V4L2應用程序框架

V4L2 較V4L有較大的改動，並已成爲2.6的標準接口，函蓋video/dvb/FM...，多數驅動都在向V4l2遷移。更好地瞭解V4L2先從應用入手， 然後再深入到內核中結合物理設備／接口的規範實現相應的驅動。本文先就V4L2在視頻捕捉或camera方面的應用框架。

V4L2採用流水線的方式，操作更簡單直觀，基本遵循打開視頻設備、設置格式、處理數據、關閉設備，更多的具體操作通過ioctl函數來實現。

1.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
int cameraFd;
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);

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。

 

2. 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：

 int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, .../*args*/) ;

在進行V4L2開發中，常用的命令標誌符如下(some are optional)：

• VIDIOC_REQBUFS：分配內存
• VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的數據緩存轉換成物理地址
• VIDIOC_QUERYCAP：查詢驅動功能
• VIDIOC_ENUM_FMT：獲取當前驅動支持的視頻格式
• VIDIOC_S_FMT：設置當前驅動的頻捕獲格式
• VIDIOC_G_FMT：讀取當前驅動的頻捕獲格式
• VIDIOC_TRY_FMT：驗證當前驅動的顯示格式
• VIDIOC_CROPCAP：查詢驅動的修剪能力
• VIDIOC_S_CROP：設置視頻信號的邊框
• VIDIOC_G_CROP：讀取視頻信號的邊框
• VIDIOC_QBUF：把數據從緩存中讀取出來
• VIDIOC_DQBUF：把數據放回緩存隊列
• VIDIOC_STREAMON：開始視頻顯示函數
• VIDIOC_STREAMOFF：結束視頻顯示函數
• VIDIOC_QUERYSTD：檢查當前視頻設備支持的標準，例如PAL或NTSC。

2.1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) {
case V4L2_STD_NTSC:
//……
case V4L2_STD_PAL:
//……
}

2.2 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，結構如下：

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結構如下：
struct v4l2_format
{
enum v4l2_buf_type type;    // 數據流類型，必須永遠是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;         // 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
enum v4l2_field         field;
__u32                   bytesperline;    
__u32                   sizeimage;
enum v4l2_colorspace    colorspace;
__u32                   priv;       
};

2.3 分配內存

接下來可以爲視頻捕獲分配內存：

struct v4l2_requestbuffers  req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return -1;
}

v4l2_requestbuffers　結構如下：
struct v4l2_requestbuffers
{
__u32               count;  // 緩存數量，也就是說在緩存隊列裏保持多少張照片
enum v4l2_buf_type  type;   // 數據流類型，必須永遠是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 
enum v4l2_memory    memory; // V4L2_MEMORY_MMAP 或 V4L2_MEMORY_USERPTR
__u32               reserved[2];
};

2.4 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：

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;
// 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;
    }
}

2.5 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。

2.6 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：

struct v4l2_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;
}

3. 關閉視頻設備

使用close函數關閉一個視頻設備

close(cameraFd)

如果使用mmap,最後還需要使用munmap方法。