V4L2應用程式架構

V4L2 較V4L有較大的改動，并已成為2.6的标準接口，函蓋video\dvb\FM...，多數驅動都在向V4l2遷移。更好地了解V4L2先從應用入手， 然後再深入到核心中結合實體裝置／接口的規範實作相應的驅動。本文先就V4L2在視訊捕捉或camera方面的應用架構。

V4L2采用流水線的方式，操作更簡單直覺，基本遵循打開視訊裝置、設定格式、處理資料、關閉裝置，更多的具體操作通過ioctl函數來實作。

1.打開視訊裝置

在V4L2中，視訊裝置被看做一個檔案。使用open函數打開這個裝置：

// 用非阻塞模式打開攝像頭裝置
int cameraFd;
cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);
// 如果用阻塞模式打開攝像頭裝置，上述代碼變為：
//cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR, 0);      

應用程式能夠使用阻塞模式或非阻塞模式打開視訊裝置，如果使用非阻塞模式調用視訊裝置，即使尚未捕獲到資訊，驅動依舊會把緩存（DQBUFF）裡的東西傳回給應用程式。

2. 設定屬性及采集方式

打開視訊裝置後，可以設定該視訊裝置的屬性，例如裁剪、縮放等。這一步是可選的。在Linux程式設計中，一般使用ioctl函數來對裝置的I/O通道進行管理：

int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, .../*args*/) ;      

在進行V4L2開發中，常用的指令标志符如下(some are optional)：

• VIDIOC_REQBUFS：配置設定記憶體
• VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中配置設定的資料緩存轉換成實體位址
• VIDIOC_QUERYCAP：查詢驅動功能
• VIDIOC_ENUM_FMT：擷取目前驅動支援的視訊格式
• VIDIOC_S_FMT：設定目前驅動的頻捕獲格式
• VIDIOC_G_FMT：讀取目前驅動的頻捕獲格式
• VIDIOC_TRY_FMT：驗證目前驅動的顯示格式
• VIDIOC_CROPCAP：查詢驅動的修剪能力
• VIDIOC_S_CROP：設定視訊信号的邊框
• VIDIOC_G_CROP：讀取視訊信号的邊框
• VIDIOC_QBUF：把資料從緩存中讀取出來
• VIDIOC_DQBUF：把資料放回緩存隊列
• VIDIOC_STREAMON：開始視訊顯示函數
• VIDIOC_STREAMOFF：結束視訊顯示函數
• VIDIOC_QUERYSTD：檢查目前視訊裝置支援的标準，例如PAL或NTSC。

2.1檢查目前視訊裝置支援的标準

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:
        //……
}

      

2.2 設定視訊捕獲格式

當檢測完視訊裝置支援的标準後，還需要設定視訊捕獲格式，結構如下：

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結構如下：
struct v4l2_format
{
    enum v4l2_buf_type type;    // 資料流類型，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;   // 視訊資料存儲類型，例如是YUV4：2：2還是RGB
    enum v4l2_field         field;
    __u32                   bytesperline;    
    __u32                   sizep_w_picpath;
    enum v4l2_colorspace    colorspace;
    __u32                   priv;       
};
      

2.3 配置設定記憶體      

接下來可以為視訊捕獲配置設定記憶體：

struct v4l2_requestbuffers  req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
  return -1;
}

v4l2_requestbuffers　結構如下：
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;   // 資料流類型，必須永遠是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 
    enum v4l2_memory    memory; // V4L2_MEMORY_MMAP 或 V4L2_MEMORY_USERPTR
    __u32               reserved[2];
};
      

2.4 擷取并記錄緩存的實體空間

使用VIDIOC_REQBUFS，我們擷取了req.count個緩存，下一步通過調用VIDIOC_QUERYBUF指令來擷取這些緩存的位址，然後使用mmap函數轉換成應用程式中的絕對位址，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;
    // 轉換成相對位址
    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;
    }
}

      

2.5 視訊采集方式

作業系統一般把系統使用的記憶體劃分成使用者空間和核心空間，分别由應用程式管理和作業系統管理。應用程式可以直接通路記憶體的位址，而核心空間存放的是 供核心通路的代碼和資料，使用者不能直接通路。v4l2捕獲的資料，最初是存放在核心空間的，這意味着使用者不能直接通路該段記憶體，必須通過某些手段來轉換地 址。

一共有三種視訊采集方式：使用read、write方式；記憶體映射方式和使用者指針模式。

read、write方式，在使用者空間和核心空間不斷拷貝資料，占用了大量使用者記憶體空間，效率不高。

記憶體映射方式：把裝置裡的記憶體映射到應用程式中的記憶體控件，直接處理裝置記憶體，這是一種有效的方式。上面的mmap函數就是使用這種方式。

使用者指針模式：記憶體片段由應用程式自己配置設定。這點需要在v4l2_requestbuffers裡将memory字段設定成V4L2_MEMORY_USERPTR。

2.6 處理采集資料

V4L2有一個資料緩存，存放req.count數量的緩存資料。資料緩存采用FIFO的方式，當應用程式調用緩存資料時，緩存隊列将最先采集到的視訊數 據緩存送出，并重新采集一張視訊資料。這個過程需要用到兩個ioctl指令,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;
}
//…………視訊處理算法
//重新放入緩存隊列
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {

    return -1;
}
      

3. 關閉視訊裝置

close(cameraFd)