会议白板之摄像头采集

 会议白板之摄像头采集

本文经原作者授权以原创方式二次分享，欢迎转载、分享。

原文作者：唐宋元明清

原文地址：https://www.cnblogs.com/kybs0/p/18385599

会议白板之摄像头采集

本文主要介绍摄像头（相机）如何采集数据，用于类似摄像头本地显示软件，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、处理和显示视频流接口，以及图像丰富的图像处理功能，如滤镜、特征提取和物体检测。详见官网开源仓库 andrewkirillov/AForge.NET(github.com)^[1]

我们下面看下AForge录制代码，安装Nuget包依赖：

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

摄像头图像显示：

private void StartButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        // 获取所有视频输入设备
        var videoDevices = new FilterInfoCollection(FilterCategory.VideoInputDevice);
        if (videoDevices.Count > 0)
        {
            // 选择第一个视频输入设备
            var videoSource = new VideoCaptureDevice(videoDevices[0].MonikerString);
            // 注册NewFrame事件处理程序
            videoSource.NewFrame += new NewFrameEventHandler(videoSource_NewFrame);
            // 开始摄像头视频源
            videoSource.Start();
        }
    }

    private async void videoSource_NewFrame(object sender, NewFrameEventArgs eventArgs)
    {
        // 获取当前的视频帧，显示
        var image = ToBitmapImage(eventArgs.Frame);
        await Dispatcher.InvokeAsync(() => { CaptureImage.Source = image; });
    }

摄像头录制视频流：

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

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的：

// 将Bitmap转换为byte[]
    public byte[] BitmapToByteArray(Bitmap bitmap, out int stride)
    {
        Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, bitmap.Width, bitmap.Height);
        BitmapData bitmapData = bitmap.LockBits(rect, ImageLockMode.ReadOnly, bitmap.PixelFormat);
        //stride是分辨率水平值，如3840
        stride = bitmapData.Stride;
        int bytes = Math.Abs(bitmapData.Stride) * bitmap.Height;
        byte[] rgbValues = new byte[bytes];

        // 复制位图数据到字节数组
        Marshal.Copy(bitmapData.Scan0, rgbValues, 0, bytes);

        bitmap.UnlockBits(bitmapData);
        return rgbValues;
    }

    // 将byte[]转换为BitmapImage
    public BitmapImage ByteArrayToBitmapImage(byte[] byteArray, int width, int height, int stride, PixelFormat pixelFormat)
    {
        var bitmapImage = new BitmapImage();
        using (var memoryStream = new MemoryStream())
        {
            var bmp = new Bitmap(width, height, stride, pixelFormat, Marshal.UnsafeAddrOfPinnedArrayElement(byteArray, 0));
            // 保存到MemoryStream中
            bmp.Save(memoryStream, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Bmp);
            memoryStream.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
            bitmapImage.BeginInit();
            bitmapImage.StreamSource = memoryStream;
            bitmapImage.CacheOption = BitmapCacheOption.OnLoad;
            bitmapImage.EndInit();
            bitmapImage.Freeze();
        }
        return bitmapImage;
    }

详见Demo代码 kybs00/AForgeNETDemo (github.com)^[2]

经验证，延迟较大，对比Windows系统相机不够清晰

测试延时，大家可以用摄像头对着屏幕，屏幕显示摄像头画面以及在线秒表计时器。在线推荐大家用这个在线秒表 - 在线计时器 - 在线记时器 (bmcx.com)^[3] 或者 在线秒表计时器 (lddgo.net)^[4]，放大页面比例会清晰点

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。Sascha-L/WPF-MediaKit (github.com)^[5]

使用 WPFMediaKit 要录制摄像头视频，需要结合 WPFMediaKit 提供的视频捕获功能和其他库（例如 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：

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

这个定时器的实现比较low。延时较低、较流畅，但与Win系统相机对比也是不够清晰

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内使用需要引入俩个Nuget包：

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

初始化MediaCapture:

    var mediaCapture =new MediaCapture();
    var videos = await DeviceInformation.FindAllAsync(DeviceClass.VideoCapture);
    var settings = new MediaCaptureInitializationSettings()
    {
        VideoDeviceId = videos[0].Id,
        StreamingCaptureMode = StreamingCaptureMode.Video,
    };
    await mediaCapture.InitializeAsync(settings);

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

    private MediaCapture _mediaCapture;
    private InMemoryRandomAccessStream _randomAccessStream;
    private async void StartButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        // 1. 初始化 MediaCapture 对象
        var mediaCapture = _mediaCapture = new MediaCapture();
        var videos = await DeviceInformation.FindAllAsync(DeviceClass.VideoCapture);
        var settings = new MediaCaptureInitializationSettings()
        {
            VideoDeviceId = videos[0].Id,
            StreamingCaptureMode = StreamingCaptureMode.Video,
        };
        await mediaCapture.InitializeAsync(settings);

        // 2. 设置要录制的数据流
        var randomAccessStream = _randomAccessStream = new InMemoryRandomAccessStream();
        // 3. 配置录制的视频设置
        var mediaEncodingProfile = MediaEncodingProfile.CreateMp4(VideoEncodingQuality.Auto);
        // 4. 开始录制
        await mediaCapture.StartRecordToStreamAsync(mediaEncodingProfile, randomAccessStream);
    }

    private async void StopButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        // 停止录制
        await _mediaCapture.StopRecordAsync();
        // 处理录制后的数据,保存至"C:\Users\XXX\Videos\RecordedVideo.mp4"
        var storageFolder = Windows.Storage.KnownFolders.VideosLibrary;
        var file = await storageFolder.CreateFileAsync("RecordedVideo.mp4", Windows.Storage.CreationCollisionOption.GenerateUniqueName);
        using var fileStream = await file.OpenAsync(Windows.Storage.FileAccessMode.ReadWrite);
        await RandomAccessStream.CopyAndCloseAsync(_randomAccessStream.GetInputStreamAt(0), fileStream.GetOutputStreamAt(0));
        _randomAccessStream.Dispose();
    }

摄像头显示，通过UWP-WindowsXamlHost承载画面（置顶）：

private async void StartButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        _mediaCapture = new MediaCapture();
        var videos = await DeviceInformation.FindAllAsync(DeviceClass.VideoCapture);
        var settings = new MediaCaptureInitializationSettings()
        {
            VideoDeviceId = videos[0].Id,
            StreamingCaptureMode = StreamingCaptureMode.Video,
        };
        await _mediaCapture.InitializeAsync(settings);
        //显示WindowsXamlHost
        VideoViewHost.Visibility = Visibility.Visible;
        //绑定画面源
        _captureElement.Source = _mediaCapture;
        await _mediaCapture.StartPreviewAsync();
    }

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：

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

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）：

private async void FrameReader_FrameArrived(MediaFrameReader sender, MediaFrameArrivedEventArgs args)
    {
        var frame = sender.TryAcquireLatestFrame();
        if (frame != null)
        {
            var bitmap = frame.VideoMediaFrame?.SoftwareBitmap;
            if (bitmap != null)
            {
                // 在这里对每一帧进行处理
                await Dispatcher.InvokeAsync(async () =>
                {
                    var bitmapImage = await ConvertSoftwareBitmapToBitmapImageAsync(bitmap);
                    _captureImage.Source = bitmapImage;
                });
            }
        }
    }

如需要将SoftwareBitmap转为buffer字节数据，可以按如下处理：

public async Task<byte[]> SoftwareBitmapToByteArrayAsync(SoftwareBitmap softwareBitmap)
    {
        // 使用InMemoryRandomAccessStream来存储图像数据
        using var stream = new InMemoryRandomAccessStream();
        // 创建位图编码器
        var encoder = await BitmapEncoder.CreateAsync(BitmapEncoder.PngEncoderId, stream);
        // 转换为BGRA8格式，如果当前格式不同
        var bitmap = SoftwareBitmap.Convert(softwareBitmap, BitmapPixelFormat.Bgra8, BitmapAlphaMode.Premultiplied);
        encoder.SetSoftwareBitmap(bitmap);
        await encoder.FlushAsync();
        bitmap.Dispose();

        // 读取字节数据
        using var reader = new DataReader(stream.GetInputStreamAt(0));
        byte[] byteArray = new byte[stream.Size];
        await reader.LoadAsync((uint)stream.Size);
        reader.ReadBytes(byteArray);

        return byteArray;
    }

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)^[6]

这是我个人电脑本地监听帧转Image显示的延迟，差不多180ms：

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功能 shimat/opencvsharp: OpenCV wrapper for .NET (github.com)^[7]。2K视频较为流畅，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相同的强大功能 emgucv/emgucv: Emgu CV (github.com)^[8]

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 pauldotknopf/DirectShow.NET^[9]。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

此处就不一一例写Demo了

我们看看性能数据，4K屏设备+4K摄像头，通过本地摄像头预览显示。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，所以摄像头采集推荐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