V4l2视频输出实现流程

Posted 2023-03-23 逍遥說

实现功能

设备侧获取摄像头传感器的数据，通过UVC协议传给上位机。同时，上位机发送控制命令给设备侧。

参考源码：https://github.com/wlhe/uvc-gadget

1. 概念

UVC：是一种USB视频设备驱动。用来支持USB视频设备，凡是USB接口的摄像头都能够支持

V4L2：是Linux下视频采集和输出框架。用来统一接口，向应用层提供API

UVC和V4L2关系： V4L2就是用来管理UVC设备的并且能够提供视频相关的一些应用程序接口。在Linux系统上有很多的开源软件能够支持V4L2。常见的有FFmpeg、opencv、Skype、Mplayer等等。

2. 具体流程

2.1 打开video设备

Linux一切皆文件，首先打开视频数据要输出的设备文件，假如为/dev/video18

dev->fd = open("/dev/video18", O_RDWR | O_NONBLOCK);

以非阻塞的方式打开设备文件。启动时，驱动会先把缓存里初始化数据通过设备输出到上位机，然后等待视频数据填充缓存。

2.2 获取video设备的属性

struct v4l2_capability cap;

ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);

使用 VIDIOC_QUERYCAP 命令来获得当前设备的各个属性，查看设备对各项功能的支持程度，这里主要关注if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT) ，即这个设备是否具备 video output 的功能。

2.3 其他配置

2.3.1设备输出格式fmt查询

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;

fmtdesc.index = 0; //查询格式序号

fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc)；

用VIDIOC_ENUM_FMT来列举设备所支持的所有image格式

2.3.2 获取修剪能力cropcap，设置输出景象crop

获取：

struct v4l2_cropcap cropcap;

memset(&cropcap, 0, sizeof(cropcap));

cropcap.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_CROPCAP, &cropcap)；//查询驱动的修剪能力

设置：

struct v4l2_crop crop;

crop.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

crop.c.top = g_display_top; // 0

crop.c.left = g_display_left; // 0

crop.c.width = g_display_width; // 显示宽度

crop.c.height = g_display_height; // 显示高度

ioctl(dev->fd, VIDIOC_S_CROP, &crop)；

2.3.3 输出视频格式fmt设置

struct v4l2_format fmt;

memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));

fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

fmt.fmt.pix.width= g_in_width;

fmt.fmt.pix.height= g_in_height;

fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_UYVY;

fmt.fmt.pix.bytesperline = g_in_width;

fmt.fmt.pix.priv = 0;

fmt.fmt.pix.sizeimage = 0;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);

ioctl(dev->fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);

设置视频设备的视频数据格式，例如设置视频图像数据的长、宽，图像格式（JPEG、YUYV格式）

如果该视频设备驱动不支持你所设定的图像格式，视频驱动会重新修改struct v4l2_format结构体变量的值为该视频设备所支持的图像格式，所以在程序设计中，设定完所有的视频格式后，要获取实际的视频格式，要重新读取struct v4l2_format结构体变量

2.4 初始化并订阅UVC事件

2.4.1 初始化流控制 probe 和 commit 数据结构

uvc_streaming_control probe；

uvc_streaming_control commit；

数据结构uvc_streaming_control：

​

2.4.2 订阅事件

struct v4l2_event_subscription sub;

memset(&sub, 0, sizeof sub);

sub.type = UVC_EVENT_CONNECT;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT, &sub);

sub.type = UVC_EVENT_DISCONNECT;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT, &sub);

sub.type = UVC_EVENT_SETUP;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT, &sub);

sub.type = UVC_EVENT_DATA;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT, &sub);

sub.type = UVC_EVENT_STREAMON;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT, &sub);

sub.type = UVC_EVENT_STREAMOFF;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT, &sub);

将UVC事件的connect、disconnect、setup、data、streamon、streamoff，通过VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT设置到驱动里(也可以说注册，订阅)，上位机通过UVC事件与v4l2进行交互。

2.5 while循环等待事件触发

fd_set efds;

FD_ZERO(&efds);

FD_SET(dev->fd, &efds);

ret = select(dev->fd + 1, NULL, NULL, &efds, &tv);

阻塞，等待efds信号

struct v4l2_event v4l2_event;

struct uvc_event *uvc_event = (void *)&v4l2_event.u.data;

ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_DQEVENT, &v4l2_event);

当有订阅的事件到来时，触发efds信号，并获取事件信息。

2.6 主要事件处理

2.6.1 UVC_EVENT_SETUP

处理host请求的UVC_EVENT_SETUP事件：分标准USB命令和class类命令

USB_TYPE_STANDARD: 不处理，这部分驱动只需响应，不需要额外信息

USB_TYPE_CLASS: class类命令又分control和streaming，就是UVC协议相关的两个接口VC和VS。

1）VS接口处理（参考函数：uvc_events_process_streaming）

流控制命令：（参考 UVC 1.5 Class specification 4.3 节）

​

参数说明：

• bmRequestType 请求类型，参考标准USB协议
• bRequest 子类，定义在 Table A-8
• CS ，Control Selector ，定义在 Table A-16 ，例如是probe 还是 commit
• wIndex 高字节为0，低字节为接口号
• wLength 和 Data 和标准USB协议一样，为数据长度和数据

参数设置的过程需要主机和USB设备进行协商， 协商的过程大致如下图所示：

​

流程说明：

1. Host 先将期望的设置发送给USB设备(PROBE)
2. 设备将Host期望设置在自身能力范围之内进行修改，返回给Host(PROBE)
3. Host 认为设置可行的话，Commit 提交(COMMIT)
4. 设置接口的当前设置为某一个设置

2）VC接口处理（参考函数：uvc_events_process_control）

VC 接口内部有许多 unit 和 terminal 用来控制摄像头，比如我们可以通过 Process unit 设置白平衡、曝光等等。

参考结构定义：

struct uvc_camera_terminal camera_terminal;

struct uvc_processing_unit processing_unit;

2.6.2 UVC_EVENT_DATA

处理host请求的UVC_EVENT_DATA事件：传递参数信息

VS命令：probe和commit

VC命令：曝光、白平衡，亮度，对比度等等

根据请求，update本地的参数。

2.6.3 UVC_EVENT_STREAMON

处理host请求的UVC_EVENT_STREAMON事件：配置缓存空间，视频流传输启动

1）配置缓存空间

操作系统一般把系统使用的内存划分成用户空间和内核空间，分别由应用程序管理和操作系统管理。应用程序可以直接访问内存的地址，而内核空间存放的是供内核访问的代码和数据，用户不能直接访问。

V4l2缓存的数据，是存放在内核空间的，这意味着用户不能直接访问该段内存，必须通过某些手段来转换地址。主要采用内存映射方式和用户指针模式。

内存映射方式：把设备里的内存映射到应用程序中的内存空间，直接处理设备内存。

用户指针模式：内存片段由应用程序自己分配。这点需要在v4l2_requestbuffers里将memory字段设置成V4L2_MEMORY_USERPTR。

struct v4l2_requestbuffers 

__u32 count;

__u32 type; /* enum v4l2_buf_type */

__u32 memory; /* enum v4l2_memory */

__u32 reserved[2];

;

count: 要申请的buffer的数量

memory：要么是 V4L2_MEMORY_MMAP，要么是V4L2_MEMORY_USERPTR

这里主要讲V4L2_MEMORY_USERPTR模式：

a. 向驱动申请视频流数据的帧缓冲区.

struct v4l2_requestbuffers rb;

memset(&rb, 0, sizeof rb);

rb.count = nbufs;

rb.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

rb.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;//V4L2_MEMORY_MMAP;

ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_REQBUFS, &rb);

b. 用户申请内存片段，并加入到输出缓存队列中

struct v4l2_buffer buf;

for (i = 0; i < dev->nbufs; ++i)



    memset(&buf, 0, sizeof buf);

    buf.index = i;

    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

    buf.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;

    buf.length = MAX_BUFFER_SIZE;

    buf.m.userptr = (unsigned long)dev->dummy_buf[i].start;//用户空间

    ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_QBUF, &buf);

控制命令VIDIOC_QBUF逐一将buf投放到输出缓存队列尾部。申请若干个帧缓冲区，nbufs一般为不少于3个。

注意：测试验证用户申请的空间dev->dummy_buf[i].start要初始化为0，否则无法正常传输视频数据

v4l2_buffer 数据结构：

__u32 index; // 应用程序来设定，仅仅用来申明是哪个 buffer

__u32 type;

__u32 bytesused; //buffer 中已经使用的 byte 数，如果是 input stream 由 driver 来设 定，相反则由应用程序来设定

__u32 flags; // 定义了 buffer 的一些标志位，来表明这个 buffer 处在哪个队列，比如输入 队列或者输出队列 (V4L2_BUF_FLAG_QUEUED ,V4L2_BUF_FLAG_DONE) ， 是否 关键帧等等

__u32 memory; //V4L2_MEOMORY_MMAP ／ V4L2_MEMORY_USERPTR ／ V4L2_MEMORY_OVERLAY

union m :

__u32 offset; // 当 memory 类型是 V4L2_MEOMORY_MMAP 的时候，主要用来表明 buffer 在 device momory 中相对起始位置的偏移，主要用在 mmap() 参数 中，对应用程序没有左右

unsigned long userptr; // 当 memory 类型是 V4L2_MEMORY_USERPTR 的时候，这是 一个指向虚拟内存中 buffer 的指针，由应用程序来设定。

__u32 length; //buffer 的 size

在驱动内部管理 着两个 buffer queues ，一个输入队列，一个输出队列。

对于 capture device 来说，当输入队列中的 buffer 被塞满数据以后会自动变为输出队列，等待调用 VIDIOC_DQBUF 将数据进行处理以后重新调用VIDIOC_QBUF 将 buffer 重新放进输入队列；

对于 output device 来说 buffer 被显示（或读走）后自动变为输出队列。等待调用 VIDIOC_DQBUF ，buffer被塞满数据后调用VIDIOC_QBUF 将 buffer 重新放进输入队列；

2）开始视频流数据的采集。

int type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

ioctl (fd_v4l, VIDIOC_STREAMON, &type)

2.6.4 UVC_EVENT_STREAMOFF

处理host的UVC_EVENT_STREAMOFF请求

a. 停止视频流输出

int type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

ioctl(dev->fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type);

b. 释放内核缓存

nbufs = 0;//设置为0

memset(&rb, 0, sizeof rb);

rb.count = nbufs;

rb.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

rb.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;//V4L2_MEMORY_MMAP;

ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_REQBUFS, &rb);

2.7 视频数据输出

2.7.1 while循环等待写准备信号

a. 当有wfds信号到来时，表示可以对输出队列进行写操作

ret = select(dev->fd + 1, NULL, &wfds, NULL, &tv);//&wfds

if(ret > 0)



    ret = uvc_video_process(dev);

b. 从视频缓冲区中的输出队列取得一个可写的缓冲区，并将视频数据copy到该缓冲区。

struct v4l2_buffer buf;

memset(&buf, 0, sizeof buf);

buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;

buf.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;//V4L2_MEMORY_MMAP;

buf.length = MAX_BUFFER_SIZE;

ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);

uvc_video_fill_buffer(dev, &buf);

c. 将该缓冲区重新投放到视频缓冲区的输入队列中，等待被上位机读取或显示。

ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_QBUF, &buf);

2.8 结束关闭视频设备

close(dev->fd);

free(dev->mem); //释放用户申请的内存