Android 上Camera分析

一.Camera构架分析
Android 的Camera包含取景（preview）和拍摄照片（take picture）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。Android中Camera模块同样遵循Andorid的框架，如下图所示

Camera Architecture
Camera模块主要包含了libandroid_runtime.so、libui.so和libcameraservice.so等几个库文件，它们之间的调用关系如下所示：

在Camera模块的各个库中，libui.so位于核心的位置，它对上层的提供的接口主要是Camera类。
    libcameraservice.so是Camera的server程序，它通过继承libui.so中的类实现server的功能，并且与libui.so中的另外一部分内容通过进程间通讯（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。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client调 用接口，功能则在server中实现，但是在client中调用就好像直接调用server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，源码中ICameraService.h、ICameraClient.h和ICamera.h三个类定义了MeidaPlayer的 接口和 架构，ICameraService.cpp和Camera.cpp两个文件则用于Camera架构的实现，Camera的具体功能在下层调用硬件相关的 接 口来实现。 
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。蓝色虚线框的部分通过调用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。

二．Camera工作流程概述

1.Camera Service的启动

①．App_main process: 进程通过AndroidRuntime调用register_jni_procs向JNI注册模块的native函数供JVM调用。

AndroidRuntime::registerNativeMethods(env, "android/hardware/Camera",

camMethods, NELEM(camMethods));

        其中camMethods定义如下: 

 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 },

   { "previewEnabled",

     "()Z",

     (void *)android_hardware_Camera_previewEnabled },

   { "setHasPreviewCallback",

     "(ZZ)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 },

   { "reconnect",

     "()V",

     (void*)android_hardware_Camera_reconnect },

   { "lock",

     "()I",

     (void*)android_hardware_Camera_lock },

   { "unlock",

     "()I",

     (void*)android_hardware_Camera_unlock },

 };

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。

②．Mediaserver proces：进程注册了以下几个server: AudioFlinger、 MediaPlayerServer、CameraService. 

 int main(int argc, char** argv)

 {

     sp proc(ProcessState::self());

     sp sm = defaultServiceManager();

     LOGI("ServiceManager: %p", sm.get());

     AudioFlinger::instantiate();

     MediaPlayerService::instantiate();

     CameraService::instantiate();

     ProcessState::self()->startThreadPool();

     IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

 }

 当向ServiceManager注册了CameraService服务后就可以响应client的请求了

2.client端向service发送请求

①.在java应用层调用onCreate()函数得到一个上层的Camera对象 

 public void onCreate(Bundle icicle) {

 super.onCreate(icicle);

 Thread openCameraThread = new Thread(

 new Runnable() {

 public void run() {

                 mCameraDevice = android.hardware.Camera.open();

 }

 }

 );

 ………………………

 }

②．通过Camera对象的调用成员函数，而这些成员函数会调用已向JNI注册过的native函数来调用ICamera接口的成员函数向Binder Kernel Driver发送服务请求。

③. Binder Kernel Driver接收到client的请求后，通过唤醒service的进程来处理client的请求，处理完后通过回调函数传回数据并通知上层处理已完成。

三．Camera库文件分析

    上面已提到Camera模块主要包含libandroid_runtime.so、libui.so、libcameraservice.so和一个与 Camera硬件相关的底层库。其中libandroid_runtime.so、libui.so是与Android系统构架相关的不需要对其进行修 改， libcameraservice.so和Camera硬件相关的底层库则是和硬件设备相关联的，而Canera硬件相关的底层库实际上就是设备的 Linux驱动，所以Camera设备的系统集成主要通过移植Camera Linux驱动和修改libcameraservice.so库来完成。

    libcameraservice.so库通过以下规则来构建： 

 LOCAL_PATH:= $(call my-dir)

 #

 # Set USE_CAMERA_STUB for non-emulator and non-simulator builds, if you want

 # the camera service to use the fake camera.  For emulator or simulator builds,

 # we always use the fake camera.

 ifeq ($(USE_CAMERA_STUB),)

 USE_CAMERA_STUB:=false

 ifneq ($(filter sooner generic sim,$(TARGET_DEVICE)),)

 USE_CAMERA_STUB:=true

 endif #libcamerastub

 endif ifeq ($(USE_CAMERA_STUB),true)

 #

 # libcamerastub

 #

 include $(CLEAR_VARS)

 LOCAL_SRC_FILES:=               \

     CameraHardwareStub.cpp      \

     FakeCamera.cpp

 LOCAL_MODULE:= libcamerastub

 LOCAL_SHARED_LIBRARIES:= libui

 include $(BUILD_STATIC_LIBRARY)

 endif # USE_CAMERA_STUB

 #

 # libcameraservice

 #

 include $(CLEAR_VARS)

 LOCAL_SRC_FILES:=               \

     CameraService.cpp

 LOCAL_SHARED_LIBRARIES:= \

     libui \

     libutils \

     libcutils \

     libmedia

 LOCAL_MODULE:= libcameraservice

 LOCAL_CFLAGS+=-DLOG_TAG=\"CameraService\"

 ifeq ($(USE_CAMERA_STUB), true)

 LOCAL_STATIC_LIBRARIES += libcamerastub

 LOCAL_CFLAGS += -include CameraHardwareStub.h

 else

 LOCAL_SHARED_LIBRARIES += libcamera

 endif

 include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

     在上面的构建规则中可以看到使用了宏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 libcamera来构造一个实际上的Camera服务。

    在CameraHardwareStub.cpp中定义了CameraHardwareStub类，它继承并实现了抽象类 CameraHardwareInterface中定义的真正操作Camera设备的所有的纯虚函数。通过 openCameraHardware（）将返回一个CameraHardwareInterface类的对象，但由于 CameraHardwareInterface类是抽象类所以它并不能创建对象，而它的派生类CameraHardwareStub完全实现了其父类的 纯虚函数所以openCameraHardware（）返回一个指向派生类对象的基类指针用于底层设备的操作。由于CameraHardwareStub 类定义的函数是去操作一个假的Camera，故通过openCameraHardware返回的指针主要用于仿真环境对Camera的模拟操作，要想通过 openCameraHardware返回的指针操作真正的硬件设备则需完成以下步骤：

1.    将CameraHardwareInterface类中的所有纯虚函数的声明改为虚函数的声明（即去掉虚函数声明后的“= 0” ）; 

 class CameraHardwareInterface : public virtual RefBase {

 public:

     virtual ~CameraHardwareInterface() { }

     virtual sp         getPreviewHeap() const;

     virtual sp         getRawHeap() const;

     virtual status_t    startPreview(preview_callback cb, void* user);

     virtual bool useOverlay() {return false;}

     virtual status_t setOverlay(const sp &overlay) {return BAD_VALUE;}

     virtual void        stopPreview();

     virtual bool        previewEnabled();

     virtual status_t    startRecording(recording_callback cb, void* user);

     virtual void        stopRecording();

     virtual bool        recordingEnabled();

     virtual void        releaseRecordingFrame(const sp& mem);

     virtual status_t    autoFocus(autofocus_callback,

                                   void* user);



     virtual status_t    takePicture(shutter_callback,

                                     raw_callback,

                                     jpeg_callback,

                                     void* user);

     virtual status_t    cancelPicture(bool cancel_shutter,

                                       bool cancel_raw,

                                       bool cancel_jpeg);

     virtual status_t    setParameters(const CameraParameters& params);

     virtual CameraParameters  getParameters() const;

     virtual void release();

     virtual status_t dump(int fd, const Vector& args) const ;

 };

2.    编写一个源文件去定义CameraHardwareInterface类中声明的所有虚函数，并实现openCameraHardware()函数让该函数返回一个CameraHardwareInterface类对象的指针;例如： 

 extern "C" sp openCameraHardware()

 {

     CameraHardwareInterface realCamera;

     return &realCamera;

 }

3.    仿照其他.mk文件编写Android.mk文件用于生成一个包含步骤2编写的源文件和其他相关文件的libcamera.so文件;例如 

 LOCAL_PATH := $(call my-dir)

 include $(CLEAR_VARS)

 LOCAL_MODULE := libcamera

 LOCAL_SHARED_LIBRARIES := \

     libutils \

     librpc \

     liblog

 LOCAL_SRC_FILES += MyCameraHardware.cpp

 LOCAL_CFLAGS +=

 LOCAL_C_INCLUDES +=

 LOCAL_STATIC_LIBRARIES += \

     libcamera-common \

     libclock-rpc \

     libcommondefs-rpc

 include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

4.    将宏USE_CAMERA_STUB改成false，这样生成libcameraservice.so时就会包含libcamera.so库。（注：如果 CameraHardwareInterface类的成员函数并没有直接操作硬件而是调用Camera的linux驱动来间接对硬件操作，那么包含这样的 CameraHardwareInterface类的libcamera.so库就相当于一个HAL）

      上面左图中libcamera.so库直接操作Camera设备，这样相对于右图来说就相当于libcamera.so库包含了Camera驱动,而右图 则将驱动从库中分离出来并形成一层HAL这样做的好处是：移植不同型号或不同厂商的同类设备时只需修改HAL中很少代码即可。