V4L2摄像头应用编程(转)

Video for Linuxtwo(Video4Linux2)简称V4L2，是V4L的改进版。V4L2是linux操作系统下用于采集图片、视频和音频数据的API接口，配合适当的视频采集设备和相应的驱动程序，可以实现图片、视频、音频等的采集。在远程会议、可视电话、视频监控系统和嵌入式多媒体终端中都有广泛的应用。

在Linux下，所有外设都被看成一种特殊的文件，成为“设备文件”，可以象访问普通文件一样对其进行读写。一般来说，采用V4L2驱动的摄像头设备文件是/dev/video0。V4L2支持两种方式来采集图像：内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)。V4L2在include/linux/videodev.h文件中定义了一些重要的数据结构，在采集图像的过程中，就是通过对这些数据的操作来获得最终的图像数据。Linux系统V4L2的能力可在Linux内核编译阶段配置，默认情况下都有此开发接口。

而摄像头所用的主要是capature了，视频的捕捉，具体linux的调用可以参考下图。



应用程序通过V4L2进行视频采集的原理

V4L2支持内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)来采集数据，前者一般用于连续视频数据的采集，后者常用于静态图片数据的采集，本文重点讨论内存映射方式的视频采集。

应用程序通过V4L2接口采集视频数据分为五个步骤：

首先，打开视频设备文件，进行视频采集的参数初始化，通过V4L2接口设置视频图像的采集窗口、采集的点阵大小和格式;

其次，申请若干视频采集的帧缓冲区，并将这些帧缓冲区从内核空间映射到用户空间，便于应用程序读取/处理视频数据;

第三，将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列排队，并启动视频采集;

第四，驱动开始视频数据的采集，应用程序从视频采集输出队列取出帧缓冲区，处理完后，将帧缓冲区重新放入视频采集输入队列，循环往复采集连续的视频数据;

第五，停止视频采集。

具体的程序实现流程可以参考下面的流程图:



其实其他的都比较简单，就是通过ioctl这个接口去设置一些参数。最主要的就是buf管理。他有一个或者多个输入队列和输出队列。

启动视频采集后，驱动程序开始采集一帧数据，把采集的数据放入视频采集输入队列的第一个帧缓冲区，一帧数据采集完成，也就是第一个帧缓冲区存满一帧数据后，驱动程序将该帧缓冲区移至视频采集输出队列，等待应用程序从输出队列取出。驱动程序接下来采集下一帧数据，放入第二个帧缓冲区，同样帧缓冲区存满下一帧数据后，被放入视频采集输出队列。

应用程序从视频采集输出队列中取出含有视频数据的帧缓冲区，处理帧缓冲区中的视频数据，如存储或压缩。

最后，应用程序将处理完数据的帧缓冲区重新放入视频采集输入队列,这样可以循环采集，如图所示。



每一个帧缓冲区都有一个对应的状态标志变量，其中每一个比特代表一个状态

　　V4L2_BUF_FLAG_UNMAPPED 0B0000

　　V4L2_BUF_FLAG_MAPPED 0B0001

　　V4L2_BUF_FLAG_ENQUEUED 0B0010

　　V4L2_BUF_FLAG_DONE 0B0100

　　缓冲区的状态转化如图所示。



下面的程序注释的很好，就拿来参考下：

V4L2 编程

1. 定义

V4L2(Video ForLinux Two) 是内核提供给应用程序访问音、视频驱动的统一接口。

2. 工作流程：

打开设备－> 检查和设置设备属性－>设置帧格式－> 设置一种输入输出方法（缓冲区管理）－> 循环获取数据－> 关闭设备。

3. 设备的打开和关闭：

#include<fcntl.h>

int open(constchar *device_name, int flags);

#include <unistd.h>

int close(intfd);

例：

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int fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR);// 打开设备

close(fd);// 关闭设备

注意：V4L2 的相关定义包含在头文件<linux/videodev2.h>中.

4. 查询设备属性： VIDIOC_QUERYCAP

相关函数：

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int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_capability *argp);

相关结构体：

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structv4l2_capability

{

__u8 driver[16]; // 驱动名字

__u8 card[32]; // 设备名字

__u8bus_info[32]; // 设备在系统中的位置

__u32 version; // 驱动版本号

__u32capabilities; // 设备支持的操作

__u32reserved[4]; // 保留字段

};

capabilities 常用值:

V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE // 是否支持图像获取

例：显示设备信息

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structv4l2_capability cap;

ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);

printf(“DriverName:%s/nCard Name:%s/nBus info:%s/nDriverVersion:%u.%u.%u/n”,cap.driver,cap.card,cap.bus_info,(cap.version>>16)&0XFF,(cap.version>>8)&0XFF,cap.version&OXFF);

5. 帧格式：

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VIDIOC_ENUM_FMT// 显示所有支持的格式

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);

structv4l2_fmtdesc

{

__u32 index; // 要查询的格式序号，应用程序设置

enumv4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置

__u32 flags; // 是否为压缩格式

__u8 description[32]; // 格式名称

__u32pixelformat; // 格式

__u32reserved[4]; // 保留

};

例：显示所有支持的格式

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structv4l2_fmtdesc fmtdesc;

fmtdesc.index=0;

fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

printf("Supportformat:/n");

while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)

{

printf("/t%d.%s/n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);

fmtdesc.index++;

}

// 查看或设置当前格式

VIDIOC_G_FMT,VIDIOC_S_FMT

// 检查是否支持某种格式

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VIDIOC_TRY_FMT

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_format *argp);

structv4l2_format

{

enumv4l2_buf_type type;// 帧类型，应用程序设置

union fmt

{

structv4l2_pix_format pix;// 视频设备使用

structv4l2_window win;

structv4l2_vbi_format vbi;

structv4l2_sliced_vbi_format sliced;

__u8raw_data[200];

};

};

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structv4l2_pix_format

{

__u32 width; // 帧宽，单位像素

__u32 height; // 帧高，单位像素

__u32pixelformat; // 帧格式

enum v4l2_fieldfield;

__u32bytesperline;

__u32 sizeimage;

enumv4l2_colorspace colorspace;

__u32 priv;

};

例：显示当前帧的相关信息

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structv4l2_format fmt;

fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);

printf(“Currentdata format information:

/n/twidth:%d/n/theight:%d/n”,fmt.fmt.width,fmt.fmt.height);

structv4l2_fmtdesc fmtdesc;

fmtdesc.index=0;

fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)

{

if(fmtdesc.pixelformat& fmt.fmt.pixelformat)

{

printf(“/tformat:%s/n”,fmtdesc.description);

break;

}

fmtdesc.index++;

}

例：检查是否支持某种帧格式

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structv4l2_format fmt;

fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB32;

if(ioctl(fd,VIDIOC_TRY_FMT,&fmt)==-1)

if(errno==EINVAL)

printf(“notsupport format RGB32!/n”);

6. 图像的缩放

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VIDIOC_CROPCAP

int ioctl(int fd,int request, struct v4l2_cropcap *argp);

structv4l2_cropcap

{

enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置

struct v4l2_rectbounds;// 最大边界

struct v4l2_rectdefrect;// 默认值

structv4l2_fract pixelaspect;

};

// 设置缩放

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VIDIOC_G_CROP,VIDIOC_S_CROP

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_crop *argp);

int ioctl(intfd, int request, const struct v4l2_crop *argp);

struct v4l2_crop

{

enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置

struct v4l2_rectc;

}

7. 申请和管理缓冲区，应用程序和设备有三种交换数据的方法，直接read/write ，内存映射(memorymapping) ，用户指针。这里只讨论 memorymapping.

// 向设备申请缓冲区

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VIDIOC_REQBUFS

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);

structv4l2_requestbuffers

{

__u32 count; // 缓冲区内缓冲帧的数目

enumv4l2_buf_type type; // 缓冲帧数据格式

enum v4l2_memorymemory; // 区别是内存映射还是用户指针方式

__u32 reserved[2];

};

enum v4l2_memoy{V4L2_MEMORY_MMAP,V4L2_MEMORY_USERPTR};

//count,type,memory都要应用程序设置

例：申请一个拥有四个缓冲帧的缓冲区

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structv4l2_requestbuffers req;

req.count=4;

req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;

ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);

获取缓冲帧的地址，长度：

VIDIOC_QUERYBUF

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

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structv4l2_buffer

{

__u32 index; //buffer 序号

enumv4l2_buf_type type; //buffer 类型

__u32 byteused; //buffer 中已使用的字节数

__u32 flags; // 区分是MMAP 还是USERPTR

enum v4l2_fieldfield;

struct timevaltimestamp;// 获取第一个字节时的系统时间

structv4l2_timecode timecode;

__u32 sequence;// 队列中的序号

enum v4l2_memorymemory;//IO 方式，被应用程序设置

union m

{

__u32 offset;// 缓冲帧地址，只对MMAP 有效

unsigned longuserptr;

};

__u32 length;// 缓冲帧长度

__u32 input;

__u32 reserved;

};

MMAP ，定义一个结构体来映射每个缓冲帧。

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Struct buffer

{

void* start;

unsigned intlength;

}*buffers;

#include<sys/mman.h>

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

//addr 映射起始地址，一般为NULL ，让内核自动选择

//length 被映射内存块的长度

//prot 标志映射后能否被读写，其值为PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE,PROT_NONE

//flags 确定此内存映射能否被其他进程共享，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE

//fd,offset, 确定被映射的内存地址

返回成功映射后的地址，不成功返回MAP_FAILED ((void*)-1);

int munmap(void*addr, size_t length);// 断开映射

//addr 为映射后的地址，length 为映射后的内存长度

例：将四个已申请到的缓冲帧映射到应用程序，用buffers 指针记录。

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buffers =(buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers));

if (!buffers) {

fprintf (stderr,"Out of memory/n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 映射

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for (unsignedint n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {

struct v4l2_bufferbuf;

memset(&buf,0,sizeof(buf));

buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;

buf.index =n_buffers;

// 查询序号为n_buffers 的缓冲区，得到其起始物理地址和大小

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

exit(-1);

buffers[n_buffers].length= buf.length;

// 映射内存

buffers[n_buffers].start=mmap (NULL,buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE ,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);

if (MAP_FAILED== buffers[n_buffers].start)

exit(-1);

}

8. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了

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// 启动/ 停止数据流

VIDIOC_STREAMON,VIDIOC_STREAMOFF

int ioctl(intfd, int request, const int *argp);

//argp 为流类型指针，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.

在开始之前，还应当把缓冲帧放入缓冲队列：

VIDIOC_QBUF// 把帧放入队列

VIDIOC_DQBUF// 从队列中取出帧

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流

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unsigned int i;

enum v4l2_buf_typetype;

// 将缓冲帧放入队列

for (i = 0; i< 4; ++i)

{

structv4l2_buffer buf;

buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;

buf.index = i;

ioctl (fd,VIDIOC_QBUF, &buf);

}

type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ioctl (fd,VIDIOC_STREAMON, &type);

例：获取一帧并处理

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structv4l2_buffer buf;

CLEAR (buf);

buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;

// 从缓冲区取出一个缓冲帧

ioctl (fd,VIDIOC_DQBUF, &buf);

// 图像处理

process_image(buffers[buf.index].start);

// 将取出的缓冲帧放回缓冲区

ioctl (fd, VIDIOC_QBUF,&buf);