V4L2应用程序框架

V4L2是V4L的升级版本，linux下视频设备程序提供了一套接口规范。

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

struct v4l2_requestbuffers  //申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability      //视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input           //视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard        //视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format          //帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer          //驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop            //视频信号矩形边框
v4l2_std_id                 //视频制式


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;

req.count  = BUFFER_COUNT;
req.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

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;

v4l2_buffer     结构如下：
struct v4l2_buffer {
        __u32                 index;
        enum v4l2_buf_type    type;
        __u32                 bytesused;
        __u32                 flags;
        enum v4l2_field       field;
        struct timeval        timestamp;
        struct v4l2_timecode  timecode;
        __u32                 sequence;
        /* memory location */
        enum v4l2_memory      memory;
        union {
                __u32            offset;
                unsigned long  userptr;
        } m;
        __u32                   length;
        __u32                   input;
        __u32                   reserved;
};
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。






下面是damo程序（经过实际验证，修改了网上的例程的错误）
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#include
#include
#include
#include
#include            
#include             
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#include         
#include

#define CAMERA_DEVICE "/dev/video0"
#define CAPTURE_FILE "frame.jpg"

#define VIDEO_WIDTH 640
#define VIDEO_HEIGHT 480
#define VIDEO_FORMAT V4L2_PIX_FMT_YUYV
#define BUFFER_COUNT 4

typedef struct VideoBuffer {
    void   *start;
    size_t  length;
} VideoBuffer;

int main()
{
    int i, ret;

    // 打开设备
    int fd;
    fd = open(CAMERA_DEVICE, O_RDWR, 0);
    if (fd < 0) {
        printf("Open %s failed\n", CAMERA_DEVICE);
        return -1;
    }

    // 获取驱动信息
    struct v4l2_capability cap;
    ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);
    if (ret < 0) {
        printf("VIDIOC_QUERYCAP failed (%d)\n", ret);
        return ret;
    }
    // Print capability infomations
    printf("Capability Informations:\n");
    printf(" driver: %s\n", cap.driver);
    printf(" card: %s\n", cap.card);
    printf(" bus_info: %s\n", cap.bus_info);
    printf(" version: %08X\n", cap.version);
    printf(" capabilities: %08X\n", cap.capabilities);

    // 设置视频格式
    struct v4l2_format fmt;
    memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));
    fmt.type                = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    fmt.fmt.pix.width       = VIDEO_WIDTH;
    fmt.fmt.pix.height      = VIDEO_HEIGHT;
    fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
    fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED;
    ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
    if (ret < 0) {
        printf("VIDIOC_S_FMT failed (%d)\n", ret);
        return ret;
    }

    // 获取视频格式
    ret = ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);
    if (ret < 0) {
        printf("VIDIOC_G_FMT failed (%d)\n", ret);
        return ret;
    }
    // Print Stream Format
    printf("Stream Format Informations:\n");
    printf(" type: %d\n", fmt.type);
    printf(" width: %d\n", fmt.fmt.pix.width);
    printf(" height: %d\n", fmt.fmt.pix.height);
    char fmtstr[8];
    memset(fmtstr, 0, 8);
    memcpy(fmtstr, &fmt.fmt.pix.pixelformat, 4);
    printf(" pixelformat: %s\n", fmtstr);
    printf(" field: %d\n", fmt.fmt.pix.field);
    printf(" bytesperline: %d\n", fmt.fmt.pix.bytesperline);
    printf(" sizeimage: %d\n", fmt.fmt.pix.sizeimage);
    printf(" colorspace: %d\n", fmt.fmt.pix.colorspace);
    printf(" priv: %d\n", fmt.fmt.pix.priv);
    printf(" raw_date: %s\n", fmt.fmt.raw_data);

    // 请求分配内存
    struct v4l2_requestbuffers reqbuf;
    
    reqbuf.count = BUFFER_COUNT;
    reqbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    reqbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    
    ret = ioctl(fd , VIDIOC_REQBUFS, &reqbuf);
    if(ret < 0) {
        printf("VIDIOC_REQBUFS failed (%d)\n", ret);
        return ret;
    }

    // 获取空间
    VideoBuffer*  buffers = calloc( reqbuf.count, sizeof(*buffers) );
    struct v4l2_buffer buf;

    for (i = 0; i < reqbuf.count; i++)
    {
        buf.index = i;
        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
        ret = ioctl(fd , VIDIOC_QUERYBUF, &buf);
        if(ret < 0) {
            printf("VIDIOC_QUERYBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);
            return ret;
        }

        // mmap buffer
        framebuf[i].length = buf.length;
        framebuf[i].start = (char *) mmap(0, buf.length, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);
        if (framebuf[i].start == MAP_FAILED) {
            printf("mmap (%d) failed: %s\n", i, strerror(errno));
            return -1;
        }
    
        // Queen buffer
        ret = ioctl(fd , VIDIOC_QBUF, &buf);
        if (ret < 0) {
            printf("VIDIOC_QBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);
            return -1;
        }

        printf("Frame buffer %d: address=0x%x, length=%d\n", i, (unsigned int)framebuf[i].start, framebuf[i].length);
    }

    // 开始录制
    enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);
    if (ret < 0) {
        printf("VIDIOC_STREAMON failed (%d)\n", ret);
        return ret;
    }

    // Get frame
    ret = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);
    if (ret < 0) {
        printf("VIDIOC_DQBUF failed (%d)\n", ret);
        return ret;
    }

    // Process the frame
    FILE *fp = fopen(CAPTURE_FILE, "wb");
    if (fp < 0) {
        printf("open frame data file failed\n");
        return -1;
    }
    fwrite(framebuf[buf.index].start, 1, buf.length, fp);
    fclose(fp);
    printf("Capture one frame saved in %s\n", CAPTURE_FILE);

    // Re-queen buffer
    ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);
    if (ret < 0) {
        printf("VIDIOC_QBUF failed (%d)\n", ret);
        return ret;
    }

    // Release the resource
    for (i=0; i< 4; i++)
    {
        munmap(framebuf[i].start, framebuf[i].length);
    }

    close(fd);
    printf("Camera test Done.\n");
    return 0;
}
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附件：
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length);
参数说明：
——start：映射区的开始地址。
——length：映射区的长度。
——prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起
　　    —PROT_EXEC //页内容可以被执行
　　    —PROT_READ //页内容可以被读取
　　    —PROT_WRITE //页可以被写入
        —PROT_NONE //页不可访问
——flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体
　    —MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
　    —MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。
　    —MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。
　    —MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。
　    —MAP_EXECUTABLE //同上
　    —MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。
　    —MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。
　    —MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
　    —MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。
　    —MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。
　    —MAP_FILE //兼容标志，被忽略。
　    —MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
　    —MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。
　    —MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。
——fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。
——offset：被映射对象内容的起点。

返回值：
    成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。
    失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值。