深入学习Linux内核之v4l2应用编程(二)

一，用户空间访问v4l2设备步骤

V4L2（Video for Linux 2）是Linux中关于视频设备的内核驱动，它使得Linux系统能够支持视频设备，如摄像头。对于Camera V4L2的应用编程，一般遵循以下步骤：

1，打开设备：
使用open()函数打开视频设备文件，通常位于/dev/videoX（X为设备编号，如0、1等）。
2，查询设备功能：
使用ioctl()函数和VIDIOC_QUERYCAP命令来查询设备的功能和属性，如是否支持视频捕获、是否支持流I/O等。
3，设置图像格式：
使用ioctl()函数和VIDIOC_ENUM_FMT、VIDIOC_S_FMT等命令来设置视频捕获的格式，如分辨率、颜色空间等。
4， 设置缓存：
使用ioctl()函数和VIDIOC_REQBUFS命令来请求一定数量的帧缓冲区（buffers），并可能需要使用mmap()函数将内核空间的帧缓冲区映射到用户空间。
5，开始捕获：
如果设备支持流I/O，可以使用ioctl()函数和VIDIOC_STREAMON命令开始视频捕获。
6，读取数据：
通过之前映射的帧缓冲区地址，可以直接访问捕获的视频帧数据。也可以使用read()函数从设备文件中读取数据，但这通常不是首选方法，因为效率较低。
7，停止捕获：
使用ioctl()函数和VIDIOC_STREAMOFF命令停止视频捕获。
8，关闭设备：
使用close()函数关闭视频设备文件。
9， 释放资源：
如果之前使用了mmap()映射了帧缓冲区，需要使用munmap()函数来取消映射。

在编程过程中，可能还需要考虑其他因素，如错误处理、多线程/多进程同步、内存管理等。同时，由于V4L2 API的复杂性和设备驱动的不同实现，具体的编程步骤和细节可能会有所不同。因此，在实际编程时，建议参考相关的文档和示例代码。

二、v4l2 API介绍

查询设备的功能

由于V4L2涵盖了各种各样的设备，因此并非API的所有方面都适用于所有类型的设备，在使用v4l2设备时，必须调用此API，获得设备支持的功能（capture、output、overlay…）
在这里插入图片描述
图像格式

图像由多种格式YUV和RGB还有压缩格式等等，其中每种格式又分有多种格式，比如RGB：RGB565、RGB888…

所以在使用设备时，需要对格式进行设置
在这里插入图片描述图像裁剪、插入与缩放
在这里插入图片描述数据的输入和输出

内核中使用缓存队列对图像数据进行管理，用户空间获取图像数据有两种方式，一种是通过read、write方式读取内核空间的缓存，一种是将内核空间的缓存映射到用户空间。在操作v4l2设备时，通过VIDIOC_QUERYCAP获取设备支持哪种方式
在这里插入图片描述ioctl API就先介绍到这里，还有非常多的接口这里就不一一介绍了，具体可以查看V4L2 Function Reference

三、v4l2设备操作流程

V4L2支持多种接口：capture(捕获)、output(输出)、overlay(预览)等等

这里讲解如何使用capture功能，下面讲解操作流程
step1：打开设备

在Linux中，视频设备节点为/dev/videox，使用open函数将其打开

int fd = open(name, flag);
if(fd < 0)
{
    printf("ERR(%s):failed to open %s\n", __func__, name);
    return -1;
}

return fd;

step 2：查询设备功能

if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, cap) < 0)
{
    printf("ERR(%s):VIDIOC_QUERYCAP failed\n", __func__);
    return -1;
}

看一看v4l2_capability

struct v4l2_capability {
	__u8	driver[16];	/* i.e. "bttv" */
	__u8	card[32];	/* i.e. "Hauppauge WinTV" */
	__u8	bus_info[32];	/* "PCI:" + pci_name(pci_dev) */
	__u32   version;        /* should use KERNEL_VERSION() */
	__u32	capabilities;	/* Device capabilities */
	__u32	reserved[4];
};

其中最重要的是capabilities字段，这个字段标记着v4l2设备的功能，capabilities有以下部分标记位
在这里插入图片描述step 3：设置图像格式

有的摄像头支持多种像素格式，有的摄像头只支持一种像素格式，在设置格式之前，要先枚举出所有的格式，看一看是否支持要设置的格式，然后再进一步设置

1.枚举支持的像素格式

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;

fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmtdesc.index = 0;

while (!ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc))
{
    printf("fmt:%s\n", fmtdesc.description);

    fmtdesc.index++;
}

2.设置像素格式

struct v4l2_format v4l2_fmt;

memset(&v4l2_fmt, 0, sizeof(struct v4l2_format));
v4l2_fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 
v4l2_fmt.fmt.pix.width = width; //宽度
v4l2_fmt.fmt.pix.height = height; //高度
v4l2_fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV; //像素格式
v4l2_fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_ANY;

if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &v4l2_fmt) < 0)
{
    printf("ERR(%s):VIDIOC_S_FMT failed\n", __func__);
    return -1;
}

step 4：设置缓存

v4l2设备读取数据的方式有两种，一种是read方式，一种是streaming方式，具体需要看step 2的返回结果是支持V4L2_CAP_READWRITE还是V4L2_CAP_STREAMING

read方式很容易理解，就是通过read函数读取，那么streaming是什么意思呢？

streaming就是在内核空间中维护一个缓存队列，然后将内存映射到用户空间，应用读取图像数据就是一个不断地出队列和入队列的过程，如下图所示
在这里插入图片描述
下面讲解如何去申请和映射缓存

1.申请缓存

struct v4l2_requestbuffers req;

req.count = nr_bufs; //缓存数量
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) < 0)
{
    printf("ERR(%s):VIDIOC_REQBUFS failed\n", __func__);
    return -1;
}

2.映射缓存

为什么要映射缓存？

因为如果使用read方式读取的话，图像数据是从内核空间拷贝会应用空间，而一副图像的数据一般来讲是比较大的，所以效率会比较低。而如果使用映射的方式，讲内核空间的内存应用到用户空间，那么用户空间读取数据就想在操作内存一样，不需要经过内核空间到用户空间的拷贝，大大提高效率

映射缓存需要先查询缓存信息，然后再使用缓存信息进行映射，下面是一个例子

struct v4l2_buffer v4l2_buffer;
void* addr;

memset(&v4l2_buffer, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));
v4l2_buffer.index = i; //想要查询的缓存
v4l2_buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
v4l2_buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

/* 查询缓存信息 */
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &v4l2_buffer);
if(ret < 0)
{
    printf("Unable to query buffer.\n");
    return -1;
}

/* 映射 */
addr = mmap(NULL /* start anywhere */ ,
            v4l2_buffer.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
            fd, v4l2_buffer.m.offset);

注：需要将所有申请的缓存使用上述方法进行映射

3.将所有的缓存放入队列

struct v4l2_buffer v4l2_buffer;

for(i = 0; i < nr_bufs; i++)
{
	memset(&v4l2_buffer, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));
	v4l2_buffer.index = i; //想要放入队列的缓存
	v4l2_buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	v4l2_buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;	

    ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buffer);
    if(ret < 0)
    {
        printf("Unable to queue buffer.\n");
        return -1;
    }
}

step 5：打开设备

enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if (ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type) < 0)
{
    printf("ERR(%s):VIDIOC_STREAMON failed\n", __func__);
    return -1;
}

step 7：读取数据

获取图像数据其实就是一个不断地入队列和出队列地过程
出队列

struct v4l2_buffer buffer;

buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buffer) < 0)
{
    printf("ERR(%s):VIDIOC_DQBUF failed, dropped frame\n", __func__);
    return -1;
}

出队列后得到了缓存的下标buffer.index，然后找到对饮的缓存，通过映射过后的地址进行数据的读取

入队列

再数据读取完成后，要将buf重新放入队列中

struct v4l2_buffer v4l2_buf;

v4l2_buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
v4l2_buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
v4l2_buf.index = i; //指定buf

if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buf) < 0)
{
    printf("ERR(%s):VIDIOC_QBUF failed\n", __func__);
    return -1;
}

读取数据就是在上面一直不断地循环

step 7：关闭设备

1.关闭设备

enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if (ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type) < 0)
{
    printf("ERR(%s):VIDIOC_STREAMOFF failed\n", __func__);
    return -1;
}

2.取消映射

for(i = 0; i < nr_bufs; ++i)
    munmap(buf[i].addr, buf[i]->length);

3.关闭文件描述符

close(fd);

四，uvc camera v4l2应用编程参考代码
当使用V4L2 (Video for Linux 2) API来编程与UVC (USB Video Class) 摄像头交互时，你可以参考以下的基本代码框架。请注意，这只是一个简化的示例，用于说明基本的编程步骤，并且可能需要根据你的具体需求进行调整。

首先，你需要包含必要的头文件，并定义一些常用的错误处理宏：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/ioctl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <linux/videodev2.h>  
  
#define CLEAR(x) memset(&(x), 0, sizeof(x))  
#define ERROR_HANDLER(ret, fmt, ...) \  
    do { \  
        if (ret < 0) { \  
            fprintf(stderr, "Error at %s:%d, %s\n  -> ", __FILE__, __LINE__, fmt); \  
            perror(NULL); \  
            exit(EXIT_FAILURE); \  
        } \  
    } while (0)

接下来是主程序框架，它打开设备、设置参数、捕获数据，并最后关闭设备：

int main(int argc, char **argv) {  
    struct v4l2_capability cap;  
    struct v4l2_format fmt;  
    struct v4l2_requestbuffers req;  
    enum v4l2_buf_type type;  
    struct v4l2_buffer buf;  
    unsigned int i;  
    int fd = -1;  
    void *buffers[4];  
  
    // 打开设备  
    fd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);  
    if (fd == -1) {  
        perror("open");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 查询设备能力  
    CLEAR(cap);  
    ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap), "VIDIOC_QUERYCAP");  
  
    // 确保设备支持视频捕获  
    if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)) {  
        fprintf(stderr, "%s is no video capture device\n", argv[0]);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 设置视频格式（这里只是一个示例，需要根据你的摄像头支持的格式来设置）  
    CLEAR(fmt);  
    fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
    fmt.fmt.pix.width = 640;  
    fmt.fmt.pix.height = 480;  
    fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV; // 或者其他支持的格式  
    fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;  
    ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt), "VIDIOC_S_FMT");  
  
    // 请求缓冲区  
    CLEAR(req);  
    req.count = 4;  
    req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
    req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;  
    ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req), "VIDIOC_REQBUFS");  
  
    // 映射缓冲区  
    for (i = 0; i < req.count; ++i) {  
        CLEAR(buf);  
  
        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
        buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;  
        buf.index = i;  
  
        ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf), "VIDIOC_QUERYBUF");  
  
        buffers[i] = mmap(NULL /* start anywhere */,  
                          buf.length,  
                          PROT_READ | PROT_WRITE, /* required */  
                          MAP_SHARED /* recommended */,  
                          fd, buf.m.offset);  
  
        if (buffers[i] == MAP_FAILED) {  
            perror("mmap");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
    }  
  
    // 开始捕获  
    enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  
    ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type), "VIDIOC_STREAMON");  
  
    // 在这里添加循环来捕获和处理数据

暂时分析到这里，后续在更新！

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