深入学习Linux内核之v4l2应用编程(二)

2024-05-14 22:12
文章标签 linux 学习 应用 深入 编程 内核 v4l2

本文主要是介绍深入学习Linux内核之v4l2应用编程(二)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一，用户空间访问v4l2设备步骤

V4L2（Video for Linux 2）是Linux中关于视频设备的内核驱动，它使得Linux系统能够支持视频设备，如摄像头。对于Camera V4L2的应用编程，一般遵循以下步骤：

1，打开设备：
使用open()函数打开视频设备文件，通常位于/dev/videoX（X为设备编号，如0、1等）。
2，查询设备功能：
使用ioctl()函数和VIDIOC_QUERYCAP命令来查询设备的功能和属性，如是否支持视频捕获、是否支持流I/O等。
3，设置图像格式：
使用ioctl()函数和VIDIOC_ENUM_FMT、VIDIOC_S_FMT等命令来设置视频捕获的格式，如分辨率、颜色空间等。
4， 设置缓存：
使用ioctl()函数和VIDIOC_REQBUFS命令来请求一定数量的帧缓冲区（buffers），并可能需要使用mmap()函数将内核空间的帧缓冲区映射到用户空间。
5，开始捕获：
如果设备支持流I/O，可以使用ioctl()函数和VIDIOC_STREAMON命令开始视频捕获。
6，读取数据：
通过之前映射的帧缓冲区地址，可以直接访问捕获的视频帧数据。也可以使用read()函数从设备文件中读取数据，但这通常不是首选方法，因为效率较低。
7，停止捕获：
使用ioctl()函数和VIDIOC_STREAMOFF命令停止视频捕获。
8，关闭设备：
使用close()函数关闭视频设备文件。
9， 释放资源：
如果之前使用了mmap()映射了帧缓冲区，需要使用munmap()函数来取消映射。

在编程过程中，可能还需要考虑其他因素，如错误处理、多线程/多进程同步、内存管理等。同时，由于V4L2 API的复杂性和设备驱动的不同实现，具体的编程步骤和细节可能会有所不同。因此，在实际编程时，建议参考相关的文档和示例代码。

二、v4l2 API介绍

查询设备的功能

由于V4L2涵盖了各种各样的设备，因此并非API的所有方面都适用于所有类型的设备，在使用v4l2设备时，必须调用此API，获得设备支持的功能（capture、output、overlay…）
在这里插入图片描述
图像格式

图像由多种格式YUV和RGB还有压缩格式等等，其中每种格式又分有多种格式，比如RGB：RGB565、RGB888…

所以在使用设备时，需要对格式进行设置
在这里插入图片描述图像裁剪、插入与缩放
在这里插入图片描述数据的输入和输出

内核中使用缓存队列对图像数据进行管理，用户空间获取图像数据有两种方式，一种是通过read、write方式读取内核空间的缓存，一种是将内核空间的缓存映射到用户空间。在操作v4l2设备时，通过VIDIOC_QUERYCAP获取设备支持哪种方式
在这里插入图片描述ioctl API就先介绍到这里，还有非常多的接口这里就不一一介绍了，具体可以查看V4L2 Function Reference

三、v4l2设备操作流程

V4L2支持多种接口：capture(捕获)、output(输出)、overlay(预览)等等

这里讲解如何使用capture功能，下面讲解操作流程
step1：打开设备

在Linux中，视频设备节点为/dev/videox，使用open函数将其打开

int fd = open(name, flag);
if(fd < 0)
{printf("ERR(%s):failed to open %s\n", __func__, name);return -1;
}return fd;

step 2：查询设备功能

if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, cap) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_QUERYCAP failed\n", __func__);return -1;
}

看一看v4l2_capability

struct v4l2_capability {__u8	driver[16];	/* i.e. "bttv" */__u8	card[32];	/* i.e. "Hauppauge WinTV" */__u8	bus_info[32];	/* "PCI:" + pci_name(pci_dev) */__u32   version;        /* should use KERNEL_VERSION() */__u32	capabilities;	/* Device capabilities */__u32	reserved[4];
};

其中最重要的是capabilities字段，这个字段标记着v4l2设备的功能，capabilities有以下部分标记位
在这里插入图片描述step 3：设置图像格式

有的摄像头支持多种像素格式，有的摄像头只支持一种像素格式，在设置格式之前，要先枚举出所有的格式，看一看是否支持要设置的格式，然后再进一步设置

1.枚举支持的像素格式

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmtdesc.index = 0;while (!ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc))
{printf("fmt:%s\n", fmtdesc.description);fmtdesc.index++;
}

2.设置像素格式

struct v4l2_format v4l2_fmt;memset(&v4l2_fmt, 0, sizeof(struct v4l2_format));
v4l2_fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 
v4l2_fmt.fmt.pix.width = width; //宽度
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) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_S_FMT failed\n", __func__);return -1;
}

step 4：设置缓存

v4l2设备读取数据的方式有两种，一种是read方式，一种是streaming方式，具体需要看step 2的返回结果是支持V4L2_CAP_READWRITE还是V4L2_CAP_STREAMING

read方式很容易理解，就是通过read函数读取，那么streaming是什么意思呢？

streaming就是在内核空间中维护一个缓存队列，然后将内存映射到用户空间，应用读取图像数据就是一个不断地出队列和入队列的过程，如下图所示
在这里插入图片描述
下面讲解如何去申请和映射缓存

1.申请缓存

struct v4l2_requestbuffers req;req.count = nr_bufs; //缓存数量
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_REQBUFS failed\n", __func__);return -1;
}

2.映射缓存

为什么要映射缓存？

因为如果使用read方式读取的话，图像数据是从内核空间拷贝会应用空间，而一副图像的数据一般来讲是比较大的，所以效率会比较低。而如果使用映射的方式，讲内核空间的内存应用到用户空间，那么用户空间读取数据就想在操作内存一样，不需要经过内核空间到用户空间的拷贝，大大提高效率

映射缓存需要先查询缓存信息，然后再使用缓存信息进行映射，下面是一个例子

struct v4l2_buffer v4l2_buffer;
void* addr;memset(&v4l2_buffer, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));
v4l2_buffer.index = i; //想要查询的缓存
v4l2_buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
v4l2_buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;/* 查询缓存信息 */
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &v4l2_buffer);
if(ret < 0)
{printf("Unable to query buffer.\n");return -1;
}/* 映射 */
addr = mmap(NULL /* start anywhere */ ,v4l2_buffer.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd, v4l2_buffer.m.offset);

注：需要将所有申请的缓存使用上述方法进行映射

3.将所有的缓存放入队列

struct v4l2_buffer v4l2_buffer;for(i = 0; i < nr_bufs; i++)
{memset(&v4l2_buffer, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));v4l2_buffer.index = i; //想要放入队列的缓存v4l2_buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;v4l2_buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;	ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buffer);if(ret < 0){printf("Unable to queue buffer.\n");return -1;}
}

step 5：打开设备

enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;if (ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_STREAMON failed\n", __func__);return -1;
}

step 7：读取数据

获取图像数据其实就是一个不断地入队列和出队列地过程
出队列

struct v4l2_buffer buffer;buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buffer) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_DQBUF failed, dropped frame\n", __func__);return -1;
}

出队列后得到了缓存的下标buffer.index，然后找到对饮的缓存，通过映射过后的地址进行数据的读取

入队列

再数据读取完成后，要将buf重新放入队列中

struct v4l2_buffer v4l2_buf;v4l2_buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
v4l2_buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
v4l2_buf.index = i; //指定bufif (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buf) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_QBUF failed\n", __func__);return -1;
}

读取数据就是在上面一直不断地循环

step 7：关闭设备

1.关闭设备

enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;if (ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_STREAMOFF failed\n", __func__);return -1;
}

2.取消映射

for(i = 0; i < nr_bufs; ++i)munmap(buf[i].addr, buf[i]->length);

3.关闭文件描述符

close(fd);

四，uvc camera v4l2应用编程参考代码
当使用V4L2 (Video for Linux 2) API来编程与UVC (USB Video Class) 摄像头交互时，你可以参考以下的基本代码框架。请注意，这只是一个简化的示例，用于说明基本的编程步骤，并且可能需要根据你的具体需求进行调整。

首先，你需要包含必要的头文件，并定义一些常用的错误处理宏：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/ioctl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <linux/videodev2.h>  #define CLEAR(x) memset(&(x), 0, sizeof(x))  
#define ERROR_HANDLER(ret, fmt, ...) \  do { \  if (ret < 0) { \  fprintf(stderr, "Error at %s:%d, %s\n  -> ", __FILE__, __LINE__, fmt); \  perror(NULL); \  exit(EXIT_FAILURE); \  } \  } while (0)

接下来是主程序框架，它打开设备、设置参数、捕获数据，并最后关闭设备：

int main(int argc, char **argv) {  struct v4l2_capability cap;  struct v4l2_format fmt;  struct v4l2_requestbuffers req;  enum v4l2_buf_type type;  struct v4l2_buffer buf;  unsigned int i;  int fd = -1;  void *buffers[4];  // 打开设备  fd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);  if (fd == -1) {  perror("open");  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 查询设备能力  CLEAR(cap);  ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap), "VIDIOC_QUERYCAP");  // 确保设备支持视频捕获  if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)) {  fprintf(stderr, "%s is no video capture device\n", argv[0]);  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 设置视频格式（这里只是一个示例，需要根据你的摄像头支持的格式来设置）  CLEAR(fmt);  fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  fmt.fmt.pix.width = 640;  fmt.fmt.pix.height = 480;  fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV; // 或者其他支持的格式  fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;  ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt), "VIDIOC_S_FMT");  // 请求缓冲区  CLEAR(req);  req.count = 4;  req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;  ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req), "VIDIOC_REQBUFS");  // 映射缓冲区  for (i = 0; i < req.count; ++i) {  CLEAR(buf);  buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;  buf.index = i;  ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf), "VIDIOC_QUERYBUF");  buffers[i] = mmap(NULL /* start anywhere */,  buf.length,  PROT_READ | PROT_WRITE, /* required */  MAP_SHARED /* recommended */,  fd, buf.m.offset);  if (buffers[i] == MAP_FAILED) {  perror("mmap");  exit(EXIT_FAILURE);  }  }  // 开始捕获  enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;  ERROR_HANDLER(ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type), "VIDIOC_STREAMON");  // 在这里添加循环来捕获和处理数据

暂时分析到这里，后续在更新！

这篇关于深入学习Linux内核之v4l2应用编程(二)的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/989996。

相关文章

Java中的Lambda表达式及其应用小结

Java中的Lambda表达式及其应用小结

《Java中的Lambda表达式及其应用小结》Java中的Lambda表达式是一项极具创新性的特性,它使得Java代码更加简洁和高效,尤其是在集合操作和并行处理方面,：本文主要介绍Java中的La... 目录前言1. 什么是Lambda表达式？2. Lambda表达式的基本语法例子1：最简单的Lambda表
阅读更多...
Linux命令之firewalld的用法

Linux命令之firewalld的用法

《Linux命令之firewalld的用法》：本文主要介绍Linux命令之firewalld的用法,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录linux命令之firewalld1、程序包2、启动firewalld3、配置文件4、firewalld规则定义的九大
阅读更多...
Linux之计划任务和调度命令at/cron详解

Linux之计划任务和调度命令at/cron详解

《Linux之计划任务和调度命令at/cron详解》：本文主要介绍Linux之计划任务和调度命令at/cron的使用,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录linux计划任务和调度命令at/cron一、计划任务二、命令{at}介绍三、命令语法及功能 :at
阅读更多...
Linux下如何使用C++获取硬件信息

Linux下如何使用C++获取硬件信息

《Linux下如何使用C++获取硬件信息》这篇文章主要为大家详细介绍了如何使用C++实现获取CPU,主板,磁盘,BIOS信息等硬件信息,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以了解下... 目录方法获取CPU信息：读取"/proc/cpuinfo"文件获取磁盘信息：读取"/proc/diskstats"文
阅读更多...
Python结合PyWebView库打造跨平台桌面应用

Python结合PyWebView库打造跨平台桌面应用

《Python结合PyWebView库打造跨平台桌面应用》随着Web技术的发展,将HTML/CSS/JavaScript与Python结合构建桌面应用成为可能,本文将系统讲解如何使用PyWebView... 目录一、技术原理与优势分析1.1 架构原理1.2 核心优势二、开发环境搭建2.1 安装依赖2.2 验
阅读更多...
Java字符串操作技巧之语法、示例与应用场景分析

Java字符串操作技巧之语法、示例与应用场景分析

《Java字符串操作技巧之语法、示例与应用场景分析》在Java算法题和日常开发中,字符串处理是必备的核心技能,本文全面梳理Java中字符串的常用操作语法,结合代码示例、应用场景和避坑指南,可快速掌握字... 目录引言1. 基础操作1.1 创建字符串1.2 获取长度1.3 访问字符2. 字符串处理2.1 子字
阅读更多...
Linux内核参数配置与验证详细指南

Linux内核参数配置与验证详细指南

《Linux内核参数配置与验证详细指南》在Linux系统运维和性能优化中,内核参数（sysctl）的配置至关重要,本文主要来聊聊如何配置与验证这些Linux内核参数,希望对大家有一定的帮助... 目录1. 引言2. 内核参数的作用3. 如何设置内核参数3.1 临时设置（重启失效）3.2 永久设置（重启仍生效
阅读更多...
kali linux 无法登录root的问题及解决方法

kali linux 无法登录root的问题及解决方法

《kalilinux无法登录root的问题及解决方法》：本文主要介绍kalilinux无法登录root的问题及解决方法,本文给大家介绍的非常详细,对大家的学习或工作具有一定的参考借鉴价值,... 目录kali linux 无法登录root1、问题描述1.1、本地登录root1.2、ssh远程登录root2、
阅读更多...
shell编程之函数与数组的使用详解

shell编程之函数与数组的使用详解

《shell编程之函数与数组的使用详解》：本文主要介绍shell编程之函数与数组的使用,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录shell函数函数的用法俩个数求和系统资源监控并报警函数函数变量的作用范围函数的参数递归函数shell数组获取数组的长度读取某下的
阅读更多...
SpringShell命令行之交互式Shell应用开发方式

SpringShell命令行之交互式Shell应用开发方式

《SpringShell命令行之交互式Shell应用开发方式》本文将深入探讨SpringShell的核心特性、实现方式及应用场景,帮助开发者掌握这一强大工具,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如... 目录引言一、Spring Shell概述二、创建命令类三、命令参数处理四、命令分组与帮助系统五、自定
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2