一、什么是v4l2

vl42是video for Linux 2的縮寫，是一套Linux內(nèi)核視頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)框架，該驅(qū)動(dòng)框架為應(yīng)用層提供一套統(tǒng)一的操作接口(一系列的ioctl)

V4L2在設(shè)計(jì)時(shí)，是要支持很多廣泛的設(shè)備的，它們之中只有一部分在本質(zhì)上是真正的視頻設(shè)備，可以支持多種設(shè)備,它可以有以下幾種接口

video capture interface：視頻采集接口，這種接口應(yīng)用于攝像頭，v4l2在最初設(shè)計(jì)的時(shí)候就是應(yīng)用于這種功能

video output interface：視頻輸出接口，將靜止圖像或圖像序列編碼為模擬視頻信號，通過此接口，應(yīng)用程序可以控制編碼過程并將圖像從用戶空間移動(dòng)到驅(qū)動(dòng)程序

video overlay interface：視頻直接傳輸接口，可以將采集到的視頻數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)斤@示設(shè)備，不需要cpu參與，這種方式的顯示圖像的效率比其他方式高得多

其他接口這里就不介紹了，下面來看一下v4l2的API

二、v4l2 API介紹

對V4L2設(shè)備進(jìn)行編程包括以下步驟

打開設(shè)備

更改設(shè)備屬性，選擇視頻和音頻輸入，視頻標(biāo)準(zhǔn)，圖片亮度等

設(shè)置數(shù)據(jù)格式

設(shè)置輸入/輸出方法

輸入/輸出緩存隊(duì)列循環(huán)

關(guān)閉設(shè)備

其中大多數(shù)操作都是通過應(yīng)用層調(diào)用ioctl實(shí)現(xiàn)的，可以將這些ioctl分為下面幾類

2.1 查詢設(shè)備的功能

由于V4L2涵蓋了各種各樣的設(shè)備，因此并非API的所有方面都適用于所有類型的設(shè)備，在使用v4l2設(shè)備時(shí)，必須調(diào)用此API，獲得設(shè)備支持的功能（capture、output、overlay…）

注：可以點(diǎn)擊名稱查看API講解

2.2 應(yīng)用優(yōu)先級

當(dāng)多個(gè)應(yīng)用程序共享設(shè)備時(shí)，可能需要為它們分配不同的優(yōu)先級。視頻錄制應(yīng)用程序可以例如阻止其他應(yīng)用程序改變視頻控制或切換當(dāng)前的電視頻道。另一個(gè)目標(biāo)是允許在后臺工作的低優(yōu)先級應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以被用戶控制的應(yīng)用程序搶占，并在以后自動(dòng)重新獲得對設(shè)備的控制

2.3 輸入和輸出設(shè)備

2.4 視頻標(biāo)準(zhǔn)

2.5 控制屬性

2.6 圖像格式

圖像由多種格式Y(jié)UV和RGB還有壓縮格式等等，其中每種格式又分有多種格式，比如RGB：RGB565、RGB888…所以在使用設(shè)備時(shí)，需要對格式進(jìn)行設(shè)置

2.7 圖像裁剪、插入與縮放

2.8 數(shù)據(jù)的輸入和輸出

內(nèi)核中使用緩存隊(duì)列對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，用戶空間獲取圖像數(shù)據(jù)有兩種方式，一種是通過read、write方式讀取內(nèi)核空間的緩存，一種是將內(nèi)核空間的緩存映射到用戶空間。在操作v4l2設(shè)備時(shí)，通過VIDIOC_QUERYCAP獲取設(shè)備支持哪種方式

ioctl API就先介紹到這里，還有非常多的接口這里就不一一介紹了，具體可以查看V4L2 Function Reference;下面來講一講如何使用這些接口

三、v4l2設(shè)備操作流程

V4L2支持多種接口：capture(捕獲)、output(輸出)、overlay(預(yù)覽)等等 這里講解如何使用capture功能，下面講解操作流程

step1：打開設(shè)備 在Linux中，視頻設(shè)備節(jié)點(diǎn)為/dev/videox，使用open函數(shù)將其打開

intfd=open(name,flag);
if(fd

	

	step 2：查詢設(shè)備功能

	
if(ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,cap)

	

	看一看v4l2_capability:

	
structv4l2_capability{
__u8driver[16];/*i.e."bttv"*/
__u8card[32];/*i.e."HauppaugeWinTV"*/
__u8bus_info[32];/*"PCI:"+pci_name(pci_dev)*/
__u32version;/*shoulduseKERNEL_VERSION()*/
__u32capabilities;/*Devicecapabilities*/
__u32reserved[4];
};


	

	其中最重要的是capabilities字段，這個(gè)字段標(biāo)記著v4l2設(shè)備的功能，capabilities有以下部分標(biāo)記位：

	

	我們可以通過這樣子去判斷設(shè)備的功能:

	step 3：設(shè)置輸入設(shè)備 一個(gè)設(shè)備可能有多個(gè)輸入，比如：在芯片上，攝像頭控制器和攝像頭接口是分離的，需要選擇哪一個(gè)攝像頭接口作為攝像頭控制器的輸入源

	當(dāng)然，并不是所有的設(shè)備都需要設(shè)置輸入，比如：uvc攝像頭，一般只有一個(gè)輸入，默認(rèn)就會(huì)選擇，不需要設(shè)置

	下面介紹如何設(shè)置輸入設(shè)備

	1.枚舉輸入設(shè)備 下面這段程序枚舉了該設(shè)備所有的輸入源，并打印輸入源的名稱:

	
structv4l2_inputinput;

input.index=0;
while(!ioctl(fd,VIDIOC_ENUMINPUT,&input))
{
printf("input:%s
",input.name);
++input.index;
}


	

	2.設(shè)置輸入設(shè)備

	
structv4l2_inputinput;
input.index=index;//指定輸入設(shè)備

if(ioctl(fd,VIDIOC_S_INPUT,&input)

	

	step 4：設(shè)置圖像格式 有的攝像頭支持多種像素格式，有的攝像頭只支持一種像素格式，在設(shè)置格式之前，要先枚舉出所有的格式，看一看是否支持要設(shè)置的格式，然后再進(jìn)一步設(shè)置

	1.枚舉支持的像素格式

	
structv4l2_fmtdescfmtdesc;

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

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

fmtdesc.index++;
}


	

	2.設(shè)置像素格式

	
structv4l2_formatv4l2_fmt;

memset(&v4l2_fmt,0,sizeof(structv4l2_format));
v4l2_fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
v4l2_fmt.fmt.pix.width=width;//寬度
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)

	

	step 5：設(shè)置緩存 v4l2設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的方式有兩種，一種是read方式，一種是streaming方式，具體需要看step 2的返回結(jié)果是支持V4L2_CAP_READWRITE還是V4L2_CAP_STREAMING

	read方式很容易理解，就是通過read函數(shù)讀取，那么streaming是什么意思呢？

	streaming就是在內(nèi)核空間中維護(hù)一個(gè)緩存隊(duì)列，然后將內(nèi)存映射到用戶空間，應(yīng)用讀取圖像數(shù)據(jù)就是一個(gè)不斷地出隊(duì)列和入隊(duì)列的過程，如下圖所示：

	

	下面講解如何去申請和映射緩存：

	1.申請緩存

	
structv4l2_requestbuffersreq;

req.count=nr_bufs;//緩存數(shù)量
req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;

if(ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req)

	

	2.映射緩存 為什么要映射緩存？

	因?yàn)槿绻褂胷ead方式讀取的話，圖像數(shù)據(jù)是從內(nèi)核空間拷貝會(huì)應(yīng)用空間，而一副圖像的數(shù)據(jù)一般來講是比較大的，所以效率會(huì)比較低。而如果使用映射的方式，講內(nèi)核空間的內(nèi)存應(yīng)用到用戶空間，那么用戶空間讀取數(shù)據(jù)就想在操作內(nèi)存一樣，不需要經(jīng)過內(nèi)核空間到用戶空間的拷貝，大大提高效率

	映射緩存需要先查詢緩存信息，然后再使用緩存信息進(jìn)行映射，下面是一個(gè)例子：

	
structv4l2_bufferv4l2_buffer;
void*addr;

memset(&v4l2_buffer,0,sizeof(structv4l2_buffer));
v4l2_buffer.index=i;//想要查詢的緩存
v4l2_buffer.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
v4l2_buffer.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;

/*查詢緩存信息*/
ret=ioctl(fd,VIDIOC_QUERYBUF,&v4l2_buffer);
if(ret

	

	注：需要將所有申請的緩存使用上述方法進(jìn)行映射

	3.將所有的緩存放入隊(duì)列

	
structv4l2_bufferv4l2_buffer;

for(i=0;i

	

	step 6：打開設(shè)備

	
enumv4l2_buf_typetype=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if(ioctl(fd,VIDIOC_STREAMON,&type)

	

	step 7：讀取數(shù)據(jù) 獲取圖像數(shù)據(jù)其實(shí)就是一個(gè)不斷地入隊(duì)列和出隊(duì)列地過程，在出隊(duì)列前要調(diào)用poll等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成

	1.poll

	
structpollfdpoll_fds[1];

poll_fds[0].fd=fd;
poll_fds[0].events=POLLIN;//等待可讀

poll(poll_fds,1,10000);


	

	2.出隊(duì)列

	
structv4l2_bufferbuffer;

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

if(ioctl(fd,VIDIOC_DQBUF,&buffer)

	

	出隊(duì)列后得到了緩存的下標(biāo)buffer.index，然后找到對飲的緩存，通過映射過后的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取

	3.入隊(duì)列 再數(shù)據(jù)讀取完成后，要將buf重新放入隊(duì)列中:

	
structv4l2_bufferv4l2_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)

	

	讀取數(shù)據(jù)就是在上面這三步一直不斷地循環(huán)

	step 8：關(guān)閉設(shè)備

	1.關(guān)閉設(shè)備

	
enumv4l2_buf_typetype=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if(ioctl(fd,VIDIOC_STREAMOFF,&type)

	

	2.取消映射

	
for(i=0;ilength);


	

	關(guān)閉文件描述符

	
close(fd);


	

	libv4l2 v4l2設(shè)備操作起來還是比較繁瑣的，為此我對其進(jìn)行了封裝，寫了一套庫，使用起來更加方便，可以從這里libv4l2獲取

	其中附帶一個(gè)實(shí)例example_cature，通過capture /dev/video0運(yùn)行程序采集一張YUYV格式的圖片，采集后得到了pic.yuv，可以通過ffplay查看ffplay -pixel_format yuyv422 -f rawvideo -video_size 640x480 pic.yuv，效果圖如下

	四、v4l2采集圖像在frame buffer顯示

	如何將采集圖像在frame buff上顯示？

	1.轉(zhuǎn)換圖像格式，將yuv格式轉(zhuǎn)換成frame buff可以接收的rgb格式

	2.操作frame buff，通過映射frame buff的顯存到用戶空間，直接寫顯存就可以顯示圖像

	具體的實(shí)現(xiàn)過程這里就不詳細(xì)說了，下面給出一個(gè)例子。

	

	執(zhí)行make編譯后可以得到video2lcd，執(zhí)行video2lcd /dev/video0

	運(yùn)行效果如下:

	

	五、v4l2采集圖像使用Qt顯示

	如何使用qt顯示，道理跟在frame buff上顯示是一樣的，都是采集，轉(zhuǎn)化格式，顯示，只是在顯示部分不同而已，這里給出一個(gè)例子。

	

	審核編輯：湯梓紅