V4L2视频采集接口使用说明

时间:2022-03-01 09:13:03
V4L2采用流水线的方式,操作更简单直观,基本遵循打开视频设备、设置格式、处理数据、关闭设备,更多的具体操作通过ioctl函数来实现。
 

1.打开视频设备

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, 0);
// 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, 0);

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。

2. 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:

 int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, .../*args*/) ;

在进行V4L2开发中,常用的命令标志符如下(some are optional):

  • 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。

2.1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:
        //……
}

2.2 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,结构如下:

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;       
};
2.3 分配内存

接下来可以为视频捕获分配内存:

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

v4l2_requestbuffers 结构如下:
struct v4l2_requestbuffers
{
    __u32               count;  // 缓存数量,也就是说在缓存队列里保持多少张照片
    enum v4l2_buf_type  type;   // 数据流类型,必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 
    enum v4l2_memory    memory; // V4L2_MEMORY_MMAP 或 V4L2_MEMORY_USERPTR
    __u32               reserved[2];
};

2.4 获取并记录缓存的物理空间

使用VIDIOC_REQBUFS,我们获取了req.count个缓存,下一步通过调用VIDIOC_QUERYBUF命令来获取这些缓存的地址,然后使用mmap函数转换成应用程序中的绝对地址,最后把这段缓存放入缓存队列:

 

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

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

for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++) {
    memset( &buf, 0, sizeof(buf) );
    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    buf.index = numBufs;
    // 读取缓存
    if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
        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;
    }

    // 放入缓存队列
    if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
        return -1;
    }
}

2.5 视频采集方式

操作系统一般把系统使用的内存划分成用户空间和内核空间,分别由应用程序管理和操作系统管理。应用程序可以直接访问内存的地址,而内核空间存放的是 供内核访问的代码和数据,用户不能直接访问。v4l2捕获的数据,最初是存放在内核空间的,这意味着用户不能直接访问该段内存,必须通过某些手段来转换地 址。

一共有三种视频采集方式:使用read、write方式;内存映射方式和用户指针模式。

read、write方式,在用户空间和内核空间不断拷贝数据,占用了大量用户内存空间,效率不高。

内存映射方式:把设备里的内存映射到应用程序中的内存控件,直接处理设备内存,这是一种有效的方式。上面的mmap函数就是使用这种方式。

用户指针模式:内存片段由应用程序自己分配。这点需要在v4l2_requestbuffers里将memory字段设置成V4L2_MEMORY_USERPTR。

2.6 处理采集数据

V4L2 有一个数据缓存,存放req.count数量的缓存数据。数据缓存采用FIFO的方式,当应用程序调用缓存数据时,缓存队列将最先采集到的视频数据缓存送 出,并重新采集一张视频数据。这个过程需要用到两个ioctl命令,VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF:

struct v4l2_buffer buf;
memset(&buf,0,sizeof(buf));
buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index=0;

//读取缓存
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
    return -1;
}
//…………视频处理算法
//重新放入缓存队列
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {

    return -1;
}
 

3. 关闭视频设备

使用close函数关闭一个视频设备

close(cameraFd)

如果使用mmap,最后还需要使用munmap方法。