V4L2视频采集操作流程和接口说明

背景：

　　V4L2是V4L的升级版本，为linux下视频设备程序提供了一套接口规范。包括一套数据结构和底层V4L2驱动接口。

《WAV文件格式分析》

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（可选）

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。

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);

V4L2 API及数据结构

1、常用的结构体在内核目录include/linux/videodev2.h中定义

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;//某一类型的控制
struct v4l2_control control;//具体控制的值

2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定义

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 //设置视频信号的矩形边框
VIDIOC_G_CROP //读取视频信号的矩形边框
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。

3、操作流程

V4L2提供了很多访问接口，你可以根据具体需要选择操作方法。需要注意的是，很少有驱动完全实现了所有的接口功能。所以在使用时需要参考驱动源码，或仔细阅读驱动提供者的使用说明。

下面列举出一种操作的流程，供参考。

（1）打开设备文件

int fd = open(Devicename,mode);

    Devicename：/dev/video0、/dev/video1 ……

     Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]

       如果使用非阻塞模式调用视频设备，则当没有可用的视频数据时，不会阻塞，而立刻返回。

（2）选择视频输入

struct v4l2_input input；

input.index = 0;

int ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_INPUT, &input);     

一个视频设备可以有多个视频输入。如果只有一路输入，这个功能可以没有。

（3）设置视频捕获格式

struct v4l2_format fmt;

fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_RGB32;

fmt.fmt.pix.height = height;

fmt.fmt.pix.width = width;

ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);

if(ret) {

　　perror("VIDIOC_S_FMT/n");

　　close(fd);

　　return -1;

}

（4）向驱动申请帧缓存

struct v4l2_requestbuffers  req;

if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
    return -1;
}

v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量，驱动会据此申请对应数量的视频缓存。多个缓存可以用于建立FIFO，来提高视频采集的效率。

( 5 )获取每个缓存的信息，并mmap到用户空间

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++) {//映射所有的缓存

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

    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

    buf.index = numBufs;

    if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {//获取到对应index的缓存信息，此处主要利用length信息及offset信息来完成后面的mmap操作。

        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;

    }

（6）开始采集视频

int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；

int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);

（7）取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存

struct v4l2_buffer buf;

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

buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;

buf.index=0;//此值由下面的ioctl返回

if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
    return -1;
}

根据返回的buf.index找到对应的mmap映射好的缓存，取出视频数据。

（8）将刚刚处理完的缓冲重新入队列尾，这样可以循环采集

if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {

    return -1;

}

（9）停止视频的采集

int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);

（10）关闭视频设备

close(fd);