3、Android Camera2 API概览：CameraManager、CameraDevice、CaptureRequest、CaptureSession核心组件

Android Camera2 API 是 Android 5.0（API 21）引入的相机框架，取代了已废弃的 Camera1 API。它为开发者提供了对相机设备的精细控制，是实现多帧融合、HDR 处理等高级算法的基石。本章将深入剖析 Camera2 的四大核心组件：CameraManager、CameraDevice、CaptureRequest 和 CaptureSession，并阐述它们如何协同工作以完成一次高质量的图像捕获。

核心概念：Camera2 API 采用管道（Pipeline）架构，将相机设备抽象为一个数据流处理系统。应用程序通过发送 CaptureRequest 到 CaptureSession，驱动 CameraDevice 输出图像数据。

3.1 CameraManager：相机系统的入口

CameraManager 是系统服务的客户端代理，负责枚举和管理所有可用的相机设备。它是整个 Camera2 操作的起点。

3.1.1 主要职责

  • 枚举相机：通过 getCameraIdList() 获取所有可用相机的 ID 列表。
  • 查询特性：通过 getCameraCharacteristics(cameraId) 获取指定相机的详细能力参数，如传感器尺寸、像素大小、支持的 AE/AWB 模式、HDR 支持级别等。
  • 打开相机：通过 openCamera(cameraId, stateCallback, handler) 异步打开指定相机设备。

3.1.2 关键方法

方法 描述 返回值/回调
getCameraIdList() 获取所有可用相机 ID 的数组 String[]
getCameraCharacteristics(String cameraId) 获取指定相机的静态特性信息 CameraCharacteristics
openCamera(String cameraId, CameraDevice.StateCallback callback, Handler handler) 异步打开相机设备 通过 CameraDevice.StateCallback 回调
最佳实践：在打开相机前，务必通过 CameraCharacteristics 检查 INFO_SUPPORTED_HARDWARE_LEVEL，以确认设备是 FULL 或 LEVEL_3 级别，这些级别才支持多帧融合所需的同步帧和高速连拍能力。

3.1.3 CameraCharacteristics 关键查询项

  • SCALER_STREAM_CONFIGURATION_MAP：获取支持的输出尺寸和格式。
  • SENSOR_INFO_SENSITIVITY_RANGE：ISO 感光度范围。
  • CONTROL_AE_AVAILABLE_MODES：自动曝光支持的模式（如 ON、OFF、ON_AUTO_FLASH）。
  • STATISTICS_INFO_AVAILABLE_FACE_DETECT_MODES：人脸检测支持级别。
CameraManager 工作流程 getCameraIdList() getCameraCharacteristics() openCamera() 说明 CameraManager 是系统服务的代理，所有操作均为异步。 通过 CameraCharacteristics 可预检设备能力，避免运行时错误。

3.2 CameraDevice：相机硬件抽象

CameraDevice 代表一个物理或逻辑相机设备。一旦通过 CameraManager.openCamera() 成功打开，应用程序便获得了一个 CameraDevice 实例，用于创建捕获会话和请求。

3.2.1 状态回调

打开相机时需传入 CameraDevice.StateCallback，其回调方法包括：

  • onOpened(CameraDevice camera)：相机成功打开，可以开始创建会话。
  • onDisconnected(CameraDevice camera)：相机连接断开（如被其他应用抢占）。
  • onError(CameraDevice camera, int error)：相机发生错误，需要释放资源。

3.2.2 核心方法

方法 描述
createCaptureRequest(int templateType) 根据模板类型（如 TEMPLATE_PREVIEW、TEMPLATE_STILL_CAPTURE）创建 CaptureRequest.Builder
createCaptureSession(SessionConfiguration config) 创建捕获会话，配置输入/输出 Surface
close() 关闭相机设备，释放资源
重要：CameraDevice 是重量级资源，必须在不再使用时显式调用 close() 释放。建议在 onPause() 或 onDestroy() 中执行关闭操作，避免内存泄漏。

3.3 CaptureRequest：捕获参数配置

CaptureRequest 定义了单次图像捕获的所有参数，包括曝光、对焦、白平衡、输出目标等。它由 CaptureRequest.Builder 构建，是不可变对象。

3.3.1 模板类型

createCaptureRequest(int templateType) 支持以下预定义模板：

模板常量 适用场景
TEMPLATE_PREVIEW 取景预览，优化帧率和功耗
TEMPLATE_STILL_CAPTURE 静态照片捕获，优先画质
TEMPLATE_VIDEO_SNAPSHOT 视频录制中的快照
TEMPLATE_ZERO_SHUTTER_LAG 零快门延迟模式（需硬件支持）
TEMPLATE_MANUAL 完全手动控制，不应用任何自动算法

3.3.2 关键参数设置

// 创建 CaptureRequest.Builder
CaptureRequest.Builder builder = cameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE);

// 设置曝光补偿
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AE_EXPOSURE_COMPENSATION, 0);

// 设置 ISO 和曝光时间（手动模式）
builder.set(CaptureRequest.SENSOR_SENSITIVITY, 200);
builder.set(CaptureRequest.SENSOR_EXPOSURE_TIME, 10000000L); // 10ms

// 设置对焦模式
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE_CONTINUOUS_PICTURE);

// 添加输出目标 Surface
builder.addTarget(surface);

// 构建不可变的 CaptureRequest
CaptureRequest request = builder.build();

3.3.3 多帧融合中的关键参数

  • 曝光时间（SENSOR_EXPOSURE_TIME）：控制每帧的曝光时长，HDR 多帧融合通常需要不同曝光时间的帧序列。
  • 感光度（SENSOR_SENSITIVITY）：ISO 值，影响图像亮度和噪声水平。
  • 帧持续时间（SENSOR_FRAME_DURATION）：控制帧间隔，影响连拍速度。
  • AE 模式（CONTROL_AE_MODE）：设置为 OFF 以手动控制曝光参数。
CaptureRequest 构建与参数配置 createCaptureRequest() CaptureRequest.Builder CaptureRequest Builder 可配置参数（部分） • CONTROL_AE_EXPOSURE_COMPENSATION：曝光补偿 • SENSOR_SENSITIVITY：ISO 感光度 • SENSOR_EXPOSURE_TIME：曝光时间（纳秒） • CONTROL_AF_MODE：对焦模式 • addTarget(Surface)：添加输出目标

3.4 CaptureSession：捕获会话管理

CaptureSession 是 Camera2 管道中的核心执行单元。它负责接收 CaptureRequest，驱动 CameraDevice 输出图像数据到指定的 Surface。一个 CameraDevice 一次只能有一个活跃的 CaptureSession。

3.4.1 创建会话

通过 CameraDevice.createCaptureSession(SessionConfiguration config) 创建。SessionConfiguration 包含：

  • 输出配置（OutputConfiguration）：定义输出 Surface 及其格式、尺寸。
  • 会话回调（CameraCaptureSession.StateCallback）：监听会话状态变化。
  • 执行器（Executor）：回调执行的线程池。

3.4.2 捕获模式

方法 描述 适用场景
capture(CaptureRequest request, CaptureCallback callback, Handler handler) 单次捕获，返回一帧图像 普通拍照
captureBurst(List<CaptureRequest> requests, CaptureCallback callback, Handler handler) 批量捕获，按顺序返回多帧图像 多帧融合、HDR 连拍
setRepeatingRequest(CaptureRequest request, CaptureCallback callback, Handler handler) 持续重复捕获，用于预览 取景器预览
setRepeatingBurst(List<CaptureRequest> requests, CaptureCallback callback, Handler handler) 持续重复批量捕获 高速连拍、视频录制

3.4.3 CaptureCallback 关键回调

  • onCaptureStarted(CaptureSession session, CaptureRequest request, long timestamp, long frameNumber)：捕获开始，可用于同步 UI。
  • onCaptureProgressed(CaptureSession session, CaptureRequest request, CaptureResult partialResult)：部分结果可用（如 AE 状态）。
  • onCaptureCompleted(CaptureSession session, CaptureRequest request, TotalCaptureResult result)：捕获完成，包含完整的元数据。
  • onCaptureFailed(CaptureSession session, CaptureRequest request, CaptureFailure failure)：捕获失败，需处理错误。
多帧融合关键：使用 captureBurst() 发送一组不同曝光参数的 CaptureRequest，在 onCaptureCompleted() 中收集所有帧的 TotalCaptureResult 和 Image，然后传递给融合算法。注意帧顺序与请求顺序一致。
Camera2 四大核心组件协作架构 CameraManager 系统入口 CameraDevice 硬件抽象 CaptureRequest 参数配置 CaptureSession 执行引擎 协作流程 CameraManager 打开 CameraDevice → CameraDevice 创建 CaptureRequest.Builder → CameraDevice 创建 CaptureSession → CaptureSession 接收 CaptureRequest 并输出图像

3.5 组件协作流程示例

以下代码片段展示了四大组件如何协同完成一次 HDR 多帧捕获：

// 1. 获取 CameraManager
CameraManager manager = (CameraManager) getSystemService(Context.CAMERA_SERVICE);

// 2. 打开相机
manager.openCamera(cameraId, new CameraDevice.StateCallback() {
    @Override
    public void onOpened(@NonNull CameraDevice camera) {
        // 3. 创建 CaptureRequest.Builder（使用手动模板）
        CaptureRequest.Builder builder = camera.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_MANUAL);
        builder.addTarget(outputSurface);

        // 4. 构建多帧请求列表（不同曝光）
        List<CaptureRequest> requestList = new ArrayList<>();
        for (int exp : new int[]{-3, 0, 3}) {
            builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE_OFF);
            builder.set(CaptureRequest.SENSOR_EXPOSURE_TIME, expTimeBase * (long) Math.pow(2, exp));
            requestList.add(builder.build());
        }

        // 5. 创建 CaptureSession
        camera.createCaptureSession(new SessionConfiguration(
            SessionConfiguration.SESSION_REGULAR,
            Arrays.asList(new OutputConfiguration(outputSurface)),
            new CameraCaptureSession.StateCallback() {
                @Override
                public void onConfigured(@NonNull CameraCaptureSession session) {
                    // 6. 发送 burst 请求
                    session.captureBurst(requestList, new CameraCaptureSession.CaptureCallback() {
                        @Override
                        public void onCaptureCompleted(@NonNull CameraCaptureSession session,
                                @NonNull CaptureRequest request, @NonNull TotalCaptureResult result) {
                            // 7. 收集帧数据，传递给融合算法
                            processFrame(result);
                        }
                    }, backgroundHandler);
                }
            }, backgroundHandler
        ));
    }
}, backgroundHandler);
调试建议：在开发多帧融合功能时，务必在 onCaptureFailed() 中打印 CaptureFailure.getReason()，常见原因包括：帧超时、Surface 已释放、硬件资源不足。这些信息对定位问题至关重要。

3.6 本章小结

  • CameraManager 是系统入口，负责枚举和打开相机设备。
  • CameraDevice 代表相机硬件，提供创建请求和会话的方法。
  • CaptureRequest 封装了每次捕获的参数，支持手动控制曝光、ISO 等关键参数。
  • CaptureSession 是执行引擎，通过 captureBurst() 实现多帧序列捕获，是多帧融合的核心机制。
  • 四大组件通过异步回调协作，开发者需正确处理状态转换和错误恢复。
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