V4L2应用程序框架

V4L2应用程序框架
2010年11月26日
　　http://blog.csdn.net/luxifa_heu/archive/2010/04/17 /5492622.aspx
　　V4L2较V4L有较大的改动，并已成为2.6的标准接口，函盖video\dvb\FM...，多数驱动都在向V4l2迁移。更好地了解V4L2先从应用入手，然后再深入到内核中结合物理设备／接口的规范实现相应的驱动。本文先就V4L2在视频捕捉或camera方面的应用框架。
　　V4L2采用流水线的方式，操作更简单直观，基本遵循打开视频设备、设置格式、处理数据、关闭设备，更多的具体操作通过ioctl函数来实现。 1.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);
　　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。
　　2. 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：  int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, .../*args*/) ;
　　在进行V4L2开发中，常用的命令标志符如下(some are optional)： 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。
　　2.1检查当前视频设备支持的标准
　　在亚洲，一般使用PAL（720X576）制式的摄像头，而欧洲一般使用NTSC（720X480），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:
　　//……
　　}
　　2.2 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，结构如下：
　　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结构如下：
　　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;       
　　};2.3 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 结构如下：
　　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];
　　};
　　2.4 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 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。 2.6 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;
　　//
　　));
　　buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
　　buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
　　buf.index=0;
　　//(2) 1. #include     //用于判断错误的型号
　　#include   //测试硬件设备的状态
　　如
　　fprintf(stderr,"can not open '%s':%d,%s\n",dev_name,errno,strerror(errno));
　　errno代表错误的序号，strerror(errno)表示输出这个错误的数字所代表的实际的字符串含义
　　Cannot open '/dev/video0': 16, Device or resource busy
　　2.为了更好的调试，返回错误信息我编制了函数
　　void errno_exit(char *s)
　　{
　　fprintf(stderr,"%s '%s':%d,%s",s,dev_name,strerror);
　　}
　　3.为了更方便控制硬件信息，我封装ioctl函数到xioctl
　　int  xioctl(int cmd,void *arg)
　　{
　　int ret;
　　do
　　ret=ioctl(fd,cmd,arg);
　　while(ret==-1&&EINTR == errno);
　　return ret;
　　}
　　4.打开设备后需用VIDIOC_QUERYCAP进行设备查询，ioctl()使用指针指向struct v4l2_capability对应的结构体变量cap
　　若返回值为EINVAL,则说明驱动与指定的标准不符。
　　ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap)
　　5.ioctl()成功时返回为0，若错误则返回－1，并会设置相应的errno变量，可能的errno变量错误代码如下
　　EBADF ：fd不是一个已打开的合法的文件描述符
　　EBUSY ：当输入/输出正在运行时，但另一个进程锁住了相关资源就会发生该错误
　　EFAULT ：argp参数指向了一个不可访问的内存区域
　　EINVAL：request参数或者指针参数argp非法（即驱动不匹配该硬件设备）
　　6 struct v4l2_requestbuffers
　　{
　　_u32 count;
　　enum v4l2_buf_type type;
　　enum v4l2_memory memory;
　　_u32 reserved[2]; 
　　}req
　　我们利用该结构体和VIDIOC_REQBUF这个ioctl()函数来给驱动设备分配内存。
　　count表示请求的buffer的数量
　　＊＊为了给驱动设备分配内存片段，应用程序需要调用VIDIOC_REQBUF这一ioctl函数，且调用之前，需得指定所要分配的内存片段的类型和数量
　　（该申请到的内存片段是存于驱动设备的，而非用户空间的）
　　7 
　　struct v4l2_buffer 
　　{
　　_u32 index;
　　enum v4l2_buf_type type;
　　_u32 bytesused;
　　_u32 flags;
　　enum v4l2_field field ;
　　....
　　/* memory loction */
　　enum v4l2_memory memory;
　　union
　　{ 
　　_u32 offset;       //当memory设置为V4L2_MEMORY_MMAP 有效 ，表明视频数据在驱动内存块中的偏移量
　　unsigned userptr;  //当memory设置为V4L2_MEMORY_USERPIR有效，表明为一块视频数据内存的指针
　　}m;
　　_u32 length; 
　　_u32 input;
　　_u32 reserved;
　　}; 
　　index应用程序所设置的内存片段的序号
　　＊＊用于查询前面VIDIOC_REQBUF所申请的req.count内存片段信息，包括在驱动设备内存中的偏移量m.offset,所以需要使用req.count次
　　struct v4l2_b
　　for(i=0;i<req.count;i++)
　　{
　　ioctl(VIDIOC_QUERYBUF,)
　　}