linux之V4L2摄像头应用流程

这一段在学习V4L2，看到下面这篇文章对学习比较有帮助，特别是活动图对学习帮助很大。

对于v4l2，上次是在调试收音机驱动的时候用过，其他也就只是用i2c配置一些寄存器就可以了。那时只是粗粗的了解了，把收音机当作v4l2的设备后会在/dev目录下生成一个radio的节点。然后就可以操作了。后来就没怎么接触了。这周，需要调试下usb的摄像头。因为有问题，所以就要跟进，于是也就要开始学习下linux的v4l2了。看到一篇很不错的文章，下面参考这篇文章，加上自己的一些见解，做一些总结把。

Video for Linuxtwo(Video4Linux2)简称V4L2，是V4L的改进版。V4L2是linux操作系统下用于采集图片、视频和音频数据的API接口，配合适当的视频采集设备和相应的驱动程序，可以实现图片、视频、音频等的采集。在远程会议、可视电话、视频监控系统和嵌入式多媒体终端中都有广泛的应用。

在Linux下，所有外设都被看成一种特殊的文件，成为“设备文件”，可以象访问普通文件一样对其进行读写。一般来说，采用V4L2驱动的摄像头设备文件是/dev/video0。V4L2支持两种方式来采集图像：内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)。V4L2在include/linux/videodev.h文件中定义了一些重要的数据结构，在采集图像的过程中，就是通过对这些数据的操作来获得最终的图像数据。Linux系统V4L2的能力可在Linux内核编译阶段配置，默认情况下都有此开发接口。

而摄像头所用的主要是capature了，视频的捕捉，具体linux的调用可以参考下图。

应用程序通过V4L2进行视频采集的原理

V4L2支持内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)来采集数据，前者一般用于连续视频数据的采集，后者常用于静态图片数据的采集，本文重点讨论内存映射方式的视频采集。

应用程序通过V4L2接口采集视频数据分为五个步骤：

首先，打开视频设备文件，进行视频采集的参数初始化，通过V4L2接口设置视频图像的采集窗口、采集的点阵大小和格式;

其次，申请若干视频采集的帧缓冲区，并将这些帧缓冲区从内核空间映射到用户空间，便于应用程序读取/处理视频数据;

第三，将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列排队，并启动视频采集;

第四，驱动开始视频数据的采集，应用程序从视频采集输出队列取出帧缓冲区，处理完后，将帧缓冲区重新放入视频采集输入队列，循环往复采集连续的视频数据;

第五，停止视频采集。

具体的程序实现流程可以参考下面的流程图:

其实其他的都比较简单，就是通过ioctl这个接口去设置一些参数。最主要的就是buf管理。他有一个或者多个输入队列和输出队列。

启动视频采集后，驱动程序开始采集一帧数据，把采集的数据放入视频采集输入队列的第一个帧缓冲区，一帧数据采集完成，也就是第一个帧缓冲区存满一帧数据后，驱动程序将该帧缓冲区移至视频采集输出队列，等待应用程序从输出队列取出。驱动程序接下来采集下一帧数据，放入第二个帧缓冲区，同样帧缓冲区存满下一帧数据后，被放入视频采集输出队列。

应用程序从视频采集输出队列中取出含有视频数据的帧缓冲区，处理帧缓冲区中的视频数据，如存储或压缩。

最后，应用程序将处理完数据的帧缓冲区重新放入视频采集输入队列,这样可以循环采集，如图所示。

每一个帧缓冲区都有一个对应的状态标志变量，其中每一个比特代表一个状态

　　V4L2_BUF_FLAG_UNMAPPED 0B0000

　　V4L2_BUF_FLAG_MAPPED 0B0001

　　V4L2_BUF_FLAG_ENQUEUED 0B0010

　　V4L2_BUF_FLAG_DONE 0B0100

　　缓冲区的状态转化如图所示。

下面的程序注释的很好，就拿来参考下：

V4L2 编程

1. 定义

V4L2(Video ForLinux Two) 是内核提供给应用程序访问音、视频驱动的统一接口。

2. 工作流程：

打开设备－> 检查和设置设备属性－>设置帧格式－> 设置一种输入输出方法（缓冲区管理）－> 循环获取数据－> 关闭设备。

3. 设备的打开和关闭：

#include<fcntl.h>

int open(constchar *device_name, int flags);

#include <unistd.h>

int close(intfd);

例：

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intfd=open(“/dev/video0”,O_RDWR);//打开设备close(fd);//关闭设备

注意：V4L2 的相关定义包含在头文件<linux/videodev2.h>中.

4. 查询设备属性： VIDIOC_QUERYCAP

相关函数：

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intioctl(intfd,intrequest,structv4l2_capability*argp);

相关结构体：

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structv4l2_capability{__u8driver[16];//驱动名字__u8card[32];//设备名字__u8bus_info[32];//设备在系统中的位置__u32version;//驱动版本号__u32capabilities;//设备支持的操作__u32reserved[4];//保留字段};capabilities常用值:V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE//是否支持图像获取

例：显示设备信息

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structv4l2_capabilitycap;ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);printf(“DriverName:%s/nCardName:%s/nBusinfo:%s/nDriverVersion:%u.%u.%u/n”,cap.driver,cap.card,cap.bus_info,(cap.version>>16)&0XFF,(cap.version>>8)&0XFF,cap.version&OXFF);

5. 帧格式：

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VIDIOC_ENUM_FMT//显示所有支持的格式intioctl(intfd,intrequest,structv4l2_fmtdesc*argp);structv4l2_fmtdesc{__u32index;//要查询的格式序号，应用程序设置enumv4l2_buf_typetype;//帧类型，应用程序设置__u32flags;//是否为压缩格式__u8description[32];//格式名称__u32pixelformat;//格式__u32reserved[4];//保留};

例：显示所有支持的格式

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structv4l2_fmtdescfmtdesc;fmtdesc.index=0;fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;printf("Supportformat:/n");while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1){printf("/t%d.%s/n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);fmtdesc.index++;}

// 查看或设置当前格式

VIDIOC_G_FMT,VIDIOC_S_FMT

// 检查是否支持某种格式

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VIDIOC_TRY_FMTintioctl(intfd,intrequest,structv4l2_format*argp);structv4l2_format{enumv4l2_buf_typetype;//帧类型，应用程序设置unionfmt{structv4l2_pix_formatpix;//视频设备使用structv4l2_windowwin;structv4l2_vbi_formatvbi;structv4l2_sliced_vbi_formatsliced;__u8raw_data[200];};};

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structv4l2_pix_format{__u32width;//帧宽，单位像素__u32height;//帧高，单位像素__u32pixelformat;//帧格式enumv4l2_fieldfield;__u32bytesperline;__u32sizeimage;enumv4l2_colorspacecolorspace;__u32priv;};

例：显示当前帧的相关信息

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structv4l2_formatfmt;fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);printf(“Currentdataformatinformation:/n/twidth:%d/n/theight:%d/n”,fmt.fmt.width,fmt.fmt.height);structv4l2_fmtdescfmtdesc;fmtdesc.index=0;fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1){if(fmtdesc.pixelformat&fmt.fmt.pixelformat){printf(“/tformat:%s/n”,fmtdesc.description);break;}fmtdesc.index++;}

例：检查是否支持某种帧格式

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structv4l2_formatfmt;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(“notsupportformatRGB32!/n”);

6. 图像的缩放

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VIDIOC_CROPCAPintioctl(intfd,intrequest,structv4l2_cropcap*argp);structv4l2_cropcap{enumv4l2_buf_typetype;//应用程序设置structv4l2_rectbounds;//最大边界structv4l2_rectdefrect;//默认值structv4l2_fractpixelaspect;};

// 设置缩放

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VIDIOC_G_CROP,VIDIOC_S_CROPintioctl(intfd,intrequest,structv4l2_crop*argp);intioctl(intfd,intrequest,conststructv4l2_crop*argp);structv4l2_crop{enumv4l2_buf_typetype;//应用程序设置structv4l2_rectc;}

7. 申请和管理缓冲区，应用程序和设备有三种交换数据的方法，直接read/write ，内存映射(memorymapping) ，用户指针。这里只讨论 memorymapping.

// 向设备申请缓冲区

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VIDIOC_REQBUFSintioctl(intfd,intrequest,structv4l2_requestbuffers*argp);structv4l2_requestbuffers{__u32count;//缓冲区内缓冲帧的数目enumv4l2_buf_typetype;//缓冲帧数据格式enumv4l2_memorymemory;//区别是内存映射还是用户指针方式__u32reserved[2];};enumv4l2_memoy{V4L2_MEMORY_MMAP,V4L2_MEMORY_USERPTR};//count,type,memory都要应用程序设置

例：申请一个拥有四个缓冲帧的缓冲区

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structv4l2_requestbuffersreq;req.count=4;req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);

获取缓冲帧的地址，长度：

VIDIOC_QUERYBUF

int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

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structv4l2_buffer{__u32index;//buffer序号enumv4l2_buf_typetype;//buffer类型__u32byteused;//buffer中已使用的字节数__u32flags;//区分是MMAP还是USERPTRenumv4l2_fieldfield;structtimevaltimestamp;//获取第一个字节时的系统时间structv4l2_timecodetimecode;__u32sequence;//队列中的序号enumv4l2_memorymemory;//IO方式，被应用程序设置unionm{__u32offset;//缓冲帧地址，只对MMAP有效unsignedlonguserptr;};__u32length;//缓冲帧长度__u32input;__u32reserved;};

MMAP ，定义一个结构体来映射每个缓冲帧。

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Structbuffer{void*start;unsignedintlength;}*buffers;

#include<sys/mman.h>

void *mmap(void*addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

//addr 映射起始地址，一般为NULL ，让内核自动选择

//length 被映射内存块的长度

//prot 标志映射后能否被读写，其值为PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE,PROT_NONE

//flags 确定此内存映射能否被其他进程共享，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE

//fd,offset, 确定被映射的内存地址

返回成功映射后的地址，不成功返回MAP_FAILED ((void*)-1);

int munmap(void*addr, size_t length);// 断开映射

//addr 为映射后的地址，length 为映射后的内存长度

例：将四个已申请到的缓冲帧映射到应用程序，用buffers 指针记录。

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buffers=(buffer*)calloc(req.count,sizeof(*buffers));if(!buffers){fprintf(stderr,"Outofmemory/n");exit(EXIT_FAILURE);}

// 映射

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for(unsignedintn_buffers=0;n_buffers<req.count;++n_buffers){structv4l2_bufferbuf;memset(&buf,0,sizeof(buf));buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;buf.index=n_buffers;//查询序号为n_buffers的缓冲区，得到其起始物理地址和大小if(-1==ioctl(fd,VIDIOC_QUERYBUF,&buf))exit(-1);buffers[n_buffers].length=buf.length;//映射内存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);}

8. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了

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//启动/停止数据流VIDIOC_STREAMON,VIDIOC_STREAMOFFintioctl(intfd,intrequest,constint*argp);//argp为流类型指针，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.在开始之前，还应当把缓冲帧放入缓冲队列：VIDIOC_QBUF//把帧放入队列VIDIOC_DQBUF//从队列中取出帧intioctl(intfd,intrequest,structv4l2_buffer*argp);

例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流

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unsignedinti;enumv4l2_buf_typetype;//将缓冲帧放入队列for(i=0;i<4;++i){structv4l2_bufferbuf;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);

例：获取一帧并处理

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structv4l2_bufferbuf;CLEAR(buf);buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;//从缓冲区取出一个缓冲帧ioctl(fd,VIDIOC_DQBUF,&buf);//图像处理process_image(buffers[buf.index].start);//将取出的缓冲帧放回缓冲区ioctl(fd,VIDIOC_QBUF,&buf);

至于驱动的实现，可以参考内核中，我是用usb摄像头的，所以，其实现都是好的。主要就是应用程序的实现了。驱动都哦在uvc目录下面，这个待理解。

有事者，事竟成;破釜沉舟，百二秦关终归楚;苦心人，