Android的Camera架構介紹

時間  2019-11-07
標籤 android camera 架構 介紹 欄目 Android 简体版
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第一部分 Camera概述

Android的Camera包含取景器（viewfinder）和拍攝照片的功能。目前Android發佈版的Camera程序雖然功能比較簡單，可是其程序的架構分紅客戶端和服務器兩個部分，它們創建在Android的進程間通信Binder的結構上。linux

以開源的Android爲例，Camera的代碼主要在如下的目錄中：android

Camera的JAVA程序的路徑：
packages/apps/Camera/src/com/android/camera/
在其中Camera.java是主要實現的文件數組

Camera的JAVA本地調用部分（JNI）：
frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp
這部份內容編譯成爲目標是libandroid_runtime.so服務器

主要的頭文件在如下的目錄中：
frameworks/base/include/ui/cookie

Camera底層庫在如下的目錄中：
frameworks/base/libs/ui/
這部分的內容被編譯成庫libui.so。架構

Camera服務部分：
frameworks/base/camera/libcameraservice/
這部份內容被編譯成庫libcameraservice.so。app

爲了實現一個具體功能的Camera，在最底層還須要一個硬件相關的Camera庫（例如經過調用video for linux驅動程序和Jpeg編碼程序實現）。這個庫將被Camera的服務庫libcameraservice.so調用。框架

第二部分 Camera的接口與架構

2.1 Camera的總體框架圖

Camera的各個庫之間的結構能夠用下圖的表示：
ide

在 Camera系統的各個庫中，libui.so位於核心的位置，它對上層的提供的接口主要是Camera類，類 libandroid_runtime.so經過調用Camera類提供對JAVA的接口，而且實現了android.hardware.camera 類。 libcameraservice.so是Camera的服務器程序，它經過繼承libui.so的類實現服務器的功能，而且與libui.so中的另外 一部份內容則經過進程間通信（即Binder機制）的方式進行通信。

libandroid_runtime.so和libui.so兩個庫是公用的,其中除了Camera還有其餘方面的功能。
Camera部分的頭文件在frameworks/base/include/ui/目錄中，這個目錄是和libmedia.so庫源文件的目錄frameworks/base/libs/ui/相對應的。

Camera主要的頭文件有如下幾個：

  • ICameraClient.h
  • Camera.h
  • ICamera.h
  • ICameraService.h
  • CameraHardwareInterface.h

在這些頭文件中，Camera.h提供了對上層的接口，而其餘的幾個頭文件都是提供一些接口類（即包含了純虛函數的類），這些接口類必須被實現類繼承纔可以使用。

整個Camera在運行的時候，能夠大體上分紅Client和Server兩個部分，它們分別在兩個進程中運行，它們之間使用Binder機制實現 進程間通信。這樣在客戶端調用接口，功能則在服務器中實現，可是在客戶端中調用就好像直接調用服務器中的功能，進程間通信的部分對上層程序不可見。

從框架結構上來看，ICameraService.h、ICameraClient.h和ICamera.h三個類定義了MeidaPlayer的 接口和架構，ICameraService.cpp和Camera.cpp兩個文件用於Camera架構的實現，Camera的具體功能在下層調用硬件相 關的接口來實現。

從Camera的總體結構上，類Camera是整個系統核心，ICamera類提供了Camera主要功能的接口，在客戶端方面調 用，CameraService是Camera服務，它經過調用實際的Camera硬件接口來實現功能。事實上，圖中紅色虛線框的部分都是Camera程 序的框架部分，它主要利用了Android的系統的Binder機制來完成通信。藍色的部分經過調用Camera硬件相關的接口完成具體的Camera服 務功能，其它的部分是爲上層的JAVA程序提供JNI接口。在總體結構上，左邊能夠視爲一個客戶端，右邊是一個能夠視爲服務器，兩者經過Android的 Bimder來實現進程間的通信。

2.2 頭文件ICameraClient.h

ICameraClient.h用於描述一個Camera客戶端的接口，定義以下所示：


 
class ICameraClient: public IInterface
{
public:
    DECLARE_META_INTERFACE(CameraClient);
    virtual void  shutterCallback() = 0;
    virtual void  rawCallback(const sp<IMemory>& picture) = 0;
    virtual void  jpegCallback(const sp<IMemory>& picture) = 0;
    virtual void  frameCallback(const sp<IMemory>& frame) = 0;
    virtual void  errorCallback(status_t error) = 0;
    virtual void  autoFocusCallback(bool focused) = 0;
};
class BnCameraClient: public BnInterface<ICameraClient>
{
public:
    virtual status_t    onTransact( uint32_t code,
                                    const Parcel& data,
                                    Parcel* reply,
                                    uint32_t flags = 0);
};

在定義中，ICameraClient 類繼承IInterface，並定義了一個Camera客戶端的接口，BnCameraClient 繼承了BnInterface<ICameraClient>，這是爲基於Android的基礎類Binder機制實如今進程通信而構建的。 根據BnInterface類模版的定義BnInterface<ICameraClient>類至關於雙繼承了BnInterface和 ICameraClient。IcameraClient這個類的主要接口是幾個回調函數shutterCallback、rawCallback和 jpegCallback等，它們在相應動做發生的時候被調用。做爲Camera的「客戶端」，須要本身實現幾個回調函數，讓服務器程序去「間接地」調用 它們。

2.3 頭文件Camera.h

Camera.h是Camera對外的接口頭文件，它被實現Camera JNI的文件android_hardware_Camera.cpp所調用。Camera.h最主要是定義了一個Camera類：

class Camera : public BnCameraClient, public IBinder::DeathRecipient
{
public:
    static sp connect();
    ~Camera();
    void disconnect();
    status_t getStatus() { return mStatus; }
    status_t setPreviewDisplay(const sp& surface);
    status_t startPreview();
    void stopPreview();
    status_t autoFocus();
    status_t takePicture();
    status_t setParameters(const String8& params);
    String8 getParameters() const;
    void setShutterCallback(shutter_callback cb, void *cookie);
    void setRawCallback(frame_callback cb, void *cookie);
    void setJpegCallback(frame_callback cb, void *cookie);
    void setFrameCallback(frame_callback cb, void *cookie);
    void setErrorCallback(error_callback cb, void *cookie);
    void setAutoFocusCallback(autofocus_callback cb, void *cookie);
    // ICameraClient interface
    virtual void shutterCallback();
    virtual void rawCallback(const sp& picture);
    virtual void jpegCallback(const sp& picture);
    virtual void frameCallback(const sp& frame);
    virtual void errorCallback(status_t error);
    virtual void autoFocusCallback(bool focused);
    //……
}

從接口中能夠看出Camera類恰好實現了一個Camera的基本操做，例如播放（startPreview）、中止（stopPreview）、 暫停（takePicture）等。在Camera類中connect()是一個靜態函數，它用於獲得一個Camera的實例。在這個類中，具備設置回調 函數的幾個函數：setShutterCallback、setRawCallback和setJpegCallback等，這幾個函數是爲了提供給上層 使用，上層利用這幾個設置回調函數，這些回調函數在相應的回調函數中調用，例如使用setShutterCallback設置的回調函數指針被 shutterCallback所調用。
在定義中，ICameraClient 類雙繼承了IInterface和IBinder:DeathRecipient，並定義了一個Camera客戶端的接口，BnCameraClient 繼承了BnInterface<ICameraClient>，這是爲基於Android的基礎類Binder機制實如今進程通信而構建的。 事實上，根據BnInterface類模版的定義BnInterface<ICameraClient>類至關於雙繼承了 BnInterface和ICameraClient。這是Android一種經常使用的定義方式。
繼承了DeathNotifier類以後，這樣當這個類做爲IBinder使用的時候，當這個Binder即將Died的時候被調用其中的binderDied函數。繼承這個類基本上實現了一個回調函數的功能。

2.4 頭文件ICamera.h

ICamera.h描述的內容是一個實現Camera功能的接口，其定義以下所示：

class ICamera: public IInterface
{
public:
    DECLARE_META_INTERFACE(Camera);
    virtual void disconnect() = 0;
    virtual status_t setPreviewDisplay(const sp& surface) = 0;
    virtual void setHasFrameCallback(bool installed) = 0;
    virtual status_t startPreview() = 0;
    virtual void stopPreview() = 0;
    virtual status_t autoFocus() = 0;
    virtual status_t takePicture() = 0;
    virtual status_t setParameters(const String8& params) = 0;
    virtual String8 getParameters() const = 0;
};
class BnCamera: public BnInterface
{
public:
    virtual status_t onTransact( uint32_t code,
    const Parcel& data,
    Parcel* reply,
    uint32_t flags = 0);
};

在camera類中，主要定義Camera的功能接口，這個類必須被繼承纔可以使用。值得注意的是，這些接口和Camera類的接口有些相似，可是它們並無直接的關係。事實上，在Camera類的各類實現中，通常都會經過調用ICamera類的實現類來完成。

2.5 頭文件ICameraService .h

ICameraService.h用於描述一個Camera的服務，定義方式以下所示：

class ICameraService : public IInterface
{
public:
    DECLARE_META_INTERFACE(CameraService);
    virtual sp     connect(const sp& cameraClient) = 0;
};
class BnCameraService: public BnInterface
{
public:
    virtual status_t    onTransact( uint32_t code,
    const Parcel& data,
    Parcel* reply,
    uint32_t flags = 0);
};

因爲具備純虛函數， ICameraService 以及BnCameraService必須被繼承實現纔可以使用，在ICameraService 只定義了一個connect()接口，它的返回值的類型是sp<ICamera>，這個ICamera 是提供實現功能的接口。注意，ICameraService只有鏈接函數connect()，沒有斷開函數，斷開的功能由ICamera接口來提供。

2.6 頭文件CameraHardwareInterface.h

CameraHardwareInterface.h定義的是一個Camera底層的接口，這個類的實現者是最終實現Camera的。
CameraHardwareInterface 定以Camera硬件的接口，以下所示：

class CameraHardwareInterface : public virtual RefBase {
public:
    virtual ~CameraHardwareInterface() { }
    virtual sp<IMemoryHeap> getPreviewHeap() const = 0;
    virtual status_t startPreview(preview_callback cb, void* user) = 0;
    virtual voidstopPreview() = 0;
    virtual status_t autoFocus(autofocus_callback,
        void* user) = 0;
    virtual status_t takePicture(shutter_callback,
        raw_callback,
        jpeg_callback,
        void* user) = 0;
    virtual status_t cancelPicture(bool cancel_shutter,
        bool cancel_raw,
        bool cancel_jpeg) = 0;
    virtual status_t setParameters(const CameraParameters& params) = 0;
    virtual CameraParametersgetParameters() const = 0;
    virtual void release() = 0;
    virtual status_t dump(int fd, const Vector<String16>& args) const = 0;
};

 

使用C語言的方式導出符號：

extern "C" sp<CameraHardwareInterface> openCameraHardware();

在程序的其餘地方，使用openCameraHardware()就能夠獲得一個 CameraHardwareInterface，而後調用 CameraHardwareInterface的接口完成Camera的功能。

第三部分 Camera的主要實現分析

3.1 JAVA程序部分

在packages/apps/Camera/src/com/android/camera/
目錄的Camera.java文件中，包含了對Camera的調用
在Camera.java中包含對包的引用：
import android.hardware.Camera.PictureCallback;
import android.hardware.Camera.Size;

在這裏定義的Camera類繼承了活動Activity類，在它的內部，包含了一個

android.hardware.Camera
public class Camera extends Activity implements View.OnClickListener, SurfaceHolder.Callback {
    android.hardware.Camera mCameraDevice;
}

對Camera功能的一些調用以下所示：

mCameraDevice.takePicture(mShutterCallback, mRawPictureCallback, mJpegPictureCallback);
mCameraDevice.startPreview();
mCameraDevice.stopPreview();

startPreview、stopPreview 和takePicture等接口就是經過JAVA本地調用（JNI）來實現的。

frameworks/base/core/java/android/hardware/目錄中的Camera.java文件提供了一個JAVA類：Camera。

public class Camera {
    public void setParameters(Parameters params) {
        Log.e(TAG, "setParameters()");
        //params.dump();
        native_setParameters(params.flatten());
    }
}

在這個類當中，大部分代碼使用JNI調用下層獲得，例如：

再者，例如如下代碼：

public final void setPreviewDisplay(SurfaceHolder holder) {
    setPreviewDisplay(holder.getSurface());
}
private native final void setPreviewDisplay(Surface surface);

兩個setPreviewDisplay參數不一樣，後一個是本地方法，參數爲Surface類型，前一個經過調用後一個實現，但本身的參數以SurfaceHolder爲類型。

3.2 Camera的JAVA本地調用部分

Camera的JAVA本地調用（JNI）部分在frameworks/base/core/jni/目錄的android_hardware_Camera.cpp中的文件中實現。
android_hardware_Camera.cpp之中定義了一個JNINativeMethod（JAVA本地調用方法）類型的數組gMethods，以下所示：

static JNINativeMethod camMethods[] = {
    {"native_setup","(Ljava/lang/Object;)V",(void*)android_hardware_Camera_native_setup },
    {"native_release","()V",(void*)android_hardware_Camera_release },
    {"setPreviewDisplay","(Landroid/view/Surface;)V",(void *)android_hardware_Camera_setPreviewDisplay },
    {"startPreview","()V",(void *)android_hardware_Camera_startPreview },
    {"stopPreview", "()V", (void *)android_hardware_Camera_stopPreview },
    {"setHasPreviewCallback","(Z)V",(void *)android_hardware_Camera_setHasPreviewCallback },
    {"native_autoFocus","()V",(void *)android_hardware_Camera_autoFocus },
    {"native_takePicture", "()V", (void *)android_hardware_Camera_takePicture },
    {"native_setParameters","(Ljava/lang/String;)V",(void *)android_hardware_Camera_setParameters },
    {"native_getParameters", "()Ljava/lang/String;",(void*)android_hardware_Camera_getParameters }
};

JNINativeMethod的第一個成員是一個字符串，表示了JAVA本地調用方法的名稱，這個名稱是在JAVA程序中調用的名稱；第二個成員也是一個字符串，表示JAVA本地調用方法的參數和返回值；第三個成員是JAVA本地調用方法對應的C語言函數。

register_android_hardware_Camera 函數將gMethods註冊爲的類」android/media/Camera」，其主要的實現以下所示。

int register_android_hardware_Camera(JNIEnv *env)
{
    // Register native functions
    return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env, "android/hardware/Camera",
    camMethods, NELEM(camMethods));
}

「android/hardware/Camera」對應JAVA的類android.hardware.Camera。

3.3 Camera本地庫libui.so
frameworks/base/libs/ui/中的Camera.cpp文件用於實現Camera.h提供的接口，其中一個重要的片斷以下所示

const sp<ICameraService>& Camera::getCameraService()
{
    Mutex::Autolock _l(mLock);
    if (mCameraService.get() == 0) {
        sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
        sp<IBinder> binder;
        do {
            binder = sm->getService(String16("media.camera"));
            if (binder != 0)
            break;
            LOGW("CameraService not published, waiting...");
            usleep(500000); // 0.5 s
        } while(true);
        if (mDeathNotifier == NULL) {
            mDeathNotifier = new DeathNotifier();
        }
    binder->linkToDeath(mDeathNotifier);
    mCameraService = interface_cast<ICameraService>(binder);
    }
 
    LOGE_IF(mCameraService==0, "no CameraService!?");
    return mCameraService;
}

其中最重要的一點是binder = sm->getService(String16(「media.camera」));;這個調用用來獲得一個名稱爲」media.camera」 的服務，這個調用返回值的類型爲IBinder，根據實現將其轉換成類型ICameraService使用。
一個函數 connect的實現 以下所示：

sp<Camera> Camera::connect()
{
    sp<Camera> c = new Camera();
    const sp<ICameraService>& cs = getCameraService();
    if (cs != 0) {
        c->mCamera = cs->connect(c);
    }
    if (c->mCamera != 0) {
        c->mCamera->asBinder()->linkToDeath(c);
        c->mStatus = NO_ERROR;
    }
    return c;
}

connect經過調用getCameraService獲得一個 ICameraService，再經過 ICameraService的cs->connect(c)獲得一個 ICamera類型的指針。 調用connect將獲得一個 Camera的指針,正常狀況下Camera的成員 mCamera已經初始化完成。
一個具體的函數startPreview 以下所示：

status_t Camera::startPreview()
{
    return mCamera->startPreview();
}

這些操做能夠直接對 mCamera來進行，它是ICamera類型的指針。
其餘一些函數的實現也與setDataSource相似。
libmedia.so中的其餘一些文件與頭文件的名稱相同，它們是：
frameworks/base/libs/ui/ICameraClient.cpp
frameworks/base/libs/ui/ICamera.cpp
frameworks/base/libs/ui/ICameraService.cpp
在此處，BnCameraClient和BnCameraService類雖然實現了onTransact()函數，可是因爲還有純虛函數沒有實現，所以這個類都是不能實例化的。
ICameraClient.cpp中的BnCameraClient在別的地方也沒有實現；而ICameraService.cpp中的BnCameraService類在別的地方被繼承並實現，繼承者實現了Camera服務的具體功能

3.4 Camera服務libcameraservice.so

frameworks/base/camera/libcameraservice/ 用於實現一個Camera的服務，這個服務是繼承ICameraService的具體實現。
在這裏的Android.mk文件中，使用宏USE_CAMERA_STUB決定是否使用真的Camera，若是宏爲真，則使用 CameraHardwareStub.cpp和FakeCamera.cpp構造一個假的Camera，若是爲假則使用 CameraService.cpp構造一個實際上的Camera服務。
CameraService.cpp是繼承BnCameraService 的實現，在這個類的內部又定義了類Client，CameraService::Client繼承了BnCamera。在運做的過程當中 CameraService::connect()函數用於獲得一個CameraService::Client，在使用過程當中，主要是經過調用這個類的 接口來實現完成Camera的功能，因爲CameraService::Client自己繼承了BnCamera類，而BnCamera類是繼承了 ICamera，所以這個類是能夠被當成ICamera來使用的。
CameraService和CameraService::Client兩個類的結果以下所示：

class CameraService : public BnCameraService
{
    class Client : public BnCamera {};
    wp<Client>mClient;
}

在CameraService中的一個靜態函數instantiate()用於初始化一個Camera服務，寒暑以下所示：

void CameraService::instantiate() {
    defaultServiceManager()->addService(String16("media.camera"), new CameraService());
}

事實上，CameraService::instantiate()這個函數註冊了一個名稱爲」media.camera」的服務，這個服務和Camera.cpp中調用的名稱相對應。
Camera整個運做機制是：在Camera.cpp中能夠調用ICameraService的接口，這時實際上調用的是 BpCameraService，而BpCameraService又經過Binder機制和BnCameraService實現兩個進程的通信。而 BpCameraService的實現就是這裏的CameraService。所以，Camera.cpp雖然是在另一個進程中運行，可是調用 ICameraService的接口就像直接調用同樣，從connect()中能夠獲得一個ICamera類型的指針，真個指針的實現其實是 CameraService::Client。
而這些Camera功能的具體實現，就是CameraService::Client所實現的了，其構造函數以下所示：

CameraService::Client::Client(const sp<CameraService>& cameraService,
const sp<ICameraClient>& cameraClient) :
mCameraService(cameraService), mCameraClient(cameraClient), mHardware(0)
{
    mHardware = openCameraHardware();
    mHasFrameCallback = false;
}

構造函數中，調用openCameraHardware()獲得一個CameraHardwareInterface類型的指針，並做爲其成員mHardware。之後對實際的Camera的操做都經過對這個指針進行。這是一個簡單的直接調用關係。
事實上，真正的Camera功能己經過實現CameraHardwareInterface類來完成。在這個庫當中 CameraHardwareStub.h和CameraHardwareStub.cpp兩個文件定義了一個樁模塊的接口，在沒有Camera硬件的情 況下使用，例如在仿真器的狀況下使用的文件就是CameraHardwareStub.cpp和它依賴的文件FakeCamera.cpp。
CameraHardwareStub類的結構以下所示：

class CameraHardwareStub : public CameraHardwareInterface {
    class PreviewThread : public Thread {
    };
};

在類CameraHardwareStub當中，包含一個線程類PreviewThread，這個線程用於處理PreView，即負責刷新取景器的 內容。實際的Camera硬件接口一般能夠經過對v4l2 捕獲驅動的調用來實現，同時還須要一個JPEG編碼程序將從驅動中取出的數據編碼成JPEG文件。

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