V4l2视频输出实现流程(转)

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本文详细介绍了如何利用UVC协议在Linux环境下，通过V4L2接口实现摄像头传感器数据的实时传输，并控制设备接受上位机指令，包括设备打开、属性配置、事件监听和数据处理等关键步骤。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

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(我用这个)、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 命令来获得设备的各个属性及对各项功能的支持程度，这里主要关注 V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT ，即 video output 的功能。

2.3 其他配置

2.3.1 查询设备输出格式fmtdes

struct v4l2_fmtdesc fmtdes;
fmtdes.index = 0;    // 查询格式序号
fmtdes.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
ioctl(dev->fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdes);

使用 VIDIOC_ENUM_FMT 命令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 设置输出视频格式fmt

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，例如视频图像数据的宽、高、图像格式（JPEG、YUYV等）。

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，设置完所有的视频格式后，要获取实际的视频格式，即要重新读取 struct v4l2_format 结构体。

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;

uvc_streaming_control 的结构体成员：

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 命令设置到驱动里(或者说注册/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 事件分为：标准USB命令和 class类命令。

标准USB命令 (USB_TYPE_STANDARD): 不处理。这部分驱动只需响应，不需要额外信息。

class类命令 (USB_TYPE_CLASS): 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): 是 probe 还是 commit。定义在 Table A-16。
wIndex: 高字节为0，低字节为接口号。
wLength 和 Data: 数据长度和数据。和标准USB协议一样。

参数设置的过程需要主机和USB设备进行协商。协商过程大致如下图所示：

流程说明：

-> Host 先将期望的设置发送给USB设备(PROBE)；
-> 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)；
-> Host 认为设置可行的话，Commit 提交(COMMIT)；
-> 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）

struct uvc_camera_terminal camera_terminal;
struct uvc_processing_unit processing_unit;

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。

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当前的参数。

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，存放在内核空间。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 (mmap)：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 (userptr)：内存片段由应用程序自己分配。这点需要在 struct v4l2_requestbuffers 里将 memory 字段设置成 V4L2_MEMORY_USERPTR。

v4l2_requestbuffers 结构体成员：

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数量。

memory: V4L2_MEMORY_MMAP 或 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 reqbufs;
memset(&reqbufs, 0, sizeof reqbufs);
reqbufs.count  = nbufs;
reqbufs.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
reqbufs.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;
ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_REQBUFS, &reqbufs);

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);
}

通过 VIDIOC_QBUF 命令逐一将 buf 推到输出缓存队列尾部。申请若干个帧缓冲区，通常 nbufs 不少于3个。

注意：测试验证用户申请的空间地址 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 结构体成员：

struct v4l2_buffer {
    __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（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2个缓存队列，一个输入队列，一个输出队列。

对于 capture 类型的设备来说，当输入队列中的 buffer 被塞满数据后会自动变为输出队列，等待调用 VIDIOC_DQBUF 命令将数据进行处理以后，重新调用 VIDIOC_QBUF 命令，将 buffer 重新放进输入队列。

对于 output 类型的设备来说，当 buffer 中的数据被读走后会自动变为输入队列，等待调用 VIDIOC_DQBUF 命令，buffer 被塞满数据后，调用 VIDIOC_QBUF 命令将 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(&reqbufs, 0, sizeof(reqbufs));
reqbufs.count  = nbufs; 
reqbufs.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT; 
reqbufs.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;
ret = ioctl(dev->fd, VIDIOC_REQBUFS, &reqbufs);

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;
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

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