V4L2 --video for linux

原文地址：http://blog.163.com/w_pfwl/blog/static/7196545520118135507335/

1.什么是video4linux
Video4linux（简称V4L),是linux中关于视频设备的内核驱动,现在已有Video4linux2，还未加入linux内核，使用需自己下载补丁。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。

2.Video4linux下视频编程的流程
（1）打开视频设备：
（2） 读取设备信息
（3）更改设备当前设置（没必要的话可以不做）
（4）进行视频采集，两种方法: 
a.内存映射
b.直接从设备读取
（5）对采集的视频进行处理
（6）关闭视频设备。

详细一点

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. 选择视频输入，一个视频设备可以有多个视频输入。VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input

4. 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

5. 向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers

6. 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

7. 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

8. 开始视频的采集。VIDIOC_STREAMON

9. 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

10. 将缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF

11. 停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF

12. 关闭视频设备。close(fd);

为程序定义的数据结构

 1 typedef struct v4l_struct 
 2 {
 3 int fd;
 4 struct video_capability capability;
 5 struct video_channel channel[4]; 
 6 struct video_picture picture; 
 7 struct video_window window; 
 8 struct video_capture capture; 
 9 struct video_buffer buffer; 
10 struct video_mmap mmap; 
11 struct video_mbuf mbuf; 
12 unsigned char *map;
13 int frame;
14 int framestat[2]; 
15 }vd;

 

3.Video4linux支持的数据结构及其用途(参见/usr/include/linux/videodev2.h)：

（1） video_capability 包含设备的基本信息（设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等）,包含的分量：

      struct v4l2_capability cap;//这个设备的功能，比如是否是视频输入设备

?name[32] //设备名称

?maxwidth ,maxheight,minwidth,minheight

?Channels //信号源个数

?type //是否能capture，彩色还是黑白，是否能裁剪等等。值如VID_TYPE_CAPTURE等

（2）video_picture 设备采集的图象的各种属性

?brightness 0~65535

?hue

?colour

?contrast

?whiteness

?depth // 24

?palette //VIDEO_PALETTE_RGB24

 

（3）video_channel 关于各个信号源的属性

Channel //信号源的编号

name

tuners

Type VIDEO_TYPE_TV | IDEO_TYPE_CAMERA

Norm制式

 

（4）video_window //包含关于capture area的信息

xx windows 中的坐标.

y x windows 中的坐标.

width The width of the image capture.

height The height of the image capture.

chromakey A host order RGB32 value for the chroma key.

flags Additional capture flags.

clips A list of clipping rectangles. (Set only)

clipcount The number of clipping rectangles. (Set only)

 

（5）video_mbuf //利用mmap进行映射的帧的信息

size //每帧大小

Frames //最多支持的帧数

Offsets //每帧相对基址的偏移

 

（6）video_buffer 最底层对buffer的描述

void *baseBase physical address of the buffer

int heightHeight of the frame buffer

int widthWidth of the frame buffer

int depthDepth of the frame buffer

int bytesperlineNumber of bytes of memory between the start of two adjacent lines

实际显示的部分一般比它描述的部分小

 

（7）video_mmap //用于mmap

 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_input input; //视频输入

 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

4.关键步骤介绍
（1）打开视频：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

int cameraFd;

cameraFd = open(“/dev/video0″, O_RDWR | O_NONBLOCK);

// 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);

关闭视频设备用close（”/dev/video0”);

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 int ioctl (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：

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：设置视频信号的边框

VIDIOC_G_CROP：读取视频信号的边框

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。

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) {

case V4L2_STD_NTSC:

//……

case V4L2_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：

struct v4l2_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：

struct v4l2_format

{

enum v4l2_buf_type type; // 数据流类型，必须永远是//V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

 union

 {

 struct v4l2_pix_format pix;

 struct v4l2_window win;

 struct v4l2_vbi_format vbi;

 __u8 raw_data[200];

 } fmt;

};

struct v4l2_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

enum v4l2_field field;

__u32 bytesperline;

__u32 sizeimage;

enum v4l2_colorspace colorspace;

__u32 priv;

};

（2）读video_capability 中信息

ioctl(vd->fd, VIDIOCGCAP, &(vd->capability))

成功后可读取vd->capability各分量 eg.

（3）读video_picture中信息

ioctl(vd->fd, VIDIOCGPICT, &(vd->picture))；

（4）改变video_picture中分量的值 （可以不做的）

先为分量赋新值，再调用VIDIOCSPICT，eg.

1 vd->picture.colour = 65535;
2 if(ioctl(vd->fd, VIDIOCSPICT, &(vd->picture)) < 0) 
3 {
4     perror("VIDIOCSPICT");
5     return -1;

6 }  

（5）初始化channel （可以不做的）

必须先做得到vd->capability中的信息

1 for (i = 0; i < vd->capability.channels; i++) 
2 {
3     vd->channel[i].channel = i;
4     if (ioctl(vd->fd, VIDIOCGCHAN, &(vd->channel[i])) < 0)
5     {
6         perror("v4l_get_channel:");
7         return -1;
8     }

9 }  

重点：截取图象的两种方法
1,用mmap（内存映射）方式截取视频

?mmap( )系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以向访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。

?两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然

?采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝

（1）设置picture的属性

 

（2） 初始化video_mbuf，以得到所映射的buffer的信息

ioctl(vd->fd, VIDIOCGMBUF, &(vd->mbuf))

 

（3）可以修改video_mmap和帧状态的当前设置

? Eg. vd->mmap.format = VIDEO_PALETTE_RGB24

? vd->framestat[0] = vd->framestat[1] = 0; vd->frame = 0;

 

（4）将mmap与video_mbuf绑定

?void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset )

?len //映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起

?Prot //指定共享内存的访问权限 PROT_READ（可读）, PROT_WRITE （可写）, PROT_EXEC （可执行）

?flags // MAP_SHARED MAP_PRIVATE中必选一个 // MAP_ FIXED不推荐使用addr //共内存享的起始地址，一般设0，表示由系统分配

?Mmap( ) 返回值是系统实际分配的起始地址

?if((vd->map = (unsigned char*)mmap(0, vd->mbuf.size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, vd->fd, 0)) < 0)

?{

?perror("v4l_mmap mmap:");

?return -1;

?}

 

（5）Mmap方式下真正做视频截取的 VIDIOCMCAPTURE

ioctl(vd->fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd->mmap)) ;

?若调用成功，开始一帧的截取，是非阻塞的，

?是否截取完毕留给VIDIOCSYNC来判断

 

（6）调用VIDIOCSYNC等待一帧截取结束

?if(ioctl(vd->fd, VIDIOCSYNC, &frame) < 0)

?{

?perror("v4l_sync:VIDIOCSYNC");

?return -1;

?}

若成功，表明一帧截取已完成。可以开始做下一次 VIDIOCMCAPTURE

?frame是当前截取的帧的序号。

****关于双缓冲：

?video_bmuf bmuf.frames = 2;

?一帧被处理时可以采集另一帧

?int frame; //当前采集的是哪一帧

?int framestat[2]; //帧的状态 没开始采集|等待采集结束

?帧的地址由vd->map + vd->mbuf.offsets[vd->frame]得到

?采集工作结束后调用munmap取消绑定

?munmap(vd->map, vd->mbuf.size)

 

2,视频截取的第二种方法：直接读设备
关于缓冲大小，图象等的属性须由使用者事先设置
调用read（）；
int read (要访问的文件描述符；指向要读写的信息的指针；应该读写的字符数);
返回值为实际读写的字符数
int len ;
unsigned char *vd->map= (unsigned char *) malloc(vdàcapability.maxwidth*vdàcapability.maxheight );
len = read(vdàfd,vdà vd->map, vdàcapability.maxwidth*vdàcapability.maxheight*3 );