linux V4L视频接口API使用与…

原文地址：linux V4L视频接口API使用与体会作者：与狼共舞4002V4L
API介绍与应用

注：《转》video4linux(v4l)使用摄像头的实例基础教程与体会

看了网上的一些文章，其中比较重要的也是比较知名的吧，有戴小鼠写的《基于Video4Linux 的USB
摄像头图像采集实现》，有陈俊宏写的《video stream
初探》的一系列共六篇文章，也找了一些英文的资料，看到过《video4linux
programming》但是这篇文章偏重于视频设备在linux中的驱动实现，所以对像我这种低端的只是使用v4l相关系统调用的人来说有些帮助但帮助不大，《Video4Linux
Kernel API Reference》详细介绍了v4l中各个重要的结构体的作用。

1.video4linux基础相关

1.1 v4l的介绍与一些基础知识的介绍

I.首先说明一下video4linux(v4l)。

它是一些视频系统，视频软件，音频软件的基础，经常使用在需要采集图像的场合，如视频监控，webcam,可视电话，经常应用在embedded
linux中是linux嵌入式开发中经常使用的系统接口。它是linux内核提供给用户空间的编程接口，各种的视频和音频设备开发相应的驱动程序后，就可以通过v4l提供的系统API来控制视频和音频设备，也就是说v4l分为两层，底层为音视频设备在内核中的驱动，上层为系统提供的API，而对于我们来说需要的就是使用这些系统的API。

II.Linux系统中的文件操作

有关Linux系统中的文件操作不属于本文的内容。但是还是要了解相关系统调用的作用和使用方法。其中包括open()，read()，close()，ioctl()，mmap()。详细的使用不作说明。在Linux系统中各种设备（当然包括视频设备）也都是用文件的形式来使用的。他们存在与dev目录下，所以本质上说，在Linux中各种外设的使用（如果它们已经正确的被驱动），与文件操作本质上是没有什么区别的。

1.2 建立一套简单的v4l函数库

这一节将一边介绍v4l的使用方法，一边建立一套简单的函数，应该说是一套很基本的函数，它完成很基本的够能但足够展示如何使用v4l。这些函数可以用来被其他程序使用，封装基本的v4l功能。本文只介绍一些和摄像头相关的编程方法，并且是最基础和最简单的，所以一些内容并没有介绍，一些与其他视频设备（如视频采集卡）和音频设备有关的内容也没有介绍，本人也不是很理解这方面的内容。

这里先给出接下来将要开发出来函数的一个总览。

相关结构体和函数的定义我们就放到一个名为v4l.h的文件中，相关函数的编写就放在一个名为v4l.c的文件中把。

对于这个函数库共有如下的定义（也就是大体v4l.h中的内容）：

1: #ifndef _V4L_H_

2: #define _V4L_H_

3: #include <sys/types.h>

4: #include <linux/videodev.h>
//使用v4l必须包含的头文件

这个头文件可以在/usr/include/linux下找到，里面包含了对v4l各种结构的定义，以及各种ioctl的使用方法，所以在下文中有关v4l的相关结构体并不做详细的介绍，可以参看此文件就会得到你想要的内容。

下面是定义的结构体，和相关函数，突然给出这么多的代码很唐突，不过随着一点点解释条理就会很清晰了。

1: struct _v4l_struct

2:

3: {

4:

5: int fd;//保存打开视频文件的设备描述符

6:

7: struct video_capability
capability;//该结构及下面的结构为v4l所定义可在上述头文件中找到

8:

9: struct video_picture picture;

10:

11: struct video_mmap mmap;

12:

13: struct video_mbuf mbuf;

14:

15: unsigned char *map;//用于指向图像数据的指针

16:

17: int frame_current;

18:

19: int frame_using[VIDEO_MAXFRAME];//这两个变量用于双缓冲在后面介绍。

20:

21: };

22:

23: typedef struct _v4l_struct v4l_device;

//上面的定义的结构体，有的文中章有定义channel的变量，但对于摄像头来说设置这个变量意义不大通常只有一个channel，本文不是为了写出一个大而全且成熟的函数库，只是为了介绍如何使用v4l，再加上本人水平也有限，能够给读者一个路线我就很知足了,所以并没有设置这个变量同时与channel相关的函数也没有给出。

1: extern int v4l_open(char *, v4l_device *);

2:

3: extern int v4l_close(v4l_device *);

4:

5: extern int v4l_get_capability(v4l_device *);

6:

7: extern int v4l_get_picture(v4l_device *);

8:

9: extern int v4l_get_mbuf(v4l_device *);

10:

11: extern int v4l_set_picture(v4l_device *, int, int, int, int,
int,);

12:

13: extern int v4l_grab_picture(v4l_device *, unsigned int);

14:

15: extern int v4l_mmap_init(v4l_device *);

16:

17: extern int v4l_grab_init(v4l_device *, int, int);

18:

19: extern int v4l_grab_frame(v4l_device *, int);

20:

21: extern int v4l_grab_sync(v4l_device *);

前面已经说过使用v4l视频编程的流程和对文件操作并没有什么本质的不同，大概的流程如下：

 1.打开视频设备(通常是/dev/video0)

 2.获得设备信息。

 3.根据需要更改设备的相关设置。

 4.获得采集到的图像数据（在这里v4l提供了两种方式，直接通过打开的设备读取数据，使用mmap内存映射的方式获取数据）。

 5.对采集到的数据进行操作（如显示到屏幕，图像处理，存储成图片文件）。

 6.关闭视频设备。

知道了流程之后，我们就需要根据流程完成相应的函数。

那么我们首先完成第1步打开视频设备，需要完成int v4l_open(char *, v4l_device *);

具体的函数如下

1: #define DEFAULT_DEVICE “/dev/video0”

2:

3: int v4l_open(char *dev , v4l_device *vd)

4:

5: {

6:

7: if(!dev)dev= DEFAULT_DEVICE;

8:

9:
if((vd-fd=open(dev,O_RDWR))<0){perror(“v4l_open:”);return
-1;}

10:

11: if(v4l_get_capability(vd))return -1;

12:

13: if(v4l_get_picture(vd))return -1;//这两个函数就是即将要完成的获取设备信息的函数

14:

15: return 0

16:

17: }

同样对于第6步也十分简单，就是int v4l_close(v4l_device *);的作用。

函数如下：

1: int v4l_close(v4l_device *vd)

2:

3: {close(vd->fd);return 0;}

现在我们完成第2步中获得设备信息的任务，下面先给出函数在对函数作出相应的说明。

1: int v4l_get_capability(v4l_device *vd)

2:

3: {

4:

5: if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGCAP,
&(vd->capability)) <
0) {

6:

7: perror("v4l_get_capability:");

8:

9: return -1;

10:

11: }

13: return 0;

15: }

19: int v4l_get_picture(v4l_device *vd)

20:

21: {

22:

23: if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGPICT,
&(vd->picture)) < 0)
{

24:

25: perror("v4l_get_picture:");

26:

27: return -1;

28:

29: }

30:

31: return 0;

32:

33: }

对于以上两个函数我们不熟悉的地方可有vd->capability和vd->picture两个结构体，和这两个函数中最主要的语句ioctl。对于ioctl的行为它是由驱动程序提供和定义的，在这里当然是由v4l所定义的，其中宏VIDIOCGCAP和VIDIOCGPICT的分别表示获得视频设备的capability和picture。对于其他的宏功能定义可以在你的Linux系统中的/usr/include/linux/videodev.h中找到，这个头文件也包含了capability和picture的定义。例如：

struct video_capability

{

 char name[32];

 int type;

 int channels; 

 int audios; 

 int maxwidth; 

 int maxheight; 

 int minwidth; 

 int minheight; 

};capability结构它包括了视频设备的名称，频道数，音频设备数，支持的最大最小宽度和高度等信息。

struct video_picture

{

 __u16 brightness;

 __u16 hue;

 __u16 colour;

 __u16 contrast;

 __u16 whiteness; 

 __u16 depth;  

 __u16 palette; 

}picture结构包括了亮度，对比度，色深，调色板等等信息。头文件里还列出了palette相关的值，这里并没有给出。

了解了以上也就了解了这两个简单函数的作用，现在我们已经获取到了相关视频设备的capabilty和picture属性。

这里直接给出另外一个函数

1: int v4l_get_mbuf(v4l_device *vd)

2:

3: {

4:

5: if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGMBUG
,&(vd->mbuf)) < 0)
{

6:

7: perror("v4l_get_mbuf:");

8:

9: return -1;

10:

11: }

12:

13: return 0;

14:

15: }

对于结构体video_mbuf在v4l中的定义如下，video_mbuf结构体是为了服务使用mmap内存映射来获取图像的方法而设置的结构体，通过这个结构体可以获得摄像头设备存储图像的内存大小。具体的定义如下，各变量的使用也会在下文详细说明。

struct video_mbuf

{

 int size;  可映射的摄像头内存大小

 int frames; 摄像头可同时存储的帧数

 int offs
c88a
ets[VIDEO_MAX_FRAME];每一帧图像的偏移量

};

下面完成第3步按照需要更改设备的相应设置，事实上可以更改的设置很多，本文以更改picture属性为例说明更改属性的一般方法。

 那么我们就完成extern int v4l_set_picture(v4l_device *,
int, int, int, int, int,);这个函数吧

1: int v4l_set_picture(v4l_device *vd,int br,int hue,int col,int
cont,int white)

2:

3: {

4:

5: if(br) vd->picture.brightnesss=br;

6:

7: if(hue) vd->picture.hue=hue;

8:

9: if(col) vd->picture.color=col;

10:

11: if(cont) vd->picture.contrast=cont;

12:

13: if(white) vd->picture.whiteness=white;

14:

15:
if(ioctl(vd->fd,VIDIOCSPICT,&(vd->picture))<0)

16:

17: {perror("v4l_set_picture: ");return -1;}

18:

19: return 0;

20:

21: }

上述函数就是更改picture相关属性的例子，其核心还是v4l给我们提供的ioctl的相关调用，通过这个函数可以修改如亮度，对比度等相关的值。

第4步获得采集到的图像数据。

   
这一步是使用v4l比较重要的一步，涉及到几个函数的编写。当然使用v4l就是为了要获得图像，所以这一步很关键，但是当你获得了图像数据后，还需要根据你想要达到的目的和具体情况做进一步的处理，也就是第5步所做的事情，这些内容将在后面第三部分提到。这里讲如何获得采集到的数据。如前所述获得图像的方式有两种，分别是直接读取设备和使用mmap内存映射，而通常大家使用的方法都是后者。
1）.直接读取设备

直接读设备的方式就是使用read()函数，我们先前定义的

extern int v4l_grab_picture(v4l_device *, unsigned
int);函数就是完成这个工作的，它的实现也很简单。

1: int v4l_grab_picture(v4l_device *vd, unsighed int size)

2:

3: {

4:

5:
if(read(vd-fd,&(vd->map),size)==0)return
-1;

6:

7: return 0；

8:

9: }

该函数的使用也很简单，就是给出图像数据的大小，vd->map所指向的数据就是图像数据。而图像数据的大小你要根据设备的属性自己计算获得。

在这部分涉及到下面几个函数，它们配合来完成最终图像采集的功能。

 extern int v4l_mmap_init(v4l_device
*);该函数把摄像头图像数据映射到进程内存中，也就是只要使用vd->map指针就可以使用采集到的图像数据（下文详细说明）

extern int v4l_grab_init(v4l_device *, int,
int);该函数完成图像采集前的初始化工作。

extern int v4l_grab_frame(v4l_device *,
int);该函数是真正完成图像采集的一步，在本文使用了一个通常都会使用的一个小技巧，可以在处理一帧数据时同时采集下一帧的数据，因为通常我们使用的摄像头都可以至少存储两帧的数据。

extern int v4l_grab_sync(v4l_device
*);该函数用来完成截取图像的同步工作，在截取一帧图像后调用，返回表明一帧截取结束。
下面分别介绍这几个函数。

 
mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必在调用read()，write()等操作。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时访问进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。

采用共享内存通信的一个显而易见的好处是减少I/O操作提高读取效率，因为使用mmap后进程可以直接读取内存而不需要任何数据的拷贝。

mmap的函数原型如下

void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int
fd , off_t offset )

addr：共享内存的起始地址，一般设为0，表示由系统分配。

len:指定映射内存的大小。在我们这里，该值为摄像头mbuf结构体的size值，即图像数据的总大小。

port：指定共享内存的访问权限 PROT_READ(可读)，PROT_WRITE（可写）

flags：一般设置为MAP_SHARED

fd：同享文件的文件描述符。

介绍完了mmap的使用，就可以介绍上文中定义的函数extern int v4l_mmap_init(v4l_device
*)了。先给出这个函数的代码，再做说明。

1: int v4l_mmap_init(v4l_device *vd)

2:

3: {

4:

5: if (v4l_get_mbuf(vd) < 0)

6:

7: return -1;

8:

9: if ((vd->map = mmap(0,
vd->mbuf.size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED,
vd->fd, 0)) < 0) {

10:

11: perror("v4l_mmap_init:mmap");

12:

13: return -1;

14:

15: }

16:

17: return 0;

18:

19: }

这个函数首先使用v4l_get_mbuf(vd)获得一个摄像头重要的参数，就是需要映射内存的大小，即vd->mbuf.size，然后调用mmap，当我们在编程是调用v4l_mmap_init后，vd.map指针所指向的内存空间即为我们将要采集的图像数据。

这个函数首先使用v4l_get_mbuf(vd)获得一个摄像头重要的参数，就是需要映射内存的大小，即vd->mbuf.size，然后调用mmap，当我们在编程是调用v4l_mmap_init后，vd.map指针所指向的内存空间即为我们将要采集的图像数据。

获得图像前的初始化工作v4l_grab_init();该函数十分简单直接粘上去，其中将。vd->frame_using[0]和vd->frame_using[1]都设为FALSE，表示两帧的截取都没有开始。

1:

2:

3: int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height)

4:

5: {

6:

7: vd->mmap.width = width;

8:

9: vd->mmap.height = height;

10:

11: vd->mmap.format =
vd->picture.palette;

12:

13: vd->frame_current = 0;

14:

15: vd->frame_using[0] = FALSE;

16:

17: vd->frame_using[1] = FALSE;

18:

19:

20:

21: return v4l_grab_frame(vd, 0);

22:

23: }

24:

25:

真正获得图像的函数extern int v4l_grab_frame(v4l_device *, int);

1: int v4l_grab_frame(v4l_device *vd, int frame)

2:

3: {

4:

5: if (vd->frame_using[frame]) {

6:

7: fprintf(stderr, "v4l_grab_frame: frame %d is already used.n",
frame);

8:

9: return -1;

10:

11: }

12:

13:

14:

15: vd->mmap.frame = frame;

16:

17: if (ioctl(vd->fd, VIDIOCMCAPTURE,
&(vd->mmap)) < 0)
{

18:

19: perror("v4l_grab_frame");

20:

21: return -1;

22:

23: }

24:

25: vd->frame_using[frame] = TRUE;

26:

27: vd->frame_current = frame;

28:

29: return 0;

30:

31: }

读到这里，应该觉得这个函数也是相当的简单。最关键的一步即为调用ioctl(vd->fd,
VIDIOCMCAPTURE,
&(vd->mmap))，调用后相应的图像就已经获取完毕。其他的代码是为了完成双缓冲就是截取两帧图像用的，可以自己理解下。

 在截取图像后还要进行同步操作，就是调用extern int
v4l_grab_sync(v4l_device *);函数，该函数如下

1: int v4l_grab_sync(v4l_device *vd)

2:

3: {

4:

5: if (ioctl(vd->fd, VIDIOCSYNC,
&(vd->frame_current))
< 0) {

6:

7: perror("v4l_grab_sync");

8:

9: }

10:

11:
vd->frame_using[vd->frame_current] =
FALSE;

12:

13: return 0;

14:

15: }

该函数返回0说明你想要获取的图像帧已经获取完毕。

图像存在了哪里？

 最终我们使用v4l的目的是为了获取设备中的图像，那么图像存在哪里？从上面的文章可以知道，vd.map指针所指就是你要获得的第一帧图像。图像的位置，存在vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current]处。其中vd.frame_current=0，即为第一帧的位置，vd.frame_current=1，为第二帧的位置。

2 上述v4l库使用的方法

给出了上述的一些代码，这里用一些简单的代码表明如何来使用它。上文中已经说过将相关结构体和函数的定义放到一个名为v4l.h的文件中，相关函数的编写放在一个名为v4l.c的文件。现在我们要使用它们。

使用的方法很简单，你创建一个.c文件，假设叫test.c吧，那么test.c如下

1: //test.c

2:

3: include “v4l.h”

4:

5: ...

6:

7: v4l_device vd;

8:

9:

10:

11: void main()

12:

13: {

14:

15: v4l_open(DEFAULT_DEVICE,&vd);

16:

17: v4l_mmap_init(&vd);

18:

19: v4l_grab_init(&vd,320,240);

20:

21:
v4l_grab_sync(&vd);//此时就已经获得了一帧的图像，存在vd.map中

22:

23: while(1)

24:

25: {

26:

27: vd.frame_current ^= 1;

28:

29: v4l_grab_frame(&vd, vd.frame_current);

30:

31: v4l_grab_sync(&vd);

32:

33: 图像处理函数（vd.map+vd.
vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current]）；

34:

35: //循环采集，调用你设计的图像处理函数来处理图像

36:

37: //其中vd.map+vd.
vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current]就是图像所在位置。

38:

39: }

40:

41: }

42:

43:

3 有关获取的图像的一些问题

问：我获取到的图像究竟长什么样？

答：每个摄像头获取的图像数据的格式可能都不尽相同，可以通过picture.
palette获得。获得的图像有黑白的，有yuv格式的，RGB格式的，也有直接为jpeg格式的。你要根据实际情况，和你的需要对图像进行处理。比如常见的，如果你要在嵌入式的LCD上显示假设LCD是RGB24的，但是你获得图像是YUV格式的那么你就将他转换为RGB24的。具体的转换方法可以上网查找，也可参考前面提到过的effectTV中的相关代码。

问：如何显示图像或将图像保存？

答：假设你采集到的图像为RGB24格式的，我接触过的可以使用SDL库显示（网络上很流行的叫spcaview的软件就是这样的，不过它将图像数据压缩为jpeg的格式后显示，这个软件也被经常的移植到一些嵌入式平台使用，如ARM的）。当然也可以使用嵌入式linux的Framebuffer直接写屏显示。将图像保存可以用libjpeg将其保存为jpeg图片直接存储，相关的使用方法可以上网查找。也可以使用一些视频编码，将其编码保存（我希望学习一下相关的技术因为我对这方面一点不懂，如果你有一些资料可以推荐给我看，我十分想看一看）。

                                                                                           
（完）