linux v4L2 初步框架

V4L2是V4L的升级版本，linux下视频设备程序提供了一套接口规范。

常用的结构体在内核目录include/linux/videodev2.h中定义

struct v4l2_requestbuffers //申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS

struct v4l2_capability //视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP

struct v4l2_input //视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT

struct v4l2_standard //视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD

struct v4l2_format //帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等

struct v4l2_buffer //驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF

struct v4l2_crop //视频信号矩形边框

v4l2_std_id //视频制式

V4L2采用流水线的方式，操作更简单直观，基本遵循打开视频设备、设置格式、处理数据、关闭设备，更多的具体操作通过ioctl函数来实现。

1.打开视频设备

在V4L2中，视频设备被看做一个文件。使用open函数打开这个设备：

// 用非阻塞模式打开摄像头设备

int cameraFd;

cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);

// 如果用阻塞模式打开摄像头设备，上述代码变为：

//cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR, 0);

应用程序能够使用阻塞模式或非阻塞模式打开视频设备，如果使用非阻塞模式调用视频设备，即使尚未捕获到信息，驱动依旧会把缓存（DQBUFF）里的东西返回给应用程序。

2. 设定属性及采集方式

打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，例如裁剪、缩放等。这一步是可选的。在Linux编程中，一般使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理：

int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, .../*args*/) ;

在进行V4L2开发中，常用的命令标志符如下(some are optional)：

• VIDIOC_REQBUFS：分配内存

• VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址

• VIDIOC_QUERYCAP：查询驱动功能

• VIDIOC_ENUM_FMT：获取当前驱动支持的视频格式

• VIDIOC_S_FMT：设置当前驱动的频捕获格式

• VIDIOC_G_FMT：读取当前驱动的频捕获格式

• VIDIOC_TRY_FMT：验证当前驱动的显示格式

• VIDIOC_CROPCAP：查询驱动的修剪能力

• VIDIOC_S_CROP：设置视频信号的边框

• VIDIOC_G_CROP：读取视频信号的边框

• VIDIOC_QBUF：把数据从缓存中读取出来

• VIDIOC_DQBUF：把数据放回缓存队列

• VIDIOC_STREAMON：开始视频显示函数

• VIDIOC_STREAMOFF：结束视频显示函数

• VIDIOC_QUERYSTD：检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。

2.1检查当前视频设备支持的标准

在亚洲，一般使用PAL（720X576）制式的摄像头，而欧洲一般使用NTSC（720X480），使用VIDIOC_QUERYSTD来检测：

v4l2_std_id std;

do {

ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYSTD, &std);

} while (ret == -1 && errno == EAGAIN);

switch (std) {

case V4L2_STD_NTSC:

//……

case V4L2_STD_PAL:

//……

}

2.2 设置视频捕获格式

当检测完视频设备支持的标准后，还需要设定视频捕获格式，结构如下：

struct v4l2_format fmt;

memset ( &fmt, 0, sizeof(fmt) );

fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

fmt.fmt.pix.width = 720;

fmt.fmt.pix.height = 576;

fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;

fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;

if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) == -1) {

return -1;

}

v4l2_format结构如下：

struct v4l2_format {

enum v4l2_buf_type type; //数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

union

{

struct v4l2_pix_format pix;

struct v4l2_window win;

struct v4l2_vbi_format vbi;

__u8 raw_data[200];

} fmt;

};

struct v4l2_pix_format {

__u32 width; // 宽，必须是16的倍数

__u32 height; // 高，必须是16的倍数

__u32 pixelformat; // 视频数据存储类型，例如是YUV4：2：2还是RGB

enum v4l2_field field;

__u32 bytesperline;

__u32 sizeimage;

enum v4l2_colorspace colorspace;

__u32 priv;

};

2.3 分配内存

接下来可以为视频捕获分配内存：

struct v4l2_requestbuffers req;

req.count = BUFFER_COUNT;

req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {

return -1;

}

v4l2_requestbuffers　结构如下：

struct v4l2_requestbuffers {

u32 count;//缓存数量,也就是说在缓存队列里保持多少张照片

enum v4l2_buf_type type; //数据流类型,必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

enum v4l2_memory memory;//V4L2_MEMORY_MMAP或V4L2_MEMORY_USERPTR

u32 reserved[2];

};

2.4 获取并记录缓存的物理空间

使用VIDIOC_REQBUFS，我们获取了req.count个缓存，下一步通过调用VIDIOC_QUERYBUF命令来获取这些缓存的地址，然后使用mmap函数转换成应用程序中的绝对地址，最后把这段缓存放入缓存队列：

typedef struct VideoBuffer {

void *start;

size_t length;

} VideoBuffer;

v4l2_buffer 结构如下：

struct v4l2_buffer {

__u32 index;

enum v4l2_buf_type type;

__u32 bytesused;

__u32 flags;

enum v4l2_field field;

struct timeval timestamp;

struct v4l2_timecode timecode;

__u32 sequence;

/* memory location */

enum v4l2_memory memory;

union {

__u32 offset;

unsigned long userptr;

} m;

__u32 length;

__u32 input;

__u32 reserved;

};

VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );

struct v4l2_buffer buf;

for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++)

{

memset( &buf, 0, sizeof(buf) );

buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

buf.index = numBufs;

// 读取缓存

if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {

return -1;

}

buffers[numBufs].length = buf.length;

// 转换成相对地址

buffers[numBufs].start = mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE,

MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);

if (buffers[numBufs].start == MAP_FAILED) {

return -1;

}

// 放入缓存队列

if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {

return -1;

}

}

2.5 视频采集方式

操作系统一般把系统使用的内存划分成用户空间和内核空间，分别由应用程序管理和操作系统管理。应用程序可以直接访问内存的地址，而内核空间存放的是供内核访问的代码和数据，用户不能直接访问。v4l2捕获的数据，最初是存放在内核空间的，这意味着用户不能直接访问该段内存，必须通过某些手段来转换地址。

一共有三种视频采集方式：使用read/write方式；内存映射方式和用户指针模式。

read、write方式，在用户空间和内核空间不断拷贝数据，占用了大量用户内存空间，效率不高。

内存映射方式：把设备里的内存映射到应用程序中的内存控件，直接处理设备内存，这是一种有效的方式。上面的mmap函数就是使用这种方式。

用户指针模式：内存片段由应用程序自己分配。这点需要在v4l2_requestbuffers里将memory字段设置成V4L2_MEMORY_USERPTR。

2.6 处理采集数据

V4L2有一个数据缓存，存放req.count数量的缓存数据。数据缓存采用FIFO的方式，当应用程序调用缓存数据时，缓存队列将最先采集到的视频数据缓存送出，并重新采集一张视频数据。这个过程需要用到两个ioctl命令,VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF：

struct v4l2_buffer buf;

memset(&buf,0,sizeof(buf));

buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;

buf.index=0;

//读取缓存

if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)

{

return -1;

}

//…………视频处理算法

//重新放入缓存队列

if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {

return -1;

}

3. 关闭视频设备

使用close函数关闭一个视频设备

close(cameraFd)

如果使用mmap,最后还需要使用munmap方法。

下面是damo程序（经过实际验证，修改了网上的例程的错误）

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <assert.h>

#include <getopt.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <errno.h>

#include <malloc.h>

#include <sys/stat.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/time.h>

#include <sys/mman.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <asm/types.h>

#include <linux/videodev2.h>

#define CAMERA_DEVICE "/dev/video0"

#define CAPTURE_FILE "frame.jpg"

#define VIDEO_WIDTH 640

#define VIDEO_HEIGHT 480

#define VIDEO_FORMAT V4L2_PIX_FMT_YUYV

#define BUFFER_COUNT 4

typedef struct VideoBuffer {

void *start;

size_t length;

} VideoBuffer;

int main()

{

int i, ret;

// 打开设备

int fd;

fd = open(CAMERA_DEVICE, O_RDWR, 0);

if (fd < 0) {

printf("Open %s failed\n", CAMERA_DEVICE);

return -1;

}

// 获取驱动信息

struct v4l2_capability cap;

ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);

if (ret < 0) {

printf("VIDIOC_QUERYCAP failed (%d)\n", ret);

return ret;

}

// Print capability infomations

printf("Capability Informations:\n");

printf(" driver: %s\n", cap.driver);

printf(" card: %s\n", cap.card);

printf(" bus_info: %s\n", cap.bus_info);

printf(" version: %08X\n", cap.version);

printf(" capabilities: %08X\n", cap.capabilities);

// 设置视频格式

struct v4l2_format fmt;

memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));

fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

fmt.fmt.pix.width = VIDEO_WIDTH;

fmt.fmt.pix.height = VIDEO_HEIGHT;

fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;

fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;

ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);

if (ret < 0) {

printf("VIDIOC_S_FMT failed (%d)\n", ret);

return ret;

}

// 获取视频格式

ret = ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);

if (ret < 0) {

printf("VIDIOC_G_FMT failed (%d)\n", ret);

return ret;

}

// Print Stream Format

printf("Stream Format Informations:\n");

printf(" type: %d\n", fmt.type);

printf(" width: %d\n", fmt.fmt.pix.width);

printf(" height: %d\n", fmt.fmt.pix.height);

char fmtstr[8];

memset(fmtstr, 0, 8);

memcpy(fmtstr, &fmt.fmt.pix.pixelformat, 4);

printf(" pixelformat: %s\n", fmtstr);

printf(" field: %d\n", fmt.fmt.pix.field);

printf(" bytesperline: %d\n", fmt.fmt.pix.bytesperline);

printf(" sizeimage: %d\n", fmt.fmt.pix.sizeimage);

printf(" colorspace: %d\n", fmt.fmt.pix.colorspace);

printf(" priv: %d\n", fmt.fmt.pix.priv);

printf(" raw_date: %s\n", fmt.fmt.raw_data);

// 请求分配内存

struct v4l2_requestbuffers reqbuf;

reqbuf.count = BUFFER_COUNT;

reqbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

reqbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

ret = ioctl(fd , VIDIOC_REQBUFS, &reqbuf);

if(ret < 0) {

printf("VIDIOC_REQBUFS failed (%d)\n", ret);

return ret;

}

// 获取空间

VideoBuffer* buffers = calloc( reqbuf.count, sizeof(*buffers) );

struct v4l2_buffer buf;

for (i = 0; i < reqbuf.count; i++)

{

buf.index = i;

buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

ret = ioctl(fd , VIDIOC_QUERYBUF, &buf);

if(ret < 0) {

printf("VIDIOC_QUERYBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);

return ret;

}

// mmap buffer

framebuf[i].length = buf.length;

framebuf[i].start = (char *) mmap(0, buf.length, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);

if (framebuf[i].start == MAP_FAILED) {

printf("mmap (%d) failed: %s\n", i, strerror(errno));

return -1;

}

// Queen buffer

ret = ioctl(fd , VIDIOC_QBUF, &buf);

if (ret < 0) {

printf("VIDIOC_QBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);

return -1;

}

printf("Frame buffer %d: address=0x%x, length=%d\n", i, (unsigned int)framebuf[i].start, framebuf[i].length);

}

// 开始录制

enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);

if (ret < 0) {

printf("VIDIOC_STREAMON failed (%d)\n", ret);

return ret;

}

// Get frame

ret = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);

if (ret < 0) {

printf("VIDIOC_DQBUF failed (%d)\n", ret);

return ret;

}

// Process the frame

FILE *fp = fopen(CAPTURE_FILE, "wb");

if (fp < 0) {

printf("open frame data file failed\n");

return -1;

}

fwrite(framebuf[buf.index].start, 1, buf.length, fp);

fclose(fp);

printf("Capture one frame saved in %s\n", CAPTURE_FILE);

// Re-queen buffer

ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);

if (ret < 0) {

printf("VIDIOC_QBUF failed (%d)\n", ret);

return ret;

}

// Release the resource

for (i=0; i< 4; i++)

{

munmap(framebuf[i].start, framebuf[i].length);

}

close(fd);

printf("Camera test Done.\n");

return 0;

}

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

附件：

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

int munmap(void *start, size_t length);

参数说明：

——start：映射区的开始地址。

——length：映射区的长度。

——prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起

　　 —PROT_EXEC //页内容可以被执行

　　 —PROT_READ //页内容可以被读取

　　 —PROT_WRITE //页可以被写入

—PROT_NONE //页不可访问

——flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体

　 —MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。

　 —MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。

　 —MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。

　 —MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。

　 —MAP_EXECUTABLE //同上

　 —MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。

　 —MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。

　 —MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。

　 —MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。

　 —MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。

　 —MAP_FILE //兼容标志，被忽略。

　 —MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。

　 —MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。

　 —MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

——fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。

——offset：被映射对象内容的起点。

返回值：

成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。

失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值。

Live together,or Die alone!