V4L2视频编程框架

      V4L2较V4L有较大的改动，并已成为2.6的标准接口，函盖video/dvb/FM...，多数驱动都在向V4l2迁移。本文先就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：

// 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); 

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： 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)：

* 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。

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: 
           //…… 
           break;
    case V4L2_STD_PAL: 
           //…… 
           break;
} 

2.2 设置视频捕获格式。当检测完视频设备支持的视频标准后，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; 
} 

注释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;  
}; 

注释v4l2_pix_format如下：

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 
          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 
{ 
        __u32 count; // 缓存数量，也就是说在缓存队列里保持多少张照片 
        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]; 
}; 
struct v4l2_requestbuffers req;  
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) 
{ 
      return -1; 
} 

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：

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用户空间内存的地址，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。

A，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。

B，内存映射方式：把设备里的内存映射到应用程序中的内存空间，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。

C，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。

 

转自:http://blog.csdn.net/tumblerman/archive/2009/04/18/4089786.aspx