Android CameraService简介

Camera Service被设计成一个独立进程,作为一个服务端,处理来自Camera Framework 客户端的跨进程请求,并在内部进行一定的操作,随后作为客户端将请求再一次发送至作为服务端的Camera Provider,整个流程涉及到了两个跨进程操作,前者通过AIDL机制实现,后者通过HIDL机制实现,由于在于Camera Provider通信的过程中,Service是作为客户端存在的,所以此处我们重点关注AIDL以及Camera Service 主程序的实现。

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CameraService简介

Camera AIDL 接口

在介绍Camera AIDL之前,不妨来简单了解下何为AIDL,谷歌为什么要实现这么一套机制?

在Android系统中,两个进程通常无法相互访问对方的内存,为了解决该问题,谷歌提出了Messager/广播以及后来的Binder,来解决这个问题,但是如果某个进程需要对另一个进程中进行多线程的并发访问,Messager和广播效果往往不是很好,所以Binder会作为主要实现方式,但是Binder的接口使用起来比较复杂,对开发者特别是初学者并不是很友好,所以为了降低跨进程开发门槛,谷歌开创性地提出了AIDL(自定义语言)机制,主动封装了Binder的实现细节,提供给开发者较为简单的使用接口,极大地提升了广大开发者的开发效率。

按照谷歌的针对AIDL机制的要求,需要服务端创建一系列*.aidl文件,并在其中定义需要提供给客户端的公共接口,并且予以实现,接下来我们来看下几个主要的aidl文件。

CameraService简介

ICameraService.aidl定义了ICameraService 接口,实现主要通过CameraService类来实现,主要接口如下:

  • getNumberOfCameras: 获取系统中支持的Camera 个数
  • connectDevice():打开一个Camera 设备
  • addListener(): 添加针对Camera 设备以及闪光灯的监听对象

ICameraDeviceCallbacks.aidl文件中定义了ICameraDeviceCallbacks接口,其实现主要由Framework中的CameraDeviceCallbacks类进行实现,主要接口如下:

  • onResultReceived: 一旦Service收到结果数据,便会调用该接口发送至Framework
  • onCaptureStarted(): 一旦开始进行图像的采集,便调用该接口将部分信息以及时间戳上传至Framework
  • onDeviceError(): 一旦发生了错误,通过调用该接口通知Framework

ICameraDeviceUser.aidl定义了ICameraDeviceUser接口,由CameraDeviceClient最终实现,主要接口如下:

  • disconnect: 关闭Camera 设备
  • submitRequestList:发送request
  • beginConfigure: 开始配置Camera 设备,需要在所有关于数据流的操作之前
  • endConfigure: 结束关于Camera 设备的配置,该接口需要在所有Request下发之前被调用
  • createDefaultRequest: 创建一个具有默认配置的Request

ICameraServiceListener.aidl定义了ICameraServiceListener接口,由Framework中的CameraManagerGlobal类实现,主要接口如下:

  • onStatusChanged: 用于告知当前Camera 设备的状态的变更

CameraService 主程序

Camera Service 主程序,是随着系统启动而运行,主要目的是向外暴露AIDL接口给Framework进行调用,同时通过调用Camera Provider的HIDL接口,建立与Provider的通信,并且在内部维护从Framework以及Provider获取到的资源,并且按照一定的框架结构保持整个Service在稳定高效的状态下运行,所以接下来我们主要通过几个关键类、初始化过程以及处理来自App的请求三个部分来详细介绍下。

关键类解析

CameraService简介

首先我们看下CameraService的这个类,它主要实现了AIDL中ICameraService 接口,并且暴露给Camera Framework进行调用,这个类在初始化的时候会去实例化一个CameraProviderManager对象,而在实例化的过程中,该对象会去获取系统中所有的Camera Provider,并且在其内部实例化了对应Provider个数的ProviderInfo对象,并且随着每一个ProviderInfo的实例化,将一个Camera Provider作为参数存入ProviderInfo中,并且最终将所有的ProviderInfo存入一个vec容器中进行统一管理,就这样,CameraProviderManager便达到了管理所有的Camera Provider的目的。

而对于单个ProviderInfo而言,内部会维护一个Camera Provider代理,而在系统运行初期,ProviderInfo会去向Camera Provider获取当前这设备所支持的Camera 设备,拿到Camera Provider中的ICameraDevice代理,并且依次存入提前实例化好的DeviceInfo3对象中,最后会将所有的DeviceInfo3存入一个内部容器,进行统一管理,而DeviceInfo3维护着Camera Provider中的ICameraDevice代理,保持了对Camera Provider的控制。

另外,Camera Service 中还包含了CameraDeviceClient类,该类在打开设备的时候被实例化,一次打开设备的操作对应一个该类对象,它实现了ICameraDeviceUser接口,以AIDL方式暴露接口给Camera Framework进行调用,于此同时,该类在打开设备的过程中,获取了来自Camera Framework对于ICameraDeviceCallback接口的实现代理,通过该代理可以将结果上传至Camera Framework中,其中还包含了一个Camera3Device以及FrameProcessorBase,Camera3Device主要实现了对Camera Provider 的ICameraDeviceCallbacks会调接口的实现,通过该接口接收来自Provider的结果上传,进而传给CameraDeviceClient以及FrameProcessBase,其中,Camera3Device会将事件通过notify方法给到CameraDeviceClient,而meta data以及image data 会给到FrameProcessBase,进而给到CameraDeviceClient,所以FrameProcessBase主要用于metadata以及image data的中转处理。而Camera3Device中RequestThread主要用于处理Request的接收与下发工作。

对于Camera Service而言,主要包括了两个阶段,一个是系统刚启动的时候,会通过运行其主程序将其Camera Service 服务运行起来,等待Camera Framework的下发图像需求,另一个阶段就是当用户打开相机应用的时候,会去获取相机设备,进而开始图像采集过程,接下来我们就主要以这两个阶段分别来详细介绍下内部运行逻辑。

CameraService启动初始化

当系统启动的时候,会首先运行Camera Service的主程序,将整个进程运行起来,这里我们首先来看下Camera Service 是怎样运行起来的。

CameraService简介

当系统启动的时候会首先运行main_cameraserver程序,紧接着调用了CameraService的instantiate方法,该方法最终会调用到CameraService的onFirstRef方法,在这个方法里面便开始了整个CameraService的初始化工作。
而在onFirstRef方法内又调用了enumerateProviders方法,该方法中主要做了两个工作:

  • 一个是实例化一个CameraProviderManager对象,该对象管理着有关Camera Provider的一些资源。
  • 一个是调用CameraProviderManager的initialize方法对其进行初始化工作。

而在CameraProviderManager初始化的过程中,主要做了三件事:

  • 首先通过getService方法获取ICameraProvider代理。
  • 随后实例化了一个ProviderInfo对象,之后调用其initialize方法进行初始化。
  • 最后将ProviderInfo加入到一个内部容器中进行管理。

而在调用ProviderInfo的initialize方法进行初始化过程中存在如下几个动作:

  • 首先接收了来自CameraProviderManager获取的ICameraProvider代理并将其存入内部成员变量中。
  • 其次由于ProviderInfo实现了ICameraProviderCallback接口,所以紧接着调用了ICameraProvider的setCallback将自身注册到Camera Provider中,接收来自Provider的事件回调。
  • 再然后,通过调用ICameraProvider代理的getCameraDeviceInterface_V3_X接口,获取Provider端的ICameraDevice代理,并且将这个代理作为参数加入到DeviceInfo3对象实例化方法中,而在实例化DeviceInfo3对象的过程中会通过ICameraDevice代理的getCameraCharacteristics方法获取该设备对应的属性配置,并且保存在内部成员变量中。
  • 最后ProviderInfo会将每一个DeviceInfo3存入内部的一个容器中进行统一管理,至此整个初始化的工作已经完成。

通过以上的系列动作,Camera Service进程便运行起来了,获取了Camera Provider的代理,同时也将自身关于Camera Provider的回调注册到了Provider中,这就建立了与Provider的通讯,另一边,通过服务的形式将AIDL接口也暴露给了Framework,静静等待来自Framework的请求。

CameraService处理App的请求

一旦用户打开了相机应用,便会去调用CameraManager的openCamera方法进而走到Framework层处理,Framework通过内部处理,最终将请求下发到Camera Service中,而在Camera Service主要做了获取相机设备属性、打开相机设备,然后App通过返回的相机设备,再次下发创建Session以及下发Request的操作,接下来我们来简单梳理下这一系列请求在Camera Service中是怎么进行处理的。

获取属性

对于获取相机设备属性动作,逻辑比较简单,由于在Camera Service启动初始化的时候已经获取了相应相机设备的属性配置,并存储在DeviceInfo3中,所以该方法就是从对应的DeviceInfo3中取出属性返回即可。

打开相机设备

对于打开相机设备动作,主要由connectDevice来实现,内部实现比较复杂,接下来我们详细梳理下。
当CameraFramework通过调用ICameraService的connectDevice接口的时候,主要做了两件事情:

  • 一个是创建CameraDeviceClient。
  • 一个是对CameraDeviceClient进行初始化,并将其给Framework。

而其中创建CameraDevcieClient的工作是通过makeClient方法来实现的,在该方法中首先实例化一个CameraDeviceClient,并且将来自Framework针对ICameraDeviceCallbacks的实现类CameraDeviceImpl.CameraDeviceCallbacks存入CameraDeviceClient中,这样一旦有结果产生便可以将结果通过这个回调回传给Framework,其次还实例化了一个Camera3Device对象。

其中的CameraDeviceClient的初始化工作是通过调用其initialize方法来完成的,在该方法中:

  • 首先调用父类Camera2ClientBase的initialize方法进行初始化。
  • 其次实例化FrameProcessorBase对象并且将内部的Camera3Device对象传入其中,这样就建立了FrameProcessorBase和Camera3Device的联系,之后将内部线程运行起来,等待来自Camera3Device的结果。
  • 最后将CameraDeviceClient注册到FrameProcessorBase内部,这样就建立了与CameraDeviceClient的联系。

而在Camera2ClientBase的intialize方法中会调用Camera3Device的intialize方法对其进行初始化工作,并且通过调用Camera3Device的setNotifyCallback方法将自身注册到Camera3Device内部,这样一旦Camera3Device有结果产生就可以发送到CameraDeviceClient中。

而在Camera3Device的初始化过程中,首先通过调用CameraProviderManager的openSession方法打开并获取一个Provider中的ICameraDeviceSession代理,其次实例化一个HalInterface对象,将之前获取的ICameraDeviceSession代理存入其中,最后将RequestThread线程运行起来,等待Request的下发。

而对于CameraProviderManager的openSession方法,它会通过内部的DeviceInfo保存的ICameraDevice代理,调用其open方法从Camera Provider中打开并获取一个ICameraDeviceSession远程代理,并且由于Camera3Device实现了Provider中ICameraDeviceCallback方法,会通过该open方法传入到Provider中,接收来自Provider的结果回传。

至此,整个connectDevice方法已经运行完毕,此时App已经获取了一个Camera设备,紧接着,由于需要采集图像,所以需要再次调用CameraDevice的createCaptureSession操作,到达Framework,再通过ICameraDeviceUser代理进行了一系列操作,分别包含了cancelRequest/beginConfigure/deleteStream/createStream以及endConfigure方法来进行数据流的配置。

配置数据流

其中cancelRequest逻辑比较简单,对应的方法是CameraDeviceClient的cancelRequest方法,在该方法中会去通知Camera3Device将RequestThread中的Request队列清空,停止Request的继续下发。

beginConfigure方法是空实现,这里不进行阐述。

deleteStream/createStream 分别是用于删除之前的数据流以及为新的操作创建数据流。

紧接着调用位于整个调用流程的末尾–endConfigure方法,该方法对应着CameraDeviceClient的endConfigure方法,其逻辑比较简单,在该方法中会调用Camera3Device的configureStreams的方法,而该方法又会去通过ICameraDeviceSession的configureStreams_3_4的方法最终将需求传递给Provider。

到这里整个数据流已经配置完成,并且App也获取了Framework中的CameraCaptureSession对象,之后便可进行图像需求的下发了,在下发之前需要先创建一个Request,而App通过调用CameraDeviceImpl中的createCaptureRequest来实现,该方法在Framework中实现,内部会再去调用Camera Service中的AIDL接口createDefaultRequest,该接口的实现是CameraDeviceClient,在其内部又会去调用Camera3Device的createDefaultRequest方法,最后通过ICameraDeviceSession代理的constructDefaultRequestSettings方法将需求下发到Provider端去创建一个默认的Request配置,一旦操作完成,Provider会将配置上传至Service,进而给到App中。

处理图像请求

在创建Request成功之后,便可下发图像采集需求了,这里大致分为两个流程,一个是预览,一个拍照,两者差异主要体现在Camera Service中针对Request获取优先级上,一般拍照的Request优先级高于预览,具体表现是当预览Request在不断下发的时候,来了一次拍照需求,在Camera3Device 的RequestThread线程中,会优先下发此次拍照的Request。这里我们主要梳理下下发拍照request的大体流程:

下发拍照Request到Camera Service,其操作主要是由CameraDevcieClient的submitRequestList方法来实现,在该方法中,会调用Camera3Device的setStreamingRequestList方法,将需求发送到Camera3Device中,而Camera3Device将需求又加入到RequestThread中的RequestQueue中,并唤醒RequestThread线程,在该线程被唤醒后,会从RequestQueue中取出Request,通过之前获取的ICameraDeviceSession代理的processCaptureRequest_3_4方法将需求发送至Provider中,由于谷歌对于processCaptureRequest_3_4的限制,使其必须是非阻塞实现,所以一旦发送成功,便立即返回,在App端便等待这结果的回传。

接收图像结果

针对结果的获取是通过异步实现,主要分别两个部分,一个是事件的回传,一个是数据的回传,而数据中又根据流程的差异主要分为Meta Data和Image Data两个部分,接下来我们详细介绍下:

在下发Request之后,首先从Provider端传来的是Shutter Notify,因为之前已经将Camera3Device作为ICameraDeviceCallback的实现传入Provider中,所以此时会调用Camera3Device的notify方法将事件传入Camera Service中,紧接着通过层层调用,将事件通过CameraDeviceClient的notifyShutter方法发送到CameraDeviceClient中,之后又通过打开相机设备时传入的Framework的CameraDeviceCallbacks接口的onCaptureStarted方法将事件最终传入Framework,进而给到App端。

在Shutter事件上报完成之后,当一旦有Meta Data生成,Camera Provider便会通过ICameraDeviceCallback的processCaptureResult_3_4方法将数据给到Camera Service,而该接口的实现对应的是Camera3Device的processCaptureResult_3_4方法,在该方法会通过层层调用,调用sendCaptureResult方法将Result放入一个mResultQueue中,并且通知FrameProcessorBase的线程去取出Result,并且将其发送至CameraDeviceClient中,之后通过内部的CameraDeviceCallbacks远程代理的onResultReceived方法将结果上传至Framework层,进而给到App中进行处理。

随后Image Data前期也会按照类似的流程走到Camera3Device中,但是会通过调用returnOutputBuffers方法将数据给到Camera3OutputStream中,而该Stream中会通过BufferQueue这一生产者消费者模式中的生产者的queue方法通知消费者对该buffer进行消费,而消费者正是App端的诸如ImageReader等拥有Surface的类,最后App便可以将图像数据取出进行后期处理了。

初代Android相机框架中,Camera Service层就已经存在了,主要用于向上与Camera Framework保持低耦合关联,承接其图像请求,内部封装了Camera Hal Module模块,通过HAL接口对其进行控制,所以该层从一开始就是谷歌按照分层思想,将硬件抽象层抽离出来放入Service中进行管理,这样的好处显而易见,将平台厂商实现的硬件抽象层与系统层解耦,独立进行控制。之后随着谷歌将平台厂商的实现放入vendor分区中,彻底将系统与平台厂商在系统分区上保持了隔离,此时,谷歌便顺势将Camera HAL Moudle从Camera Service中解耦出来放到了vendor分区下的独立进程Camera Provider中,所以之后,Camera Service 的职责便是承接来自Camera Framework的请求,之后将请求转发至Camera Provider中,作为一个中转站的角色存在在系统中。

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