Linux V4L2之camera
一、硬件知识
1. 摄像头硬件结构和工作原理，如图1&图2
外部光线穿过lens镜头，经过红外滤光片后光学图像投射到传感器上，然后光学图像被转换成电信号，电信号再经过模数转换变为数字信号，数字信号经过DSP加工处理，
再被送到接收端进行处理，最终转换成屏幕上能够看到的图像。 其中：
1）滤光片作用：
a. 滤除红外线，滤除对可见光有干扰的红外光，使成像效果更清晰。
b. 修整进来的光线，感光芯片由感光体(CELL)构成,最好的光线是直射进来，但为了怕干扰到邻近感光体
就需要对光线加以修整，因此那片滤光片不是玻璃，而是石英片，利用石英的物理偏光特性，把进来
的光线保留直射部份，反射掉斜射部份，避免去影响旁边的感光点。
2）常见的sensor传感器主要有两种：
a. CCD传感器（Chagre Couled Device），即电荷耦合器。
b. CMOS传感器（Complementary Metal-Oxide Semiconductor），即互补性金属氧化物半导体。
CCD的优势在于成像质量好，但是制造工艺复杂，成本高昂，且耗电高。在相同分辨率下，CMOS价格
比CCD便宜，但图像质量相比CCD来说要低一些。CMOS影像传感器相对CCD具有耗电低的优势，加上随
着工艺技术的进步，CMOS的画质水平也不断地在提高，所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。
3）DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSING)：
主要是通过一系列复杂的数学算法运算，对数字图像信号参数进行优化处理，并把处理后的信号通过USB等接口传到PC等设备。结构框架: ISP(image signal processor)(镜像信号处理器)、JPEG encoder(JPEG图像解码器)、USB device controller(USB设备控制器)
对于低分辨率来说（300W像素以下）， 一般摄像头自带DSP/ISP处理模块，提供简单的自动白平衡、 gamma、sharpness等功能，而高分辨率或者需要提供更增强功能时，可以使用处理器自带的ISP模块（前提是处理器有）。
一般ISP支持输出YUV、RGB、JPEG格式。
2. 摄像头引脚作用&硬件连接：
目前摄像头接口主要采用MIPI CSI & DVP， 前者是串行（多组差分信号线）， 后者是并口传输（8/10bit）。 图3以DVP接口介绍各个引脚作用及硬件连接：
DVP分为三个部分：
1）输入总线：
a. data为sensor的数据管脚，可输出8/10bit并口数据到处理器接受端。
b. VSYNC为帧同步信号管脚，一个VSYNC信号结束表示一个画面的数据已经传输完毕。
c. HSYNC为行同步信号管脚，一个HSYNC信号结束表示一行的数据已经传输完毕。
p. PCLK为像素同步信号管脚，一个PCLK信号结束表示一个像素的数据（大小取决格式）已经传输完毕。
以上管脚的关系如下图：
2）输出总线 ：
a. PDN(power down enable), camera使能管脚，当PDN=1时， 一切对camera操作都是无效的。
b. RESET， 复位管脚， 低电平有效。
c. XCLK(MCLK)， sensor的工作时钟管脚，可由外部晶振或者处理器提供。
d. I2C总线， 处理器与sensor通信管脚， 用于配置sensor。
3）Power：
a. AVDD 模拟电压
b. DOVDD GPIO口数字电压
c. DVDD 核工作电压
二、成像原理
本节主要讲解目前主流的bayer格式图片的成像原理， bayer格式图片是伊士曼·柯达公司科学家Bryce Bayer发明的，Bryce Bayer所发明的拜耳阵列被广泛运用数字图像。
对于彩色图像，需要采集最基本的颜色，如RGB三种颜色，最简单的方法就是用滤镜的方法，红色的滤镜透过红色的波长，绿色的滤镜透过绿色的波长，蓝色的滤镜透过蓝色的波长。如果要同时采集三个基本色，则需要三块滤镜，这样价格昂贵，且不好制造，因为三块滤镜都必须保证每一个像素点都对齐。当用bayer格式的时候，很好的解决了这个问题。bayer 格式在每个像素（pixel）上只设置一种颜色滤镜，外部光线在每个像素点上存储是单色的， 因此经过ADC转换出来的原始数据称为RAW RGB DATA，通过分析人眼对颜色的感知发现，人眼对绿色比较敏感，所以一般bayer格式的图片绿色格式的像素是是R和B像素的和。
当Image Sensor往外逐行输出数据时，像素的序列为GRGRGR.../BGBGBG...（交替）。这样阵列的设计，使得RGB传感器为全色传感器的1/3。
每一个像素仅仅包括了光谱的一部分，必须通过插值来实现每个像素的RGB值。为了从Bayer格式得到每个像素的RGB格式，我们需要通过插值填补缺失的2个色彩。插值的方法有很多（包括领域、线性、3*3等），速度与质量权衡，最好是线性插值补偿算法。
从图5 Sensor 像素阵列来看， 存在4中分布格式：
对于图6（a）（b）来说， G像素的R、B分量分别取两个邻域的平均値，由于存在（a）（b）两种分布情况，所以直接去4个相邻域的平均値既是G像素的R&B分量。
对于图6（c）来说，R像素的G分量可以取4个相邻域的平均值，B分量取外围4个域的平均值。
对于图6（d）来说，B像素的G分量可以取4个相邻域的平均值，R分量取外围4个域的平均值。
当然， RAW RGB DATA也可以转换成YUV格式或者 先转成RGB再转换YUV，就不详解了......
三、V4L2软件架构
1. 概述
Video4 for Linux 2是Linux内核中关于视频设备的内核驱动框架，为上层的访问底层的视频设备提供了统一的接口。凡是内核中的子系统都有抽象底层硬件的差异，为上层提供统一的接口和提取出公共代码避免代码冗余等。 V4L2支持三类设备：视频输入输出设备、VBI设备和radio设备(其实还支持更多类型的设备，暂不讨论)，分别会在/dev目录下产生videoX、radioX和vbiX设备节点。 图7是V4L2在linux系统中的结构图：
Linux系统中视频输入设备主要包括以下四个部分：
字符设备驱动：V4L2本身就是一个字符设备，具有字符设备所有的特性，暴露接口给用户空间；
V4L2驱动核心：主要是构建一个内核中标准视频设备驱动的框架，为视频操作提供统一的接口函数；
平台V4L2设备驱动：在V4L2框架下，根据平台自身的特性实现与平台相关的V4L2驱动部分，包括注册video_device和v4l2_dev；
具体的sensor驱动：主要上电、提供工作时钟、视频图像裁剪、流IO开启等，实现各种设备控制方法供上层调用并注册v4l2_subdev。
2. 详解V4L2框架
v4L2的核心源码位于drivers/media/v4l2-core，根据功能可以划分为四类：
字符设备模块：由v4l2-dev.c实现，主要作用申请字符主设备号、注册class和提供video device注册注销等相关函数；
V4L2基础框架：由v4l2-device.c、v4l2-subdev.c、v4l2-fh.c、v4l2-ctrls.c等文件构建V4L2基础框架；
videobuf管理：由videobuf2-core.c、videobuf2-dma-contig.c、videobuf2-dma-sg.c、videobuf2-memops.c、videobuf2-vmalloc.c、v4l2-mem2mem.c等文件实现，完成videobuffer的分配、管理和注销；
Ioctl框架：由v4l2-ioctl.c文件实现，构建V4L2ioctl的框架。
2.1 V4L2基础框架如图8：
上图V4L2框架是一个标准的树形结构，v4l2_device充当了父设备，通过链表把所有注册到其下的子设备管理起来，这些设备可以是GRABBER、VBI或RADIO。V4l2_subdev是子设备，v4l2_subdev结构体包含了对设备操作的ops和ctrls，这部分代码和硬件相关，需要驱动工程师根据硬件实现控制上下电、读取ID、饱和度、对比度和视频数据流打开关闭等接口函数。Video_device用于创建子设备节点，把操作设备的接口暴露给用户空间。V4l2_fh是每个子设备的文件句柄，在打开设备节点文件时设置，方便上层索引到v4l2_ctrl_handler，v4l2_ctrl_handler管理设备的ctrls，这些ctrls(摄像头设备)包括调节饱和度、对比度和白平衡等。
结构体v4l2_device、video_device、v4l2_subdev和v4l2_ctrl_handler是构成框架的主要元素，现分别介绍：
1. struct v4l2_device ：
v4l2_device在v4l2框架中充当所有v4l2_subdev的父设备，管理着注册在其下的子设备
struct v4l2_device {
structlist_head subdevs; //用链表管理注册的subdev
charname[V4L2_DEVICE_NAME_SIZE]; //device 名字
structkref ref; //引用计数
.........
};
可以看出v4l2_device的主要作用是管理注册在其下的子设备，方便系统查找引用到。
v4l2_device的注册和注销：
int v4l2_device_register(struct device*dev, struct v4l2_device *v4l2_dev)
static void v4l2_device_release(struct kref *ref)
2. struct v4l2_subdev ：
v4l2_subdev代表子设备，包含了子设备的相关属性和操作。结构体原型：
struct v4l2_subdev {
struct v4l2_device *v4l2_dev; //指向父设备
conststruct v4l2_subdev_ops *ops; //提供一些控制v4l2设备的接口
conststruct v4l2_subdev_internal_ops *internal_ops; //向V4L2框架提供的接口函数
structv4l2_ctrl_handler *ctrl_handler; //subdev控制接口
charname[V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE];
struct video_device *devnode;
..........
};
每个子设备驱动都需要实现一个v4l2_subdev结构体，v4l2_subdev可以内嵌到其它结构体中，也可以独立使用。
结构体中包含了对子设备操作的成员v4l2_subdev_ops和v4l2_subdev_internal_ops
struct v4l2_subdev_ops {
const struct v4l2_subdev_core_ops *core; //视频设备通用的操作：初始化、加载FW、上电和RESET等
const struct v4l2_subdev_tuner_ops *tuner; //tuner特有的操作
const struct v4l2_subdev_audio_ops *audio; //audio特有的操作
const struct v4l2_subdev_video_ops *video; //视频设备的特有操作：裁剪图像、开关视频流等
const struct v4l2_subdev_pad_ops *pad;
..........
};
struct v4l2_subdev_internal_ops {
/* 当subdev注册时被调用，读取IC的ID来进行识别 */
int(*registered)(struct v4l2_subdev *sd);
void(*unregistered)(struct v4l2_subdev *sd);
/* 当设备节点被打开时调用，通常会给设备上电和设置视频捕捉FMT */
int(*open)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_subdev_fh *fh);
int(*close)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_subdev_fh *fh);
};
视频设备通常需要实现core和video成员，这两个OPS中的操作都是可选的，但是对于视频流设备video->s_stream(开启或关闭流IO)必须要实现。v4l2_subdev_internal_ops是向V4L2框架提供的接口，只能被V4L2框架层调用。在注册或打开子设备时，进行一些辅助性操作。
Subdev的注册和注销：
int v4l2_device_register_subdev(struct v4l2_device *v4l2_dev, struct v4l2_subdev *sd)
void v4l2_device_unregister_subdev(struct v4l2_subdev *sd)
3. struct video_device
video_device结构体用于在/dev目录下生成设备节点文件，把操作设备的接口暴露给用户空间
struct video_device
{
const struct v4l2_file_operations *fops; //V4L2设备操作集合
struct cdev *cdev; //字符设备
struct v4l2_device *v4l2_dev;
struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;
struct vb2_queue *queue; //指向video buffer队列
int vfl_type; /* device type */
intminor; //次设备号
/*ioctl回调函数集，提供file_operations中的ioctl调用 */
const struct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops;
..........
};
Video_device分配和释放, 用于分配和释放video_device结构体：
struct video_device *video_device_alloc(void)
void video_device_release(struct video_device *vdev)
video_device注册和注销，实现video_device结构体的相关成员后，就可以调用下面的接口进行注册：
static inline int __must_check video_register_device(struct video_device *vdev, inttype, int nr)
void video_unregister_device(struct video_device*vdev);
vdev：需要注册和注销的video_device；
type：设备类型，包括VFL_TYPE_GRABBER、VFL_TYPE_VBI、VFL_TYPE_RADIO和VFL_TYPE_SUBDEV。
nr：设备节点名编号，如/dev/video[nr]。
4. struct v4l2_ctrl_handler
v4l2_ctrl_handler是用于保存子设备控制方法集的结构体，结构体如下：
struct v4l2_ctrl_handler {
struct list_head ctrls;
struct list_head ctrl_refs;
struct v4l2_ctrl_ref *cached;
struct v4l2_ctrl_ref **buckets;
v4l2_ctrl_notify_fnc notify;
u16 nr_of_buckets;
int error;
};
其中成员ctrls作为链表存储包括设置亮度、饱和度、对比度和清晰度等方法，可以通过v4l2_ctrl_new_xxx()函数创建具体方法并添加到链表ctrls。
2.2 videobuf管理
在讲解v4l2的buffer管理前，先介绍v4l2的IO访问， V4L2支持三种不同IO访问方式(内核中还支持了其它的访问方式，暂不讨论)：
read和write：是基本帧IO访问方式，通过read读取每一帧数据，数据需要在内核和用户之间拷贝，这种方式访问速度可能会非常慢；
内存映射缓冲区(V4L2_MEMORY_MMAP)：是在内核空间开辟缓冲区，应用通过mmap()系统调用映射到用户地址空间。这些缓冲区可以是大而连续DMA缓冲区、通过vmalloc()创建的虚拟缓冲区，或者直接在设备的IO内存中开辟的缓冲区(如果硬件支持)；
用户空间缓冲区(V4L2_MEMORY_USERPTR)：是用户空间的应用中开辟缓冲区，用户与内核空间之间交换缓冲区指针。很明显，在这种情况下是不需要mmap()调用的，但驱动为有效的支持用户空间缓冲区，其工作将也会更困难。
read和write方式属于帧IO访问方式，每一帧都要通过IO操作，需要用户和内核之间数据拷贝，而后两种是流IO访问方式，不需要内存拷贝，访问速度比较快。内存映射缓冲区访问方式是比较常用的方式。
现以V4L2_MEMORY_MMAP简单介绍数据流通过程：
Camera sensor捕捉到图像数据通过并口或MIPI传输到CAMIF(camera interface)，CAMIF可以对图像数据进行调整(翻转、裁剪和格式转换等)。然后DMA控制器设置DMA通道请求AHB将图像数据传到分配好的DMA缓冲区。待图像数据传输到DMA缓冲区之后，mmap操作把缓冲区映射到用户空间，应用就可以直接访问缓冲区的数据。而为了使设备支持流IO这种方式，v4l2需要实现对video buffer的管理，即实现：
/* vb2_queue代表一个videobuffer队列，vb2_buffer是这个队列中的成员，vb2_mem_ops是缓冲内存的操作函数集，vb2_ops用来管理队列 */
struct vb2_queue {
enum v4l2_buf_type type; //buffer类型
unsigned int io_modes; //访问IO的方式:mmap、userptr etc
const struct vb2_ops *ops; //buffer队列操作函数集合
const struct vb2_mem_ops *mem_ops; //buffer memory操作集合
struct vb2_buffer *bufs[VIDEO_MAX_FRAME]; //代表每个frame buffer
unsignedint num_buffers; //分配的buffer个数
..........
};
/* vb2_mem_ops包含了内存映射缓冲区、用户空间缓冲区的内存操作方法 */
struct vb2_mem_ops {
void *(*alloc)(void *alloc_ctx, unsignedlong size); //分配视频缓存
void (*put)(void *buf_priv); //释放视频缓存
/* 获取用户空间视频缓冲区指针 */
void *(*get_userptr)(void *alloc_ctx, unsigned long vaddr, unsignedlong size, int write);
void (*put_userptr)(void *buf_priv); //释放用户空间视频缓冲区指针
/* 用于缓存同步 */
void (*prepare)(void *buf_priv);
void (*finish)(void *buf_priv);
/* 缓存虚拟地址 & 物理地址 */
void *(*vaddr)(void *buf_priv);
void *(*cookie)(void *buf_priv);
unsignedint (*num_users)(void *buf_priv); //返回当期在用户空间的buffer数
int (*mmap)(void *buf_priv, structvm_area_struct *vma); //把缓冲区映射到用户空间
..............
};
/* mem_ops由kernel自身实现并提供了三种类型的视频缓存区操作方法：连续的DMA缓冲区、集散的DMA缓冲区以及vmalloc创建的缓冲区，分别由videobuf2-dma-contig.c、videobuf2-dma-sg.c和videobuf-vmalloc.c文件实现，可以根据实际情况来使用。*/
/* vb2_ops是用来管理buffer队列的函数集合，包括队列和缓冲区初始化等 */
struct vb2_ops {
//队列初始化
int(*queue_setup)(struct vb2_queue *q, const struct v4l2_format *fmt,
unsigned int *num_buffers, unsigned int*num_planes,
unsigned int sizes[], void *alloc_ctxs[]);
//释放和获取设备操作锁
void(*wait_prepare)(struct vb2_queue *q);
void(*wait_finish)(struct vb2_queue *q);
//对buffer的操作
int(*buf_init)(struct vb2_buffer *vb);
int(*buf_prepare)(struct vb2_buffer *vb);
int(*buf_finish)(struct vb2_buffer *vb);
void(*buf_cleanup)(struct vb2_buffer *vb);
//开始/停止视频流
int(*start_streaming)(struct vb2_queue *q, unsigned int count);
int(*stop_streaming)(struct vb2_queue *q);
//把VB传递给驱动，以填充frame数据
void(*buf_queue)(struct vb2_buffer *vb);
};
一个frame buffer(vb2_buffer/v4l2_buffer)可以有三种状态：
1. 在驱动的输入队列中，驱动程序将会对此队列中的缓冲区进行处理，用户空间通过IOCTL:VIDIOC_QBUF 把缓冲区放入到队列。对于一个视频捕获设备，传入队列中的缓冲区是空的，驱动会往其中填充数据；
2. 在驱动的输出队列中，这些缓冲区已由驱动处理过，对于一个视频捕获设备，缓存区已经填充了视频数据，正等用户空间来认领；
3. 用户空间状态的队列，已经通过IOCTL:VIDIOC_DQBUF传出到用户空间的缓冲区，此时缓冲区由用户空 间拥有，驱动无法访问。
这三种状态的切换如下图所示：
最终落脚点的struct v4l2_buffer结构如下：
struct v4l2_buffer {
__u32 index; //buffer 序号
__u32 type; //buffer类型
__u32 bytesused; //缓冲区已使用byte数
structtimeval timestamp; //时间戳，代表帧捕获的时间
__u32 memory; //表示缓冲区是内存映射缓冲区还是用户空间缓冲区
union {
__u32 offset; //内核缓冲区的位置
unsignedlong userptr; //缓冲区的用户空间地址
structv4l2_plane *planes;
__s32 fd;
} m;
__u32 length; //缓冲区大小，单位byte
};
当用户空间拿到v4l2_buffer，可以获取到缓冲区的相关信息。Byteused是图像数据所占的字节数，如果是V4L2_MEMORY_MMAP方式，m.offset是内核空间图像数据存放的开始地址，会传递给mmap函数作为一个偏移，通过mmap映射返回一个缓冲区指针p，p+byteused是图像数据在进程的虚拟地址空间所占区域；如果是用户指针缓冲区的方式，可以获取的图像数据开始地址的指针m.userptr，userptr是一个用户空间的指针，userptr+byteused便是所占的虚拟地址空间，应用可以直接访问
2.3 Ioctl框架如图：
用户空间通过打开/dev/目录下的设备节点，获取到文件的file结构体，通过系统调用ioctl把cmd和arg传入到内核。通过一系列的调用后最终会调用到__video_do_ioctl函数，然后通过cmd检索v4l2_ioctls[]，判断是INFO_FL_STD还是INFO_FL_FUNC。如果是INFO_FL_STD会直接调用到视频设备驱动中video_device->v4l2_ioctl_ops函数集。如果是INFO_FL_FUNC会先调用到v4l2自己实现的标准回调函数，然后根据arg再调用到video_device->v4l2_ioctl_ops或v4l2_fh->v4l2_ctrl_handler函数集。
四、用户空间访问 camera & 示例程序
复制代码
/*
* V4L2 video capture example
*
* This program can be used and distributed without restrictions.
*
* This program is provided with the V4L2 API
* see http://linuxtv.org/docs.php for more information
*/
#include
#include
#include
#include
#include /* getopt_long() */
#include /* low-level i/o */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define CLEAR(x) memset(&(x), 0, sizeof(x))
enum io_method {
IO_METHOD_READ,
IO_METHOD_MMAP,
IO_METHOD_USERPTR,
};
struct buffer {
void *start;
size_t length;
};
static char *dev_name;
static enum io_method io = IO_METHOD_MMAP;
static int fd = -1;
struct buffer *buffers;
static unsigned int n_buffers;
static int out_buf;
static int force_format;
static int frame_count = 4;
static void errno_exit(const char *s)
{
fprintf(stderr, "%s error %d, %s\n", s, errno, strerror(errno));
exit(EXIT_FAILURE);
}
static int xioctl(int fh, int request, void *arg)
{
int r;
do {
r = ioctl(fh, request, arg);
} while (-1 == r && EINTR == errno);
return r;
}
static void process_image(const void *p, int size)
{
if (out_buf)
fwrite(p, size, 1, stdout);
fflush(stderr);
fprintf(stderr, ".");
fflush(stdout);
}
static void store_image(const char *buf_start, int size, int index)
{
char path[20];
snprintf(path, sizeof(path), "./yuyv%d.yuv", index);
int fd = open(path, O_WRONLY|O_CREAT, 00700);
if (-1 == fd) {
fprintf(stderr, "Cannot open '%s': %d, %s\n",
path, errno, strerror(errno));
exit(EXIT_FAILURE);
}
write(fd, buf_start, size);
close(fd);
}
static int read_frame(void)
{
struct v4l2_buffer buf;
unsigned int i;
switch (io) {
case IO_METHOD_READ:
if (-1 == read(fd, buffers[0].start, buffers[0].length)) {
switch (errno) {
case EAGAIN:
return 0;
case EIO:
/* Could ignore EIO, see spec. */
/* fall through */
default:
errno_exit("read");
}
}
process_image(buffers[0].start, buffers[0].length);
break;
case IO_METHOD_MMAP:
CLEAR(buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf)) {
switch (errno) {
case EAGAIN:
return 0;
case EIO:
/* Could ignore EIO, see spec. */
/* fall through */
default:
errno_exit("VIDIOC_DQBUF");
}
}
assert(buf.index < n_buffers);
//printf("buf.bytesused = %d\n", buf.bytesused);
process_image(buffers[buf.index].start, buf.bytesused);
store_image(buffers[buf.index].start, buf.bytesused, buf.index);
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
errno_exit("VIDIOC_QBUF");
break;
case IO_METHOD_USERPTR:
CLEAR(buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf)) {
switch (errno) {
case EAGAIN:
return 0;
case EIO:
/* Could ignore EIO, see spec. */
/* fall through */
default:
errno_exit("VIDIOC_DQBUF");
}
}
for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
if (buf.m.userptr == (unsigned long)buffers[i].start
&& buf.length == buffers[i].length)
break;
assert(i < n_buffers);
process_image((void *)buf.m.userptr, buf.bytesused);
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
errno_exit("VIDIOC_QBUF");
break;
}
return 1;
}
/* two operations
* step1 : delay
* step2 : read frame
*/
static void mainloop(void)
{
unsigned int count;
count = frame_count;
while (count-- > 0) {
for (;;) {
fd_set fds;
struct timeval tv;
int r;
FD_ZERO(&fds);
FD_SET(fd, &fds);
/* Timeout. */
tv.tv_sec = 2;
tv.tv_usec = 0;
r = select(fd + 1, &fds, NULL, NULL, &tv);
if (-1 == r) {
if (EINTR == errno)
continue;
errno_exit("select");
}
if (0 == r) {
fprintf(stderr, "select timeout\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (read_frame())
break;
/* EAGAIN - continue select loop. */
}
}
}
/*
* one operation
* step1 : VIDIOC_STREAMOFF
*/
static void stop_capturing(void)
{
enum v4l2_buf_type type;
switch (io) {
case IO_METHOD_READ:
/* Nothing to do. */
break;
case IO_METHOD_MMAP:
case IO_METHOD_USERPTR:
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type))
errno_exit("VIDIOC_STREAMOFF");
break;
}
}
/* tow operations
* step1 : VIDIOC_QBUF(insert buffer to queue)
* step2 : VIDIOC_STREAMOFF
*/
static void start_capturing(void)
{
unsigned int i;
enum v4l2_buf_type type;
switch (io) {
case IO_METHOD_READ:
/* Nothing to do. */
break;
case IO_METHOD_MMAP:
for (i = 0; i < n_buffers; ++i) {
struct v4l2_buffer buf;
CLEAR(buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = i;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
errno_exit("VIDIOC_QBUF");
}
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type))
errno_exit("VIDIOC_STREAMON");
break;
case IO_METHOD_USERPTR:
for (i = 0; i < n_buffers; ++i) {
struct v4l2_buffer buf;
CLEAR(buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;
buf.index = i;
buf.m.userptr = (unsigned long)buffers[i].start;
buf.length = buffers[i].length;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
errno_exit("VIDIOC_QBUF");
}
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type))
errno_exit("VIDIOC_STREAMON");
break;
}
}
/* two operations
* step1 : munmap buffers
* steo2 : free buffers
*/
static void uninit_device(void)
{
unsigned int i;
switch (io) {
case IO_METHOD_READ:
free(buffers[0].start);
break;
case IO_METHOD_MMAP:
for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
if (-1 == munmap(buffers[i].start, buffers[i].length))
errno_exit("munmap");
break;
case IO_METHOD_USERPTR:
for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
free(buffers[i].start);
break;
}
free(buffers);
}
static void init_read(unsigned int buffer_size)
{
buffers = calloc(1, sizeof(*buffers));
if (!buffers) {
fprintf(stderr, "Out of memory\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
buffers[0].length = buffer_size;
buffers[0].start = malloc(buffer_size);
if (!buffers[0].start) {
fprintf(stderr, "Out of memory\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
static void init_mmap(void)
{
struct v4l2_requestbuffers req;
CLEAR(req);
req.count = 4;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req)) {
if (EINVAL == errno) {
fprintf(stderr, "%s does not support "
"memory mapping\n", dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
} else {
errno_exit("VIDIOC_REQBUFS");
}
}
if (req.count < 2) {
fprintf(stderr, "Insufficient buffer memory on %s\n",
dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
}
buffers = calloc(req.count, sizeof(*buffers));
if (!buffers) {
fprintf(stderr, "Out of memory\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
for (n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {
struct v4l2_buffer buf;
CLEAR(buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = n_buffers;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf))
errno_exit("VIDIOC_QUERYBUF");
buffers[n_buffers].length = buf.length;
printf("buffers[%d].length=%d\n", n_buffers, buffers[n_buffers].length);
buffers[n_buffers].start =
mmap(NULL /* start anywhere */,
buf.length,
PROT_READ | PROT_WRITE /* required */,
MAP_SHARED /* recommended */,
fd, buf.m.offset);
if (MAP_FAILED == buffers[n_buffers].start)
errno_exit("mmap");
}
}
static void init_userp(unsigned int buffer_size)
{
struct v4l2_requestbuffers req;
CLEAR(req);
req.count = 4;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req)) {
if (EINVAL == errno) {
fprintf(stderr, "%s does not support "
"user pointer i/o\n", dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
} else {
errno_exit("VIDIOC_REQBUFS");
}
}
buffers = calloc(4, sizeof(*buffers));
if (!buffers) {
fprintf(stderr, "Out of memory\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
for (n_buffers = 0; n_buffers < 4; ++n_buffers) {
buffers[n_buffers].length = buffer_size;
buffers[n_buffers].start = malloc(buffer_size);
if (!buffers[n_buffers].start) {
fprintf(stderr, "Out of memory\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
}
/* five operations
* step1 : cap :query camera's capability and check it(is a video device? is it support read? is it support streaming?)
* step2 : cropcap:set cropcap's type and get cropcap by VIDIOC_CROPCAP
* step3 : set crop parameter by VIDIOC_S_CROP (such as frame type and angle)
* step4 : set fmt
* step5 : mmap
*/
static void init_device(void)
{
struct v4l2_capability cap;
struct v4l2_cropcap cropcap;
struct v4l2_crop crop;
struct v4l2_format fmt;
unsigned int min;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap)) {
if (EINVAL == errno) {
fprintf(stderr, "%s is no V4L2 device\n",
dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
} else {
errno_exit("VIDIOC_QUERYCAP");
}
}
if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)) {
fprintf(stderr, "%s is no video capture device\n",
dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
}
switch (io) {
case IO_METHOD_READ:
if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_READWRITE)) {
fprintf(stderr, "%s does not support read i/o\n",
dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
}
break;
case IO_METHOD_MMAP:
case IO_METHOD_USERPTR:
if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING)) {
fprintf(stderr, "%s does not support streaming i/o\n",
dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
}
break;
}
/* Select video input, video standard and tune here. */
CLEAR(cropcap);
cropcap.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
/* if device support cropcap's type then set crop */
if (0 == xioctl(fd, VIDIOC_CROPCAP, &cropcap)) {
crop.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
crop.c = cropcap.defrect; /* reset to default */
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_S_CROP, &crop)) {
switch (errno) {
case EINVAL:
/* Cropping not supported. */
break;
default:
/* Errors ignored. */
break;
}
}
} else {
/* Errors ignored. */
}
CLEAR(fmt);
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (force_format) {
fmt.fmt.pix.width = 640;
fmt.fmt.pix.height = 480;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
printf("set %d*%d YUYV format\n", fmt.fmt.pix.width, fmt.fmt.pix.height);
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt))
errno_exit("VIDIOC_S_FMT");
/* Note VIDIOC_S_FMT may change width and height. */
} else {
/* Preserve original settings as set by v4l2-ctl for example */
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt))
errno_exit("VIDIOC_G_FMT");
}
/* Buggy driver paranoia. */
min = fmt.fmt.pix.width * 2;
if (fmt.fmt.pix.bytesperline < min)
fmt.fmt.pix.bytesperline = min;
min = fmt.fmt.pix.bytesperline * fmt.fmt.pix.height;
if (fmt.fmt.pix.sizeimage < min)
fmt.fmt.pix.sizeimage = min;
switch (io) {
case IO_METHOD_READ:
init_read(fmt.fmt.pix.sizeimage);
break;
case IO_METHOD_MMAP:
init_mmap();
break;
case IO_METHOD_USERPTR:
init_userp(fmt.fmt.pix.sizeimage);
break;
}
}
/*
* close (fd)
*/
static void close_device(void)
{
if (-1 == close(fd))
errno_exit("close");
fd = -1;
}
/* three operations
* step 1 : check dev_name and st_mode
* step 2 : open(device)
*/
static void open_device(void)
{
struct stat st;
if (-1 == stat(dev_name, &st)) {
fprintf(stderr, "Cannot identify '%s': %d, %s\n",
dev_name, errno, strerror(errno));
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (!S_ISCHR(st.st_mode)) {
fprintf(stderr, "%s is no device\n", dev_name);
exit(EXIT_FAILURE);
}
fd = open(dev_name, O_RDWR /* required */ | O_NONBLOCK, 0);
if (-1 == fd) {
fprintf(stderr, "Cannot open '%s': %d, %s\n",
dev_name, errno, strerror(errno));
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
static void usage(FILE *fp, int argc, char **argv)
{
fprintf(fp,
"Usage: %s [options]\n\n"
"Version 1.3\n"
"Options:\n"
"-d | --device name Video device name [%s]\n"
"-h | --help Print this message\n"
"-m | --mmap Use memory mapped buffers [default]\n"
"-r | --read Use read() calls\n"
"-u | --userp Use application allocated buffers\n"
"-o | --output Outputs stream to stdout\n"
"-f | --format Force format to 640x480 YUYV\n"
"-c | --count Number of frames to grab [%i]\n"
"",
argv[0], dev_name, frame_count);
}
static const char short_options[] = "d:hmruofc:";
static const struct option
long_options[] = {
{ "device", required_argument, NULL, 'd' },
{ "help", no_argument, NULL, 'h' },
{ "mmap", no_argument, NULL, 'm' },
{ "read", no_argument, NULL, 'r' },
{ "userp", no_argument, NULL, 'u' },
{ "output", no_argument, NULL, 'o' },
{ "format", no_argument, NULL, 'f' },
{ "count", required_argument, NULL, 'c' },
{ 0, 0, 0, 0 }
};
int main(int argc, char **argv)
{
dev_name = "/dev/video0";
for (;;) {
int idx;
int c;
c = getopt_long(argc, argv,
short_options, long_options, &idx);
if (-1 == c)
break;
switch (c) {
case 0: /* getopt_long() flag */
break;
case 'd':
dev_name = optarg;
break;
case 'h':
usage(stdout, argc, argv);
exit(EXIT_SUCCESS);
case 'm':
io = IO_METHOD_MMAP;
break;
case 'r':
io = IO_METHOD_READ;
break;
case 'u':
io = IO_METHOD_USERPTR;
break;
case 'o':
out_buf++;
break;
case 'f':
force_format++;
break;
case 'c':
errno = 0;
frame_count = strtol(optarg, NULL, 0);
if (errno)
errno_exit(optarg);
break;
default:
usage(stderr, argc, argv);
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
open_device();
init_device();
start_capturing();
mainloop();
stop_capturing();
uninit_device();
close_device();
fprintf(stderr, "\n");
return 0;
}
/ # ./a.out -f
set 640*480 YUYV format
buffers[0].length=614400
buffers[1].length=614400
buffers[2].length=614400
buffers[3].length=614400
....
/ # sz yuyv2.yuv
用图片查看器“RawImageViewer.exe” ：（由于我的摄像头配置成扫码模式 所以是黑白图）
新增YUV分布存储数据示例：
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