Linux 下 V4L2 摄像头驱动开发与应用编程详解**|dc的house

引言

在 Linux 系统中，摄像头等视频类设备的开发和应用编程通常基于 Video4Linux2 (V4L2) 框架。V4L2 是 Linux 内核中为视频类设备提供的一套统一的驱动框架和接口规范，使得开发者可以方便地编写摄像头驱动程序，并通过标准化的接口实现应用程序的开发。本文将详细介绍 V4L2 的基本概念、编程模式以及具体的代码实现，帮助读者快速掌握 V4L2 的应用。

什么是 V4L2？

V4L2 是 Video for Linux Two 的简称，是 Linux 内核中视频类设备的一套驱动框架。它为视频类设备的驱动开发和应用程序提供了一套统一的接口规范，使得开发者无需关心底层硬件的具体实现细节，只需按照 V4L2 的接口规范进行开发即可。

视频类设备

视频类设备包括但不限于以下几种：

视频采集设备：如各种摄像头（USB 摄像头、嵌入式摄像头等）。
视频输出设备：如视频编码器。
视频处理设备：如视频滤波器、图像处理器等。

在 Linux 系统中，使用 V4L2 设备驱动框架注册的设备会在 /dev/ 目录下生成对应的设备节点文件，通常命名为 videoX（如 video0、video1 等）。每个 videoX 设备文件代表一个视频类设备，应用程序通过对这些设备文件进行 I/O 操作 来配置和使用设备。

V4L2 摄像头应用程序编程模式

对于摄像头设备的应用程序开发，V4L2 提供了一套标准的编程模式，具体步骤如下：

打开摄像头设备。
查询设备的属性或功能。
设置设备的参数（如像素格式、帧大小、帧率等）。
申请帧缓冲，并将内核缓存映射到用户空间。
将帧缓冲加入内核队列。
开启视频采集。
从内核队列中取出帧缓冲，处理采集到的视频数据。
处理完成后，将帧缓冲重新加入队列，继续采集。
结束采集，释放资源。

以下将结合代码详细讲解每个步骤的实现。

V4L2 摄像头应用程序开发详解

1. 打开摄像头设备

摄像头设备在 Linux 系统中以设备文件的形式存在，通常位于 /dev/ 目录下，如 /dev/video0。应用程序通过 open() 系统调用打开设备文件。

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    const char *device = "/dev/video0";
    int video_fd = open(device, O_RDWR);  // 以读写方式打开设备
    if (video_fd == -1) {
        perror("打开设备失败");
        return -1;
    }
    // 其他操作...
    close(video_fd);  // 关闭设备
    return 0;
}

2. 查询设备的属性或功能

使用 VIDIOC_QUERYCAP 命令查询设备的功能，确认设备是否支持视频捕获。

#include <linux/videodev2.h>

struct v4l2_capability cap;
if (ioctl(video_fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) == -1) {
    perror("查询设备功能失败");
    close(video_fd);
    return -2;
}
if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)) {
    fprintf(stderr, "设备不支持视频捕获\n");
    close(video_fd);
    return -3;
}

3. 设置设备的参数

通过 VIDIOC_S_FMT 命令设置视频流的格式，包括像素格式、帧大小等。

struct v4l2_format format;
format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
format.fmt.pix.width = 640;
format.fmt.pix.height = 480;
format.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;  // YUYV 格式
format.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_NONE;

if (ioctl(video_fd, VIDIOC_S_FMT, &format) == -1) {
    perror("设置视频格式失败");
    close(video_fd);
    return -4;
}

4. 申请帧缓冲并映射到用户空间

通过 VIDIOC_REQBUFS 命令申请帧缓冲，并使用 mmap 将内核缓存映射到用户空间。

#include <sys/mman.h>

struct v4l2_requestbuffers req;
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.count = 4;  // 申请 4 个帧缓冲
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

if (ioctl(video_fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
    perror("申请帧缓冲失败");
    close(video_fd);
    return -5;
}

char *userbuff[req.count];
size_t userbuff_length[req.count];

for (int i = 0; i < req.count; i++) {
struct v4l2_buffer buffer;
buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buffer.index = i;
buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

; i < req.count; i++) {
    struct v4l2_buffer buffer;
    buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buffer.index = i;
    buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

    if (ioctl(video_fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buffer) == -1) {
        perror("查询帧缓冲信息失败");
        close(video_fd);
        return -6;
    }

    userbuff[i] = (char *)mmap(NULL, buffer.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, video_fd, buffer.m.offset);
    if (userbuff[i] == MAP_FAILED) {
        perror("内存映射失败");
        close(video_fd);
        return -7;
    }
    userbuff_length[i] = buffer.length;

    // 将帧缓冲加入内核队列
    if (ioctl(video_fd, VIDIOC_QBUF, &buffer) == -1) {
        perror("帧缓冲入队失败");
        close(video_fd);
        return -8;
    }
}

5. 开启视频采集

使用 VIDIOC_STREAMON 命令启动视频流采集。

int type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (ioctl(video_fd, VIDIOC_STREAMON, &type) == -1) {
    perror("启动视频流失败");
    close(video_fd);
    return -9;
}

6. 从内核队列中取出帧缓冲并处理数据

通过 VIDIOC_DQBUF 命令从内核队列中取出帧缓冲，处理视频数据，完成后将其重新加入队列。

while (1) {
    struct v4l2_buffer buffer;
    buffer.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buffer.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

    if (ioctl(video_fd, VIDIOC_DQBUF, &buffer) == -1) {
        perror("帧缓冲出队失败");
        break;
    }

    // 处理视频数据（例如保存到文件或显示）
    process_video_data(userbuff[buffer.index], buffer.length);

    // 将帧缓冲重新加入队列
    if (ioctl(video_fd, VIDIOC_QBUF, &buffer) == -1) {
        perror("帧缓冲重新入队失败");
        break;
    }
}

7. 结束采集并释放资源

使用 VIDIOC_STREAMOFF 命令停止视频流采集，并释放资源。

if (ioctl(video_fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type) == -1) {
    perror("停止视频流失败");
}

for (int i = 0; i < req.count; i++) {
    munmap(userbuff[i], userbuff_length[i]);  // 取消内存映射
}

close(video_fd);  // 关闭设备