Camera构架分析

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<ProcessState> proc(ProcessState::self());
    sp<IServiceManager> 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<IMemoryHeap>         getPreviewHeap() const;
    virtual sp<IMemoryHeap>         getRawHeap() const;
    virtual status_t    startPreview(preview_callback cb, void* user);
    virtual bool useOverlay() {return false;}
    virtual status_t setOverlay(const sp<Overlay> &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<IMemory>& 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<String16>& 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<CameraHardwareInterface> 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。