Linux之V4L2基礎程式設計
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1. 定義
V4L2(Video For Linux Two) 是核心提供給應用程式訪問音、視訊驅動的統一介面。
2. 工作流程：
開啟裝置－> 檢查和設定裝置屬性－> 設定幀格式－> 設定一種輸入輸出方法（緩衝 區管理）－> 迴圈獲取資料－> 關閉裝置。
3. 裝置的開啟和關閉：
#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); // 開啟裝置 close(fd); // 關閉裝置
注意：V4L2 的相關定義包含在標頭檔案<linux/videodev2.h> 中.
4. 查詢裝置屬性： VIDIOC_QUERYCAP
相關函式：
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]; // 裝置名字 u8 bus_info[32]; // 裝置在系統中的位置u32 version; // 驅動版本號 u32 capabilities; // 裝置支援的操作 u32 reserved[4]; // 保留欄位 };
capabilities 常用值:
V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE // 是否支援影象獲取
例：顯示裝置資訊
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. 設定視訊的制式和幀格式
制式包括PAL，NTSC，幀的格式個包括寬度和高度等。
相關函式：
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 結構體用來設定攝像頭的捕捉能力，在捕捉上視訊時應先先設定
v4l2_cropcap 的 type 域，再通過 VIDIO_CROPCAP 操作命令獲取裝置捕捉能力的引數，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
（預設捕捉方框的左上角座標和寬高）等。
v4l2_format 結構體用來設定攝像頭的視訊制式、幀格式等，在設定這個引數時應先填 好 v4l2_format 的各個域，如 type（傳輸流型別），fmt.pix.width(寬)，
fmt.pix.heigth(高)，fmt.pix.field(取樣區域，如隔行取樣)，fmt.pix.pixelformat(採
樣型別，如 YUV4:2:2)，然後通過 VIDIO_S_FMT 操作命令設定視訊捕捉格式。如下圖所示：
5.1 查詢並顯示所有支援的格式：VIDIOC_ENUM_FMT
相關函式：
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，應用程式設定 enum v4l2_buf_type type; // 幀型別，應用程式設定 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：顯示所有支援的格式
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 檢視或設定當前格式： VIDIOC_G_FMT, VIDIOC_S_FMT
檢查是否支援某種格式：VIDIOC_TRY_FMT
相關函式：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_format *argp);
相關結構體：
struct v4l2_format { enum v4l2_buf_type type; // 幀型別，應用程式設定 union fmt { struct v4l2_pix_format pix; // 視訊裝置使用 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，單位畫素 u32 height; // 幀高，單位畫素 u32 pixelformat; // 幀格式 enum v4l2_field field; u32 bytesperline; u32 sizeimage; enum v4l2_colorspace colorspace; u32 priv; };
例：顯示當前幀的相關資訊
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：檢查是否支援某種幀格式
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. 影象的縮放 VIDIOC_CROPCAP
相關函式：
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 主要指的是影象的取景範圍及圖片的比例縮放的支援。Crop 就 是把得到的資料作一定的裁剪和伸縮，裁剪可以只取樣我們可以得到的影象大小的一部分， 剪裁的主要引數是位置、長度、寬度。而 scale 的設定是通過 VIDIOC_G_FMT 和 VIDIOC_S_FMT 來獲得和設定當前的 image 的長度，寬度來實現的。看下圖
我們可以假設 bounds 是 sensor 最大能捕捉到的影象範圍，而 defrect 是裝置預設 的最大取樣範圍，這個可以通過 VIDIOC_CROPCAP 的 ioctl 來獲得裝置的 crap 相關的屬 性 v4l2_cropcap，其中的 bounds 就是這個 bounds，其實就是上限。每個裝置都有個默 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 來獲取和設定裝置當前的 crop 設定。
6.1 設定裝置捕捉能力的引數
相關函式：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_cropcap *argp);
相關結構體：
struct v4l2_cropcap { enum v4l2_buf_type type; // 資料流的型別，應用程式設定 struct v4l2_rect bounds; // 這是 camera 的鏡頭能捕捉到的視窗大小的侷限 struct v4l2_rect defrect; // 定義預設視窗大小，包括起點位置及長,寬的大小，大小以畫素為單位 struct v4l2_fract pixelaspect; // 定義了圖片的寬高比 };
6.2 設定視窗取景引數 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP
相關函式：
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;// 應用程式設定 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 裝置 節點可能對應多個視訊源，比如 saf7113 可以最多支援四路 cvbs 輸入，如果上層想在四 個cvbs視訊輸入間切換，那麼就要呼叫 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.
相關函式：
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的資訊，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資訊，如果所 查詢的input/output 不存在，那麼回返回EINVAL錯誤，所以，我們通過迴圈查詢，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： 列舉當前輸入視訊所支援的視訊格式
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，要獲得具體的資訊，就的呼叫列舉操作 if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_INPUT, &input.index)) { perror (”VIDIOC_G_INPUT”); exit (EXIT_FAILURE); } //呼叫列舉操作，獲得 input.index 對應的輸入的具體資訊 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; //列舉所有的所支援的 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援這個 standard,這樣將所有驅動所支援的 standard 列舉一個 遍，就可以找到該輸入所支援的所有 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
相關函式：
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訊標準，如NTSC和PAL，他們又細分為好多種，那麼我們的設 備輸入/輸出究竟支援什麼樣的標準呢？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？我們怎麼設定我們的某個輸入輸出使用的標準呢？這都是有方法的。
查詢我們的輸入支援什麼標準，首先就得找到當前的這個輸入的index，然後查出它的 屬性，在其屬性裡面可以得到該輸入所支援的標準，將它所支援的各個標準與所有的標準 的資訊進行比較，就可以獲知所支援的各個標準的屬性。一個輸入所支援的標準應該是一 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，不過這裡只是得到了該標準的id // 即flag，還沒有得到其具體的屬性資訊，具體的屬性資訊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用來列舉所支援的所有的video標準的資訊，不過要先給standard // 結構的index域制定一個數值，所列舉的標 準的資訊屬性包含在standard裡面， // 如果我們所列舉的標準和std_id有共同的bit，那麼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資訊 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
應用程式和裝置有三種交換資料的方法，直接 read/write、記憶體對映(memory mapping)
和使用者指標。這裡只討論記憶體對映(memory mapping)。
9.1 向裝置申請緩衝區 VIDIOC_REQBUFS
相關函式：
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; // 緩衝幀資料格式 enum v4l2_memory memory; // 區別是記憶體對映還是使用者指標方式 u32 reserved[2]; };
注：enum v4l2_memoy
{
V4L2_MEMORY_MMAP, V4L2_MEMORY_USERPTR
};
//count,type,memory 都要應用程式設定
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
相關函式：
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 型別 u32 byteused; //buffer 中已使用的位元組數 u32 flags; // 區分是MMAP 還是USERPTR enum v4l2_field field; struct timeval timestamp; // 獲取第一個位元組時的系統時間 struct v4l2_timecode timecode; u32 sequence; // 佇列中的序號 enum v4l2_memory memory; //IO 方式，被應用程式設定 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 記憶體對映MMAP 及定義一個結構體來對映每個緩衝幀。 相關結構體：
struct buffer { void* start; unsigned int length; }*buffers;
相關函式：
#include <sys/mman.h> void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
//addr 對映起始地址，一般為NULL ，讓核心自動選擇
//length 被對映記憶體塊的長度
//prot 標誌對映後能否被讀寫，其值為PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE, PROT_NONE
//flags 確定此記憶體對映能否被其他程序共享，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE
//fd,offset, 確定被對映的記憶體地址 返回成功對映後的地址，不成功返回MAP_FAILED ((void*)-1)
相關函式：
int munmap(void *addr, size_t length);// 斷開對映
//addr 為對映後的地址，length 為對映後的記憶體長度
例：將四個已申請到的緩衝幀對映到應用程式，用buffers 指標記錄。
buffers = (buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers)); if (!buffers) { // 對映 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 的緩衝區，得到其起始實體地址和大小 if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf)) exit(-1); buffers[n_buffers].length = buf.length; // 對映記憶體 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，就可以開始獲取資料了
10.1 啟動 或 停止資料流 VIDIOC_STREAMON， VIDIOC_STREAMOFF
int ioctl(int fd, int request, const int *argp);
//argp 為流型別指標，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.
10.2 在開始之前，還應當把緩衝幀放入緩衝佇列：
VIDIOC_QBUF// 把幀放入佇列
VIDIOC_DQBUF// 從佇列中取出幀
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);
例：把四個緩衝幀放入佇列，並啟動資料流
unsigned int i; enum v4l2_buf_type type; for (i = 0; i < 4; ++i) // 將緩衝幀放入佇列 { 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，為什麼呢?
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); //