V4L2视频驱动

V4L（video4linux是一些视频系统，视频软件、音频软件的基础，经常时候在需要采集图像的场合，如视频监控，webcam,可视电话，经常使用在embedded linux中是linux嵌入式开发中经常使用的系统接口。它是linux内核提供给用户空间的编程接口，各种的视频和音频设备开发相应的驱动程序后，就可以通过v4l提供的系统API来控制视频和音频设备，也就是说v4l分为两层，底层为音视频设备在内核中的驱动，上层为系统提供的API，而对于我们来说需要的就是使用这些系统API。

V4L2较V4L1有较大的改动，并已成为2.6的标准接口。下边先就V4L2在视频捕捉或camera方面的应用框架。

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：

int cameraFd;

cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR, 0); //用阻塞模式打开摄像头设备

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)即常用的IOCTL接口命令在include/linux/videodev2.h中定义：

   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。

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

    v4l2_std_id   //视频制式

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YUV422、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;

if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {

  return -1;

}

v4l2_requestbuffers　结构如下：

struct v4l2_requestbuffers

{

    __u32               count;  // 缓存数量

    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：

图1　摄像头内存映射示意图

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;

    }

}

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。

本程序中使用了mmap的读取图像的方法，缓存中仅申请了1帧图像空间。下图为调用V4L2获取摄像头图像的基本流程：

图2　V4L2读取摄像头图像流程图