USB摄像头驱动配置及V4L2编程

来源：互联网发布：淘宝天猫京东入驻条件编辑：程序博客网时间：2024/05/28 05:18

1、摄像头驱动开发

1.1 摄像头软件系统架构

摄像头系统架构分为四层：
摄像头、支持V4L2的摄像头驱动、V4L2核心、应用程序。

V4L2核心是Linux系统自带的组件，它可以屏蔽摄像头驱动层的差异，不管底层的摄像头有什么差异，上层应用统一调用V4L2来实现对摄像头的操作。因此驱动程序和应用程序都需要遵循V4L2规范

1.2 摄像头驱动使能

#make menuconfig ARCH=arm

找到Device Drivers->Multimedia support,把Video for Linux和Video capture adaptes选上
进入Video capture adaptes，选中并进入V4L USB devices，选并中进入GSPCA based webcams，选中对应的摄像头驱动，如果是免驱的USB摄像头则勾选UVC即可

编译内核
#make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
拷贝uImage到/tftpboot/目录下

下载并启动linux内核：

往开发板上插入摄像头后，会弹出相应提示，同时使用ls /dev/可以查看是否有vedio的驱动文件，如果有则说明驱动开发成功。

2、V4L2编程

这部分转自http://blog.csdn.net/eastmoon502136/article/details/8190262

2.1 介绍

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:

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。

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。

下面的程序注释的很好，就拿来参考下：

2.2函数介绍

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：

[html] view plain copy
int fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR);// 打开设备  
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：

[html] view plain copy
structv4l2_capability  
{  
__u8 driver[16];     // 驱动名字  
__u8 card[32];       // 设备名字  
__u8bus_info[32]; // 设备在系统中的位置  
__u32 version;       // 驱动版本号  
__u32capabilities;  // 设备支持的操作  
__u32reserved[4]; // 保留字段  
};  
capabilities 常用值:  
V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE    // 是否支持图像获取  
   

例：显示设备信息

[html] view plain copy
structv4l2_capability cap;  
ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);  
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：

[html] view plain copy
VIDIOC_ENUM_FMT// 显示所有支持的格式  
int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);  
structv4l2_fmtdesc  
{  
__u32 index;   // 要查询的格式序号，应用程序设置  
enumv4l2_buf_type type;     // 帧类型，应用程序设置  
__u32 flags;    // 是否为压缩格式  
__u8       description[32];      // 格式名称  
__u32pixelformat; // 格式  
__u32reserved[4]; // 保留  
};  

例：显示所有支持的格式

[html] view plain copy
structv4l2_fmtdesc fmtdesc;  
fmtdesc.index=0;  
fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
printf("Supportformat:/n");  
while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)  
{  
printf("/t%d.%s/n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);  
fmtdesc.index++;  
}  

// 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

[html] view plain copy
VIDIOC_TRY_FMT  
int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_format *argp);  
structv4l2_format  
{  
enumv4l2_buf_type type;// 帧类型，应用程序设置  
union fmt  
{  
structv4l2_pix_format pix;// 视频设备使用  
structv4l2_window win;  
structv4l2_vbi_format vbi;  
structv4l2_sliced_vbi_format sliced;  
__u8raw_data[200];  
};  
};  

[html] view plain copy
structv4l2_pix_format  
{  
__u32 width;  // 帧宽，单位像素  
__u32 height;  // 帧高，单位像素  
__u32pixelformat; // 帧格式  
enum v4l2_fieldfield;  
__u32bytesperline;  
__u32 sizeimage;  
enumv4l2_colorspace colorspace;  
__u32 priv;  
};  

例：显示当前帧的相关信息

[html] view plain copy
structv4l2_format fmt;  
fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);  
printf(“Currentdata format information:  
/n/twidth:%d/n/theight:%d/n”,fmt.fmt.width,fmt.fmt.height);  
structv4l2_fmtdesc fmtdesc;  
fmtdesc.index=0;  
fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)  
{  
if(fmtdesc.pixelformat& fmt.fmt.pixelformat)  
{  
printf(“/tformat:%s/n”,fmtdesc.description);  
break;  
}  
fmtdesc.index++;  
}  

例：检查是否支持某种帧格式

[html] view plain copy
structv4l2_format fmt;  
fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB32;  
if(ioctl(fd,VIDIOC_TRY_FMT,&fmt)==-1)  
if(errno==EINVAL)  
printf(“notsupport format RGB32!/n”);  

6. 图像的缩放

[html] view plain copy
VIDIOC_CROPCAP  
int ioctl(int fd,int request, struct v4l2_cropcap *argp);  
structv4l2_cropcap  
{  
enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置  
struct v4l2_rectbounds;//     最大边界  
struct v4l2_rectdefrect;// 默认值  
structv4l2_fract pixelaspect;  
};  

// 设置缩放

[html] view plain copy
VIDIOC_G_CROP,VIDIOC_S_CROP  
int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_crop *argp);  
int ioctl(intfd, int request, const struct v4l2_crop *argp);  
struct v4l2_crop  
{  
enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置  
struct v4l2_rectc;  
}  

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

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VIDIOC_REQBUFS  
int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);  
structv4l2_requestbuffers  
{  
__u32 count;  // 缓冲区内缓冲帧的数目  
enumv4l2_buf_type type;     // 缓冲帧数据格式  
enum v4l2_memorymemory;       // 区别是内存映射还是用户指针方式  
__u32 reserved[2];  
};  
   
enum v4l2_memoy{V4L2_MEMORY_MMAP,V4L2_MEMORY_USERPTR};  
//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

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structv4l2_requestbuffers req;  
req.count=4;  
req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;  
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);

[html] view plain copy
structv4l2_buffer  
{  
__u32 index;   //buffer 序号  
enumv4l2_buf_type type;     //buffer 类型  
__u32 byteused;     //buffer 中已使用的字节数  
__u32 flags;    // 区分是MMAP 还是USERPTR  
enum v4l2_fieldfield;  
struct timevaltimestamp;// 获取第一个字节时的系统时间  
structv4l2_timecode timecode;  
__u32 sequence;// 队列中的序号  
enum v4l2_memorymemory;//IO 方式，被应用程序设置  
union m  
{  
__u32 offset;// 缓冲帧地址，只对MMAP 有效  
unsigned longuserptr;  
};  
__u32 length;// 缓冲帧长度  
__u32 input;  
__u32 reserved;  
};  

MMAP ，定义一个结构体来映射每个缓冲帧。

[html] view plain copy
Struct buffer  
{  
void* start;  
unsigned intlength;  
}*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。

[html] view plain copy
buffers =(buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers));  
if (!buffers) {  
fprintf (stderr,"Out of memory/n");  
exit(EXIT_FAILURE);  
}  

// 映射

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

8. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了

[html] view plain copy
// 启动/ 停止数据流  
VIDIOC_STREAMON,VIDIOC_STREAMOFF  
int ioctl(intfd, int request, const int *argp);  
//argp 为流类型指针，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.  
在开始之前，还应当把缓冲帧放入缓冲队列：  
VIDIOC_QBUF// 把帧放入队列  
VIDIOC_DQBUF// 从队列中取出帧  
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

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unsigned int i;  
enum v4l2_buf_typetype;  
// 将缓冲帧放入队列  
for (i = 0; i< 4; ++i)  
{  
structv4l2_buffer buf;  
buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;  
buf.index = i;  
ioctl (fd,VIDIOC_QBUF, &buf);  
}  
type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
ioctl (fd,VIDIOC_STREAMON, &type);  

例：获取一帧并处理

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structv4l2_buffer buf;  
CLEAR (buf);  
buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;  
// 从缓冲区取出一个缓冲帧  
ioctl (fd,VIDIOC_DQBUF, &buf);  
// 图像处理  
process_image(buffers[buf.index].start);  
// 将取出的缓冲帧放回缓冲区  
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。

3、实例代码

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <assert.h>#include <getopt.h>           #include <fcntl.h>            #include <unistd.h>#include <errno.h>#include <malloc.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/types.h>#include <sys/time.h>#include <sys/mman.h>#include <sys/ioctl.h> #include <asm/types.h>        #include <linux/videodev2.h>  struct buffer {        void *                  start;        size_t                  length;}; struct buffer *buffers;unsigned long  n_buffers;unsigned long file_length;int file_fd;char *dev_name = "/dev/video0";int fd;static int read_frame (void){     struct v4l2_buffer buf;          /*帧出列*/     buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;     buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;     ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);     write(file_fd,buffers[buf.index].start,buffers[buf.index].length);          /*buf入列*/     ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);     return 1;} int main (int argc,char ** argv){     struct v4l2_capability cap;     struct v4l2_format fmt;     struct v4l2_requestbuffers req;     struct v4l2_buffer buf;      unsigned int i;     enum v4l2_buf_type type;               file_fd = open("test.jpg", O_RDWR | O_CREAT, 0777);         fd = open (dev_name, O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);     /*获取驱动信息*/      ioctl (fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);      printf("Driver Name:%s\n Card Name:%s\n Bus info:%s\n\n",cap.driver,cap.card,cap.bus_info);               /*设置图像格式*/     fmt.type                = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;     fmt.fmt.pix.width       = 320;     fmt.fmt.pix.height      = 240;     fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED;     fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_MJPEG;     ioctl (fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) ;           /*申请图像缓冲区*/     req.count               = 4;     req.type                = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;     req.memory              = V4L2_MEMORY_MMAP;     ioctl (fd, VIDIOC_REQBUFS, &req);             buffers = calloc (req.count, sizeof (*buffers));           for (n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers)     {            /*获取图像缓冲区的信息*/           buf.type        = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;           buf.memory      = V4L2_MEMORY_MMAP;           buf.index       = n_buffers;            ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf);                         buffers[n_buffers].length = buf.length;                       // 把内核空间中的图像缓冲区映射到用户空间          buffers[n_buffers].start = mmap (NULL ,    //通过mmap建立映射关系                                        buf.length,                                        PROT_READ | PROT_WRITE ,                                        MAP_SHARED ,                                        fd,                                        buf.m.offset);     }             /*图像缓冲入队*/               for (i = 0; i < n_buffers; ++i)       {               buf.type        = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;               buf.memory      = V4L2_MEMORY_MMAP;               buf.index       = i;                ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf);                      }        //开始捕捉图像数据      type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;    ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type);   fd_set fds;   FD_ZERO (&fds);   FD_SET (fd, &fds);   select(fd + 1, &fds, NULL, NULL, NULL);      /*读取一幅图像*/   read_frame();   for (i = 0; i < n_buffers; ++i)      munmap (buffers[i].start, buffers[i].length);       close (fd);   close (file_fd);   printf("Camera Done.\n");   return 0;}

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