Video4Linux

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Video4Linux(简V4L)是Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设 备的应用程序编 程提供一系列接口函数，这些视频设备包括现今市场上流行的TV卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。对于USB口摄像头，其驱动程序中需要提供基本的I/O操 作接口函数open、read、write、close的实现。对中断的处理实现，内存映射功能以及对I/O通道的控制接口函数ioct1的实现等，并把 它们定义在struct file_operations中。这样当应用程序对设备文件进行诸如open、close、read、write等系统调用操作时，Linux内核将通 过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。例如，当应用程序对设备文件执行读操作时，内核将调用file_operations结构 中的read函数。在系统平台上对USB口数码摄像头驱动，首先把USB控制器驱动模块静态编译进内核，使平台中支持USB接口，再在需要使用摄像头采集 时，使用insmode动态加载其驱动模块，这样摄像头就可正常工作了，接着进行了下一步对视频流的采集编程。

　　程序中定义的数据结构

　　struct voide_capability grab_cap;

　　struct voide_picture grab_pic;

　　struct voide_mmap grab_buf;

　　struct voide_mbuf grab_vm；

　　这些数据结构都是由Video4Linux支持的，它们的用途如下：

　　*video_capability包含摄像头的基本信息，例如设备名称、支持的最大最 小分辨率、信号源信息等，分别对应着结构体中成员变量name [32]、maxwidth、maxheight、minwidth、minheight、channels(信号源个数)、type等；

　　*voide_picture包含设备采集图像的各种属性，如brightness(亮度)、hue(色调)、contrast(对比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等；

　　*video_mmap用于内存映射；

　　*voido_mbuf利用mmap进行映射的帧信息，实际上是输入到摄像头存储器缓冲中的帧信息，包括size（帧的大小）、frames（最多支持的帧数）、offsets（每帧相对基址的偏移）。

　　程序中用到的主要系统调用函数有：open("/dev/voideo0",int flags)、close(fd)、mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset)、munmap(void *start,size_tlength)和ioctl(int fd,int cmd,…)。

　　前面提到Linux系统中把设备看成设备文件，在用户空间可以通过标准的I/O系统调用 函数操作设备文件，从而达到与设备通信交互的目的。当然，在设备驱动中要提供对这些函数的相应支持。这里说明一下ioctl(int fd,int cmd,…)函数，它在用户程序中用来控制I/O通道，其中，fd代表设备文件描述符，cmd代表用户程序对设备的控制命令，省略号一般是一个表示类型长 度的参数，也可没有。

　　（2）采集程序实现过程

　　首先打开视频设备，摄像头在系统中对应的设备文件为/dev/video0，采用系统调 用函数grab_fd=open("/dev/video0", O_RDWR),grab_fd是设备打开后返回的文件描述符（打开错误返回-1），以后的系统调用函数就可使用它来对设备文件进行操作了。接着，利用 ioct1（grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap）函数读取struct video_capability中有关摄像头的信息。该函数成功返回后，这些信息从内核空间拷贝到用户程序空间grab_cap各成员分量中，使用 printf函数就可得到各成员分量信息，例如printf("maxheight=%d",grab_fd.maxheight)获得最大垂直分辨率的 大小。不规则用ioct1(grab_fd,VIDIOCGPICT,&grab_pic)函数读取摄像头缓冲中voideo_picture信 息。在用户空间程序中可以改变这些信息，具体方法为先给分量赋新值，再调用VIDIOCSPICT ioct1函数，例如：

　　grab_fd.depth=3;

　　if(ioct1(grab_fd,VIDIOCSPICT,&grab_pic)<0)

　　{perror("VIDIOCSP[1]ICT");return -1;};

　　完成以上初始化设备工作后，就可以对视频图像截取了，有两种方法：一种是read()直 接读取；另外一种mmap()内存映射。Read()通过内核缓冲 区来读取数据；而mmap()通过把设备文件映射到内存中，绕过了内核缓冲区，最快的磁盘访问往往还是慢于最慢的内存访问，所以mmap()方式加速了 I/O访问。另外，mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一文件实现共享内存，各进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，访问时只需要使用指针 而不用调用文件操作函数。因为mmap()的以上优点，所以在程序实现中采用了内存映射方式，即mmap()方式。

　　利用mmap()方式视频裁取具体进行操作如下。

　　①先使用ioct1(grab_fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息，之后修改voideo_mmap中的设置，例如重新设置图像帧的垂直及水平分辨率、彩色显示格式。可利用如下语句

　　grab_buf.height=240;

　　grab_buf.width=320;

　　grab_buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;

　　②接着把摄像头对应的设备文件映射到内存区，具体使用grab_data= (unsigned char*)mmap(0,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grad_fd,0)操作。这 样设备文件的内容就映射到内存区，该映射内容区可读可写并且不同进程间可共享。该函数成功时返回映像内存区的指针，挫败时返回值为-1。

　　下面对单帧采集和连续帧采集进行说明：

　　*单帧采集。在上面获取的摄像头存储缓冲区帧信息中，最多可支持的帧数（frames的 值）一般为两帧。对于单帧采集只需设置 grab_buf.frame=0，即采集其中的第一帧，使用ioctl(grab_fd,VIDIOCMCAPTURE,&grab_buf) 函数，若调用成功，则激活设备真正开始一帧图像的截取，是非阻塞的。接着使用ioct1(grab_fd,VIDIOCSYNC,&frame) 函数判断该帧图像是否截取完毕，成功返回表示截取完毕，之后就可把图像数据保存成文件的形式。

　　*连续帧采集。在单帧的基础上，利用grab_fd.frames值确定采集完毕摄像头 帧缓冲区帧数据进行循环的次数。在循环语句中，也是使用VIDIOCMCCAPTURE ioct1和VIDIOCSYNC ioctl函数完成每帧截取，但要给采集到的每帧图像赋地址，利用语句buf=grab_data+grab_vm.offsets[frame],然后 保存文件的形式。若要继续采集可再加一个外循环，在外循环语句只要给原来的内循环再赋frame=0即可。

　　4 小结

　　笔者最后在宿主机PC上使用交叉编译器编译链接连续帧采集程序（以双帧采集为例并保存成 bmp文件文件形式）使之生成可执行代码，并完成了向目标平台的移 植。为了进一步观察采集的图像效果，笔者在目标平台带网络支持的基础上，编写了一个简单的网络通信程序，把采集到并保存为bmp的图像文件通过网络传输到 PC机上进行显示，把采集到并保存为bmp的图像文件通过网络传输到PC机上进行显示，通过对效果的分析，再回到采集程序中重新设置 video_picture中的信息，如亮度、对比度等和voide_mmap中的分辨率，重新移植以达到最好效果为准。

　　在图1中的嵌入式系统平台上，应用本文所述方法完成视频采集工作，再加上相关的视频处理并接入网络，就构成了一个智能终端设备，可用于工厂、银行及小区等场合全天候的智能监控，具有广阔的市场和应用前景。