V4L2是V4L的升級版本，linux下視頻設備程序提供了一套接口規范。
常用的結構體在內核目錄include/linux/videodev2.h中定義
struct v4l2_requestbuffers //申請幀緩沖，對應命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability //視頻設備的功能，對應命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input //視頻輸入信息，對應命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard //視頻的制式，比如PAL，NTSC，對應命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format //幀的格式，對應命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer //驅動中的一幀圖像緩存，對應命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop //視頻信號矩形邊框
v4l2_std_id //視頻制式
V4L2采用流水線的方式，操作更簡單直觀，基本遵循打開視頻設備、設置格式、處理數據、關閉設備，更多的具體操作通過ioctl函數來實現。
1.打開視頻設備
在V4L2中，視頻設備被看做一個文件。使用open函數打開這個設備：
// 用非阻塞模式打開攝像頭設備
int cameraFd;
cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);
// 如果用阻塞模式打開攝像頭設備，上述代碼變為：
//cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR, 0);
應用程序能夠使用阻塞模式或非阻塞模式打開視頻設備，如果使用非阻塞模式調用視頻設備，即使尚未捕獲到信息，驅動依舊會把緩存（DQBUFF）里的東西返回給應用程序。
2. 設定屬性及采集方式
打開視頻設備后，可以設置該視頻設備的屬性，例如裁剪、縮放等。這一步是可選的。在Linux編程中，一般使用ioctl函數來對設備的I/O通道進行管理：
int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, .../*args*/) ;
在進行V4L2開發中，常用的命令標志符如下(some are optional)：
• VIDIOC_REQBUFS：分配內存
• VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的數據緩存轉換成物理地址
• VIDIOC_QUERYCAP：查詢驅動功能
• VIDIOC_ENUM_FMT：獲取當前驅動支持的視頻格式
• VIDIOC_S_FMT：設置當前驅動的頻捕獲格式
• VIDIOC_G_FMT：讀取當前驅動的頻捕獲格式
• VIDIOC_TRY_FMT：驗證當前驅動的顯示格式
• VIDIOC_CROPCAP：查詢驅動的修剪能力
• VIDIOC_S_CROP：設置視頻信號的邊框
• VIDIOC_G_CROP：讀取視頻信號的邊框
• VIDIOC_QBUF：把數據從緩存中讀取出來
• VIDIOC_DQBUF：把數據放回緩存隊列
• VIDIOC_STREAMON：開始視頻顯示函數
• VIDIOC_STREAMOFF：結束視頻顯示函數
• VIDIOC_QUERYSTD：檢查當前視頻設備支持的標准，例如PAL或NTSC。
2.1檢查當前視頻設備支持的標准
在亞洲，一般使用PAL（720X576）制式的攝像頭，而歐洲一般使用NTSC（720X480），使用VIDIOC_QUERYSTD來檢測：
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 設置視頻捕獲格式
當檢測完視頻設備支持的標准后，還需要設定視頻捕獲格式，結構如下：
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結構如下：
struct v4l2_format {
enum v4l2_buf_type type; //數據流類型，必須永遠是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; // 寬，必須是16的倍數
__u32 height; // 高，必須是16的倍數
__u32 pixelformat; // 視頻數據存儲類型，例如是YUV4：2：2還是RGB
enum v4l2_field field;
__u32 bytesperline;
__u32 sizeimage;
enum v4l2_colorspace colorspace;
__u32 priv;
};
2.3 分配內存
接下來可以為視頻捕獲分配內存：
struct v4l2_requestbuffers req;
req.count = BUFFER_COUNT;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return -1;
}
v4l2_requestbuffers 結構如下：
struct v4l2_requestbuffers {
u32 count;//緩存數量,也就是說在緩存隊列里保持多少張照片
enum v4l2_buf_type type; //數據流類型,必須永遠是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
enum v4l2_memory memory;//V4L2_MEMORY_MMAP或V4L2_MEMORY_USERPTR
u32 reserved[2];
};
2.4 獲取並記錄緩存的物理空間
使用VIDIOC_REQBUFS，我們獲取了req.count個緩存，下一步通過調用VIDIOC_QUERYBUF命令來獲取這些緩存的地址，然后使用mmap函數轉換成應用程序中的絕對地址，最后把這段緩存放入緩存隊列：
typedef struct VideoBuffer {
void *start;
size_t length;
} VideoBuffer;
v4l2_buffer 結構如下：
struct v4l2_buffer {
__u32 index;
enum v4l2_buf_type type;
__u32 bytesused;
__u32 flags;
enum v4l2_field field;
struct timeval timestamp;
struct v4l2_timecode timecode;
__u32 sequence;
/* memory location */
enum v4l2_memory memory;
union {
__u32 offset;
unsigned long userptr;
} m;
__u32 length;
__u32 input;
__u32 reserved;
};
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;
// 讀取緩存
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
buffers[numBufs].length = buf.length;
// 轉換成相對地址
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;
}
// 放入緩存隊列
if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
}
2.5 視頻采集方式
操作系統一般把系統使用的內存划分成用戶空間和內核空間，分別由應用程序管理和操作系統管理。應用程序可以直接訪問內存的地址，而內核空間存放的是供內核訪問的代碼和數據，用戶不能直接訪問。v4l2捕獲的數據，最初是存放在內核空間的，這意味着用戶不能直接訪問該段內存，必須通過某些手段來轉換地址。
一共有三種視頻采集方式：使用read/write方式；內存映射方式和用戶指針模式。
read、write方式，在用戶空間和內核空間不斷拷貝數據，占用了大量用戶內存空間，效率不高。
內存映射方式：把設備里的內存映射到應用程序中的內存控件，直接處理設備內存，這是一種有效的方式。上面的mmap函數就是使用這種方式。
用戶指針模式：內存片段由應用程序自己分配。這點需要在v4l2_requestbuffers里將memory字段設置成V4L2_MEMORY_USERPTR。
2.6 處理采集數據
V4L2有一個數據緩存，存放req.count數量的緩存數據。數據緩存采用FIFO的方式，當應用程序調用緩存數據時，緩存隊列將最先采集到的視頻數據緩存送出，並重新采集一張視頻數據。這個過程需要用到兩個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;
//讀取緩存
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return -1;
}
//…………視頻處理算法
//重新放入緩存隊列
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
3. 關閉視頻設備
使用close函數關閉一個視頻設備
close(cameraFd)
如果使用mmap,最后還需要使用munmap方法。
下面是damo程序（經過實際驗證，修改了網上的例程的錯誤）
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <getopt.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <malloc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <asm/types.h>
#include <linux/videodev2.h>
#define CAMERA_DEVICE "/dev/video0"
#define CAPTURE_FILE "frame.jpg"
#define VIDEO_WIDTH 640
#define VIDEO_HEIGHT 480
#define VIDEO_FORMAT V4L2_PIX_FMT_YUYV
#define BUFFER_COUNT 4
typedef struct VideoBuffer {
void *start;
size_t length;
} VideoBuffer;
int main()
{
int i, ret;
// 打開設備
int fd;
fd = open(CAMERA_DEVICE, O_RDWR, 0);
if (fd < 0) {
printf("Open %s failed\n", CAMERA_DEVICE);
return -1;
}
// 獲取驅動信息
struct v4l2_capability cap;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_QUERYCAP failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Print capability infomations
printf("Capability Informations:\n");
printf(" driver: %s\n", cap.driver);
printf(" card: %s\n", cap.card);
printf(" bus_info: %s\n", cap.bus_info);
printf(" version: %08X\n", cap.version);
printf(" capabilities: %08X\n", cap.capabilities);
// 設置視頻格式
struct v4l2_format fmt;
memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width = VIDEO_WIDTH;
fmt.fmt.pix.height = VIDEO_HEIGHT;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_S_FMT failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// 獲取視頻格式
ret = ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_G_FMT failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Print Stream Format
printf("Stream Format Informations:\n");
printf(" type: %d\n", fmt.type);
printf(" width: %d\n", fmt.fmt.pix.width);
printf(" height: %d\n", fmt.fmt.pix.height);
char fmtstr[8];
memset(fmtstr, 0, 8);
memcpy(fmtstr, &fmt.fmt.pix.pixelformat, 4);
printf(" pixelformat: %s\n", fmtstr);
printf(" field: %d\n", fmt.fmt.pix.field);
printf(" bytesperline: %d\n", fmt.fmt.pix.bytesperline);
printf(" sizeimage: %d\n", fmt.fmt.pix.sizeimage);
printf(" colorspace: %d\n", fmt.fmt.pix.colorspace);
printf(" priv: %d\n", fmt.fmt.pix.priv);
printf(" raw_date: %s\n", fmt.fmt.raw_data);
// 請求分配內存
struct v4l2_requestbuffers reqbuf;
reqbuf.count = BUFFER_COUNT;
reqbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
reqbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
ret = ioctl(fd , VIDIOC_REQBUFS, &reqbuf);
if(ret < 0) {
printf("VIDIOC_REQBUFS failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// 獲取空間
VideoBuffer* buffers = calloc( reqbuf.count, sizeof(*buffers) );
struct v4l2_buffer buf;
for (i = 0; i < reqbuf.count; i++)
{
buf.index = i;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
ret = ioctl(fd , VIDIOC_QUERYBUF, &buf);
if(ret < 0) {
printf("VIDIOC_QUERYBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);
return ret;
}
// mmap buffer
framebuf[i].length = buf.length;
framebuf[i].start = (char *) mmap(0, buf.length, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);
if (framebuf[i].start == MAP_FAILED) {
printf("mmap (%d) failed: %s\n", i, strerror(errno));
return -1;
}
// Queen buffer
ret = ioctl(fd , VIDIOC_QBUF, &buf);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_QBUF (%d) failed (%d)\n", i, ret);
return -1;
}
printf("Frame buffer %d: address=0x%x, length=%d\n", i, (unsigned int)framebuf[i].start, framebuf[i].length);
}
// 開始錄制
enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_STREAMON failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Get frame
ret = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_DQBUF failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Process the frame
FILE *fp = fopen(CAPTURE_FILE, "wb");
if (fp < 0) {
printf("open frame data file failed\n");
return -1;
}
fwrite(framebuf[buf.index].start, 1, buf.length, fp);
fclose(fp);
printf("Capture one frame saved in %s\n", CAPTURE_FILE);
// Re-queen buffer
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);
if (ret < 0) {
printf("VIDIOC_QBUF failed (%d)\n", ret);
return ret;
}
// Release the resource
for (i=0; i< 4; i++)
{
munmap(framebuf[i].start, framebuf[i].length);
}
close(fd);
printf("Camera test Done.\n");
return 0;
}
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附件：
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length);
參數說明：
——start：映射區的開始地址。
——length：映射區的長度。
——prot：期望的內存保護標志，不能與文件的打開模式沖突。是以下的某個值，可以通過or運算合理地組合在一起
—PROT_EXEC //頁內容可以被執行
—PROT_READ //頁內容可以被讀取
—PROT_WRITE //頁可以被寫入
—PROT_NONE //頁不可訪問
——flags：指定映射對象的類型，映射選項和映射頁是否可以共享。它的值可以是一個或者多個以下位的組合體
—MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len參數指定的內存區重疊於現存的映射空間，重疊部分將會被丟棄。如果指定的起始地址不可用，操作將會失敗。並且起始地址必須落在頁的邊界上。
—MAP_SHARED //與其它所有映射這個對象的進程共享映射空間。對共享區的寫入，相當於輸出到文件。直到msync()或者munmap()被調用，文件實際上不會被更新。
—MAP_PRIVATE //建立一個寫入時拷貝的私有映射。內存區域的寫入不會影響到原文件。這個標志和以上標志是互斥的，只能使用其中一個。
—MAP_DENYWRITE //這個標志被忽略。
—MAP_EXECUTABLE //同上
—MAP_NORESERVE //不要為這個映射保留交換空間。當交換空間被保留，對映射區修改的可能會得到保證。當交換空間不被保留，同時內存不足，對映射區的修改會引起段違例信號。
—MAP_LOCKED //鎖定映射區的頁面，從而防止頁面被交換出內存。
—MAP_GROWSDOWN //用於堆棧，告訴內核VM系統，映射區可以向下擴展。
—MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射區不與任何文件關聯。
—MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的別稱，不再被使用。
—MAP_FILE //兼容標志，被忽略。
—MAP_32BIT //將映射區放在進程地址空間的低2GB，MAP_FIXED指定時會被忽略。當前這個標志只在x86-64平台上得到支持。
—MAP_POPULATE //為文件映射通過預讀的方式准備好頁表。隨后對映射區的訪問不會被頁違例阻塞。
—MAP_NONBLOCK //僅和MAP_POPULATE一起使用時才有意義。不執行預讀，只為已存在於內存中的頁面建立頁表入口。
——fd：有效的文件描述詞。如果MAP_ANONYMOUS被設定，為了兼容問題，其值應為-1。
——offset：被映射對象內容的起點。
返回值：
成功執行時，mmap()返回被映射區的指針，munmap()返回0。
失敗時，mmap()返回MAP_FAILED[其值為(void *)-1]，munmap返回-1。errno被設為以下的某個值。
V4L2應用程序框架
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