3. Camera HAL3 核心架构

Android Camera HAL3（即 Camera3 HAL）是 Android 从 Lollipop 开始引入的新一代相机硬件抽象层。与 HAL1 的“黑盒”设计不同，HAL3 将相机子系统拆解为多个可组合的构建块，赋予框架对 ISP 流水线的精细控制权。本章深入剖析 HAL3 的四大核心支柱：Pipeline 模型、Capture Request 与 Result、Stream 与 Buffer 管理、Metadata 系统。

3.1 Pipeline 模型：从 Request 到 Frame 的流水线

HAL3 的核心是一个异步流水线模型。应用层提交一个 Capture Request，HAL 驱动将其解析并送入内部处理管线，最终产出一个 Capture Result。整个过程是流水线化的，允许同时有多个 Request 在不同阶段被处理，从而最大化帧率。

3.2 Capture Request 与 Result

HAL3 的每一次拍照或预览都由一个 Capture Request 发起，对应一个 Capture Result 返回。这种“请求-响应”模式是 HAL3 控制相机行为的唯一途径。

3.2.1 Capture Request 结构

一个 Request 包含以下核心信息：

3.2.2 Capture Result 结构

Result 是 Request 的完成反馈，包含：

• metadata：实际使用的 3A 参数、传感器时间戳、统计信息等。
• outputBuffers：填充完成的图像 buffer，每个 buffer 关联一个 stream。
• inputBuffer：reprocess 请求的输入 buffer（已释放）。
• partialResult：部分结果，用于提前通知框架某些 metadata 已就绪。

3.3 Stream 与 Buffer 管理

Stream 定义了图像数据的去向和格式。Buffer 则是承载图像数据的实际内存块。HAL3 要求驱动实现高效的 Buffer 管理，避免内存拷贝和抖动。

3.3.1 Stream 配置

Stream 在 CameraDevice 创建时通过 configureStreams() 配置，包含以下属性：

3.3.2 Buffer 生命周期

Buffer 在 HAL 与 Framework 之间流转，遵循以下状态机：

1. Framework 注册：通过 registerBuffer() 将 buffer 句柄交给 HAL。
2. HAL 锁定：HAL 调用 lockBuffer() 获取 CPU/GPU 访问权限。
3. HAL 填充：ISP 写入图像数据。
4. HAL 释放：HAL 调用 unlockBuffer() 并回调 processCaptureResult()。
5. Framework 消费：Framework 将 buffer 送显或编码。

3.4 Metadata 系统

Metadata 是 HAL3 的“控制面板”和“状态报告”。它使用静态标签（static metadata）描述硬件能力，使用动态标签（dynamic metadata）传递每一帧的控制参数和结果数据。

3.4.1 Metadata 分类

3.4.2 关键 Metadata 标签

以下标签是 HAL 驱动必须正确实现的：

• CONTROL_AE_MODE / CONTROL_AWB_MODE / CONTROL_AF_MODE：3A 控制核心。
• CONTROL_CAPTURE_INTENT：区分预览、拍照、视频录制等场景。
• ANDROID_SENSOR_EXPOSURE_TIME / SENSOR_SENSITIVITY：手动曝光控制。
• ANDROID_JPEG_QUALITY / JPEG_ORIENTATION：JPEG 编码参数。
• ANDROID_STATISTICS_FACE_DETECT_MODE：人脸检测开关。

3.4.3 Metadata 传递流程

Metadata 在 Framework 与 HAL 之间通过 CameraMetadata 对象传递。底层使用键值对序列化，支持 int32、float、int64、double、byte 及数组类型。HAL 驱动需要实现以下接口：

// 静态 metadata 填充（在 camera_info 中）
static const camera_metadata_t* get_static_metadata() {
    camera_metadata_t* meta = allocate_camera_metadata(ENTRY_COUNT, DATA_COUNT);
    // 填充 ANDROID_SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE
    int64_t range[] = {1000L, 300000000L}; // 1ms ~ 300ms
    add_camera_metadata_entry(meta,
        ANDROID_SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE,
        range, 2);
    // ... 其他静态标签
    return meta;
}

// 动态 metadata 处理（在 process_capture_request 中）
int process_capture_request(const camera3_capture_request_t* request) {
    camera_metadata_ro_entry_t entry;
    find_camera_metadata_ro_entry(request->settings,
        ANDROID_CONTROL_AE_MODE, &entry);
    uint8_t ae_mode = entry.data.u8[0];
    // 根据 ae_mode 配置硬件
    // ...
    return OK;
}

3.5 核心架构总结

HAL3 的四大核心组件相互配合，构成了一个高效、可扩展的相机驱动框架：