iPhoneカメラの輝度情報をSwiftで取得する方法📱

はじめに (対象読者・この記事でわかること)

この記事は、iOSアプリ開発に興味があるSwift開発者、特に画像処理やカメラ機能を実装したい方を対象としています。プログラミング経験はあるものの、iPhoneのカメラ機能を活用した実装に挑戦したことがない方にも分かりやすく解説します。

この記事を読むことで、AVFoundationフレームワークを使ってiPhoneカメラからリアルタイムに輝度情報を取得する方法が理解できます。具体的には、カメラの映像から輝度値を抽出し、それをアプリ内で活用する基本的な実装方法から、実際の開発で役立つ応用テクニックまで学べます。特に、自動露出調整や暗所検知といった機能の実装に必要な知識が身につきます。

前提知識

この記事を読み進める上で、以下の知識があるとスムーズです。

• Swiftの基本的な文法
• iOSアプリ開発の基本的な知識（StoryboardやViewControllerの理解）
• AVFoundationフレームワークの基本的な理解

iPhoneカメラから輝度情報を取得する概要と背景

iOSアプリ開発において、カメラの映像から輝度情報を取得することは、様々な機能実装に役立ちます。輝度情報とは、画像の明るさを数値で表したもので、0（黒）から255（白）のような範囲で表現されます。

輝度情報の取得が必要となる主なケースとして、以下のようなものが挙げられます：

1. 自動露出調整の補助：ユーザーが被写体の輝度に応じてカメラの露出を自動調整する機能
2. 暗所検知：周囲が暗い場合にUIを変更したり、フラッシュを自動でONにする機能
3. 画像処理の基礎：フィルタリングやエフェクト処理の際の輝度補正
4. ユーザーインターフェースの調整：環境の明るさに応じてアプリのテーマを変更する機能

AppleのAVFoundationフレームワークには、映像ストリームから輝度情報を抽出するための便利な機能が備わっています。この記事では、その具体的な実装方法をステップバイステップで解説します。

iPhoneカメラから輝度情報を取得する具体的な実装方法

それでは、実際にSwiftを使ってiPhoneカメラから輝度情報を取得する実装手順を見ていきましょう。ここでは、カメラの映像をリアルタイムに監視し、各フレームの平均輝度値を計算して表示する簡単なアプリを作成します。

ステップ1：プロジェクトのセットアップ

まず、Xcodeで新しいプロジェクトを作成します。「Single View App」テンプレートを選択し、言語はSwiftに設定します。

次に、カメラ機能を使用するために、以下のフレームワークをプロジェクトに追加します：

1. AVFoundation.framework
2. CoreImage.framework（輝度計算に便利なフィルタを使用する場合）

これらは、Xcodeの「Build Phases」→「Link Binary With Libraries」から追加できます。

ステップ2：カメラのアクセス許可の取得

iOSでは、プライバシー保護のためにカメラへのアクセスにはユーザーの許可が必要です。Info.plistファイルに以下のキーを追加します：

Xml

<key>NSCameraUsageDescription</key>
<string>カメラへのアクセスが必要です</string>

そして、コード内でカメラへのアクセス許可をリクエストします：

Swift

import AVFoundation

class CameraPermissionManager {
    static func requestCameraPermission(completion: @escaping (Bool) -> Void) {
        let status = AVCaptureDevice.authorizationStatus(for: .video)

        switch status {
        case .authorized:
            completion(true)
        case .notDetermined:
            AVCaptureDevice.requestAccess(for: .video) { granted in
                completion(granted)
            }
        case .denied, .restricted:
            completion(false)
        @unknown default:
            completion(false)
        }
    }
}

ステップ3：AVCaptureSessionの設定

カメラからの映像を取得するために、AVCaptureSessionを設定します。以下に基本的な設定のコード例を示します：

Swift

import AVFoundation
import UIKit

class CameraViewController: UIViewController {
    private var captureSession: AVCaptureSession!
    private var videoPreviewLayer: AVCaptureVideoPreviewLayer!
    private var captureOutput: AVCaptureVideoDataOutput!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        setupCamera()
    }

    private func setupCamera() {
        // セッションの作成
        captureSession = AVCaptureSession()
        captureSession.sessionPreset = .photo

        // デバイスの取得
        guard let captureDevice = AVCaptureDevice.default(.builtInWideAngleCamera, for: .video, position: .back) else {
            print("カメラにアクセスできません")
            return
        }

        // 入力の設定
        do {
            let input = try AVCaptureDeviceInput(device: captureDevice)
            if captureSession.canAddInput(input) {
                captureSession.addInput(input)
            }
        } catch {
            print("カメラ入力の設定に失敗: \(error)")
            return
        }

        // 出力の設定
        captureOutput = AVCaptureVideoDataOutput()
        captureOutput.setSampleBufferDelegate(self, queue: DispatchQueue(label: "videoQueue"))
        if captureSession.canAddOutput(captureOutput) {
            captureSession.addOutput(captureOutput)
        }

        // プレビューレイヤーの設定
        videoPreviewLayer = AVCaptureVideoPreviewLayer(session: captureSession)
        videoPreviewLayer.frame = view.bounds
        videoPreviewLayer.videoGravity = .resizeAspectFill
        view.layer.addSublayer(videoPreviewLayer)

        // セッションの開始
        captureSession.startRunning()
    }
}

// MARK: - AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate
extension CameraViewController: AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate {
    func captureOutput(_ output: AVCaptureOutput, didOutput sampleBuffer: CMSampleBuffer, from connection: AVCaptureConnection) {
        // ここで輝度情報を取得する処理を実装
    }
}

ステップ4：輝度情報の取得方法

AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegateのcaptureOutputメソッド内で、フレームバッファから輝度情報を取得します。以下に具体的な実装例を示します：

Swift

func captureOutput(_ output: AVCaptureOutput, didOutput sampleBuffer: CMSampleBuffer, from connection: AVCaptureConnection) {
    guard let imageBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer) else { return }

    // CIImageを作成
    let ciImage = CIImage(cvPixelBuffer: imageBuffer)

    // 輝度情報を取得するためのフィルタを作成
    let filter = CIFilter(name: "CIAreaAverage")!
    filter.setValue(ciImage, forKey: kCIInputImageKey)
    filter.setValue(CIVector(cgRect: ciImage.extent), forKey: kCIInputExtentKey)

    // フィルタを適用して輝度値を取得
    guard let outputImage = filter.outputImage,
          let cgImage = context.createCGImage(outputImage, from: outputImage.extent) else { return }

    let uiImage = UIImage(cgImage: cgImage)

    // 画像から輝度値を計算
    if let brightness = calculateBrightness(from: uiImage) {
        print("現在の輝度値: \(brightness)")
        // UIを更新する場合はメインスレッドで実行
        DispatchQueue.main.async {
            self.updateBrightnessLabel(with: brightness)
        }
    }
}

// 画像から平均輝度値を計算する関数
private func calculateBrightness(from image: UIImage) -> Double? {
    guard let cgImage = image.cgImage else { return nil }

    let width = cgImage.width
    let height = cgImage.height
    let bytesPerPixel = 4
    let bytesPerRow = width * bytesPerPixel
    let totalBytes = height * bytesPerRow

    let colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB()
    let bitmapInfo = CGBitmapInfo.byteOrder32Little.rawValue | CGImageAlphaInfo.premultipliedFirst.rawValue

    guard let context = CGContext(data: nil, width: width, height: height, bitsPerComponent: 8, bytesPerRow: bytesPerRow, space: colorSpace, bitmapInfo: bitmapInfo) else { return nil }
    context.draw(cgImage, in: CGRect(x: 0, y: 0, width: width, height: height))

    guard let data = context.data else { return nil }
    let pixels = data.bindMemory(to: UInt8.self, capacity: totalBytes)

    var totalBrightness: Double = 0
    var pixelCount = 0

    for y in 0..<height {
        for x in 0..<width {
            let pixelIndex = (y * bytesPerRow) + (x * bytesPerPixel)
            let r = Double(pixels[pixelIndex + 1])
            let g = Double(pixels[pixelIndex + 2])
            let b = Double(pixels[pixelIndex + 3])

            // 輝度を計算 (標準的な加重平均)
            let brightness = (0.299 * r + 0.587 * g + 0.114 * b)
            totalBrightness += brightness
            pixelCount += 1
        }
    }

    return totalBrightness / Double(pixelCount)
}

// UIを更新するメソッド
private func updateBrightnessLabel(with brightness: Double) {
    brightnessLabel.text = String(format: "%.2f", brightness)
}

ステップ5：取得した輝度情報の活用方法

取得した輝度情報を活用する方法は多岐にわたります。ここではいくつかの具体的な例を挙げます：

1. 輝度に応じてUIを変更する

Swift

private func updateBrightnessLabel(with brightness: Double) {
    brightnessLabel.text = String(format: "輝度: %.2f", brightness)

    // 輝度に応じてテキストの色を変更
    if brightness < 50 {
        brightnessLabel.textColor = .white
        view.backgroundColor = .black
    } else if brightness > 200 {
        brightnessLabel.textColor = .black
        view.backgroundColor = .white
    } else {
        brightnessLabel.textColor = .darkGray
        view.backgroundColor = .lightGray
    }
}

2. 輝度に応じてカメラの露出を調整する

Swift

func adjustExposureBasedOnBrightness(brightness: Double) {
    guard let device = AVCaptureDevice.default(.builtInWideAngleCamera, for: .video, position: .back) else { return }

    do {
        try device.lockForConfiguration()

        // 輝度に応じて露出補正を調整
        let exposureTargetBias: Float
        if brightness < 50 {
            exposureTargetBias = 1.0 // 明るくする
        } else if brightness > 200 {
            exposureTargetBias = -1.0 // 暗くする
        } else {
            exposureTargetBias = 0.0 // 変更しない
        }

        device.setExposureTargetBias(exposureTargetBias, completionHandler: nil)
        device.unlockForConfiguration()
    } catch {
        print("露出調整に失敗: \(error)")
    }
}

3. 輝度履歴を記録してグラフ表示する

Swift

private var brightnessHistory: [Double] = []

private func updateBrightnessLabel(with brightness: Double) {
    brightnessHistory.append(brightness)
    if brightnessHistory.count > 100 {
        brightnessHistory.removeFirst()
    }

    // グラフを更新
    DispatchQueue.main.async {
        self.brightnessChart.update(with: self.brightnessHistory)
    }
}

ハマった点やエラー解決

問題1: カメラへのアクセス許可が得られない

現象: アプリを起動してもカメラが起動せず、コンソールにエラーが出力される。

原因: Info.plistにカメラ使用の説明文が記述されていない、またはユーザーがカメラアクセスを拒否している。

解決策: - Info.plistにNSCameraUsageDescriptionキーと適切な説明文を追加 - 設定アプリでカメラアクセスを許可するようユーザーに促す

問題2: セッションが開始されない

現象: captureSession.startRunning()が呼ばれた後もカメラが起動しない。

原因: カメラデバイスにアクセスできない、またはセッション設定に問題がある。

解決策: - デバイスの状態を確認（例: 他のアプリがカメラを使用中かどうか） - セッションの設定を確認（例: 入力と出力が正しく追加されているか） - エラーハンドリングを追加し、詳細なエラーメッセージを出力

問題3: 輝度計算が遅い

現象: リアルタイム処理が追いつかず、フレームレートが低下する。

原因: 画像全体の輝度を計算する処理が重いため。

解決策: - 計算対象の画像領域を縮小（例: 中心部の一部のみを計算） - CIAreaAverageフィルタを使用して計算を高速化 - 計算処理を別スレッドで実行

問題4: UI更新が遅延する

現象: 輝度値の表示が遅れて更新される。

原因: 輝度計算処理がメインスレッドで実行されているため。

解決策: - 輝度計算処理をバックグラウンドスレッドで実行 - UI更新はDispatchQueue.main.asyncでメインスレッドにディスパッチ

まとめ

本記事では、Swiftを使ってiPhoneカメラから輝度情報を取得する方法を解説しました。AVFoundationフレームワークを使用することで、リアルタイムに映像から輝度情報を抽出し、アプリ内で活用する実装が可能です。

• AVCaptureSessionとAVCaptureVideoDataOutputを使ってカメラ映像を取得
• CIAreaAverageフィルタやピクセルデータの直接解析で輝度値を計算
• 取得した輝度情報を活用してUIを調整する方法

この技術を応用することで、自動露出調整、暗所検知、環境に応じたUI変更など、様々な機能を実装できます。特に、輝度情報に基づいたインタラクティブなアプリケーション開発に役立つ知識となっています。

今後は、さらに高度な画像処理技術や、ARアプリケーションでの輝度情報の活用方法についても記事にする予定です。

参考資料

• AVFoundationプログラミングガイド - Apple Developer
• CIImageのフィルタリファレンス - Apple Developer
• iPhoneカメラアプリ開発のベストプラクティス - raywenderlich.com
• Core Imageによる画像処理 - iOS Developer Library