这里我们使用c++的方式将需要调用到的相关v4l2指令封装成一个UsbCamera类，usb camera等uvc免驱设备可以很简单的通过该类实现yuv帧数据流的获取处理。
首先定义一个统一的数据结构
struct VideoInfo {
struct v4l2_capability cap; // 视频设备的基本功能等信息
struct v4l2_format format; // 帧格式、长宽等信息
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc; // 枚举当前设备所支持的所有的帧格式
struct v4l2_buffer buf; // 驱动中的一帧图像缓存
struct v4l2_requestbuffers rb;// 申请帧缓存
void *mem[NB_BUFFER];// 驱动映射后的应用层使用的地址
bool isStreaming; //当前是否有数据流
int width; // 帧宽,可校验用
int height; // 帧高
int formatIn; // 设置的帧格式类型
int framesizeIn;//帧图像大小
};如上，这里struct videoInfo结构体将常用的v4l2驱动提供的数据结构全部封装起来,便于数据管理,显示分明。
1. Initialize()
| int Initialize() |
初始化接口，获取基本的设备信息 |
| 入参 |
无 |
| 返回值 |
>=0：初始化成功 <0 : 初始化失败 |
初始化成员函数，该函数主要目的就是
a.给成员变量VideoInfo分配存储空间并初始化
mVideoInfo = (struct VideoInfo *) calloc (1, sizeof (struct VideoInfo));b.打开usb camera的设备节点/dev/video0，获取文件描述符
mCameraHandle = open(device, O_RDWR)c.查询设备的基本信息与功能
ret = ioctl (mCameraHandle, VIDIOC_QUERYCAP, &mVideoInfo->cap);获取设备信息的命令VIDIOC_QUERYCAP 通过结构 v4l2_capability 获取设备的基本信息
struct v4l2_capability {
__u8 driver[16]; //驱动名字
__u8 card[32]; //设备名字
__u8 bus_info[32]; //设备在系统中的位置
__u32 version; //驱动版本号
__u32 capabilities; //设备支持的操作
__u32 reserved[4]; //保留字段
};其中域 capabilities 代表设备支持的操作模式，常见值有 V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING 表示是一个视频捕捉设备并且具有数据流控制模式；另外 driver 域需要和 struct video_device 中的 name 匹配.
2.getAllFormat()
| void getAllFormat(int &num, int *fmt) |
获取所有支持的帧格式 |
| 入参 |
Num为引用值，获取支持的帧格式数量 fmt 为获取到的帧格式的实际值 |
| 返回值 |
无 |
获取当前设备所支持的所有帧格式并通过入参回传相关信息
mVideoInfo->fmtdesc.index = 0;
mVideoInfo-> fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
cout << "Device Support:" << endl;
while(ioctl(mCameraHandle, VIDIOC_ENUM_FMT, &mVideoInfo->fmtdesc) != -1) {
cout<<mVideoInfo->fmtdesc.index +1 <<" "<< (char *)(mVideoInfo->fmtdesc.description) << endl;
fmt[mVideoInfo->fmtdesc.index] = mVideoInfo->fmtdesc.pixelformat;
mVideoInfo->fmtdesc.index++;
}
num = mVideoInfo->fmtdesc.index;代码中使用VIDIOC_ENUM_FMT来枚举当前设备所支持的帧格式种类
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，如果为Camera，则填写V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
__u32 flags; // 如果压缩，则Driver填写V4L2_FMT_FLAG_COMPRESSED，否则为0
__u8 description[32]; // image format的描述(char *)，如：YUV 4:2:2 (YUYV)
__u32 pixelformat; //所支持的格式(int)。 如：V4L2_PIX_FMT_UYVY
__u32 reserved[4];
}; index从0开始，依次增加，直到返回 -1 （如果index有效，则返回0）. Driver会填充结构体struct v4l2_fmtdesc的其它内容，如果index超出范围，则返回-1。通过这个结构体，可以知道当前设备所支持的所有帧格式，下一步可以对应的设置帧格式。
3.setParameters()
| int setParameters(int width, int height, int format) |
设置帧图像的相关信息，帧长、帧宽以及帧格式 |
| 入参 |
Width为设置的帧宽度 Height为设置的帧高度 Format为设置的帧格式 |
| 返回值 |
>=0：设置参数成功 <0 : 设置参数失败 |
设置当前设备的帧格式、长、宽等信息
mVideoInfo->format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
mVideoInfo->format.fmt.pix.width = width;
mVideoInfo->format.fmt.pix.height = height;
mVideoInfo->format.fmt.pix.pixelformat = format;
mVideoInfo->width = width;
mVideoInfo->height = height;
mVideoInfo->formatIn = format;
int ret = ioctl(mCameraHandle, VIDIOC_S_FMT, &mVideoInfo->format);通常用 VIDIOC_S_FMT 命令通过结构 v4l2_format 初始化捕获视频的格式，后面4.getParameters()将会使用VIDIOC_G_FMT命令通过结构体v4l2_format来查询初始化设置的参数是否生效。
struct v4l2_format {
enum v4l2_buf_type type;
union {
struct v4l2_pix_format pix; /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE */
struct v4l2_window win; /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY */
struct v4l2_vbi_format vbi; /* V4L2_BUF_TYPE_VBI_CAPTURE */
struct v4l2_sliced_vbi_format sliced; /* V4L2_BUF_TYPE_SLICED_VBI_CAPTURE*/
__u8 raw_data[200]; /* user-defined */
} fmt;
};
enum v4l2_buf_type {
V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE = 1,
V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT = 2,
V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY = 3,
...........
V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE = 0x80,
};
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; // 逐行扫描/隔行扫描. Sam通常采用V4L2_FIELD_NONE，逐行放置数据
__u32 bytesperline; /* for padding, zero if unused */
__u32 sizeimage;
enum v4l2_colorspace colorspace;
__u32 priv; /* private data, depends on pixelformat */
};常见的捕获模式为 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 即视频捕捉模式，在此模式下 fmt 联合体采用域 v4l2_pix_format：其中 width 为视频的宽、height 为视频的高、pixelformat 为视频数据格式（常见的值有 V4L2_PIX_FMT_YUV422P | V4L2_PIX_FMT_RGB565）、bytesperline 为一行图像占用的字节数、sizeimage 则为图像占用的总字节数、colorspace 指定设备的颜色空间。
enum v4l2_buf_type 枚举类型也会单独与VIDIOC_STREAMON、VIDIOC_STREAMOFF联合使用，用于控制视频流的开关。
4.getParameters()
| int getParameters() |
获取验证帧图像的相关信息，帧长、帧宽以及帧格式 |
| 入参 |
无 |
| 返回值 |
>=0：获取设置参数成功 <0 : 获取设置参数失败 |
获取当前设备的帧格式、长、宽等信息
memset(&mVideoInfo->format, 0, sizeof( struct v4l2_format));
mVideoInfo->format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ret = ioctl(mCameraHandle, VIDIOC_G_FMT, &mVideoInfo->format);5.UseBuffersPreview()
| int UseBuffersPreview(int num) |
申请缓存帧图形的buffer并映射到应用程序 |
| 入参 |
Num表示申请的buf数量 |
| 返回值 |
>=0：申请缓存buf成功 <0 : 申请缓存buf失败 |
该成员函数主要工作如下:
使用VIDIOC_REQBUFS在内核中申请缓存空间;
mVideoInfo->rb.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
mVideoInfo->rb.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
mVideoInfo->rb.count = num;
ret = ioctl(mCameraHandle, VIDIOC_REQBUFS, &mVideoInfo->rb);VIDIOC_REQBUFS 命令通过结构 v4l2_requestbuffers 请求在驱动里面申请一片连续的内存用于缓存视频信息：
struct v4l2_requestbuffers {
__u32 count; //帧缓存数量,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];
};
enum v4l2_memory {
V4L2_MEMORY_MMAP = 1,
V4L2_MEMORY_USERPTR = 2,
V4L2_MEMORY_OVERLAY = 3,
};请求V4L2驱动分配视频缓冲区(申请V4L2视频驱动分配内存)，V4L2是视频设备的驱动层，位于内核空间，所以通过VIDIOC_REQBUFS控制命令字申请的内存位于内核空间，应用程序不能直接访问，需要通过调用mmap内存映射函数把内核空间内存映射到用户空间后，应用程序通过访问用户空间地址来访问内核空间。
注意:VIDIOC_REQBUFS会修改V4L2_reqbuf的count值，V4L2_reqbuf的count值返回实际申请成功的视频缓冲区数目。
应用程序中调用VIDIOC_QUERYBUF取得了内核缓冲区信息后，紧接着调用mmap函数把内核空间地址映射到用户空间;
for (int i = 0; i < num; i++) {
memset (&mVideoInfo->buf, 0, sizeof (struct v4l2_buffer));
mVideoInfo->buf.index = i;
mVideoInfo->buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
mVideoInfo->buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
ret = ioctl (mCameraHandle, VIDIOC_QUERYBUF, &mVideoInfo->buf);
mVideoInfo->mem[i] = mmap (0, mVideoInfo->buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, mCameraHandle, mVideoInfo->buf.m.offset);
}
mPreviewBufferCount = num;
//mmap(addr,length,prot,flags,fd,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)其中VIDIOC_QUERYBUF 命令通过结构 v4l2_buffer 查询驱动申请的缓存块信息：
struct v4l2_buffer {
__u32 index; // index 为缓存编号
enum v4l2_buf_type type; // type 为视频捕获模式
__u32 bytesused; // 缓存已使用空间大小
__u32 flags; // 缓存当前状态（常见值有 V4L2_BUF_FLAG_MAPPED | V4L2_BUF_FLAG_QUEUED | V4L2_BUF_FLAG_DONE，分别代表当前缓存已经映射、缓存可以采集数据、缓存可以提取数据）
enum v4l2_field field;
struct timeval timestamp; // 时间戳
struct v4l2_timecode timecode;
__u32 sequence; // 缓存序号
/* memory location */
enum v4l2_memory memory; // 缓存使用方式,被应用程序设置
union{
__u32 offset; // 当前缓存与内存区起始地址的偏移，只对MMAP有效
unsigned long userptr;
}m;
__u32 length; // 缓冲帧大小
__u32 input;
__u32 reserved; // 一般用于传递物理地址值
};struct v4l2_buffer结构体变量中保存了指令的缓冲区的相关信息;一般情况下，应用程序中调用VIDIOC_QUERYBUF取得了内核缓冲区信息后，紧接着调用mmap函数把内核空间地址映射到用户空间,方便用户空间应用程序的访问。
6.startPreview()
| int startPreview() |
将前面申请的缓存buf加入视频输入队列并启动视频设备 |
| 入参 |
无 |
| 返回值 |
>=0：视频设备启动成功 <0 : 视频设备启动失败 |
视频缓冲区进入视频输入队列中并启动视频设备
for (int i = 0; i < mPreviewBufferCount; i++) {
mVideoInfo->buf.index = i;
mVideoInfo->buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
mVideoInfo->buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP; //缓冲帧放入缓冲队列
ret = ioctl(mCameraHandle, VIDIOC_QBUF, &mVideoInfo->buf);
if (ret == -1){
cout << "ioctl VIDIOC_QBUF failed" << endl;
return -1;
}
}
enum v4l2_buf_type bufType;
bufType = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ret = ioctl (mCameraHandle, VIDIOC_STREAMON, &bufType);VIDIOC_QBUF采用结构v4l2_buffer与驱动通信：VIDIOC_QBUF 命令执行成功后，指令(指定)的视频缓冲区进入视频输入队列，在启动视频设备拍摄图像时，相应的视频数据被保存到视频输入队列相应的视频缓冲区中,即将缓存加入空闲可捕获视频的队列，传递的主要参数为 index。
前期初始化完成后，只是解决了一帧视频数据的格式和大小问题，而连续视频帧数据的采集需要用帧缓冲区队列的方式来解决，即要通过驱动程序在内存中申请几个帧缓冲区来存放视频数据。
应用程序通过API接口提供的方法(VIDIOC_REQBUFS)申请若干个视频数据的帧缓冲区，申请帧缓冲区数量一般不低于3个，每个帧缓冲区存放一帧视频数据，这些帧缓冲区在内核空间。
应用程序通过API接口提供的查询方法(VIDIOC_QUERYBUF)查询到帧缓冲区在内核空间的长度和偏移量地址。
应用程序再通过内存映射方法(mmap)，将申请到的内核空间帧缓冲区的地址映射到用户空间地址，这样就可以直接处理帧缓冲区的数据。
(1)将帧缓冲区在视频输入队列排队，并启动视频采集
在驱动程序处理视频的过程中，定义了两个队列：视频采集输入队列(incoming queues)和视频采集输出队列(outgoing queues)，前者是等待驱动存放视频数据的队列，后者是驱动程序已经放入了视频数据的队列。
应用程序需要将上述帧缓冲区在视频采集输入队列排队(VIDIOC_QBUF)，然后可启动视频采集。
(2)循环往复，采集连续的视频数据
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.
7.stopPreview()
| int stopPreview() |
关闭视频设备并断开内存映射 |
| 入参 |
无 |
| 返回值 |
>=0：视频设备关闭断开映射成功 <0 : 视频设备关闭断开映射失败 |
关闭视频设备并断开地址映射
v4l2_buf_type bufType = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
int ret = ioctl (mCameraHandle, VIDIOC_STREAMOFF, &bufType);
for (int i = 0; i < mPreviewBufferCount; i++) {
munmap(mVideoInfo->mem[i], mVideoInfo->buf.length);
}8.GetFrame()
| char *GetFrame(int &index) |
帧缓冲区移至视频采集输出队列，获取一帧图像 |
| 入参 |
Index引用表示获取的一帧图像具体为哪一帧 |
| 返回值 |
>=0：视频设备关闭断开映射成功 <0 : 视频设备关闭断开映射失败 |
将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
memset(&mVideoInfo->buf, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));
mVideoInfo->buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
mVideoInfo->buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
int ret = ioctl(mCameraHandle, VIDIOC_DQBUF, &mVideoInfo->buf);
if (ret == -1){
cout << "ioctl VIDIOC_DQBUF failed." << endl;
return NULL;
}
return (char *)mVideoInfo->mem[mVideoInfo->buf.index]; VIDIOC_DQBUF采用结构v4l2_buffer与驱动通信：VIDIOC_DQBUF 命令向驱动获取已经存放有视频数据的缓存，v4l2_buffer 的各个域几乎都会被更新，但主要的参数也是 index，应用程序会根据 index 确定可用数据的起始地址和范围。(前面已经通过调用函数 mmap做了用户空间和内核空间的内存映射).
9.UnGetFrame()
| int UnGetFrame(); |
获取完一帧后，将这一帧图像的buf放回去 |
| 入参 |
无 |
| 返回值 |
>=0：视频缓冲区再次加入输入队列成功 <0 : 视频缓冲区再次加入输入队列失败 |
获取完一帧后，将取出的这一帧图像的buf再次放回去
int ret = ioctl(mCameraHandle, VIDIOC_QBUF, &mVideoInfo->buf);将V4L2命令操作进行了简单封装后，我们写一个简单的test demo来获取usbcamera的帧图像并保存下来，然后使用7yuv软件进行帧图像的查看。
UsbCamera usbCam;
FILE *fp = fopen("./camera.yuv", "wb");
int ret = usbCam.initialize();
ret = usbCam.setParameters(width,height,V4L2_PIX_FMT_YUYV);
ret = usbCam.getParameters();
ret = usbCam.UseBuffersPreview(4);
ret = usbCam.startPreview();
int index = 0;
for (int i = 0; i < 50; i++){
char *addr = usbCam.GetFrame(index);
fwrite(addr, width*height*2,1,fp);
usbCam.UnGetFrame();
}
stopPreview();
fclose(fp);
在上面的test.cpp程序中，我们将采集到的50帧图像保存到camera.yuv文件中。在ubuntu中，通过7yuv软件可以打开camera.yuv文件查看采集到的图像。如下：
完整的代码已经上传，代码链接：https://download.csdn.net/download/zz531987464/10742398
解压直接make，然后运行test即可