AndroidCamera系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡析及移植初探

范卉敏　紀(jì)勇

摘要：目前對于各類Android系統(tǒng)設(shè)備，都要求具備照相拍攝功能?？紤]到平臺的多樣性和設(shè)備型號的差異，需要開展相應(yīng)的Camera系統(tǒng)的移植工作。在理解Android系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了Camera在Android系統(tǒng)中各個層次結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)方式，進(jìn)而闡明了在進(jìn)行Camera移植時所需完成的主要工作內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：Android系統(tǒng)；Camera組件；系統(tǒng)移植

中圖分類號：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）09-2100-02

1 概述

目前Android系統(tǒng)由于其系統(tǒng)的開放性、強(qiáng)大的多媒體能力、無需許可費(fèi)用等等顯著的特點(diǎn)，在各類移動設(shè)備與嵌入式設(shè)備中得到極為廣泛的使用，得到業(yè)界各大開發(fā)團(tuán)隊(duì)，頂尖IT公司的廣泛支持。具備照相和視頻拍攝功能是這些移動設(shè)備、多媒體設(shè)備的一個基本要求，因此對原生Android系統(tǒng)，針對不同的開發(fā)平臺、不同的廠商產(chǎn)品來進(jìn)行有針對性的移植，是有著積極的實(shí)踐意義的。

2 Android結(jié)構(gòu)分析

目前在移動設(shè)備中廣泛使用的Android系統(tǒng)，從邏輯結(jié)構(gòu)上可以分為應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、庫層、內(nèi)核層這個四個層次。

應(yīng)用層的應(yīng)用程序通常是指用戶界面這個層面的程序，使用Android提供的API進(jìn)行開發(fā)，通常用java程序編寫，再加上各種資源文件。Java源程序和資源文件共同編譯生成APK包。當(dāng)然Android系統(tǒng)本身也提供了一些最基本的核心應(yīng)用。

應(yīng)用框架層為應(yīng)用軟件開發(fā)者提供上述提到的API，本質(zhì)上，這是應(yīng)用程序的框架。在這個框架內(nèi)部，提供了UI界面所需要的各種控件，比如網(wǎng)格、列表等，為開發(fā)應(yīng)用軟件提供了必要的編程接口。另外在應(yīng)用框架層中也需要按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接入下一個層次庫層中的內(nèi)容。

庫層對于嵌入式系統(tǒng)來說，占據(jù)一個中間件層次的位置，是Android應(yīng)用層與實(shí)際硬件進(jìn)行相互通信的一個接口，把硬件的行為和功能封裝起來，然后應(yīng)用框架層再通過某種通信途徑與庫層進(jìn)行通信。具體說來，該層次包含兩個部分，一個是各種庫，另外一個是Android的運(yùn)行環(huán)境（RunTime），這些庫通常是用C++語言實(shí)現(xiàn)的，包含C標(biāo)準(zhǔn)庫、多媒體框架、圖形引擎、嵌入式數(shù)據(jù)庫等等部分。

內(nèi)核層又稱之為操作系統(tǒng)層，使用標(biāo)準(zhǔn)的Linux2.6內(nèi)核，是直接與硬件聯(lián)系的一層?？紤]到Android系統(tǒng)的主要應(yīng)用范圍，這個層次主要包含一些與移動設(shè)備相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序。

3 Camera各層次的實(shí)現(xiàn)方式剖析

在分析上述Android整體框架基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析Camera系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式。

3.1 應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

Camera系統(tǒng)在應(yīng)用層上是以一個APK包的直觀形式表現(xiàn)出來的，當(dāng)然在這個APK包的開發(fā)過程中調(diào)用了大量框架層中的API函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)Camera應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯和UI顯示，路徑在/android/packages/apps/Camera下，主要實(shí)現(xiàn)文件是Camera.java，對應(yīng)的Java層次的類是android.hardware.Camera。這個類就是Android提供給上層調(diào)用的Camera類。這個類的具體作用是用來連接與斷開下層中Camera服務(wù)，對拍攝的參數(shù)或者模式進(jìn)行設(shè)置，打開關(guān)閉畫面預(yù)覽，開啟拍照動作，實(shí)現(xiàn)自動對焦等。它也是Android Camera應(yīng)用框架封裝暴露出來的接口。不過需要注意的是如果要在一個實(shí)際的Android應(yīng)用程序中使用Camera類，必須在源代碼中聲明Camera的權(quán)限與特性。

3.2 應(yīng)用框架層實(shí)現(xiàn)

Camera框架層將應(yīng)用與底層的實(shí)現(xiàn)隔離開來，實(shí)現(xiàn)了一套Android定義的對上對下接口規(guī)范，方便應(yīng)用及底層硬件的開發(fā)和移植。這一層對上以Java類的形式包裝出android.hardware.Camera，以便應(yīng)用層軟件進(jìn)行調(diào)用；對下則在一個文件名為CameraHardwareInterface.h頭文件中規(guī)定出Camera硬件抽象層的接口。注意這個接口類內(nèi)定義了純虛函數(shù)，虛函數(shù)必須被實(shí)現(xiàn)類繼承以后才能使用。實(shí)際上這個實(shí)現(xiàn)類就是在上文所提到的Android框架里的庫層，這個庫層作用是繼承CameraHardwareInterface接口，將處于最底層的硬件驅(qū)動加以實(shí)例化，生成libcamera.so讓應(yīng)用框架的libcameraservice.so進(jìn)行調(diào)用。通過這種處理方式，使得讓Camera的應(yīng)用框架代碼保持獨(dú)立性，不會受到具體硬件型號和參數(shù)的影響，為在不同的平臺上移植Android系統(tǒng)提供了極大的方便。

在這個層次中，代碼經(jīng)歷了從Java到JNI再到C++的多次轉(zhuǎn)換。Camera.java源文件中的類作為Android SDK中有關(guān)Camera的一個組成部分提供給上層應(yīng)用程序調(diào)用，并進(jìn)一步通過本地調(diào)用方式（即JNI方式）調(diào)用本地C++代碼。相關(guān)cpp文件名是android_hardware_Camera.cpp，這個文件是實(shí)現(xiàn)JAVA代碼到C++代碼的轉(zhuǎn)換的基本路徑，并且進(jìn)一步編譯為libandroid_runtime.so文件。

在Android系統(tǒng)的/android/frameworks/base/libs/ui中包含多個cpp源文件，這些源文件會最終編譯生成libui.so。這個文件在Camera占有極其重要的地位，是一個核心文件?；咀饔皿w現(xiàn)為作為Camera應(yīng)用框架的Client客戶端，與作為服務(wù)端的libcameraservice.so通過Binder機(jī)制進(jìn)行進(jìn)程之間的通訊，即IPC通信。作為Camera服務(wù)載體libcameraservice.so是通過調(diào)用Camera hardware interface接口功能完成上述的客戶端連接。

在上述過程中，libandroid_runtime.so和libui.so是兩個公用庫，Android系統(tǒng)中的其他一些組件可能也會調(diào)用這兩個文件。在Camera系統(tǒng)工作的時候，客戶端與服務(wù)器端分別在兩個進(jìn)程中運(yùn)行，借助于Binder機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間通訊。不過需要指出的是這種進(jìn)程之間的通訊對于上層應(yīng)用程序來說是透明的，上層應(yīng)用程序無需關(guān)心功能究竟是在客戶端還是在服務(wù)端實(shí)現(xiàn)的。總而言之，當(dāng)Camera 客戶端通過Binder機(jī)制與服務(wù)端通訊，由服務(wù)端實(shí)現(xiàn)后傳遞到客戶端。而服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)又是調(diào)用camera硬件接口實(shí)現(xiàn)的。

3.3 庫層實(shí)現(xiàn)

在camera系統(tǒng)中，庫層實(shí)際上就是硬件抽象層（HAL層），用戶空間的驅(qū)動代碼就是在這個層次中。在庫層的上級層次框架層中，包含了 Camera硬件抽象層的接口，這些接口是包含純虛函數(shù)的類。那么在庫層或者硬件抽象層中將會依據(jù)Linux中V4L2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對底層硬件驅(qū)動進(jìn)行實(shí)例化，最終生成libcamera.so以便應(yīng)用框架的libcameraservice.so服務(wù)進(jìn)行調(diào)用。具體代碼所在的目錄根據(jù)開發(fā)板或者廠家的不同也稍顯有些區(qū)別，通常是在/android/hardware/XXX/libcamera目錄下。例如對于三星S3C平臺，這里的XXX用s3c表示。

3.4 內(nèi)核層實(shí)現(xiàn)

由于Android系統(tǒng)本身是架構(gòu)在Linux內(nèi)核上的開源操作系統(tǒng)，因此驅(qū)動層實(shí)質(zhì)上就是Linux的內(nèi)核，只不過針對移動設(shè)備的特點(diǎn)做了一些優(yōu)化而已。對于Android中Camera系統(tǒng)，通常是依據(jù)V4L2驅(qū)動規(guī)范以ioctl的形式將Camera基本物理功能提供給硬件抽象層調(diào)用。主要功能包含圖像視頻數(shù)據(jù)的采集、格式轉(zhuǎn)換、圖片縮放、數(shù)據(jù)傳輸。其中V4L2是V4L的升級版，全稱為視頻設(shè)備的通用驅(qū)動接口，Android系統(tǒng)中的Camera功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)就是這套標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動架構(gòu)。當(dāng)視頻設(shè)備加載成功后，會相應(yīng)的在/dev目錄下面生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

4 Camera系統(tǒng)移植的主要內(nèi)容

由上所知，在camera系統(tǒng)中，Camera本地框架、Camera服務(wù)、Camera硬件接口都是采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，代碼相對獨(dú)立，在移植過程中無需作出改變。因此對于Camera系統(tǒng)的移植，主要有兩方面的內(nèi)容：一是Camera硬件抽象層的修改，這個層次是直接和底層硬件驅(qū)動緊密相關(guān)的，是V4L2與Camera服務(wù)之間的一個接口，是一個C++的標(biāo)準(zhǔn)類，一個具體的實(shí)現(xiàn)者將會繼承這個類。Camera的硬件抽象層需要具備提取景物、視頻攝錄、照片捕捉等功能。二是Camera驅(qū)動程序的修改。在Linux系統(tǒng)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的Video for Linux 2作為標(biāo)準(zhǔn)的Camera驅(qū)動，并且定義了內(nèi)核空間及用戶空間中的數(shù)據(jù)類和控制類。在移植Android系統(tǒng)中的Camera系統(tǒng)的時候，仍然可以采用V4L2作為Camera的驅(qū)動程序。綜上所述，如果Android系統(tǒng)中的Camera硬件發(fā)生變化了，對于相應(yīng)的移植工作，主要的工作就是硬件抽象層到內(nèi)核層這一部分，應(yīng)用框架層以上的部分無需作出變動。當(dāng)然在具體進(jìn)行移植時，由于硬件平臺、Camera硬件型號的差異，實(shí)際的代碼修改，參數(shù)配置還會有所差異。

參考文獻(xiàn)：

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