2. Android Camera2 框架基础：核心组件详解

在实现 HDR 多帧融合之前，必须深入理解 Camera2 框架的四大核心组件：CameraManager、CameraDevice、CaptureSession 和 CaptureRequest。它们构成了从设备发现、打开、会话建立到单次捕获请求的完整链路。HDR 的多帧曝光序列正是通过精确控制这些组件的协作来完成的。

2.1 组件全景与职责划分

下表总结了四个核心组件在 Camera2 框架中的角色与关键职责：

2.2 CameraManager：相机系统的入口

CameraManager 是应用与相机硬件之间的第一个接触点。它负责系统级相机设备的发现与特性查询。

• 获取实例：通过 context.getSystemService(Context.CAMERA_SERVICE) 获得。
• 枚举相机：getCameraIdList() 返回所有可用相机 ID。
• 查询特性：getCameraCharacteristics(cameraId) 返回 CameraCharacteristics 对象，包含传感器尺寸、像素大小、AE 补偿范围、是否支持 HDR 等关键信息。
• 打开相机：openCamera(cameraId, stateCallback, handler) 异步打开指定相机。

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

// 查询相机特性，判断是否支持 HDR
CameraCharacteristics characteristics = manager.getCameraCharacteristics(cameraId);
int[] availableModes = characteristics.get(
    CameraCharacteristics.CONTROL_AVAILABLE_MODES);
boolean supportsHdr = false;
for (int mode : availableModes) {
    if (mode == CameraMetadata.CONTROL_MODE_USE_SCENE_MODE) {
        // 进一步检查场景模式是否包含 HDR
        int[] sceneModes = characteristics.get(
            CameraCharacteristics.CONTROL_AVAILABLE_SCENE_MODES);
        for (int scene : sceneModes) {
            if (scene == CameraMetadata.CONTROL_SCENE_MODE_HDR) {
                supportsHdr = true;
                break;
            }
        }
    }
}

2.3 CameraDevice：相机硬件抽象

CameraDevice 代表一个打开的相机设备。它是创建捕获会话和配置输出流的唯一入口。

• 状态回调：CameraDevice.StateCallback 监听设备打开、断开、错误等状态。
• 创建会话：createCaptureSession(sessionConfig, callback, handler) 创建捕获会话。
• 输出配置：通过 SessionConfiguration 或 createCaptureRequest 配置输出 Surface（如 TextureView、ImageReader）。

// 打开相机
manager.openCamera(cameraId, new CameraDevice.StateCallback() {
    @Override
    public void onOpened(@NonNull CameraDevice camera) {
        // 保存 CameraDevice 实例
        cameraDevice = camera;
        // 创建捕获会话
        createCaptureSession();
    }

    @Override
    public void onDisconnected(@NonNull CameraDevice camera) {
        camera.close();
    }

    @Override
    public void onError(@NonNull CameraDevice camera, int error) {
        camera.close();
    }
}, backgroundHandler);

2.4 CaptureSession：捕获会话与管道管理

CaptureSession 是 Camera2 框架中最核心的运行时组件。它管理着从应用发送 CaptureRequest 到硬件处理并返回结果的全过程。

• 请求提交：capture(request, callback, handler) 提交单次捕获；setRepeatingRequest(request, callback, handler) 提交重复捕获。
• 结果回调：CameraCaptureSession.CaptureCallback 提供 onCaptureStarted、onCaptureProgressed、onCaptureCompleted 等回调。
• 会话关闭：close() 释放会话资源。

// 创建捕获会话
List<Surface> outputSurfaces = Arrays.asList(imageReader.getSurface(), textureView.getSurface());
cameraDevice.createCaptureSession(outputSurfaces, 
    new CameraCaptureSession.StateCallback() {
        @Override
        public void onConfigured(@NonNull CameraCaptureSession session) {
            captureSession = session;
            // 会话就绪，可以发送请求
            startHdrCapture();
        }

        @Override
        public void onConfigureFailed(@NonNull CameraCaptureSession session) {
            // 处理配置失败
        }
    }, backgroundHandler);

2.5 CaptureRequest：精确控制每一帧

CaptureRequest 是 Camera2 框架中粒度最小的控制单元。它定义了单次捕获所需的所有参数，包括曝光、对焦、白平衡、输出目标等。

• 创建：通过 cameraDevice.createCaptureRequest(templateType) 创建，模板类型包括 TEMPLATE_PREVIEW、TEMPLATE_STILL_CAPTURE、TEMPLATE_MANUAL 等。
• 参数设置：通过 builder.set(key, value) 设置各种控制参数。
• 输出目标：通过 builder.addTarget(surface) 指定输出 Surface。
• 构建：builder.build() 生成不可变的 CaptureRequest 对象。

// 创建 HDR 多帧请求序列
CaptureRequest.Builder builder = cameraDevice.createCaptureRequest(
    CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE);

// 设置输出目标
builder.addTarget(imageReader.getSurface());

// 创建三个不同曝光的请求
// 欠曝帧：-2 EV
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AE_EXPOSURE_COMPENSATION, -6);
CaptureRequest underexposed = builder.build();

// 正常帧：0 EV
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AE_EXPOSURE_COMPENSATION, 0);
CaptureRequest normal = builder.build();

// 过曝帧：+2 EV
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AE_EXPOSURE_COMPENSATION, 6);
CaptureRequest overexposed = builder.build();

// 依次提交三个请求
captureSession.capture(underexposed, captureCallback, backgroundHandler);
captureSession.capture(normal, captureCallback, backgroundHandler);
captureSession.capture(overexposed, captureCallback, backgroundHandler);

2.6 核心组件协作流程（SVG 架构图）

下图展示了 Camera2 框架四大核心组件在 HDR 多帧捕获场景下的完整协作流程：

2.7 组件生命周期与 HDR 调度时序

在 HDR 多帧捕获中，组件的生命周期管理直接影响融合质量。以下是推荐的调度时序：

1. 初始化阶段：通过 CameraManager 查询设备能力，确认支持 HDR 或手动曝光补偿。
2. 打开设备：异步打开 CameraDevice，在 onOpened 回调中创建 CaptureSession。
3. 会话就绪：在 onConfigured 回调中构建 HDR 请求序列。
4. 捕获阶段：连续提交 3 个不同曝光的 CaptureRequest，确保帧间间隔最小化。
5. 结果处理：在 onCaptureCompleted 回调中收集每一帧的 Image 数据。
6. 融合输出：所有帧就绪后，执行多帧融合算法生成 HDR 结果。
7. 资源释放：关闭 CaptureSession 和 CameraDevice。

2.8 核心组件 API 速查表