v4l2图像捕捉应用程序编程

一.什么是video4linux
Video4linux2（简称V4L2),是linux中关于视频设备的内核驱动。在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头在/dev/video0下。

二.一般操作流程（视频设备）：
1.打开设备文件。 int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);
2.取得设备的capability，看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入,或者音频输入输出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability
3.设置视频的制式和帧格式，制式包括PAL，NTSC，帧的格式个包括宽度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
4.向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers
5.将申请到的帧缓冲映射到用户空间，这样就可以直接操作采集到的帧了，而不必去复制。mmap
6.将申请到的帧缓冲全部入队列，以便存放采集到的数据.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer
7.开始视频的采集。VIDIOC_STREAMON
8.出队列以取得已采集数据的帧缓冲，取得原始采集数据。VIDIOC_DQBUF
9.将缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF
10.停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF
11.关闭视频设备。close(fd);

三、常用的结构体(参见/usr/include/linux/videodev2.h)：
struct v4l2_requestbuffers reqbufs;//向驱动申请帧缓冲的请求，里面包含申请的个数
struct v4l2_capability cap;//这个设备的功能，比如是否是视频输入设备
struct v4l2_standard std;//视频的制式，比如PAL，NTSC
struct v4l2_format fmt;//帧的格式，比如宽度，高度等
struct v4l2_buffer buf;//代表驱动中的一帧
v4l2_std_id stdid;//视频制式，例如：V4L2_STD_PAL_B
struct v4l2_queryctrl query;//查询的控制
struct v4l2_control control;//具体控制的值

下面具体说明开发流程（网上找的）
打开视频设备
在V4L2中，视频设备被看做一个文件。使用open函数打开这个设备：
//用非阻塞模式打开摄像头设备
intcameraFd;
cameraFd= open(“/dev/video0″, O_RDWR| O_NONBLOCK, 0);
//如果用阻塞模式打开摄像头设备，上述代码变为：
//cameraFd = open(”/dev/video0″, O_RDWR, 0);
关于阻塞模式和非阻塞模式
应用程序能够使用阻塞模式或非阻塞模式打开视频设备，如果使用非阻塞模式调用视频设备，即使尚未捕获到信息，驱动依旧会把缓存（DQBUFF）里的东西返回给应用程序。
设定属性及采集方式
打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，例如裁剪、缩放等。这一步是可选的。在Linux编程中，一般使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理：
extern intioctl(int__fd, unsigned long int__request, …) __THROW;
__fd：设备的ID，例如刚才用open函数打开视频通道后返回的cameraFd；
__request：具体的命令标志符。
在进行V4L2开发中，一般会用到以下的命令标志符：
1 VIDIOC_REQBUFS：分配内存 
2 VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址 
3 VIDIOC_QUERYCAP：查询驱动功能 
4 VIDIOC_ENUM_FMT：获取当前驱动支持的视频格式 
5 VIDIOC_S_FMT：设置当前驱动的频捕获格式 
6 VIDIOC_G_FMT：读取当前驱动的频捕获格式 
7 VIDIOC_TRY_FMT：验证当前驱动的显示格式 
8 VIDIOC_CROPCAP：查询驱动的修剪能力 
9 VIDIOC_S_CROP：设置视频信号的边框 
10 VIDIOC_G_CROP：读取视频信号的边框 
11 VIDIOC_QBUF：把数据从缓存中读取出来 
12 VIDIOC_DQBUF：把数据放回缓存队列 
13 VIDIOC_STREAMON：开始视频显示函数 
14 VIDIOC_STREAMOFF：结束视频显示函数 
15 VIDIOC_QUERYSTD：检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。 
这些IO调用，有些是必须的，有些是可选择的。
检查当前视频设备支持的标准
在亚洲，一般使用PAL（720X576）制式的摄像头，而欧洲一般使用NTSC（720X480），使用VIDIOC_QUERYSTD来检测：
v4l2_std_id std;
do{
ret= ioctl(fd, VIDIOC_QUERYSTD, &std);
} while(ret== -1 && errno== EAGAIN);
switch(std) {
caseV4L2_STD_NTSC:
//……
caseV4L2_STD_PAL:
//……
}
设置视频捕获格式
当检测完视频设备支持的标准后，还需要设定视频捕获格式：
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结构体定义如下：
structv4l2_format
{
enumv4l2_buf_type type;    //数据流类型，必须永远是//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;         //宽，必须是16的倍数
__u32                   height;        //高，必须是16的倍数
__u32                   pixelformat;   //视频数据存储类型，例如是//YUV4：2：2还是RGB
enumv4l2_field         field;
__u32                   bytesperline;
__u32                   sizeimage;
enumv4l2_colorspace    colorspace;
__u32                   priv;
};
分配内存
接下来可以为视频捕获分配内存：
structv4l2_requestbuffers  req;
if(ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return-1;
}
v4l2_requestbuffers定义如下：
structv4l2_requestbuffers
{
__u32               count;  //缓存数量，也就是说在缓存队列里保持多少张照片
enumv4l2_buf_type  type;   //数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
enumv4l2_memory    memory; // V4L2_MEMORY_MMAP或 V4L2_MEMORY_USERPTR
__u32               reserved[2];
};
获取并记录缓存的物理空间
使用VIDIOC_REQBUFS，我们获取了req.count个缓存，下一步通过调用VIDIOC_QUERYBUF命令来获取这些缓存的地址，然后使用mmap函数转换成应用程序中的绝对地址，最后把这段缓存放入缓存队列：



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;
//读取缓存
if(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
return-1;
}
buffers[numBufs].length= buf.length;
//转换成相对地址
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;
}

//放入缓存队列
if(ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return-1;
}
}
关于视频采集方式
操作系统一般把系统使用的内存划分成用户空间和内核空间，分别由应用程序管理和操作系统管理。应用程序可以直接访问内存的地址，而内核空间存放的是供内核访问的代码和数据，用户不能直接访问。v4l2捕获的数据，最初是存放在内核空间的，这意味着用户不能直接访问该段内存，必须通过某些手段来转换地址。
一共有三种视频采集方式：使用read、write方式；内存映射方式和用户指针模式。
read、write方式:在用户空间和内核空间不断拷贝数据，占用了大量用户内存空间，效率不高。
内存映射方式：把设备里的内存映射到应用程序中的内存控件，直接处理设备内存，这是一种有效的方式。上面的mmap函数就是使用这种方式。
用户指针模式：内存片段由应用程序自己分配。这点需要在v4l2_requestbuffers里将memory字段设置成V4L2_MEMORY_USERPTR。
处理采集数据
V4L2有一个数据缓存，存放req.count数量的缓存数据。数据缓存采用FIFO的方式，当应用程序调用缓存数据时，缓存队列将最先采集到的 视频数据缓存送出，并重新采集一张视频数据。这个过程需要用到两个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;
//读取缓存
if(ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return-1;
}
//…………视频处理算法
//重新放入缓存队列
if(ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return-1;
}
关闭视频设备
使用close函数关闭一个视频设备
close(cameraFd)
还需要使用munmap方法。

下面是代码，加了一部分注释：
//#加了点注释

//#Rockie Cheng


#include
#include
#include
#include

#include             

#include              
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#include          
#include

#define CLEAR(x) memset (&(x), 0, sizeof (x))

struct buffer {
        void *                  start;
        size_t                  length;
};

static char *           dev_name        = "/dev/video0";//摄像头设备名
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;
//////////////////////////////////////////////////////
//获取一帧数据
//////////////////////////////////////////////////////
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"); //出列采集的帧缓冲

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); //将其写入文件中
  
ff=ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf); //再将其入列
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");//图片文件名

fd = open (dev_name, O_RDWR /* required */ | O_NONBLOCK, 0);//打开设备

int ff=ioctl (fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);//获取摄像头参数
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); //设置图像格式
if(ff<0)
printf("failture VIDIOC_S_FMT\n");
file_length = fmt.fmt.pix.bytesperline * fmt.fmt.pix.height; //计算图片大小

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); //申请缓冲，count是申请的数量
if(ff<0)
printf("failture VIDIOC_REQBUFS\n");
if (req.count < 1)
   printf("Insufficient buffer memory\n");

buffers = calloc (req.count, sizeof (*buffers));//内存中建立对应空间

for (n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) 
{
   struct v4l2_buffer buf;   //驱动中的一帧
   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)) //映射用户空间
    printf ("VIDIOC_QUERYBUF error\n");

   buffers[n_buffers].length = buf.length;
   buffers[n_buffers].start =
   mmap (NULL /* start anywhere */,    //通过mmap建立映射关系
    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))//申请到的缓冲进入列队
    printf ("VIDIOC_QBUF failed\n");
}
                
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type)) //开始捕捉图像数据
   printf ("VIDIOC_STREAMON failed\n");

for (;;) //这一段涉及到异步IO
{
   fd_set fds;
   struct timeval tv;
   int r;

   FD_ZERO (&fds);//将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个新的文件描述符

   /* Timeout. */
   tv.tv_sec = 2;
   tv.tv_usec = 0;

   r = select (fd + 1, &fds, NULL, NULL, &tv);//判断是否可读（即摄像头是否准备好），tv是定时

   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 ())//如果可读，执行read_frame ()函数，并跳出循环
   break;
}

unmap:
for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
   if (-1 == munmap (buffers.start, buffers.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;
}