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:

  1. int fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR);// 打开设备
  2. 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:

  1. int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_capability *argp);

相关结构体:

  1. structv4l2_capability
  2. {
  3. __u8 driver[16];     // 驱动名字
  4. __u8 card[32];       // 设备名字
  5. __u8bus_info[32]; // 设备在系统中的位置
  6. __u32 version;       // 驱动版本号
  7. __u32capabilities;  // 设备支持的操作
  8. __u32reserved[4]; // 保留字段
  9. };
  10. capabilities 常用值:
  11. V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE    // 是否支持图像获取

例:显示设备信息

  1. structv4l2_capability cap;
  2. ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);
  3. printf(“DriverName:%s/nCard Name:%s/nBus info:%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:

  1. VIDIOC_ENUM_FMT// 显示所有支持的格式
  2. int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);
  3. structv4l2_fmtdesc
  4. {
  5. __u32 index;   // 要查询的格式序号,应用程序设置
  6. enumv4l2_buf_type type;     // 帧类型,应用程序设置
  7. __u32 flags;    // 是否为压缩格式
  8. __u8       description[32];      // 格式名称
  9. __u32pixelformat; // 格式
  10. __u32reserved[4]; // 保留
  11. };

例:显示所有支持的格式

  1. structv4l2_fmtdesc fmtdesc;
  2. fmtdesc.index=0;
  3. fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  4. printf("Supportformat:/n");
  5. while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
  6. {
  7. printf("/t%d.%s/n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);
  8. fmtdesc.index++;
  9. }

// 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

  1. VIDIOC_TRY_FMT
  2. int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_format *argp);
  3. structv4l2_format
  4. {
  5. enumv4l2_buf_type type;// 帧类型,应用程序设置
  6. union fmt
  7. {
  8. structv4l2_pix_format pix;// 视频设备使用
  9. structv4l2_window win;
  10. structv4l2_vbi_format vbi;
  11. structv4l2_sliced_vbi_format sliced;
  12. __u8raw_data[200];
  13. };
  14. };
  1. structv4l2_pix_format
  2. {
  3. __u32 width;  // 帧宽,单位像素
  4. __u32 height;  // 帧高,单位像素
  5. __u32pixelformat; // 帧格式
  6. enum v4l2_fieldfield;
  7. __u32bytesperline;
  8. __u32 sizeimage;
  9. enumv4l2_colorspace colorspace;
  10. __u32 priv;
  11. };

例:显示当前帧的相关信息

  1. structv4l2_format fmt;
  2. fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  3. ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);
  4. printf(“Currentdata format information:
  5. /n/twidth:%d/n/theight:%d/n”,fmt.fmt.width,fmt.fmt.height);
  6. structv4l2_fmtdesc fmtdesc;
  7. fmtdesc.index=0;
  8. fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  9. while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
  10. {
  11. if(fmtdesc.pixelformat& fmt.fmt.pixelformat)
  12. {
  13. printf(“/tformat:%s/n”,fmtdesc.description);
  14. break;
  15. }
  16. fmtdesc.index++;
  17. }

例:检查是否支持某种帧格式

  1. structv4l2_format fmt;
  2. fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  3. fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB32;
  4. if(ioctl(fd,VIDIOC_TRY_FMT,&fmt)==-1)
  5. if(errno==EINVAL)
  6. printf(“notsupport format RGB32!/n”);

6. 图像的缩放

  1. VIDIOC_CROPCAP
  2. int ioctl(int fd,int request, struct v4l2_cropcap *argp);
  3. structv4l2_cropcap
  4. {
  5. enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置
  6. struct v4l2_rectbounds;//     最大边界
  7. struct v4l2_rectdefrect;// 默认值
  8. structv4l2_fract pixelaspect;
  9. };

// 设置缩放

  1. VIDIOC_G_CROP,VIDIOC_S_CROP
  2. int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_crop *argp);
  3. int ioctl(intfd, int request, const struct v4l2_crop *argp);
  4. struct v4l2_crop
  5. {
  6. enumv4l2_buf_type type;// 应用程序设置
  7. struct v4l2_rectc;
  8. }

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

  1. VIDIOC_REQBUFS
  2. int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);
  3. structv4l2_requestbuffers
  4. {
  5. __u32 count;  // 缓冲区内缓冲帧的数目
  6. enumv4l2_buf_type type;     // 缓冲帧数据格式
  7. enum v4l2_memorymemory;       // 区别是内存映射还是用户指针方式
  8. __u32 reserved[2];
  9. };
  10. enum v4l2_memoy{V4L2_MEMORY_MMAP,V4L2_MEMORY_USERPTR};
  11. //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

  1. structv4l2_requestbuffers req;
  2. req.count=4;
  3. req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  4. req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
  5. 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);

  1. structv4l2_buffer
  2. {
  3. __u32 index;   //buffer 序号
  4. enumv4l2_buf_type type;     //buffer 类型
  5. __u32 byteused;     //buffer 中已使用的字节数
  6. __u32 flags;    // 区分是MMAP 还是USERPTR
  7. enum v4l2_fieldfield;
  8. struct timevaltimestamp;// 获取第一个字节时的系统时间
  9. structv4l2_timecode timecode;
  10. __u32 sequence;// 队列中的序号
  11. enum v4l2_memorymemory;//IO 方式,被应用程序设置
  12. union m
  13. {
  14. __u32 offset;// 缓冲帧地址,只对MMAP 有效
  15. unsigned longuserptr;
  16. };
  17. __u32 length;// 缓冲帧长度
  18. __u32 input;
  19. __u32 reserved;
  20. };

MMAP ,定义一个结构体来映射每个缓冲帧。

  1. Struct buffer
  2. {
  3. void* start;
  4. unsigned intlength;
  5. }*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。

  1. buffers =(buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers));
  2. if (!buffers) {
  3. fprintf (stderr,"Out of memory/n");
  4. exit(EXIT_FAILURE);
  5. }

// 映射

  1. for (unsignedint n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {
  2. struct v4l2_bufferbuf;
  3. memset(&buf,0,sizeof(buf));
  4. buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  5. buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;
  6. buf.index =n_buffers;
  7. // 查询序号为n_buffers 的缓冲区,得到其起始物理地址和大小
  8. if (-1 == ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf))
  9. exit(-1);
  10. buffers[n_buffers].length= buf.length;
  11. // 映射内存
  12. buffers[n_buffers].start=mmap (NULL,buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE ,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);
  13. if (MAP_FAILED== buffers[n_buffers].start)
  14. exit(-1);
  15. }

8. 缓冲区处理好之后,就可以开始获取数据了

  1. // 启动/ 停止数据流
  2. VIDIOC_STREAMON,VIDIOC_STREAMOFF
  3. int ioctl(intfd, int request, const int *argp);
  4. //argp 为流类型指针,如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.
  5. 在开始之前,还应当把缓冲帧放入缓冲队列:
  6. VIDIOC_QBUF// 把帧放入队列
  7. VIDIOC_DQBUF// 从队列中取出帧
  8. int ioctl(intfd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

例:把四个缓冲帧放入队列,并启动数据流

  1. unsigned int i;
  2. enum v4l2_buf_typetype;
  3. // 将缓冲帧放入队列
  4. for (i = 0; i< 4; ++i)
  5. {
  6. structv4l2_buffer buf;
  7. buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  8. buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;
  9. buf.index = i;
  10. ioctl (fd,VIDIOC_QBUF, &buf);
  11. }
  12. type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  13. ioctl (fd,VIDIOC_STREAMON, &type);

例:获取一帧并处理

  1. structv4l2_buffer buf;
  2. CLEAR (buf);
  3. buf.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
  4. buf.memory =V4L2_MEMORY_MMAP;
  5. // 从缓冲区取出一个缓冲帧
  6. ioctl (fd,VIDIOC_DQBUF, &buf);
  7. // 图像处理
  8. process_image(buffers[buf.index].start);
  9. // 将取出的缓冲帧放回缓冲区
  10. ioctl (fd, VIDIOC_QBUF,&buf);

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