[技术]

【米尔-STM32MP135开发板-入门级MPU试用】UVC摄像头基于V4L2拍照

2023-8-12 13:47:44 6026

开发环境：

主机：Ubuntu 20.04

开发板：MYD-YF135开发板

Video for Linuxtwo(Video4Linux2)简称V4L2，是V4L的改进版。V4L2是linux操作系统下用于采集图片、视频和音频数据的API接口，配合适当的视频采集设备和相应的驱动程序，可以实现图片、视频、音频等的采集。在远程会议、可视电话、视频监控系统和嵌入式多媒体终端中都有广泛的应用。本文将基于V4L2使用usb摄像头(UVC)拍照。

1 查看内核对USB摄像头

当插入UVC摄像头就会以下打印信息。

在dev目录下也会有相应的设备。

如果插入多个摄像头，设备名后缀数字依次增加，如： video1 video2 video3。

摄像头识别检测和格式支持查询

# v4l2-ctl --list-devices

格式支持查询：

# v4l2-ctl --list-formats-ext -d /dev/video1

2 V4L2拍照应用实现

2.1 V4L2拍照原理与实现

在Linux下，所有外设都被看成一种特殊的文件，也就是一切皆文件，Linux中所有的外设均可像访问普通文件一样对其进行读写操作。

V4L2在include/linux/videodev.h文件中定义了一些重要的数据结构，在采集图像的过程中，就是通过对这些数据的操作来获得最终的图像数据。Linux系统V4L2的能力可在Linux内核编译阶段配置，默认情况下都有此开发接口。

在Linux中V4L2拍照的调用过程如下图所示。

$C:\Users\BruceOu\Desktop\1353038211_7200.png$

V4L2支持两种方式来采集图像：内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)。前者一般用于连续视频数据的采集，后者常用于静态图片数据的采集。

主要分为五个步骤：

首先，打开设备文件，参数初始化，通过V4L2接口设置图像的采集窗口、采集的点阵大小和格式。

其次，申请若干图像采集的帧缓冲区，便于应用程序读取/处理视频数据。

第三，将申请到的帧缓冲区在数据采集输入队列排队，并启动图片采集。

第四，驱动开始图像数据的采集，应用程序从数据采集输出队列取出帧缓冲区，处理完后，将帧缓冲区重新放入数据采集输入队列，循环往复采集连续的数据;

第五，停止数据采集。

完整代码如下：

【usb_camera.c】

/**
  ******************************************************************************
  * [url=home.php?mod=space&uid=1455510]@file[/url]                usb_camera.c
  * [url=home.php?mod=space&uid=40524]@author[/url]              BruceOu
  * [url=home.php?mod=space&uid=644434]@version[/url]             V1.0
  * @date                2023-08-12
  * [url=home.php?mod=space&uid=2676013]@blog[/url]                https://blog.bruceou.cn/
  * [url=home.php?mod=space&uid=3179494]@Official[/url] Accounts   嵌入式实验楼
  * [url=home.php?mod=space&uid=2666770]@Brief[/url]               USB CAMERA
  ******************************************************************************
  */
/**Includes*********************************************************************/
#include "usb_camera.h"

#define DEBUG

/**【全局变量声明】*************************************************************/
buffer *user_buf = NULL;
static unsigned int n_buffer = 0;
static unsigned long file_length;

/**【全局变量声明】*************************************************************/
buffer *user_buf = NULL;
static unsigned int n_buffer = 0;
static unsigned long file_length;
char   picture_name[64] ="stm32mp_picture"; 
int    num = 0;

/**
  * @brief     打开摄像头设备函数
  * [url=home.php?mod=space&uid=3142012]@param[/url]     None
  * @retval    fd    摄像头设备 
  */
int open_camer_device(char * videoDev)
{
    int fd;
    
    /*1.打开设备文件。*/
    if((fd = open(videoDev,O_RDWR | O_NONBLOCK)) < 0)
    {
        perror("Fail to open");
        pthread_exit(NULL);
    } 
    return fd;
}

/**
  * @brief     初始化视频设备函数
  * @param     fd    摄像头设备 
  * @retval    
  */
int init_camer_device(int fd)
{
    struct v4l2_fmtdesc fmt;
    struct v4l2_capability cap;
    struct v4l2_format stream_fmt;
    int ret;
    
    /*2.取得设备的capability，查询视频设备驱动的功能
    比如是否具有视频输入,或者音频输入输出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability*/
    ret = ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap);
    if(ret < 0)
    {
        perror("FAIL to ioctl VIDIOC_QUERYCAP");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //判断是否是一个视频捕捉设备
    if(!(cap.capabilities & V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE))
    {
        perror("The Current device is not a video capture device\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    
    }

    //判断是否支持视频流形式
    if(!(cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING))
    {
        perror("The Current device does not support streaming i/o\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /*3.设置视频的制式和帧格式，制式包括PAL，NTSC，帧的格式个包括宽度和高度等。*/
    memset(&fmt,0,sizeof(fmt));
    fmt.index = 0;
    fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

    while((ret = ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmt)) == 0)
    {
        fmt.index ++ ;
#ifdef DEBUG
        printf("{pixelformat = %c%c%c%c},description = '%s'\n",
                fmt.pixelformat & 0xff,(fmt.pixelformat >> 8)&0xff,
                (fmt.pixelformat >> 16) & 0xff,(fmt.pixelformat >> 24)&0xff,
                fmt.description);
#endif
    }
    
    //设置摄像头采集数据格式，如设置采集数据的
    //长,宽，图像格式(JPEG,YUYV,MJPEG等格式)
    stream_fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;//数据流类型，必须永远是V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
    stream_fmt.fmt.pix.width = 680;//宽，必须是16的倍数
    stream_fmt.fmt.pix.height = 480;//高，必须是16的倍数
    stream_fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_MJPEG;//视频数据存储类型//V4L2_PIX_FMT_YUYV;//V4L2_PIX_FMT_YVU420;//V4L2_PIX_FMT_YUYV;
    stream_fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;

    //设置当前驱动的频捕获格式 
    if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_S_FMT,&stream_fmt))
    {
        perror("Fail to ioctl");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
        //计算图片大小
    file_length = stream_fmt.fmt.pix.bytesperline * stream_fmt.fmt.pix.height; 
    
    //初始化视频采集方式(mmap)
    init_mmap(fd);

    return 0;
}

/**
  * @brief     初始化视频采集方式(mmap)
  * @param     fd    摄像头设备 
  * @retval    
  */
int init_mmap(int fd)
{
    int i = 0;
    struct v4l2_requestbuffers reqbuf;

    /*4.向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers*/
    bzero(&reqbuf,sizeof(reqbuf));
    reqbuf.count = 4;//缓存数量，也就是说在缓存队列里保持多少张照片
    reqbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    reqbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;//或V4L2_MEMORY_USERPTR
    
    //申请视频缓冲区(这个缓冲区位于内核空间，需要通过mmap映射)
    //这一步操作可能会修改reqbuf.count的值，修改为实际成功申请缓冲区个数
    if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&reqbuf))
    {
        perror("Fail to ioctl 'VIDIOC_REQBUFS'");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    n_buffer = reqbuf.count;
#ifdef DEBUG
    printf("n_buffer = %d\n",n_buffer);
#endif
    user_buf = calloc(reqbuf.count,sizeof(*user_buf));//内存中建立对应空间
    if(user_buf == NULL)
    {
        fprintf(stderr,"Out of memory\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /*5.将申请到的帧缓冲映射到用户空间，这样就可以直接操作采集到的帧了，
    而不必去复制。mmap*/
    for(i = 0; i < n_buffer; i ++)
    {
        struct v4l2_buffer buf;//驱动中的一帧
        
        bzero(&buf,sizeof(buf));
        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
        buf.index = i;
        //查询申请到内核缓冲区的信息
        if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_QUERYBUF,&buf)) //映射用户空间
        {
            perror("Fail to ioctl : VIDIOC_QUERYBUF");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        user_buf[i].length = buf.length;
        user_buf[i].start = 
            mmap(
                    NULL,/*start anywhere*/
                    buf.length,
                    PROT_READ | PROT_WRITE,
                    MAP_SHARED,
                    fd,buf.m.offset//通过mmap建立映射关系,返回映射区的起始地址
                );
        if(MAP_FAILED == user_buf[i].start)
        {
            perror("Fail to mmap");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }    

    return 0;
}

int start_capturing(int fd)
{
    unsigned int i;
    enum v4l2_buf_type type;

    /*6.将申请到的帧缓冲全部入队列，以便存放采集到的数据.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer*/
    for(i = 0;i < n_buffer;i ++)
    {
        struct v4l2_buffer buf;

        bzero(&buf,sizeof(buf));
        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
        buf.index = i;
        
        //把数据从缓存中读取出来 
        if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_QBUF,&buf))//申请到的缓冲进入列队
        {
            perror("Fail to ioctl 'VIDIOC_QBUF'");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    
    /*7.开始视频的采集。VIDIOC_STREAMON*/
    if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_STREAMON,&type)) //开始捕捉图像数据
    {
        perror("Fail to ioctl 'VIDIOC_STREAMON'");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 0;
}

int mainloop(int fd)
{ 
    int count = 2;

    /*8.循环采集图片。*/
    while(count-- > 0)
    {
        for(;;)
        {
            fd_set fds;
            struct timeval tv;
            int r;

            FD_ZERO(&fds);//将指定的文件描述符集清空
            FD_SET(fd,&fds);//在文件描述符集合中增加新的文件描述符

            /*Timeout*/
            tv.tv_sec = 2;
            tv.tv_usec = 0;
        
            r = select(fd + 1,&fds,NULL,NULL,&tv);//判断是否可读（即摄像头是否准备好），tv是定时

            if(-1 == r)
            {
                if(EINTR == errno)
                    continue;
                
                perror("Fail to select");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            if(0 == r)
            {
                fprintf(stderr,"select Timeout\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            if(read_frame(fd))//如果可读，执行read_frame ()函数，并跳出循环  
                break;
        }
    }
    return 0;
}

//将采集好的数据放到文件中
int process_image(void *addr,int length)
{
    FILE *fp;
    char name[20];
    
    sprintf(name,"%s%d.jpg",picture_name,num ++);
    
    if((fp = fopen(name,"w")) == NULL)
    {
        perror("Fail to fopen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    fwrite(addr,length,1,fp);
    usleep(500);

    fclose(fp);

    return 0;
}

int read_frame(int fd)
{
    struct v4l2_buffer buf;
    unsigned int i;

    bzero(&buf,sizeof(buf));
    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    /*9.出队列以取得已采集数据的帧缓冲，取得原始采集数据。VIDIOC_DQBUF*/
    if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_DQBUF,&buf))
    {
        perror("Fail to ioctl 'VIDIOC_DQBUF'");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    assert(buf.index < n_buffer);
    {
#ifdef DEBUG
        printf ("buf.index dq is %d,\n",buf.index);
#endif
    }
    //读取进程空间的数据到一个文件中
    process_image(user_buf[buf.index].start,user_buf[buf.index].length);
    
    /*10.将缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF*/ 
    if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_QBUF,&buf))//把数据从缓存中读取出来
    {
        perror("Fail to ioctl 'VIDIOC_QBUF'");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 1;
}

void stop_capturing(int fd)
{
    enum v4l2_buf_type type;
    /*11.停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF*/
    type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    if(-1 == ioctl(fd,VIDIOC_STREAMOFF,&type))
    {
        perror("Fail to ioctl 'VIDIOC_STREAMOFF'");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return;
}

void uninit_camer_device()
{
    unsigned int i;

    for(i = 0;i < n_buffer;i ++)
    {
        if(-1 == munmap(user_buf[i].start,user_buf[i].length))
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
    
    free(user_buf);

    return;
}

void close_camer_device(int fd)
{
    if(-1 == close(fd))
    {
        perror("Fail to close fd");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return;
}

/**
  * @brief     摄像头拍照函数
  * @param     void
  * @retval    Nono
  */
int main(int argc, char* argv[])
{
    int camera_fd;
    if(argc == 2 )
    {
        camera_fd = open_camer_device(argv[1]);
        init_camer_device(camera_fd);
        start_capturing(camera_fd);

        num = 0;
        
        mainloop(camera_fd);

        stop_capturing(camera_fd);
        uninit_camer_device(camera_fd);
        close_camer_device(camera_fd);

        printf("Camera get pic success!\n");
    }
    else
    {
        printf("Please input video device!\n");
    }
    return 0;

}

【usb_camera.h】

#ifndef _USB_CAMERA_H_
#define _USB_CAMERA_H_

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <getopt.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <errno.h>
#include <malloc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <asm/types.h> 
#include <linux/videodev2.h>

#define VIDEO_DEV "/dev/video9"//摄像头设备名

typedef struct _buffer
{
    void *start;
    size_t length;
}buffer;

int open_camer_device(char * videoDev);
int init_mmap(int fd);
int init_camer_device(int fd);
int start_capturing(int fd);
int process_image(void *addr,int length);
int read_frame(int fd);
int mainloop(int fd);
void stop_capturing(int fd);
void uninit_camer_device();
void close_camer_device(int fd);

void camera_get_image(void);

#endif

【Makefile】

ARCH=arm32
CROSS=${CC}

all: usb_camera
    sudo scp usb_camera root@192.168.19.130:/home/root
usb_camera:usb_camera.c
    $(CROSS) -o usb_camera usb_camera.c 
clean:
    @rm -vf usb_camera *.o *~