V4L2系列 之 初识V4L2

前言

由于进行linux音视频开发，通常会涉及到音频以及摄像头视频驱动，所以对V4L2以及ALSA驱动框架进行学习，并整理相关的笔记和大家分享！

一、发展历史

  V4L2是Video for linux2的简称,为linux中关于视频设备的内核驱动。在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头在/dev/video*下，如果只有一个视频设备，通常为/dev/video0。

  V4L2在设计时，是要支持很多广泛的设备的，它们之中只有一部分在本质上是真正的视频设备。

  V4L2有一段历史了。大约在1998的秋天，它的光芒第一次出现在Bill Dirks 的眼中。
  经过长足的发展，它于2002年11 月，发布2.5.46 时，融入了内核主干之中。然而直到今天，仍有一部分内核驱动不支持新的API，这种新旧API 的转换工作仍在进行。
  同时，V4L2 API也在发展，并在2.6.18 版本中进行了一些重大的改变。支持V4L2的应用依旧相对较少。V4L2在设计时，是要支持很多广泛的设备的，它们之中只有一部分在本质上是真正的视频设备，可以支持多种设备,它可以有以下几种接口:

1. 视频采集接口(video capture interface):这种应用的设备可以是高频头或者摄像头.
	V4L2的最初设计就是应用于这种功能的.
	
2. 视频输出接口(video output interface):可以驱动计算机的外围视频图像设备--像
	可以输出电视信号格式的设备.

3. 直接传输视频接口(video overlay interface):它的主要工作是把从视频采集设备
	采集过来的信号直接输出到输出设备之上,而不用经过系统的CPU.

4. 视频间隔消隐信号接口(VBI interface):它可以使应用可以访问传输消隐期的视频信号.

5. 收音机接口(radio interface):可用来处理从AM或FM高频头设备接收来的音频流.

二、主要功能

  使程序有发现设备和操作设备的能力,它主要是用一系列的回调函数来实现这些功能。像设置摄像头的频率、帧频、视频压缩格式和图像参数等等。当然也可以用于其他多媒体的开发，如音频等。

  但是此框架只能运行在Linux操作系统之上。

三、编程开发

  v4L2是针对uvc免驱usb设备的编程框架 ，主要用于采集usb摄像头等， 基本开发步骤如下：

1、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：

extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, …) __THROW;
__fd：设备的ID，例如刚才用open函数打开视频通道后返回的cameraFd；
__request：具体的命令标志符。
在进行V4L2开发中，一般会用到以下的命令标志符：
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：把数据放回缓存队列
VIDIOC_DQBUF：把数据从缓存中读取出来
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。
这些IO调用，有些是必须的，有些是可选择的。

2、操作流程（编程步骤）

参考学习：https://blog.csdn.net/u010783226/article/details/122260974

1. 打开设备文件。
int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);

2. 取得设备的capability，看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入,或者音频输入
输出等。VIDIOC_QUERYCAP, struct v4l2_capability

struct v4l2_capability {
    
    
    __u8    driver[16];    /* i.e. "bttv" */
    __u8    card[32];    /* i.e. "Hauppauge WinTV" */
    __u8    bus_info[32];    /* "PCI:" + pci_name(pci_dev) */
    __u32   version;        /* should use KERNEL_VERSION() */
    __u32    capabilities;    /* Device capabilities */
    __u32    reserved[4];
};
其中最重要的是capabilities字段，这个字段标记着v4l2设备的功能，capabilities有
以下部分标记位
ID                              描述符
V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE    设备支持捕获功能
V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT     设备支持输出功能
V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY    设备支持预览功能
V4L2_CAP_STREAMING        设备支持流读写
V4L2_CAP_READWRITE        设备支持read、write方式读写
我们可以通过这样子去判断设备的功能
if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)
    printf("v4l2 dev support capture\n");

if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT)
    printf("v4l2 dev support output\n");

if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY)
    printf("v4l2 dev support overlay\n");

if(cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING)
    printf("v4l2 dev support streaming\n");

if(cap.capabilities & V4L2_CAP_READWRITE)
    printf("v4l2 dev support read write\n");
   
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:
	//……
}

struct v4l2_capability cap;
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, cap) < 0)
{
    
    
    printf("ERR(%s):VIDIOC_QUERYCAP failed\n", __func__);
    return -1;
}

3. 选择视频输入，一个视频设备可以有多个视频输入。
VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input
一个设备可能有多个输入，比如：在芯片上，摄像头控制器和摄像头接口是分离的，需要选择哪一个摄像头接口作为摄像头控制器的输入源

当然，并不是所有的设备都需要设置输入，比如：uvc摄像头，一般只有一个输入，默认就会选择，不需要设置

下面介绍如何设置输入设备

（1）枚举输入设备
下面这段程序枚举了该设备所有的输入源，并打印输入源的名称
struct v4l2_input input;

input.index = 0;
while (!ioctl(fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input))
{
    
    
    printf("input:%s\n", input.name);
    ++input.index;
}

（2）设置输入设备
struct v4l2_input input;

input.index = index; //指定输入设备

if (ioctl(fd, VIDIOC_S_INPUT, &input) < 0)
{
    
    
    printf("ERR(%s):VIDIOC_S_INPUT failed\n", __func__);
    return -1;
}

4. 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。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
struct v4l2_format fmt;
/*
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YUV 4 ：2 ：2 还是RGB
	enum v4l2_field field;
	__u32 bytesperline;
	__u32 sizeimage;
	enum v4l2_colorspace colorspace;
	__u32 priv;
};
*/
样例：
memset ( &fmt, 0, sizeof(fmt) );
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width = 320;
fmt.fmt.pix.height = 240;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_JPEG;
if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) < 0）
{
    
    
	printf("set format failed\n");
	//return 0;
}

5. 向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers
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];
};

样例：
struct v4l2_requestbuffers req;
memset(&req, 0, sizeof (req));
req.count = 4;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
if (ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req) == -1)
{
    
    
	perror("VIDIOC_REQBUFS error \n");
	//return -1;
}

6.申请物理内存
将申请到的帧缓冲映射到用户空间，这样就可以直接操作采集到的帧了，而不必去复制。
将申请到的帧缓冲全部入队列，以便存放采集到的数据.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer

VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(VideoBuffer) );
printf("sizeof(VideoBuffer) is %d\n",sizeof(VideoBuffer));

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;
	
	if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) < 0)
	{
    
    
		printf("VIDIOC_QUERYBUF error\n");
		//return -1;
	}
	printf("buf len is %d\n",sizeof(buf));
	
	//内存映射
	buffers[numBufs].length = buf.length;
	buffers[numBufs].offset = (size_t) buf.m.offset;
	buffers[numBufs].start = mmap (NULL, buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);
	printf("buffers.length = %d,buffers.offset = %d ,buffers.start[0] = %d\n",buffers[numBufs].length,buffers[numBufs].offset,buffers[numBufs].start[0]);
	printf("buf2 len is %d\n",sizeof(buffers[numBufs].start));
	
	if (buffers[numBufs].start == MAP_FAILED)
	{
    
    
		perror("buffers error\n");
		//return -1;
	}
	if (ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf) < 0)
	{
    
    
		printf("VIDIOC_QBUF error\n");
		//return -1;
	}
}

7. 开始视频的采集。
enum v4l2_buf_type type;
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if (ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type) < 0)
{
    
    
	printf("VIDIOC_STREAMON error\n");
	// return -1;
}

出队列以取得已采集数据的帧缓冲，取得原始采集数据。VIDIOC_DQBUF, 将缓冲重新
入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF
if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) < 0)
{
    
    
	perror("VIDIOC_DQBUF failed.\n");
	//return -1;
}
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

unsigned char *ptcur = buffers[numBufs].start;
printf("buf.bytesused = %d \n",buf.bytesused);
int i1;
for(i1=0; i1<buf.bytesused; i1++)
{
    
    
	if((buffers[numBufs].start[i1] == 0x000000FF) && (buffers[numBufs].start[i1+1] == 0x000000C4))
	{
    
    
		printf("Huffman table finded! \nbuf.bytesused = %d\nFFC4 = %d \n",buf.bytesused,i1);
		break;
	}
}

if(i1 == buf.bytesused)printf("huffman table don't exist! \n");
int i;
for(i=0; i<buf.bytesused; i++)
{
    
    
	if((buffers[numBufs].start[i] == 0x000000FF) && (buffers[numBufs].start[i+1] == 0x000000D8)) break;
	ptcur++;
}

printf("i=%d,FF=%02x,D8=%02x\n",i,buffers[numBufs].start[i],buffers[numBufs].start[i+1]);
int imagesize =buf.bytesused - i;
printf("buf.bytesused = %d \n",buf.bytesused);
printf("imagesize = %d \n",imagesize);

8. 停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF
enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if (ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type) < 0)
{
    
    
    printf("ERR(%s):VIDIOC_STREAMOFF failed\n", __func__);
    return -1;
}

9. close(fd)关闭视频设备，munmap解除内存映射，释放资源。

  了解V4L2的来源以及基本操作后，下一篇文章将介绍V4L2的驱动框架，敬请期待.

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