1. HAL3 架构概述：从设计理念到 Pipeline 模型

Android Camera HAL3 是 Android 5.0（Lollipop）引入的相机硬件抽象层架构，其设计目标是为现代移动摄影提供高吞吐、低延迟、多帧并行的硬件控制能力。与 HAL1 的“黑盒”模型不同，HAL3 将相机传感器和 ISP 的每个处理阶段暴露给框架，使 Camera Service 能够以逐帧粒度编排请求和结果。

1.1 设计理念：从“黑盒”到“可编程管线”

HAL3 的核心设计理念可概括为三个关键词：

• 逐帧控制（Per-frame Control）：每一帧的曝光、增益、白平衡、对焦、输出格式等参数均可独立设置，不再依赖全局状态机。
• 多输出流（Multi-stream）：同一帧可以同时输出不同分辨率、不同格式的多个图像流（如预览、拍照、视频、YUV 分析流），由 ISP 硬件并行处理。
• 请求-结果模型（Request-Result Model）：应用层提交 CaptureRequest，HAL 返回 CaptureResult，形成严格的异步流水线。

1.2 HAL1 与 HAL3 核心区别对比

1.3 Pipeline 模型介绍

HAL3 的 Pipeline 模型将相机处理流程拆解为多个逻辑阶段（Stage），每个阶段负责一个独立的图像处理或控制任务。框架通过 CaptureRequest 携带的 android.* 元数据，精确控制每个阶段的行为。

典型的 HAL3 Pipeline 包含以下核心阶段：

1. Sensor Stage：控制曝光时间、模拟/数字增益、帧间隔、像素合并（Binning）。
2. ISP Stage：执行黑电平校正、去马赛克、白平衡、颜色校正、Gamma 映射。
3. Post-Processing Stage：包括降噪、锐化、HDR 合成、多帧融合。
4. Output Stage：将处理后的图像裁剪、缩放、格式转换，输出到各目标流（Surface）。
5. Metadata Stage：收集各阶段的实际参数和统计信息，打包为 CaptureResult 返回。

1.4 请求-结果循环与 Pipeline 深度

HAL3 的 Pipeline 支持多帧并发（In-flight Requests）。框架可以连续提交多个 Request，HAL 内部以流水线方式并行处理。Pipeline 深度（即最大并发帧数）由硬件能力和 HAL 实现共同决定，通常为 2~6 帧。

以下代码片段展示了 HAL3 中 Pipeline 处理一个 Request 的核心流程（简化伪代码）：

// HAL3 Pipeline 单帧处理流程（伪代码）
status_t processCaptureRequest(const CaptureRequest& request) {
    // 1. 解析 Request 中的元数据
    int64_t exposureTime = request.metadata.get(ANDROID_SENSOR_EXPOSURE_TIME);
    int32_t sensitivity = request.metadata.get(ANDROID_SENSOR_SENSITIVITY);

    // 2. 配置 Sensor 阶段
    sensorDriver->setExposure(exposureTime);
    sensorDriver->setGain(sensitivity);

    // 3. 触发 Sensor 曝光并读取 RAW 数据
    buffer_handle_t rawBuffer = sensorDriver->capture();

    // 4. ISP 阶段处理
    buffer_handle_t yuvBuffer = ispDriver->process(rawBuffer, request.metadata);

    // 5. 后处理（降噪/锐化/HDR）
    buffer_handle_t finalBuffer = postProcessor->process(yuvBuffer, request.metadata);

    // 6. 输出到目标 Surface
    for (auto& output : request.outputs) {
        output.surface->queueBuffer(finalBuffer);
    }

    // 7. 收集元数据并返回 Result
    CaptureResult result;
    result.metadata.set(ANDROID_SENSOR_TIMESTAMP, sensorDriver->getTimestamp());
    result.metadata.set(ANDROID_CONTROL_AE_STATE, aeState);
    notify(result);
    return OK;
}

1.5 小结：HAL3 架构适配的关键认知

• Request-Result 是核心契约：HAL 必须为每个 Request 返回一个 Result，不允许丢帧或乱序。
• Pipeline 阶段可裁剪：低端平台可以合并 ISP 和 Post-Processing 阶段，但必须保持接口语义一致。
• 元数据是“胶水”：所有阶段之间的参数传递和状态同步都通过 android.* 元数据完成，不要依赖全局变量。
• 多流输出是性能瓶颈：移植初期先保证单流稳定，再逐步增加并发流数。