一篇不錯的v4l2入門文檔

原帖地址:http://www.isongzi.com/2009/02/23/v4l2/
前言：目前正在忙於ARM平台的Linux應用程序的開發（其實是剛剛起步學習啦）。底層的東西不用考慮了，開發板子提供了NAND Bootloader，和Linux 2.6的源碼，而且都編譯好了。自己編譯的bootloader可以用，但是Linux編譯後，文件很大，暫且就用人家編譯的系統，先專心寫應用程序 吧。。
正文：要做的任務是，把一塊板子上的攝像頭采集的圖像和聲卡采集的聲音（貌似很啰嗦哈）通過TCP/IP協議傳輸到另一塊板子上。第一步，先把視頻獲取並且在本地LCD上顯示。看了板子提供的文檔，視頻傳輸需要用V4L2的API。
一.什麼是video4linux
Video4linux2（簡稱V4L2),是linux中關於視頻設備的內核驅動。在Linux中，視頻設備是設備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫，攝像頭在/dev/video0下。
二、一般操作流程（視頻設備）：
1. 打開設備文件。 int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);
2. 取得設備的capability，看看設備具有什麼功能，比如是否具有視頻輸入,或者音頻輸入輸出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability
3. 選擇視頻輸入，一個視頻設備可以有多個視頻輸入。VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input
4. 設置視頻的制式和幀格式，制式包括PAL，NTSC，幀的格式個包括寬度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
5. 向驅動申請幀緩沖，一般不超過5個。struct v4l2_requestbuffers
6. 將申請到的幀緩沖映射到用戶空間，這樣就可以直接操作采集到的幀了，而不必去復制。mmap
7. 將申請到的幀緩沖全部入隊列，以便存放采集到的數據.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer
8. 開始視頻的采集。VIDIOC_STREAMON
9. 出隊列以取得已采集數據的幀緩沖，取得原始采集數據。VIDIOC_DQBUF
10. 將緩沖重新入隊列尾,這樣可以循環采集。VIDIOC_QBUF
11. 停止視頻的采集。VIDIOC_STREAMOFF
12. 關閉視頻設備。close(fd);
三、常用的結構體(參見/usr/include/linux/videodev2.h)：
struct v4l2_requestbuffers reqbufs;//向驅動申請幀緩沖的請求，裡面包含申請的個數
struct v4l2_capability cap;//這個設備的功能，比如是否是視頻輸入設備
struct v4l2_input input; //視頻輸入
struct v4l2_standard std;//視頻的制式，比如PAL，NTSC
struct v4l2_format fmt;//幀的格式，比如寬度，高度等
struct v4l2_buffer buf;//代表驅動中的一幀
v4l2_std_id stdid;//視頻制式，例如：V4L2_STD_PAL_B
struct v4l2_queryctrl query;//查詢的控制
struct v4l2_control control;//具體控制的值
下面具體說明開發流程（網上找的啦，也在學習麼）
打開視頻設備
在V4L2中，視頻設備被看做一個文件。使用open函數打開這個設備：
// 用非阻塞模式打開攝像頭設備
int cameraFd;
cameraFd = open(“/dev/video0″, O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);
// 如果用阻塞模式打開攝像頭設備，上述代碼變為：
//cameraFd = open(”/dev/video0″, O_RDWR, 0);
關於阻塞模式和非阻塞模式
應用程序能夠使用阻塞模式或非阻塞模式打開視頻設備，如果使用非阻塞模式調用視頻設備，即使尚未捕獲到信息，驅動依舊會把緩存（DQBUFF）裡的東西返回給應用程序。
設定屬性及采集方式
打開視頻設備後，可以設置該視頻設備的屬性，例如裁剪、縮放等。這一步是可選的。在Linux編程中，一般使用ioctl函數來對設備的I/O通道進行管理：
extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, …) __THROW;
__fd：設備的ID，例如剛才用open函數打開視頻通道後返回的cameraFd；
__request：具體的命令標志符。
在進行V4L2開發中，一般會用到以下的命令標志符：
VIDIOC_REQBUFS：分配內存
VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的數據緩存轉換成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP：查詢驅動功能
VIDIOC_ENUM_FMT：獲取當前驅動支持的視頻格式
VIDIOC_S_FMT：設置當前驅動的頻捕獲格式
VIDIOC_G_FMT：讀取當前驅動的頻捕獲格式
VIDIOC_TRY_FMT：驗證當前驅動的顯示格式
VIDIOC_CROPCAP：查詢驅動的修剪能力
VIDIOC_S_CROP：設置視頻信號的邊框
VIDIOC_G_CROP：讀取視頻信號的邊框
VIDIOC_QBUF：把數據從緩存中讀取出來
VIDIOC_DQBUF：把數據放回緩存隊列
VIDIOC_STREAMON：開始視頻顯示函數
VIDIOC_STREAMOFF：結束視頻顯示函數
VIDIOC_QUERYSTD：檢查當前視頻設備支持的標准，例如PAL或NTSC。
這些IO調用，有些是必須的，有些是可選擇的。
檢查當前視頻設備支持的標准
在亞洲，一般使用PAL（720X576）制式的攝像頭，而歐洲一般使用NTSC（720X480），使用VIDIOC_QUERYSTD來檢測：
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:
//……
}
設置視頻捕獲格式
當檢測完視頻設備支持的標准後，還需要設定視頻捕獲格式：
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結構體定義如下：
struct v4l2_format
{
enum v4l2_buf_type type; // 數據流類型，必須永遠是//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; // 寬，必須是16的倍數
__u32 height; // 高，必須是16的倍數
__u32 pixelformat; // 視頻數據存儲類型，例如是//YUV4：2：2還是RGB
enum v4l2_field field;
__u32 bytesperline;
__u32 sizeimage;
enum v4l2_colorspace colorspace;
__u32 priv;
};
分配內存
接下來可以為視頻捕獲分配內存：
struct v4l2_requestbuffers req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return -1;
}
v4l2_requestbuffers定義如下：
struct v4l2_requestbuffers
{
__u32 count; // 緩存數量，也就是說在緩存隊列裡保持多少張照片
enum v4l2_buf_type type; // 數據流類型，必須永遠是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
enum v4l2_memory memory; // V4L2_MEMORY_MMAP 或V4L2_MEMORY_USERPTR
__u32 reserved[2];
};
獲取並記錄緩存的物理空間
使用VIDIOC_REQBUFS，我們獲取了req.count個緩存，下一步通過調用VIDIOC_QUERYBUF命令來獲取這些緩存的地址，然後使用mmap函數轉換成應用程序中的絕對地址，最後把這段緩存放入緩存隊列：
typedef struct VideoBuffer {
void *start;
size_t length;
} VideoBuffer;
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;
// 讀取緩存
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
buffers[numBufs].length = buf.length;
// 轉換成相對地址
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;
}
// 放入緩存隊列
if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
}
關於視頻采集方式
操作系統一般把系統使用的內存劃分成用戶空間和內核空間，分別由應用程序管理和操作系統管理。應用程序可以直接訪問內存的地址，而內核空間存放的是 供內核訪問的代碼和數據，用戶不能直接訪問。v4l2捕獲的數據，最初是存放在內核空間的，這意味著用戶不能直接訪問該段內存，必須通過某些手段來轉換地 址。
一共有三種視頻采集方式：使用read、write方式；內存映射方式和用戶指針模式。
read、write方式:在用戶空間和內核空間不斷拷貝數據，占用了大量用戶內存空間，效率不高。
內存映射方式：把設備裡的內存映射到應用程序中的內存控件，直接處理設備內存，這是一種有效的方式。上面的mmap函數就是使用這種方式。
用戶指針模式：內存片段由應用程序自己分配。這點需要在v4l2_requestbuffers裡將memory字段設置成V4L2_MEMORY_USERPTR。
處理采集數據
V4L2有一個數據緩存，存放req.count數量的緩存數據。數據緩存采用FIFO的方式，當應用程序調用緩存數據時，緩存隊列將最先采集到的 視頻數據緩存送出，並重新采集一張視頻數據。這個過程需要用到兩個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;
//讀取緩存
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return -1;
}
//…………視頻處理算法
//重新放入緩存隊列
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
關閉視頻設備
使用close函數關閉一個視頻設備
close(cameraFd)
還需要使用munmap方法。
附錄：標准的V4l2的API
http://v4l.videotechnology.com/dwg/v4l2.pdf