USB摄像头驱动配置及V4L2编程

2023-05-16

1、摄像头驱动开发

1.1 摄像头软件系统架构

摄像头系统架构分为四层：
摄像头、支持V4L2的摄像头驱动、V4L2核心、应用程序。

V4L2核心是Linux系统自带的组件，它可以屏蔽摄像头驱动层的差异，不管底层的摄像头有什么差异，上层应用统一调用V4L2来实现对摄像头的操作。因此驱动程序和应用程序都需要遵循V4L2规范

1.2 摄像头驱动使能

#make menuconfig ARCH=arm

找到Device Drivers->Multimedia support,把Video for Linux和Video capture adaptes选上
进入Video capture adaptes，选中并进入V4L USB devices，选并中进入GSPCA based webcams，选中对应的摄像头驱动，如果是免驱的USB摄像头则勾选UVC即可

编译内核
#make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
拷贝uImage到/tftpboot/目录下

下载并启动linux内核：

往开发板上插入摄像头后，会弹出相应提示，同时使用ls /dev/可以查看是否有vedio的驱动文件，如果有则说明驱动开发成功。

2、V4L2编程

这部分转自http://blog.csdn.net/eastmoon502136/article/details/8190262

2.1 介绍

应用程序通过V4L2进行视频采集的原理

V4L2支持内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)来采集数据，前者一般用于连续视频数据的采集，后者常用于静态图片数据的采集，本文重点讨论内存映射方式的视频采集。

应用程序通过V4L2接口采集视频数据分为五个步骤：

首先，打开视频设备文件，进行视频采集的参数初始化，通过V4L2接口设置视频图像的采集窗口、采集的点阵大小和格式;

其次，申请若干视频采集的帧缓冲区，并将这些帧缓冲区从内核空间映射到用户空间，便于应用程序读取/处理视频数据;

第三，将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列排队，并启动视频采集;

第四，驱动开始视频数据的采集，应用程序从视频采集输出队列取出帧缓冲区，处理完后，将帧缓冲区重新放入视频采集输入队列，循环往复采集连续的视频数据;

第五，停止视频采集。

具体的程序实现流程可以参考下面的流程图:

其实其他的都比较简单，就是通过ioctl这个接口去设置一些参数。最主要的就是buf管理。他有一个或者多个输入队列和输出队列。

启动视频采集后，驱动程序开始采集一帧数据，把采集的数据放入视频采集输入队列的第一个帧缓冲区，一帧数据采集完成，也就是第一个帧缓冲区存满一帧数据后，驱动程序将该帧缓冲区移至视频采集输出队列，等待应用程序从输出队列取出。驱动程序接下来采集下一帧数据，放入第二个帧缓冲区，同样帧缓冲区存满下一帧数据后，被放入视频采集输出队列。

应用程序从视频采集输出队列中取出含有视频数据的帧缓冲区，处理帧缓冲区中的视频数据，如存储或压缩。

最后，应用程序将处理完数据的帧缓冲区重新放入视频采集输入队列,这样可以循环采集，如图所示。

每一个帧缓冲区都有一个对应的状态标志变量，其中每一个比特代表一个状态

　　V4L2_BUF_FLAG_UNMAPPED 0B0000

　　V4L2_BUF_FLAG_MAPPED 0B0001

　　V4L2_BUF_FLAG_ENQUEUED 0B0010

　　V4L2_BUF_FLAG_DONE 0B0100

　　缓冲区的状态转化如图所示。

下面的程序注释的很好，就拿来参考下：

2.2函数介绍

1. 定义

V4L2(Video ForLinux Two) 是内核提供给应用程序访问音、视频驱动的统一接口。

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. 设备的打开和关闭：

#include<fcntl.h>

int open(constchar *device_name, int flags);

#include <unistd.h>

int close(intfd);

例：

[html] view plain copy

int fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR);// 打开设备
close(fd);// 关闭设备

注意：V4L2 的相关定义包含在头文件<linux/videodev2.h>中.

4. 查询设备属性： VIDIOC_QUERYCAP

3、实例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <getopt.h>           
#include <fcntl.h>            
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <malloc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
 
#include <asm/types.h>        
#include <linux/videodev2.h>
  
struct buffer {
        void *                  start;
        size_t                  length;
};
 
struct buffer *buffers;
unsigned long  n_buffers;
unsigned long file_length;

int file_fd;
char *dev_name = "/dev/video0";
int fd;

static int read_frame (void)
{
     struct v4l2_buffer buf;
     
     /*帧出列*/
     buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
     buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
     ioctl (fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);

     write(file_fd,buffers[buf.index].start,buffers[buf.index].length);
     
     /*buf入列*/
     ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);

     return 1;
}
 
int main (int argc,char ** argv)
{
     struct v4l2_capability cap;
     struct v4l2_format fmt;
     struct v4l2_requestbuffers req;
     struct v4l2_buffer buf; 
     unsigned int i;
     enum v4l2_buf_type type;
     
     
     file_fd = open("test.jpg", O_RDWR | O_CREAT, 0777);
    
     fd = open (dev_name, O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);

     /*获取驱动信息*/
      ioctl (fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);
      printf("Driver Name:%s\n Card Name:%s\n Bus info:%s\n\n",cap.driver,cap.card,cap.bus_info);
          
     /*设置图像格式*/
     fmt.type                = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
     fmt.fmt.pix.width       = 320;
     fmt.fmt.pix.height      = 240;
     fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED;
     fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_MJPEG;

     ioctl (fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) ;
      
     /*申请图像缓冲区*/
     req.count               = 4;
     req.type                = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
     req.memory              = V4L2_MEMORY_MMAP;
     ioctl (fd, VIDIOC_REQBUFS, &req);
   
     
     buffers = calloc (req.count, sizeof (*buffers));
    
  
     for (n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers)
     { 
           /*获取图像缓冲区的信息*/
           buf.type        = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
           buf.memory      = V4L2_MEMORY_MMAP;
           buf.index       = n_buffers;
 
           ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf); 
             
           buffers[n_buffers].length = buf.length; 
           
           // 把内核空间中的图像缓冲区映射到用户空间
          buffers[n_buffers].start = mmap (NULL ,    //通过mmap建立映射关系
                                        buf.length,
                                        PROT_READ | PROT_WRITE ,
                                        MAP_SHARED ,
                                        fd,
                                        buf.m.offset);
     }

        
     /*图像缓冲入队*/ 
       
       for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
       {
               buf.type        = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
               buf.memory      = V4L2_MEMORY_MMAP;
               buf.index       = i; 
               ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf);
               
       }
    
    //开始捕捉图像数据  
    type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type);


   fd_set fds;

   FD_ZERO (&fds);
   FD_SET (fd, &fds);

   select(fd + 1, &fds, NULL, NULL, NULL);
   
   /*读取一幅图像*/
   read_frame();

   for (i = 0; i < n_buffers; ++i)
      munmap (buffers[i].start, buffers[i].length);   

 

   close (fd);
   close (file_fd);
   printf("Camera Done.\n");


   return 0;
}