基于V4l2的USB摄像头视频采集原理

2016/11/25 嵌入式Linux

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Video for Linuxtwo(Video4Linux2)简称V4L2,是V4L的改进版。V4L2是linux操作系统下用于采集图片、视频和音频数据的API接口,配合适当的视频采集设备和相应的驱动程序,可以实现图片、视频、音频等的采集。在远程会议、可视电话、视频监控系统和嵌入式多媒体终端中都有广泛的应用。

在Linux下,所有外设都被看成一种特殊的文件,成为”设备文件”,可以象访问普通文件一样对其进行读写。一般来说,采用V4L2驱动的摄像头设备文件是/dev/video0。V4L2支持两种方式来采集图像:内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)。V4L2在include/linux/videodev.h文件中定义了一些重要的数据结构,在采集图像的过程中,就是通过对这些数据的操作来获得最终的图像数据。Linux系统V4L2的能力可在Linux内核编译阶段配置,默认情况下都有此开发接口。

而摄像头所用的主要是capature了,视频的捕捉,具体linux的调用可以参考下图。

这里写图片描述

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:

这里写图片描述

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。

这里写图片描述

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。

这里写图片描述

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