1. HAL3 架构概述

1.1 Android Camera HAL3 整体架构

Android Camera HAL3（Hardware Abstraction Layer 3）是 Android 系统从 5.0（Lollipop）开始引入的新一代相机硬件抽象层架构。与 HAL1 的“黑盒”设计不同，HAL3 采用流水线式（Pipeline）设计，将相机传感器、ISP（图像信号处理器）和算法模块抽象为可精细控制的逻辑单元，使上层应用能够以逐帧（Per-frame）粒度控制曝光、增益、对焦、白平衡等参数，并获取每帧的元数据（Metadata）。

HAL3 架构的核心设计目标包括：

• 逐帧控制（Per-frame Control）：每一帧的 CaptureRequest 独立指定参数，互不干扰。
• 同步元数据（Synchronized Metadata）：每帧的 CaptureResult 携带完整的传感器/ISP 状态快照。
• 高吞吐与低延迟：支持 ZSL（零快门延迟）、HDR、多帧融合等高级特性。
• CTS 可验证性：通过 android.hardware.camera2.cts 测试套件验证实现正确性。

1.2 核心组件详解

HAL3 架构由四个核心组件构成，它们共同定义了相机应用的编程模型：

1.2.1 CameraDevice

CameraDevice 是相机硬件的逻辑表示。应用通过 CameraManager.openCamera() 获取 CameraDevice 实例。它负责：

• 查询相机特性（CameraCharacteristics），如传感器尺寸、支持的分辨率、AE/AF/AWB 模式。
• 创建 CameraCaptureSession，绑定输出 Surface（如 PreviewSurface、ImageReader）。
• 管理设备状态：STATE_OPENED → STATE_ACTIVE → STATE_CLOSED。

1.2.2 CameraCaptureSession

CameraCaptureSession 是请求-结果循环的核心容器。它维护一个请求队列，按顺序将 CaptureRequest 发送到 HAL 层，并将返回的 CaptureResult 分发给回调。关键特性：

• 单次请求（Capture）：发送单个请求，适用于拍照。
• 重复请求（Repeating Request）：持续发送相同请求，适用于预览。
• 输出 Surface 配置：Session 创建时需指定所有输出 Surface，运行时不可更改。

1.2.3 CaptureRequest

CaptureRequest 是 HAL3 逐帧控制的“指令单”。每个 CaptureRequest 包含：

• 目标 Surface 列表：指定帧数据输出到哪些 Surface。
• 控制参数（Metadata）：如 CONTROL_AE_MODE、SENSOR_EXPOSURE_TIME、LENS_FOCUS_DISTANCE 等。
• 标签（Tag）：用于在回调中识别请求。

HAL3 要求每个 CaptureRequest 必须包含完整的控制参数集合，即使某些参数与上一帧相同。这保证了每帧的独立性。

1.2.4 CaptureResult

CaptureResult 是 HAL3 返回的“状态快照”。它包含：

• 传感器元数据：实际使用的曝光时间、增益、帧持续时间。
• 3A 状态：AE/AF/AWB 的锁定状态、收敛状态。
• 统计信息：如直方图、人脸检测结果、场景模式。
• 物理相机元数据（多摄场景）：每个物理相机的独立状态。

1.3 架构设计要点总结

HAL3 架构的设计哲学可以概括为以下要点：

1. 显式控制优于隐式行为：所有控制参数必须在 CaptureRequest 中显式设置，HAL 层不做“智能猜测”。
2. 每帧独立性：每一帧的 CaptureRequest 和 CaptureResult 都是独立的，不依赖前后帧状态（除部分 3A 状态外）。
3. 元数据驱动：CameraCharacteristics 定义了设备能力边界，CaptureResult 提供了每帧的精确状态，两者共同构成 HAL3 的“契约”。
4. 流水线并行：HAL3 支持多请求流水线处理，允许应用在等待上一帧结果的同时发送下一帧请求，提升吞吐量。