LINUX 下使用V4L2协议通过MMAP方式进行摄像头原始图像的采集与存储

原理

Linux内核用一个被称为V4L2的机制来管理摄像头图像信息。在内核中，摄像头所捕获的视频数据，我们可以通过一个队列来存储，当摄像头数据到来时，内核会查看队列中是否有缓冲区(v4l2_buffer)，若有缓冲区则将摄像头数据保存到缓冲区(v4l2_buffer)中,若没有缓冲区或所有的缓冲区被使用完则放弃此次摄像头传送过来的数据。

工作流程大致是这样的：

首先查询摄像头所支持的相关参数，然后配置好摄像头的相关参数，使之能正常工作。

然后申请3个内核缓冲区并且将它们一一送到队列中，就好比三个空盘子被一一放到传送带上一样。

然后开启视频流后，内核将开始读取摄像头数据，将数据逐个放到内核缓冲区(v4l2_buffer)中。

然后将其中一个缓冲区出队，就可以得到获取一帧摄像头数据了，之后我们再将该缓冲区重新入队。

然后我们还需要将这三个内核的缓存区通过mmap函数映射到用户空间，这样我们在用户层就可以操作摄像头数据了，紧接着我们就可以启动摄像头了开始数据捕获，每捕获一帧数据我们就可以做一个出队操作，读取数据，然后将读过数据的内核缓存再次入队，依次循环。

实现代码

#include#include#include#include#include#include#include#include//定义缓冲区类型指针staticstructBUFTYPE{//数据起始地址void *start;//数据长度int length;}*usr_buf; //定义缓冲区指针staticunsignedint buf_num = 4;//指定缓冲区个数staticint fd;//打开的设备fd/** * @brief init_camera 初始化相机设备属性 * @param dev 设备名称 * @return 成功返回0,失败返回-1 */intinit_camera(constchar* dev){    fd = open(dev, O_RDWR);if(fd < 0){printf("open \"%s\" error\n", dev);return-1;    }/**     * 查询设备属性     */structv4l2_capabilitycap;int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);if (ret < 0) {printf("VIDIOC_QUERYCAP error\n");return-1;    }printf("驱动名 : %s\n",cap.driver);printf("设备名字 : %s\n",cap.card);printf("总线信息 : %s\n",cap.bus_info);printf("驱动版本号 : %d\n",cap.version);if(cap.capabilities & V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE){ /*判断是否为视频捕获设备*/printf("\n\t视频捕获设备:");if(cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING){/*判断是否支持视频流捕获*/printf("支持视频流捕获\n");        }else{printf("不支持视频流捕获\n");        }    }else {printf("非视频流捕获设备\n");return-1;    }printf("查询支持的图像格式:\n");structv4l2_fmtdescfmtdesc;    fmtdesc.index=0;    fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;while(ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc) != -1)    {printf("\t%d.%s\n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);        fmtdesc.index++;    }/*设置格式*/structv4l2_formatfmt;    fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;//摄像头缓冲    fmt.fmt.pix.width = 640;    fmt.fmt.pix.height = 480;    fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_MJPEG;//像素格式(需要根据实际设备情况设置该参数)if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) < 0)    {printf("设置格式:V4L2_PIX_FMT_MJPEG 失败\n");return-1;    }return0;}/** * @brief mmap_buffer 分配用户缓冲区内存,并建立内存映射 * @return 成功返回0，失败返回-1 */intmmap_buffer(){/*分配用户空间缓冲区*/    usr_buf = (BUFTYPE*)calloc(buf_num, sizeof(BUFTYPE));if (!usr_buf) {printf("calloc \"frame buffer\" error : Out of memory\n");return-1;    }/*分配内核缓冲区,包含帧缓冲区的数量*/structv4l2_requestbuffersreq;    req.count = buf_num;                    //帧缓冲数量    req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; //视频捕获缓冲区类型    req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;          //内存映射方式if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) < 0) {printf("VIDIOC_REQBUFS 设置缓冲区失败\n");return-1;    }/*映射内核缓存区到用户空间缓冲区*/for(unsignedint i = 0; i < buf_num; ++i)    {/*查询内核缓冲区信息*/structv4l2_bufferv4l2_buf;memset(&v4l2_buf, 0, sizeof(v4l2_buf));        v4l2_buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;        v4l2_buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;        v4l2_buf.index = i;if(ioctl(fd , VIDIOC_QUERYBUF, &v4l2_buf) < 0){printf("VIDIOC_QUERYBUF failed\n");return-1;        }/* 建立映射关系         * 注意这里的索引号，v4l2_buf.index 与 usr_buf 的索引是一一对应的,         * 当我们将内核缓冲区出队时，可以通过查询内核缓冲区的索引来获取用户缓冲区的索引号，         * 进而能够知道应该在第几个用户缓冲区中取数据         */        usr_buf[i].length = v4l2_buf.length;        usr_buf[i].start = (char *)mmap(0, v4l2_buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, v4l2_buf.m.offset);if (MAP_FAILED == usr_buf[i].start){//若映射失败,打印错误printf("mmap failed: %d\n",i);return-1;        }else{if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buf) < 0){ // 若映射成功则将内核缓冲区入队printf("VIDIOC_QBUF failed\n");return-1;            }        }    }return0;}/** * @brief stream_on 开启视频流 * @return 成功返回0，失败返回-1 */intstream_on(){enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;if (ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type) < 0)    {printf("VIDIOC_STREAMON failed\n");return-1;    }return0;}/** * @brief write_frame 读取一帧图像 * @return  返回图像帧的索引index,读取失败返回-1 */intwrite_frame(){structv4l2_bufferv4l2_buf;    v4l2_buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;    v4l2_buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;if(ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &v4l2_buf) < 0) // 内核缓冲区出队列    {printf("VIDIOC_DQBUF failed, dropped frame\n");return-1;    }/*     * 因为内核缓冲区与用户缓冲区建立的映射，所以可以通过用户空间缓冲区直接访问这个缓冲区的数据     */char buffer[256];sprintf(buffer,"/home/fox/qt_project/build-qt_cpp-Debug/%d.mjpg",v4l2_buf.index);int file_fd = open(buffer,O_RDWR | O_CREAT); // 若打开失败则不存储该帧图像if(file_fd > 0){printf("正在保存第%d帧图像\n",v4l2_buf.index);        write(file_fd,usr_buf[v4l2_buf.index].start,v4l2_buf.bytesused);        close(file_fd);    }if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buf) < 0) //缓冲区重新入队    {printf("VIDIOC_QBUF failed, dropped frame\n");return-1;    }return v4l2_buf.index;}/** * @brief stream_off 关闭视频流 * @return 成功返回0,失败返回-1 */intstream_off(){/*关闭视频流*/enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;if(ioctl(fd,VIDIOC_STREAMOFF,&type) == -1)    {printf("Fail to ioctl 'VIDIOC_STREAMOFF'");return-1;    }return0;}/** * @brief unmap_buffer 解除缓冲区映射 * @return 成功返回0,失败返回-1 */intunmap_buffer(){/*解除内核缓冲区到用户缓冲区的映射*/for(unsignedint i = 0; i < buf_num; i++)    {int ret = munmap(usr_buf[i].start, usr_buf[i].length);if (ret < 0)        {printf("munmap failed\n");return-1;        }    }free(usr_buf); // 释放用户缓冲区内存return0;}/** * @brief release_camera 关闭设备 */voidrelease_camera(){    close(fd);}intmain(void){int ret = init_camera("/dev/video1");if(ret < 0){printf("init_camera error\n");return-1;    }    ret = mmap_buffer();if(ret < 0){printf("mmap_buffer error\n");return-1;    }    ret = stream_on();if(ret < 0){printf("stream_on error\n");return-1;    }for(int i=0;i<5;i++)    {        write_frame();    }    ret = stream_off();if(ret < 0){printf("stream_off error\n");return-1;    }    ret = unmap_buffer();if(ret < 0){printf("unmap_buffer error\n");return-1;    }    release_camera();return0;}

参考：

https://blog.51cto.com/vincent040/1748108