V4L2 - Linux下视频驱动模型

时间  2020-10-03 标签 v4l2 linux 视频 驱动 模型

在DM6446平台，咱们在GPP端通常使用MontaVista操做系统来进行程序控制。MontaVista做为一种嵌入式的Linux，和桌 面Linux相似，一样使用视频驱动V4L2（Video For Linux Two）来进行视频采集、输出。本文就V4L2的使用方式作简易说明。linux

视频采集的基本流程

通常的，视频采集都有以下流程：算法

image

打开视频设备

在V4L2中，视频设备被看作一个文件。使用open函数打开这个设备：编程

// 用非阻塞模式打开摄像头设备


int 
cameraFd
;

cameraFd 
= open
("/dev/video0"
, O_RDWR 
| O_NONBLOCK
, 0);

// 若是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

应用程序可以使用阻塞模式或非阻塞模式打开视频设备，若是使用非阻塞模式调用视频设备，即便还没有捕获到信息，驱动依旧会把缓存（DQBUFF）里的东西返回给应用程序。缓存

设定属性及采集方式

打开视频设备后，能够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，通常使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理：ide

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；函数

__request：具体的命令标志符。ui

在进行V4L2开发中，通常会用到如下的命令标志符：spa

  1. VIDIOC_REQBUFS：分配内存
  2. VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
  3. VIDIOC_QUERYCAP：查询驱动功能
  4. VIDIOC_ENUM_FMT：获取当前驱动支持的视频格式
  5. VIDIOC_S_FMT：设置当前驱动的频捕获格式
  6. VIDIOC_G_FMT：读取当前驱动的频捕获格式
  7. VIDIOC_TRY_FMT：验证当前驱动的显示格式
  8. VIDIOC_CROPCAP：查询驱动的修剪能力
  9. VIDIOC_S_CROP：设置视频信号的边框
  10. VIDIOC_G_CROP：读取视频信号的边框
  11. VIDIOC_QBUF：把数据从缓存中读取出来
  12. VIDIOC_DQBUF：把数据放回缓存队列
  13. VIDIOC_STREAMON：开始视频显示函数
  14. VIDIOC_STREAMOFF：结束视频显示函数
  15. 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。操作系统

检查当前视频设备支持的标准

在亚洲，通常使用PAL（720X576）制式的摄像头，而欧洲通常使用NTSC（720X480），使用VIDIOC_QUERYSTD来检测：指针

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，还须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结构体定义以下：

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仍是RGB


    enum 
v4l2_field         field
;

    __u32                   bytesperline
;    

    
__u32                   sizeimage
;

    enum 
v4l2_colorspace    colorspace
;

    __u32                   priv
;       


};

分配内存

接下来能够为视频捕获分配内存：

struct 
v4l2_requestbuffers  req
;

if 
(ioctl
(fd
, VIDIOC_REQBUFS
, &req
) == -1) {
 
 
 
 

  return 
-1;

}

v4l2_requestbuffers定义以下：

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 ，咱们获取了req.count个缓存，下一步经过调用VIDIOC_QUERYBUF命令来获取这些缓存的地址，而后使用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：

image 

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

操做系统通常把系统使用的内存划分红用户空间和内核空间，分别由应用程序管理和操做系统管理。应用程序能够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，必须经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：内存片断由应用程序本身分配。这点须要在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，缓存队列将最早采集到的 视频数据缓存送出，并从新采集一张视频数据。这个过程须要用到两个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


//从新放入缓存队列


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
)

还须要使用munmap方法。

小结和参考文献

在MontaVista里，使用V4L2驱动来操做视频输入、输出。V4L2采用流水线的方式，打开视频设备、设置格式、处理数据、关闭设备。具体操做和ioctl函数有关。

另外，要在MontaVista中使用V4L2驱动，还须要修改一下系统目录。

进入MontaVista安装目录下的pro/devkit/lsp/ti-davinci_evm-arm_v5t_le/linux-2.6.10_mvl401/include目录，创建一个名为asm的快捷方式指向asm-arm文件夹：

image

进入asm-arm文件夹，创建一个快捷方式指向arch-davinci目录：

image

 

参考文献：LSP 1.20 DaVinci Linux V4L2 Display Driver User’s Guide

 
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