和菜鸟一起学linux之V4L2摄像头应用流程

曾经终败给现在 2023-03-06 05:45 238阅读 0赞

对于v4l2，上次是在调试收音机驱动的时候用过，其他也就只是用i2c配置一些寄存器就可以了。那时只是粗粗的了解了，把收音机当作v4l2的设备后会在/dev目录下生成一个radio的节点。然后就可以操作了。后来就没怎么接触了。这周，需要调试下usb的摄像头。因为有问题，所以就要跟进，于是也就要开始学习下linux的v4l2了。看到一篇很不错的文章，下面参考这篇文章，加上自己的一些见解，做一些总结把。

Video for Linuxtwo(Video4Linux2)简称V4L2，是V4L的改进版。V4L2是linux操作系统下用于采集图片、视频和音频数据的API接口，配合适当的视频采集设备和相应的驱动程序，可以实现图片、视频、音频等的采集。在远程会议、可视电话、视频监控系统和嵌入式多媒体终端中都有广泛的应用。

在Linux下，所有外设都被看成一种特殊的文件，成为“设备文件”，可以象访问普通文件一样对其进行读写。一般来说，采用V4L2驱动的摄像头设备文件是/dev/video0。V4L2支持两种方式来采集图像：内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)。V4L2在include/linux/videodev.h文件中定义了一些重要的数据结构，在采集图像的过程中，就是通过对这些数据的操作来获得最终的图像数据。Linux系统V4L2的能力可在Linux内核编译阶段配置，默认情况下都有此开发接口。

而摄像头所用的主要是capature了，视频的捕捉，具体linux的调用可以参考下图。

![format_png][]

应用程序通过V4L2进行视频采集的原理

V4L2支持内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)来采集数据，前者一般用于连续视频数据的采集，后者常用于静态图片数据的采集，本文重点讨论内存映射方式的视频采集。

应用程序通过V4L2接口采集视频数据分为五个步骤：

首先，打开视频设备文件，进行视频采集的参数初始化，通过V4L2接口设置视频图像的采集窗口、采集的点阵大小和格式;

其次，申请若干视频采集的帧缓冲区，并将这些帧缓冲区从内核空间映射到用户空间，便于应用程序读取/处理视频数据;

第三，将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列排队，并启动视频采集;

第四，驱动开始视频数据的采集，应用程序从视频采集输出队列取出帧缓冲区，处理完后，将帧缓冲区重新放入视频采集输入队列，循环往复采集连续的视频数据;

第五，停止视频采集。

具体的程序实现流程可以参考下面的流程图:

![format_png 1][]

其实其他的都比较简单，就是通过ioctl这个接口去设置一些参数。最主要的就是buf管理。他有一个或者多个输入队列和输出队列。

启动视频采集后，驱动程序开始采集一帧数据，把采集的数据放入视频采集输入队列的第一个帧缓冲区，一帧数据采集完成，也就是第一个帧缓冲区存满一帧数据后，驱动程序将该帧缓冲区移至视频采集输出队列，等待应用程序从输出队列取出。驱动程序接下来采集下一帧数据，放入第二个帧缓冲区，同样帧缓冲区存满下一帧数据后，被放入视频采集输出队列。

应用程序从视频采集输出队列中取出含有视频数据的帧缓冲区，处理帧缓冲区中的视频数据，如存储或压缩。

最后，应用程序将处理完数据的帧缓冲区重新放入视频采集输入队列,这样可以循环采集，如图所示。

![format_png 2][]

每一个帧缓冲区都有一个对应的状态标志变量，其中每一个比特代表一个状态

V4L2\_BUF\_FLAG\_UNMAPPED 0B0000

V4L2\_BUF\_FLAG\_MAPPED 0B0001

V4L2\_BUF\_FLAG\_ENQUEUED 0B0010

V4L2\_BUF\_FLAG\_DONE 0B0100

缓冲区的状态转化如图所示。

![format_png 3][]

下面的程序注释的很好，就拿来参考下：

V4L2 编程

1. 定义

V4L2(Video ForLinux Two) 是内核提供给应用程序访问音、视频驱动的统一接口。

2. 工作流程：

打开设备－> 检查和设置设备属性－>设置帧格式－> 设置一种输入输出方法（缓冲区管理）－> 循环获取数据－> 关闭设备。

3. 设备的打开和关闭：

\#include<fcntl.h>

int open(constchar \*device\_name, int flags);

\#include <unistd.h>

int close(intfd);

例：

1.  `int fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR);// 打开设备`
2.  `close(fd);// 关闭设备`

注意：V4L2 的相关定义包含在头文件<linux/videodev2.h>中.

4. 查询设备属性： VIDIOC\_QUERYCAP

相关结构体：

1.  `structv4l2_capability`
2.  `{`
3.  `__u8 driver[16]; // 驱动名字`
4.  `__u8 card[32]; // 设备名字`
5.  `__u8bus_info[32]; // 设备在系统中的位置`
6.  `__u32 version; // 驱动版本号`
7.  `__u32capabilities; // 设备支持的操作`
8.  `__u32reserved[4]; // 保留字段`
9.  `};`
10. `capabilities 常用值:`
11. `V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE // 是否支持图像获取`

例：显示设备信息

1.  `structv4l2_capability cap;`
2.  `ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);`
3.  `printf(“DriverName:%s/nCard Name:%s/nBus info:%s/nDriverVersion:%u.%u.%u/n”,cap.driver,cap.card,cap.bus_info,(cap.version>>16)&0XFF,(cap.version>>8)&0XFF,cap.version&OXFF);`

5. 帧格式：

1.  `VIDIOC_ENUM_FMT// 显示所有支持的格式`
2.  `int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);`
3.  `structv4l2_fmtdesc`
4.  `{`
5.  `__u32 index; // 要查询的格式序号，应用程序设置`
6.  `enumv4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置`
7.  `__u32 flags; // 是否为压缩格式`
8.  `__u8 description[32]; // 格式名称`
9.  `__u32pixelformat; // 格式`
10. `__u32reserved[4]; // 保留`
11. `};`

例：显示所有支持的格式

1.  `structv4l2_fmtdesc fmtdesc;`
2.  `fmtdesc.index=0;`
3.  `fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
4.  `printf("Supportformat:/n");`
5.  `while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)`
6.  `{`
7.  `printf("/t%d.%s/n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);`
8.  `fmtdesc.index++;`
9.  `}`

// 查看或设置当前格式

VIDIOC\_G\_FMT,VIDIOC\_S\_FMT

// 检查是否支持某种格式

1.  `VIDIOC_TRY_FMT`
2.  `int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_format *argp);`
3.  `structv4l2_format`
4.  `{`
5.  `enumv4l2_buf_type type;// 帧类型，应用程序设置`
6.  `union fmt`
7.  `{`
8.  `structv4l2_pix_format pix;// 视频设备使用`
9.  `structv4l2_window win;`
10. `structv4l2_vbi_format vbi;`
11. `structv4l2_sliced_vbi_format sliced;`
12. `__u8raw_data[200];`
13. `};`
14. `};`

1.  `structv4l2_pix_format`
2.  `{`
3.  `__u32 width; // 帧宽，单位像素`
4.  `__u32 height; // 帧高，单位像素`
5.  `__u32pixelformat; // 帧格式`
6.  `enum v4l2_fieldfield;`
7.  `__u32bytesperline;`
8.  `__u32 sizeimage;`
9.  `enumv4l2_colorspace colorspace;`
10. `__u32 priv;`
11. `};`

例：显示当前帧的相关信息

1.  `structv4l2_format fmt;`
2.  `fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
3.  `ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);`
4.  `printf(“Currentdata format information:`
5.  `/n/twidth:%d/n/theight:%d/n”,fmt.fmt.width,fmt.fmt.height);`
6.  `structv4l2_fmtdesc fmtdesc;`
7.  `fmtdesc.index=0;`
8.  `fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
9.  `while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)`
10. `{`
11. `if(fmtdesc.pixelformat& fmt.fmt.pixelformat)`
12. `{`
13. `printf(“/tformat:%s/n”,fmtdesc.description);`
14. `break;`
15. `}`
16. `fmtdesc.index++;`
17. `}`

例：检查是否支持某种帧格式

1.  `structv4l2_format fmt;`
2.  `fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
3.  `fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB32;`
4.  `if(ioctl(fd,VIDIOC_TRY_FMT,&fmt)==-1)`
5.  `if(errno==EINVAL)`
6.  `printf(“notsupport format RGB32!/n”);`

6. 图像的缩放

1.  `VIDIOC_CROPCAP`
2.  `int ioctl(int fd,int request, struct v4l2_cropcap *argp);`
3.  `structv4l2_cropcap`
4.  `{`
5.  `enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置`
6.  `struct v4l2_rectbounds;// 最大边界`
7.  `struct v4l2_rectdefrect;// 默认值`
8.  `structv4l2_fract pixelaspect;`
9.  `};`

// 设置缩放

1.  `VIDIOC_G_CROP,VIDIOC_S_CROP`
2.  `int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_crop *argp);`
3.  `int ioctl(intfd, int request, const struct v4l2_crop *argp);`
4.  `struct v4l2_crop`
5.  `{`
6.  `enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置`
7.  `struct v4l2_rectc;`
8.  `}`

7. 申请和管理缓冲区，应用程序和设备有三种交换数据的方法，直接read/write ，内存映射(memorymapping) ，用户指针。这里只讨论 memorymapping.

// 向设备申请缓冲区

1.  `VIDIOC_REQBUFS`
2.  `int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);`
3.  `structv4l2_requestbuffers`
4.  `{`
5.  `__u32 count; // 缓冲区内缓冲帧的数目`
6.  `enumv4l2_buf_type type; // 缓冲帧数据格式`
7.  `enum v4l2_memorymemory; // 区别是内存映射还是用户指针方式`
8.  `__u32 reserved[2];`
9.  `};`
10.  
11. `enum v4l2_memoy{V4L2_MEMORY_MMAP,V4L2_MEMORY_USERPTR};`
12. `//count,type,memory都要应用程序设置`

例：申请一个拥有四个缓冲帧的缓冲区

1.  `structv4l2_requestbuffers req;`
2.  `req.count=4;`
3.  `req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
4.  `req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;`
5.  `ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);`

获取缓冲帧的地址，长度：

VIDIOC\_QUERYBUF

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2\_buffer \*argp);

1.  `structv4l2_buffer`
2.  `{`
3.  `__u32 index; //buffer 序号`
4.  `enumv4l2_buf_type type; //buffer 类型`
5.  `__u32 byteused; //buffer 中已使用的字节数`
6.  `__u32 flags; // 区分是MMAP 还是USERPTR`
7.  `enum v4l2_fieldfield;`
8.  `struct timevaltimestamp;// 获取第一个字节时的系统时间`
9.  `structv4l2_timecode timecode;`
10. `__u32 sequence;// 队列中的序号`
11. `enum v4l2_memorymemory;//IO 方式，被应用程序设置`
12. `union m`
13. `{`
14. `__u32 offset;// 缓冲帧地址，只对MMAP 有效`
15. `unsigned longuserptr;`
16. `};`
17. `__u32 length;// 缓冲帧长度`
18. `__u32 input;`
19. `__u32 reserved;`
20. `};`

MMAP ，定义一个结构体来映射每个缓冲帧。

1.  `Struct buffer`
2.  `{`
3.  `void* start;`
4.  `unsigned intlength;`
5.  `}*buffers;`

\#include<sys/mman.h>

void \*mmap(void\*addr, size\_t length, int prot, int flags, int fd, off\_t offset);

//addr 映射起始地址，一般为NULL ，让内核自动选择

//length 被映射内存块的长度

//prot 标志映射后能否被读写，其值为PROT\_EXEC,PROT\_READ,PROT\_WRITE,PROT\_NONE

//flags 确定此内存映射能否被其他进程共享，MAP\_SHARED,MAP\_PRIVATE

//fd,offset, 确定被映射的内存地址

返回成功映射后的地址，不成功返回MAP\_FAILED ((void\*)-1);

int munmap(void\*addr, size\_t length);// 断开映射

//addr 为映射后的地址，length 为映射后的内存长度

例：将四个已申请到的缓冲帧映射到应用程序，用buffers 指针记录。

1.  `buffers =(buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers));`
2.  `if (!buffers) {`
3.  `fprintf (stderr,"Out of memory/n");`
4.  `exit(EXIT_FAILURE);`
5.  `}`

// 映射

1.  `for (unsignedint n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {`
2.  `struct v4l2_bufferbuf;`
3.  `memset(&buf,0,sizeof(buf));`
4.  `buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
5.  `buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;`
6.  `buf.index =n_buffers;`
7.  `// 查询序号为n_buffers 的缓冲区，得到其起始物理地址和大小`
8.  `if (-1 == ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf))`
9.  `exit(-1);`
10. `buffers[n_buffers].length= buf.length;`
11. `// 映射内存`
12. `buffers[n_buffers].start=mmap (NULL,buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE ,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);`
13. `if (MAP_FAILED== buffers[n_buffers].start)`
14. `exit(-1);`
15. `}`

8. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了

1.  `// 启动/ 停止数据流`
2.  `VIDIOC_STREAMON,VIDIOC_STREAMOFF`
3.  `int ioctl(intfd, int request, const int *argp);`
4.  `//argp 为流类型指针，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.`
5.  `在开始之前，还应当把缓冲帧放入缓冲队列：`
6.  `VIDIOC_QBUF// 把帧放入队列`
7.  `VIDIOC_DQBUF// 从队列中取出帧`
8.  `int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_buffer *argp);`

例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流

1.  `unsigned int i;`
2.  `enum v4l2_buf_typetype;`
3.  `// 将缓冲帧放入队列`
4.  `for (i = 0; i< 4; ++i)`
5.  `{`
6.  `structv4l2_buffer buf;`
7.  `buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
8.  `buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;`
9.  `buf.index = i;`
10. `ioctl (fd,VIDIOC_QBUF, &buf);`
11. `}`
12. `type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
13. `ioctl (fd,VIDIOC_STREAMON, &type);`

例：获取一帧并处理

1.  `structv4l2_buffer buf;`
2.  `CLEAR (buf);`
3.  `buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;`
4.  `buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;`
5.  `// 从缓冲区取出一个缓冲帧`
6.  `ioctl (fd,VIDIOC_DQBUF, &buf);`
7.  `// 图像处理`
8.  `process_image(buffers[buf.index].start);`
9.  `// 将取出的缓冲帧放回缓冲区`
10. `ioctl (fd, VIDIOC_QBUF,&buf);`

至于驱动的实现，可以参考内核中，我是用usb摄像头的，所以，其实现都是好的。主要就是应用程序的实现了。驱动都哦在uvc目录下面，这个待理解。

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