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Android的Camera架构介绍

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B......

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/

在其中Camera.java是主要实现的文件

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Camera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

在这些头文件中,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MeidaPlayer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 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& picture) = 0;

virtual void jpegCallback(const sp& picture) = 0;

virtual void frameCallback(const sp& frame) = 0;

virtual void errorCallback(status_t error) = 0;

virtual void autoFocusCallback(bool focused) = 0;

};

class BnCameraClient: public BnInterface

{

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,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 connect();

~Camera();

void disconnect();

status_t getStatus() { return mStatus; }

status_t setPreviewDisplay(const sp& 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& picture);

virtual void jpegCallback(const sp& picture);

virtual void frameCallback(const sp& 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,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& 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

{

public:

virtual status_t onTransact( uint32_t code,

const Parcel& data,

Parcel* reply,

uint32_t flags = 0);

};

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。

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 connect(const sp& cameraClient) = 0;

};

class BnCameraService: public BnInterface

{

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,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 getPreviewHeap() const = 0;

virtual status_t startPreview(preview_callback cb, void* user) = 0;

virtual voidstopPreview() = 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 CameraParametersgetParameters() const = 0;

virtual void release() = 0;

virtual status_t dump(int fd, const Vector& args) const = 0;

};

使用C语言的方式导出符号:

extern "C" sp 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。

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 {

public void setParameters(Parameters params) {

Log.e(TAG, "setParameters()");

//params.dump();

native_setParameters(params.flatten());

}

}

在这个类当中,大部分代码使用JNI调用下层得到,例如:

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));

}

“android/hardware/Camera”对应JAVA的类android.hardware.Camera。

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& Camera::getCameraService()

{

Mutex::Autolock _l(mLock);

if (mCameraService.get() == 0) {

sp sm = defaultServiceManager();

sp 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(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::connect()

{

sp c = new Camera();

const sp& 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 {};

wpmClient;

}

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,

const sp& 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。