V4L2 API详解 背景知识

www.linuxtv.org下，有篇文档详细讲解了V4L2相关知识和体系结构。是V4L2方面最全面的文档。可以通过它学习V4L2的一些思路和想法。

http://www.linuxtv.org/downloads/v4l-dvb-apis/index.html

文档包含的内容主要是Linux Kernel对 用户空间使用者提供的Video和Audio流Device. 包括video Cameras，模拟/数字电视接收器卡，AM/FM接受卡，流捕捉Device。

对V4L2 Device编程，通常包含以下步骤：

1. 打开Device。 

2. 改变devcie的特性，选择video或者audio 输入，video 标准，图像亮度等等。

3. 协商数据格式。

4. 协商输入/输入的方法。

5. 真实的输入/输出 Loop。

6. 关闭Device。

0.打开和关闭设备：

0.1: 设备名：

V4L2 driver以Kernel Modules形态实现，它在被root用户手动insmod 或者在设备首次被插入时被载入。driver 模块将被挂载在videodev模块下。

每个driver在载入是都会注册一个或多个主设备号为81，此设备号为0-255的device node.  如何分配次设备号，完全取决于root用户(SamInfo：其实不指定的话，系统也会自动分配没有被占用的次设备号)。这个方式的本意是为了解决device冲突。

模块的参数可以选择次设备号,此以设备名为前缀的的_nr中。例如：video_0表明/dev/video（0+Base）. 

其中,video的base为0。radio的base则为64。

#insmod mydriver.ko video_nr=0,1 radio_nr=0,1

1. 关联设备：

Device可以支持几个相关的功能，例如video Capture，video overlay （注1）和   VBI capturing相关联，因为其功能共享。video 输入设备和tuner也类似。V4L和早期版本的V4L2 对Video Capture 和Video Overlay采用同样的命名方式和同样范围的子设备号，但VBI设备则不同。这种方式有很多问题，更严重的是，   V4L videodev 禁止多重打开。

2. 设备的多次打开:

通常,V4L2设备可以被打开多次, 当驱动支持这个功能时,用户可以在其它应用程序捕捉Video或者Audio时,同时打开设备调节亮度或者音量.

多重打开功能是可选的,Driver至少应该支持用户在没有数据访问的情况下并发打开.

因为可以多重打开,所以理论上就应该可以设置优先级别( VIDIOC_G_PRIORITY和VIDIOC_S_PRIORITY ),优先级高的应用程序可以成功修改一些设置，优先级低的设备去修改时，则会报失败EBUSY。

3. 共享数据流(Shared Data Streams)

V4L2 driver 不支持多个应用程序通过copy buffer读写Device的同一个数据流。 非要这么干，可以使用在用户空间的代理程序。如果驱动支持流共享，那么其实现必须是透明的。V4L2 API 并没有列出产生冲突时要如何来解决。

4. 能力查询：（Querying Capabilites）

V4L2 包含很宽广的使用范围。 所以首先需要查询其设备能力集。

通常，使用ioctl  VIDIOC_QUERYCAP 来查询当前driver是否合乎规范。因为V4L2要求所有driver 和Device都支持这个Ioctl。 所以，可以通过这个ioctl是否成功来判断当前设备和dirver 是否支持V4L2规范。当然，这样同时还能够得到设备足够的能力信息。

struct v4l2_capability

{

 __u8 driver[16];   //驱动名。

 __u8 card[32];     // Device名

 __u8 bus_info[32];  //在Bus系统中存放位置

 __u32 version;      //driver 版本

 __u32 capabilities;  // 能力集

 __u32 reserved[4];

};

能力集中包含：

V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE 0x00000001     The device supports the Video    Capture interface.

V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT   0x00000002     The device supports the Video    Output interface.

V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY 0x00000004     The device supports the Video    Overlay interface.

A video overlay device typically stores captured images directly in the video memory   of a graphics card,with hardware clipping and scaling.

V4L2_CAP_VBI_CAPTURE     0x00000010 The device supports the Raw  VBI Capture interface, providing Teletext and Closed Caption   data.

V4L2_CAP_VBI_OUTPUT     0x00000020      The device supports the Raw  VBI Output interface.

V4L2_CAP_SLICED_VBI_CAPTURE  0x00000040 The device supports the Sliced VBI Capture interface.

V4L2_CAP_SLICED_VBI_OUTPUT   0x00000080 The device supports the Sliced VBI Output interface.

V4L2_CAP_RDS_CAPTURE    0x00000100          [to be defined]

#define V4L2_CAP_TUNER 0x00010000  

#define V4L2_CAP_AUDIO 0x00020000  

#define V4L2_CAP_RADIO 0x00040000  

#define V4L2_CAP_READWRITE 0x01000000  

#define V4L2_CAP_ASYNCIO 0x02000000  

#define V4L2_CAP_STREAMING 0x04000000  

看起来很熟悉吧，其实就是Driver里面的Type。

5.格式查选和设置：

这里的格式,其实是指抓到的每一帧数据的相关格式.例如: 长,宽,像素,field等。

5.1：得到当前格式：

VIDIOC_G_FMT。

ioctl(Handle, VIDIOC_G_FMT, &Format)

参数三：

与很多ioctl类似， 它是个in/out参数。

struct v4l2_format

{

 enum v4l2_buf_type type;

 union

 {

 struct v4l2_pix_format pix;

 struct v4l2_window win;

 struct v4l2_vbi_format vbi;

 struct v4l2_sliced_vbi_format sliced;

 __u8 raw_data[200];

 } fmt;

};

v4l2_buf_type  type; 输入信息，让用户选择是哪种类型的设备。这里又与Driver中对应起来了。

struct v4l2_pix_format pix;

struct v4l2_pix_format

{

 __u32 width;   //抓取桢的宽度

 __u32 height;   //桢高度

 __u32 pixelformat;  //像素格式。例如：V4L2_PIX_FMT_YUYV，V4L2_PIX_FMT_RGB332等。

 enum v4l2_field field; //image包含逐行数据还是隔行数据。如果是隔行数据，是奇行还是偶行(下一篇详细讲述)

 __u32 bytesperline; //每行多少字节，通过width,height,pixelformat可以算出

 __u32 sizeimage;    //每桢多少字节。也可以算出。但需要加入field信息才能算出

 enum v4l2_colorspace colorspace;

 __u32 priv;

};

好像首次取 sizeimage，可能会取到不正确的值。

5.2：设置Format:

VIDIOC_S_FMT:

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_S_FMT, &Format);

在设置之前，需要填写参数3Format内容.

例如;

Format.fmt.pix.width =  Width;

Format.fmt.pix.height = Height;

Format.fmt.pix.pixelformat= pixelformat;//V4L2_PIX_FMT_YUYV;

Format.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;

6. Streaming 信息得到和设置：

前面Format是单帧数据的设置。现在咱们需要设置和流有关的信息。如桢数。

6.1：得到当前Stream信息：

利用ioctl:

memset(&Stream_Parm, 0, sizeof(struct v4l2_streamparm));

Stream_Parm.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_G_PARM, &Stream_Parm);

与之前类似，关键还是在参数三：

struct v4l2_streamparm

{

  enum v4l2_buf_type type;

 union

 {

  struct v4l2_captureparm capture;

 struct v4l2_outputparm output;

 __u8 raw_data[200];

 } parm;

};

type是个in/out参数，咱们是Camera捕捉设备，所以选用 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE。

  struct v4l2_captureparm capture;

struct v4l2_captureparm

{

  __u32 capability;  // 功能标签。目前为止已经定义的只有一个V4L2_CAP_TIMEPERFRAME，它代表可以改变帧频率

 __u32 capturemode;    //一个标签的字段:V4L2_MODE_HIGHQUALITY,这个标签意在使硬件在高清模式下工作，实现单帧的捕获。这个模式可以做出任何的牺牲（包括支持的格式，曝光时间等），以达到设备可以处理的最佳图片质量。

  struct v4l2_fract timeperframe;

 __u32 extendedmode;// 它在API中没有明确的意义

 __u32 readbuffers;// read()操作被调用时内核应为输入的帧准备的缓冲区数量

 __u32 reserved[4];

};

调节的关键在  struct v4l2_fract timeperframe;

struct v4l2_fract {

 __u32 numerator;   //FPS的分子

 __u32 denominator; // FPS的分母

};

例如：  numerator=1,  denominator= 30. 则表明每秒30帧。

6.2：设置Stream Setting：

memset(&Stream_Parm, 0, sizeof(struct v4l2_streamparm));

Stream_Parm.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 

Stream_Parm.parm.capture.timeperframe.denominator =Denominator;;

Stream_Parm.parm.capture.timeperframe.numerator = Numerator;

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_S_PARM, &Stream_Parm);

注1：

Video Capture(视频捕捉)和Video overlay的区别：

vieo  overlay 不同于video capture，是指不需要对video信号的帧进行copy，直接将视频信号转化成显卡的VGA信号或者将捕获到的视频帧直接存放在显卡的内存中