高效实现Java本机接口网络摄像头提要的性能

Question

我正在做一个项目，从网络摄像头获取视频输入，并向用户显示运动区域。我在这个项目中的“测试版”尝试是使用Java媒体框架来检索网络摄像头提要。通过一些实用函数，JMF可以方便地将网络摄像头帧作为BuffereImage返回，我为此构建了大量框架。然而，我很快意识到，Sun/Oracle不再很好地支持JMF，而且一些更高的网络摄像头分辨率（720p）无法通过JMF接口访问

我想继续将帧作为缓冲图像进行处理，并使用OpenCV（C++）作为视频源。仅使用OpenCV的框架，我发现OpenCV在高效返回高清网络摄像头帧并将其绘制到屏幕上方面做得很好

我认为将这些数据输入Java并获得同样的效率是非常简单的。我刚刚完成了JNIDLL的编写，以便将这些数据复制到BuffereImage并将其返回到Java。然而，我发现我正在进行的数据复制量确实影响了性能。我的目标是30 FPS，但要将OpenCV返回的字符数组中的数据复制到Java BuffereImage中，仅此一步就需要大约100毫秒。相反，我看到的是2-5帧

返回帧捕获时，OpenCV提供指向1D字符数组的指针。这些数据需要提供给Java，显然我没有时间复制任何数据

我需要一个更好的解决方案来将这些帧捕获放到BuffereImage中。我正在考虑的几个解决方案，我认为没有一个是非常好的（相当肯定它们也会表现不佳）：

（1）重写BuffereImage，并通过对DLL进行本机调用，从各种BuffereImage方法返回像素数据。（我没有立即进行数组复制，而是根据调用代码的请求返回单个像素）。请注意，调用代码通常需要图像中的所有像素来绘制或处理图像，因此此单个像素抓取操作将在2D for循环中实现

（2）指示BuffereImage使用java。尼奥。ByteBuffer以某种方式直接访问OpenCV返回的字符数组中的数据。如果您有任何关于如何做到这一点的建议，我们将不胜感激

（3）以C++为对象，并忘记java。嗯，是的，这听起来像是最合乎逻辑的解决方案，但是我没有时间从头开始这个多月的项目

到目前为止，我的JNI代码已经编写好返回BuffereImage，但是现在我愿意接受1D字符数组的返回，然后将其放入BuffereImage中

顺便说一下。。。这里的问题是：将图像数据的1D字符数组复制到BuffereImage中最有效的方法是什么

提供了（低效）代码，用于从OpenCV获取图像并复制到BuffereImage：

JNIEXPORT jobject JNICALL Java_graphicanalyzer_ImageFeedOpenCV_getFrame
  (JNIEnv * env, jobject jThis, jobject camera)
{
 //get the memory address of the CvCapture device, the value of which is encapsulated in the camera jobject
 jclass cameraClass = env->FindClass("graphicanalyzer/Camera");
 jfieldID fid = env->GetFieldID(cameraClass,"pCvCapture","I");

 //get the address of the CvCapture device
 int a_pCvCapture = (int)env->GetIntField(camera, fid);

 //get a pointer to the CvCapture device
    CvCapture *capture = (CvCapture*)a_pCvCapture;

 //get a frame from the CvCapture device
 IplImage *frame = cvQueryFrame( capture );

 //get a handle on the BufferedImage class
 jclass bufferedImageClass = env->FindClass("java/awt/image/BufferedImage");
 if (bufferedImageClass == NULL)
 {
  return NULL;
 }

 //get a handle on the BufferedImage(int width, int height, int imageType) constructor
 jmethodID bufferedImageConstructor = env->GetMethodID(bufferedImageClass,"<init>","(III)V");

 //get the field ID of BufferedImage.TYPE_INT_RGB
 jfieldID imageTypeFieldID = env->GetStaticFieldID(bufferedImageClass,"TYPE_INT_RGB","I");

 //get the int value from the BufferedImage.TYPE_INT_RGB field
 jint imageTypeIntRGB = env->GetStaticIntField(bufferedImageClass,imageTypeFieldID);

 //create a new BufferedImage
 jobject ret = env->NewObject(bufferedImageClass, bufferedImageConstructor, (jint)frame->width, (jint)frame->height, imageTypeIntRGB);

 //get a handle on the method BufferedImage.getRaster()
 jmethodID getWritableRasterID = env->GetMethodID(bufferedImageClass, "getRaster", "()Ljava/awt/image/WritableRaster;");

 //call the BufferedImage.getRaster() method
 jobject writableRaster = env->CallObjectMethod(ret,getWritableRasterID);

 //get a handle on the WritableRaster class
 jclass writableRasterClass = env->FindClass("java/awt/image/WritableRaster");

 //get a handle on the WritableRaster.setPixel(int x, int y, int[] rgb) method
 jmethodID setPixelID = env->GetMethodID(writableRasterClass, "setPixel", "(II[I)V"); //void setPixel(int, int, int[])

 //iterate through the frame we got above and set each pixel within the WritableRaster
 jintArray rgbArray = env->NewIntArray(3);
 jint rgb[3];
 char *px;
 for (jint x=0; x < frame->width; x++)
 {
  for (jint y=0; y < frame->height; y++)
  {
   px = frame->imageData+(frame->widthStep*y+x*frame->nChannels);
   rgb[0] = abs(px[2]);  // OpenCV returns BGR bit order
   rgb[1] = abs(px[1]);  // OpenCV returns BGR bit order
   rgb[2] = abs(px[0]);  // OpenCV returns BGR bit order
   //copy jint array into jintArray
   env->SetIntArrayRegion(rgbArray,0,3,rgb); //take values in rgb and move to rgbArray
   //call setPixel()  this is a copy operation
   env->CallVoidMethod(writableRaster,setPixelID,x,y,rgbArray);
  }
 }

 return ret;  //return the BufferedImage
}

Answer 1

如果您希望使代码真正快速并仍然使用Java，还有另一种选择。AWT窗口工具包有一个直接的本地接口，可以使用C或C++绘制到AWT表面。因此，不需要复制任何东西到java，因为你可以直接从C++或C++中的缓冲区中直接呈现。我不确定如何做到这一点的具体细节，因为我已经有一段时间没有看它了，但我知道它包含在标准JRE发行版中。使用此方法，如果愿意，您可能会接近相机的FPS限制，而不是勉强达到30 FPS

如果你想进一步研究这个问题，我会从here和here开始

快乐编程

Answer 2

我将构造BufferedImage所需的RGB int数组，然后使用单个调用

 void setRGB(int startX, int startY, int w, int h, int[] rgbArray, int offset, int scansize) 

一次设置整个图像数据数组。或者至少是大部分

如果没有计时，我会怀疑这是每像素调用

env->SetIntArrayRegion(rgbArray,0,3,rgb);
env->CallVoidMethod(writableRaster,setPixelID,x,y,rgbArray);

他们占用了大部分时间

编辑：很可能是方法调用，而不是内存操作本身，这需要时间。因此，在JNI代码中构建数据，并将其分块或一次复制到Java映像中。创建并固定Java int[]后，可以通过本机指针访问它。然后调用setRGB将数组复制到图像中

注意：您仍然需要至少复制一次数据，但是通过一个函数调用一次完成所有像素的操作要比通过2 x N函数调用单独完成操作效率高得多

编辑2：

回顾我的JNI代码，我只使用过字节数组，但对int数组的原理是相同的。使用：

NewIntArray

要创建int数组，请执行以下操作：

GetIntArrayElements

锁定它并获取指针，完成后

ReleaseIntArrayElements

要释放它，请记住使用该标志将数据复制回Java的内存堆

然后，您应该能够使用Java int数组句柄调用setRGB函数

还请记住，这实际上是设置RGBA像素，因此包括alpha在内的4个通道，而不仅仅是3个通道（Java中的RGB名称似乎早于alpha通道，但大多数所谓的方法都与32位值兼容）

Answer 3

设法使用NIO ByteBuffer来加速流程

< C++上的JNI边…

JNIEXPORT jobject JNICALL Java_graphicanalyzer_ImageFeedOpenCV_getFrame
  (JNIEnv * env, jobject jThis, jobject camera)
{
    //...

    IplImage *frame = cvQueryFrame(pCaptureDevice);

    jobject byteBuf = env->NewDirectByteBuffer(frame->imageData, frame->imageSize);

    return byteBuf;
}

在Java方面

void getFrame(Camera cam)
{
    ByteBuffer frameData = cam.getFrame();   //NATIVE call

    byte[] imgArray = new byte[frame.data.capacity()];
    frameData.get(imgArray); //although it seems like an array copy, this call returns very quickly
    DataBufferByte frameDataBuf = new DataBufferByte(imgArray,imgArray.length);

    //determine image sample model characteristics
    int dataType = DataBuffer.TYPE_BYTE;
    int width = cam.getFrameWidth();
    int height = cam.getFrameHeight();
    int pixelStride = cam.getPixelStride();
    int scanlineStride = cam.getScanlineStride();
    int bandOffsets = new int[] {2,1,0};  //BGR

    //create a WritableRaster with the DataBufferByte
    PixelInterleavedSampleModel pism = new PixelInterleavedSampleModel
    (
        dataType,
        width,
        height,
        pixelStride,
        scanlineStride,
        bandOffsets
    );
    WritableRaster raster = new ImgFeedWritableRaster( pism, frameDataBuf, new Point(0,0) );

    //create the BufferedImage
    ColorSpace cs = ColorSpace.getInstance(ColorSpace.CS_sRGB);
    ComponentColorModel cm = new ComponentColorModel(cs, false, false, Transparency.OPAQUE, DataBuffer.TYPE_BYTE);
    BufferedImage newImg = new BufferedImage(cm,raster,false,null);

    handleNewImage(newImg);
}

使用java。尼奥。通过使用ByteBuffer，我可以快速处理OpenCV代码返回的char数组，而不用（显然）进行太多可怕的数组复制

Answer 4

作为次要考虑，如果OpenCV返回的图像数据数组与Java所需的唯一区别是BGR与RGB，那么

px = frame->imageData+(frame->widthStep*y+x*frame->nChannels);
rgb[0] = abs(px[2]);  // OpenCV returns BGR bit order
rgb[1] = abs(px[1]);  // OpenCV returns BGR bit order
rgb[2] = abs(px[0]);  // OpenCV returns BGR bit order

是一种相对低效的转换方式。相反，您可以执行以下操作：

uint32 px = frame->imageData+(frame->widthStep*y+x*frame->nChannels);
javaArray[ofs]=((px&0x00FF0000)>>16)|(px&0x0000FF00)|((px&0x000000FF)<<16);

（请注意，我的C代码已经生锈了，所以这可能不是完全有效的，但它显示了需要什么）