Linux v4l2編程（攝像頭信息采集）
基於Linux3.4.2，自己做一點兒視頻信息采集及網絡傳輸的小實驗，邊做邊學，一些基礎知識同步整理。。。。。
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。V4L2 的相關定義包含在頭文件<linux/videodev2.h> 中.
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（緩沖 區管理）－> 循環獲取數據－> 關閉設備。
3.設備打開和關閉
//打開 #include <fcntl.h> int open(constchar *device_name, int flags); //關閉 #include <unistd.h> int close(int fd);
實驗使用UVC攝像頭，插入後自動生成設備“/dev/vedio0”,打開關閉實例如下
int fd = open("/dev/video0",O_RDWR); close(fd);
4. 查詢設備屬性： VIDIOC_QUERYCAP
函數使用：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_capability *argp);
v4l2相關結構體定義：
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_inf
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坐標和寬高），defrect
（默認捕捉方框的左上角坐標和寬高）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(采樣區域，如隔行采樣)，fmt.pix.pixelformat(采樣類型，如 YUV4:2:2)，然後通過 VIDIO_S_FMT 操作命令設置視頻捕捉格式。
5.1 查詢並顯示所有支持的格式：VIDIOC_ENUM_FMT
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);
v4l2_fmtdesc結構體定義：
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;// 是否為壓縮格式 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);
v4l2_format結構體定義
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);
v4l2_cropcap結構體定義：
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局限 struct v4l2_rect defrect; // 定義默認窗口大小，包括起點位置及長,寬的大小，大小以像素為單位 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，那麽就要調用 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);
v4l2_input結構體定義：
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，那麽在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，那麽回返回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,註意只是 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，意味著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);
v4l2_standard結構體定義：
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，他們又細分為好多種，那麽我們的設 備輸入/輸出究竟支持什麽樣的標準呢？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？我們怎麽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麽標準，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，那麽就意味著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. 申請和管理緩沖區
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 向設備申請緩沖區 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;// 緩沖區內緩沖幀的數目 enum v4l2_buf_type type; // 緩沖幀數據格式 enum v4l2_memory memory; // 區別是內存映射還是用戶指針方式 u32 reserved[2]; };
註：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沖幀的緩沖區
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 獲取緩沖幀的地址，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;// 緩沖幀地址，只對MMAP 有效 unsignedlong userptr; }; u32 length;// 緩沖幀長度 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沖幀。
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，一般為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，其值為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 為映射後的地址，length 為映射後的內存長度
例：將四個已申請到的緩沖幀映射到應用程序，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; // 查詢序號為n_buffers 的緩沖區，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. 緩沖區處理好之後，就可以開始獲取數據了
10.1 啟動 或 停止數據流 VIDIOC_STREAMON， VIDIOC_STREAMOFF
int ioctl(int fd, int request, const int *argp);
//argp 為流類型指針，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.
10.2 在開始之前，還應當把緩沖幀放入緩沖隊列：
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：把四個緩沖幀放入隊列，並啟動數據流
unsigned int i; enum v4l2_buf_type type; for (i = 0; i < 4; ++i) // 將緩沖幀放入隊列 { 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 沒什麽關系，為什麽呢?
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); // 從緩沖區取出一個緩沖幀 process_image (buffers[buf.index.]start);// ioctl (fdVIDIOC_QBUF&buf); //
Linux v4l2編程（攝像頭信息采集）