【Linux开发】V4L2应用程序框架
V4L2应用程序框架
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。本文先就V4L2在视频捕捉或camera方面的应用框架。
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。
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(将v4l2驱动buffer向用户空间buffer映射,二者其实只使用了物理内存中的同一块空间)
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:

//分配用户空间的buffers
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,这个调用中会计算v4l2_buffer的大小,给buf.length赋值
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
return -1;
} buffers[numBufs].length = buf.length;
// 转换成相对地址,内核空间buffer映射到用户空间
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,这其实是内核空间中的V4L2驱动程序用一个数据结构将.count个buffer管理成一个FIFO
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空间,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(这里用ioctl调用执行VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF命令,可以驱动buffer FIFO的更新,即驱动摄像头连续采集视频)
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……:由于之前已经进行了映射,因此对用户内存空间中的buffer中的req.count个图像的处理,相当于对内核空间中v4l2驱动buffer中图像的操作。 //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。
(本文写的很好,思路清晰,把握主要脉络,简洁明了,直接引用,稍做注释与图示,但来源已不详)
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