V4L2 API及数据结构

        V4L2是V4L的升级版本，为linux下视频设备程序提供了一套接口规范，包括一套数据结构和底层V4L2驱动接口。


一、常用的结构体

在内核目录include/linux/videodev2.h中定义

struct v4l2_requestbuffers  //申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability      //视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input           //视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard        //视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format          //帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer          //驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop            //视频信号矩形边框
v4l2_std_id                 //视频制式

二、常用的IOCTL接口命令

在内核目录include/linux/videodev2.h中定义

VIDIOC_REQBUFS             //分配内存
VIDIOC_QUERYBUF         //把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP         //查询驱动功能
VIDIOC_ENUM_FMT         //获取当前驱动支持的视频格式
VIDIOC_S_FMT            //设置当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_G_FMT            //读取当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_TRY_FMT          //验证当前驱动的显示格式
VIDIOC_CROPCAP          //查询驱动的修剪能力
VIDIOC_S_CROP           //设置视频信号的矩形边框
VIDIOC_G_CROP           //读取视频信号的矩形边框
VIDIOC_QBUF             //把数据从缓存中读取出来
VIDIOC_DQBUF            //把数据放回缓存队列
VIDIOC_STREAMON         //开始视频显示函数
VIDIOC_STREAMOFF        //结束视频显示函数
VIDIOC_QUERYSTD         //检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。

三、操作流程

       V4L2提供了很多访问接口，你可以根据具体需要选择操作方法。需要注意的是，很少有驱动完全实现了所有的接口功能。所以在使用时需要参考驱动源码，或仔细阅读驱动提供者的使用说明。下面列举出一种操作的流程，供参考。

3.1  打开设备文件

int fd = open(Devicename,mode);
// Devicename：/dev/video0、/dev/video1 …
// Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]

如果使用非阻塞模式调用视频设备，则当没有可用的视频数据时，不会阻塞，而立刻返回。

3.2  取得设备的capability

struct v4l2_capability capability；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);

看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入特性。

3.3  选择视频输入

struct v4l2_input input;
……      //初始化input
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);

一个视频设备可以有多个视频输入。如果只有一路输入，这个功能可以没有。

3.4  检测视频支持的制式

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:
                              //……
}

3.5  设置视频捕获格式

struct v4l2_format fmt;

fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_UYVY;
fmt.fmt.pix.height      = height;
fmt.fmt.pix.width       = width;
fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED;

ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
if(ret)
{
                perror("VIDIOC_S_FMT\n");
                close(fd);
                return -1;
}

3.6  向驱动申请帧缓存

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

v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量，驱动会据此申请对应数量的视频缓存。多个缓存可以用于建立FIFO，来提高视频采集的效率。

3.7  获取每个缓存的信息，并mmap到用户空间

typedef struct VideoBuffer
{
    void *start;
    size_t length;
} VideoBuffer;

VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );  //申请 req.count 个内存
struct v4l2_buffer buf;

for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++)  //映射所有的缓存
{
     memset( &buf, 0, sizeof(buf) );
     buf.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
     buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
     buf.index  = numBufs;
     if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1)
     {       //获取到对应index的缓存信息，此处主要利用length信息及offset信息来完成后面的mmap操作。
          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;
     }
}

3.8  开始采集视频

int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);

3.9  取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存

struct v4l2_buffer buf;

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

buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index=0;     //此值由下面的ioctl返回

if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
               return -1;
}

根据返回的buf.index找到对应的mmap映射好的缓存，取出视频数据。

3.10  将刚刚处理完的缓冲重新入队列尾，这样可以循环采集

if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1)
{
                 return -1;
}

3.11  停止视频的采集

int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);

3.12  关闭视频设备

close(fd);