V4L基础概念

 

1.video4linux基础相关
1.1 v4l的介绍与一些基础知识的介绍
I.首先说明一下video4linux(v4l)。
它是一些视频系统，视频软件，音频软件的基础，经常使用在需要采集图像的场合，如视频监控，webcam,可视电话，经常应用在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的API。
II.Linux系统中的文件操作
有关Linux系统中的文件操作不属于本文的内容。但是还是要了解相关系统调用的作用和使用方法。其中包括open()，read()，close()，ioctl()，mmap()。详细的使用不作说明。在Linux系统中各种设备（当然包括视频设备）也都是用文件的形式来使用的。他们存在与dev目录下，所以本质上说，在Linux中各种外设的使用（如果它们已经正确的被驱动），与文件操作本质上是没有什么区别的。
1.2 建立一套简单的v4l函数库
       这一节将一边介绍v4l的使用方法，一边建立一套简单的函数，应该说是一套很基本的函数，它完成很基本的够能但足够展示如何使用v4l。这些函数可以用来被其他程序使用，封装基本的v4l功能。本文只介绍一些和摄像头相关的编程方法，并且是最基础和最简单的，所以一些内容并没有介绍，一些与其他视频设备（如视频采集卡）和音频设备有关的内容也没有介绍，本人也不是很理解这方面的内容。
       这里先给出接下来将要开发出来函数的一个总览。
相关结构体和函数的定义我们就放到一个名为v4l.h的文件中，相关函数的编写就放在一个名为v4l.c的文件中把。
对于这个函数库共有如下的定义（也就是大体v4l.h中的内容）：
#ifndef _V4L_H_
#define _V4L_H_
#include <sys/types.h>
#include <linux/videodev.h> //使用v4l必须包含的头文件
这个头文件可以在/usr/include/linux下找到，里面包含了对v4l各种结构的定义，以及各种ioctl的使用方法，所以在下文中有关v4l的相关结构体并不做详细的介绍，可以参看此文件就会得到你想要的内容。
下面是定义的结构体，和相关函数，突然给出这么多的代码很唐突，不过随着一点点解释条理就会很清晰了。
struct _v4l_struct 
      {
         int fd;//保存打开视频文件的设备描述符
         struct video_capability capability;//该结构及下面的结构为v4l所定义可在上述头文件中找到
         struct video_picture picture;
         struct video_mmap mmap;
         struct video_mbuf mbuf;
         unsigned char *map;//用于指向图像数据的指针
              int frame_current;
         int frame_using[VIDEO_MAXFRAME];//这两个变量用于双缓冲在后面介绍。
      };
typedef struct _v4l_struct v4l_device;
//上面的定义的结构体，有的文中章有定义channel的变量，但对于摄像头来说设置这个变量意义不大通常只有一个channel，本文不是为了写出一个大而全且成熟的函数库，只是为了介绍如何使用v4l，再加上本人水平也有限，能够给读者一个路线我就很知足了,所以并没有设置这个变量同时与channel相关的函数也没有给出。
 
extern int v4l_open(char *, v4l_device *);
extern int v4l_close(v4l_device *);
extern int v4l_get_capability(v4l_device *);
extern int v4l_get_picture(v4l_device *);
extern int v4l_get_mbuf(v4l_device *);
extern int v4l_set_picture(v4l_device *, int, int, int, int, int,);
extern int v4l_grab_picture(v4l_device *, unsigned int); 
extern int v4l_mmap_init(v4l_device *);
extern int v4l_grab_init(v4l_device *, int, int);
extern int v4l_grab_frame(v4l_device *, int);
extern int v4l_grab_sync(v4l_device *);
上述函数会在下文中逐渐完成，功能也会逐渐介绍，虽然现在看起来没什么感觉只能从函数名上依稀体会它的功能，或许看起来很烦，不过看完下文就会好了。
前面已经说过使用v4l视频编程的流程和对文件操作并没有什么本质的不同，大概的流程如下：
       1.打开视频设备(通常是/dev/video0)
       2.获得设备信息。
       3.根据需要更改设备的相关设置。
       4.获得采集到的图像数据（在这里v4l提供了两种方式，直接通过打开的设备读取数据，使用mmap内存映射的方式获取数据）。
       5.对采集到的数据进行操作（如显示到屏幕，图像处理，存储成图片文件）。
       6.关闭视频设备。
知道了流程之后，我们就需要根据流程完成相应的函数。
 
那么我们首先完成第1步打开视频设备，需要完成int v4l_open(char *, v4l_device *);
具体的函数如下
#define DEFAULT_DEVICE “/dev/video0”
int v4l_open(char *dev , v4l_device *vd)
{
       if(!dev)dev= DEFAULT_DEVICE;
       if((vd-fd=open(dev,O_RDWR))<0){perror(“v4l_open:”);return -1;}
       if(v4l_get_capability(vd))return -1;
       if(v4l_get_picture(vd))return -1;//这两个函数就是即将要完成的获取设备信息的函数
       return 0
}
同样对于第6步也十分简单，就是int v4l_close(v4l_device *);的作用。
函数如下：
int v4l_close(v4l_device *vd)
{close(vd->fd);return 0;}
现在我们完成第2步中获得设备信息的任务，下面先给出函数在对函数作出相应的说明。
int v4l_get_capability(v4l_device *vd)
{   
   if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGCAP, &(vd->capability)) < 0) {   
      perror("v4l_get_capability:");   
      return -1;   
   }   
   return 0;   
}
int v4l_get_picture(v4l_device *vd)   
{   
   if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGPICT, &(vd->picture)) < 0) {   
      perror("v4l_get_picture:");   
      return -1;   
   }   
   return 0;   
}
对于以上两个函数我们不熟悉的地方可有vd->capability和vd->picture两个结构体，和这两个函数中最主要的语句ioctl。对于ioctl的行为它是由驱动程序提供和定义的，在这里当然是由v4l所定义的，其中宏VIDIOCGCAP和VIDIOCGPICT的分别表示获得视频设备的capability和picture。对于其他的宏功能定义可以在你的Linux系统中的/usr/include/linux/videodev.h中找到，这个头文件也包含了capability和picture的定义。例如：
struct video_capability
{
       char name[32];
       int type;
       int channels;   
       int audios;      
       int maxwidth; 
       int maxheight; 
       int minwidth; 
       int minheight; 
};capability结构它包括了视频设备的名称，频道数，音频设备数，支持的最大最小宽度和高度等信息。
struct video_picture
{
       __u16     brightness;
       __u16     hue;
       __u16     colour;
       __u16     contrast;
       __u16     whiteness;       
       __u16     depth;            
       __u16   palette;    
}picture结构包括了亮度，对比度，色深，调色板等等信息。头文件里还列出了palette相关的值，这里并没有给出。
       了解了以上也就了解了这两个简单函数的作用，现在我们已经获取到了相关视频设备的capabilty和picture属性。
这里直接给出另外一个函数
int v4l_get_mbuf(v4l_device *vd)   
{   
if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGMBUF ,&(vd->mbuf)) < 0) {   
      perror("v4l_get_mbuf:");   
      return -1;   
   }   
   return 0;   
}
int v4l_get_mbuf(v4l_device *vd)   
{   
if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGMBUF ,&(vd->mbuf)) < 0) {   
      perror("v4l_get_mbuf:");   
      return -1;   
   }   
   return 0;   
}
对于结构体video_mbuf在v4l中的定义如下，video_mbuf结构体是为了服务使用mmap内存映射来获取图像的方法而设置的结构体，通过这个结构体可以获得摄像头设备存储图像的内存大小。具体的定义如下，各变量的使用也会在下文详细说明。
struct video_mbuf
{
       int   size;        可映射的摄像头内存大小
       int   frames;    摄像头可同时存储的帧数
       int   offsets[VIDEO_MAX_FRAME];每一帧图像的偏移量
};
下面完成第3步按照需要更改设备的相应设置，事实上可以更改的设置很多，本文以更改picture属性为例说明更改属性的一般方法。
       那么我们就完成extern int v4l_set_picture(v4l_device *, int, int, int, int, int,);这个函数吧
int v4l_set_picture(v4l_device *vd,int br,int hue,int col,int cont,int white)
{
   if(br) vd->picture.brightnesss=br;
   if(hue) vd->picture.hue=hue;
   if(col) vd->picture.color=col;
   if(cont) vd->picture.contrast=cont;
   if(white) vd->picture.whiteness=white;
   if(ioctl(vd->fd,VIDIOCSPICT,&(vd->picture))<0)
   {perror("v4l_set_picture: ");return -1;}   
   return 0;
}
int v4l_get_mbuf(v4l_device *vd)   
{   
if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGMBUF ,&(vd->mbuf)) < 0) {   
      perror("v4l_get_mbuf:");   
      return -1;   
   }   
   return 0;   
}
对于结构体video_mbuf在v4l中的定义如下，video_mbuf结构体是为了服务使用mmap内存映射来获取图像的方法而设置的结构体，通过这个结构体可以获得摄像头设备存储图像的内存大小。具体的定义如下，各变量的使用也会在下文详细说明。
struct video_mbuf
{
       int   size;        可映射的摄像头内存大小
       int   frames;    摄像头可同时存储的帧数
       int   offsets[VIDEO_MAX_FRAME];每一帧图像的偏移量
};
下面完成第3步按照需要更改设备的相应设置，事实上可以更改的设置很多，本文以更改picture属性为例说明更改属性的一般方法。
       那么我们就完成extern int v4l_set_picture(v4l_device *, int, int, int, int, int,);这个函数吧
int v4l_set_picture(v4l_device *vd,int br,int hue,int col,int cont,int white)
{
   if(br) vd->picture.brightnesss=br;
   if(hue) vd->picture.hue=hue;
   if(col) vd->picture.color=col;
   if(cont) vd->picture.contrast=cont;
   if(white) vd->picture.whiteness=white;
   if(ioctl(vd->fd,VIDIOCSPICT,&(vd->picture))<0)
   {perror("v4l_set_picture: ");return -1;}   
   return 0;
}
上述函数就是更改picture相关属性的例子，其核心还是v4l给我们提供的ioctl的相关调用，通过这个函数可以修改如亮度，对比度等相关的值。