基于Android平臺(tái)的智能手持終端Camera模組驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與研究

王憲臻，王志剛，牛寶超

（河北工業(yè)大學(xué) 天津 300401）

隨著芯片集成和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，智能手持設(shè)備越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。搭載著操作系統(tǒng)的智能手機(jī)更是集合了高端處理器芯片、嵌入式操作系統(tǒng)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等前沿科技。主流高端嵌入式芯片無(wú)論是ARM架構(gòu)還是intel新推出的medfield，都在朝著SoC單片高集成、多核、低功耗發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)也足漸形成symbian、android、windows phone、iOS分足鼎立。Camera作為智能手機(jī)的重要應(yīng)用，作為多媒體數(shù)據(jù)的獲取和處理的樞紐，功能日趨復(fù)雜化。文中通過(guò)分析android平臺(tái)下Camera模組的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，深入介紹了android camera模塊的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

1 Android Camera架構(gòu)分析

Android camera架構(gòu)主要基于android系統(tǒng)本身的層次結(jié)構(gòu)，主要由應(yīng)用程序?qū)?（CameraApp）、應(yīng)用程序框架層（CameraService）、 硬件抽象層 （CameraHal）、 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)層（CameraDriver）組成[1-3]。Android發(fā)布版的 Camera程序架構(gòu)分成客戶端和服務(wù)端兩個(gè)部分，建立在Android的進(jìn)程間通訊Binder的結(jié)構(gòu)上。運(yùn)行時(shí)環(huán)境是Camera應(yīng)用層通過(guò)JNI的本地調(diào)用部分。它通過(guò)google提供的 java虛擬機(jī) dalvik使應(yīng)用層的 java代碼可以與C++語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼進(jìn)行交互。Camera底層庫(kù)是Camera功能中實(shí)現(xiàn) Binder機(jī)制的接口類，對(duì)上層 Camera.apk提供接口，具體功能由其子類實(shí)現(xiàn)，在Camera模塊中是 libCameraservice.so。而真正CameraClient的功能實(shí)現(xiàn)是硬件抽象層庫(kù)Libcaemra.so通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Camera具體層次架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Andoird系統(tǒng)camera架構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the camera on android system

2 V4L2視頻采集驅(qū)動(dòng)接口

Camera的硬件抽象層遵循V4L2接口系列規(guī)范，通過(guò)V4L2接口完成Camera的各項(xiàng)功能。V4L2是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，是Alan CoX為了給Linux下視頻采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)提供同一的接口而提出的一套規(guī)范（API）[4-6]。用于管理所有視頻采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口使得軟件能夠較容易的訪問(wèn)這些設(shè)備，給驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)者提供了極大的方便。在手持終端的視頻采集模塊中得到了廣泛的應(yīng)用。

V4L2驅(qū)動(dòng)框架的主要作用是對(duì)視頻數(shù)據(jù)的時(shí)序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)存管理，并不直接和硬件打交道，控制硬件和獲得視頻數(shù)據(jù)需要借助I2C、PCI等驅(qū)動(dòng)來(lái)完成[7-8]。它是一個(gè)雙層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，上層為video device模塊，是注冊(cè)了設(shè)備功能函數(shù)的字符設(shè)備。下層為V4L2驅(qū)動(dòng)，利用video_register_device（）注冊(cè)V4L2驅(qū)動(dòng)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/video，在open函數(shù)打開(kāi)/dev/video后，對(duì)應(yīng)的對(duì)設(shè)備文件的操作則實(shí)際替換成由v4l2_ioctl_ops結(jié)構(gòu)定義的各種V4L2的接口來(lái)完成。V4L2視頻采集流程如圖2所示。

圖2 V4L2視頻采集流程圖Fig.2 Flow chart of V4L2 video capture

3 Camera ISP驅(qū)動(dòng)和sensor驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本模塊完成了智能手持設(shè)備的雙sensor支持，包括帶有ISP的前置RAW sensor和 簡(jiǎn)單采集功能的后置SoC sensor.camera驅(qū)動(dòng)的主要功能封裝在ISP驅(qū)動(dòng)中，ISP驅(qū)動(dòng)向上層提供V4L2的調(diào)用接口，實(shí)際sensor作為v4l2_subdev，由ISP驅(qū)動(dòng)的v4l2_subdev_call接口與實(shí)際sensor驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[9-10]。ISP掛接在PCI總線上，兩個(gè)sensor掛接在I2C總線上。

ISP驅(qū)動(dòng)的核心結(jié)構(gòu)體為isp_device，它封裝了諸如pci_dev、device、v4l2_device、isp_sub_device 等重要的結(jié)構(gòu)體。其中isp_sub_device映射的是sensor， 因?yàn)閟ensor是以v4l2_sub_device的方式完成與ISP進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的交互的。ISP驅(qū)動(dòng)中通過(guò)自動(dòng)探測(cè)函數(shù)pci_register_driver（）將完成了初始化的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核。在probe函數(shù)中不僅需要有利用pci_enable_device（）啟用設(shè)備等PCI驅(qū)動(dòng)的基本操作，還包括兩個(gè)重要的操作就是isp_initialize_modules和isp_register_entities。在這兩個(gè)函數(shù)中，完成對(duì)從作為v4l2_device的ISP設(shè)備到作為 v4l2_sub_device的 sensor的一系列的初始化。從而既實(shí)現(xiàn)了對(duì)上層V4L2接口的銜接，又可以利用V4L2規(guī)范中的sub_dev_call完成與sensor的交互。

Sensor驅(qū)動(dòng)的核心結(jié)構(gòu)體為sensor_device，它封裝了v4l2_sub_dev結(jié)構(gòu)體。用于實(shí)現(xiàn)與ISP的交互。在sensor驅(qū)動(dòng)中通過(guò)i2c_register_driver（）完成i2c_driver的注冊(cè)，并在probe函數(shù)中利用v4l2_i2c_subdev_init完成從 i2c_client到v4l2_sub_dev的映射。并通過(guò)v4l2_subdev_ops定義了相應(yīng)的操作。實(shí)現(xiàn)作為i2c設(shè)備的sensor通過(guò)sub_dev_call與上層驅(qū)動(dòng)交互的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)Android系統(tǒng)下的Camera模塊的架構(gòu)和模組的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析，結(jié)合被手持設(shè)備廣泛應(yīng)用的V4L2視頻采集接口規(guī)范給出了完整的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，并介紹了分別基于PCI總線和I2C總線的Camera模組中的ISP驅(qū)動(dòng)和sensor驅(qū)動(dòng)，對(duì)于多媒體視頻采集需求場(chǎng)合中，視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)或者其他相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)有著一定的參考價(jià)值。

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