Android Camera2 API实战：使用CameraManager控制摄像头

# 1. Android Camera2 API简介

## 1.1 旧版Camera API与新版Camera2 API的区别

在旧版Camera API中，Android提供了一个简单的接口用于访问设备的摄像头功能。但是，这个接口的设计相对简单，并且在性能和功能方面存在一些限制。为了解决这些问题，Android引入了新的Camera2 API。

Camera2 API是Android 5.0（API级别21）引入的全新摄像头API。相比于旧版API，Camera2 API提供了更强大和灵活的功能：

- 更好的性能：Camera2 API使用了异步的操作模式，减少了对UI线程的影响，提高了性能。
- 更多的控制选项：Camera2 API提供了更多的参数和选项，可以灵活地配置摄像头的各种功能。
- 支持多摄像头：Camera2 API支持同时操作多个摄像头，可以灵活地选择使用前置摄像头还是后置摄像头。
- 更多的输出格式：Camera2 API支持更多的输出格式，如JPEG、RAW、YUV等，方便开发者进行图像处理和后续处理。
- 更多的功能扩展：Camera2 API允许开发者通过CameraCharacteristics和CaptureRequest来获取和设置摄像头的各种功能和参数。

## 1.2 Camera2 API的优势与特点

Camera2 API相比于旧版API具有以下优势和特点：

- 支持并发操作：Camera2 API允许并发地配置和操作多个摄像头设备，提高了系统的灵活性和性能。
- 支持CPU和GPU处理：Camera2 API可以将摄像头输出的图像数据直接传递给CPU或者GPU进行处理，方便进行图像分析或者后期处理。
- 支持自定义功能：Camera2 API允许开发者通过添加自定义的CameraExtension来扩展摄像头的功能，满足各种特殊需求。
- 支持高帧率录制：Camera2 API支持高帧率录制，满足了实时视频录制和直播的需求。
- 支持相机特性查询：通过CameraCharacteristics，开发者可以查询摄像头设备的各种特性，如支持的分辨率、最大曝光时间、最小焦距等。

Camera2 API在Android的摄像头开发中具有重要的作用，让开发者能够更灵活、高效地管理和控制摄像头设备，实现各种强大的摄像功能。在接下来的章节中，我们将介绍Camera2 API的具体使用方法和实现技巧。

# 2. 摄像头设备的控制与管理

摄像头设备的控制与管理是使用Camera2 API的重要部分。在本章节中，我们将介绍CameraManager类的基本概念，并演示如何使用CameraManager类来获取摄像头设备列表，并打开、关闭摄像头设备。

### 2.1 CameraManager类的介绍

CameraManager类是用于检测、打开、配置和连接摄像头设备的系统服务。它提供了访问设备摄像头的接口，允许应用获取有关摄像头设备的信息并与其进行交互。

### 2.2 获取摄像头设备列表

通过CameraManager类，我们可以获取当前设备上可用的摄像头设备列表。这使我们能够在应用中展示给用户可用的摄像头选项，并根据需求选择特定的摄像头。

CameraManager manager = (CameraManager) getSystemService(Context.CAMERA_SERVICE);
String[] cameraIdList = manager.getCameraIdList();
for (String cameraId : cameraIdList) {
    CameraCharacteristics characteristics = manager.getCameraCharacteristics(cameraId);
    // 处理摄像头特性信息
}

在上述示例中，我们使用CameraManager的getCameraIdList方法获取了当前设备上所有可用的摄像头设备的ID，并通过遍历的方式获取了每个摄像头设备的特性信息。

### 2.3 打开、关闭摄像头设备

一旦我们确定了要使用的摄像头设备ID，就可以通过CameraManager类来打开该摄像头设备，实现预览、拍照等功能。同时，使用完摄像头设备后，我们也需要正确地关闭它以释放相关资源。

private String mCameraId;
private CameraDevice mCameraDevice;
private CameraDevice.StateCallback mCameraDeviceStateCallback = new CameraDevice.StateCallback() {
    @Override
    public void onOpened(@NonNull CameraDevice camera) {
        mCameraDevice = camera;
        // 摄像头设备打开后执行相关操作
    }

    @Override
    public void onDisconnected(@NonNull CameraDevice camera) {
        // 摄像头设备断开连接时执行的操作
    }

    @Override
    public void onError(@NonNull CameraDevice camera, int error) {
        // 摄像头设备出现错误时执行的操作
    }
};

// 打开摄像头设备
public void openCamera() {
    try {
        manager.openCamera(mCameraId, mCameraDeviceStateCallback, null);
    } catch (CameraAccessException e) {
        // 捕获相机访问异常
    }
}

// 关闭摄像头设备
public void closeCamera() {
    if (mCameraDevice != null) {
        mCameraDevice.close();
    }
}

在上述示例中，我们定义了一个用于处理摄像头设备状态的回调mCameraDeviceStateCallback，并通过CameraManager的openCamera方法打开指定ID的摄像头设备。同时，也展示了如何在不需要使用摄像头设备时进行正确的关闭操作。

通过本章的介绍，我们对Camera2 API中摄像头设备的控制与管理有了初步的了解。在接下来的章节中，我们将深入探讨如何配置摄像头参数、实现预览和拍照功能，并处理相关的运行时权限。

# 3. 配置摄像头参数

在使用Camera2 API之前，我们需要先配置摄像头的参数，包括设置摄像头预览尺寸、曝光、焦距和白平衡等。本章将详细介绍如何配置摄像头参数。

#### 3.1 设置摄像头预览尺寸

在Camera2 API中，我们可以通过CameraCharacteristics类获取到摄像头的特性，包括支持的预览尺寸。以下是设置摄像头预览尺寸的代码示例：

CameraManager cameraManager = (CameraManager) getSystemService(Context.CAMERA_SERVICE);
String cameraId = cameraManager.getCameraIdList()[0]; // 获取第一个摄像头的ID

CameraCharacteristics characteristics = cameraManager.getCameraCharacteristics(cameraId);
StreamConfigurationMap map = characteristics.get(CameraCharacteristics.SCALER_STREAM_CONFIGURATION_MAP);

Size[] sizes = map.getOutputSizes(SurfaceTexture.class); // 获取支持的预览尺寸列表
Size previewSize = sizes[0]; // 默认选择列表中的第一个尺寸作为预览尺寸

// 设置预览尺寸
previewView.setPreviewSize(previewSize.getWidth(), previewSize.getHeight());

通过CameraCharacteristics和StreamConfigurationMap，我们可以获取到摄像头支持的预览尺寸列表，然后根据需求选择合适的尺寸进行设置。

#### 3.2 设置曝光、焦距和白平衡

除了设置预览尺寸，我们还可以通过CameraCaptureSession.CaptureRequest.Builder设置曝光、焦距和白平衡等其他参数。以下是设置曝光和焦距的代码示例：

CaptureRequest.Builder builder = cameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_PREVIEW);
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE_ON); // 自动曝光模式
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE_AUTO); // 自动对焦模式

// 设置焦距
float zoomValue = 2.0f; // 设置焦距的倍数，2.0表示放大两倍
Rect activeRect = characteristics.get(CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_ACTIVE_ARRAY_SIZE);
Rect zoomRect = new Rect(activeRect.centerX() - (int) (activeRect.width() / (2 * zoomValue)),
        activeRect.centerY() - (int) (activeRect.height() / (2 * zoomValue)),
        activeRect.centerX() + (int) (activeRect.width() / (2 * zoomValue)),
        activeRect.centerY() + (int) (activeRect.height() / (2 * zoomValue)));
builder.set(CaptureRequest.SCALER_CROP_REGION, zoomRect);

// 发送CaptureRequest进行参数设置
captureSession.setRepeatingRequest(builder.build(), null, null);

通过调用CaptureRequest.Builder的set方法，我们可以设置曝光模式和对焦模式，并且可以通过设置SCALER_CROP_REGION参数来实现焦距的调整。

#### 3.3 添加自定义功能

在配置摄像头参数时，我们还可以添加一些自定义功能，例如增加水印、调整色彩效果等。以下是添加水印的代码示例：

CaptureRequest.Builder builder = cameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_PREVIEW);
builder.addTarget(previewSurface); // 设置预览Surface
builder.addTarget(imageReader.getSurface()); // 设置拍照Surface

// 添加水印
Bitmap watermarkBitmap = BitmapFactory.decodeResource(getResources(), R.drawable.watermark);
ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
watermarkBitmap.compress(Bitmap.CompressFormat.PNG, 100, outputStream);
byte[] watermarkBytes = outputStream.toByteArray();
builder.set(CaptureRequest.JPEG_ORIENTATION, 0);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_QUALITY, (byte) 100);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_THUMBNAIL_SIZE, new Size(0, 0));
builder.set(CaptureRequest.JPEG_THUMBNAIL_QUALITY, (byte) 100);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_GPS_LOCATION, null);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_GPS_TIMESTAMP, 0);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_GPS_COORDINATES, new double[]{0.0, 0.0});   
builder.set(CaptureRequest.JPEG_ORIENTATION, ExifInterface.ORIENTATION_NORMAL);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_QUALITY, (byte) 100);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_THUMBNAIL_SIZE, new Size(0, 0));
builder.set(CaptureRequest.JPEG_THUMBNAIL_QUALITY, (byte) 100);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_GPS_LOCATION, null);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_GPS_TIMESTAMP, 0);
builder.set(CaptureRequest.JPEG_GPS_COORDINATES, new double[]{0.0, 0.0});

// 发送CaptureRequest进行参数设置
captureSession.setRepeatingRequest(builder.build(), null, null);

通过添加CaptureRequest的参数，我们可以在预览和拍照过程中实现自定义功能。

通过本章的介绍，我们了解了如何配置摄像头参数，包括设置预览尺寸、曝光、焦距和白平衡等。在下一章节中，我们将实现预览和拍照的功能。

# 4. 章节四：预览和拍照功能实现

摄像头应用通常需要实现预览功能和拍照功能，本章将介绍如何利用Camera2 API实现预览和拍照功能。

### 4.1 创建预览视图

在使用Camera2 API实现预览功能之前，首先需要创建一个预览视图来显示摄像头捕获的实时画面。可以使用SurfaceView或TextureView来实现预览视图，这里以TextureView为例。

// 创建TextureView用于显示预览画面
TextureView textureView = findViewById(R.id.texture_view);

// 监听TextureView准备好的回调，准备好后开始设置预览
textureView.setSurfaceTextureListener(new TextureView.SurfaceTextureListener() {
    @Override
    public void onSurfaceTextureAvailable(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
        // SurfaceTexture准备好后，开始设置相机预览
        openCamera(width, height); // 自定义方法，后文会详细介绍
    }

    @Override
    public void onSurfaceTextureSizeChanged(SurfaceTexture surface, int width, int height) {
        // 视图尺寸发生变化时的回调，可以在此处理布局调整
    }

    @Override
    public boolean onSurfaceTextureDestroyed(SurfaceTexture surface) {
        // 视图被销毁时的回调，可以在此释放资源
        return true;
    }

    @Override
    public void onSurfaceTextureUpdated(SurfaceTexture surface) {
        // 视图更新时的回调，可以在此处理实时帧数据
    }
});

### 4.2 实时预览功能实现

实现相机预览功能的关键是创建预览会话，并将预览数据输出到预览视图中。以下是一个简化的实现示例：

// 创建预览会话
private void createCameraPreviewSession() {
    try {
        SurfaceTexture texture = textureView.getSurfaceTexture();
        texture.setDefaultBufferSize(previewSize.getWidth(), previewSize.getHeight());
        Surface surface = new Surface(texture);

        // 创建预览请求
        CaptureRequest.Builder previewRequestBuilder = cameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_PREVIEW);
        previewRequestBuilder.addTarget(surface);

        // 创建预览会话
        cameraDevice.createCaptureSession(Arrays.asList(surface), new CameraCaptureSession.StateCallback() {
            @Override
            public void onConfigured(@NonNull CameraCaptureSession session) {
                if (cameraDevice == null) {
                    return;
                }

                // 当摄像头已经关闭
                cameraCaptureSession = session;
                try {
                    // 设置预览参数
                    previewRequestBuilder.set(CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE_CONTINUOUS_PICTURE);
                    previewRequest = previewRequestBuilder.build();
                    // 开始显示预览
                    cameraCaptureSession.setRepeatingRequest(previewRequest, null, backgroundHandler);
                } catch (CameraAccessException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void onConfigureFailed(@NonNull CameraCaptureSession session) {
                // 配置会话失败处理
            }
        }, null);
    } catch (CameraAccessException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

### 4.3 拍照功能的实现

利用Camera2 API实现拍照功能包括创建拍照会话、设置拍照参数、捕获静态图像等步骤，这里将展示简化的拍照功能实现示例：

// 创建拍照会话
private void captureStillPicture() {
    try {
        if (cameraDevice == null) {
            return;
        }
        CaptureRequest.Builder captureBuilder = cameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE);
        captureBuilder.addTarget(imageReader.getSurface());

        // 设置拍照参数
        captureBuilder.set(CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE_CONTINUOUS_PICTURE);

        // 停止预览
        cameraCaptureSession.stopRepeating();

        // 捕获静态图像
        cameraCaptureSession.capture(captureBuilder.build(), new CameraCaptureSession.CaptureCallback() {
            @Override
            public void onCaptureCompleted(@NonNull CameraCaptureSession session, @NonNull CaptureRequest request, @NonNull TotalCaptureResult result) {
                // 拍照完成的处理
                // 可以在此保存图片或者展示拍摄结果
            }
        }, null);
    } catch (CameraAccessException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

通过以上示例，可以实现基于Camera2 API的摄像头预览和拍照功能。在实际应用中，还应考虑错误处理、性能优化等问题。

希望这部分内容对你有所帮助。

# 5. 章节五：处理摄像头相关的运行时权限

#### 5.1 获取摄像头权限

在使用摄像头功能之前，我们需要先获取摄像头的运行时权限。以下是获取摄像头权限的步骤：

1. 在AndroidManifest.xml文件中添加权限声明：

<uses-permission android:name="android.permission.CAMERA" />

2. 在应用代码中检查并请求摄像头权限：

// 检查摄像头权限是否已被授予
if (ContextCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.CAMERA)
        != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
    // 如果权限未被授予，向用户请求摄像头权限
    ActivityCompat.requestPermissions(this,
            new String[]{Manifest.permission.CAMERA},
            CAMERA_PERMISSION_REQUEST_CODE);
} else {
    // 权限已被授予，可以打开摄像头设备并进行相应操作
    openCamera();
}

3. 处理权限请求回调：

@Override
public void onRequestPermissionsResult(int requestCode, String[] permissions, int[] grantResults) {
    if (requestCode == CAMERA_PERMISSION_REQUEST_CODE) {
        if (grantResults.length > 0 && grantResults[0] == PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
            // 权限已被授予，可以打开摄像头设备并进行相应操作
            openCamera();
        } else {
            // 权限未被授予，可以根据需要进行相应处理，例如显示一个权限被拒绝的提示
            Toast.makeText(this, "摄像头权限被拒绝", Toast.LENGTH_SHORT).show();
        }
    }
}

#### 5.2 处理权限请求回调

在上一节中，我们实现了请求摄像头权限的代码，并在权限请求回调中处理了权限被授予或拒绝的情况。以下是处理权限请求回调的步骤：

1. 在Activity或Fragment中重写onRequestPermissionsResult方法：

@Override
public void onRequestPermissionsResult(int requestCode, String[] permissions, int[] grantResults) {
    // 在此处理权限请求回调
}

2. 在onRequestPermissionsResult中判断权限请求的requestCode，并根据授权结果进行相应处理。

@Override
public void onRequestPermissionsResult(int requestCode, String[] permissions, int[] grantResults) {
    if (requestCode == CAMERA_PERMISSION_REQUEST_CODE) {
        if (grantResults.length > 0 && grantResults[0] == PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
            // 权限已被授予，可以进行相应操作
        } else {
            // 权限未被授予，可以根据需要进行相应处理，例如显示一个权限被拒绝的提示
        }
    }
}

以上就是处理摄像头相关的运行时权限的步骤。在实际应用中，我们可以根据需求在权限被授予或拒绝的情况下进行相应的提示或处理操作。这样可以提升用户体验，并保证应用的正常运行。

当然，你也可以根据自己的需求对权限请求的代码进行修改和优化，以适应具体的应用场景。

# 6. 最佳实践与常见问题解决

在开发使用Android Camera2 API时，以下是一些最佳实践和常见问题的解决方法。

### 6.1 最佳实践与优化建议

下面是一些关于如何优化使用Camera2 API的最佳实践和建议。

#### 6.1.1 使用合适的线程

在Camera2 API中涉及到很多异步操作，如打开、关闭摄像头设备，设置参数，拍照等。为了避免阻塞UI线程，建议将这些操作放在后台线程中执行。可以使用HandlerThread或者ThreadPoolExecutor等方式创建一个后台线程，并在相应的回调中执行相应的操作。

// 创建后台线程
private HandlerThread mCameraThread;
private Handler mCameraHandler;

// 在onCreate方法中初始化线程并开启
mCameraThread = new HandlerThread("CameraThread");
mCameraThread.start();
mCameraHandler = new Handler(mCameraThread.getLooper());

#### 6.1.2 优化预览尺寸

预览尺寸对于用户体验非常重要。选择合适的预览尺寸可确保预览流畅且清晰。可以使用`StreamConfigurationMap`类获取支持的预览尺寸列表，并选择合适的尺寸。

StreamConfigurationMap configurationMap = mCameraCharacteristics.get(
        CameraCharacteristics.SCALER_STREAM_CONFIGURATION_MAP);
Size[] supportedPreviewSizes = configurationMap.getOutputSizes(SurfaceTexture.class);

// 自定义方法，选择合适的预览尺寸
Size optimalSize = chooseOptimalSize(supportedPreviewSizes, desiredWidth, desiredHeight);

#### 6.1.3 及时释放资源

使用完摄像头设备后，需要及时释放相关资源，以确保其他应用程序能够正常访问摄像头设备。

@Override
protected void onPause() {
    super.onPause();
    closeCamera();
    stopBackgroundThread();
}

private void closeCamera() {
    if (mCaptureSession != null) {
        mCaptureSession.close();
        mCaptureSession = null;
    }
    if (mCameraDevice != null) {
        mCameraDevice.close();
        mCameraDevice = null;
    }
}

private void stopBackgroundThread() {
    if (mCameraThread != null) {
        mCameraThread.quitSafely();
        try {
            mCameraThread.join();
            mCameraThread = null;
            mCameraHandler = null;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

### 6.2 常见问题解决与调试技巧

在使用Camera2 API时，可能会遇到一些常见问题。下面提供一些解决这些问题的技巧和建议。

#### 6.2.1 问题：预览画面不稳定或闪烁

可能原因：
- 未设置适当的曝光补偿值
- 摄像头参数配置错误
- 相机硬件问题

解决方法：
- 设置合适的曝光补偿值
- 确认摄像头参数配置是否正确
- 测试其他设备以确定是否为硬件问题

#### 6.2.2 问题：拍照后照片模糊或质量不佳

可能原因：
- 拍照时手持手机抖动
- 没有正确设置焦点
- 图片处理时出现问题

解决方法：
- 使用合适的ImageReader和CaptureRequest配置值
- 设置合适的焦点模式和焦点区域
- 考虑使用图像稳定化技术或增加拍照时的曝光时间

### 6.3 未来发展与展望

Camera2 API为开发者提供了更灵活和强大的摄像头控制能力，但在实际使用中还存在一些限制和挑战。随着技术的发展，未来的Android版本可能会进一步改进Camera2 API，提供更多的功能和性能优化。开发者应密切关注最新的Android官方文档和开发者社区，以了解最新的更新和发展动态。

本章节通过介绍最佳实践和常见问题解决方法，希望能够帮助开发者更好地理解和使用Android Camera2 API，实现更丰富和优质的摄像功能。