关于Linux下的视频采集编程

关于Linux下的视频采集编程

一.什么是video4linux
Video4linux2（简称V4L2),是linux中关于视频设备的内核驱动。在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头在/dev/video0下。

二、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
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,structv4l2_std_id,struct v4l2_format
5. 向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。structv4l2_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。mmap
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);

 

三、常用的结构体(参见/usr/include/linux/videodev2.h)：
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;//查询的控制
struct v4l2_control control;//具体控制的值

 

四、下面具体说明开发流程
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);

关于阻塞模式和非阻塞模式：
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：
extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, …) __THROW;

__fd：设备的ID，例如刚才用open函数打开视频通道后返回的cameraFd；
__request：具体的命令标志符。

在进行V4L2开发中，一般会用到以下的命令标志符：
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：设置当前驱动的视频捕获格式
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。
这些IO调用，有些是必须的，有些是可选择的。

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:
        //……
}

3.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：

struct v4l2_format    fmt;
memset ( &fmt, 0, sizeof(fmt) );
fmt.type               = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  //类型
fmt.fmt.pix.width      = 720;    //宽
fmt.fmt.pix.height     = 576;    //高
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;   //像素格式
fmt.fmt.pix.field      = V4L2_FIELD_INTERLACED;  //图片区域

if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) == -1)    //设置当前驱动的频捕获格式

{

  return -1;

}

v4l2_format结构体定义如下：

struct v4l2_format
{

    enum v4l2_buf_typetype;   // 数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE  

    union

    {

        structv4l2_pix_format    pix;

        structv4l2_window        win;

        structv4l2_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

      enumv4l2_field         field;

   __u32                  bytesperline;   

   __u32                  sizeimage;

      enum v4l2_colorspace   colorspace;

   __u32                  priv;      

};

4.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定义如下：

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

     enumv4l2_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];
};

 

5.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;

    }

}

6.关于视频采集方式

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。

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;
}

关闭视频设备

使用close函数关闭一个视频设备

close(cameraFd)

还需要使用munmap方法。

具体事例代码可参见本专栏资料实例