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嵌入式之行(8):Linux下视频采集及其显示

说明:

1、本文所提及的摄像头不是zc0301p,使用的API不是V4L,显示所使用的上位机不是QT,特此说明。

2UVC只是一个驱动,如果它能成功驱动摄像头,会在/dev目录下出现video(video0video1等等)。这样,就可以使用Linux提供(准确说不是Linux提供,具体的百度吧)的一套API,即V4L2来访问摄像头了。“使用”是指我们写的采集数据的程序,而不是指“摄像头驱动程序”。——驱动程序不是那么简单就能写出来的。

3、本文未涉及大量的如VIDIOC_S_FMT等命令字,也不涉及V4L2采集模型,一来网络上很多这种说明(原创的,转载的),本文不想偷窃他人的成果;二来诸君如果看V4L2手册、看源代码的话,会学得更多,——如果肯下心思的话。

4、源代码中本来就没有中文注释,抄于此,也不再添加中文了。

5、本文所述的程序是根据开源项目luvcview写的,理所当然的,本文的程序也会公开源代码,使用条款为GPL。至于这个程序是好是坏,就由众人去评说了。

1、驱动——UVC

Linux中,除了SPCAGSPCA这类经典的USB摄像头驱动外,还有一种,即Linux UVC,全称为Linux USB Video Class,从Class这个词可以看出,UVC是代码某一类的视频设备驱动,官网上的说法包括了webcams, digital camcorders, analog video converters, analog 以及 digital television tuners等等。从2.6.26版本开始,Linux UVC驱动就纳入到内核中,不需要手动下载。但是需要自己手动配置内核,才可使用UVC

具体的测试示例,可以在这个网址上找到:

http://blog.chinaunix.net/u1/58951/showart_2199263.html

2、采集——V4L2

Linux下,视频数据的采集有两套API,分别为V4LV4L2。是Video For Linux的两个版本。其实在Windows下也有一套API,名为Video For Windows,即VFW,具体怎么使用,我没研究过,不过,按Windows的习俗,应该不难。

本文所用的APIV4L2,虽然它的第一个版本也可以使用,但是为了表明笔者与时俱进的精神,决心使用第二个版本。这个版本无外就下面三点:

1、打开或关闭摄像头设备都是调用POSIX标准的openclose,很简单;

2、最重要、最核心的是使用ioctl调用,通过不同的控制命令来控制摄像头,如开始捕获、停止捕获、获取摄像头信息,等等。如果研究过Linux驱动的话,对ioctl应该不陌生。

3、一些结构体,如保存摄像头信息的,捕获摄像头数据的缓冲区的,等等。

摄像头的信息保存于自定义的结构体video_info中。如下:

struct video_info

{

?int camfd;/**< camera file descriptor */

?struct v4l2_capability cap;

?struct v4l2_format fmt;

?struct v4l2_requestbuffers rb;

?struct v4l2_buffer buf;

?enum v4l2_buf_type type;

?void* mem[NB_BUFFER];/**< main buffers */

?uint8* tmp_buffer;/**< for MJPEG */

?uint8* frame_buffer;/**< one frame buffer here */

?uint32 frame_size_in;

?

?uint32 format;/**< eg YUYV or MJPEG,etc. */

?int width;

?int height;

?int is_streaming;/**< start capture */

?int is_quit;

#ifdef DEBUG

?enum v4l2_field field;

?uint32 bytes_per_line;

?uint32 size_image;

?enum v4l2_colorspace color_space;

?uint32 priv;

#endif

?

};

在开始采集数据前,需要先看一下摄像头的信息,下面三个函数完成的功能分别为得到摄像头的属性(capability),得到摄像头的格式(format),设置摄像头的格式。属性包括了驱动信息,总线信息,是否支持流捕获等等;格式包括了摄像头数据格式(MJPEGYUYV等等),图像的宽、高等等。

int v4l2_get_capability(struct video_info* vd_info);

int v4l2_get_format(struct video_info* vd_info);

int v4l2_set_foramt(struct video_info* vd_info,

?uint32 width, uint32 height,uint32 format);

1为在FC系统和ARM开发板上得到的摄像头信息。从图中可以清楚看到上述所讲的各种信息。至于最后一行的错误提示,是由于我调用v4l2_set_foramt将摄像头数据格式设置为YUYV出错了,即它不支持YUYV格式。然而,当我使用这个程序在红旗操作系统下测试时,结果又不同了,它是YUYV格式了!我将它设置为MJPEG格式,同样不行,所以图2最后同样出错。(那时正兴高采烈地做毕业设计,这个问题让我足足郁闷了好几天。我想不通是什么原因)

?摄像头信息

1 摄像头信息

又一个信息??

2 又一个信息

下面简单讲一下程序片段,具体的程序,参见附录中。

(1)、分配内存

switch (vd_info->format)/**< format will be also ok */

{

case V4L2_PIX_FMT_MJPEG:

vd_info->tmp_buffer =

(uint8 *)calloc(1, (size_t)vd_info->frame_size_in);

if (vd_info->tmp_buffer == NULL)

error_out(“unable alloc tmp_buffer”);

vd_info->frame_buffer =

(uint8 *)calloc(1, (size_t)vd_info->width * (vd_info->height+8) * 2);

if (vd_info->frame_buffer == NULL)

error_out(“unable alloc frame_buffer”);

break;

case V4L2_PIX_FMT_YUYV:

vd_info->frame_buffer =

(uint8 *)calloc(1,(size_t)vd_info->frame_size_in);

if (vd_info->frame_buffer == NULL)

error_out(“unable alloc frame_buffer”);

break;

default:

msg_out(“error!n”);

return -1;

break;

}

因为YUYV是一种原始数据,可以直接显示,不需要编解码,而MJPEG格式的,需要解码,所以分要分配两个缓冲区。

(2)、打开,O_NONBLOCK是以非阻塞方式打开。

vd_info->camfd = open(device, O_RDWR /*| O_NONBLOCK*/, 0);

if (vd_info->camfd < 0)

error_out(“can not open the device”);

(3)、查询

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_QUERYCAP, &vd_info->cap))

error_out(“query camera failed”);

if (0 == (vd_info->cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE))

{

debug_msg(“video capture not supported.n”);

return -1;

}

(4)、设置格式

memset(&vd_info->fmt, 0, sizeof(struct v4l2_format));

vd_info->fmt.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

vd_info->fmt.fmt.pix.width= width;

vd_info->fmt.fmt.pix.height= height;

vd_info->fmt.fmt.pix.field=V4L2_FIELD_ANY;

vd_info->fmt.fmt.pix.pixelformat = format;

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_S_FMT, &vd_info->fmt))

error_out(“unable to set format “);

(5)、查询缓冲区、映射到用户空间内存

memset(&vd_info->rb, 0, sizeof(struct v4l2_requestbuffers));

vd_info->rb.count= NB_BUFFER; /**< 4 buffers */

vd_info->rb.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

vd_info->rb.memory= V4L2_MEMORY_MMAP;

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_REQBUFS, &vd_info->rb))

error_out(“unable to allocte buffers”);

/* map the buffers(4 buffer) */

for (i = 0; i < NB_BUFFER; i++)

{

memset(&vd_info->buf, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));

vd_info->buf.index= i;

vd_info->buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

vd_info->buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_QUERYBUF, &vd_info->buf))

error_out(“unable to query buffer”);

/* map it, 0 means anywhere */

vd_info->mem[i] =

mmap(0, vd_info->buf.length, PROT_READ, MAP_SHARED,

vd_info->camfd, vd_info->buf.m.offset);

/* MAP_FAILED = (void *)-1 */

if (MAP_FAILED == vd_info->mem[i])

error_out(“unable to map buffer”);

}

(6)、进入队列

/* queue the buffers */

for (i = 0; i < NB_BUFFER; i++)

{

memset(&vd_info->buf, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));

vd_info->buf.index= i;

vd_info->buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

vd_info->buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_QBUF, &vd_info->buf))

error_out(“unable to queue the buffers”);

}

(7)、开始捕获(发出捕获信号)

vd_info->type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_STREAMON, &vd_info->type))

error_out(“unable to start capture”);

vd_info->is_streaming = 1;

debug_msg(“stream on OK!!n”);

debug_msg(“===============================nn”);

(8)、采集(从缓冲区队列中取出数据,再将数据的内存复制另一内存区)

static int count = 0;

if (!vd_info->is_streaming) /**< if stream is off, start it */

{

if (v4l2_on(vd_info))/**< failed */

goto err;

}

memset(&vd_info->buf, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));

vd_info->buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

vd_info->buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;

/* get data from buffers */

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_DQBUF, &vd_info->buf))

{

msg_out(“unable to dequeue buffern”);

goto err;

}

switch (vd_info->format)

{

case V4L2_PIX_FMT_MJPEG:

if (vd_info->buf.bytesused <= HEADFRAME1)

{

msg_out(“ignore empty frame…n”);

return 0;

}

/* we can save tmp_buff to a jpg file,just write it! */

memcpy(vd_info->tmp_buffer, vd_info->mem[vd_info->buf.index],

vd_info->buf.bytesused);

/* here decode MJPEG,so we can dispaly it */

if (jpeg_decode(&vd_info->frame_buffer, vd_info->tmp_buffer,

&vd_info->width, &vd_info->height) < 0 )

{

msg_out(“decode jpeg errorn”);

goto err;

}

break;

case V4L2_PIX_FMT_YUYV:

if (vd_info->buf.bytesused > vd_info->frame_size_in)

memcpy(vd_info->frame_buffer, vd_info->mem[vd_info->buf.index],

(size_t)vd_info->frame_size_in);

else

memcpy(vd_info->frame_buffer, vd_info->mem[vd_info->buf.index],

(size_t)vd_info->buf.bytesused);

break;

default:

goto err;

break;

}

/* here you can process the frame! */

v4l2_process(vd_info);

/* queue buffer again */

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_QBUF, &vd_info->buf))

{

fprintf(stderr,”requeue errorn”);

goto err;

}

debug_msg(“frame:%dn”, count++);

debug_msg(“frame size in: %d KBn”, vd_info->frame_size_in>>10);

return 0;

err:

vd_info->is_quit = 0;

return -1;

(9)、停止捕获(发送停止信号)

vd_info->type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

if (-1 == ioctl(vd_info->camfd, VIDIOC_STREAMOFF, &vd_info->type))

error_out(“unable to stop capture”);

vd_info->is_streaming = 0;

debug_msg(“stream off OK!n”);

debug_msg(“===============================nn”);

(10)、关闭设备(释放内存、关闭设备)

uint16 i = 0;

if (vd_info->is_streaming)/**< stop if it is still capturing */

v4l2_off(vd_info);

if (vd_info->frame_buffer)

free(vd_info->frame_buffer);

if (vd_info->tmp_buffer)

free(vd_info->tmp_buffer);

vd_info->frame_buffer = NULL;

/* it is a good thing tounmap! */

for (i = 0; i < NB_BUFFER; i++)

{

if (-1 == munmap(vd_info->mem[i], vd_info->buf.length))

error_out(“munmap”);

}

close(vd_info->camfd);

debug_msg(“close OK!n”);

3、显示——SDL

SDLSimple DirectMedia Layer的简称,是一个自由的跨平台的多媒体开发包,适用于游戏、游戏SDK、演示软件、模拟器、MPEG播放器和其他应用软件。本文将它大材小用,用于显示采集得到的视频数据。

显示的代码片段如下:

SDL_Surface *pscreen = NULL;

SDL_Overlay *overlay = NULL;

SDL_Rect drect;

SDL_Event sdlevent;

SDL_mutex *affmutex = NULL;

unsigned char frmrate;

unsigned char *p = NULL;

uint32 currtime;

uint32 lasttime;

char* status = NULL;

/************* Test SDL capabilities ************/

/* memory leak here */

if (SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO) < 0)

{

fprintf(stderr, “Couldn’t initialize SDL: %sn”, SDL_GetError());

exit(1);

}

/* it need to alloc space! */

vd_info = (struct video_info *) calloc(1, sizeof(struct video_info));

/* init the camera,you can change the last three params!!! */

if (v4l2_init(vd_info, V4L2_PIX_FMT_YUYV, 640, 480) < 0)

return EXIT_FAILURE;

pscreen =

SDL_SetVideoMode(vd_info->width, vd_info->height, 0,

SDL_VIDEO_Flags);

overlay =

SDL_CreateYUVOverlay(vd_info->width, vd_info->height,

SDL_YUY2_OVERLAY, pscreen);

/* here?? */

p = (unsigned char *) overlay->pixels[0];

drect.x = 0;

drect.y = 0;

drect.w = pscreen->w;

drect.h = pscreen->h;

lasttime = SDL_GetTicks();

affmutex = SDL_CreateMutex();

/* big loop */

while (vd_info->is_quit)

{

while (SDL_PollEvent(&sdlevent))

{

if (sdlevent.type == SDL_QUIT)

{

vd_info->is_quit = 0;

break;

}

}

currtime = SDL_GetTicks();

if (currtime – lasttime > 0)

{

frmrate = 1000/(currtime – lasttime);

}

lasttime = currtime;

if (v4l2_grab(vd_info) < 0)

{

printf(“Error grabbing n”);

break;

}

SDL_LockYUVOverlay(overlay);

/* frame_buffer to p */

memcpy(p, vd_info->frame_buffer,

vd_info->width * (vd_info->height) * 2);

SDL_UnlockYUVOverlay(overlay);

SDL_DisplayYUVOverlay(overlay, &drect); /* dispaly it */

status = (char *)calloc(1, 20*sizeof(char));

sprintf(status, “come on fps:%d”,frmrate);

SDL_WM_SetCaption(status, NULL);

SDL_Delay(10);

}

SDL_DestroyMutex(affmutex);

SDL_FreeYUVOverlay(overlay);

v4l2_close(vd_info);

free(status);

free(vd_info);

printf(“Clean Up done Quit n”);

SDL_Quit();

return 0;

在红旗操作系统下测试如图3所示。最上面的即为SDL绘制的窗口(至于它向下调用什么图形库就不用理会了),中间的为控制台,它不断输出采集到的帧数以及每一帧的大小。最下面的是emacs

测试示例图

3 测试示例图

为了演示emacs的多窗口gdb调试,现附上几个图。算是emacs篇的补充吧。

附图1中,已经加载了可执行文件,并设置了断点(命令为b main emacs,单步后,中间窗口出现红点即为断点处)

附图2所示的是正在显示图像,左上角即为控制台,出现的信息同上述截图一样。

附图3为结束的情形。重新回到gdb等待命令状态。

此时的emacs五个窗口中各有自己的功能,从上而下,分别为控制台、变量、源代码、帧栈以及断点。

看到了吧?emacs中调试不比VC差吧?

开始

附图1 开始

显示

附图2 显示

结束

附图3 结束

再附:

UVC官网:

http://www.ideasonboard.org/uvc/

V4L2官网:

http://linux.bytesex.org/v4l2/

本文的程序下载:

camera-pc-latelee.org.tar.bz2

luvcview项目下载:

luvcview-20070512.tar.bz2

V4L2手册地址:

http://v4l2spec.bytesex.org/v4l2spec/v4l2.pdf

本文固定链接: http://www.latelee.org/embedded-linux/learning-elinux-8-video-on-linux.html

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