使用v4l2在树莓派上抓取视频图像

最近学习使用v4l2在树莓派上抓取视频图像。有些收获，现在分享给大家。

操作的过程为：1、打开摄像头；2、获取摄像头的capability（它所支持的操作）3、获取摄像头支持哪些视频/图片帧格式；4、设置视频/图片/帧格式；5、在摄像头驱动中申请缓冲空间用来临时存放抓取到的照片；6、申请程序中的内存空间并将缓冲区映射到内存中；7、开始采集视频并处理数据；8、停止视频采集并解除映射；9、关闭摄像头。

现在我写一下详细过程以及一些困惑。

1、打开摄像头

在linux中，任何设备都是以文件的形式存在于系统中的。一般而言，摄像头是/dev目录下一个名为videoN的文件，因此路径就是/dev/videoN。N的数值需要具体去查看，通过在终端输入指令 ls /dev，即可查看。

打开文件程序语句为：

int fd=open(CAMERA_DEVICE,O_RDWR,0);
if(fd == -1)
{printf("failed to open camera!\n");exit(0);
}

但是后来我使用了一个高清摄像头，貌似也是树莓派专用的，叫Raspberry Pi Camera V2。这款摄像头插上去之后还需要一些设置才能看在/dev到目录下看到video0，具体操作为：

（参考博文：https://blog.csdn.net/u010918541/article/details/70332235）

1)、开启树莓派的摄像头功能

sudo raspi-config

选择第三个。

2)、启动摄像头功能

选择第一个。

3)、重启树莓派

4)、重启之后使用如下指令打开/etc/modules文件

sudo nano /etc/modules

然后在末尾添加上：

i2v-dev
bcm2835-v4l2  #注意v4后面是小写字母l，不是数字1

5)、关闭当前终端，重开一个终端就可以时文件生效。

2、获取摄像头的capability

struct v4l2_capability cap;
if(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) == -1)
{printf("failed to query driver's driver capability!\n");exit(0);
}
printf("cap.capabilities=0x%x\n",cap.capabilities);

其中:

1)、v4l2_capability是存储设备所支持的功能信息的结构体，原型如下：

struct v4l2_capability
{__u8 driver[16];      //驱动名。通常为uvcvideo__u8 card[32];        //Device名。通常是摄像头厂家产品名字__u8 bus_info[32];    //在Bus系统中存放位置__u32 version;        //driver 版本__u32 capabilities;   //能力集__u32 reserved[4];    //保留，暂时不用
};

__8表示无符号8位的数据，__32表示32位，之所以这样用，而不是直接使用int 或者unsigned int，是因为在不同应用平台上，int所表示的不一定是4字节，也有可能是两个字节。

2)、VIDIOC_QUERYCAP是获取设备能力的控制语句。在博客：https://blog.csdn.net/u011425939/article/details/53671869中有一些常用的v4l2常用的命令和结构体介绍。

3)、使用ioctl函数需要#include "linux/videodev2.h"。ioctl函数是一个功能很强大的函数，我曾试图找过它的原型和所有用法（主要是想知道该函数的第二个参数能有多少，都是哪些），但是最后也没有找全，因为不只是控制摄像头会用到这个函数，还有其他许多方面，因此也可以不用太过于纠结这个函数。

我的摄像头的能力集为：cap.capabilities=0x85200005。在头文件linux/videodev2.h中有对能力集的描述，这里列出部分主要的描述，（还有一些可以自己上网查找）：

#define V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE 0x00000001

#define V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY 0x00000004

#define V4L2_CAP_READWRITE 0x01000000

#define V4L2_CAP_STREAMING 0x04000000

摄像头必须要支持V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE功能才能谈得上抓取视频图片。此外还至少拥有第三或第四个能力中的一种，一般是拥有第四个。最终表现出来的capability是各个能力按位或的结果。因此可以看出我的摄像头能支持上述四种功能，分别为：图像抓取，图像覆盖（具体作用可以查看博客：https://blog.csdn.net/naibei/article/details/81146642），读写功能，流。

3、获取摄像头支持哪些视频/图片帧格式

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
fmtdesc.index=0;fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
printf("image format(s) driver supported:\n");
do{ioctl_error=ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc);printf("index:%d,flag:%d, format name:%s,pixelformat=0x%x \n",fmtdesc.index,fmtdesc.flags,fmtdesc.description,fmtdesc.pixelformat);fmtdesc.index++;
}while(0==ioctl_error);

其中：

1)、v4l2_fmtdesc是存储摄像头所支持的格式信息的结构体，原型为：

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};

2)、type一般为V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE，也可以为V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT，后一种的没用过，还不知道是干嘛用的。

3)、VIDIOC_ENUM_FMT是查询摄像头支持的图片格式。

我的摄像头所支持的视频/图片格式有：

4、设置视频/图片/帧格式

struct v4l2_format format;
memset(&format,0,sizeof(struct v4l2_format));format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
format.fmt.pix.width = VIDEO_WIDTH; //width of frame photo
format.fmt.pix.height = VIDEO_HEIGHT;//hight of frame photo
format.fmt.pix.pixelformat=VIDEO_FORMAT;//frame formatioctl_error=ioctl(fd, VIDIOC_TRY_FMT, &format);
printf("ioctl_errorurn value of VIDIOC_TRY_FMT=%d\n",ioctl_error);ioctl_error=ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &format);
printf("ioctl_errorurn value of VIDIOC_S_FMT=%d\n",ioctl_error);

其中：

1)、v4l2_format是存储帧格式信息的结构体，原型为：

struct v4l2_format {  enum v4l2_buf_type type;union {  struct v4l2_pix_format pix;//V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTUREstruct v4l2_window win;//V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAYstruct v4l2_vbi_format vbi;//V4L2_BUF_TYPE_VBI_CAPTUREstruct v4l2_sliced_vbi_format sliced;//V4L2_BUF_TYPE_SLICED_VBI_CAPTURE__u8 raw_data[200];//user-defined}fmt;  };

union中的结构体v4l2_pix_format原型为：

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enum v4l2_field field;  __u32  bytesperline;//for padding, zero if unused__u32 sizeimage;  enum v4l2_colorspace colorspace;  __u32 priv;//private data, depends on pixelformat};

2)、type一般为V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

3)、format.fmt.pix.width和format.fmt.pix.height分别表示帧的宽和高

4)、format.fmt.pix.pixelformat是图片的格式，也就是“3、获取视频/图片支持哪些帧格式”查询后所支持的格式。它的计算过程可以查看博文：https://blog.csdn.net/myarrow/article/details/8516266。这是linux中典型的结构体中有结构体的情况。

我这里有一点疑惑，我的摄像头支持很多格式，但是除了“JFIF JPEG”格式外，其余格式抓取的图片均显示已损坏。

5)、VIDIOC_TRY_FMT是在验证设置的格式是否正确，若成功则返回0。

6)、VIDIOC_S_FMT是在设置格式，若成功设置，则返回0。

5、在摄像头驱动中申请缓冲空间用来临时存放抓取到的照片

struct v4l2_requestbuffers req; //buffer in devicereq.count = BUFFER_COUNT;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;if(ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req) == -1) //VIDIOC_REQBUFS means // allocate memory from device
{printf("failed to apply memory for images from catching video!\n");exit(0);
}

其中：

1)、v4l2_requestbuffers是记录需要在设备中申请的缓冲区的信息的结构体。原型为：

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，一般 //少于5张enum v4l2_buf_type type;// 数据流类型，必须永远是 //4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTUREenum v4l2_memory memory;// V4L2_MEMORY_MMAP 或 V4L2_MEMORY_USERPTR__u32 reserved[2];};enum v4l2_memory {  V4L2_MEMORY_MMAP = 1,  V4L2_MEMORY_USERPTR = 2,  V4L2_MEMORY_OVERLAY = 3};

2)、VIDIOC_REQBUFS表示从设备中分配内存。

6、申请程序中的内存空间并将缓冲区映射到内存中

为了使应用程序能够使用抓取到的图片，因此在应用程序中也申请相应大小的内存空间。因为程序不能直接对设备缓冲区的内容直接进行操作

VideoBuffer* video_buf = calloc(req.count, sizeof(*video_buf));
struct v4l2_buffer buf;int numBufs=0;
for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++)
{memset( &buf, 0, sizeof(buf) );buf.index = numBufs;buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;//apply buffer memory from deviceif (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1){ printf("faild to get buffer memory%d\n",numBufs);exit(0);}    video_buf[numBufs].length = buf.length;// map device buffer into program memory so that we can get information //of image(s) and display in monitorvideo_buf[numBufs].start = mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);if (video_buf[numBufs].start == MAP_FAILED){printf("video_buf[%d] ",numBufs);perror("map error:");exit(0);}//queue buffer to save images from deviceif (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1){printf("fiald to push into buffer queue\n");exit(0);}printf("Frame buffer %d: address=0x%x, length=%d\n", numBufs, (unsigned int)video_buf[numBufs].start, video_buf[numBufs].length);
}

其中：

1)、VideoBuffer是一个需要自己定义的结构体，是申请的内存的外部接口。原型为：

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

2)、v4l2_buffer，存储设备缓冲帧的数据，原型为：

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;};

3)、VIDIOC_QUERYBUF是将VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址。

4)、mmap 将设备中的缓冲区映射为程序中使用的（虚拟）内存。具体使用，可参见博文：https://blog.csdn.net/yangle4695/article/details/52139585

5)、VIDIOC_QBUF 把记录缓冲区数据的结构体放入缓存队列中，以便记录图像帧。

7、开始采集视频并处理数据

enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;ioctl_error = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);//VIDIOC_STREAMON：//start command:video captuer,then  the device program will start colloct video data and save it into device's bufferif (ioctl_error < 0)
{printf("VIDIOC_STREAMON failed (%d)\n", ioctl_error);exit(0);
}int loop_i;
for(loop_i=0;loop_i<DESIRED_IMAGE_COUNT;loop_i++)
{// Get frameioctl_error = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);//get a photo from device and save into device buffer,because of mapping before,it also saved into program memory if (ioctl_error < 0)
{printf("VIDIOC_DQBUF failed (%d)\n", ioctl_error);exit(0);
}// save frame
strcpy(image_path,INITIAL_IMAGE_PATH);//Re-initialise  path name of image
get_image_name(image_path,loop_i+1);//get new path nameFILE *fp = fopen(image_path, "wb");
if (fp < 0)
{printf("open frame data file failed\n");exit(0);
}fwrite(video_buf[buf.index].start, 1, buf.length, fp);
fclose(fp);printf("Capture frame%d saved in %s\n",loop_i+1,image_path);// Re-queen buffer
ioctl_error = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);
if (ioctl_error < 0)
{printf("VIDIOC_QBUF failed (%d)\n", ioctl_error);exit(0);
}

其中：

1)、type应为V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE。

2)、VIDIOC_STREAMON 是开始采集视频数据的命令

3)、DESIRED_IMAGE_COUNT 自己的宏定义，需要获取的图片数量

4)、VIDIOC_QBUF 将出队的缓冲帧重新放入队列中，以便再次获得

5)、文件的命名，是按照获取的时间来命名的，因为1秒钟能获取多张，因此还得加上后缀1、2、3...之类的。

8、停止视频采集并解除映射

for (numBufs=0; numBufs< req.count; numBufs++)
{munmap(video_buf[numBufs].start, video_buf[numBufs].length);
}

9、关闭摄像头

if(fd != -1)
{if(close(fd) != -1)printf("succeed to close camera!\n");
}else
{printf("failed to close camera!\n");exit(0);
}

附上程序源代码：

#include "stdio.h"
#include "fcntl.h"
#include "linux/videodev2.h"
#include "string.h"
#include "stdlib.h"
#include "sys/mman.h"
#include "errno.h"
#include "time.h"#define CAMERA_DEVICE "/dev/video0"#define INITIAL_IMAGE_PATH "/home/Photos/"
#define VIDEO_WIDTH 1366
#define VIDEO_HEIGHT 768
#define VIDEO_FORMAT V4L2_PIX_FMT_JPEG
#define BUFFER_COUNT 2  //image count in device buffer queue
#define DESIRED_IMAGE_COUNT 5typedef struct VideoBuffer
{void   *start;size_t  length;
}VideoBuffer;//get each image's path name via different catching time
void get_image_name(char _str[],int _num)
{char time_str[30];time_t timep;struct tm *p;time(&timep);p=localtime(&timep);sprintf(time_str,"%d%d%d_%d_%d_%d_%d",(1900+p->tm_year), (1+p->tm_mon),p->tm_mday, p->tm_hour, p->tm_min, p->tm_sec,_num);strcat(time_str,".jpg");strcat(_str,time_str);
}void main()
{int fd=0; //camera handelint ioctl_error=0; //returned value of function: inctl char image_path[80]=INITIAL_IMAGE_PATH;// open file of camera   printf("#open camera:\n");fd=open(CAMERA_DEVICE,O_RDWR,0);if(fd == -1){printf("failed to open camera!\n");exit(0);}printf("fd=%d\n",fd);//query driver's capabilityprintf("\n#query driver's capability:\n");struct v4l2_capability cap;if(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) == -1){printf("failed to query driver's driver capability!\n");exit(0);}printf("cap.capabilities=0x%x\n",cap.capabilities);//enumerate image format(s) driver supportedprintf("\n#enumerate image format(s) driver supported:\n");struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;fmtdesc.index=0;fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;printf("image format(s) driver supported:\n");do{ioctl_error=ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc);printf("index:%d,flag:%d, format name:%s,pixelformat=0x%x \n",fmtdesc.index,fmtdesc.flags,fmtdesc.description,fmtdesc.pixelformat);fmtdesc.index++;}while(0==ioctl_error);//set frame formatprintf("\n#set frame format:\n");struct v4l2_format format;memset(&format,0,sizeof(struct v4l2_format));format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;format.fmt.pix.width = VIDEO_WIDTH; //width of frame photoformat.fmt.pix.height = VIDEO_HEIGHT;//hight of frame photoformat.fmt.pix.pixelformat=VIDEO_FORMAT;//frame formatioctl_error=ioctl(fd, VIDIOC_TRY_FMT, &format);printf("ioctl_errorurn value of VIDIOC_TRY_FMT=%d\n",ioctl_error);ioctl_error=ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &format);printf("ioctl_errorurn value of VIDIOC_S_FMT=%d\n",ioctl_error);//apply memory for images from catching videoprintf("\n#apply memory for images from catching video:\n");struct v4l2_requestbuffers req; //buffer in devicereq.count = BUFFER_COUNT;req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;if(ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req) == -1) //VIDIOC_REQBUFS means allocate memory from device{printf("failed to apply memory for images from catching video!\n");exit(0);}//apply phycisal(program) memory and map it to memory of imagesprintf("\n#apply phycisal memory and map it to memory of images:\n");VideoBuffer* video_buf = calloc(req.count, sizeof(*video_buf));struct v4l2_buffer buf;int numBufs=0;for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++) {memset( &buf, 0, sizeof(buf) );buf.index = numBufs;buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;//apply buffer memory from deviceif (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {printf("faild to get buffer memory%d\n",numBufs);exit(0);}video_buf[numBufs].length = buf.length;// map device buffer into program memory so that we can get information of image(s) and display in monitorvideo_buf[numBufs].start = mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);if (video_buf[numBufs].start == MAP_FAILED) {printf("video_buf[%d] ",numBufs);perror("map error:");exit(0);}//queue buffer to save images from deviceif (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {printf("fiald to push into buffer queue\n");exit(0);}printf("Frame buffer %d: address=0x%x, length=%d\n", numBufs, (unsigned int)video_buf[numBufs].start, video_buf[numBufs].length);}//start to record videoprintf("\n#start to record video:\n");enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;ioctl_error = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);//VIDIOC_STREAMON： start command:video captuer,then  the device program will start //colloct video data and save it into device's bufferif (ioctl_error < 0) {printf("VIDIOC_STREAMON failed (%d)\n", ioctl_error);exit(0);}int loop_i;for(loop_i=0;loop_i<DESIRED_IMAGE_COUNT;loop_i++){// Get frameioctl_error = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);//get a photo from device and save into device buffer,because of mapping before,//it also saved into program memory if (ioctl_error < 0){printf("VIDIOC_DQBUF failed (%d)\n", ioctl_error);exit(0);}// save frame strcpy(image_path,INITIAL_IMAGE_PATH);//Re-initialise path name of imageget_image_name(image_path,loop_i+1);//get new path nameFILE *fp = fopen(image_path, "wb");if (fp < 0) {printf("open frame data file failed\n");exit(0);}fwrite(video_buf[buf.index].start, 1, buf.length, fp);fclose(fp);printf("Capture frame%d saved in %s\n",loop_i+1,image_path);// Re-queen bufferioctl_error = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);if (ioctl_error < 0){printf("VIDIOC_QBUF failed (%d)\n", ioctl_error);exit(0);}}// Release the resourcefor (numBufs=0; numBufs< req.count; numBufs++) {munmap(video_buf[numBufs].start, video_buf[numBufs].length);}//close file of cameraprintf("\n#close camera:\n");if(fd != -1){         if(close(fd) != -1)printf("succeed to close camera!\n");}else{printf("failed to close camera!\n");exit(0);}//free memory free(Video_buf);}

参考博客及文章：

1、Raspberry Pi Camera V2 的设置：https://blog.csdn.net/u010918541/article/details/70332235

2、overlay显示模式：https://blog.csdn.net/naibei/article/details/81146642

3、V4L2常用命令标志符和结构体：https://blog.csdn.net/u011425939/article/details/53671869

4、V4L2 pixel format：https://blog.csdn.net/myarrow/article/details/8516266 、http://blog.chinaunix.net/uid-22666248-id-279978.html

5、Linux 内存映射函数 mmap()函数详解：https://blog.csdn.net/yangle4695/article/details/52139585

6、基于Linux的v4l2视频架构驱动编写：https://www.linuxidc.com/Linux/2011-03/33022p4.htm

7、采用V4L2读取的USB摄像头：https://blog.csdn.net/lucykingljj/article/details/41804221

8、V4L2应用程序框架：http://www.cnblogs.com/hzhida/archive/2012/05/29/2524397.html

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