基于Linux3.4.2，自己做一点儿视频信息采集及网络传输的小实验，边做边学，一些基础知识同步整理。。。。。
1. 定义
V4L2(Video For Linux Two) 是内核提供给应用程序访问音、视频驱动的统一接口。V4L2 的相关定义包含在头文件<linux/videodev2.h> 中.
2. 工作流程：
打开设备－> 检查和设置设备属性－> 设置帧格式－> 设置一种输入输出方法（缓冲 区管理）－> 循环获取数据－> 关闭设备。
3.设备打开和关闭
//打开 #include <fcntl.h> int open(const char *device_name, int flags); //关闭 #include <unistd.h> int close(int fd);
实验使用UVC摄像头，插入后自动生成设备“/dev/vedio0”,打开关闭实例如下
int fd = open("/dev/video0",O_RDWR); close(fd);
4. 查询设备属性： VIDIOC_QUERYCAP
函数使用：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_capability *argp);
v4l2相关结构体定义：
struct v4l2_capability { u8 driver[16]; // 驱动名字 u8 card[32]; // 设备名字 u8 bus_info[32]; // 设备在系统中的位置 u32 version;// 驱动版本号 u32 capabilities;// 设备支持的操作 u32 reserved[4]; // 保留字段 };
capabilities 常用值:
V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE // 是否支持图像获取
例：显示设备信息
struct v4l2_capability cap; ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap); printf(“Driver Name:%s Card Name:%s Bus info:%s Driver Version:%u.%u.%u ”,cap.driver,cap.card,cap.bus_info,cap.capabilities);
5. 设置视频的制式和帧格式
制式包括PAL，NTSC，帧的格式个包括宽度和高度等。
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp); int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_format *argp);
相关结构体：
struct v4l2_format { enum v4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置 union fmt { struct v4l2_pix_format pix; // 视频设备使用 struct v4l2_window win; struct v4l2_vbi_format vbi;struct v4l2_sliced_vbi_format sliced; u8 raw_data[200]; }; };
v4l2_format 结构体用来设置摄像头的视频制式、帧格式等，在设置这个参数时应先填 好 v4l2_format 的各个域，如 type（传输流类型），fmt.pix.width(宽)，
fmt.pix.heigth(高)，fmt.pix.field(采样区域，如隔行采样)，fmt.pix.pixelformat(采样类型，如 YUV4:2:2)，然后通过 VIDIO_S_FMT 操作命令设置视频捕捉格式。
v4l2_cropcap 结构体用来设置摄像头的捕捉能力，在捕捉上视频时应先先设置v4l2_cropcap 的 type 域，再通过 VIDIO_CROPCAP 操作命令获取设备捕捉能力的参数，保存于 v4l2_cropcap 结构体中，包括 bounds（最大捕捉方框的左上角坐标和宽高），defrect（默认捕捉方框的左上角坐标和宽高）等。
5.1 查询并显示所有支持的格式：VIDIOC_ENUM_FMT
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_fmtdesc *argp);
v4l2_fmtdesc结构体定义：
struct v4l2_fmtdesc { u32 index;// 要查询的格式序号，应用程序设置 enum v4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置 u32 flags;// 是否为压缩格式 u8 description[32]; // 格式名称 u32 pixelformat;// 格式 u32 reserved[4]; // 保留 };
例：显示所有支持的格式
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc; fmtdesc.index=0; fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; printf("Support format: "); while(ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc) != -1) { printf(" %d.%s ",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description); fmtdesc.index++; }
5.2 查看或设置当前格式： VIDIOC_G_FMT, VIDIOC_S_FMT
检查是否支持某种格式：VIDIOC_TRY_FMT
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_format *argp);
v4l2_format结构体定义
struct v4l2_format { enum v4l2_buf_type type; // 帧类型，应用程序设置 union fmt { struct v4l2_pix_format pix; // 视频设备使用 struct v4l2_window win; struct v4l2_vbi_format vbi;struct v4l2_sliced_vbi_format sliced; u8 raw_data[200]; }; }; struct v4l2_pix_format { u32 width;// 帧宽，单位像素 u32 height;// 帧高，单位像素 u32 pixelformat;// 帧格式 enum v4l2_field field; u32 bytesperline; u32 sizeimage; enum v4l2_colorspace colorspace; u32 priv; };
例：显示当前帧的相关信息
struct v4l2_format fmt;
fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);
printf("Current data format information:
%d
height:%d
",fmt.fmt.pix.width,fmt.fmt.pix.height);
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
fmtdesc.index=0;
fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
{
if(fmtdesc.pixelformat & fmt.fmt.pix.pixelformat)
{
printf(" format:%s
",fmtdesc.description);
break;
}
fmtdesc.index++;
}
例：检查是否支持某种帧格式(如RGB32)
struct v4l2_format fmt;
fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB32;
if(ioctl(fd,VIDIOC_TRY_FMT,&fmt)==-1)
if(errno==EINVAL)
printf("not support format RGB32! ");
6. 图像的缩放 VIDIOC_CROPCAP
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_cropcap *argp); int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_crop *argp); int ioctl(int fd, int request, const struct v4l2_crop *argp);
相关结构体：
Cropping 和 scaling 主要指的是图像的取景范围及图片的比例缩放的支持。Crop 就 是把得到的数据作一定的裁剪和伸缩，裁剪可以只取样我们可以得到的图像大小的一部分， 剪裁的主要参数是位置、长度、宽度。而 scale 的设置是通过 VIDIOC_G_FMT 和 VIDIOC_S_FMT 来获得和设置当前的 image 的长度，宽度来实现的。看下图
我们可以假设 bounds 是 sensor 最大能捕捉到的图像范围，而 defrect 是设备默认 的最大取样范围，这个可以通过 VIDIOC_CROPCAP 的 ioctl 来获得设备的 crap 相关的属 性 v4l2_cropcap，其中的 bounds 就是这个 bounds，其实就是上限。每个设备都有个默 认的取样范围，就是 defrect，就是 default rect 的意思，它比 bounds 要小一些。这 个范围也是通过 VIDIOC_CROPCAP 的 ioctl 来获得的 v4l2_cropcap 结构中的 defrect 来表示的，我们可以通过 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP 来获取和设置设备当前的 crop 设置。
6.1 设置设备捕捉能力的参数
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_cropcap *argp);
v4l2_cropcap结构体定义：
struct v4l2_cropcap { enum v4l2_buf_type type; // 数据流的类型，应用程序设置 struct v4l2_rect bounds; // 这是 camera 的镜头能捕捉到的窗口大小的局限 struct v4l2_rect defrect; // 定义默认窗口大小，包括起点位置及长,宽的大小，大小以像素为单位 struct v4l2_fract pixelaspect; // 定义了图片的宽高比 };
6.2 设置窗口取景参数 VIDIOC_G_CROP 和 VIDIOC_S_CROP
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_crop *argp); int ioctl(int fd, int request, const struct v4l2_crop *argp);
相关结构体：
struct v4l2_crop { enum v4l2_buf_type type;// 应用程序设置 struct v4l2_rect c; }
7.video Inputs and Outputs
VIDIOC_G_INPUT 和 VIDIOC_S_INPUT 用来查询和选则当前的 input，一个 video 设备 节点可能对应多个视频源，比如 saf7113 可以最多支持四路 cvbs 输入，如果上层想在四 个cvbs视频输入间切换，那么就要调用 ioctl(fd, VIDIOC_S_INPUT, &input) 来切换。
VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回当前的 video input和output的index.
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_input *argp);
v4l2_input结构体定义：
struct v4l2_input { __u32 index;/* Which input*/ __u8 name[32]; /* Label*/ __u32 type;/* Type of input*/ __u32 audioset;/* Associated audios (bitfield)*/ __u32 tuner;/* Associated tuner*/ v4l2_std_id std; __u32 status; __u32 reserved[4]; };
我们可以通过VIDIOC_ENUMINPUT and VIDIOC_ENUMOUTPUT 分别列举一个input或者 output的信息，我们使用一个v4l2_input结构体来存放查询结果，这个结构体中有一个 index域用来指定你索要查询的是第几个input/ouput,如果你所查询的这个input是当前正 在使用的，那么在v4l2_input还会包含一些当前的状态信息，如果所 查询的input/output 不存在，那么回返回EINVAL错误，所以，我们通过循环查找，直到返回错误来遍历所有的 input/output. VIDIOC_G_INPUT and VIDIOC_G_OUTPUT 返回当前的video input和output 的index.
例： 列举当前输入视频所支持的视频格式
struct v4l2_input input; struct v4l2_standard standard; memset (&input, 0, sizeof (input)); //首先获得当前输入的 index,注意只是 index，要获得具体的信息，就的调用列举操作 if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_INPUT, &input.index)) { perror (”VIDIOC_G_INPUT”); exit (EXIT_FAILURE); } //调用列举操作，获得 input.index 对应的输入的具体信息 if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input)) { perror (”VIDIOC_ENUM_INPUT”); exit (EXIT_FAILURE); } printf (”Current input%s supports: ”, input.name); memset (&standard, 0, sizeof (standard)); standard.index = 0; //列举所有的所支持的 standard，如果 standard.id 与当前 input 的 input.std 有共同的
//bit flag，意味着当前的输入支持这个 standard,这样将所有驱动所支持的 standard 列举一个 //遍，就可以找到该输入所支持的所有 standard 了。 while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) { if (standard.id & input.std) printf (”%s ”, standard.name); standard.index++; } /* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception.*/ if (errno != EINVAL || standard.index == 0) { perror (”VIDIOC_ENUMSTD”); exit (EXIT_FAILURE); }
8. Video standards
相关函数：
v4l2_std_id std_id; //这个就是个64bit得数 int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_standard *argp);
v4l2_standard结构体定义：
typedef u64 v4l2_std_id; struct v4l2_standard { u32 index; v4l2_std_id id; u8 name[24]; struct v4l2_fract frameperiod; /* Frames, not fields */ u32 framelines; u32 reserved[4]; };
当然世界上现在有多个视频标准，如NTSC和PAL，他们又细分为好多种，那么我们的设 备输入/输出究竟支持什么样的标准呢？我们的当前在使用的输入和输出正在使用的是哪 个标准呢？我们怎么设置我们的某个输入输出使用的标准呢？这都是有方法的。
查询我们的输入支持什么标准，首先就得找到当前的这个输入的index，然后查出它的 属性，在其属性里面可以得到该输入所支持的标准，将它所支持的各个标准与所有的标准 的信息进行比较，就可以获知所支持的各个标准的属性。一个输入所支持的标准应该是一 个集合，而这个集合是用bit与的方式用一个64位数字表示。因此我们所查到的是一个数字。
Example： Information about the current video standard v4l2_std_id std_id; //这个就是个64bit得数
struct v4l2_standard standard; // VIDIOC_G_STD就是获得当前输入使用的standard，不过这里只是得到了该标准的id // 即flag，还没有得到其具体的属性信息，具体的属性信息要通过列举操作来得到。 if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_STD, &std_id)) { //获得了当前输入使用的standard // Note when VIDIOC_ENUMSTD always returns EINVAL this is no video device // or it falls under the USB exception, and VIDIOC_G_STD returning EINVAL // is no error. perror (”VIDIOC_G_STD”); exit (EXIT_FAILURE); } memset (&standard, 0, sizeof (standard)); standard.index= 0; //从第一个开始列举 // VIDIOC_ENUMSTD用来列举所支持的所有的video标准的信息，不过要先给standard // 结构的index域制定一个数值，所列举的标 准的信息属性包含在standard里面， // 如果我们所列举的标准和std_id有共同的bit，那么就意味着这个标准就是当前输 // 入所使用的标准，这样我们就得到了当前输入使用的标准的属性信息 while (0 == ioctl (fd, VIDIOC_ENUMSTD, &standard)) { if (standard.id & std_id) { printf (”Current video standard:%s ”, standard.name); exit (EXIT_SUCCESS); } standard.index++; } /* EINVAL indicates the end of the enumeration, which cannot be empty unless this device falls under the USB exception.*/ if (errno == EINVAL || standard.index == 0) { perror (”VIDIOC_ENUMSTD”); exit (EXIT_FAILURE); }
9. 申请和管理缓冲区
应用程序和设备有三种交换数据的方法，直接 read/write、内存映射(memory mapping)和用户指针。这里只讨论内存映射(memory mapping)。
9.1 向设备申请缓冲区 VIDIOC_REQBUFS
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);
相关结构体：
struct v4l2_requestbuffers { u32 count;// 缓冲区内缓冲帧的数目 enum v4l2_buf_type type; // 缓冲帧数据格式 enum v4l2_memory memory; // 区别是内存映射还是用户指针方式 u32 reserved[2]; };
注：enum v4l2_memoy
{
V4L2_MEMORY_MMAP, V4L2_MEMORY_USERPTR
};
//count,type,memory 都要应用程序设置
例：申请一个拥有四个缓冲帧的缓冲区
struct v4l2_requestbuffers req; req.count=4; req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP; ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req);
9.2 获取缓冲帧的地址，长度：VIDIOC_QUERYBUF
相关函数：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);
相关结构体：
struct v4l2_buffer { u32 index;//buffer 序号 enum v4l2_buf_type type; //buffer 类型 u32 byteused;//buffer 中已使用的字节数 u32 flags;// 区分是MMAP 还是USERPTR enum v4l2_field field; struct timeval timestamp; // 获取第一个字节时的系统时间 struct v4l2_timecode timecode; u32 sequence;// 队列中的序号 enum v4l2_memory memory; //IO 方式，被应用程序设置 union m { u32 offset;// 缓冲帧地址，只对MMAP 有效 unsignedlong userptr; }; u32 length;// 缓冲帧长度 u32 input; u32 reserved; };
9.3 内存映射MMAP 及定义一个结构体来映射每个缓冲帧。
相关结构体：
struct buffer { void* start; unsigned int length; }*buffers;
相关函数：
#include <sys/mman.h> void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
//addr 映射起始地址，一般为NULL ，让内核自动选择
//length 被映射内存块的长度
//prot 标志映射后能否被读写，其值为PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE, PROT_NONE
//flags 确定此内存映射能否被其他进程共享，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE
//fd,offset, 确定被映射的内存地址 返回成功映射后的地址，不成功返回MAP_FAILED ((void*)-1)
相关函数：
int munmap(void *addr, size_t length);// 断开映射
//addr 为映射后的地址，length 为映射后的内存长度
例：将四个已申请到的缓冲帧映射到应用程序，用buffers 指针记录。
buffers = (buffer*)calloc (req.count, sizeof (*buffers)); if (!buffers) { // 映射 fprintf (stderr,"Out of memory/n"); exit (EXIT_FAILURE); } for (unsigned int n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) { struct v4l2_buffer buf; memset(&buf,0,sizeof(buf)); buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; buf.memory= V4L2_MEMORY_MMAP; buf.index= n_buffers; // 查询序号为n_buffers 的缓冲区，得到其起始物理地址和大小 if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf)) exit(-1); buffers[n_buffers].length= buf.length; // 映射内存 buffers[n_buffers].start=mmap (NULL,buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE ,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset); if (MAP_FAILED == buffers[n_buffers].start) exit(-1); }
10. 缓冲区处理好之后，就可以开始获取数据了
10.1 启动 或 停止数据流 VIDIOC_STREAMON， VIDIOC_STREAMOFF
int ioctl(int fd, int request, const int *argp);
//argp 为流类型指针，如V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE.
10.2 在开始之前，还应当把缓冲帧放入缓冲队列：
VIDIOC_QBUF// 把帧放入队列
VIDIOC_DQBUF// 从队列中取出帧
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);
例：把四个缓冲帧放入队列，并启动数据流
unsigned int i; enum v4l2_buf_type type; for (i = 0; i < 4; ++i) // 将缓冲帧放入队列 { struct v4l2_buffer buf; buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; buf.memory= V4L2_MEMORY_MMAP; buf.index= i; ioctl (fd, VIDIOC_QBUF,&buf); } type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON,&type); // 这有个问题，这些buf 看起来和前面申请的buf 没什么关系，为什么呢?
例：获取一帧并处理
struct v4l2_buffer buf; CLEAR (buf); buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; buf.memory= V4L2_MEMORY_MMAP; ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF,&buf); // 从缓冲区取出一个缓冲帧 process_image (buffers[buf.index.]start);// ioctl (fdVIDIOC_QBUF&buf); //