V4L2应用程序框架

http://blog.csdn.net/ipromiseu/archive/2010/03/29/5428578.aspx

一.什么是video4linux
Video4linux2（简称V4L2),是linux中关于视频设备的内核驱动。

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。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。

在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头在/dev/video0下。

二、一般操作流程（视频设备）：
1. 打开设备文件。 int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);
2. 取得设备的capability，看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入,或者音频输入输出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability
3. 选择视频输入，一个视频设备可以有多个视频输入。VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input
4. 设置视频的制式和帧格式，制式包括PAL，NTSC，帧的格式个包括宽度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
5. 向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers
6. 将申请到的帧缓冲映射到用户空间，这样就可以直接操作采集到的帧了，而不必去复制。mmap
7. 将申请到的帧缓冲全部入队列，以便存放采集到的数据.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer
8. 开始视频的采集。VIDIOC_STREAMON
9. 出队列以取得已采集数据的帧缓冲，取得原始采集数据。VIDIOC_DQBUF
10. 将缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF
11. 停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF
12. 关闭视频设备。close(fd);
三、常用的结构体(参见/usr/include/linux/videodev2.h)：

struct v4l2_requestbuffers reqbufs;//向驱动申请帧缓冲的请求，里面包含申请的个数
struct v4l2_capability cap;//这个设备的功能，比如是否是视频输入设备
struct v4l2_input input; //视频输入
struct v4l2_standard std;//视频的制式，比如PAL，NTSC
struct v4l2_format fmt;//帧的格式，比如宽度，高度等

struct v4l2_buffer buf;//代表驱动中的一帧
v4l2_std_id stdid;//视频制式，例如：V4L2_STD_PAL_B
struct v4l2_queryctrl query;//查询的控制
struct v4l2_control control;//具体控制的值

四、细节

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：

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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