Linux之V4L2基础编程
1. 定义
V4L2(Video For Linux 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(const char *device_name, int flags);#include <unistd.h>int clo se(int fd);
例：
int fd=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：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_capability *argp);
相关结构体：
struct v4l2_capability{u8 driver[16]; // 驱动名字
u8 card[32]; // 设备名字
u8 bus_info[32]; // 设备在系统中的位置
u32 version; // 驱动版本号
u32 capabilities; // 设备支持的操作
u32 reserved[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
struct v4l2_capability cap;ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);printf(“Driver Name:%s\nCard Name:%s\nBus info:%s\nDriver Version:%u.%u.%u\n”,cap.driver,cap.card,cap.bus_info,(cap.version>>16)&0XFF, (cap.version>>8)&0XFF,cap.version&0XFF);
5. 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。
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_format *argp);
相关结构体：
v4l2_cropcap 结构体用来设置摄像头的捕捉能力，在捕捉上视频时应先先设置
v4l2_cropcap 的 type 域，再通过 VIDIO_CROPCAP 操作命令获取设备捕捉能力的参数，保存于 v4l2_cropcap 结构体中，包括 bounds（最大捕捉方框的左上角坐标和宽高），defrect
（默认捕捉方框的左上角坐标和宽高）等。
v4l2_format 结构体用来设置摄像头的视频制式、帧格式等，在设置这个参数时应先填 好 v4l2_format 的各个域，如 type（传输流类型），fmt.pix.width(宽)，
fmt.pix.heigth(高)，fmt.pix.field(采样区域，如隔行采样)，fmt.pix.pixelformat(采
样类型，如 YUV4:2:2)，然后通过 VIDIO_S_FMT 操作命令设置视频捕捉格式。如下图所示：
5.1 查询并显示所有支持的格式：VIDIOC_ENUM_FMT
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);
相关结构体：
struct v4l2_fmtdesc{u32 index; // 要查询的格式序号，应用程序设置enum v4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置
u32 flags; // 是否为压缩格式
u8 description[32]; // 格式名称
u32 pixelformat; // 格式
u32 reserved[4]; // 保留
};
例：显示所有支持的格式
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc; fmtdesc.index=0; fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; printf("Support format:\n");while(ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc) != -1){printf("\t%d.%s\n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);fmtdesc.index++;}
5.2 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：VIDIOC_TRY_FMT
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_format *argp);
相关结构体：
struct v4l2_format{enum v4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置
union fmt{struct v4l2_pix_format pix; // 视频设备使用struct v4l2_window win;struct v4l2_vbi_format vbi;struct v4l2_sliced_vbi_format sliced;u8 raw_data[200];};};struct v4l2_pix_format{u32 width; // 帧宽，单位像素
u32 height; // 帧高，单位像素
u32 pixelformat; // 帧格式enum v4l2_field field;u32 bytesperline;u32 sizeimage;enum v4l2_colorspace colorspace;u32 priv;};
例：显示当前帧的相关信息
struct v4l2_format fmt; fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);printf(“Current data format information:\n\twidth:%d\n\theight:%d\n”,fmt.fmt.pix.width,fmt.fmt.pix.height);struct v4l2_fmtdesc fmtdesc; fmtdesc.index=0; fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1){if(fmtdesc.pixelformat & fmt.fmt.pix.pixelformat){printf(“\tformat:%s\n”,fmtdesc.description);break;}fmtdesc.index++;}
例：检查是否支持某种帧格式
struct v4l2_format fmt; 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(“not support format RGB32!\n”);
6. 图像的缩放 VIDIOC_CROPCAP
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_cropcap *argp);int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_crop *argp);int ioctl(int fd, int request, const struct v4l2_crop *argp);
相关结构体：
Cropping 和 scaling 主要指的是图像的取景范围及图片的比例缩放的支持。Crop 就 是把得到的数据作一定的裁剪和伸缩，裁剪可以只取样我们可以得到的图像大小的一部分， 剪裁的主要参数是位置、长度、宽度。而 scale 的设置是通过 VIDIOC_G_FMT 和 VIDIOC_S_FMT 来获得和设置当前的 image 的长度，宽度来实现的。看下图
我们可以假设 bounds 是 sensor 最大能捕捉到的图像范围，而 defrect 是设备默认 的最大取样范围，这个可以通过 VIDIOC_CROPCAP 的 ioctl 来获得设备的 crap 相关的属 性 v4l2_cropcap，其中的 bounds 就是这个 bounds，其实就是上限。每个设备都有个默 认的取样范围，就是 defrect，就是 default rect 的意思，它比 bounds 要小一些。这 个范围也是通过 VIDIOC_CROPCAP 的 ioctl 来获得的 v4l2_cropcap 结构中的 defrect 来表示的，我们可以通过 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP 来获取和设置设备当前的 crop 设置。
6.1 设置设备捕捉能力的参数
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_cropcap *argp);
相关结构体：
struct v4l2_cropcap{enum v4l2_buf_type type; // 数据流的类型，应用程序设置struct v4l2_rect bounds; // 这是 camera 的镜头能捕捉到的窗口大小的局限struct v4l2_rect defrect; // 定义默认窗口大小，包括起点位置及长,宽的大小，大小以像素为单位struct v4l2_fract pixelaspect; // 定义了图片的宽高比
};
6.2 设置窗口取景参数 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_crop *argp);int ioctl(int fd, int request, const struct v4l2_crop *argp);
相关结构体：
struct v4l2_crop{enum v4l2_buf_type type;// 应用程序设置struct v4l2_rect c;}
7.video Inputs and Outputs
VIDIOC_G_INPUT 和 VIDIOC_S_INPUT 用来查询和选则当前的 input，一个 video 设备 节点可能对应多个视频源，比如 saf7113 可以最多支持四路 cvbs 输入，如果上层想在四 个cvbs视频输入间切换，那么就要调用 ioctl(fd, VIDIOC_S_INPUT, &input) 来切换。
VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回当前的 video input和output的index.
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_input *argp);
相关结构体：
struct v4l2_input {
__u32 index; /* Which input */
__u8 name[32]; /* Label */
__u32 type; /* Type of input */
__u32 audioset; /* Associated audios (bitfield) */
__u32 tuner; /* Associated tuner */
v4l2_std_id std;
__u32 status;
__u32 reserved[4];
};
我们可以通过VIDIOC_ENUMINPUT and VIDIOC_ENUMOUTPUT 分别列举一个input或者 output的信息，我们使用一个v4l2_input结构体来存放查询结果，这个结构体中有一个 index域用来指定你索要查询的是第几个input/ouput,如果你所查询的这个input是当前正 在使用的，那么在v4l2_input还会包含一些当前的状态信息，如果所 查询的input/output 不存在，那么回返回EINVAL错误，所以，我们通过循环查找，直到返回错误来遍历所有的 input/output. VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回当前的video input和output 的index.
例： 列举当前输入视频所支持的视频格式
struct v4l2_input input;struct v4l2_standard standard;memset (&input, 0, sizeof (input));//首先获得当前输入的 index,注意只是 index，要获得具体的信息，就的调用列举操作if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_INPUT, &input.index)) {perror (”VIDIOC_G_INPUT”);exit (EXIT_FAILURE);}//调用列举操作，获得 input.index 对应的输入的具体信息if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input)) {perror (”VIDIOC_ENUM_INPUT”);exit (EXIT_FAILURE);}printf (”Current input %s supports:\n”, input.name); memset (&standard, 0, sizeof (standard)); standard.index = 0;//列举所有的所支持的 standard，如果 standard.id 与当前 input 的 input.std 有共同的
bit flag，意味着当前的输入支持这个 standard,这样将所有驱动所支持的 standard 列举一个遍，就可以找到该输入所支持的所有 standard 了。while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {if (standard.id & input.std)printf (”%s\n”, standard.name);standard.index++;}/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception. */if (errno != EINVAL || standard.index == 0) {perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);exit (EXIT_FAILURE);}
8. Video standards
相关函数：
v4l2_std_id std_id; //这个就是个64bit得数int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_standard *argp);
相关结构体：
typedef u64 v4l2_std_id;struct v4l2_standard {u32 index;v4l2_std_id id;u8 name[24];struct v4l2_fract frameperiod; /* Frames, not fields */u32 framelines;u32 reserved[4];};
当然世界上现在有多个视频标准，如NTSC和PAL，他们又细分为好多种，那么我们的设 备输入/输出究竟支持什么样的标准呢？我们的当前在使用的输入和输出正在使用的是哪 个标准呢？我们怎么设置我们的某个输入输出使用的标准呢？这都是有方法的。
查询我们的输入支持什么标准，首先就得找到当前的这个输入的index，然后查出它的 属性，在其属性里面可以得到该输入所支持的标准，将它所支持的各个标准与所有的标准 的信息进行比较，就可以获知所支持的各个标准的属性。一个输入所支持的标准应该是一 个集合，而这个集合是用bit与的方式用一个64位数字表示。因此我们所查到的是一个数字。
Example： Information about the current video standard v4l2_std_id std_id; //这个就是个64bit得数
struct v4l2_standard standard;// VIDIOC_G_STD就是获得当前输入使用的standard，不过这里只是得到了该标准的id// 即flag，还没有得到其具体的属性信息，具体的属性信息要通过列举操作来得到。if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_STD, &std_id)) { //获得了当前输入使用的standard// Note when VIDIOC_ENUMSTD always returns EINVAL this is no video device// or it falls under the USB exception, and VIDIOC_G_STD returning EINVAL// is no error.
perror (”VIDIOC_G_STD”);exit (EXIT_FAILURE);}memset (&standard, 0, sizeof (standard));standard.index = 0; //从第一个开始列举// VIDIOC_ENUMSTD用来列举所支持的所有的video标准的信息，不过要先给standard// 结构的index域制定一个数值，所列举的标 准的信息属性包含在standard里面，// 如果我们所列举的标准和std_id有共同的bit，那么就意味着这个标准就是当前输// 入所使用的标准，这样我们就得到了当前输入使用的标准的属性信息while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {if (standard.id & std_id) {printf (”Current video standard: %s\n”, standard.name);exit (EXIT_SUCCESS);}standard.index++;}/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception. */if (errno == EINVAL || standard.index == 0) {perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);exit (EXIT_FAILURE);}
9. 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(memory mapping)
和用户指针。这里只讨论内存映射(memory mapping)。
9.1 向设备申请缓冲区 VIDIOC_REQBUFS
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);
相关结构体：
struct v4l2_requestbuffers{u32 count; // 缓冲区内缓冲帧的数目enum v4l2_buf_type type; // 缓冲帧数据格式enum v4l2_memory memory; // 区别是内存映射还是用户指针方式
u32 reserved[2];};
注：enum v4l2_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
struct v4l2_requestbuffers req; req.count=4; req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP; ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);
9.2 获取缓冲帧的地址，长度：VIDIOC_QUERYBUF
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);
相关结构体：
struct v4l2_buffer{u32 index; //buffer 序号enum v4l2_buf_type type; //buffer 类型
u32 byteused; //buffer 中已使用的字节数
u32 flags; // 区分是MMAP 还是USERPTRenum v4l2_field field;struct timeval timestamp; // 获取第一个字节时的系统时间struct v4l2_timecode timecode;u32 sequence; // 队列中的序号enum v4l2_memory memory; //IO 方式，被应用程序设置
union m{u32 offset; // 缓冲帧地址，只对MMAP 有效
unsigned long userptr;};u32 length; // 缓冲帧长度
u32 input;u32 reserved;};
9.3 内存映射MMAP 及定义一个结构体来映射每个缓冲帧。 相关结构体：
struct buffer{void* start;unsigned int length;}*buffers;
相关函数：
#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)
相关函数：
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。
buffers = (buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers));if (!buffers) {// 映射
fprintf (stderr, "Out of memory/n");exit (EXIT_FAILURE);}for (unsigned int n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers){struct v4l2_buffer buf;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);}
10. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了
10.1 启动 或 停止数据流 VIDIOC_STREAMON， VIDIOC_STREAMOFF
int ioctl(int fd, int request, const int *argp);
//argp 为流类型指针，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.
10.2 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
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);
例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流
unsigned int i;enum v4l2_buf_type type;for (i = 0; i < 4; ++i) // 将缓冲帧放入队列
{struct v4l2_buffer buf;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);// 这有个问题，这些buf 看起来和前面申请的buf 没什么关系，为什么呢?
例：获取一帧并处理
struct v4l2_buffer buf; CLEAR (buf);buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF, &buf); // 从缓冲区取出一个缓冲帧 process_image (buffers[buf.index.]start); // ioctl (fdVIDIOC_QBUF&buf); //
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