V4L2采集视频数据
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Video for Linux two(Video4Linux2)简称V4L2，是V4L的改进版。V4L2是linux操作系统下用于采集图片、视频和音频数据的API接口，配合适当的视频采集设备和相应的驱动程序，可以实现图片、视频、音频等的采集。在远程会议、可视电话、视频监控系统和嵌入式多媒体终端中都有广泛的应用。
一、Video for Linux two
在Linux下，所有外设都被看成一种特殊的文件，成为“设备文件”，可以象访问普通文件一样对其进行读写。一般来说，采用V4L2驱动的摄像头设备文件是/dev/v4l/video0。为了通用，可以建立一个到/dev/video0的链接。V4L2支持两种方式来采集图像：内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)。V4L2在include/linux/videodev.h文件中定义了一些重要的数据结构，在采集图像的过程中，就是通过对这些数据的操作来获得最终的图像数据。Linux系统V4L2的能力可在Linux内核编译阶段配置，默认情况下都有此开发接口。V4L2从Linux 2.5.x版本的内核中开始出现。
V4L2规范中不仅定义了通用API元素(Common API Elements)，图像的格式(Image Formats)，输入/输出方法(Input/Output)，还定义了Linux内核驱动处理视频信息的一系列接口(Interfaces)，这些接口主要有：
视频采集接口——Video Capture Interface;
视频输出接口—— Video Output Interface;
视频覆盖/预览接口——Video Overlay Interface;
视频输出覆盖接口——Video Output Overlay Interface;
编解码接口——Codec Interface。
二、应用程序通过V4L2进行视频采集的原理
V4L2支持内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)来采集数据，前者一般用于连续视频数据的采集，后者常用于静态图片数据的采集，本文重点讨论内存映射方式的视频采集。
应用程序通过V4L2接口采集视频数据分为五个步骤：
首先，打开视频设备文件，进行视频采集的参数初始化，通过V4L2接口设置视频图像的采集窗口、采集的点阵大小和格式;
其次，申请若干视频采集的帧缓冲区，并将这些帧缓冲区从内核空间映射到用户空间，便于应用程序读取/处理视频数据;
第三，将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列排队，并启动视频采集;
第四，驱动开始视频数据的采集，应用程序从视频采集输出队列取出帧缓冲区，处理完后，将帧缓冲区重新放入视频采集输入队列，循环往复采集连续的视频数据;
第五，停止视频采集。
1.视频采集的参数初始化
在Linux下，摄像头硬件已经被映射为设备文件“/dev/video0”，用open函数打开这个设备文件，获得其文件描述符fd_v4l2，然后对这个文件描述符进行参数初始化。
(1) 设置视频的采集窗口参数
设置采集窗口就是在摄像头设备的取景范围之内设定一个视频采集区域。主要是对结构体v4l2_crop赋值，v4l2_crop由一个v4l2_buffer_type枚举类型的type和v4l2_rect类型的结构体c构成，来描述视频采集窗口的类型和大小。type设置为视频采集类型V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE。c是表示采集窗口的大小的结构体，它的成员Left和Top分别表示视频采集区域的起始横坐标和纵坐标，width和height分别表示采集图像的宽度和高度。赋值后，用ioctl函数通过这个结构体对fd_v4l2进行设置。
struct v4l2_crop { enum v4l2_buf_type type;
struct v4l2_rect c;
};
(2)设置视频点阵格式和点阵大小
主要是对结构体v4l2_format进行赋值，它由type和联合体fmt构成，来描述视频设备当前行为和数据的格式。
把type赋值为视频采集类型V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE，表示定义了一个视频采集流类型的buffer。fmt中，pix为表示图形格式的v4l2_pix_format型结构体。需要设定pix里的几个变量，pixelformat表示采集格式，设置为V4L2_PIX_FMT_YUV420;width、height表示图像的宽度、高度，以字节为单位;sizeimage表示图像所占的存储空间大小，以字节为单位;bytesperline表示每一行的字节数。赋值后，用ioctl函数通过这个结构体对fd_ v4l2进行设置。
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
__u8 raw_data[200]; // user-defined
} fmt;
};
(3)设置视频采集的帧率
结构体v4l2_streamparm来描述视频流的属性，它由type和联合体parm构成。type同上，由于选的是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE，所以仅需设定parm中的v412_capture型结构体capture即可。在其中， v4l2_fract型结构体timeperframe表示平均每一帧所占的时间，由其元素numerator和denominator共同决定，该时长为numerator/denominator;而capturemode则表示采集模式，采集高质量图片值为1，一般设为0。赋值之后，用ioctl函数通过这个结构体对fd_ v4l2进行设置。
struct v4l2_streamparm
{ enum v4l2_buf_type type;
union
{ struct v4l2_captureparm capture;
struct v4l2_outputparm output;
__u8 raw_data[200]; /* user-defined */
} parm;
};
2.申请并设置视频采集的帧缓冲区
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。如图2所示。
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，如图1所示。
图1 视频采集输入和输出队列示意图
(3)最终停止采集，释放内存帧缓冲区
3.用V4L2采集视频的程序流程和相关API
V4L2采集视频操作基本按照打开视频设备、设置视频格式、启动视频采集，循环处理视频数据、停止视频采集、关闭视频设备，具体操作通过ioctl等函数来实现。一般操作流程如下：
(1)打开视频设备文件。int fd=open("/dev/video0",O_RDWR);
(2)查询视频设备的能力，比如是否具有视频输入,或者音频输入输出等。ioctl(fd_v4l, VIDIOC_QUERYCAP, &cap)
(3)设置视频采集的参数
设置视频的制式，制式包括PAL/NTSC，使用ioctl(fd_v4l, VIDIOC_S_STD, &std_id)
设置视频图像的采集窗口的大小，使用ioctl(fd_v4l, VIDIOC_S_CROP, &crop)
设置视频帧格式，包括帧的点阵格式，宽度和高度等，使用ioctl(fd_v4l, VIDIOC_S_FMT, &fmt)
设置视频的帧率，使用ioctl(fd_v4l, VIDIOC_S_PARM, &parm)
设置视频的旋转方式，使用ioctl(fd_v4l, VIDIOC_S_CTRL, &ctrl)
(4)向驱动申请视频流数据的帧缓冲区
请求/申请若干个帧缓冲区，一般为不少于3个,使用ioctl(fd_v4l, VIDIOC_REQBUFS, &req)
查询帧缓冲区在内核空间中的长度和偏移量 ioctl(fd_v4l, VIDIOC_QUERYBUF, &buf)
(5)应用程序通过内存映射，将帧缓冲区的地址映射到用户空间，这样就可以直接操作采集到的帧了，而不必去复制。
buffers[i].start = mmap (NULL, buffers[i].length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_v4l, buffers[i].offset);
(6)将申请到的帧缓冲全部放入视频采集输出队列，以便存放采集的数据。ioctl (fd_v4l, VIDIOC_QBUF, &buf)
(7)开始视频流数据的采集。 ioctl (fd_v4l, VIDIOC_STREAMON, &type)
(8) 驱动将采集到的一帧视频数据存入输入队列第一个帧缓冲区，存完后将该帧缓冲区移至视频采集输出队列。
(9)应用程序从视频采集输出队列中取出已含有采集数据的帧缓冲区。ioctl (fd_v4l, VIDIOC_DQBUF, &buf) ，应用程序处理该帧缓冲区的原始视频数据。
(10)处理完后，应用程序的将该帧缓冲区重新排入输入队列,这样便可以循环采集数据。ioctl (fd_v4l, VIDIOC_QBUF, &buf)
重复上述步骤8到10，直到停止采集数据。
(11)停止视频的采集。ioctl (fd_v4l, VIDIOC_STREAMOFF, &type)
(12)释放申请的视频帧缓冲区unmap，关闭视频设备文件close(fd_v4l)。
以上的程序流程，包含了视频设备采集连续的视频数据的逻辑关系。而在实际运用中，往往还要加入对视频数据进行处理(如压缩编码)的工作，否则，视频流数据量相当大，需要很大的存储空间和传输带宽。
上述过程中，每一个帧缓冲区都有一个对应的状态标志变量，其中每一个比特代表一个状态
V4L2_BUF_FLAG_UNMAPPED 0B0000
V4L2_BUF_FLAG_MAPPED 0B0001
V4L2_BUF_FLAG_ENQUEUED 0B0010
V4L2_BUF_FLAG_DONE 0B0100
缓冲区的状态转化如图2所示。
图2 缓冲区的状态标志转化图
三、结束语
V4L2是Linux环境下开发视频采集设备驱动程序的一套规范(API)，它为驱动程序的编写提供统一的接口，并将所有的视频采集设备的驱动程序都纳入其的管理之中。V4L2不仅给驱动程序编写者带来极大的方便，同时也方便了应用程序的编写和移植，具有广泛的应用价值。
V4L2 编程
1. 定义
V4L2(Video For Linux Two) 是内核提供给应用程序访问音、视频驱动的统一接口。
2. 工作流程：
打开设备－> 检查和设置设备属性－> 设置帧格式－> 设置一种输入输出方法（缓冲区管理）－> 循环获取数据－> 关闭设备。
3. 设备的打开和关闭：
#include <fcntl.h>
int open(const char *device_name, int flags);
#include <unistd.h>
int close(int fd);
例：
int fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR);// 打开设备
close(fd);// 关闭设备
注意：V4L2 的相关定义包含在头文件<linux/videodev2.h> 中.
4. 查询设备属性： VIDIOC_QUERYCAP
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_capability *argp);
相关结构体：
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
};
capabilities 常用值:
V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE // 是否支持图像获取
例：显示设备信息
struct v4l2_capability cap;
ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);
printf(“Driver Name:%s/nCard Name:%s/nBus info:%s/nDriver Version:%u.%u.%u/n”,cap.driver,cap.card,cap.bus_info,(cap.version>>16)&0XFF, (cap.version>>8)&0XFF,cap.version&OXFF);
5. 帧格式：
VIDIOC_ENUM_FMT // 显示所有支持的格式
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);
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，应用程序设置
__u32 flags; // 是否为压缩格式
__u8 description[32]; // 格式名称
__u32 pixelformat; // 格式
__u32 reserved[4]; // 保留
};
例：显示所有支持的格式
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
fmtdesc.index=0;
fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
printf("Support format:/n");
while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
{
printf("/t%d.%s/n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);
fmtdesc.index++;
}
// 查看或设置当前格式
VIDIOC_G_FMT, VIDIOC_S_FMT
// 检查是否支持某种格式
VIDIOC_TRY_FMT
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_format *argp);
struct v4l2_format
{
enum v4l2_buf_type type;// 帧类型，应用程序设置
union fmt
{
struct v4l2_pix_format pix;// 视频设备使用
struct v4l2_window win;
struct v4l2_vbi_format vbi;
struct v4l2_sliced_vbi_format sliced;
__u8 raw_data[200];
};
};
struct v4l2_pix_format
{
__u32 width; // 帧宽，单位像素
__u32 height; // 帧高，单位像素
__u32 pixelformat; // 帧格式
enum v4l2_field field;
__u32 bytesperline;
__u32 sizeimage;
enum v4l2_colorspace colorspace;
__u32 priv;
};
例：显示当前帧的相关信息
struct v4l2_format fmt;
fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);
printf(“Current data format information:/n/twidth:%d/n/theight:%d/n”,fmt.fmt.width,fmt.fmt.height);
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
fmtdesc.index=0;
fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
{
if(fmtdesc.pixelformat & fmt.fmt.pixelformat)
{
printf(“/tformat:%s/n”,fmtdesc.description);
break;
}
fmtdesc.index++;
}
例：检查是否支持某种帧格式
struct v4l2_format fmt;
fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB32;
if(ioctl(fd,VIDIOC_TRY_FMT,&fmt)==-1)
if(errno==EINVAL)
printf(“not support format RGB32!/n”);
6. 图像的缩放
VIDIOC_CROPCAP
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_cropcap *argp);
struct v4l2_cropcap
{
enum v4l2_buf_type type;// 应用程序设置
struct v4l2_rect bounds;//最大边界
struct v4l2_rect defrect;// 默认值
struct v4l2_fract pixelaspect;
};
// 设置缩放
VIDIOC_G_CROP,VIDIOC_S_CROP
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_crop *argp);
int ioctl(int fd, int request, const struct v4l2_crop *argp);
struct v4l2_crop
{
enum v4l2_buf_type type;// 应用程序设置
struct v4l2_rect c;
}
7. 申请和管理缓冲区，应用程序和设备有三种交换数据的方法，直接 read/write ，内存映射(memory mapping) ，用户指针。这里只讨论 memory mapping.
// 向设备申请缓冲区
VIDIOC_REQBUFS
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);
struct v4l2_requestbuffers
{
__u32 count; // 缓冲区内缓冲帧的数目
enum v4l2_buf_type type; // 缓冲帧数据格式
enum v4l2_memory memory; // 区别是内存映射还是用户指针方式
__u32 reserved[2];
};
enum v4l2_memoy {V4L2_MEMORY_MMAP,V4L2_MEMORY_USERPTR};
//count,type,memory 都要应用程序设置
例：申请一个拥有四个缓冲帧的缓冲区
struct v4l2_requestbuffers req;
req.count=4;
req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);
获取缓冲帧的地址，长度：
VIDIOC_QUERYBUF
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);
struct v4l2_buffer
{
__u32 index; //buffer 序号
enum v4l2_buf_type type; //buffer 类型
__u32 byteused; //buffer 中已使用的字节数
__u32 flags; // 区分是MMAP 还是USERPTR
enum v4l2_field field;
struct timeval timestamp;// 获取第一个字节时的系统时间
struct v4l2_timecode timecode;
__u32 sequence; // 队列中的序号
enum v4l2_memory memory;//IO 方式，被应用程序设置
union m
{
__u32 offset;// 缓冲帧地址，只对MMAP 有效
unsigned long userptr;
};
__u32 length;// 缓冲帧长度
__u32 input;
__u32 reserved;
};
MMAP ，定义一个结构体来映射每个缓冲帧。
Struct buffer
{
void* start;
unsigned int length;
}*buffers;
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t 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);
int munmap(void *addr, size_t length);// 断开映射
//addr 为映射后的地址，length 为映射后的内存长度
例：将四个已申请到的缓冲帧映射到应用程序，用buffers 指针记录。
buffers = (buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers));
if (!buffers) {
fprintf (stderr, "Out of memory/n");
exit (EXIT_FAILURE);
}
// 映射
for (unsigned int n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {
struct v4l2_buffer buf;
memset(&buf,0,sizeof(buf));
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = n_buffers;
// 查询序号为n_buffers 的缓冲区，得到其起始物理地址和大小
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf))
exit(-1);
buffers[n_buffers].length = buf.length;
// 映射内存
buffers[n_buffers].start =mmap (NULL,buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE ,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);
if (MAP_FAILED == buffers[n_buffers].start)
exit(-1);
}
8. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了
// 启动/ 停止数据流
VIDIOC_STREAMON,VIDIOC_STREAMOFF
int ioctl(int fd, int request, const int *argp);
//argp 为流类型指针，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.
在开始之前，还应当把缓冲帧放入缓冲队列：
VIDIOC_QBUF// 把帧放入队列
VIDIOC_DQBUF// 从队列中取出帧
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);
例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流
unsigned int i;
enum v4l2_buf_type type;
// 将缓冲帧放入队列
for (i = 0; i < 4; ++i)
{
struct v4l2_buffer buf;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = i;
ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf);
}
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type);
// 这有个问题，这些buf 看起来和前面申请的buf 没什么关系，为什么呢?
例：获取一帧并处理
struct v4l2_buffer buf;
CLEAR (buf);
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
// 从缓冲区取出一个缓冲帧
ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);
// 图像处理
process_image (buffers[buf.index].start);
// 将取出的缓冲帧放回缓冲区
ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf);
转自 http://blog.chinaunix.net/uid-11765716-id-2855735.html
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1 主要使用的操作就是open, close, ioctl
2 Querying Capabilities
虽然这是个标准，但不是强制性的，因此不同的设备对功能的支持不同，所以地提供一个功能查询机制，而这个功能查询机制应该是必需的。All V4L2 drivers must support VIDIOC_QUERYCAP. Applications should always call this ioctl after opening the device.
3 video Inputs and Outputs
我们可以通过VIDIOC_ENUMINPUT and VIDIOC_ENUMOUTPUT 分别列举一个input或者output的信息，我们使用一个v4l2_input结构体来乘放查询结果，这个结构体中有一个index域用来指定你索要查询的是第几个input/ouput,如果你所查询的这个input是当前正在使用的，那么在v4l2_input还会包含一些当前的状态信息，如果所查询的input/output不存在，那么回返回EINVAL错误，所以，我们通过循环查找，直到返回错误来遍历所有的input/output. VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回当前的video input和output的index.
Video standards
当然世界上现在有多个视频标准，如NTSC和PAL，他们又细分为好多种，那么我们的设备输入/输出究竟支持什么样的标准呢？我们的当前在使用的输入和输出正在使用的是哪个标准呢？我们怎么设置我们的某个输入输出使用的标准呢？这都是有方法的。
查询，我们的输入支持什么标准，首先就得找到当前的这个输入的index，然后查出它的属性，在其属性里面可以得到该输入所支持的标准，将它所支持的各个标准与所有的标准的信息进行比较，就可以获知所支持的各个标准的属性。一个输入所支持的标准应该是一个集合，而这个集合是用bit与的方 式使用一个64位数字表示的。因此我们所查到的是一个数字。
Example 1-5. Information about the current video standard
v4l2_std_id std_id; //这个就是个64bit得数
struct v4l2_standard standard;
//VIDIOC_G_STD就是获得当前输入使用的standard，不过这里只是得到了该标准的id即flag，还没有得到其具体的属性信息，具体的属性信息要通过列举操作来得到。
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_STD, &std_id)) { //获得了当前输入使用的standard
/* Note when VIDIOC_ENUMSTD always returns EINVAL this
is no video device or it falls under the USB exception,
and VIDIOC_G_STD returning EINVAL is no error. */
perror (”VIDIOC_G_STD”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
memset (&standard, 0, sizeof (standard));
standard.index = 0; //从第一个开始列举
//VIDIOC_ENUMSTD用来列举所支持的所有的video标准的信息，不过要先给standard结构的index域制定一个数值，所列举的标准的信息属性包含在standard里面，如果我们所列举的标准和std_id有共同的bit，那么就意味着这个标准就是当前输入所使用的标准，这样我们就得到了当前输入使用的标准的属性信息
while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {
if (standard.id & std_id) {
printf (”Current video standard: %s\n”, standard.name);
exit (EXIT_SUCCESS);
}
standard.index++;
}
/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be
empty unless this device falls under the USB exception. */
if (errno == EINVAL || standard.index == 0) {
perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
Example 1-6. Listing the video standards supported by the current input
struct v4l2_input input;
struct v4l2_standard standard;
memset (&input, 0, sizeof (input));
//首先获得当前输入的index,注意只是index，要获得具体的信息，就的调用列举操作
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_INPUT, &input.index)) {
perror (”VIDIOC_G_INPUT”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
//调用列举操作，获得input.index对应的输入的具体信息
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input)) {
perror (”VIDIOC_ENUM_INPUT”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
printf (”Current input %s supports:\n”, input.name);
memset (&standard, 0, sizeof (standard));
standard.index = 0;
//列举所有的所支持的standard，如果standard.id与当前input的input.std有共同的bit flag，意味着当前的输入支持这个standard,这样将所有驱动所支持的standard列举一个遍，就可以找到该输入所支持的所有 standard了。
while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) {
if (standard.id & input.std)
printf (”%s\n”, standard.name);
standard.index++;
}
/* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be
empty unless this device falls under the USB exception. */
if (errno != EINVAL || standard.index == 0) {
perror (”VIDIOC_ENUMSTD”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
Example 1-7. Selecting a new video standard
struct v4l2_input input;
v4l2_std_id std_id;
memset (&input, 0, sizeof (input));
//获得当前input的index
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_INPUT, &input.index)) {
perror (”VIDIOC_G_INPUT”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
//列举出下标为input.index的input的属性到input里
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input)) {
perror (”VIDIOC_ENUM_INPUT”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
//如果该input所支持的标准里不包含V4L2_STD_PAL_BG，就退出
if (0 == (input.std & V4L2_STD_PAL_BG)) {
fprintf (stderr, “Oops. B/G PAL is not supported.\n”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
/* Note this is also supposed to work when only B
or G/PAL is supported. */
std_id = V4L2_STD_PAL_BG;
//如果当前input支持V4L2_STD_PAL_BG，就将其设置为V4L2_STD_PAL_BG
if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_S_STD, &std_id)) {
perror (”VIDIOC_S_STD”);
exit (EXIT_FAILURE);
}
1 User controlls其实就是一些用户可以用来进行设置的一些属性，如视频中的brightness等，video4linux就提取出了最常见的一些设置，给他们分配了ID，这样大家对于这些常见的设置，就是用这些ID就可以了，可以察看当前设备对该设置的值，也可以给该设置新值，此外，由于某些设置包含很多子设置项，因此就又有了menu的含义，即对于一个具体的control，我们在列举他的属性时，发现其类型是包含了menu的，那么我们就可以以这个control的id为参数，察看其menu及各自的值。当然用户可以由自定义的control以及extended control。好像是Camera Control ID中就有可以设置focus聚焦的control id，这个可以看一看。
2 Data format 应用是可以和device针对通信的数据进行谈判的，即可以设置device所使用的数据的格式，可以获得设备所使用的数据的格式，也可以尝试一下某种格式的数据设备是否支持。使用 VIDIOC_G_FMT and VIDIOC_S_FMT ioctls，而VIDIOC_TRY_FMT 就是用来试一下某设置是否被设备支持，而且只是测试，并不会起作用。我们还是可以用VIDIOC_ENUM_FMT来列举设备所支持的所有的image的格式的。关于数据格式，在video中就会涉及到image的格式，大小（宽度，高度），等信息。
3 crapping和scaling
就是把得到的数据作一定的剪裁，和伸缩，剪裁可以只取样我们可以得到的图像大小的一部分，剪裁的主要参数是位置和长度以及宽度，而scale的设置是通过VIDIOC_G_FMT and VIDIOC_S_FMT 来获得和设置当前的image的长度，宽度来实现的。
一般操作流程（视频设备）：
1. 打开设备文件。 int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);
2. 取得设备的capability，看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入,或者音频输入输出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability
3. 选择视频输入，一个视频设备可以有多个视频输入。VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input
4. 设置视频的制式和帧格式，制式包括PAL，NTSC，帧的格式个包括宽度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
5. 向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers
6. 将申请到的帧缓冲映射到用户空间，这样就可以直接操作采集到的帧了，而不必去复制。mmap
7. 将申请到的帧缓冲全部入队列，以便存放采集到的数据.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer
8. 开始视频的采集。VIDIOC_STREAMON
9. 出队列以取得已采集数据的帧缓冲，取得原始采集数据。VIDIOC_DQBUF
10. 将缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF
11. 停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF
12. 关闭视频设备。close(fd);
常用的结构体(参见/usr/include/linux/videodev2.h)：
struct v4l2_requestbuffers reqbufs;//向驱动申请帧缓冲的请求，里面包含申请的个数
struct v4l2_capability cap;//这个设备的功能，比如是否是视频输入设备
struct v4l2_input input; //视频输入
struct v4l2_standard std;//视频的制式，比如PAL，NTSC
struct v4l2_format fmt;//帧的格式，比如宽度，高度等
struct v4l2_buffer buf;//代表驱动中的一帧
v4l2_std_id stdid;//视频制式，例如：V4L2_STD_PAL_B
struct v4l2_queryctrl query;//查询的控制
struct v4l2_control control;//具体控制的值
视频采集的基本流程
一般的，视频采集都有如下流程：
打开视频设备
在V4L2中，视频设备被看做一个文件。使用open函数打开这个设备：
// 用非阻塞模式打开摄像头设备
int cameraFd;
cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);
// 如果用阻塞模式打开摄像头设备，上述代码变为：
//cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR, 0);
关于阻塞模式和非阻塞模式
应用程序能够使用阻塞模式或非阻塞模式打开视频设备，如果使用非阻塞模式调用视频设备，即使尚未捕获到信息，驱动依旧会把缓存（DQBUFF）里的东西返回给应用程序。
设定属性及采集方式
打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，例如裁剪、缩放等。这一步是可选的。在Linux编程中，一般使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理：
extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, ...) __THROW;
__fd：设备的ID，例如刚才用open函数打开视频通道后返回的cameraFd；
__request：具体的命令标志符。
在进行V4L2开发中，一般会用到以下的命令标志符：
- VIDIOC_REQBUFS：分配内存
- VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
- VIDIOC_QUERYCAP：查询驱动功能
- VIDIOC_ENUM_FMT：获取当前驱动支持的视频格式
- VIDIOC_S_FMT：设置当前驱动的频捕获格式
- VIDIOC_G_FMT：读取当前驱动的频捕获格式
- VIDIOC_TRY_FMT：验证当前驱动的显示格式
- VIDIOC_CROPCAP：查询驱动的修剪能力
- VIDIOC_S_CROP：设置视频信号的边框
- VIDIOC_G_CROP：读取视频信号的边框
- VIDIOC_QBUF：把数据从缓存中读取出来
- VIDIOC_DQBUF：把数据放回缓存队列
- VIDIOC_STREAMON：开始视频显示函数
- VIDIOC_STREAMOFF：结束视频显示函数
- VIDIOC_QUERYSTD：检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。
这些IO调用，有些是必须的，有些是可选择的。
检查当前视频设备支持的标准
使用VIDIOC_QUERYSTD来检测：
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:
//……
}
设置视频捕获格式
当检测完视频设备支持的标准后，还需要设定视频捕获格式：
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结构体定义如下：
struct v4l2_format
{
enum v4l2_buf_type type; // 数据流类型，必须永远是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; // 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;
__u32 bytesperline;
__u32 sizeimage;
enum v4l2_colorspace colorspace;
__u32 priv;
};
分配内存
接下来可以为视频捕获分配内存：
struct v4l2_requestbuffers req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return -1;
}
v4l2_requestbuffers定义如下：
struct v4l2_requestbuffers
{
__u32 count; // 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];
};
获取并记录缓存的物理空间
使用VIDIOC_REQBUFS，我们获取了req.count个缓存，下一步通过调用VIDIOC_QUERYBUF命令来获取这些缓存的地址，然后使用mmap函数转换成应用程序中的绝对地址，最后把这段缓存放入缓存队列
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;
// 读取缓存
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
buffers[numBufs].length = buf.length;
// 转换成相对地址
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;
}
// 放入缓存队列
if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
}
关于视频采集方式
操作系统一般把系统使用的内存划分成用户空间和内核空间，分别由应用程序管理和操作系统管理。应用程序可以直接访问内存的地址，而内核空间存放的是供内核访问的代码和数据，用户不能直接访问。v4l2捕获的数据，最初是存放在内核空间的，这意味着用户不能直接访问该段内存，必须通过某些手段来转换地址。
一共有三种视频采集方式：使用read、write方式；内存映射方式和用户指针模式。
read、write方式，在用户空间和内核空间不断拷贝数据，占用了大量用户内存空间，效率不高。
内存映射方式：把设备里的内存映射到应用程序中的内存控件，直接处理设备内存，这是一种有效的方式。上面的mmap函数就是使用这种方式。
用户指针模式：内存片段由应用程序自己分配。这点需要在v4l2_requestbuffers里将memory字段设置成V4L2_MEMORY_USERPTR。
处理采集数据
V4L2有一个数据缓存，存放req.count数量的缓存数据。数据缓存采用FIFO的方式，当应用程序调用缓存数据时，缓存队列将最先采集到的视频数据缓存送出，并重新采集一张视频数据。这个过程需要用到两个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;
//读取缓存
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return -1;
}
//…………视频处理算法
//重新放入缓存队列
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
关闭视频设备
使用close函数关闭一个视频设备
close(cameraFd)
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