V4L2應用程式架構

http://www.cnblogs.com/hzhida/archive/2012/05/29/2524397.html

V4L2是V4L的升級版本，linux下視頻裝置程式提供了一套介面規範。

常用的結構體在核心目錄include/linux/videodev2.h中定義

struct v4l2_requestbuffers  //申請幀緩衝，對應命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability      //視頻裝置的功能，對應命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input           //視頻輸入資訊，對應命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard        //視頻的制式，比如PAL，NTSC，對應命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format          //幀的格式，對應命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer          //驅動中的一幀映像緩衝，對應命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop            //視頻訊號矩形邊框
v4l2_std_id                 //視頻制式

V4L2採用流水線的方式，操作更簡單直觀，基本遵循開啟視頻裝置、設定格式、處理資料、關閉裝置，更多的具體操作通過ioctl函數來實現。

1.開啟視頻裝置
在V4L2中，視頻裝置被看做一個檔案。使用open函數開啟這個裝置：
// 用非阻塞模式開啟網路攝影機裝置
int cameraFd;
cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);
// 如果用阻塞模式開啟網路攝影機裝置，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開啟視頻裝置，如果使用非阻塞模式調用視頻裝置，即使尚未捕獲到資訊，驅動依舊會把緩衝（DQBUFF）裡的東西返回給應用程式。

2. 設定屬性及採集方式
開啟視頻裝置後，可以設定該視頻裝置的屬性，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，常用的命令標誌符如下(some are optional)： 
•    VIDIOC_REQBUFS：分配記憶體 
•    VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的資料緩衝轉換成物理地址 
•    VIDIOC_QUERYCAP：查詢驅動功能 
•    VIDIOC_ENUM_FMT：擷取當前驅動支援的視頻格式 
•    VIDIOC_S_FMT：設定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：設定視頻訊號的邊框 
•    VIDIOC_G_CROP：讀取視頻訊號的邊框 
•    VIDIOC_QBUF：把資料從緩衝中讀取出來 
•    VIDIOC_DQBUF：把資料放回緩衝隊列 
•    VIDIOC_STREAMON：開始視頻顯示函數 
•    VIDIOC_STREAMOFF：結束視頻顯示函數 
•    VIDIOC_QUERYSTD：檢查當前視頻裝置支援的標準，例如PAL或NTSC。 
2.1檢查當前視頻裝置支援的標準
在亞洲，一般使用PAL（720X576）制式的網路攝影機，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 設定視頻捕獲格式
當檢測完視頻裝置支援的標準後，還需要設定視頻捕獲格式，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;   // 視頻資料存放區類型，例如是YUV4：2：2還是RGB
    enum v4l2_field         field;
    __u32                   bytesperline;
    __u32                   sizeimage;
    enum v4l2_colorspace    colorspace;
    __u32                   priv;
};
2.3 分配記憶體
接下來可以為視頻捕獲分配記憶體：
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　結構如下：
struct v4l2_requestbuffers {
   u32                count;//緩衝數量,也就是說在緩衝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 擷取並記錄緩衝的物理空間
使用VIDIOC_REQBUFS，我們擷取了req.count個緩衝，下一步通過調用VIDIOC_QUERYBUF命令來擷取這些緩衝的地址，然後使用mmap函數轉換成應用程式中的絕對位址，最後把這段緩衝放入緩衝隊列：
 
typedef struct VideoBuffer {
    void   *start;
    size_t  length;
} VideoBuffer;

v4l2_buffer     結構如下：
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;
                unsigned long  userptr;
        } m;
        __u32                   length;
        __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;
    // 讀取緩衝
    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;
    }

    // 放入緩衝隊列
    if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
        return -1;
    }
}
2.5 視頻採集方式
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，分別由應用程式管理和作業系統管理。應用程式可以直接存取記憶體的地址，而核心空間存放的是供核心訪問的代碼和資料，使用者不能直接存取。v4l2捕獲的資料，最初是存放在核心空間的，這意味著使用者不能直接存取該段記憶體，必須通過某些手段來轉換地址。
一共有三種視頻採集方式：使用read/write方式；記憶體映射方式和使用者指標模式。
read、write方式，在使用者空間和核心空間不斷拷貝資料，佔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制項，直接處理裝置記憶體，這是一種有效方式。上面的mmap函數就是使用這種方式。
使用者指標模式：記憶體片段由應用程式自己分配。這點需要在v4l2_requestbuffers裡將memory欄位設定成V4L2_MEMORY_USERPTR。
2.6 處理採集資料
V4L2有一個資料緩衝，存放req.count數量的快取資料。資料緩衝採用FIFO的方式，當應用程式調用快取資料時，緩衝隊列將最先採集到的視頻資料緩衝送出，並重新採集一張視頻資料。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;
//讀取緩衝
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
    return -1;
}
//…………視頻處理演算法
//重新放入緩衝隊列
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
    return -1;
}

3. 關閉視頻裝置
使用close函數關閉一個視頻裝置
close(cameraFd)
如果使用mmap,最後還需要使用munmap方法。

下面是damo程式（經過實際驗證，修改了網上的常式的錯誤）
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
#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;

    // 開啟裝置
    int fd;
    fd = open(CAMERA_DEVICE, O_RDWR, 0);
    if (fd < 0) {
        printf("Open %s failed\n", CAMERA_DEVICE);
        return -1;
    }

    // 擷取驅動資訊
    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);

    // 設定視頻格式
    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;
    }

    // 擷取視頻格式
    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);

    // 請求分配記憶體
    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;
    }

    // 擷取空間
    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);
    }

    // 開始錄製
    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;
}
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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);
參數說明：
——start：映射區的開始地址。
——length：映射區的長度。
——prot：期望的記憶體保護標誌，不能與檔案的開啟模式衝突。是以下的某個值，可以通過or運算合理地組合在一起
　　    —PROT_EXEC //頁內容可以被執行
　　    —PROT_READ //頁內容可以被讀取
　　    —PROT_WRITE //頁可以被寫入
        —PROT_NONE //頁不可訪問
——flags：指定映射對象的類型，映射選項和映射頁是否可以共用。它的值可以是一個或者多個以下位的組合體
　    —MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len參數指定的記憶體區重疊於現存的映射空間，重疊部分將會被丟棄。如果指定的起始地址不可用，操作將會失敗。並且起始地址必須落在頁的邊界上。
　    —MAP_SHARED //與其它所有映射這個對象的進程共用映射空間。對共用區的寫入，相當於輸出到檔案。直到msync()或者munmap()被調用，檔案實際上不會被更新。
　    —MAP_PRIVATE //建立一個寫入時拷貝的私人映射。記憶體地區的寫入不會影響到原檔案。這個標誌和以上標誌是互斥的，只能使用其中一個。
　    —MAP_DENYWRITE //這個標誌被忽略。
　    —MAP_EXECUTABLE //同上
　    —MAP_NORESERVE //不要為這個映射保留交換空間。當交換空間被保留，對映射區修改的可能會得到保證。當交換空間不被保留，同時記憶體不足，對映射區的修改會引起段違例訊號。
　    —MAP_LOCKED //鎖定映射區的頁面，從而防止頁面被交換出記憶體。
　    —MAP_GROWSDOWN //用於堆棧，告訴核心VM系統，映射區可以向下擴充。
　    —MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射區不與任何檔案關聯。
　    —MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的別稱，不再被使用。
　    —MAP_FILE //相容標誌，被忽略。
　    —MAP_32BIT //將映射區放在進程地址空間的低2GB，MAP_FIXED指定時會被忽略。當前這個標誌只在x86-64平台上得到支援。
　    —MAP_POPULATE //為檔案對應通過預讀的方式準備好頁表。隨後對映射區的訪問不會被頁違例阻塞。
　    —MAP_NONBLOCK //僅和MAP_POPULATE一起使用時才有意義。不執行預讀，只為已存在於記憶體中的頁面建立頁表入口。
——fd：有效檔案描述詞。如果MAP_ANONYMOUS被設定，為了相容問題，其值應為-1。
——offset：被映射對象內容的起點。

傳回值：
    成功執行時，mmap()返回被映射區的指標，munmap()返回0。
    失敗時，mmap()返回MAP_FAILED[其值為(void *)-1]，munmap返回-1。errno被設為以下的某個值。

Live together,or Die alone!