Linux視頻設(shè)備驅(qū)動編程(v4l2編程)

一.什么是video4linux
Video4linux2（簡稱V4L2),是linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動。在Linux中，視頻設(shè)備是設(shè)備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進(jìn)行讀寫，攝像頭在/dev/video0下。

二、一般操作流程（視頻設(shè)備）：
1.?打開設(shè)備文件。?int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);
2.?取得設(shè)備的capability，看看設(shè)備具有什么功能，比如是否具有視頻輸入,或者音頻輸入輸出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability
3.?選擇視頻輸入，一個視頻設(shè)備可以有多個視頻輸入。VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input
4.?設(shè)置視頻的制式和幀格式，制式包括PAL，NTSC，幀的格式個包括寬度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
5.?向驅(qū)動申請幀緩沖，一般不超過5個。struct v4l2_requestbuffers
6.?將申請到的幀緩沖映射到用戶空間，這樣就可以直接操作采集到的幀了，而不必去復(fù)制。mmap
7.?將申請到的幀緩沖全部入隊(duì)列，以便存放采集到的數(shù)據(jù).VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer
8.?開始視頻的采集。VIDIOC_STREAMON
9.?出隊(duì)列以取得已采集數(shù)據(jù)的幀緩沖，取得原始采集數(shù)據(jù)。VIDIOC_DQBUF
10.?將緩沖重新入隊(duì)列尾,這樣可以循環(huán)采集。VIDIOC_QBUF
11.?停止視頻的采集。VIDIOC_STREAMOFF
12.?關(guān)閉視頻設(shè)備。close(fd);
三、常用的結(jié)構(gòu)體(參見/usr/include/linux/videodev2.h)：

struct v4l2_requestbuffers reqbufs;//向驅(qū)動申請幀緩沖的請求，里面包含申請的個數(shù)
struct v4l2_capability cap;//這個設(shè)備的功能，比如是否是視頻輸入設(shè)備
struct v4l2_input input; //視頻輸入
struct v4l2_standard std;//視頻的制式，比如PAL，NTSC
struct v4l2_format fmt;//幀的格式，比如寬度，高度等

struct v4l2_buffer buf;//代表驅(qū)動中的一幀
v4l2_std_id stdid;//視頻制式，例如：V4L2_STD_PAL_B
struct v4l2_queryctrl query;//查詢的控制
struct v4l2_control control;//具體控制的值

下面具體說明開發(fā)流程（網(wǎng)上找的啦，也在學(xué)習(xí)么）

打開視頻設(shè)備

在V4L2中，視頻設(shè)備被看做一個文件。使用open函數(shù)打開這個設(shè)備：

//?用非阻塞模式打開攝像頭設(shè)備

int?cameraFd;

cameraFd?=?open(“/dev/video0″,?O_RDWR?|?O_NONBLOCK, 0);

//?如果用阻塞模式打開攝像頭設(shè)備，上述代碼變?yōu)椋?/span>

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

關(guān)于阻塞模式和非阻塞模式

應(yīng)用程序能夠使用阻塞模式或非阻塞模式打開視頻設(shè)備，如果使用非阻塞模式調(diào)用視頻設(shè)備，即使尚未捕獲到信息，驅(qū)動依舊會把緩存（DQBUFF）里的東西返回給應(yīng)用程序。

設(shè)定屬性及采集方式

打開視頻設(shè)備后，可以設(shè)置該視頻設(shè)備的屬性，例如裁剪、縮放等。這一步是可選的。在Linux編程中，一般使用ioctl函數(shù)來對設(shè)備的I/O通道進(jìn)行管理：

extern int?ioctl?(int?__fd,?unsigned long int?__request, …)?__THROW;

__fd：設(shè)備的ID，例如剛才用open函數(shù)打開視頻通道后返回的cameraFd；

__request：具體的命令標(biāo)志符。

在進(jìn)行V4L2開發(fā)中，一般會用到以下的命令標(biāo)志符：

這些IO調(diào)用，有些是必須的，有些是可選擇的。

檢查當(dāng)前視頻設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)

在亞洲，一般使用PAL（720X576）制式的攝像頭，而歐洲一般使用NTSC（720X480），使用VIDIOC_QUERYSTD來檢測：

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:

//……

}

設(shè)置視頻捕獲格式

當(dāng)檢測完視頻設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)后，還需要設(shè)定視頻捕獲格式：

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結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct?v4l2_format

{

enum?v4l2_buf_type type;????//?數(shù)據(jù)流類型，必須永遠(yuǎn)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;?????????//?寬，必須是16的倍數(shù)

__u32??????????????? ???height;????????//?高，必須是16的倍數(shù)

__u32?????????????????? pixelformat;???//?視頻數(shù)據(jù)存儲類型，例如是//YUV4：2：2還是RGB

enum?v4l2_field???????? field;

__u32?????????????????? bytesperline;

__u32?????????????????? sizeimage;

enum?v4l2_colorspace??? colorspace;

__u32?????????????????? priv;

};

分配內(nèi)存

接下來可以為視頻捕獲分配內(nèi)存：

struct?v4l2_requestbuffers? req;

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

return?-1;

}

v4l2_requestbuffers定義如下：

struct?v4l2_requestbuffers

{

__u32?????????????? count;??//?緩存數(shù)量，也就是說在緩存隊(duì)列里保持多少張照片

enum?v4l2_buf_type? type;???//?數(shù)據(jù)流類型，必須永遠(yuǎn)是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

enum?v4l2_memory??? memory;?// V4L2_MEMORY_MMAP?或?V4L2_MEMORY_USERPTR

__u32?????????????? reserved[2];

};

獲取并記錄緩存的物理空間

使用VIDIOC_REQBUFS，我們獲取了req.count個緩存，下一步通過調(diào)用VIDIOC_QUERYBUF命令來獲取這些緩存的地址，然后使用mmap函數(shù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用程序中的絕對地址，最后把這段緩存放入緩存隊(duì)列：

typedef struct?VideoBuffer?{

void?*start;

size_t? length;

}?VideoBuffer;

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;

//?讀取緩存

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

return?-1;

}

buffers[numBufs].length?=?buf.length;

//?轉(zhuǎn)換成相對地址

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;

}

//?放入緩存隊(duì)列

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

return?-1;

}

}

關(guān)于視頻采集方式

操作系統(tǒng)一般把系統(tǒng)使用的內(nèi)存劃分成用戶空間和內(nèi)核空間，分別由應(yīng)用程序管理和操作系統(tǒng)管理。應(yīng)用程序可以直接訪問內(nèi)存的地址，而內(nèi)核空間存放的是 供內(nèi)核訪問的代碼和數(shù)據(jù)，用戶不能直接訪問。v4l2捕獲的數(shù)據(jù)，最初是存放在內(nèi)核空間的，這意味著用戶不能直接訪問該段內(nèi)存，必須通過某些手段來轉(zhuǎn)換地 址。

一共有三種視頻采集方式：使用read、write方式；內(nèi)存映射方式和用戶指針模式。

read、write方式:在用戶空間和內(nèi)核空間不斷拷貝數(shù)據(jù)，占用了大量用戶內(nèi)存空間，效率不高。

內(nèi)存映射方式：把設(shè)備里的內(nèi)存映射到應(yīng)用程序中的內(nèi)存控件，直接處理設(shè)備內(nèi)存，這是一種有效的方式。上面的mmap函數(shù)就是使用這種方式。

用戶指針模式：內(nèi)存片段由應(yīng)用程序自己分配。這點(diǎn)需要在v4l2_requestbuffers里將memory字段設(shè)置成V4L2_MEMORY_USERPTR。

處理采集數(shù)據(jù)

V4L2有一個數(shù)據(jù)緩存，存放req.count數(shù)量的緩存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩存采用FIFO的方式，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用緩存數(shù)據(jù)時，緩存隊(duì)列將最先采集到的 視頻數(shù)據(jù)緩存送出，并重新采集一張視頻數(shù)據(jù)。這個過程需要用到兩個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;

//讀取緩存

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

{

return?-1;

}

//…………視頻處理算法

//重新放入緩存隊(duì)列

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

return?-1;

}

關(guān)閉視頻設(shè)備

使用close函數(shù)關(guān)閉一個視頻設(shè)備

close(cameraFd)

還需要使用munmap方法。