V4L2应用程序框架

V4L2较V4L有较大的改动，并已成为2.6的标准接口，函盖video\dvb\FM...，多数驱动都在向V4l2迁移。更好地了解V4L2先从应用入手，然后再深入到内核中结合物理设备／接口的规范实现相应的驱动。本文先就V4L2在视频捕捉或camera方面的应用框架。 V4L2采用流水线的

V4L2较V4L有较大的改动，并已成为2.6的标准接口，函盖video\dvb\FM...，多数驱动都在向V4l2迁移。更好地了解V4L2先从应 用入手，然后再深入到内核中结合物理设备／接口的规范实现相应的驱动。本文先就V4L2在视频捕捉或camera方面的应用框架。<br><br>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。<br><br>

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：

<span>// 用非阻塞模式打开摄像头设备<br></span><span>int </span><span>cameraFd</span>;<br><span>cameraFd </span>= <span>open</span>(<span>"/dev/video0"</span>, <span>O_RDWR </span>| <span>O_NONBLOCK</span>, 0);<br><span>// 如果用阻塞模式打开摄像头设备，上述代码变为：<br>//cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR, 0);</span>

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。

<br>

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：

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

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

• 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：

<span>v4l2_std_id std</span>;<br><span>do </span>{<br>  <span>ret </span>= <span>ioctl</span>(<span>fd</span>, <span>VIDIOC_QUERYSTD</span>, &<span>std</span>);<br>} <span>while </span>(<span>ret </span>== -1 && <span>errno </span>== <span>EAGAIN</span>);<br><span>switch </span>(<span>std</span>) {<br>    <span>case </span><span>V4L2_STD_NTSC</span>:<br>        <span>//……<br>    </span><span>case </span><span>V4L2_STD_PAL</span>:<br>        <span>//……<br></span>}<br><br>

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;<br>

<span>memset </span>( &<span>fmt</span>, 0, <span>sizeof</span>(<span>fmt</span>) );<br><span>fmt</span>.<span>type                </span>= <span>V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE</span>;<br><span>fmt</span>.<span>fmt</span>.<span>pix</span>.<span>width       </span>= <span>720</span>;<br><span>fmt</span>.<span>fmt</span>.<span>pix</span>.<span>height      </span>= <span>576</span>;<br><span>fmt</span>.<span>fmt</span>.<span>pix</span>.<span>pixelformat </span>= <span>V4L2_PIX_FMT_YUYV</span>;<br><span>fmt</span>.<span>fmt</span>.<span>pix</span>.<span>field       </span>= <span>V4L2_FIELD_INTERLACED</span>;<br><span>if </span>(<span>ioctl</span>(<span>fd</span>, <span>VIDIOC_S_FMT</span>, &<span>fmt</span>) == -1) {<br>  <span>return </span>-1;<br>}<br><br>v4l2_format结构如下：<br><span>struct </span><span>v4l2_format<br></span>{<br>    <span>enum </span><span>v4l2_buf_type type</span>;    <span>// 数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE </span><br>    <span>union<br>    </span>{<br>        <span>struct </span><span>v4l2_pix_format    pix</span>;  <span><br>        </span><span>struct </span><span>v4l2_window        win</span>;  <span><br>        </span><span>struct </span><span>v4l2_vbi_format    vbi</span>;  <span><br>        </span><span>__u8    raw_data</span>[200];          <span><br>    </span>} <span>fmt</span>;<br>};<br><span>struct </span><span>v4l2_pix_format<br></span>{<br>    <span>__u32                   width</span>;         <span>// 宽，必须是16的倍数</span><br>    <span>__u32                   height</span>;        <span>// 高，必须是16的倍数</span><br>    <span>__u32                   pixelformat</span>;   <span>// 视频数据存储类型，例如是YUV4：2：2还是RGB</span><br>    <span>enum </span><span>v4l2_field         field</span>;<br>    <span>__u32                   bytesperline</span>;    <span><br>    </span><span>__u32                   sizeimage</span>;<br>    <span>enum </span><span>v4l2_colorspace    colorspace</span>;<br>    <span>__u32                   priv</span>;       <span><br></span>};<br>

<font>2.3 分配内存</font>

接下来可以为视频捕获分配内存：

<span>struct </span><span>v4l2_requestbuffers  req</span>;<br><span>if </span>(<span>ioctl</span>(<span>fd</span>, <span>VIDIOC_REQBUFS</span>, &<span>req</span>) == -1) {<br>  <span>return </span>-1;<br>}<br><br>v4l2_requestbuffers　结构如下：<br><span>struct </span><span>v4l2_requestbuffers<br></span>{<br>    <span>__u32               count</span>;  <span>// 缓存数量，也就是说在缓存队列里保持多少张照片</span><br>    <span>enum </span><span>v4l2_buf_type  type</span>;   <span>// 数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE </span><br>    <span>enum </span><span>v4l2_memory    memory</span>; <span>// V4L2_MEMORY_MMAP 或 V4L2_MEMORY_USERPTR</span><br>    <span>__u32               reserved</span>[2];<br>};<br>

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：

<span>typedef struct </span><span>VideoBuffer </span>{<br>    <span>void   </span>*<span>start</span>;<br>    <span>size_t  length</span>;<br>} <span>VideoBuffer</span>;<br><br><span>VideoBuffer</span>*          <span>buffers </span>= <span>calloc</span>( <span>req</span>.<span>count</span>, <span>sizeof</span>(*<span>buffers</span>) );<br><span>struct </span><span>v4l2_buffer    buf</span>;<br><br><span>for </span>(<span>numBufs </span>= 0; <span>numBufs </span>req.<span>count</span>; <span>numBufs</span>++) {<br>    <span>memset</span>( &<span>buf</span>, 0, <span>sizeof</span>(<span>buf</span>) );<br>    <span>buf</span>.<span>type </span>= <span>V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE</span>;<br>    <span>buf</span>.<span>memory </span>= <span>V4L2_MEMORY_MMAP</span>;<br>    <span>buf</span>.<span>index </span>= <span>numBufs</span>;<br>    <span>// 读取缓存</span><br>    <span>if </span>(<span>ioctl</span>(<span>fd</span>, <span>VIDIOC_QUERYBUF</span>, &<span>buf</span>) == -1) {<br>        <span>return </span>-1;<br>    }<br><br>    <span>buffers</span>[<span>numBufs</span>].<span>length </span>= <span>buf</span>.<span>length</span>;<br><span>    // 转换成相对地址</span><br>    <span>buffers</span>[<span>numBufs</span>].<span>start </span>= <span>mmap</span>(<span>NULL</span>, <span>buf</span>.<span>length</span>, <span>PROT_READ </span>| <span>PROT_WRITE</span>,<br>        <span>MAP_SHARED</span>,<span>fd</span>, <span>buf</span>.<span>m</span>.<span>offset</span>);<br><br>    <span>if </span>(<span>buffers</span>[<span>numBufs</span>].<span>start </span>== <span>MAP_FAILED</span>) {<br>        <span>return </span>-1;<br>    }<br><br>    <span>// 放入缓存队列</span><br>    <span>if </span>(<span>ioctl</span>(<span>fd</span>, <span>VIDIOC_QBUF</span>, &<span>buf</span>) == -1) {<br>        <span>return </span>-1;<br>    }<br>}<br><br>

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：<br><br>

<span>struct </span><span>v4l2_buffer buf</span>;<br><span>memset</span>(&<span>buf</span>,0,<span>sizeof</span>(<span>buf</span>));<br><span>buf</span>.<span>type</span>=<span>V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE</span>;<br><span>buf</span>.<span>memory</span>=<span>V4L2_MEMORY_MMAP</span>;<br><span>buf</span>.<span>index</span>=0;<br><br><span>//读取缓存</span><br><span>if </span>(<span>ioctl</span>(<span>cameraFd</span>, <span>VIDIOC_DQBUF</span>, &<span>buf</span>) == -1)<br>{<br>    <span>return </span>-1;<br>}<br><span>//…………视频处理算法</span><br><span>//重新放入缓存队列<br></span><span>if </span>(<span>ioctl</span>(<span>cameraFd</span>, <span>VIDIOC_QBUF</span>, &<span>buf</span>) == -1) {<br><br>    <span>return </span>-1;<br>}<br>

<br>

3. 关闭视频设备

使用close函数关闭一个视频设备

<span>close</span>(<span>cameraFd</span>)

如果使用mmap,最后还需要使用munmap方法。

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