23、V4L2应用编写及各个ioctl涉及结构体说明分析
常用的结构体在内核目录include/linux/videodev2.h中定义
struct v4l2_requestbuffers //申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability //视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input //视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard //视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format //帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer //驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop //视频信号矩形边框
v4l2_std_id //视频制式
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)： （说明当UVC摄像头接上Hub的时候，hub已经通过端点0和其通信了，并将所有的描述符复制到内核中，并解析后保存在响应的结构体，在这些ioctl中仅与用户控件交换及设置一些属性、格式、分辨率等）
（uvc_probe
uvc_parse_control
uvc_parse_vendor_control
uvc_parse_standard_control
//根据buf中信息分别解析各个描述符信息，比如format信息解析uvc_parse_streaming
format = kzalloc(size, GFP_KERNEL);//分配format
frame = (struct uvc_frame *)&format[nformats];//分配保存frame
format->frame = frame;//保存frame
streaming->format = format;保存format，在ioctl中会使用到streaming->format
uvc_parse_format//解析format，根据描述符里面的guid转换为字符与uvc_fmts数组比较，找到定义格式的宏，在uvc_driver.c中，这个数组有YUYV、MIPEG等）
• 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：获取当前摄像头支持的视频格式
• VIDIOC_S_FMT：设置当前摄像头的频捕获格式
• VIDIOC_G_FMT：读取当前摄像头的频捕获格式
• VIDIOC_TRY_FMT：验证当前摄像头的显示格式
• VIDIOC_CROPCAP：查询摄像头的修剪能力
• 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;
req.count = BUFFER_COUNT;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
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;
v4l2_buffer 结构如下：
struct v4l2_buffer {
__u32 index;
enum v4l2_buf_type type;
__u32 bytesused;
__u32 flags;
enum v4l2_field field;
struct timeval timestamp;
struct v4l2_timecode timecode;
__u32 sequence;
/* memory location */
enum v4l2_memory memory;
union {
__u32 offset; //每个缓冲区在总buffer中的偏移位置
unsigned long userptr;
} m;
__u32 length; //每个缓冲区buffer的大小
__u32 input;
__u32 reserved;
};
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。
下面是damo程序（经过实际验证，修改了网上的例程的错误）
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <getopt.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <malloc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <asm/types.h>
#include <linux/videodev2.h>
#define CAMERA_DEVICE "/dev/video0"
#define CAPTURE_FILE "frame.jpg"
#define VIDEO_WIDTH 640
#define VIDEO_HEIGHT 480
#define VIDEO_FORMAT V4L2_PIX_FMT_YUYV
#define BUFFER_COUNT 4
typedef struct VideoBuffer {
void *start;
size_t length;
} VideoBuffer;
int main()
{
int i, ret;
// 打开设备
int fd;
fd = open(CAMERA_DEVICE, O_RDWR, 0);
if (fd < 0) {
printf("Open %s failed\n", CAMERA_DEVICE);
return -1;
}
// 获取驱动信息
struct v4l2_capability cap;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_QUERYCAP failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Print capability infomations
printf("Capability Informations:\n");
printf(" driver: %s\n", cap.driver);
printf(" card: %s\n", cap.card);
printf(" bus_info: %s\n", cap.bus_info);
printf(" version: %08X\n", cap.version);
printf(" capabilities: %08X\n", cap.capabilities);
// 设置视频格式
struct v4l2_format fmt;
memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width = VIDEO_WIDTH;
fmt.fmt.pix.height = VIDEO_HEIGHT;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_S_FMT failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// 获取视频格式
ret = ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_G_FMT failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Print Stream Format
printf("Stream Format Informations:\n");
printf(" type: %d\n", fmt.type);
printf(" width: %d\n", fmt.fmt.pix.width);
printf(" height: %d\n", fmt.fmt.pix.height);
char fmtstr[8];
memset(fmtstr, 0, 8);
memcpy(fmtstr, &fmt.fmt.pix.pixelformat, 4);
printf(" pixelformat: %s\n", fmtstr);
printf(" field: %d\n", fmt.fmt.pix.field);
printf(" bytesperline: %d\n", fmt.fmt.pix.bytesperline);
printf(" sizeimage: %d\n", fmt.fmt.pix.sizeimage);
printf(" colorspace: %d\n", fmt.fmt.pix.colorspace);
printf(" priv: %d\n", fmt.fmt.pix.priv);
printf(" raw_date: %s\n", fmt.fmt.raw_data);
// 请求分配内存
struct v4l2_requestbuffers reqbuf;
reqbuf.count = BUFFER_COUNT;
reqbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
reqbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
ret = ioctl(fd , VIDIOC_REQBUFS, &reqbuf);
if(ret < 0) {
printf("VIDIOC_REQBUFS failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// 获取空间
VideoBuffer* buffers = calloc( reqbuf.count, sizeof(*buffers) );
struct v4l2_buffer buf;
for (i = 0; i < reqbuf.count; i++)
{
buf.index = i;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
ret = ioctl(fd , VIDIOC_QUERYBUF, &buf);
if(ret < 0) {
printf("VIDIOC_QUERYBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);
return ret;
}
// mmap buffer
framebuf[i].length = buf.length;
framebuf[i].start = (char *) mmap(0, buf.length, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);
if (framebuf[i].start == MAP_FAILED) {
printf("mmap (%d) failed: %s\n", i, strerror(errno));
return -1;
}
// Queen buffer
ret = ioctl(fd , VIDIOC_QBUF, &buf);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_QBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);
return -1;
}
printf("Frame buffer %d: address=0x%x, length=%d\n", i, (unsigned int)framebuf[i].start, framebuf[i].length);
}
// 开始录制
enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_STREAMON failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Get frame
ret = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_DQBUF failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Process the frame
FILE *fp = fopen(CAPTURE_FILE, "wb");
if (fp < 0) {
printf("open frame data file failed\n");
return -1;
}
fwrite(framebuf[buf.index].start, 1, buf.length, fp);
fclose(fp);
printf("Capture one frame saved in %s\n", CAPTURE_FILE);
// Re-queen buffer
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_QBUF failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Release the resource
for (i=0; i< 4; i++)
{
munmap(framebuf[i].start, framebuf[i].length);
}
close(fd);
printf("Camera test Done.\n");
return 0;
}
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
附件：
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length);
参数说明：
——start：映射区的开始地址。
——length：映射区的长度。
——prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起
—PROT_EXEC //页内容可以被执行
—PROT_READ //页内容可以被读取
—PROT_WRITE //页可以被写入
—PROT_NONE //页不可访问
——flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体
—MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
—MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。
—MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。
—MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。
—MAP_EXECUTABLE //同上
—MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。
—MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。
—MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
—MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。
—MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。
—MAP_FILE //兼容标志，被忽略。
—MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
—MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。
—MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。
——fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。
——offset：被映射对象内容的起点。
返回值：
成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。
失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值。
