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三、 V4L2 API及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) V4L2是V4L的升級版本，為linux下視頻設(shè)備程序提供了一套接口規(guī)范。包括一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和底層V4L2驅(qū)動接口。 1、常用的結(jié)構(gòu)體在內(nèi)核目錄include/linux/videodev2.h中定義 struct v4l2_requestbuffers //申請幀緩沖，對應(yīng)命令VIDIOC_REQBUFS struct v4l2_crop //視頻信號矩形邊框 v4l2_std_id //視頻制式 2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定義
VIDIOC_REQBUFS //分配內(nèi)存 VIDIOC_QUERYBUF //把VIDIOC_REQBUFS中分配的數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)換成物理地址 VIDIOC_QUERYCAP //查詢驅(qū)動功能 VIDIOC_ENUM_FMT //獲取當(dāng)前驅(qū)動支持的視頻格式 VIDIOC_S_FMT //設(shè)置當(dāng)前驅(qū)動的頻捕獲格式 VIDIOC_G_FMT //讀取當(dāng)前驅(qū)動的頻捕獲格式 VIDIOC_TRY_FMT //驗證當(dāng)前驅(qū)動的顯示格式 VIDIOC_CROPCAP //查詢驅(qū)動的修剪能力 VIDIOC_S_CROP //設(shè)置視頻信號的矩形邊框 VIDIOC_G_CROP //讀取視頻信號的矩形邊框 VIDIOC_QBUF //把數(shù)據(jù)從緩存中讀取出來 VIDIOC_DQBUF //把數(shù)據(jù)放回緩存隊列 VIDIOC_STREAMON //開始視頻顯示函數(shù) VIDIOC_STREAMOFF //結(jié)束視頻顯示函數(shù) VIDIOC_QUERYSTD //檢查當(dāng)前視頻設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)，例如PAL或NTSC。
3、操作流程 V4L2提供了很多訪問接口，你可以根據(jù)具體需要選擇操作方法。需要注意的是，很少有驅(qū)動完全實現(xiàn)了所有的接口功能。所以在使用時需要參考驅(qū)動源碼，或仔細(xì)閱讀驅(qū)動提供者的使用說明。 下面列舉出一種操作的流程，供參考。 （1）打開設(shè)備文件 int fd = open(Devicename,mode); Devicename：/dev/video0、/dev/video1 …… Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK] 如果使用非阻塞模式調(diào)用視頻設(shè)備，則當(dāng)沒有可用的視頻數(shù)據(jù)時，不會阻塞，而立刻返回。 （2）取得設(shè)備的capability struct v4l2_capability capability； int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability); 看看設(shè)備具有什么功能，比如是否具有視頻輸入特性。 （3）選擇視頻輸入 struct v4l2_input input； ……初始化input int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input); 一個視頻設(shè)備可以有多個視頻輸入。如果只有一路輸入，這個功能可以沒有。 （4）檢測視頻支持的制式 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: //…… } （5）設(shè)置視頻捕獲格式 struct v4l2_format fmt; fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT; fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_UYVY; fmt.fmt.pix.height = height; fmt.fmt.pix.width = width; fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED; ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt); if(ret) { perror("VIDIOC_S_FMT/n"); close(fd); return -1; } （6）向驅(qū)動申請幀緩存 struct v4l2_requestbuffers req; if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) { return -1; } v4l2_requestbuffers結(jié)構(gòu)中定義了緩存的數(shù)量，驅(qū)動會據(jù)此申請對應(yīng)數(shù)量的視頻緩存。多個緩存可以用于建立FIFO，來提高視頻采集的效率。 （7）獲取每個緩存的信息，并mmap到用戶空間 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++) {//映射所有的緩存 memset( &buf, 0, sizeof(buf) ); buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP; buf.index = numBufs; if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {//獲取到對應(yīng)index的緩存信息，此處主要利用length信息及offset信息來完成后面的mmap操作。 return -1; }
buffers[numBufs].length = buf.length; // 轉(zhuǎn)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; }
（8）開始采集視頻 int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE； int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);
（9）取出FIFO緩存中已經(jīng)采樣的幀緩存 struct v4l2_buffer buf; memset(&buf,0,sizeof(buf)); buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP; buf.index=0;//此值由下面的ioctl返回 if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1) { return -1; } 根據(jù)返回的buf.index找到對應(yīng)的mmap映射好的緩存，取出視頻數(shù)據(jù)。 （10）將剛剛處理完的緩沖重新入隊列尾，這樣可以循環(huán)采集 if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) { return -1; } （11）停止視頻的采集 int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type); （12）關(guān)閉視頻設(shè)備 close(fd);
四、 V4L2驅(qū)動框架 上述流程的各個操作都需要有底層V4L2驅(qū)動的支持。內(nèi)核中有一些非常完善的例子。 比如：linux-2.6.26內(nèi)核目錄/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301視頻驅(qū)動代碼。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有實現(xiàn)。 1、V4L2驅(qū)動注冊、注銷函數(shù) Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了注冊函數(shù) int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr) video_device: 要構(gòu)建的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Type: 表示設(shè)備類型，此設(shè)備號的基地址受此變量的影響 Nr: 如果end-base>nr>0 ：次設(shè)備號=base（基準(zhǔn)值，受type影響）+nr； 否則：系統(tǒng)自動分配合適的次設(shè)備號 具體驅(qū)動只需要構(gòu)建video_device結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用注冊函數(shù)既可。 如：zc301_core.c中的 err = video_register_device(cam->v4ldev, VFL_TYPE_GRABBER, video_nr[dev_nr]); Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了注銷函數(shù) void video_unregister_device(struct video_device *vfd)
2、struct video_device 的構(gòu)建 video_device結(jié)構(gòu)包含了視頻設(shè)備的屬性和操作方法。參見zc301_core.c strcpy(cam->v4ldev->name, "ZC0301[P] PC Camera"); cam->v4ldev->owner = THIS_MODULE; cam->v4ldev->type = VID_TYPE_CAPTURE | VID_TYPE_SCALES; cam->v4ldev->fops = &zc0301_fops; cam->v4ldev->minor = video_nr[dev_nr]; cam->v4ldev->release = video_device_release; video_set_drvdata(cam->v4ldev, cam); 大家發(fā)現(xiàn)在這個zc301的驅(qū)動中并沒有實現(xiàn)struct video_device中的很多操作函數(shù)，如：vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl實現(xiàn)了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再實現(xiàn)struct video_device中的那些操作了。 另一種實現(xiàn)方法如下： static struct video_device camif_dev = { .name = "s3c2440 camif", .type = VID_TYPE_CAPTURE|VID_TYPE_SCALES|VID_TYPE_SUBCAPTURE, .fops = &camif_fops, .minor = -1, .release = camif_dev_release, .vidioc_querycap = vidioc_querycap, .vidioc_enum_fmt_cap = vidioc_enum_fmt_cap, .vidioc_g_fmt_cap = vidioc_g_fmt_cap, .vidioc_s_fmt_cap = vidioc_s_fmt_cap, .vidioc_queryctrl = vidioc_queryctrl, .vidioc_g_ctrl = vidioc_g_ctrl, .vidioc_s_ctrl = vidioc_s_ctrl, }; static struct file_operations camif_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = camif_open, .release = camif_release, .read = camif_read, .poll = camif_poll, .ioctl = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */ .mmap = camif_mmap, .llseek = no_llseek, }; 注意：video_ioctl2是videodev.c中是實現(xiàn)的。video_ioctl2中會根據(jù)ioctl不同的cmd來 調(diào)用video_device中的操作方法。 3、Video核心層的實現(xiàn) 參見內(nèi)核/drivers/media/videodev.c （1）注冊256個視頻設(shè)備 static int __init videodev_init(void) { int ret; if (register_chrdev(VIDEO_MAJOR, VIDEO_NAME, &video_fops)) { return -EIO; } ret = class_register(&video_class); …… } 上面的代碼注冊了256個視頻設(shè)備，并注冊了video_class類。video_fops為這256個設(shè)備共同的操作方法。 （2）V4L2驅(qū)動注冊函數(shù)的實現(xiàn)
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr) { int i=0; int base; int end; int ret; char *name_base;
switch(type) //根據(jù)不同的type確定設(shè)備名稱、次設(shè)備號 { case VFL_TYPE_GRABBER: base=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MIN; end=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MAX+1; name_base = "video"; break; case VFL_TYPE_VTX: base=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MIN; end=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MAX+1; name_base = "vtx"; break; case VFL_TYPE_VBI: base=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MIN; end=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MAX+1; name_base = "vbi"; break; case VFL_TYPE_RADIO: base=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MIN; end=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MAX+1; name_base = "radio"; break; default: printk(KERN_ERR "%s called with unknown type: %d/n", __func__, type); return -1; }
/* 計算出次設(shè)備號 */ mutex_lock(&videodev_lock); if (nr >= 0 && nr < end-base) { /* use the one the driver asked for */ i = base+nr; if (NULL != video_device[i]) { mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENFILE; } } else { /* use first free */ for(i=base;i<end;i++) if (NULL == video_device[i]) break; if (i == end) { mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENFILE; } } video_device[i]=vfd; //保存video_device結(jié)構(gòu)指針到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)組中，最終的次設(shè)備號和i相關(guān)。 vfd->minor=i; mutex_unlock(&videodev_lock); mutex_init(&vfd->lock);
/* sysfs class */ memset(&vfd->class_dev, 0x00, sizeof(vfd->class_dev)); if (vfd->dev) vfd->class_dev.parent = vfd->dev; vfd->class_dev.class = &video_class; vfd->class_dev.devt = MKDEV(VIDEO_MAJOR, vfd->minor); sprintf(vfd->class_dev.bus_id, "%s%d", name_base, i - base);//最后在/dev目錄下的名稱 ret = device_register(&vfd->class_dev);//結(jié)合udev或mdev可以實現(xiàn)自動在/dev下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點 …… } 從上面的注冊函數(shù)中可以看出V4L2驅(qū)動的注冊事實上只是完成了設(shè)備節(jié)點的創(chuàng)建，如：/dev/video0。和video_device結(jié)構(gòu)指針的保存。 （3）視頻驅(qū)動的打開過程 當(dāng)用戶空間調(diào)用open打開對應(yīng)的視頻文件時，如： int fd = open(/dev/video0, O_RDWR); 對應(yīng)/dev/video0的文件操作結(jié)構(gòu)是/drivers/media/videodev.c中定義的video_fops。 static const struct file_operations video_fops= { .owner = THIS_MODULE, .llseek = no_llseek, .open = video_open, }; 奇怪吧，這里只實現(xiàn)了open操作。那么后面的其它操作呢？還是先看看video_open吧。 static int video_open(struct inode *inode, struct file *file) { unsigned int minor = iminor(inode); int err = 0; struct video_device *vfl; const struct file_operations *old_fops;
if(minor>=VIDEO_NUM_DEVICES) return -ENODEV; mutex_lock(&videodev_lock); vfl=video_device[minor]; if(vfl==NULL) { mutex_unlock(&videodev_lock); request_module("char-major-%d-%d", VIDEO_MAJOR, minor); mutex_lock(&videodev_lock); vfl=video_device[minor]; //根據(jù)次設(shè)備號取出video_device結(jié)構(gòu) if (vfl==NULL) { mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENODEV; } } old_fops = file->f_op; file->f_op = fops_get(vfl->fops);//替換此打開文件的file_operation結(jié)構(gòu)。后面的其它針對此文件的操作都由新的結(jié)構(gòu)來負(fù)責(zé)了。也就是由每個具體的video_device的fops負(fù)責(zé)。 if(file->f_op->open) err = file->f_op->open(inode,file); if (err) { fops_put(file->f_op); file->f_op = fops_get(old_fops); } …… } 以上是我對V4L2的一些理解，希望能對大家了解V4L2有一些幫助！
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