V4L2 API詳解 <二> Camera詳細設置【轉】

本文轉載自查看原文 2018-12-11 14:30 705 【攝像頭】/ 【嵌入式基礎】

轉自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_602f87700101bf36.html

作者： Sam (甄峰) sam_code@hotmail.com

Camera的可設置項極多，V4L2 支持了不少。但Sam之前對這些設置的用法和涵義都是在看videodev2.h中邊看邊理解，感覺非常生澀。直到寫這篇blog時，才發現v4l2有專門的SPEC來說明：

http://www.linuxtv.org/downloads/legacy/video4linux/API/V4L2_API/spec-single/v4l2.html

但也基本沒有時間仔細看了。先把自己看頭文件看出的一些東西記錄在這里吧。

以實際設置過程為順序談談V4L2 設置。

1. 查詢V4L2 功能集：VIDIOC_QUERYCAP

struct v4l2_capability cap;

int rel = 0;

ioctl(Handle, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);

使用ioctl VIDIOC_QUERYCAP 來查詢當前driver是否合乎規范。因為V4L2要求所有driver 和Device都支持這個Ioctl。所以，可以通過這個ioctl是否成功來判斷當前設備和dirver 是否支持V4L2規范。當然，這樣同時還能夠得到設備足夠的能力信息。

struct v4l2_capability

{

__u8 driver[16]; //驅動名。

__u8 card[32]; // Device名

__u8 bus_info[32]; //在Bus系統中存放位置

__u32 version; //driver 版本

__u32 capabilities; // 能力集

__u32 reserved[4];

};

能力集中包含：

V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE 0x00000001 The device supports the Video Capture interface.

V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT 0x00000002 The device supports the Video Output interface.

V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY 0x00000004 The device supports the Video Overlay interface.

A video overlay device typically stores captured images directly in the video memory of a graphics card,with hardware clipping and scaling.

V4L2_CAP_VBI_CAPTURE 0x00000010 The device supports the Raw VBI Capture interface, providing Teletext and Closed Caption data.

V4L2_CAP_VBI_OUTPUT 0x00000020 The device supports the Raw VBI Output interface.

V4L2_CAP_SLICED_VBI_CAPTURE 0x00000040 The device supports the Sliced VBI Capture interface.

V4L2_CAP_SLICED_VBI_OUTPUT 0x00000080 The device supports the Sliced VBI Output interface.

V4L2_CAP_RDS_CAPTURE 0x00000100 [to be defined]

#define V4L2_CAP_TUNER 0x00010000

#define V4L2_CAP_AUDIO 0x00020000

#define V4L2_CAP_RADIO 0x00040000

#define V4L2_CAP_READWRITE 0x01000000

#define V4L2_CAP_ASYNCIO 0x02000000

#define V4L2_CAP_STREAMING 0x04000000

看起來很熟悉吧，其實就是Driver里面的Type。

__u8 driver[16]; driver名，通常為：uvcvideo

__u8 card[32]; 設備名：廠商會填寫。

__u8 bus_info[32]; bus,通常為：usb-hiusb-ehci-2.4

__u32 version;

__u32 capabilities; 通常為：V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING

__u32 reserved[4];

2. 枚舉設備所支持的image format: VIDIOC_ENUM_FMT

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;

fmtdesc.index = 0;

fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc);

使用ioctl VIDIOC_ENUM_FMT 依次詢問，type為：V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE。 index從0開始，依次增加，直到返回 -1 （如果index有效，則返回0） . Driver會填充結構體struct v4l2_fmtdesc的其它內容，如果index超出范圍，則返回-1。

struct v4l2_fmtdesc

{

__u32 index; // 需要填充，從0開始，依次上升。

enum v4l2_buf_type type; //Camera，則填寫V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

__u32 flags; // 如果壓縮的，則Driver 填寫：V4L2_FMT_FLAG_COMPRESSED，否則為0

__u8 description[32]; // image format的描述，如：YUV 4:2:2 (YUYV)

__u32 pixelformat; //所支持的格式。如：V4L2_PIX_FMT_UYVY

__u32 reserved[4];

};

這樣，則知道當前硬件支持什么樣的image format. 下一步，則可以設置image 了。當然，設置之前，還可以讀取當前缺省設置。

圖像格式，見附錄1.

3. 得到和設置Image Format: VIDIOC_G_FMT, VIDIOC_S_FMT:

3.1: 得到當前Image Format：

struct v4l2_format Format;

memset(&Format, 0, sizeof(struct v4l2_format));

Format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ioctl(Handle, VIDIOC_G_FMT, &Format);

利用ioctl VIDIOC_G_FMT. 得到當前設置。

因為Camera為CAPTURE設備，所以需要設置type為： V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

然后Driver會填充其它內容。

struct v4l2_format

{

enum v4l2_buf_type type; // Camera，則用戶必須填寫：V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

union

{

struct v4l2_pix_format pix; // used by video capture and output devices

struct v4l2_window win;

struct v4l2_vbi_format vbi;

struct v4l2_sliced_vbi_format sliced;

__u8 raw_data[200];

} fmt;

};

因為是Camera，所以采用pix. 現在分析如下：

struct v4l2_pix_format

{

__u32 width; //Image width in pixels.

__u32 height; // Image Height in pixels.

__u32 pixelformat; // Image格式，最常見的有：V4L2_PIX_FMT_YYUV

enum v4l2_field field; //是否逐行掃描，是否隔行掃描. Sam通常采用V4L2_FIELD_NONE，逐行放置數據 (注1)

__u32 bytesperline; //每行的byte數

__u32 sizeimage; //總共的byte數， bytesperline * height

enum v4l2_colorspace colorspace; //This information supplements the pixelformat and must be set by the driver

__u32 priv;

};

3.2：設置Image Format:VIDIOC_S_FMT

之前通過 VIDIOC_ENUM_FMT已經知道Device支持什么Format。所以就不用猜測了，直接設置吧。

設置Image Format ,利用 iocto VIDIOC_S_FMT.

需要APPLICATION填寫的Struct項目有：

struct v4l2_format Format;

Format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

Format.fmt.pix.width = Width;

Format.fmt.pix.height = Height;

Format.fmt.pix.pixelformat= pixelformat;//V4L2_PIX_FMT_YUYV;

Format.fmt.pix.field = field;

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_S_FMT, &Format);

SamInfo：之前設置了Image Format，是指每一幀的數據格式，但Stream的行為呢，也需要設置，這就是下面所說的Stream 設置了。它就包含幀數設置和修改。

4. 得到和設置Stream信息：VIDIOC_G_PARM， VIDIOC_S_PARM

Stream信息，主要是設置幀數。

4.1：得到Stream信息：

struct v4l2_streamparm Stream_Parm;

memset(&Stream_Parm, 0, sizeof(struct v4l2_streamparm));

Stream_Parm.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_G_PARM, &Stream_Parm);

用戶只需要填充type為V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE。 Driver就會把結構體中其它部分填充好。

struct v4l2_streamparm

{

enum v4l2_buf_type type;

union

{

struct v4l2_captureparm capture;

struct v4l2_outputparm output;

__u8 raw_data[200];

} parm;

};

因為是Camera，所以使用capture. 它是 struct v4l2_captureparm

struct v4l2_captureparm

{

__u32 capability; //是否可以被timeperframe控制幀數。可以則：V4L2_CAP_TIMEPERFRAME

__u32 capturemode; //是否為高清模式。如果是：

則設置為：V4L2_MODE_HIGHQUALITY。 高清模式會犧牲其它信息。通常設置為0。

struct v4l2_fract timeperframe; //幀數。

__u32 extendedmode; //定制的。如果不支持，設置為0

__u32 readbuffers;

__u32 reserved[4];

};

struct v4l2_fract timeperframe; //幀數。

struct v4l2_fract {

__u32 numerator; // 分子。例：1

__u32 denominator; //分母。例：30

};

4.2：設置幀數：

struct v4l2_streamparm Stream_Parm;

memset(&Stream_Parm, 0, sizeof(struct v4l2_streamparm));

Stream_Parm.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

Stream_Parm.parm.capture.timeperframe.denominator =Denominator;;

Stream_Parm.parm.capture.timeperframe.numerator = Numerator;

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_S_PARM, &Stream_Parm);

請注意，哪怕ioctl返回0。也有可能沒設置成功。所以需要再次Get。

當然，哪怕Get發現設置成功。真正抓幀也可能沒那么高。

5. 利用VIDIOC_G_CTRL得到一些設置：

一些具體的設置，如曝光模式(Exposure Type)，曝光值(Exposure)，增益(Gain),白平衡(WHITE_BALANCE),亮度(BRIGHTNESS)，飽和度(SATURATION)，對比度(CONTRAST)等信息。可以通過VIDIOC_G_CTRL得到當前值。

用法：APP 填寫結構體中的id. 通過調用VIDIOC_G_CTRL，driver 會填寫結構體中value項。

struct v4l2_control ctrl;

struct v4l2_control

{

__u32 id;

__s32 value;

};

以曝光模式，曝光，和增益為例;

曝光模式：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_EXPOSURE_AUTO;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_G_CTRL, &ctrl);

ctrl.value 則由Driver填寫。告知當前曝光模式。

有以下幾個選擇：

enum v4l2_exposure_auto_type {

V4L2_EXPOSURE_AUTO = 0,

V4L2_EXPOSURE_MANUAL = 1,

V4L2_EXPOSURE_SHUTTER_PRIORITY = 2,

V4L2_EXPOSURE_APERTURE_PRIORITY = 3

};

exposure_auto (menu) : min=0 max=3 default=3 value=3

V4L2_CID_EXPOSURE_AUTO

enum v4l2_exposure_auto_type

Enables automatic adjustments of the exposure time and/or iris aperture. The effect of manual changes of the exposure time or iris aperture while these features are enabled is undefined, drivers should ignore such requests. Possible values are:

V4L2_EXPOSURE_AUTO	Automatic exposure time, automatic iris aperture.
V4L2_EXPOSURE_MANUAL	Manual exposure time, manual iris.
V4L2_EXPOSURE_SHUTTER_PRIORITY	Manual exposure time, auto iris.
V4L2_EXPOSURE_APERTURE_PRIORITY	Auto exposure time, manual iris.

注意： Sam測試發現，在Linux下，V4L2_EXPOSURE_ATUO並不被Firmware認可，要設置自動曝光，需要設置為： V4L2_EXPOSURE_APERTURE_PRIORITY

曝光：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_EXPOSURE_ABSOLUTE;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_G_CTRL, &ctrl);

同樣，driver填寫ctrl.value. 內容為曝光值。

增益：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_GAIN;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_G_CTRL, &ctrl);

同樣，driver填寫ctrl.value. 內容為增益。

6. 利用VIDIOC_QUERYCTRL 得到設置具體信息：

在很多情況下，我們並不知道如何設置一些信息，例如，曝光應該設置為多少？Driver能夠接受的范圍是多少？最大，最小值是多少？步長是多少？缺省值為多少？

可以通過VIDIOC_QUERYCTRL得到。

咱們還是以增益為例：

struct v4l2_queryctrl Setting;

Setting.id = V4L2_CID_GAIN;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_QUERYCTRL, &Setting);

Driver就會填寫結構體中所有信息。

struct v4l2_queryctrl

{

__u32 id; //用戶設置。指定查找的是哪個ID。

enum v4l2_ctrl_type type;

__u8 name[32]; //ID對應的名字。

__s32 minimum;

__s32 maximum;

__s32 step; //步長

__s32 default_value;

__u32 flags;

__u32 reserved[2];

};

這樣，就知道設置什么值是合法的了。那么，下一步就是設置了。

7. 利用VIDIOC_S_CTRL來設置：

很簡單，設置id和value.調用ioctl就好。

還是以增益為例：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_GAIN;

ctrl.value = Gain;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_S_CTRL, &ctrl);

有時候，硬件設置很奇怪，可以設置某個信息，卻無法得到如何設置的信息。例如：HD-500可以設置增益。卻無法得到該如何設置。

8. 利用擴展Ctrl設置:

焦距(FOUCE);

注1：enum v4l2_field field; 詳解：

附錄1：

V4L2中像素格式：

在videodev2.h中，結構體 v4l2_format中，包含結構體：v4l2_pix_format,

其中包含pixelformat.表示像素格式，我們就研究之。

V4L2_PIX_FMT_RGB565:

每個像素使用2字節(16bit)存儲，其中：

5bit R，6bit G，5bit B

存儲格式如下所示：

低字節高字節

GGGBBBBB RRRRRGGG

RGB565色深等於16，可以表示65536種顏色

V4L2_PIX_FMT_RGB24

每個像素使用3字節(24bit)存儲，其中：

8bit R，8bit G，8bit B

存儲格式如下所示：

低字節高字節

RRRRRRRR GGGGGGGG BBBBBBBB

RGB24色深等於24，可以表示16777216種顏色。24位色深被稱為真彩色，它達到了人眼分辨的極限

V4L2_PIX_FMT_BGR24

每個像素使用3字節(24bit)存儲，其中：

8bit B，8bit G，8bit R

存儲格式如下所示：

低字節高字節

BBBBBBBB GGGGGGGG RRRRRRRR

BGR24色深等於24，可以表示16777216種顏色。

YUV的存儲格式分兩大類：Package(打包)格式和Planar（平面）格式。

Package格式將Y,U,V數據統一存放在一個數組中，通常是幾個相鄰的像素組成一個宏像素(macro-pixel).

Planar格式則是分別使用三個數據存放三個數據。

V4L2_PIX_FMT_YUV420

V4L2_PIX_FMT_YUV420屬於planar格式，Y、U、V三個分量分別存儲在三個平面，使用YUV4:2:0模式進行采樣，該采樣模式下，水平方向的兩個連續像素和垂直方向的兩個連續像素，總共四個像素組成一個宏像素，每個像素使用1.5字節(12bit)存儲，每個宏像素使用6字節(48bit)存儲。

存儲格式如下圖所示：