Linux v4l2编程（摄像头信息采集）

基于Linux3.4.2，自己做一点儿视频信息采集及网络传输的小实验，边做边学，一些基础知识同步整理。。。。。　　

1. 定义

V4L2(Video For Linux Two) 是内核提供给应用程序访问音、视频驱动的统一接口。V4L2 的相关定义包含在头文件<linux/videodev2.h> 中.

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.设备打开和关闭

//打开

#include <fcntl.h>

int open(const char *device_name, int flags);

//关闭

#include <unistd.h>

int close(int fd);

实验使用UVC摄像头，插入后自动生成设备“/dev/vedio0”,打开关闭实例如下

int fd = open("/dev/video0",O_RDWR);

close(fd);

4. 查询设备属性： VIDIOC_QUERYCAP

函数使用：

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

v4l2相关结构体定义：

struct v4l2_capability

{

u8 driver[]; // 驱动名字

u8 card[]; // 设备名字

u8 bus_info[]; // 设备在系统中的位置

u32 version;// 驱动版本号

u32 capabilities;// 设备支持的操作

u32 reserved[]; // 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

struct v4l2_capability cap;

ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);

printf(“Driver Name:%s\nCard Name:%s\nBus info:%s\nDriver Version:%u.%u.%u\n”,cap.driver,cap.card,cap.bus_info,cap.capabilities);

5. 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。

相关函数：

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

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

5.1 查询并显示所有支持的格式：VIDIOC_ENUM_FMT

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

v4l2_fmtdesc结构体定义：

struct v4l2_fmtdesc

{

u32 index;// 要查询的格式序号，应用程序设置

enum v4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置

u32 flags;// 是否为压缩格式

u8 description[]; // 格式名称

u32 pixelformat;// 格式

u32 reserved[]; // 保留

};

例：显示所有支持的格式

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;

 fmtdesc.index=;

 fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

 printf("Support format:\n");

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

{

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

　　fmtdesc.index++;

}

5.2 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：VIDIOC_TRY_FMT

相关函数：

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

v4l2_format结构体定义

struct v4l2_format

{

enum v4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置

union fmt

{

struct v4l2_pix_format pix; // 视频设备使用

struct v4l2_window win;

struct v4l2_vbi_format vbi;struct v4l2_sliced_vbi_format sliced;

u8 raw_data[];

};

};

struct v4l2_pix_format

{

u32 width;// 帧宽，单位像素

u32 height;// 帧高，单位像素

u32 pixelformat;// 帧格式

enum v4l2_field field;

u32 bytesperline;

u32 sizeimage;

enum v4l2_colorspace colorspace;

u32 priv;

};

例：显示当前帧的相关信息

    struct v4l2_format fmt;
     fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 
    ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);
    
    printf("Current data format information:\n\twidth:%d\n\theight:%d\n",fmt.fmt.pix.width,fmt.fmt.pix.height);
    
    struct v4l2_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.pix.pixelformat)
        
        {
        
            printf("\tformat:%s\n",fmtdesc.description);
            
            break;
        
        }
        
        fmtdesc.index++;
    
    }

例：检查是否支持某种帧格式(如RGB32)

    struct v4l2_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("not support format RGB32!\n");

6. 图像的缩放 VIDIOC_CROPCAP

相关函数：

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

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

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

6.1 设置设备捕捉能力的参数

相关函数：

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

　v4l2_cropcap结构体定义：

struct v4l2_cropcap

{

enum v4l2_buf_type type; // 数据流的类型，应用程序设置

struct v4l2_rect bounds; // 这是 camera 的镜头能捕捉到的窗口大小的局限

struct v4l2_rect defrect; // 定义默认窗口大小，包括起点位置及长,宽的大小，大小以像素为单位

struct v4l2_fract pixelaspect; // 定义了图片的宽高比

};

6.2 设置窗口取景参数 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP

相关函数：

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

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

　　相关结构体：

struct v4l2_crop

{

enum v4l2_buf_type type;// 应用程序设置

struct v4l2_rect c;

}

7.video Inputs and Outputs

VIDIOC_G_INPUT 和 VIDIOC_S_INPUT 用来查询和选则当前的 input，一个 video 设备节点可能对应多个视频源，比如 saf7113 可以最多支持四路 cvbs 输入，如果上层想在四个cvbs视频输入间切换，那么就要调用 ioctl(fd, VIDIOC_S_INPUT, &input) 来切换。

VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回当前的 video input和output的index.

相关函数：

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_input *argp);

v4l2_input结构体定义：

struct v4l2_input {

__u32 index;/* Which input*/

__u8 name[]; /* Label*/

__u32 type;/* Type of input*/

__u32 audioset;/* Associated audios (bitfield)*/

__u32 tuner;/* Associated tuner*/

v4l2_std_id std;

__u32 status;

__u32 reserved[];

};

我们可以通过VIDIOC_ENUMINPUT and VIDIOC_ENUMOUTPUT 分别列举一个input或者 output的信息，我们使用一个v4l2_input结构体来存放查询结果，这个结构体中有一个 index域用来指定你索要查询的是第几个input/ouput,如果你所查询的这个input是当前正在使用的，那么在v4l2_input还会包含一些当前的状态信息，如果所查询的input/output 不存在，那么回返回EINVAL错误，所以，我们通过循环查找，直到返回错误来遍历所有的 input/output. VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回当前的video input和output 的index.

例：列举当前输入视频所支持的视频格式

struct v4l2_input input;

struct v4l2_standard standard;

memset (&input, , sizeof (input));

//首先获得当前输入的 index,注意只是 index，要获得具体的信息，就的调用列举操作

if (- == ioctl (fd, VIDIOC_G_INPUT, &input.index)) {

perror (”VIDIOC_G_INPUT”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

//调用列举操作，获得 input.index 对应的输入的具体信息

if (- == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input)) {

perror (”VIDIOC_ENUM_INPUT”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

printf (”Current input%s supports:\n”, input.name); memset (&standard, , sizeof (standard)); standard.index = ;

//列举所有的所支持的 standard，如果 standard.id 与当前 input 的 input.std 有共同的
//bit flag，意味着当前的输入支持这个 standard,这样将所有驱动所支持的 standard 列举一个

//遍，就可以找到该输入所支持的所有 standard 了。

while ( == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {

if (standard.id & input.std)

printf (”%s\n”, standard.name);

standard.index++;

}

/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception.*/

if (errno != EINVAL || standard.index == ) {

perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

8. Video standards

相关函数：

v4l2_std_id std_id; //这个就是个64bit得数

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_standard *argp);

v4l2_standard结构体定义：

typedef u64 v4l2_std_id;

struct v4l2_standard {

u32 index;

v4l2_std_id id;

u8 name[];

struct v4l2_fract frameperiod; /* Frames, not fields */

u32 framelines;

u32 reserved[];

};

当然世界上现在有多个视频标准，如NTSC和PAL，他们又细分为好多种，那么我们的设备输入/输出究竟支持什么样的标准呢？我们的当前在使用的输入和输出正在使用的是哪个标准呢？我们怎么设置我们的某个输入输出使用的标准呢？这都是有方法的。

查询我们的输入支持什么标准，首先就得找到当前的这个输入的index，然后查出它的属性，在其属性里面可以得到该输入所支持的标准，将它所支持的各个标准与所有的标准的信息进行比较，就可以获知所支持的各个标准的属性。一个输入所支持的标准应该是一个集合，而这个集合是用bit与的方式用一个64位数字表示。因此我们所查到的是一个数字。

Example： Information about the current video standard v4l2_std_id std_id; //这个就是个64bit得数

struct v4l2_standard standard;

// VIDIOC_G_STD就是获得当前输入使用的standard，不过这里只是得到了该标准的id

// 即flag，还没有得到其具体的属性信息，具体的属性信息要通过列举操作来得到。

if (- == ioctl (fd, VIDIOC_G_STD, &std_id)) { //获得了当前输入使用的standard

// Note when VIDIOC_ENUMSTD always returns EINVAL this is no video device

// or it falls under the USB exception, and VIDIOC_G_STD returning EINVAL

// is no error.

perror (”VIDIOC_G_STD”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

memset (&standard, , sizeof (standard));

standard.index= ; //从第一个开始列举

// VIDIOC_ENUMSTD用来列举所支持的所有的video标准的信息，不过要先给standard

// 结构的index域制定一个数值，所列举的标 准的信息属性包含在standard里面，

// 如果我们所列举的标准和std_id有共同的bit，那么就意味着这个标准就是当前输

// 入所使用的标准，这样我们就得到了当前输入使用的标准的属性信息

while ( == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {

if (standard.id & std_id) {

printf (”Current video standard:%s\n”, standard.name);

exit (EXIT_SUCCESS);

}

standard.index++;

}

/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception.*/

if (errno == EINVAL || standard.index == ) {

perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

9. 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(memory mapping)和用户指针。这里只讨论内存映射(memory mapping)。

9.1 向设备申请缓冲区 VIDIOC_REQBUFS

相关函数：

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

　　相关结构体：

struct v4l2_requestbuffers

{

u32 count;// 缓冲区内缓冲帧的数目

enum v4l2_buf_type type; // 缓冲帧数据格式

enum v4l2_memory memory; // 区别是内存映射还是用户指针方式

u32 reserved[];

};

注：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

struct v4l2_requestbuffers req;

req.count=; req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;

ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);

9.2 获取缓冲帧的地址，长度：VIDIOC_QUERYBUF

相关函数：

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

　　相关结构体：

struct v4l2_buffer

{

u32 index;//buffer 序号

enum v4l2_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_field field;

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

struct v4l2_timecode timecode;

u32 sequence;// 队列中的序号

enum v4l2_memory memory; //IO 方式，被应用程序设置

union m

{

u32 offset;// 缓冲帧地址，只对MMAP 有效

unsignedlong userptr;

};

u32 length;// 缓冲帧长度

u32 input;

u32 reserved;

};

　　9.3 内存映射MMAP 及定义一个结构体来映射每个缓冲帧。

相关函数：

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。

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

if (!buffers) {

// 映射

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

exit (EXIT_FAILURE);

}

for (unsigned int n_buffers = ; n_buffers < req.count; ++n_buffers)

{

struct v4l2_buffer buf;

memset(&buf,,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 (- == ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf))

exit(-);

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(-);

}

10. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了

10.1 启动或停止数据流 VIDIOC_STREAMON， VIDIOC_STREAMOFF　　

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

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

10.2 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(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

　　例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流　　　　

unsigned int i;

enum v4l2_buf_type type;

for (i = ; i < ; ++i) // 将缓冲帧放入队列

{

struct v4l2_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);

// 这有个问题，这些buf 看起来和前面申请的buf 没什么关系，为什么呢?

　　例：获取一帧并处理　　

struct v4l2_buffer buf; CLEAR (buf);

buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; buf.memory= V4L2_MEMORY_MMAP;

ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF,&buf); // 从缓冲区取出一个缓冲帧

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

ioctl (fdVIDIOC_QBUF&buf); //