一.什麼是video4linux
Video4linux2（簡稱V4L2),是linux中關於視頻設備的內核驅動。在Linux中，視頻設備是設備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫，攝像頭在/dev/video0下。
二.一般操作流程（視頻設備）：
1.打開設備文件。 int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);
2.取得設備的capability，看看設備具有什麼功能，比如是否具有視頻輸入,或者音頻輸入輸出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability
3.設置視頻的制式和幀格式，制式包括PAL，NTSC，幀的格式個包括寬度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
4.向驅動申請幀緩衝，一般不超過5個。struct v4l2_requestbuffers
5.將申請到的幀緩衝映射到用戶空間，這樣就可以直接操作採集到的幀了，而不必去複製。mmap
6.將申請到的幀緩衝全部入隊列，以便存放採集到的數據.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer
7.開始視頻的採集。VIDIOC_STREAMON
8.出隊列以取得已採集數據的幀緩衝，取得原始採集數據。VIDIOC_DQBUF
9.將緩衝重新入隊列尾,這樣可以循環採集。VIDIOC_QBUF
10.停止視頻的採集。VIDIOC_STREAMOFF
11.關閉視頻設備。close(fd);
三、常用的結構體(參見/usr/include/linux/videodev2.h)：
struct v4l2_requestbuffers reqbufs;//向驅動申請幀緩衝的請求，裏面包含申請的個數
struct v4l2_capability cap;//這個設備的功能，比如是否是視頻輸入設備
struct v4l2_standard std;//視頻的制式，比如PAL，NTSC
struct v4l2_format fmt;//幀的格式，比如寬度，高度等
struct v4l2_buffer buf;//代表驅動中的一幀
v4l2_std_id stdid;//視頻制式，例如：V4L2_STD_PAL_B
struct v4l2_queryctrl query;//查詢的控制
struct v4l2_control control;//具體控制的值
下面具體說明開發流程（網上找的）
打開視頻設備
在V4L2中，視頻設備被看做一個文件。使用open函數打開這個設備：
//用非阻塞模式打開攝像頭設備
intcameraFd;
cameraFd= open(“/dev/video0″, O_RDWR| O_NONBLOCK, 0);
//如果用阻塞模式打開攝像頭設備，上述代碼變爲：
//cameraFd = open(”/dev/video0″, O_RDWR, 0);
關於阻塞模式和非阻塞模式
應用程序能夠使用阻塞模式或非阻塞模式打開視頻設備，如果使用非阻塞模式調用視頻設備，即使尚未捕獲到信息，驅動依舊會把緩存（DQBUFF）裏的東西返回給應用程序。
設定屬性及採集方式
打開視頻設備後，可以設置該視頻設備的屬性，例如裁剪、縮放等。這一步是可選的。在Linux編程中，一般使用ioctl函數來對設備的I/O通道進行管理：
extern intioctl(int__fd, unsigned long int__request, …) __THROW;
__fd：設備的ID，例如剛纔用open函數打開視頻通道後返回的cameraFd；
__request：具體的命令標誌符。
在進行V4L2開發中，一般會用到以下的命令標誌符：
1 VIDIOC_REQBUFS：分配內存
2 VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的數據緩存轉換成物理地址
3 VIDIOC_QUERYCAP：查詢驅動功能
4 VIDIOC_ENUM_FMT：獲取當前驅動支持的視頻格式
5 VIDIOC_S_FMT：設置當前驅動的頻捕獲格式
6 VIDIOC_G_FMT：讀取當前驅動的頻捕獲格式
7 VIDIOC_TRY_FMT：驗證當前驅動的顯示格式
8 VIDIOC_CROPCAP：查詢驅動的修剪能力
9 VIDIOC_S_CROP：設置視頻信號的邊框
10 VIDIOC_G_CROP：讀取視頻信號的邊框
11 VIDIOC_QBUF：把數據從緩存中讀取出來
12 VIDIOC_DQBUF：把數據放回緩存隊列
13 VIDIOC_STREAMON：開始視頻顯示函數
14 VIDIOC_STREAMOFF：結束視頻顯示函數
15 VIDIOC_QUERYSTD：檢查當前視頻設備支持的標準，例如PAL或NTSC。
這些IO調用，有些是必須的，有些是可選擇的。
檢查當前視頻設備支持的標準
在亞洲，一般使用PAL（720X576）制式的攝像頭，而歐洲一般使用NTSC（720X480），使用VIDIOC_QUERYSTD來檢測：
v4l2_std_id std;
do{
ret= ioctl(fd, VIDIOC_QUERYSTD, &std);
} while(ret== -1 && errno== EAGAIN);
switch(std) {
caseV4L2_STD_NTSC:
//……
caseV4L2_STD_PAL:
//……
}
設置視頻捕獲格式
當檢測完視頻設備支持的標準後，還需要設定視頻捕獲格式：
structv4l2_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結構體定義如下：
structv4l2_format
{
enumv4l2_buf_type type; //數據流類型，必須永遠是//V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
union
{
structv4l2_pix_format pix;
structv4l2_window win;
structv4l2_vbi_format vbi;
__u8 raw_data[200];
} fmt;
};
structv4l2_pix_format
{
__u32 width; //寬，必須是16的倍數
__u32 height; //高，必須是16的倍數
__u32 pixelformat; //視頻數據存儲類型，例如是//YUV4：2：2還是RGB
enumv4l2_field field;
__u32 bytesperline;
__u32 sizeimage;
enumv4l2_colorspace colorspace;
__u32 priv;
};
分配內存
接下來可以爲視頻捕獲分配內存：
structv4l2_requestbuffers req;
if(ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return-1;
}
v4l2_requestbuffers定義如下：
structv4l2_requestbuffers
{
__u32 count; //緩存數量，也就是說在緩存隊列裏保持多少張照片
enumv4l2_buf_type type; //數據流類型，必須永遠是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
enumv4l2_memory memory; // V4L2_MEMORY_MMAP或 V4L2_MEMORY_USERPTR
__u32 reserved[2];
};
獲取並記錄緩存的物理空間
使用VIDIOC_REQBUFS，我們獲取了req.count個緩存，下一步通過調用VIDIOC_QUERYBUF命令來獲取這些緩存的地址，然後使用mmap函數轉換成應用程序中的絕對地址，最後把這段緩存放入緩存隊列：
<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->
<!--[endif]-->
typedef structVideoBuffer{
void*start;
size_t length;
} VideoBuffer;
VideoBuffer* buffers= calloc( req.count, sizeof(*buffers) );
structv4l2_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;
//讀取緩存
if(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
return-1;
}
buffers[numBufs].length= buf.length;
//轉換成相對地址
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;
}
//放入緩存隊列
if(ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return-1;
}
}
關於視頻採集方式
操作系統一般把系統使用的內存劃分成用戶空間和內核空間，分別由應用程序管理和操作系統管理。應用程序可以直接訪問內存的地址，而內核空間存放的是供內核訪問的代碼和數據，用戶不能直接訪問。v4l2捕獲的數據，最初是存放在內核空間的，這意味着用戶不能直接訪問該段內存，必須通過某些手段來轉換地址。
一共有三種視頻採集方式：使用read、write方式；內存映射方式和用戶指針模式。
read、write方式:在用戶空間和內核空間不斷拷貝數據，佔用了大量用戶內存空間，效率不高。
內存映射方式：把設備裏的內存映射到應用程序中的內存控件，直接處理設備內存，這是一種有效的方式。上面的mmap函數就是使用這種方式。
用戶指針模式：內存片段由應用程序自己分配。這點需要在v4l2_requestbuffers裏將memory字段設置成V4L2_MEMORY_USERPTR。
處理採集數據
V4L2有一個數據緩存，存放req.count數量的緩存數據。數據緩存採用FIFO的方式，當應用程序調用緩存數據時，緩存隊列將最先採集到的 視頻數據緩存送出，並重新採集一張視頻數據。這個過程需要用到兩個ioctl命令,VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF：
structv4l2_buffer buf;
memset(&buf,0,sizeof(buf));
buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index=0;
//讀取緩存
if(ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return-1;
}
//…………視頻處理算法
//重新放入緩存隊列
if(ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return-1;
}
關閉視頻設備
使用close函數關閉一個視頻設備
close(cameraFd)
還需要使用munmap方法。
下面是代碼，加了一部分註釋：
//#加了點註釋
//#Rockie Cheng
#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>
#define CLEAR(x) memset (&(x), 0, sizeof (x))
struct buffer {
void * start;
size_t length;
};
static char * dev_name = "/dev/video0";//攝像頭設備名
static int fd = -1;
struct buffer * buffers = NULL;
static unsigned int n_buffers = 0;
FILE *file_fd;
static unsigned long file_length;
static unsigned char *file_name;
//////////////////////////////////////////////////////
//獲取一幀數據
//////////////////////////////////////////////////////
static int read_frame (void)
{
struct v4l2_buffer buf;
unsigned int i;
CLEAR (buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
int ff = ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);
if(ff<0)
printf("failture\n"); //出列採集的幀緩衝
assert (buf.index < n_buffers);
printf ("buf.index dq is %d,\n",buf.index);
fwrite(buffers[buf.index].start, buffers[buf.index].length, 1, file_fd); //將其寫入文件中
ff=ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf); //再將其入列
if(ff<0)
printf("failture VIDIOC_QBUF\n");
return 1;
}
int main (int argc,char ** argv)
{
struct v4l2_capability cap;
struct v4l2_format fmt;
unsigned int i;
enum v4l2_buf_type type;
file_fd = fopen("test-mmap.jpg", "w");//圖片文件名
fd = open (dev_name, O_RDWR /* required */ | O_NONBLOCK, 0);//打開設備
int ff=ioctl (fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);//獲取攝像頭參數
if(ff<0)
printf("failture VIDIOC_QUERYCAP\n");
struct v4l2_fmtdesc fmt1;
int ret;
memset(&fmt1, 0, sizeof(fmt1));
fmt1.index = 0;
fmt1.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
while ((ret = ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmt1)) == 0)
{
fmt1.index++;
printf("{ pixelformat = '%c%c%c%c', description = '%s' }\n",
fmt1.pixelformat & 0xFF, (fmt1.pixelformat >> 8) & 0xFF,
(fmt1.pixelformat >> 16) & 0xFF, (fmt1.pixelformat >> 24) & 0xFF,
fmt1.description);
}
CLEAR (fmt);
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width = 640;
fmt.fmt.pix.height = 480;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_JPEG;//V4L2_PIX_FMT_YUYV;//V4L2_PIX_FMT_YVU420;//V4L2_PIX_FMT_YUYV;
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
ff = ioctl (fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt); //設置圖像格式
if(ff<0)
printf("failture VIDIOC_S_FMT\n");
file_length = fmt.fmt.pix.bytesperline * fmt.fmt.pix.height; //計算圖片大小
struct v4l2_requestbuffers req;
CLEAR (req);
req.count = 1;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
ioctl (fd, VIDIOC_REQBUFS, &req); //申請緩衝，count是申請的數量
if(ff<0)
printf("failture VIDIOC_REQBUFS\n");
if (req.count < 1)
printf("Insufficient buffer memory\n");
buffers = calloc (req.count, sizeof (*buffers));//內存中建立對應空間
for (n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers)
{
struct v4l2_buffer buf; //驅動中的一幀
CLEAR (buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = n_buffers;
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf)) //映射用戶空間
printf ("VIDIOC_QUERYBUF error\n");
buffers[n_buffers].length = buf.length;
buffers[n_buffers].start =
mmap (NULL /* start anywhere */, //通過mmap建立映射關係
buf.length,
PROT_READ | PROT_WRITE /* required */,
MAP_SHARED /* recommended */,
fd, buf.m.offset);
if (MAP_FAILED == buffers[n_buffers].start)
printf ("mmap failed\n");
}
for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
{
struct v4l2_buffer buf;
CLEAR (buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = i;
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf))//申請到的緩衝進入列隊
printf ("VIDIOC_QBUF failed\n");
}
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type)) //開始捕捉圖像數據
printf ("VIDIOC_STREAMON failed\n");
for (;;) //這一段涉及到異步IO
{
fd_set fds;
struct timeval tv;
int r;
FD_ZERO (&fds);//將指定的文件描述符集清空
FD_SET (fd, &fds);//在文件描述符集合中增加一個新的文件描述符
/* Timeout. */
tv.tv_sec = 2;
tv.tv_usec = 0;
r = select (fd + 1, &fds, NULL, NULL, &tv);//判斷是否可讀（即攝像頭是否準備好），tv是定時
if (-1 == r) {
if (EINTR == errno)
continue;
printf ("select err\n");
}
if (0 == r) {
fprintf (stderr, "select timeout\n");
exit (EXIT_FAILURE);
}
if (read_frame ())//如果可讀，執行read_frame ()函數，並跳出循環
break;
}
unmap:
for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
if (-1 == munmap (buffers[i].start, buffers[i].length))
printf ("munmap error");
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (-1 == ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type))
printf("VIDIOC_STREAMOFF");
close (fd);
fclose (file_fd);
exit (EXIT_SUCCESS);
return 0;
}
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