Android 的Camera架构介绍

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第一部分 Camera概述
Android的Camera包含取景器（viewfinder）和拍摄照片的功能。目前Android发布版的Camera程序虽然功能比较简单，但是其程序的架构分成客户端和服务器两个部分，它们建立在Android的进程间通讯Binder的结构上。

以开源的Android为例，Camera的代码主要在以下的目录中：

Camera的JAVA程序的路径：
packages/apps/Camera/src/com/android/camera/
其中Camera.java是主要实现的文件

frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java
这个类是和JNI中定义的类是一个，有些方法通过JNI的方式调用本地代码得到，有些方法自己实现。

Camera的JAVA本地调用部分（JNI）：
frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp
这部分内容编译成为目标是libandroid_runtime.so。

主要的头文件在以下的目录中：
frameworks/base/include/ui/

Camera底层库在以下的目录中：
frameworks/base/libs/ui/
这部分的内容被编译成库libui.so。

Camera服务部分：
frameworks/base/camera/libcameraservice/
这部分内容被编译成库libcameraservice.so。

    为了实现一个具体功能的Camera，在最底层还需要一个硬件相关的Camer库（例如通过调用video for linux驱动程序和Jpeg编码程序实现）。这个库将被Camera的服务库libcameraservice.so调用。
第二部分 Camera的接口与架构
2.1 Camera的整体框架图Camera的各个库之间的结构可以用下图的表示：

  在Camera系统的各个库中，libui.so位于核心的位置，它对上层的提供的接口主要是Camera类，类libandroid_runtime.so通过调用Camera类提供对JAVA的接口，并且实现了android.hardware.camera类。
    libcameraservice.so是Camera的服务器程序，它通过继承libui.so的类实现服务器的功能，并且与libui.so中的另外一部分内容则通过进程间通讯（即Binder机制）的方式进行通讯。
libandroid_runtime.so和libui.so两个库是公用的,其中除了Camera还有其他方面的功能。

    Camera部分的头文件在frameworks/base/include/ui/目录中，这个目录是和libmedia.so库源文件的目录frameworks/base/libs/ui/相对应的。

    Camera主要的头文件有以下几个：
            ICameraClient.h
            Camera.h
            ICamera.h
            ICameraService.h
            CameraHardwareInterface.h
    在这些头文件Camera.h提供了对上层的接口，而其他的几个头文件都是提供一些接口类（即包含了纯虚函数的类），这些接口类必须被实现类继承才能够使用。
    整 个Camera在运行的时候，可以大致上分成Client和Server两个部分，它们分别在两个进程中运行，它们之间使用Binder机制实现进程间通 讯。这样在客户端调用接口，功能则在服务器中实现，但是在客户端中调用就好像直接调用服务器中的功能，进程间通讯的部分对上层程序不可见。
    从 框架结构上来看，ICameraService.h、ICameraClient.h和ICamera.h三个类定义了Camera的接口和架 构，ICameraService.cpp和Camera.cpp两个文件用于Camera架构的实现，Camera的从Camera的整体结构上，类 Camera是整个系统核心，ICamera类提供了Camera主要功能的接口，在客户端方面调用，CameraService是Camera服务，它 通过调用实际的Camera硬件接口来实现功能。事实上，图中红色虚线框的部分都是Camera程序的框架部分，它主要利用了Android的系统的 Binder机制来完成通讯。蓝色的部分通过调用Camera硬件相关的接口完成具体的Camera服务功能，其它的部分是为上层的JAVA程序提供 JNI接口。在整体结构上，左边可以视为一个客户端，右边是一个可以视为服务器，二者通过Android的Bimder来实现进程间的通讯。

2.2 头文件ICameraClient.h
ICameraClient.h用于描述一个Camera客户端的接口，定义如下所示：
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 定义中，ICameraClient 类继承IInterface，并定义了一个Camera客户端的接口，BnCameraClient 继承了BnInterface<ICameraClient>，这是为基于Android的基础类Binder机制实现在进程通讯而构建的。 根据BnInterface类模版的定义BnInterface<ICameraClient>类相当于双继承了BnInterface和 ICameraClient。

    IcameraClient这个类的主要接口是几个回调函数shutterCallback、 rawCallback和jpegCallback等，它们在相应动作发生的时候被调用。作为Camera的“客户端”，需要自己实现几个回调函数，让服 务器程序去“间接地”调用它们。

2.3 头文件Camera.h

        Camera.h是Camera对外的接口头文件，它被实现Camera JNI的文件android_hardware_Camera.cpp所调用。Camera.h最主要是定义了一个Camera类：
class Camera : public BnCameraClient, public IBinder:: DeathRecipient
{
public:
    static  sp<Camera>  connect();
                        ~Camera();
            void        disconnect(); 
            status_t    getStatus() { return mStatus; }
            status_t    setPreviewDisplay(const sp<Surface>& 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<IMemory>& picture);
    virtual void        jpegCallback(const sp<IMemory>& picture);
    virtual void        frameCallback(const sp<IMemory>& frame);
    virtual void        errorCallback(status_t error);
    virtual void        autoFocusCallback(bool focused);
//……
}

        从 接口中可以看出Camera类刚好实现了一个Camera的基本操作，例如播放（startPreview）、停止（stopPreview）、暂停 （takePicture）等。在Camera类中connect()是一个静态函数，它用于得到一个Camera的实例。在这个类中，具有设置回调函数 的几个函数：setShutterCallback、setRawCallback和setJpegCallback等，这几个函数是为了提供给上层使 用，上层利用这几个设置回调函数，这些回调函数在相应的回调函数中调用，例如使用setShutterCallback设置的回调函数指针被 shutterCallback所调用。
        在定义中，Camera类双继承了BnCameraClient和IBinder:: DeathRecipient，，BnCameraClient 继承了BnInterface<ICameraClient>，这是为基于Android的基础类Binder机制实现在进程通讯而构建的。 事实上，根据BnInterface类模版的定义BnInterface<ICameraClient>类相当于双继承了 BnInterface和ICameraClient。这是Android一种常用的定义方式。
        继承了DeathNotifier类之后，这样当这个类作为IBinder使用的时候，当这个Binder即将Died的时候被调用其中的binderDied函数。继承这个类基本上实现了一个回调函数的功能。

2.4 头文件ICamera.h

    ICamera.h描述的内容是一个实现Camera功能的接口，其定义如下所示：
class ICamera: public IInterface
{
public:
    DECLARE_META_INTERFACE(Camera); 
    virtual void       disconnect() = 0;
    virtual status_t  setPreviewDisplay(const sp<ISurface>& 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<ICamera>
{
public:
    virtual status_t    onTransact( uint32_t code,
                                    const Parcel& data,
                                    Parcel* reply,
                                    uint32_t flags = 0);
};

    ICamera.h描述的内容是一个实现Camera功能的接口，其定义如下所示：
在ICamera类中，主要定义Camera的功能接口，这个类必须被继承才能够使用。值得注意的是，这些接口和Camera类的接口有些类似，但是它们并没有直接的关系。事实上，在Camera类的各种实现中，一般都会通过调用ICamera类的实现类来完成。

2.5 头文件ICameraService .h
    ICameraService.h用于描述一个Camera的服务，定义方式如下所示：
class ICameraService : public IInterface
{
public:
    DECLARE_META_INTERFACE(CameraService);
    virtual sp<ICamera>     connect(const sp<ICameraClient>& cameraClient) = 0;
};
class BnCameraService: public BnInterface<ICameraService>
{
public:
    virtual status_t    onTransact( uint32_t code,
                                    const Parcel& data,
                                    Parcel* reply,
                                    uint32_t flags = 0);
};

    由 于具有纯虚函数， ICameraService 以及BnCameraService必须被继承实现才能够使用，在ICameraService 只定义了一个connect()接口，它的返回值的类型是sp<ICamera>，这个ICamera 是提供实现功能的接口。注意，ICameraService只有连接函数connect()，没有断开函数，断开的功能由ICamera接口来提供。

2.6 头文件CameraHardwareInterface.h

    CameraHardwareInterface.h定义的是一个Camera底层的接口，这个类的实现者是最终实现Camera的。

    CameraHardwareInterface 定以Camera硬件的接口，如下所示：
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 void        stopPreview() = 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 CameraParameters  getParameters() const = 0;
    virtual void release() = 0;
    virtual status_t dump(int fd, const Vector<String16>& args) const = 0;
};


    使用C语言的方式导出符号：
extern "C" sp<CameraHardwareInterface> openCameraHardware();

     在程序的其他地方，使用openCameraHardware()就可以得到一个 CameraHardwareInterface，然后调用 CameraHardwareInterface的接口完成Camera的功能。
具体功能在下层调用硬件相关的接口来实现。
第三部分 Camera的主要实现分析
3.1 JAVA程序部分     

        在packages/apps/Camera/src/com/android/camera/ 目录的Camera.java文件中，包含了对Camera的调用
在Camera.java中包含对包的引用：
import android.hardware.Camera.PictureCallback;
import android.hardware.Camera.Size;

    在这里定义的Camera类继承了活动Activity类，在它的内部，包含了一个 android.hardware.Camera
public class Camera extends Activity implements View.OnClickListener, SurfaceHolder.Callback {             android.hardware.Camera mCameraDevice;
}

    对Camera功能的一些调用如下所示：
mCameraDevice.takePicture(mShutterCallback, mRawPictureCallback, mJpegPictureCallback);
mCameraDevice.startPreview();
mCameraDevice.stopPreview();

    startPreview、stopPreview 和takePicture等接口就是通过JAVA本地调用（JNI）来实现的。

    frameworks/base/core/java/android/hardware/目录中的Camera.java文件提供了一个JAVA类：Camera。

public class Camera {
}
    在这个类当中，大部分代码使用JNI调用下层得到，例如：
    public void setParameters(Parameters params) {
        Log.e(TAG, "setParameters()");
        //params.dump();
        native_setParameters(params.flatten());
    }

    再者，例如以下代码：
    public final void setPreviewDisplay(SurfaceHolder holder) {
        setPreviewDisplay(holder.getSurface());
    }

    private native final void setPreviewDisplay(Surface surface);
    两个setPreviewDisplay参数不同，后一个是本地方法，参数为Surface类型，前一个通过调用后一个实现，但自己的参数以SurfaceHolder为类型。
   
3.2 Camera的JAVA本地调用部分

     Camera的JAVA本地调用（JNI）部分在frameworks/base/core/jni/目录的android_hardware_Camera.cpp中的文件中实现。
    android_hardware_Camera.cpp之中定义了一个JNINativeMethod（JAVA本地调用方法）类型的数组gMethods，如下所示：
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的第一个成员是一个字符串，表示了JAVA本地调用方法的名称，这个名称是在JAVA程序中调用的名称；第二个成员也是一个字符串，表示JAVA本地调用方法的参数和返回值；第三个成员是JAVA本地调用方法对应的C语言函数。

    register_android_hardware_Camera 函数将gMethods注册为的类"android/media/Camera"，其主要的实现如下所示。
int register_android_hardware_Camera(JNIEnv *env)
{
    // Register native functions
    return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env, "android/hardware/Camera",
                                              camMethods, NELEM(camMethods));
}
3.3 Camera本地库libui.so
    frameworks/base/libs/ui/中的Camera.cpp文件用于实现Camera.h提供的接口，其中一个重要的片段如下所示：
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;
}
       其中最重要的一点是binder = sm->getService(String16("media.camera"));;这个调用用来得到一个名称为"media.camera" 的服务，这个调用返回值的类型为IBinder，根据实现将其转换成类型ICameraService使用。
       一个函数 connect的实现 如下所示：
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 通过调用getCameraService得到一个 ICameraService，再通过 ICameraService的cs->connect(c)得到一个 ICamera类型的指针。 调用connect将得到一个 Camera的指针,正常情况下Camera的成员 mCamera已经初始化完成。
       一个具体的函数startPreview 如下所示：
status_t Camera::startPreview()
{
    return mCamera->startPreview();
}
    这些操作可以直接对 mCamera来进行，它是ICamera类型的指针。
     其他一些函数的实现也与setDataSource类似。
     libmedia.so中的其他一些文件与头文件的名称相同，它们是：
frameworks/base/libs/ui/ICameraClient.cpp
frameworks/base/libs/ui/ICamera.cpp
frameworks/base/libs/ui/ICameraService.cpp
       在此处，BnCameraClient和BnCameraService类虽然实现了onTransact()函数，但是由于还有纯虚函数没有实现，因此这个类都是不能实例化的。
       ICameraClient.cpp中的BnCameraClient在别的地方也没有实现；而ICameraService.cpp中的BnCameraService类在别的地方被继承并实现，继承者实现了Camera服务的具体功能。

3.4 Camera服务libcameraservice.so

      frameworks/base/camera/libcameraservice/ 用于实现一个Camera的服务，这个服务是继承ICameraService的具体实现。
      在 这里的Android.mk文件中，使用宏USE_CAMERA_STUB决定是否使用真的Camera，如果宏为真，则使用 CameraHardwareStub.cpp和FakeCamera.cpp构造一个假的Camera，如果为假则使用 CameraService.cpp构造一个实际上的Camera服务。
       CameraService.cpp是继承BnCameraService 的实现，在这个类的内部又定义了类Client，CameraService::Client继承了BnCamera。在运作的过程中 CameraService::connect()函数用于得到一个CameraService::Client，在使用过程中，主要是通过调用这个类的 接口来实现完成Camera的功能，由于CameraService::Client本身继承了BnCamera类，而BnCamera类是继承了 ICamera，因此这个类是可以被当成ICamera来使用的。
      CameraService和CameraService::Client两个类的结果如下所示：
class CameraService : public BnCameraService
{ 
    class Client : public BnCamera {};
    wp<Client>                  mClient;
}

     在CameraService中的一个静态函数instantiate()用于初始化一个Camera服务，寒暑如下所示：
void CameraService::instantiate() {
    defaultServiceManager()->addService( String16("media.camera"), new CameraService());
}
      事实上，CameraService::instantiate()这个函数注册了一个名称为"media.camera"的服务，这个服务和Camera.cpp中调用的名称相对应。
      Camera 整个运作机制是：在Camera.cpp中可以调用ICameraService的接口，这时实际上调用的是BpCameraService，而 BpCameraService又通过Binder机制和BnCameraService实现两个进程的通讯。而BpCameraService的实现就 是这里的CameraService。因此，Camera.cpp虽然是在另外一个进程中运行，但是调用ICameraService的接口就像直接调用 一样，从connect()中可以得到一个ICamera类型的指针，真个指针的实现实际上是CameraService::Client。
      而这些Camera功能的具体实现，就是CameraService::Client所实现的了，其构造函数如下所示：
CameraService::Client::Client(const sp<CameraService>& cameraService,
        const sp<ICameraClient>& cameraClient) :
    mCameraService(cameraService), mCameraClient(cameraClient), mHardware(0)
{
    mHardware = openCameraHardware();
    mHasFrameCallback = false;
}
      构造函数中，调用openCameraHardware()得到一个CameraHardwareInterface类型的指针，并作为其成员mHardware。以后对实际的Camera的操作都通过对这个指针进行。这是一个简单的直接调用关系。
      事 实上，真正的Camera功能己通过实现CameraHardwareInterface类来完成。在这个库当中 CameraHardwareStub.h和CameraHardwareStub.cpp两个文件定义了一个桩模块的接口，在没有Camera硬件的情 况下使用，例如在仿真器的情况下使用的文件就是CameraHardwareStub.cpp和它依赖的文件FakeCamera.cpp。
      CameraHardwareStub类的结构如下所示：
class CameraHardwareStub : public CameraHardwareInterface {
    class PreviewThread : public Thread {
    };
};
      在 类CameraHardwareStub当中，包含一个线程类PreviewThread，这个线程用于处理PreView，即负责刷新取景器的内容。实 际的Camera硬件接口通常可以通过对v4l2 捕获驱动的调用来实现，同时还需要一个JPEG编码程序将从驱动中取出的数据编码成JPEG文件。