V4L2 – Linux下視頻驅動模型

在DM6446平台，我們在GPP端一般使用MontaVista作業系統來進行程式控制。MontaVista作為一種嵌入式的Linux，和桌
面Linux類似，同樣使用視頻驅動V4L2（Video For Linux Two）來進行視頻採集、輸出。本文就V4L2的使用方式做簡易說明。

一般的，視頻採集都有如下流程：

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);
關於阻塞模式和非阻塞模式
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。

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：
extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, ...) __THROW;
__fd：裝置的ID，例如剛才用open函數開啟視頻通道後返回的cameraFd；

__request：具體的命令標誌符。

在進行V4L2開發中，一般會用到以下的命令標誌符：

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。
這些IO調用，有些是必須的，有些是可選擇的。

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:
//……
}
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：
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; // 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;
};
分配記憶體
接下來可以為視頻捕獲分配記憶體：
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];
};
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;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;
}
}

關於視頻採集方式
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。

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;
}

使用close函數關閉一個視頻裝置
close(cameraFd)