学习V4L2应用程序框架时要注意的事项

电子工程师 2019-05-14 1211

嵌入式技术

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描述

　　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

　　#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。

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