V4L2采集图像入门例子讲解

转自http://blog.csdn.net/crazyman2010/article/details/6055022，感谢作者分享

1. 定义

V4L2(Video For Linux 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(const char *device_name, int flags);



#include <unistd.h>

int close(int fd);

例：

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

相关函数：

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_capability *argp);

相关结构体：

struct v4l2_capability

{

__u8 driver[16]; // 驱动名字

__u8 card[32]; // 设备名字

__u8 bus_info[32]; // 设备在系统中的位置

__u32 version; // 驱动版本号

__u32 capabilities; // 设备支持的操作

__u32 reserved[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

struct v4l2_capability cap;

ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);

printf(“Driver Name:%s/nCard Name:%s/nBus info:%s/nDriver Version:%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：

VIDIOC_ENUM_FMT // 显示所有支持的格式

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);

struct v4l2_fmtdesc

{

__u32 index; // 要查询的格式序号，应用程序设置

enum v4l2_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

__u32 pixelformat; // 格式

__u32 reserved[4]; // 保留

};

例：显示所有支持的格式

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;

fmtdesc.index=0;

fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

printf("Support format:/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

VIDIOC_TRY_FMT

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_format *argp);

struct v4l2_format

{

enum v4l2_buf_type type;// 帧类型，应用程序设置

union fmt

{

struct v4l2_pix_format pix;// 视频设备使用

struct v4l2_window win;

struct v4l2_vbi_format vbi;

struct v4l2_sliced_vbi_format sliced;

__u8 raw_data[200];

};

};



struct v4l2_pix_format

{

__u32 width; // 帧宽，单位像素

__u32 height; // 帧高，单位像素

__u32 pixelformat; // 帧格式

enum v4l2_field field;

__u32 bytesperline;

__u32 sizeimage;

enum v4l2_colorspace colorspace;

__u32 priv;

};

例：显示当前帧的相关信息

struct v4l2_format fmt;

fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);

printf(“Current data format information:/n/twidth:%d/n/theight:%d/n”,fmt.fmt.width,fmt.fmt.height);

struct v4l2_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

struct v4l2_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(“not support format RGB32!/n”);



6. 图像的缩放

VIDIOC_CROPCAP

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_cropcap *argp);

struct v4l2_cropcap

{

enum v4l2_buf_type type;// 应用程序设置

struct v4l2_rect bounds;// 最大边界

struct v4l2_rect defrect;// 默认值

struct v4l2_fract pixelaspect;

};





// 设置缩放

VIDIOC_G_CROP,VIDIOC_S_CROP

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_crop *argp);

int ioctl(int fd, int request, const struct v4l2_crop *argp);

struct v4l2_crop

{

enum v4l2_buf_type type;// 应用程序设置

struct v4l2_rect c;

}



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 (memory mapping) ，用户指针。这里只讨论 memory mapping.

// 向设备申请缓冲区

VIDIOC_REQBUFS

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);

struct v4l2_requestbuffers

{

__u32 count; // 缓冲区内缓冲帧的数目

enum v4l2_buf_type type; // 缓冲帧数据格式

enum v4l2_memory memory; // 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

struct v4l2_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(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

struct v4l2_buffer

{

__u32 index; //buffer 序号

enum v4l2_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_field field;

struct timeval timestamp;// 获取第一个字节时的系统时间

struct v4l2_timecode timecode;

__u32 sequence; // 队列中的序号

enum v4l2_memory memory;//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 long userptr;

};

__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。

Struct buffer

{

void* start;

unsigned int length;

}*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。

buffers = (buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers));

if (!buffers) {

fprintf (stderr, "Out of memory/n");

exit (EXIT_FAILURE);

}

// 映射

for (unsigned int n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {

struct v4l2_buffer buf;

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

// 启动/ 停止数据流

VIDIOC_STREAMON,VIDIOC_STREAMOFF

int ioctl(int fd, 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(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流

unsigned int i;

enum v4l2_buf_type type;

// 将缓冲帧放入队列

for (i = 0; i < 4; ++i)

{

struct v4l2_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);



// 这有个问题，这些buf 看起来和前面申请的buf 没什么关系，为什么呢?





例：获取一帧并处理

struct v4l2_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);

 

 

V4L2视频采集的基本流程

嵌入式的Linux使用视频驱动V4L2（Video For Linux Two）来进行视频采集、输出。本文就V4L2的使用方式做简易说明。

视频采集的基本流程

一般的，视频采集都有如下流程：

 

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);

关于阻塞模式和非阻塞模式

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。

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：

extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, ...) __THROW;

__fd：设备的ID，例如刚才用open函数打开视频通道后返回的cameraFd；

__request：具体的命令标志符。

在进行V4L2开发中，一般会用到以下的命令标志符：

1. VIDIOC_REQBUFS：分配内存
2. VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
3. VIDIOC_QUERYCAP：查询驱动功能
4. VIDIOC_ENUM_FMT：获取当前驱动支持的视频格式
5. VIDIOC_S_FMT：设置当前驱动的频捕获格式
6. VIDIOC_G_FMT：读取当前驱动的频捕获格式
7. VIDIOC_TRY_FMT：验证当前驱动的显示格式
8. VIDIOC_CROPCAP：查询驱动的修剪能力
9. VIDIOC_S_CROP：设置视频信号的边框
10. VIDIOC_G_CROP：读取视频信号的边框
11. VIDIOC_QBUF：把数据从缓存中读取出来
12. VIDIOC_DQBUF：把数据放回缓存队列
13. VIDIOC_STREAMON：开始视频显示函数
14. VIDIOC_STREAMOFF：结束视频显示函数
15. VIDIOC_QUERYSTD：检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。

这些IO调用，有些是必须的，有些是可选择的。

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:
        //……
}

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：

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结构体定义如下：

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RGB
    enum v4l2_field         field;
    __u32                   bytesperline;   
    __u32                   sizeimage;
    enum v4l2_colorspace    colorspace;
    __u32                   priv;      
};

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定义如下：

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];
};

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;
    }
}

关于视频采集方式

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。

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;
}

关闭视频设备

使用close函数关闭一个视频设备

close(cameraFd)