V4L2应用程序框架

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-03-26 15:36 209阅读 0赞

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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;  
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：

![image][]

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;  
// 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。

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