Linux之V4L2基礎編程

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1. 定義

V4L2(Video For Linux Two) 是內核提供給應用程序訪問音、視頻驅動的統一接口。

2. 工作流程：

打開設備－> 檢查和設置設備屬性－> 設置幀格式－> 設置一種輸入輸出方法（緩衝 區管理）－> 循環獲取數據－> 關閉設備。

3. 設備的打開和關閉：

#include <fcntl.h>

int open(const char *device_name, int flags);

#include <unistd.h>

int clo se(int fd);

例：

int fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR); // 打開設備
close(fd); // 關閉設備

注意：V4L2 的相關定義包含在頭文件<linux/videodev2.h> 中.

4. 查詢設備屬性： VIDIOC_QUERYCAP

相關函數：

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

相關結構體：

struct v4l2_capability

{

u8 driver[16]; // 驅動名字
u8 card[32]; // 設備名字
u8 bus_info[32]; // 設備在系統中的位置
u32 version; // 驅動版本號
u32 capabilities; // 設備支持的操作
u32 reserved[4]; // 保留字段
};

capabilities 常用值:

V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE // 是否支持圖像獲取

例：顯示設備信息

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&0XFF);

5. 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。

相關函數：

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

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

相關結構體：

v4l2_cropcap 結構體用來設置攝像頭的捕捉能力，在捕捉上視頻時應先先設置

v4l2_cropcap 的 type 域，再通過 VIDIO_CROPCAP 操作命令獲取設備捕捉能力的參數，保存於 v4l2_cropcap 結構體中，包括 bounds（最大捕捉方框的左上角座標和寬高），defrect

（默認捕捉方框的左上角座標和寬高）等。

v4l2_format 結構體用來設置攝像頭的視頻制式、幀格式等，在設置這個參數時應先填 好 v4l2_format 的各個域，如 type（傳輸流類型），fmt.pix.width(寬)，

fmt.pix.heigth(高)，fmt.pix.field(採樣區域，如隔行採樣)，fmt.pix.pixelformat(採

樣類型，如 YUV4:2:2)，然後通過 VIDIO_S_FMT 操作命令設置視頻捕捉格式。如下圖所示：

5.1 查詢並顯示所有支持的格式：VIDIOC_ENUM_FMT

相關函數：

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

相關結構體：

struct v4l2_fmtdesc

{

u32 index; // 要查詢的格式序號，應用程序設置

enum v4l2_buf_type type; // 幀類型，應用程序設置
u32 flags; // 是否爲壓縮格式
u8 description[32]; // 格式名稱
u32 pixelformat; // 格式
u32 reserved[4]; // 保留
};

例：顯示所有支持的格式

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++;

}

5.2 查看或設置當前格式： VIDIOC_G_FMT, VIDIOC_S_FMT

檢查是否支持某種格式：VIDIOC_TRY_FMT

相關函數：

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

相關結構體：

struct v4l2_format

{

enum v4l2_buf_type type; // 幀類型，應用程序設置
union fmt

{

struct v4l2_pix_format pix; // 視頻設備使用

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; // 幀寬，單位像素
u32 height; // 幀高，單位像素
u32 pixelformat; // 幀格式

enum v4l2_field field;

u32 bytesperline;

u32 sizeimage;

enum v4l2_colorspace colorspace;

u32 priv;

};

例：顯示當前幀的相關信息

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.pix.width,fmt.fmt.pix.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.pix.pixelformat)

{

printf(“\tformat:%s\n”,fmtdesc.description);

break;

}

fmtdesc.index++;

}

例：檢查是否支持某種幀格式

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. 圖像的縮放 VIDIOC_CROPCAP

相關函數：

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

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

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

相關結構體：

Cropping 和 scaling 主要指的是圖像的取景範圍及圖片的比例縮放的支持。Crop 就 是把得到的數據作一定的裁剪和伸縮，裁剪可以只取樣我們可以得到的圖像大小的一部分， 剪裁的主要參數是位置、長度、寬度。而 scale 的設置是通過 VIDIOC_G_FMT 和 VIDIOC_S_FMT 來獲得和設置當前的 image 的長度，寬度來實現的。看下圖

我們可以假設 bounds 是 sensor 最大能捕捉到的圖像範圍，而 defrect 是設備默認 的最大取樣範圍，這個可以通過 VIDIOC_CROPCAP 的 ioctl 來獲得設備的 crap 相關的屬 性 v4l2_cropcap，其中的 bounds 就是這個 bounds，其實就是上限。每個設備都有個默 認的取樣範圍，就是 defrect，就是 default rect 的意思，它比 bounds 要小一些。這 個範圍也是通過 VIDIOC_CROPCAP 的 ioctl 來獲得的 v4l2_cropcap 結構中的 defrect 來表示的，我們可以通過 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP 來獲取和設置設備當前的 crop 設置。

6.1 設置設備捕捉能力的參數

相關函數：

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

相關結構體：

struct v4l2_cropcap

{

enum v4l2_buf_type type; // 數據流的類型，應用程序設置

struct v4l2_rect bounds; // 這是 camera 的鏡頭能捕捉到的窗口大小的侷限

struct v4l2_rect defrect; // 定義默認窗口大小，包括起點位置及長,寬的大小，大小以像素爲單位

struct v4l2_fract pixelaspect; // 定義了圖片的寬高比
};

6.2 設置窗口取景參數 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP

相關函數：

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

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

相關結構體：

struct v4l2_crop

{

enum v4l2_buf_type type;// 應用程序設置

struct v4l2_rect c;

}

7.video Inputs and Outputs

VIDIOC_G_INPUT 和 VIDIOC_S_INPUT 用來查詢和選則當前的 input，一個 video 設備 節點可能對應多個視頻源，比如 saf7113 可以最多支持四路 cvbs 輸入，如果上層想在四 個cvbs視頻輸入間切換，那麼就要調用 ioctl(fd, VIDIOC_S_INPUT, &input) 來切換。

VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回當前的 video input和output的index.

相關函數：

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_input *argp);

相關結構體：

struct v4l2_input {
__u32 index; /* Which input */
__u8 name[32]; /* Label */
__u32 type; /* Type of input */
__u32 audioset; /* Associated audios (bitfield) */
__u32 tuner; /* Associated tuner */
v4l2_std_id std;
__u32 status;
__u32 reserved[4];
};

我們可以通過VIDIOC_ENUMINPUT and VIDIOC_ENUMOUTPUT 分別列舉一個input或者 output的信息，我們使用一個v4l2_input結構體來存放查詢結果，這個結構體中有一個 index域用來指定你索要查詢的是第幾個input/ouput,如果你所查詢的這個input是當前正 在使用的，那麼在v4l2_input還會包含一些當前的狀態信息，如果所 查詢的input/output 不存在，那麼回返回EINVAL錯誤，所以，我們通過循環查找，直到返回錯誤來遍歷所有的 input/output. VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回當前的video input和output 的index.

例： 列舉當前輸入視頻所支持的視頻格式

struct v4l2_input input;

struct v4l2_standard standard;

memset (&input, 0, sizeof (input));

//首先獲得當前輸入的 index,注意只是 index，要獲得具體的信息，就的調用列舉操作

if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_INPUT, &input.index)) {

perror (”VIDIOC_G_INPUT”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

//調用列舉操作，獲得 input.index 對應的輸入的具體信息

if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input)) {

perror (”VIDIOC_ENUM_INPUT”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

printf (”Current input %s supports:\n”, input.name); memset (&standard, 0, sizeof (standard)); standard.index = 0;

//列舉所有的所支持的 standard，如果 standard.id 與當前 input 的 input.std 有共同的
bit flag，意味着當前的輸入支持這個 standard,這樣將所有驅動所支持的 standard 列舉一個

遍，就可以找到該輸入所支持的所有 standard 了。

while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {

if (standard.id & input.std)

printf (”%s\n”, standard.name);

standard.index++;

}

/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception. */

if (errno != EINVAL || standard.index == 0) {

perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

8. Video standards

相關函數：

v4l2_std_id std_id; //這個就是個64bit得數

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_standard *argp);

相關結構體：

typedef u64 v4l2_std_id;

struct v4l2_standard {

u32 index;

v4l2_std_id id;

u8 name[24];

struct v4l2_fract frameperiod; /* Frames, not fields */

u32 framelines;

u32 reserved[4];

};

當然世界上現在有多個視頻標準，如NTSC和PAL，他們又細分爲好多種，那麼我們的設 備輸入/輸出究竟支持什麼樣的標準呢？我們的當前在使用的輸入和輸出正在使用的是哪 個標準呢？我們怎麼設置我們的某個輸入輸出使用的標準呢？這都是有方法的。

查詢我們的輸入支持什麼標準，首先就得找到當前的這個輸入的index，然後查出它的 屬性，在其屬性裏面可以得到該輸入所支持的標準，將它所支持的各個標準與所有的標準 的信息進行比較，就可以獲知所支持的各個標準的屬性。一個輸入所支持的標準應該是一 個集合，而這個集合是用bit與的方式用一個64位數字表示。因此我們所查到的是一個數字。

Example： Information about the current video standard v4l2_std_id std_id; //這個就是個64bit得數

struct v4l2_standard standard;

// VIDIOC_G_STD就是獲得當前輸入使用的standard，不過這裏只是得到了該標準的id

// 即flag，還沒有得到其具體的屬性信息，具體的屬性信息要通過列舉操作來得到。

if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_STD, &std_id)) { //獲得了當前輸入使用的standard

// Note when VIDIOC_ENUMSTD always returns EINVAL this is no video device

// or it falls under the USB exception, and VIDIOC_G_STD returning EINVAL

// is no error.
perror (”VIDIOC_G_STD”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

memset (&standard, 0, sizeof (standard));

standard.index = 0; //從第一個開始列舉

// VIDIOC_ENUMSTD用來列舉所支持的所有的video標準的信息，不過要先給standard

// 結構的index域制定一個數值，所列舉的標 準的信息屬性包含在standard裏面，

// 如果我們所列舉的標準和std_id有共同的bit，那麼就意味着這個標準就是當前輸

// 入所使用的標準，這樣我們就得到了當前輸入使用的標準的屬性信息

while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {

if (standard.id & std_id) {

printf (”Current video standard: %s\n”, standard.name);

exit (EXIT_SUCCESS);

}

standard.index++;

}

/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception. */

if (errno == EINVAL || standard.index == 0) {

perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);

exit (EXIT_FAILURE);

}

9. 申請和管理緩衝區

應用程序和設備有三種交換數據的方法，直接 read/write、內存映射(memory mapping)

和用戶指針。這裏只討論內存映射(memory mapping)。

9.1 向設備申請緩衝區 VIDIOC_REQBUFS

相關函數：

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

相關結構體：

struct v4l2_requestbuffers

{

u32 count; // 緩衝區內緩衝幀的數目

enum v4l2_buf_type type; // 緩衝幀數據格式

enum v4l2_memory memory; // 區別是內存映射還是用戶指針方式
u32 reserved[2];

};

注：enum v4l2_memoy

{

V4L2_MEMORY_MMAP, V4L2_MEMORY_USERPTR

};

//count,type,memory 都要應用程序設置

例：申請一個擁有四個緩衝幀的緩衝區

struct v4l2_requestbuffers req; 

req.count=4; req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 

req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP; 

ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);

9.2 獲取緩衝幀的地址，長度：VIDIOC_QUERYBUF

相關函數：

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

相關結構體：

struct v4l2_buffer

{

u32 index; //buffer 序號

enum v4l2_buf_type type; //buffer 類型
u32 byteused; //buffer 中已使用的字節數
u32 flags; // 區分是MMAP 還是USERPTR

enum v4l2_field field;

struct timeval timestamp; // 獲取第一個字節時的系統時間

struct v4l2_timecode timecode;

u32 sequence; // 隊列中的序號

enum v4l2_memory memory; //IO 方式，被應用程序設置
union m

{

u32 offset; // 緩衝幀地址，只對MMAP 有效
unsigned long userptr;

};

u32 length; // 緩衝幀長度
u32 input;

u32 reserved;

};

9.3 內存映射MMAP 及定義一個結構體來映射每個緩衝幀。 相關結構體：

struct buffer

{

void* start;

unsigned int length;

}*buffers;

相關函數：

#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，一般爲NULL ，讓內核自動選擇

//length 被映射內存塊的長度

//prot 標誌映射後能否被讀寫，其值爲PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE, PROT_NONE

//flags 確定此內存映射能否被其他進程共享，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE

//fd,offset, 確定被映射的內存地址 返回成功映射後的地址，不成功返回MAP_FAILED ((void*)-1)

相關函數：

int munmap(void *addr, size_t length);// 斷開映射

//addr 爲映射後的地址，length 爲映射後的內存長度

例：將四個已申請到的緩衝幀映射到應用程序，用buffers 指針記錄。

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

if (!buffers) {

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

exit (EXIT_FAILURE);

}

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;

// 查詢序號爲n_buffers 的緩衝區，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;

// 映射內存
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);

}

10. 緩衝區處理好之後，就可以開始獲取數據了

10.1 啓動 或 停止數據流 VIDIOC_STREAMON， VIDIOC_STREAMOFF

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

//argp 爲流類型指針，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.

10.2 在開始之前，還應當把緩衝幀放入緩衝隊列：

VIDIOC_QBUF// 把幀放入隊列

VIDIOC_DQBUF// 從隊列中取出幀

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

例：把四個緩衝幀放入隊列，並啓動數據流

unsigned int i;

enum v4l2_buf_type type;

for (i = 0; i < 4; ++i) // 將緩衝幀放入隊列
{

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);

// 這有個問題，這些buf 看起來和前面申請的buf 沒什麼關係，爲什麼呢?

例：獲取一幀並處理

struct v4l2_buffer buf; CLEAR (buf);

buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF, &buf); // 從緩衝區取出一個緩衝幀
process_image (buffers[buf.index.]start); //

ioctl (fdVIDIOC_QBUF&buf); //