V4L2应用程序框架

V4L2 较V4L 有较大的改动,并已成为2.6 的标准接口,函盖video/dvb/FM... ,多数驱动都在向V4l2 迁移。更好地了解V4L2 先从应用入手,然后再深入到内核中结合物理设备/ 接口的规范实现相应的驱动。本文主要介绍V4L2 在视频捕捉或camera 方面的应用框架。

    V4L2 采用流水线的方式,操作更简单直观,基本遵循打开视频设备、设置格式、处理数据、关闭设备,更多的具体操作通过ioctl 函数来实现。

1. 打开视频设备

在V4L2 中,视频设备被看做一个文件。使用open 函数打开这个设备:

// 用非阻塞模式打开摄像头设备
int cameraFd;
cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);
// 
如果用阻塞模式打开摄像头设备,上述代码变为:
//cameraFd = open("/dev/video0", O_RDWR, 0);

应用程序能够使用阻塞模式或非阻塞模式打开视频设备,如果使用非阻塞模式调用视频设备,即使尚未捕获到信息,驱动依旧会把缓存(DQBUFF )里的东西返回给应用程序。

2. 设定属性及采集方式

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:

  int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, .../*args*/) ;

在进行V4L2 开发中,常用的命令标志符如下(some are optional) :

  • 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 :把数据从缓存中读取出来
  • VIDIOC_DQBUF :把数据放回缓存队列
  • 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 。

2.1 检查当前视频设备支持的标准

在亚洲,一般使用PAL (720X576 )制式的摄像头,而欧洲一般使用NTSC (720X480 ),使用VIDIOC_QUERYSTD 来检测:

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:
        //……
}

2.2 设置视频捕获格式

当检测完视频设备支持的标准后,还需要设定视频捕获格式,结构如下:

struct v4l2_format fmt;

memset ( &fmt, 0, sizeof(fmt) );
fmt.type                
= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width       = 720;
fmt.fmt.pix.height      = 576;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED;
if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) == -1) {
  return -1;
}

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_CAPTURE 
    union
    {
        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YUV4 :2 :2 还是RGB
    enum v4l2_field         field;
    __u32                   bytesperline;    
    __u32                   sizeimage;
    enum v4l2_colorspace    colorspace;
    __u32                   priv;       
};

2.3 分配内存

接下来可以为视频捕获分配内存:

struct v4l2_requestbuffers  req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
  return -1;
}

v4l2_requestbuffers 
 结构如下:
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_CAPTURE 
    enum v4l2_memory    memory; // V4L2_MEMORY_MMAP 或 V4L2_MEMORY_USERPTR
    __u32               reserved[2];
};

2.4 获取并记录缓存的物理空间

使用VIDIOC_REQBUFS ,我们获取了req.count 个缓存,下一步通过调用VIDIOC_QUERYBUF 命令来获取这些缓存的地址,然后使用mmap 函数转换成应用程序中的绝对地址,最后把这段缓存放入缓存队列:

typedef struct VideoBuffer {
   
  void   *start;
    size_t  length;
} VideoBuffer;

VideoBuffer*          buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );
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;
    // 
读取缓存
    
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
        return -1;
    }

    buffers[numBufs].length = buf.length;
    // 转换成相对地址
    buffers[numBufs].start = mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE,
        MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);

    if (buffers[numBufs].start == MAP_FAILED) {
        return -1;
    }

    // 放入缓存队列
    if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
        return -1;
    }
}

2.5 视频采集方式

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 捕获的数据,最初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。

一共有三种视频采集方式:使用read 、write 方式;内存映射方式和用户指针模式。

read 、write 方式,在用户空间和内核空间不断拷贝数据,占用了大量用户内存空间,效率不高。

内存映射方式:把设备里的内存映射到应用程序中的内存控件,直接处理设备内存,这是一种有效的方式。上面的mmap 函数就是使用这种方式。

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 。

2.6 处理采集数据

V4L2 有一个数据缓存,存放req.count 数量的缓存数据。数据缓存采用FIFO 的方式,当应用程序调用缓存数据时,缓存队列将最先采集到的视频数 据缓存送出,并重新采集一张视频数据。这个过程需要用到两个ioctl 命令,VIDIOC_DQBUF 和VIDIOC_QBUF :

struct v4l2_buffer buf;
memset(&buf,0,sizeof(buf));
buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index=0;

//
 读取缓存
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
    
return -1;
}
//………… 视频处理算法
// 重新放入缓存队列
if (ioctl(cameraFd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {

    return -1;
}

 

3. 关闭视频设备

使用close 函数关闭一个视频设备

close(cameraFd)

如果使用mmap, 最后还需要使用munmap 方法。

### 光流法C++源代码解析与应用 #### 光流法原理 光流法是一种在计算机视觉领域中用于追踪视频序列中运动物体的方法。它基于亮度不变性假设,即场景中的点在时间上保持相同的灰度值,从而通过分析连续帧之间的像素变化来估计运动方向和速度。在数学上,光流场可以表示为像素位置和时间的一阶导数,即Ex、Ey(空间梯度)和Et(时间梯度),它们共同构成光流方程的基础。 #### C++实现细节 在给定的C++源代码片段中,`calculate`函数负责计算光流场。该函数接收一个图像缓冲区`buf`作为输入,并初始化了几个关键变量:`Ex`、`Ey`和`Et`分别代表沿x轴、y轴和时间轴的像素强度变化;`gray1`和`gray2`用于存储当前帧和前一帧的平均灰度值;`u`则表示计算出的光流矢量大小。 #### 图像处理流程 1. **初始化和预处理**:`memset`函数被用来清零`opticalflow`数组,它将保存计算出的光流数据。同时,`output`数组被填充为白色,这通常用于可视化结果。 2. **灰度计算**:对每一像素点进行处理,计算其灰度值。这里采用的是RGB通道平均值的计算方法,将每个像素的R、G、B值相加后除以3,得到一个近似灰度值。此步骤确保了计算过程的鲁棒性和效率。 3. **光流向量计算**:通过比较当前帧和前一帧的灰度值,计算出每个像素点的Ex、Ey和Et值。这里值得注意的是,光流向量的大小`u`是通过`Et`除以`sqrt(Ex^2 + Ey^2)`得到的,再乘以10进行量化处理,以减少计算复杂度。 4. **结果存储与阈值处理**:计算出的光流值被存储在`opticalflow`数组中。如果`u`的绝对值超过10,则认为该点存在显著运动,因此在`output`数组中将对应位置标记为黑色,形成运动区域的可视化效果。 5. **状态更新**:通过`memcpy`函数将当前帧复制到`prevframe`中,为下一次迭代做准备。 #### 扩展应用:Lukas-Kanade算法 除了上述基础的光流计算外,代码还提到了Lukas-Kanade算法的应用。这是一种更高级的光流计算方法,能够提供更精确的运动估计。在`ImgOpticalFlow`函数中,通过调用`cvCalcOpticalFlowLK`函数实现了这一算法,该函数接受前一帧和当前帧的灰度图,以及窗口大小等参数,返回像素级别的光流场信息。 在实际应用中,光流法常用于目标跟踪、运动检测、视频压缩等领域。通过深入理解和优化光流算法,可以进一步提升视频分析的准确性和实时性能。 光流法及其C++实现是计算机视觉领域的一个重要组成部分,通过对连续帧间像素变化的精细分析,能够有效捕捉和理解动态场景中的运动信息
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