2019年12月2日Linux开发手记

开始学习在Linux下视频源捕获驱动框架，也就是V4L2（video4linux）,本次关于v4l2的知识准备主要在于其的官方例程，理解官方例程也就差不多掌握了v4l2的基本内容。例程在：http://blog.chinaunix.net/uid-23983143-id-3351976.html

知识准备：

v42视频编程的流程和对文件操作并没有什么本质的不同，大概的流程如下

1.打开视频设备(通常是/dev/video0)

2.获得设备信息。

3.根据需要更改设备的相关设置。

4.获得采集到的图像数据（在这里v4l提供了两种方式，直接通过打开的设备读取数据，使用mmap内存映射的方式获取数据）。

5.对采集到的数据进行操作（如显示到屏幕，图像处理，存储成图片文件）。

6.关闭视频设备。

知道了流程之后，我们就需要根据流程完成相应的函数。

第一步：

那么我们首先完成第1步打开视频设备，需要完成int v4l_open(char *, v4l_device *);

具体的函数如下

#define DEFAULT_DEVICE “/dev/video0”

int v4l_open(char *dev , v4l_device *vd)

{

if(!dev)dev= DEFAULT_DEVICE;

if((vd-fd=open(dev,O_RDWR))<0){perror(“v4l_open:”);return -1;}

if(v4l_get_capability(vd))return -1;

if(v4l_get_picture(vd))return -1;//这两个函数就是即将要完成的获取设备信息的函数

return 0

}

同样对于第6步也十分简单，就是int v4l_close(v4l_device *);的作用。

函数如下：

int v4l_close(v4l_device *vd)

{close(vd->fd);return 0;}

第二步：

现在我们完成第2步中获得设备信息的任务，下面先给出函数在对函数作出相应的说明。

int v4l_get_capability(v4l_device *vd)

{

if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGCAP, &(vd->capability)) < 0) {

perror("v4l_get_capability:");

return -1;

}

return 0;

}

int v4l_get_picture(v4l_device *vd)

{

if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGPICT, &(vd->picture)) < 0) {

perror("v4l_get_picture:");

return -1;

}

return 0;

}

对于以上两个函数我们不熟悉的地方可有vd->capability和vd->picture两个结构体，和这两个函数中最主要的语句ioctl。对于ioctl的行为它是由驱动程序提供和定义的，在这里当然是由v4l所定义的，其中宏VIDIOCGCAP和VIDIOCGPICT的分别表示获得视频设备的capability和picture。对于其他的宏功能定义可以在你的Linux系统中的/usr/include/linux/videodev.h中找到，这个头文件也包含了capability和picture的定义。例如：

struct video_capability

{

char name[32];

int type;

int channels;   /* Num channels */

int audios;      /* Num audio devices */

int maxwidth; /* Supported width *

int maxheight; /* And height */

int minwidth;  /* Supported width */

int minheight; /* And height */

};capability结构它包括了视频设备的名称，频道数，音频设备数，支持的最大最小宽度和高度等信息。

struct video_picture

{

__u16     brightness;

__u16     hue;

__u16     colour;

__u16     contrast;

__u16     whiteness;       /* Black and white only */

__u16     depth;            /* Capture depth */

__u16   palette;    /* Palette in use */

}picture结构包括了亮度，对比度，色深，调色板等等信息。头文件里还列出了palette相关的值，这里并没有给出。

了解了以上也就了解了这两个简单函数的作用，现在我们已经获取到了相关视频设备的capabilty和picture属性。

这里直接给出另外一个函数

int v4l_get_mbuf(v4l_device *vd)

{

if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGMBUG ,&(vd->mbuf)) < 0) {

perror("v4l_get_mbuf:");

return -1;

}

return 0;

}

对于结构体video_mbuf在v4l中的定义如下，video_mbuf结构体是为了服务使用mmap内存映射来获取图像的方法而设置的结构体，通过这个结构体可以获得摄像头设备存储图像的内存大小。具体的定义如下，各变量的使用也会在下文详细说明。

struct video_mbuf

{

int   size;        可映射的摄像头内存大小

int   frames;    摄像头可同时存储的帧数

int   offsets[VIDEO_MAX_FRAME];每一帧图像的偏移量

};

第三步：

下面完成第3步按照需要更改设备的相应设置，事实上可以更改的设置很多，本文以更改picture属性为例说明更改属性的一般方法。

那么我们就完成extern int v4l_set_picture(v4l_device *, int, int, int, int, int,);这个函数吧

int v4l_set_picture(v4l_device *vd,int br,int hue,int col,int cont,int white)

{

if(br) vd->picture.brightnesss=br;

if(hue) vd->picture.hue=hue;

if(col) vd->picture.color=col;

if(cont) vd->picture.contrast=cont;

if(white) vd->picture.whiteness=white;

if(ioctl(vd->fd,VIDIOCSPICT,&(vd->picture))<0)

{perror("v4l_set_picture: ");return -1;}

return 0;

}

上述函数就是更改picture相关属性的例子，其核心还是v4l给我们提供的ioctl的相关调用，通过这个函数可以修改如亮度，对比度等相关的值。

第4步获得采集到的图像数据。

这一步是使用v4l比较重要的一步，涉及到几个函数的编写。当然使用v4l就是为了要获得图像，所以这一步很关键，但是当你获得了图像数据后，还需要根据你想要达到的目的和具体情况做进一步的处理，也就是第5步所做的事情，这些内容将在后面第三部分提到。这里讲如何获得采集到的数据。

如前所述获得图像的方式有两种，分别是直接读取设备和使用mmap内存映射，而通常大家使用的方法都是后者。

1）.直接读取设备

直接读设备的方式就是使用read()函数，我们先前定义的

extern int v4l_grab_picture(v4l_device *, unsigned int);函数就是完成这个工作的，它的实现也很简单。

int v4l_grab_picture(v4l_device *vd, unsighed int size)

{

if(read(vd-fd,&(vd->map),size)==0)return -1;

return 0；

}

该函数的使用也很简单，就是给出图像数据的大小，vd->map所指向的数据就是图像数据。而图像数据的大小你要根据设备的属性自己计算获得。

2）.使用mmap内存映射来获取图像

在这部分涉及到下面几个函数，它们配合来完成最终图像采集的功能。

extern int v4l_mmap_init(v4l_device *);该函数把摄像头图像数据映射到进程内存中，也就是只要使用vd->map指针就可以使用采集到的图像数据（下文详细说明）

extern int v4l_grab_init(v4l_device *, int, int);该函数完成图像采集前的初始化工作。

extern int v4l_grab_frame(v4l_device *, int);该函数是真正完成图像采集的一步，在本文使用了一个通常都会使用的一个小技巧，可以在处理一帧数据时同时采集下一帧的数据，因为通常我们使用的摄像头都可以至少存储两帧的数据。

extern int v4l_grab_sync(v4l_device *);该函数用来完成截取图像的同步工作，在截取一帧图像后调用，返回表明一帧截取结束。

下面分别介绍这几个函数。

mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必在调用read()，write()等操作。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时访问进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。

采用共享内存通信的一个显而易见的好处是减少I/O操作提高读取效率，因为使用mmap后进程可以直接读取内存而不需要任何数据的拷贝。

mmap的函数原型如下

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

addr：共享内存的起始地址，一般设为0，表示由系统分配。

len:指定映射内存的大小。在我们这里，该值为摄像头mbuf结构体的size值，即图像数据的总大小。

port：指定共享内存的访问权限 PROT_READ(可读)，PROT_WRITE（可写）

flags：一般设置为MAP_SHARED

fd：同享文件的文件描述符。

介绍完了mmap的使用，就可以介绍上文中定义的函数extern int v4l_mmap_init(v4l_device *);了。先给出这个函数的代码，再做说明。

int v4l_mmap_init(v4l_device *vd)

{

if (v4l_get_mbuf(vd) < 0)

return -1;

if ((vd->map = mmap(0, vd->mbuf.size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, vd->fd, 0)) < 0) {

perror("v4l_mmap_init:mmap");

return -1;

}

return 0;

}

这个函数首先使用v4l_get_mbuf(vd)获得一个摄像头重要的参数，就是需要映射内存的大小，即vd->mbuf.size，然后调用mmap，当我们在编程是调用v4l_mmap_init后，vd.map指针所指向的内存空间即为我们将要采集的图像数据。

获得图像前的初始化工作v4l_grab_init();该函数十分简单直接粘上去，其中将。vd->frame_using[0]和vd->frame_using[1]都设为FALSE，表示两帧的截取都没有开始。

int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height)

{

vd->mmap.width = width;

vd->mmap.height = height;

vd->mmap.format = vd->picture.palette;

vd->frame_current = 0;

vd->frame_using[0] = FALSE;

vd->frame_using[1] = FALSE;

return v4l_grab_frame(vd, 0);

}

真正获得图像的函数extern int v4l_grab_frame(v4l_device *, int);

int v4l_grab_frame(v4l_device *vd, int frame)

{

if (vd->frame_using[frame]) {

fprintf(stderr, "v4l_grab_frame: frame %d is already used./n", frame);

return -1;

}

vd->mmap.frame = frame;

if (ioctl(vd->fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd->mmap)) < 0) {

perror("v4l_grab_frame");

return -1;

}

vd->frame_using[frame] = TRUE;

vd->frame_current = frame;

return 0;

}

读到这里，应该觉得这个函数也是相当的简单。最关键的一步即为调用ioctl(vd->fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd->mmap))，调用后相应的图像就已经获取完毕。其他的代码是为了完成双缓冲就是截取两帧图像用的，可以自己理解下。

在截取图像后还要进行同步操作，就是调用extern int v4l_grab_sync(v4l_device *);函数，该函数如下

int v4l_grab_sync(v4l_device *vd)

{

if (ioctl(vd->fd, VIDIOCSYNC, &(vd->frame_current)) < 0) {

perror("v4l_grab_sync");

}

vd->frame_using[vd->frame_current] = FALSE;

return 0;

}

该函数返回0说明你想要获取的图像帧已经获取完毕。

图像存在了哪里？

最终我们使用v4l的目的是为了获取设备中的图像，那么图像存在哪里？从上面的文章可以知道，vd.map指针所指就是你要获得的第一帧图像。图像的位置，存在vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current]处。其中vd.frame_current=0，即为第一帧的位置，vd.frame_current=1，为第二帧的位置