Android的Camera架构介绍

1.1 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/
在其中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。

1.2 Camera的接口与架构

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Binder来实现进程间的通讯。

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。

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，ICameraClient 类双继承了IInterface和IBinder:: DeathRecipient，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。 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。


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camera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。

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。
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。

1.3 Camera的主要实现分析

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。

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));
}
"android/hardware/Camera"对应JAVA的类android.hardware.Camera。

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。

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。

1.4 代码分析

Android应用程序编程语言是JAVA，而linux的很多服务程序，包括一些libraries都是用c 或者c++写的，应用程序使用什么样的机制去调用这些系统函数的呢？Java的虚拟机可以通过 System.loadLibrary 来加载本地库，也可以通过JNI函数 RegisterNatives来注册与类相关联的本地方法。在Android中对于一些底层平台相关的native函数大多采用注册关联的方式来调用。
系统启动后两个重要的process:
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。
2：Mediaserver proces：进程注册了以下几个server:
AudioFlinger, MediaPlayerServer;CameraService.

Android Camera Application调用native 函数流程：
首先Android Runtime调用register_android_hardware_Camera注册Camera相关的navtive函数到JNI。然后调用android_hardware_Camera_native_setup为Application创建一个client 通过openCameraHardware打开设备，并连接到CameraServer。Application 开启preview的过程与Application建立到CameraService之间连接相似。这个过程如下图：

从上面可以看出在JAVA VM 与native之间存在一个非常重要的连接层JNI即JAVA Native Interface。Android1.0平台提供了Camera相关的native接口，如果这些接口不够的话，通过这种机制我们可以方便的进行扩展，但是我们自己扩展的接口是与我们的硬件平台相关的，并不是Android官方支持的。网上有人说Android1.0不支持JNI，Android无法执行本地ＪＮＩ调用，但从Android源码来看是乎不存在这种情况，至少是支持注册与类相关联的本地方法。

Android Architecture

JAVA process 与Native process之间的通信
Native process姑且认为是以c,c++语言编写服务程序（是独立的一个进程）。JAVA process是通常说的Android Application。还是Camera模块为例。我们要建立Camera Object，与CameraService Object之间的通信。
JAVA Application调用native_setup在CameraService中创建了一个Camera客户端，客户端通过getCameraService取得CameraSevice中的IBinder对象，为JAVA Application 与CamerService之间建立了一个接口ICameraService，通过这个接口我们调用BpCameraService::connect 实际上通过前面取得的IBinder对象将调用CameraService::onTransact函数在这个函数中再调用BnCameraSrvice::onTransact至此JAVA Application与CameraService之间的消息管道建立完毕。

上图中，Camera.jar Camera.cpp,ICamera, ICameraService的对象都属于java application process,当两个object之间的通信建立完毕，java application通过ICamera接口向CameraService中Camera Client发送消息。
在Native层，不同进程间两个对象需要传递消息需要继承IBinder接口，如果一个对象只需要发起连接可以继承IBinder的扩展接口BpInterface，如果需要接受连接请求可以继承BnInterface接口，比如在ICamera.cpp中有两个接口BpCamera与BnCamera，BpCamera用于发送消息，BnCamera由CameraService继承，最近消息响应通过BnCamera调用CameraService::client对象处理消息。
AudioRecord,AudioFinger,MediaPlayer其底层接口实现方式与Camera类似