V4L2应用程序框架
来源:互联网 发布:java复试二面 编辑:程序博客网 时间:2024/05/20 18:41
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, ...) ;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://……case V4L2_STD_PAL://……}
2.2 设置视频捕获格式
当检测完视频设备支持的标准后,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;}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;};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RGBenum v4l2_field field;__u32 bytesperline; __u32 sizeimage;enum v4l2_colorspace colorspace;__u32 priv; };The overlay window is described by a struct v4l2_window. It defines the size of the image, its position over the graphics surface and the clipping to be applied. To get the current parameters applications set the type
field of a structv4l2_format to V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY
and call theVIDIOC_G_FMT
ioctl. The driver fills the v4l2_window substructure namedwin
. It is not possible to retrieve a previously programmed clipping list or bitmap.
2.3 分配内存
接下来可以为视频捕获分配内存:struct v4l2_requestbuffers req;if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {return -1;}v4l2_requestbuffers 结构如下: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];};
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。
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。
内存映射方式:把设备里的内存映射到应用程序中的内存控件,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。
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。
====EOF===============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
2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定义
VIDIOC_REQBUFS //分配内存
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。
(1)打开设备文件
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。
(2)取得设备的capability
看看设备具有什么功能,比如是否具有视频输入特性。
(3)选择视频输入
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。
(4)检测视频支持的制式
(5)设置视频捕获格式
(6)向驱动申请帧缓存
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。
(7)获取每个缓存的信息,并mmap到用户空间
(8)开始采集视频
(9)取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存
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。
(10)将刚刚处理完的缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集
(11)停止视频的采集
(12)关闭视频设备
四、 V4L2驱动框架
上述流程的各个操作都需要有底层V4L2驱动的支持。内核中有一些非常完善的例子。
比如:linux-2.6.26内核目录/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301视频驱动代码。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有实现。
1、V4L2驱动注册、注销函数
Video核心层(drivers/media/video/videodev.c)提供了注册函数
具体驱动只需要构建video_device结构,然后调用注册函数既可。
如:zc301_core.c中的
2、struct video_device 的构建
大家发现在这个zc301的驱动中并没有实现struct video_device中的很多操作函数,如:vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl实现了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再实现struct video_device中的那些操作了。
另一种实现方法如下:
static struct video_device camif_dev =