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

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

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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