Android JNI和原生交互，常见的图像格式转换 : NV21、RGBA、Bitmap等

1. 前言

最近在使用OpenCV处理图片的时候，经常会遇到需要转换图像的情况，网上相关资料比较少，也不全，有时候得费劲老半天才能搞定。
自己踩了坑后，在这里记录下，都是我在项目中遇到的图像转化操作，是一些常用的图像格式转换操作。
具体包括:

• nv21、rgba、rgb转换
• OpenCV的Mat转为Bitmap
• Bitmap转成RGB888
• NV21转成Bitmap
• Camera2 中的 android.media.Image 转为 NV21
• Android传递Bitmap给JNI，并转为rgba的Mat

本文的操作都是基于Activity横屏的情况下进行的

2. nv21、rgba、rgb转换

nv21是YUV420格式中的一种，在Android中，Camera1获取的摄像头数据，就是NV21格式的。
rgba、rgb格式，是不同于YUV的另一种色彩表示方式，通常我们需要转为RGB格式，再去做图像检测和处理。
所以在Android中，nv21和rgb的转换，是比较常用、比较普遍的。

2.1 nv21转为rgba格式的Mat

这里传入的jbyteArray data_是nv21格式，首先转成nv21的Mat，然后在通过cv::cvtColor方法，通过cv::COLOR_YUV2RGBA_NV21这个参数值，转为rgba格式的Mat。

extern "C"
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_heiko_myncnnlib_NcnnNativeLib_nv21toARGB(JNIEnv *env, jobject thiz, jbyteArray data_,
                                                  jint h, jint w) {
    jbyte *data = env->GetByteArrayElements(data_, NULL);

    cv::Mat nv21(h + h / 2, w, CV_8UC1, data);
    cv::Mat rgba(h, w, CV_8UC4);
    //nv21转为rgba格式
    cv::cvtColor(nv21, rgba, cv::COLOR_YUV2RGBA_NV21);

	//省略了后续无关代码....

	//释放资源
	env->ReleaseByteArrayElements(data_, data, 0);
}

2.2 nv21转为rgb的Mat

将nv21转成rgb格式的Mat，这里的COLOR_YUV420sp2RGB和COLOR_YUV2RGB_NV21是一样的。

cv::Mat rgba(h, w, CV_8UC3);
//将nv21的数据转为RGB
cv::cvtColor(nv21, rgb, cv::COLOR_YUV420sp2RGB); //也可以传COLOR_YUV2RGB_NV21

2.3 rgba转为rgb的Mat

cv::Mat rgb(rows, cols, CV_8UC3);
//将rgba转为rgb
cv::cvtColor(rgba, rgb, CV_RGBA2RGB);

3. OpenCV的Mat转为Bitmap

在JNI中，用OpenCV处理好图像后，得到的结果是Mat，那么需要将其转为byteArray，然后传递到Android层，再转为Bitmap，显示到ImageView上。

3.1 RGBA转成Bitmap

转成RGBA相对比较简单，只要将rgba的Mat，转为jbyteArray，传递到Android层就好。

extern "C"
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_heiko_myncnnlib_NcnnNativeLib_nv21toARGB(JNIEnv *env, jobject thiz, jbyteArray data_,
                                                  jint h, jint w) {
    jbyte *data = env->GetByteArrayElements(data_, NULL);

    cv::Mat nv21(h + h / 2, w, CV_8UC1, data);
    cv::Mat rgba(h, w, CV_8UC4);
    cv::cvtColor(nv21, rgba, cv::COLOR_YUV2RGBA_NV21);

    int rows = h;
    int cols = w;
    jbyteArray byteArray = env->NewByteArray(rows * cols * 4);

    env->SetByteArrayRegion(byteArray, 0, rows * cols * 4, reinterpret_cast<jbyte*>(rgba.data));
    env->ReleaseByteArrayElements(data_, data, 0);

    return byteArray;
}

Android层进行调用，这里创建Bitmap的时候，使用的是Bitmap.Config.ARGB_8888

//由于前摄像头放置位置是90度方向的，所以这里height和width对调 (实际上应该是在JNI里进行旋转操作，这里是怎么方便怎么来)
 var result = nativeLib.nv21toARGB(data,height,width)
 //var result = nativeLib.nv21toARGB(data,width,height)
 //byte数组转为ARGB8888的Bitmap
 val bitmap = Bitmap.createBitmap(width,height,Bitmap.Config.ARGB_8888)
 var buffer = ByteBuffer.wrap(result)
 bitmap.copyPixelsFromBuffer(buffer)
runOnUiThread {
	//显示到Bitmap上
    binding.img1.setImageBitmap(bitmap)
}

3.2 RGB888转RGB565后，再转成Bitmap

先来看一下RGB888转RGB565的方法

uint16_t *rgb888toRgb565(cv::Mat &rgb, int rows, int cols) {
    cv::Vec3b *data = rgb.ptr<cv::Vec3b>(0);

    uint16_t *rgb565 = new uint16_t[rows * cols];
    for (int i = 0; i < rows * cols; i++) {
        int r = data[i][0];
        int g = data[i][1];
        int b = data[i][2];

        rgb565[i] = ((r >> 3) << 11) | ((g >> 2) << 5) | (b >> 3);
    }
    return rgb565;
}

实现JNI方法，这里传入的data_是rgb888格式，然后转成Mat，再调用rgb888toRgb565转成rgb565，最后在转成jbyteArray返回给Android层。

extern "C"
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_heiko_MyTest_rgb888ToRgb565(JNIEnv *env, jobject thiz, jbyteArray data_,jint w, jint h) {
    jbyte *data = env->GetByteArrayElements(data_, NULL);
    unsigned char *rgb_data = reinterpret_cast<unsigned char *>(data);
    cv::Mat rgb(h, w, CV_8UC3, rgb_data);

    int rows = h;
    int cols = w;
    jbyteArray byteArray = env->NewByteArray(rows * cols * 2);
    uint16_t *rgb565 = rgb888toRgb565(rgb, rows, cols);

    env->SetByteArrayRegion(byteArray, 0, rows * cols * 2, reinterpret_cast<jbyte *>(rgb565));
    env->ReleaseByteArrayElements(data_, data, 0);
    return byteArray;
}

Android层进行调用，这里创建Bitmap的时候，使用的是Bitmap.Config.RGB_565

//这里的data是RGB888格式，具体看4.x小节
val result : ByteArray = nativeLib.rgb888ToRgb565(data, imageWidth, imageHeight)
//byte数组转为Bitmap
val bitmap = Bitmap.createBitmap(imageWidth, imageHeight, Bitmap.Config.RGB_565)
var buffer = ByteBuffer.wrap(detectResult)
bitmap.copyPixelsFromBuffer(buffer)

runOnUiThread { 
	//显示到ImageView上
    binding.img1.setImageBitmap(bitmap)
}

3.3 RGBA转RGB565

rgba也可以先转成rgb565后，再传递给Android层，代码如下

uint16_t *rgbaToRgb565(cv::Mat &rgb, int rows, int cols) {
    cv::Vec4b *data = rgb.ptr<cv::Vec4b>(0);

    uint16_t *rgb565 = new uint16_t[rows * cols];
    for (int i = 0; i < rows * cols; i++) {
        int r = data[i][0];
        int g = data[i][1];
        int b = data[i][2];

        rgb565[i] = ((r >> 3) << 11) | ((g >> 2) << 5) | (b >> 3);
    }
    return rgb565;
}

4. Bitmap转RGB888

Android中的Bitmap是ARGB格式进行存储的，所以我们先取到Bitmap的像素数组，然后对其进行遍历，分别取到每个像素点的R、G、B数据，赋值到新的ByteArray里，就得到RGB888格式的图像数据了。

//解析bytes为bitmap，bytes是jpeg格式的图片流
val bitmap = BitmapFactory.decodeByteArray(bytes, 0, bytes.size)
val width: Int = bitmap.width
val height: Int = bitmap.height
val pixels = IntArray(width * height)
//获取像素赋值给 pixels
bitmap.getPixels(pixels, 0, width, 0, 0, width, height)

val rgb888 = ByteArray(width * height * 3)
for (i in 0 until width * height) {
	 // 注意：Android的Bitmap是ARGB格式，而不是RGBA
	 rgb888[i * 3] = Color.red(pixels[i]).toByte()
	 rgb888[i * 3 + 1] = Color.green(pixels[i]).toByte()
	 rgb888[i * 3 + 2] = Color.blue(pixels[i]).toByte()
}

5. YUV420转Bitmap

这里的yuv420的具体格式是NV21，也就是将NV21格式转为Bitamp。
具体操作为先将nv21的ByteArray转化为YuvImage对象，然后压缩为JPEG格式的ByteArray，最后通过BitmapFactory.decodeByteArray()来得到Bitmap。

fun convertYUV420ToBitmap(
        yuv420Data: ByteArray?,
        width: Int,
        height: Int
    ): Bitmap {
        // 创建YuvImage对象
        val yuvImage = YuvImage(yuv420Data, ImageFormat.NV21, width, height, null)

        // 创建ByteArrayOutputStream对象
        val outputStream = ByteArrayOutputStream()

        // 将YuvImage对象压缩为JPEG格式的数据
        yuvImage.compressToJpeg(Rect(0, 0, width, height), 100, outputStream)

        // 将JPEG数据解码为Bitmap对象
        val jpegData = outputStream.toByteArray()
        return BitmapFactory.decodeByteArray(jpegData, 0, jpegData.size)
}

6. android.media.Image 转为 NV21

Android Camera2相机中取到的一帧数据是android.media.Image，我们设置android.graphics.ImageFormat为ImageFormat.YUV_420_888，这个格式是YCbCr的泛化格式，不会具体指明是YU12，YV12，NV12，或是是NV21。它能够表示任何4:2:0的平面和半平面格式，每个分量用8 bits表示。
这里，我们来将Image转为NV21格式。

fun imageToNV21(image: Image): ByteArray {
    val planes: Array<Image.Plane> = image.planes
    val yBuffer = planes[0].buffer
    val uBuffer = planes[1].buffer
    val vBuffer = planes[2].buffer
    val ySize = yBuffer.remaining()
    val uSize = uBuffer.remaining()
    val vSize = vBuffer.remaining()
    val yuvData = ByteArray(ySize + uSize + vSize)

    yBuffer[yuvData, 0, ySize]
    vBuffer[yuvData, ySize, vSize]
    uBuffer[yuvData, ySize + vSize, uSize]
    return yuvData
}

7. Android传递Bitmap给JNI，并转为rgba的Mat

Android中，也可以直接向JNI传递Bitmap对象，然后在JNI中，再去对Bitmap进行操作。

extern "C"
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_zeekr_ncnnlib_NcnnNativeLib_humanDetectBitmap(JNIEnv *env, jobject thiz, jobject bitmap) {
    AndroidBitmapInfo bitmapInfo;
    //获取Bitmap的信息
    AndroidBitmap_getInfo(env, bitmap, &bitmapInfo);
    int rows = bitmapInfo.height;
    int cols = bitmapInfo.width;

    void *bitmapPixels;
    //获取Bitmap的像素
    AndroidBitmap_lockPixels(env, bitmap, &bitmapPixels);

	//转成rgba的Mat
    cv::Mat rgba(rows, cols, CV_8UC4, bitmapPixels);

    AndroidBitmap_unlockPixels(env, bitmap);

	//省略了后续无关代码
}

关于在JNI中创建Bitmap，并传递到Android层，具体可以看我的这篇文章 : Android JNI/NDK 入门从一到二