前言

由于进行linux音视频开发，通常会涉及到音频以及摄像头视频驱动，所以对V4L2以及ALSA驱动框架进行学习，并整理相关的笔记和大家分享！

一、发展历史

  V4L2是Video for linux2的简称,为linux中关于视频设备的内核驱动。在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头在/dev/video*下，如果只有一个视频设备，通常为/dev/video0。

  V4L2在设计时，是要支持很多广泛的设备的，它们之中只有一部分在本质上是真正的视频设备。

  V4L2有一段历史了。大约在1998的秋天，它的光芒第一次出现在Bill Dirks 的眼中。
  经过长足的发展，它于2002年11 月，发布2.5.46 时，融入了内核主干之中。然而直到今天，仍有一部分内核驱动不支持新的API，这种新旧API 的转换工作仍在进行。
  同时，V4L2 API也在发展，并在2.6.18 版本中进行了一些重大的改变。支持V4L2的应用依旧相对较少。V4L2在设计时，是要支持很多广泛的设备的，它们之中只有一部分在本质上是真正的视频设备，可以支持多种设备,它可以有以下几种接口:

1. 视频采集接口(video capture interface):这种应用的设备可以是高频头或者摄像头.V4L2的最初设计就是应用于这种功能的.2. 视频输出接口(video output interface):可以驱动计算机的外围视频图像设备--像可以输出电视信号格式的设备.3. 直接传输视频接口(video overlay interface):它的主要工作是把从视频采集设备采集过来的信号直接输出到输出设备之上,而不用经过系统的CPU.4. 视频间隔消隐信号接口(VBI interface):它可以使应用可以访问传输消隐期的视频信号.5. 收音机接口(radio interface):可用来处理从AM或FM高频头设备接收来的音频流.

二、主要功能

  使程序有发现设备和操作设备的能力,它主要是用一系列的回调函数来实现这些功能。像设置摄像头的频率、帧频、视频压缩格式和图像参数等等。当然也可以用于其他多媒体的开发，如音频等。

  但是此框架只能运行在Linux操作系统之上。

三、编程开发

  v4L2是针对uvc免驱usb设备的编程框架 ，主要用于采集usb摄像头等， 基本开发步骤如下：

1、采集方式

  打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，例如裁剪、缩放等。这一步是可选的。在Linux编程中，一般使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理：

extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, …) __THROW;
__fd：设备的ID，例如刚才用open函数打开视频通道后返回的cameraFd；
__request：具体的命令标志符。
在进行V4L2开发中，一般会用到以下的命令标志符：
VIDIOC_REQBUFS：分配内存
VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP：查询驱动功能
VIDIOC_ENUM_FMT：获取当前驱动支持的视频格式
VIDIOC_S_FMT：设置当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_G_FMT：读取当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_TRY_FMT：验证当前驱动的显示格式
VIDIOC_CROPCAP：查询驱动的修剪能力
VIDIOC_S_CROP：设置视频信号的边框
VIDIOC_G_CROP：读取视频信号的边框
VIDIOC_QBUF：把数据放回缓存队列
VIDIOC_DQBUF：把数据从缓存中读取出来
VIDIOC_STREAMON：开始视频显示函数
VIDIOC_STREAMOFF：结束视频显示函数
VIDIOC_QUERYSTD：检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。
这些IO调用，有些是必须的，有些是可选择的。

2、操作流程（编程步骤）

参考学习：https://blog.csdn.net/u010783226/article/details/122260974

1. 打开设备文件。
int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);

2. 取得设备的capability，看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入,或者音频输入
输出等。VIDIOC_QUERYCAP, struct v4l2_capabilitystruct 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
ID                              描述符
V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE    设备支持捕获功能
V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT     设备支持输出功能
V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY    设备支持预览功能
V4L2_CAP_STREAMING        设备支持流读写
V4L2_CAP_READWRITE        设备支持read、write方式读写
我们可以通过这样子去判断设备的功能
if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)printf("v4l2 dev support capture\\n");if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT)printf("v4l2 dev support output\\n");if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY)printf("v4l2 dev support overlay\\n");if(cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING)printf("v4l2 dev support streaming\\n");if(cap.capabilities & V4L2_CAP_READWRITE)printf("v4l2 dev support read write\\n");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://……
}struct v4l2_capability cap;
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, cap) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_QUERYCAP failed\\n", __func__);return -1;
}

3. 选择视频输入，一个视频设备可以有多个视频输入。
VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input
一个设备可能有多个输入，比如：在芯片上，摄像头控制器和摄像头接口是分离的，需要选择哪一个摄像头接口作为摄像头控制器的输入源当然，并不是所有的设备都需要设置输入，比如：uvc摄像头，一般只有一个输入，默认就会选择，不需要设置下面介绍如何设置输入设备（1）枚举输入设备
下面这段程序枚举了该设备所有的输入源，并打印输入源的名称
struct v4l2_input input;input.index = 0;
while (!ioctl(fd, VIDIOC_ENUMINPUT, &input))
{printf("input:%s\\n", input.name);++input.index;
}（2）设置输入设备
struct v4l2_input input;input.index = index; //指定输入设备if (ioctl(fd, VIDIOC_S_INPUT, &input) < 0)
{printf("ERR(%s):VIDIOC_S_INPUT failed\\n", __func__);return -1;
}

4. 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。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
struct v4l2_format fmt;
/*
v4l2_format 结构如下：
struct v4l2_format
{enum v4l2_buf_type type; // 数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTUREunion{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; // 宽，必须是16 的倍数__u32 height; // 高，必须是16 的倍数__u32 pixelformat; // 视频数据存储类型，例如是YUV 4 ：2 ：2 还是RGBenum v4l2_field field;__u32 bytesperline;__u32 sizeimage;enum v4l2_colorspace colorspace;__u32 priv;
};
*/
样例：
memset ( &fmt, 0, sizeof(fmt) );
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width = 320;
fmt.fmt.pix.height = 240;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_JPEG;
if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) < 0）
{printf("set format failed\\n");//return 0;
}

5. 向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers
struct v4l2_requestbuffers
{__u32 count; // 缓存数量，也就是说在缓存队列里保持多少张照片enum v4l2_buf_type type; // 数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTUREenum v4l2_memory memory; // V4L2_MEMORY_MMAP 或 V4L2_MEMORY_USERPTR__u32 reserved[2];
};样例：
struct v4l2_requestbuffers req;
memset(&req, 0, sizeof (req));
req.count = 4;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
if (ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req) == -1)
{perror("VIDIOC_REQBUFS error \\n");//return -1;
}

6.申请物理内存
将申请到的帧缓冲映射到用户空间，这样就可以直接操作采集到的帧了，而不必去复制。
将申请到的帧缓冲全部入队列，以便存放采集到的数据.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_bufferVideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(VideoBuffer) );
printf("sizeof(VideoBuffer) is %d\\n",sizeof(VideoBuffer));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;if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) < 0){printf("VIDIOC_QUERYBUF error\\n");//return -1;}printf("buf len is %d\\n",sizeof(buf));//内存映射buffers[numBufs].length = buf.length;buffers[numBufs].offset = (size_t) buf.m.offset;buffers[numBufs].start = mmap (NULL, buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);printf("buffers.length = %d,buffers.offset = %d ,buffers.start[0] = %d\\n",buffers[numBufs].length,buffers[numBufs].offset,buffers[numBufs].start[0]);printf("buf2 len is %d\\n",sizeof(buffers[numBufs].start));if (buffers[numBufs].start == MAP_FAILED){perror("buffers error\\n");//return -1;}if (ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf) < 0){printf("VIDIOC_QBUF error\\n");//return -1;}
}

7. 开始视频的采集。
enum v4l2_buf_type type;
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;if (ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type) < 0)
{printf("VIDIOC_STREAMON error\\n");// return -1;
}出队列以取得已采集数据的帧缓冲，取得原始采集数据。VIDIOC_DQBUF, 将缓冲重新
入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF
if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) < 0)
{perror("VIDIOC_DQBUF failed.\\n");//return -1;
}
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;unsigned char *ptcur = buffers[numBufs].start;
printf("buf.bytesused = %d \\n",buf.bytesused);
int i1;
for(i1=0; i1<buf.bytesused; i1++)
{if((buffers[numBufs].start[i1] == 0x000000FF) && (buffers[numBufs].start[i1+1] == 0x000000C4)){printf("Huffman table finded! \\nbuf.bytesused = %d\\nFFC4 = %d \\n",buf.bytesused,i1);break;}
}if(i1 == buf.bytesused)printf("huffman table don't exist! \\n");
int i;
for(i=0; i<buf.bytesused; i++)
{if((buffers[numBufs].start[i] == 0x000000FF) && (buffers[numBufs].start[i+1] == 0x000000D8)) break;ptcur++;
}printf("i=%d,FF=%02x,D8=%02x\\n",i,buffers[numBufs].start[i],buffers[numBufs].start[i+1]);
int imagesize =buf.bytesused - i;
printf("buf.bytesused = %d \\n",buf.bytesused);
printf("imagesize = %d \\n",imagesize);

8. 停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF
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;
}

9. close(fd)关闭视频设备，munmap解除内存映射，释放资源。

  了解V4L2的来源以及基本操作后，下一篇文章将介绍V4L2的驱动框架，敬请期待.

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