Android 中的拍照请求调度机制（CaptureRequest Flow）

Android 中的拍照请求调度机制（CaptureRequest Flow）

关键词：CaptureRequest、CameraCaptureSession、RequestQueue、RepeatingRequest、Burst、帧控制、拍照调度、拍照流、Camera2

摘要：
在 Android Camera2 架构中，CaptureRequest 是拍照与图像控制的核心载体。其调度过程从开发者提交请求，到 HAL 层实际执行，再到回传图像与 Metadata 的全链路流程，构成了 Android 拍照系统的底层执行基础。本篇文章将以工程实战为导向，深入剖析 CaptureRequest 的调度路径、请求队列机制、帧控制策略与拍照流程优化方法，帮助开发者理解拍照任务的生命周期管理与性能调优关键点，适配多 UseCase 与平台差异的实战需求。

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目录

1. 请求发起全流程概览：从 setRepeatingRequest 到帧开始传输

   • CameraDevice 与 CameraCaptureSession 的协作流程
   • 单次 vs 重复请求的处理路径
   • Preview 与 Capture 的并发调度机制

2. CaptureRequest 的构造与参数绑定策略

   • 曝光、对焦、白平衡等核心控制字段配置
   • Tag、Template 类型的作用与使用技巧
   • 实战构建流程：从 Builder 到 Request 的状态管理

3. 请求队列机制详解：RequestQueue 的内部结构与执行顺序

   • 请求缓存策略与 Pipeline 的最大容量限制
   • 请求覆盖、清空、暂停的触发条件分析
   • 使用 capture() vs setRepeatingRequest() 的队列影响

4. 拍照流程中 Repeating Request 的插队逻辑

   • 拍照中断预览的调度流程解析
   • stopRepeating() 的使用时机与线程同步建议
   • 拍照完成后恢复预览的 Session 重建策略

5. Burst 拍照支持与多请求同步调度机制

   • captureBurst() 提交多帧请求的条件限制
   • 多帧连续拍照的帧间隔控制技巧
   • 高速连拍场景下的性能瓶颈与缓冲区回收策略

6. Request 状态反馈机制：从提交到 onCaptureCompleted 的映射链

   • 如何监听请求提交、开始、完成、失败等状态
   • 多 UseCase 下的 RequestID → FrameNumber 映射跟踪方法
   • 同步与异步回调流程分析

7. 请求调度中的性能优化路径与错误排查技巧

   • 减少无效请求重复提交的判断逻辑
   • 拍照卡顿与帧等待分析：HAL、ISP、内存瓶颈定位方法
   • Request 排查常用日志与调试策略分享

8. 多平台行为差异与兼容性适配策略

   • MTK/QTI/Exynos 平台对 Request 排队机制的处理差异
   • ZSL 与非 ZSL 模式下的拍照请求组合推荐
   • 构建平台通用 RequestController 模块的建议与结构示例

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一、请求发起全流程概览：从 setRepeatingRequest 到帧开始传输

在 Android Camera2 架构中，所有拍照行为的本质都是通过 CaptureRequest 对相机硬件发出控制指令。这一请求从应用层构建，通过 CameraCaptureSession 提交，最终经由 HAL 被下发到 ISP 和 Sensor，完成图像采集与传输。理解从 setRepeatingRequest() 到第一帧输出之间的执行链路，是进行多 UseCase 管理与拍照性能调优的基础。

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1. CameraDevice 与 CameraCaptureSession 的协作流程

Camera2 架构下，CameraDevice 代表的是相机设备本身，它负责连接 HAL 层与上层的 API 接口。而 CameraCaptureSession 则是围绕某一组 Surface 所建立的图像采集会话，它将多个 CaptureRequest 编排到一个连续的流中，控制图像如何输出到 Preview、ImageReader 或 MediaRecorder 等目标。

创建流程简要回顾：

cameraDevice.createCaptureSession(
    Arrays.asList(previewSurface, imageReaderSurface),
    new StateCallback() {
    ... },
    handler);

会话建立成功后，所有图像请求必须通过该 Session 的 capture() 或 setRepeatingRequest() 提交，才能进入底层传输流程。

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2. 单次 vs 重复请求的处理路径

• setRepeatingRequest()：用于持续输出图像流，常用于 Preview、实时分析等场景。底层会生成一个持久请求链（Request Queue 中的 repeating slot），直到明确调用 stopRepeating() 清除。
• capture()：执行一次性请求，常用于拍照、自动对焦锁定、曝光测量等一次性动作。会在当前请求队列中插入一帧或多帧的请求，执行完毕后自动清除。

系统内部将两类请求分别管理，在调度层（例如 Camera3Device）中将 repeating 与 non-repeating 分离处理，并确保一次性请求可以插队执行，再在合适时间点恢复 repeatingRequest。

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3. Preview 与 Capture 的并发调度机制

Android 设备通常支持至少两路并发输出流，Preview 是最典型的连续输出 UseCase，而 Capture（ImageCapture）是触发式输出：

• Preview：通过 setRepeatingRequest() 长时间输出
• Capture：调用 capture() 中断或共享输出流资源

调度流程：

1. Preview 设置为 repeating request，不断输出图像到 Preview Surface。
2. 用户点击快门，构建一个新的 CaptureRequest，加入 JPEG 输出 Surface，调用 capture()。
3. 系统将 repeatingRequest 暂停，将新的 CaptureRequest 插入队列。
4. 拍照完成后，系统自动恢复 repeatingRequest，继续 Preview 流。

这种行为在 Camera3OutputStreamInterface 层被精准调度，确保前后台切换、快门响应与帧数据输出同步进行。

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通过以上流程的理解，开发者可以掌握在不同场景中如何精确控制请求顺序、保持图像流稳定，并针对平台兼容性设计更加稳健的拍照路径管理逻辑。

二、CaptureRequest 的构造与参数绑定策略

CaptureRequest 是 Android Camera2 架构中拍照行为的核心指令体，它封装了所有控制相机行为的参数配置，包括对焦模式、曝光时间、白平衡设置等。在实际开发中，正确理解其构造逻辑、配置字段与状态切换策略，是构建稳定拍照流程的关键。

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1. 曝光、对焦、白平衡等核心控制字段配置

CaptureRequest.Builder 提供了灵活的参数设置接口，开发者可以通过标准 Key 设置控制逻辑：

builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AF_MODE_CONTINUOUS_PICTURE);
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE_ON);
builder.set(CaptureRequest.CONTROL_AWB_MODE, CaptureRequest.CONTROL_AWB_MODE_AUTO);

核心字段分类：

• 自动控制类：CONTROL_MODE, CONTROL_AF_MODE, CONTROL_AE_MODE, CONTROL_AWB_MODE

• 手动控制类（当 CONTROL_MODE = OFF 时生效）：

  • 曝光时间：SENSOR_EXPOSURE_TIME
  • ISO 灵敏度：SENSOR_SENSITIVITY
  • 对焦距离：LENS_FOCUS_DISTANCE

• 特效与处理类：如 EDGE_MODE, NOISE_REDUCTION_MODE, COLOR_CORRECTION_MODE

这些参数可组合设置，形成复杂但可控的拍摄行为。需要特别注意参数之间的依赖关系（如 CONTROL_MODE = OFF 时 AE/AF/AWB 会被忽略）。

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2. Tag、Template 类型的作用与使用技巧

• Template 类型：构建 Builder 时必须指定模板，如：

CaptureRequest.Builder builder = cameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE);

系统预设了 5 种模板，对应不同拍摄场景：

模板	用途
TEMPLATE_PREVIEW	实时预览
TEMPLATE_STILL_CAPTURE	静态拍照
TEMPLATE_RECORD	视频录制
TEMPLATE_VIDEO_SNAPSHOT	视频中抓拍
TEMPLATE_MANUAL	全手动控制

模板决定了初始参数的默认配置，建议开发者在其基础上进行增量修改，避免配置不完整导致的 HAL 拒绝。

• Tag：用于标记请求，在回调中便于识别：

builder.setTag("capture-request-01");

在 CaptureCallback.onCaptureCompleted() 中可以获取对应请求：

request.getTag(); // 获取自定义 Tag

适用于业务标记、调试识别、状态跟踪等场景。

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3. 实战构建流程：从 Builder 到 Request 的状态管理

典型拍照流程：

1. 创建 Builder：

CaptureRequest.Builder builder = cameraDevice.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE);

2. 设置参数与 Surface：

builder.addTarget(imageReader