V4L2 API详解 2 Camera详细设置

作者： Sam (甄峰)  sam_code@hotmail.com

Camera的可设置项极多，V4L2 支持了不少。但Sam之前对这些设置的用法和涵义都是在看videodev2.h中边看边理解，感觉非常生涩。直到写这篇blog时，才发现v4l2有专门的SPEC来说明：

http://www.linuxtv.org/downloads/legacy/video4linux/API/V4L2_API/spec-single/v4l2.html

但也基本没有时间仔细看了。先把自己看头文件看出的一些东西记录在这里吧。

以实际设置过程为顺序谈谈V4L2 设置。

1. 查询V4L2 功能集：VIDIOC_QUERYCAP

struct v4l2_capability cap;

int rel = 0;

ioctl(Handle, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);

使用ioctl VIDIOC_QUERYCAP 来查询当前driver是否合乎规范。因为V4L2要求所有driver 和Device都支持这个Ioctl。 所以，可以通过这个ioctl是否成功来判断当前设备和dirver 是否支持V4L2规范。当然，这样同时还能够得到设备足够的能力信息。

struct v4l2_capability

{

 __u8 driver[16];   //驱动名。

 __u8 card[32];     // Device名

 __u8 bus_info[32];  //在Bus系统中存放位置

 __u32 version;      //driver 版本

 __u32 capabilities;  //能力集

 __u32 reserved[4];

};

能力集中包含：

V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE 0x00000001     The device supports the Video    Capture interface.

V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT   0x00000002     The device supports the Video    Output interface.

V4L2_CAP_VIDEO_OVERLAY 0x00000004     The device supports the Video    Overlay interface.

A video overlay device typically stores captured images directly in the video memory   of a graphics card,with hardware clipping and scaling.

V4L2_CAP_VBI_CAPTURE     0x00000010 The device supports the Raw  VBI Capture interface, providing Teletext and Closed Caption   data.

V4L2_CAP_VBI_OUTPUT     0x00000020      The device supports the Raw  VBI Output interface.

V4L2_CAP_SLICED_VBI_CAPTURE  0x00000040 The device supports the Sliced VBI Capture interface.

V4L2_CAP_SLICED_VBI_OUTPUT   0x00000080 The device supports the Sliced VBI Output interface.

V4L2_CAP_RDS_CAPTURE    0x00000100          [to be defined]

#define V4L2_CAP_TUNER 0x00010000  

#define V4L2_CAP_AUDIO 0x00020000  

#define V4L2_CAP_RADIO 0x00040000  

#define V4L2_CAP_READWRITE 0x01000000  

#define V4L2_CAP_ASYNCIO 0x02000000  

#define V4L2_CAP_STREAMING 0x04000000  

看起来很熟悉吧，其实就是Driver里面的Type。

 __u8 driver[16]; driver名，通常为：uvcvideo

 __u8 card[32];  设备名：厂商会填写。

 __u8 bus_info[32];  bus,通常为：usb-hiusb-ehci-2.4

 __u32 version;

 __u32 capabilities;  通常为：V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING

 __u32 reserved[4];

2. 枚举设备所支持的image format:  VIDIOC_ENUM_FMT

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;

fmtdesc.index = 0;

fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc);

使用ioctl VIDIOC_ENUM_FMT 依次询问，type为：V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE。 index从0开始，依次增加，直到返回 -1 （如果index有效，则返回0）. Driver会填充结构体struct v4l2_fmtdesc的其它内容，如果index超出范围，则返回-1。

struct v4l2_fmtdesc

{

 __u32 index;                  // 需要填充，从0开始，依次上升。

 enum v4l2_buf_type type;      //Camera，则填写V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

 __u32 flags;                  // 如果压缩的，则Driver 填写：V4L2_FMT_FLAG_COMPRESSED，否则为0 

 __u8 description[32];         // image format的描述，如：YUV 4:2:2 (YUYV)

 __u32 pixelformat;        //所支持的格式。 如：V4L2_PIX_FMT_UYVY

 __u32 reserved[4];

}; 

这样，则知道当前硬件支持什么样的image format. 下一步，则可以设置image 了。当然，设置之前，还可以读取当前缺省设置。

图像格式，见附录1.

3. 得到和设置Image Format: VIDIOC_G_FMT, VIDIOC_S_FMT:

3.1: 得到当前Image Format：

struct v4l2_format Format;

memset(&Format, 0, sizeof(struct v4l2_format));

Format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

ioctl(Handle, VIDIOC_G_FMT, &Format);

利用ioctl VIDIOC_G_FMT. 得到当前设置。

因为Camera为CAPTURE设备，所以需要设置type为： V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

然后Driver会填充其它内容。




struct v4l2_format

{

 enum v4l2_buf_type type;   // Camera，则用户必须填写：V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

 union

 {

 struct v4l2_pix_format pix;    // used by video capture and output devices

 struct v4l2_window win;

 struct v4l2_vbi_format vbi;

 struct v4l2_sliced_vbi_format sliced;

 __u8 raw_data[200];

 } fmt;

};

因为是Camera， 所以采用pix. 现在分析如下：

struct v4l2_pix_format

{

 __u32 width;    //Image width in pixels.

 __u32 height;   // Image Height in pixels.

 __u32 pixelformat;  // Image格式，最常见的有：V4L2_PIX_FMT_YYUV

 enum v4l2_field field; //是否逐行扫描，是否隔行扫描. Sam通常采用V4L2_FIELD_NONE，逐行放置数据 (注1)

 __u32 bytesperline; //每行的byte数

 __u32 sizeimage;     //总共的byte数，bytesperline * height

 enum v4l2_colorspace colorspace;  //This information supplements the pixelformat and must be set by the driver

 __u32 priv;

};

3.2：设置Image Format:VIDIOC_S_FMT

之前通过VIDIOC_ENUM_FMT已经知道Device支持什么Format。 所以就不用猜测了，直接设置吧。

设置Image  Format ,利用 iocto VIDIOC_S_FMT.

需要APPLICATION填写的Struct项目有：

struct v4l2_format Format;

Format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

Format.fmt.pix.width =  Width;

Format.fmt.pix.height = Height;

Format.fmt.pix.pixelformat= pixelformat;//V4L2_PIX_FMT_YUYV;

Format.fmt.pix.field = field;

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_S_FMT, &Format);

SamInfo：之前设置了Image Format， 是指每一帧的数据格式，但Stream的行为呢，也需要设置，这就是下面所说的Stream 设置了。它就包含帧数设置和修改。

4. 得到和设置Stream信息：VIDIOC_G_PARM， VIDIOC_S_PARM

Stream信息，主要是设置帧数。

4.1：得到Stream信息：

struct v4l2_streamparm Stream_Parm;

memset(&Stream_Parm, 0, sizeof(struct v4l2_streamparm));

Stream_Parm.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_G_PARM, &Stream_Parm);

用户只需要填充type为V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE。 Driver就会把结构体中其它部分填充好。

struct v4l2_streamparm

{

 enum v4l2_buf_type type;

 union

 {

 struct v4l2_captureparm capture;

 struct v4l2_outputparm output;

 __u8 raw_data[200];

 } parm;

};

因为是Camera， 所以使用capture. 它是 struct v4l2_captureparm

struct v4l2_captureparm

{

 __u32 capability;    //是否可以被timeperframe控制帧数。可以则：V4L2_CAP_TIMEPERFRAME

 __u32 capturemode;   //是否为高清模式。如果是：

则设置为：V4L2_MODE_HIGHQUALITY。 高清模式会牺牲其它信息。通常设置为0。

 struct v4l2_fract timeperframe;  //帧数。

 __u32 extendedmode;  //定制的。如果不支持，设置为0

 __u32 readbuffers;

 __u32 reserved[4];

};

 struct v4l2_fract timeperframe;  //帧数。

struct v4l2_fract {

 __u32 numerator;  // 分子。 例：1

 __u32 denominator; //分母。 例：30

};

4.2：设置帧数：

struct v4l2_streamparm Stream_Parm;

memset(&Stream_Parm, 0, sizeof(struct v4l2_streamparm));

Stream_Parm.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 

Stream_Parm.parm.capture.timeperframe.denominator =Denominator;;

Stream_Parm.parm.capture.timeperframe.numerator = Numerator;

io_rel = ioctl(Handle, VIDIOC_S_PARM, &Stream_Parm);

请注意，哪怕ioctl返回0。也有可能没设置成功。所以需要再次Get。

当然，哪怕Get发现设置成功。真正抓帧也可能没那么高。

5. 利用VIDIOC_G_CTRL得到一些设置：

一些具体的设置，如曝光模式(Exposure Type)，曝光值(Exposure)，增益(Gain),白平衡(WHITE_BALANCE),亮度(BRIGHTNESS)，饱和度(SATURATION)，对比度(CONTRAST)等信息。可以通过VIDIOC_G_CTRL得到当前值。

用法：APP 填写结构体中的id. 通过调用VIDIOC_G_CTRL，driver 会填写结构体中value项。

struct v4l2_control ctrl;

struct v4l2_control

{

 __u32 id;

 __s32 value;

};

以曝光模式，曝光，和增益为例; 

曝光模式：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_EXPOSURE_AUTO;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_G_CTRL, &ctrl);

ctrl.value 则由Driver填写。告知当前曝光模式。

有以下几个选择：

enum  v4l2_exposure_auto_type {

V4L2_EXPOSURE_AUTO = 0,

V4L2_EXPOSURE_MANUAL = 1,

V4L2_EXPOSURE_SHUTTER_PRIORITY = 2,

V4L2_EXPOSURE_APERTURE_PRIORITY = 3

};

exposure_auto (menu)   : min=0 max=3 default=3 value=3

V4L2_CID_EXPOSURE_AUTO	enum v4l2_exposure_auto_type
	Enables automatic adjustments of the exposure time and/or iris aperture. The effect of manual changes of the exposure time or iris aperture while these features are enabled is undefined, drivers should ignore such requests. Possible values are:
	V4L2_EXPOSURE_AUTO  Automatic exposure time, automatic iris aperture. V4L2_EXPOSURE_MANUAL  Manual exposure time, manual iris. V4L2_EXPOSURE_SHUTTER_PRIORITY  Manual exposure time, auto iris. V4L2_EXPOSURE_APERTURE_PRIORITY  Auto exposure time, manual iris.

注意： Sam测试发现，在Linux下，V4L2_EXPOSURE_ATUO并不被Firmware认可，要设置自动曝光，需要设置为：V4L2_EXPOSURE_APERTURE_PRIORITY

曝光：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_EXPOSURE_ABSOLUTE;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_G_CTRL, &ctrl);

同样，driver填写ctrl.value. 内容为曝光值。

增益：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_GAIN;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_G_CTRL, &ctrl);

同样，driver填写ctrl.value. 内容为增益。

6. 利用VIDIOC_QUERYCTRL 得到设置具体信息：

在很多情况下，我们并不知道如何设置一些信息，例如，曝光应该设置为多少？Driver能够接受的范围是多少？最大，最小值是多少？步长是多少？缺省值为多少？

可以通过VIDIOC_QUERYCTRL得到。

咱们还是以增益为例：

struct v4l2_queryctrl  Setting;

Setting.id = V4L2_CID_GAIN;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_QUERYCTRL, &Setting);

Driver就会填写结构体中所有信息。

struct v4l2_queryctrl

{

 __u32 id;  //用户设置。指定查找的是哪个ID。

 enum v4l2_ctrl_type type;

 __u8 name[32];  //ID对应的名字。

 __s32 minimum;

 __s32 maximum;

 __s32 step;   //步长

 __s32 default_value;

 __u32 flags;

 __u32 reserved[2];

};

这样，就知道设置什么值是合法的了。那么，下一步就是设置了。

7. 利用VIDIOC_S_CTRL来设置：

很简单，设置id和value.调用ioctl就好。

还是以增益为例：

struct v4l2_control ctrl;

ctrl.id = V4L2_CID_GAIN;

ctrl.value = Gain;

ret = ioctl(Handle, VIDIOC_S_CTRL, &ctrl);

有时候，硬件设置很奇怪，可以设置某个信息，却无法得到如何设置的信息。例如：HD-500可以设置增益。却无法得到该如何设置。

8. 利用扩展Ctrl设置:

焦距(FOUCE);

注1：enum v4l2_field field; 详解：

附录1：

V4L2中像素格式：

在videodev2.h中，结构体 v4l2_format中，包含结构体：v4l2_pix_format,

其中包含pixelformat.表示像素格式，我们就研究之。