Android 的Camera架構介紹

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，但是其程序的架構分成客戶端和服務器兩個部分，它們建立在Android的進程間通訊Binder的結構上。

以開源的Android爲例，Camera的代碼主要在以下的目錄中：

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

frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java
這個類是和JNI中定義的類是一個，有些方法通過JNI的方式調用本地代碼得到，有些方法自己實現。

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

主要的頭文件在以下的目錄中：
frameworks/base/include/ui/

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

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

    爲了實現一個具體功能的Camera，在最底層還需要一個硬件相關的Camer庫（例如通過調用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。

第二部分 Camera的接口與架構
2.1 Camera的整體框架圖Camera的各個庫之間的結構可以用下圖的表示：
  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通過調用Camera類提供對JAVA的接口，並且實現了android.hardware.camera類。
    libcameraservice.so是Camera的服務器程序，它通過繼承libui.so的類實現服務器的功能，並且與libui.so中的另外一部分內容則通過進程間通訊（即Binder機制）的方式進行通訊。
libandroid_runtime.so和libui.so兩個庫是公用的,其中除了Camera還有其他方面的功能。

    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主要的頭文件有以下幾個：
            ICameraClient.h
            Camera.h
            ICamera.h
            ICameraService.h
            CameraHardwareInterface.h
    在這些頭文件Camera.h提供了對上層的接口，而其他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才能夠使用。
    整個Camera在運行的時候，可以大致上分成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機制實現進程間通訊。這樣在客戶端調用接口，功能則在服務器中實現，但是在客戶端中調用就好像直接調用服務器中的功能，進程間通訊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Camera的接口和架構，ICameraService.cpp和Camera.cpp兩個文件用於Camera架構的實現，Camera的從Camera的整體結構上，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，它通過調用實際的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機制來完成通訊。藍色的部分通過調用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。在整體結構上，左邊可以視爲一個客戶端，右邊是一個可以視爲服務器，二者通過Android的Bimder來實現進程間的通訊。

2.2 頭文件ICameraClient.h
ICameraClient.h用於描述一個Camera客戶端的接口，定義如下所示：
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機制實現在進程通訊而構建的。根據BnInterface類模版的定義BnInterface<ICameraClient>類相當於雙繼承了BnInterface和ICameraClient。

    IcameraClient這個類的主要接口是幾個回調函數shutterCallback、rawCallback和jpegCallback等，它們在相應動作發生的時候被調用。作爲Camera的“客戶端”，需要自己實現幾個回調函數，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<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);
//……
}

        從接口中可以看出Camera類剛好實現了一個Camera的基本操作，例如播放（startPreview）、停止（stopPreview）、暫停（takePicture）等。在Camera類中connect()是一個靜態函數，它用於得到一個Camera的實例。在這個類中，具有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，Camera類雙繼承了BnCameraClient和IBinder:: DeathRecipient，，BnCameraClient 繼承了BnInterface<ICameraClient>，這是爲基於Android的基礎類Binder機制實現在進程通訊而構建的。事實上，根據BnInterface類模版的定義BnInterface<ICameraClient>類相當於雙繼承了BnInterface和ICameraClient。這是Android一種常用的定義方式。
        繼承了DeathNotifier類之後，這樣當這個類作爲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描述的內容是一個實現Camera功能的接口，其定義如下所示：
在ICamera類中，主要定義Camera的功能接口，這個類必須被繼承才能夠使用。值得注意的是，這些接口和Camera類的接口有些類似，但是它們並沒有直接的關係。事實上，在Camera類的各種實現中，一般都會通過調用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);
};

    由於具有純虛函數， ICameraService 以及BnCameraService必須被繼承實現才能夠使用，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只有連接函數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，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語言的方式導出符號：
extern "C" sp<CameraHardwareInterface> openCameraHardware();

     在程序的其他地方，使用openCameraHardware()就可以得到一個 CameraHardwareInterface，然後調用 CameraHardwareInterface的接口完成Camera的功能。
具體功能在下層調用硬件相關的接口來實現。

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功能的一些調用如下所示：
mCameraDevice.takePicture(mShutterCallback, mRawPictureCallback, mJpegPictureCallback);
mCameraDevice.startPreview();
mCameraDevice.stopPreview();

    startPreview、stopPreview 和takePicture等接口就是通過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 {
}
    在這個類當中，大部分代碼使用JNI調用下層得到，例如：
    public void setParameters(Parameters params) {
        Log.e(TAG, "setParameters()");
        //params.dump();
        native_setParameters(params.flatten());
    }

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

    private native final void setPreviewDisplay(Surface surface);
    兩個setPreviewDisplay參數不同，後一個是本地方法，參數爲Surface類型，前一個通過調用後一個實現，但自己的參數以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，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;
}
       其中最重要的一點是binder = sm->getService(String16("media.camera"));;這個調用用來得到一個名稱爲"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 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通過調用getCameraService得到一個 ICameraService，再通過 ICameraService的cs->connect(c)得到一個 ICamera類型的指針。 調用connect將得到一個 Camera的指針,正常情況下Camera的成員 mCamera已經初始化完成。
       一個具體的函數startPreview 如下所示：
status_t Camera::startPreview()
{
    return mCamera->startPreview();
}
    這些操作可以直接對 mCamera來進行，它是ICamera類型的指針。
     其他一些函數的實現也與setDataSource類似。
     libmedia.so中的其他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，但是由於還有純虛函數沒有實現，因此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，如果宏爲真，則使用CameraHardwareStub.cpp和FakeCamera.cpp構造一個假的Camera，如果爲假則使用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。在運作的過程中CameraService::connect()函數用於得到一個CameraService::Client，在使用過程中，主要是通過調用這個類的接口來實現完成Camera的功能，由於CameraService::Client本身繼承了BnCamera類，而BnCamera類是繼承了ICamera，因此這個類是可以被當成ICamera來使用的。
      CameraService和CameraService::Client兩個類的結果如下所示：
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，寒暑如下所示：
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整個運作機制是：在Camera.cpp中可以調用ICameraService的接口，這時實際上調用的是BpCameraService，而BpCameraService又通過Binder機制和BnCameraService實現兩個進程的通訊。而BpCameraService的實現就是這裏的CameraService。因此，Camera.cpp雖然是在另外一個進程中運行，但是調用ICameraService的接口就像直接調用一樣，從connect()中可以得到一個ICamera類型的指針，真個指針的實現實際上是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;
}
      構造函數中，調用openCameraHardware()得到一個CameraHardwareInterface類型的指針，並作爲其成員mHardware。以後對實際的Camera的操作都通過對這個指針進行。這是一個簡單的直接調用關係。
      事實上，真正的Camera功能己通過實現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，例如在仿真器的情況下使用的文件就是CameraHardwareStub.cpp和它依賴的文件FakeCamera.cpp。
      CameraHardwareStub類的結構如下所示：
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硬件接口通常可以通過對v4l2 捕獲驅動的調用來實現，同時還需要一個JPEG編碼程序將從驅動中取出的數據編碼成JPEG文件。