V4L2 API及数据结构

V4L2是V4L的升级版本，为linux下视频设备程序提供了一套接口规范。包括一套数据结构和底层V4L2驱动接口。

1、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            //视频信号矩形边框
        v4l2_std_id                 //视频制式

2、常用的IOCTL接口命令也在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           //设置视频信号的矩形边框
        VIDIOC_G_CROP           //读取视频信号的矩形边框
        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。

3、操作流程

V4L2提供了很多访问接口，你可以根据具体需要选择操作方法。需要注意的是，很少有驱动完全实现了所有的接口功能。所以在使用时需要参考驱动源码，或仔细阅读驱动提供者

的使用说明。

下面列举出一种操作的流程，供参考。

3.1  打开设备文件
     int fd = open(Devicename,mode);
         // Devicename：/dev/video0、/dev/video1 ……
         // Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]
如果使用非阻塞模式调用视频设备，则当没有可用的视频数据时，不会阻塞，而立刻返回。

3.2  取得设备的capability
     struct v4l2_capability capability；
     int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);
看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入特性。

3.3  选择视频输入
     struct v4l2_input input;
     ……      //初始化input
     int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);
一个视频设备可以有多个视频输入。如果只有一路输入，这个功能可以没有。

3.4  检测视频支持的制式
     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:
                        //……
     }

3.5  设置视频捕获格式
     struct v4l2_format fmt;

     fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
     fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_UYVY;
     fmt.fmt.pix.height      = height;
     fmt.fmt.pix.width       = width;
     fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED;
 
     ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
     if(ret)
     {
             perror("VIDIOC_S_FMT\n");
             close(fd);
             return -1;
     }

3.6  向驱动申请帧缓存
     struct v4l2_requestbuffers req;
     if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1)
     {
             return -1;
     }
v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量，驱动会据此申请对应数量的视频缓存。多个缓存可以用于建立FIFO，来提高视频采集的效率。

3.7  获取每个缓存的信息，并mmap到用户空间
     typedef struct VideoBuffer
     {
             void *start;
             size_t length;
     } VideoBuffer;

     VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );  //申请 req.count 个内存
     struct v4l2_buffer buf;

     for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++)  //映射所有的缓存
     {
             memset( &buf, 0, sizeof(buf) );
             buf.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
             buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
             buf.index  = numBufs;
             if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1)
             {       //获取到对应index的缓存信息，此处主要利用length信息及offset信息来完成后面的mmap操作。
                     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;
             }

     }

3.8  开始采集视频
     int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
     int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);

3.9  取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存
     struct v4l2_buffer buf;

     memset(&buf,0,sizeof(buf));

     buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
     buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
     buf.index=0;     //此值由下面的ioctl返回

     if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
     {
            return -1;
     }
根据返回的buf.index找到对应的mmap映射好的缓存，取出视频数据。

3.10  将刚刚处理完的缓冲重新入队列尾，这样可以循环采集
      if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1)
      {
              return -1;
      }

3.11  停止视频的采集
      int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);

3.12  关闭视频设备
      close(fd);