>
</project>

接下來就是AbstractCameraApplication.java的完整代碼，這些代碼的流程和方法命名都與上圖保持一致，并且添加了詳細的注釋，有幾處要注意的地方稍后會提到：

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 [email protected]
 * @date 2021/11/19 8:07 上午
 * @description 攝像頭應用的基礎類，這里面定義了拉流和推流的基本流程，子類只需實作具體的業務方法即可
 */
@Slf4j
public abstract class AbstractCameraApplication {

    /**
     * 攝像頭序號，如果只有一個攝像頭，那就是0
     */
    protected static final int CAMERA_INDEX = 0;

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

    /**
     * 輸出幀率
     */
    @Getter
    private final double frameRate = 30;

    /**
     * 攝像頭視頻的寬
     */
    @Getter
    private final int cameraImageWidth = 1280;

    /**
     * 攝像頭視頻的高
     */
    @Getter
    private final int cameraImageHeight = 720;

    /**
     * 轉換器
     */
    private final OpenCVFrameConverter.ToIplImage openCVConverter = new OpenCVFrameConverter.ToIplImage();

    /**
     * 實體化、初始化輸出操作相關的資源
     */
    protected abstract void initOutput() throws Exception;

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

    /**
     * 釋放輸出操作相關的資源
     */
    protected abstract void releaseOutputResource() throws Exception;

    /**
     * 兩幀之間的間隔時間
     * @return
     */
    protected int getInterval() {
        // 假設一秒鐘15幀，那么兩幀間隔就是(1000/15)毫秒
        return (int)(1000/ frameRate);
    }

    /**
     * 實體化幀抓取器，默認OpenCVFrameGrabber物件，
     * 子類可按需要自行覆寫
     * @throws FFmpegFrameGrabber.Exception
     */
    protected void instanceGrabber() throws FrameGrabber.Exception {
        grabber = new OpenCVFrameGrabber(CAMERA_INDEX);
    }

    /**
     * 用幀抓取器抓取一幀，默認呼叫grab()方法，
     * 子類可以按需求自行覆寫
     * @return
     */
    protected Frame grabFrame() throws FrameGrabber.Exception {
        return grabber.grab();
    }

    /**
     * 初始化幀抓取器
     * @throws Exception
     */
    protected void initGrabber() throws Exception {
        // 實體化幀抓取器
        instanceGrabber();

        // 攝像頭有可能有多個解析度，這里指定
        // 可以指定寬高，也可以不指定反而呼叫grabber.getImageWidth去獲取，
        grabber.setImageWidth(cameraImageWidth);
        grabber.setImageHeight(cameraImageHeight);

        // 開啟抓取器
        grabber.start();
    }

    /**
     * 預覽和輸出
     * @param grabSeconds 持續時長
     * @throws Exception
     */
    private void grabAndOutput(int grabSeconds) throws Exception {
        // 添加水印時用到的時間工具
        SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

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

        // 兩幀輸出之間的間隔時間，默認是1000除以幀率，子類可酌情修改
        int interVal = getInterval();

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

        Frame captureFrame;
        Mat mat;

        // 超過指定時間就結束回圈
        while (System.currentTimeMillis()<endTime) {
            // 取一幀
            captureFrame = grabFrame();

            if (null==captureFrame) {
                log.error("幀物件為空");
                break;
            }

            // 將幀物件轉為mat物件
            mat = openCVConverter.convertToMat(captureFrame);

            // 在圖片上添加水印，水印內容是當前時間，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);

            // 子類輸出
            output(openCVConverter.convert(mat));

            // 適當間隔，讓肉感感受不到閃屏即可
            if(interVal>0) {
                Thread.sleep(interVal);
            }
        }

        log.info("輸出結束");
    }

    /**
     * 釋放所有資源
     */
    private void safeRelease() {
        try {
            // 子類需要釋放的資源
            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();

        // 設定ffmepg日志級別
        avutil.av_log_set_level(avutil.AV_LOG_INFO);
        FFmpegLogCallback.set();

        // 實體化、初始化幀抓取器
        initGrabber();

        // 實體化、初始化輸出操作相關的資源，
        // 具體怎么輸出由子類決定，例如視窗預覽、存視頻檔案等
        initOutput();

        log.info("初始化完成，耗時[{}]毫秒，幀率[{}]，影像寬度[{}]，影像高度[{}]",
                System.currentTimeMillis()-startTime,
                frameRate,
                cameraImageWidth,
                cameraImageHeight);
    }

    /**
     * 執行抓取和輸出的操作
     */
    public void action(int grabSeconds) {
        try {
            // 初始化操作
            init();
            // 持續拉取和推送
            grabAndOutput(grabSeconds);
        } catch (Exception exception) {
            log.error("execute action error", exception);
        } finally {
            // 無論如何都要釋放資源
            safeRelease();
        }
    }
}

上述代碼有以下幾處要注意：

負責從攝像頭取資料的是OpenCVFrameGrabber物件，即幀抓取器
initGrabber方法中，通過setImageWidth和setImageHeight方法為幀抓取器設定影像的寬和高，其實也可以不用設定寬高，由幀抓取器自動適配，但是考慮到有些攝像頭支持多種解析度，所以還是按照自己的實際情況來主動設定
grabAndOutput方法中，使用了while回圈來不斷地取幀、處理、輸出，這個while回圈的結束條件是指定時長，這樣的結束條件可能滿足不了您的需要，請按照您的實際情況自行調整（例如檢測某個按鍵是否按下）
grabAndOutput方法中，將取到的幀轉為Mat物件，然后在Mat物件上添加文字，內容是當前時間，再將Mat物件轉為幀物件，將此幀物件傳給子類的output方法，如此一來，子類做處理和輸出的時候，拿到的幀都有了時間水印

至此，父類已經完成，接下來的實戰，咱們只要專注用子類處理和輸出幀資料即可

部署媒體服務器

《JavaCV的攝像頭實戰》系列的一些實戰涉及到推流和遠程播放，這就要用到流媒體服務器了，流媒體服務器的作用如下圖，咱們也在這一篇提前部署好：

在這里插入圖片描述

關于媒體服務器的型別，我選的是常用的nginx-rtmp，簡單起見，找了一臺linux電腦，在上面用docker來部署，也就是一行命令的事兒：

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

另外還有個特殊情況，就是我這邊有個閑置的樹莓派3B，也可以用來做媒體服務器，也是用docker部署的，這里要注意鏡像要選用shamelesscookie/nginx-rtmp-ffmpeg:latest，這個鏡像有ARM64版本，適合在樹莓派上使用：

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

至此，《JavaCV的攝像頭實戰》系列的準備作業已經完成，接下來的文章，開始精彩的體驗之旅吧，欣宸原創，必不讓您失望~

你不孤單，欣宸原創一路相伴

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標籤：Java

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