基于V4L2框架的摄像头从上层到底层开发

news2025/1/31 2:54:46

文章目录

      • 一、V4L2应用开发
        • 1、识别摄像头
        • 2、查看摄像头设备的能力
        • 3、查看支持视频格式
        • 4、设置视频格式
        • 5、申请帧缓冲
        • 6、启动采集
        • 7、出队取一帧图像
        • 8、入队归还帧缓冲
        • 9、停止视频采集
        • 10、退出释放资源
      • 二、V4L2框架源码分析
        • 1、struct video_device
        • 2、struct v4l2_device *v4l2_dev
        • 3、struct v4l2_subdev
        • 4、V4L2框架
      • 三、基于NVIDIA平台的CSI摄像头驱动源码分析
        • 1、tegracam_device平台设备
        • 2、定义imx219摄像头设备类
        • 3、设备树匹配检测
        • 4、探测函数probe初始化
        • 5、基于英伟达平台摄像头的设备框架图

一、V4L2应用开发

1、识别摄像头

（1）开发过程中的第一步要先确定硬件是否正常工作，方便进行后续开发。
插入USB摄像头，查看摄像头是否生成，注意会生成2个设备，其中一个可以捕获图像。至于为什么会有2个，自行百度了解。

ls -l /dev/video*

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（2）查看USB摄像头的设备ID

lsusb

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（3）通过ID号 查看设备厂商等信息

sudo cat /sys/kernel/debug/usb/devices |grep 1908 -A 5

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（4）下载v4l2-utils工具，v4l2-utils 是一个包含一系列与 Video4Linux2 (V4L2) 框架相关的实用程序和库的集合。它们的作用是帮助开发者、系统管理员和用户进行 V4L2 设备的管理、测试、配置和诊断。

sudo apt install v4l2-utils

主要用到的是v4l2-ctl指令，可以查看指令帮助集

v4l2-ctl -h

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通过v4l2工具，查看摄像头 参数

v4l2-ctl -d  /dev/video0 --all

（5）安装guvcview工具，进行视频显示，实现件监控效果

sudo apt-get install guvcview

开始视频显示，设备节点是video0 还是video1需要都尝试下，错误的节点会直接报弹窗报错

guvcview -d /dev/video1

弹窗报错图如下，需要重新切换正确节点
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视频采集出现如下错误，解决方法

V4L2_CORE: Could not grab image (select timeout): Resource temporarily unavailable

虚拟机–>设置–>usb控制器—>usb兼容性，选择3.0以上即可

显示结果如下请添加图片描述
视频显示工具2，可自行安装测试

sudo apt-get install cheese
cheese -d /dev/video1
2、查看摄像头设备的能力

现给出部分源码，后续会给出整个源码
结构体：struct v4l2_capability
内核源码路径include\uapi\linux\videodev2.h
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/* Values for 'capabilities' field */
#define V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE		0x00000001  /* Is a video capture device */
#define V4L2_CAP_STREAMING              0x04000000  /* streaming I/O ioctls */
#define V4L2_CAP_READWRITE              0x01000000  /* read/write systemcalls */

/*查看 摄像头设备的能力*/	
int get_capability(int fd){
	int ret=0;
	struct v4l2_capability cap;	
	
	memset(&cap, 0, sizeof(struct v4l2_capability)); 
	
	ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);  /*查看设备能力信息*/
	if (ret < 0) {
	    printf("VIDIOC_QUERYCAP failed (%d)\n", ret);
	    return ret;
	}
	printf("Driver Info: \n  Driver Name:%s \n  Card Name:%s \n  Bus info:%s \n",cap.driver,cap.card,cap.bus_info);
	printf("Device capabilities: \n"); 	
	if (cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE) { /*支持视频捕获(截取一帧图像保存)*/
	  printf("  support video capture \n");
	}

	if (cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING) { /*支持视频流操作(mmap映射到同一缓冲区队列后的入队出队 即流入流出)*/
	  printf("  support streaming i/o\n");
	}

	if(cap.capabilities & V4L2_CAP_READWRITE) { /*支持读写（需内核到应用空间拷贝 慢)*/
	  printf("  support read i/o\n");
	}
	return ret;
}

编译后输出，如果需要放到开发板上，需使用交叉编译工具链
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3、查看支持视频格式

结构体：struct v4l2_fmtdesc
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int get_suppurt_video_format(int fd){
	int ret=0;
	struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
	
	printf("List device support video format:  \n");
	
	memset(&fmtdesc, 0, sizeof(fmtdesc));
	fmtdesc.index = 0;
	fmtdesc.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	while ((ret = ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc)) == 0) 	/*枚举出支持的视频格式*/
	{
		fmtdesc.index++;
		printf("  { pixelformat = ''%c%c%c%c'', description = ''%s'' }\n",
		          fmtdesc.pixelformat & 0xFF, (fmtdesc.pixelformat >> 8) & 0xFF, (fmtdesc.pixelformat >> 16) & 0xFF, 
		          (fmtdesc.pixelformat >> 24) & 0xFF, fmtdesc.description);
	}		
    return ret;
}

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4、设置视频格式

结构体：v4l2_format、v4l2_pix_format
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#define VIDEO_WIDTH  320  //采集图像的宽度
#define VIDEO_HEIGHT 240  //采集图像的高度	

nt set_video_format(int fd){	
	int ret = 0;
	struct v4l2_format fmt;
	
	memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));
	fmt.type                = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	fmt.fmt.pix.width       = VIDEO_WIDTH; 
	fmt.fmt.pix.height      = VIDEO_HEIGHT;
	fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_MJPEG; /*支持mipg的摄像头最好*/
                                                 /*普通摄像头会默认设置V4L2_PIX_FMT_YUYV格式 要用到jpeg库*/
	fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED;		/*视频帧的扫描方式*/

	/*设置视频格式	*/
	ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
	if (ret < 0) {
	    printf("VIDIOC_S_FMT failed (%d)\n", ret);
	    return ret;
	}

	/*获取视频格式*/ 
	ret = ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt);
	if (ret < 0) {
	    printf("VIDIOC_G_FMT failed (%d)\n", ret);
	    return ret;
	}
	
	printf("Stream Format Informations:\n");
	printf(" type: %d\n", fmt.type);
	printf(" width: %d\n", fmt.fmt.pix.width);
	printf(" height: %d\n", fmt.fmt.pix.height);
	char fmtstr[8];
	memset(fmtstr, 0, 8);
	memcpy(fmtstr, &fmt.fmt.pix.pixelformat, 4);
	printf(" pixelformat: %s\n", fmtstr);
	printf(" field: %d\n", fmt.fmt.pix.field);
	printf(" bytesperline: %d\n", fmt.fmt.pix.bytesperline);
	printf(" sizeimage: %d\n", fmt.fmt.pix.sizeimage);
	
	return ret;
}

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5、申请帧缓冲

结构体：v4l2_requestbuffers
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#define	REQBUFS_COUNT	4	 /*缓存区个数*/
struct v4l2_requestbuffers reqbufs; 	/*定义缓冲区*/
struct cam_buf {
	void *start;
	size_t length;
};
struct cam_buf bufs[REQBUFS_COUNT]; 	/*映射后指向的同一片帧缓冲区*/

int request_buf(int fd){
	int ret=0;
	int i;
	struct v4l2_buffer vbuf;
	
	memset(&reqbufs, 0, sizeof(struct v4l2_requestbuffers));
	reqbufs.count	= REQBUFS_COUNT;					/*缓存区个数*/
	reqbufs.type	= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	reqbufs.memory	= V4L2_MEMORY_MMAP;					/*设置操作申请缓存的方式:映射 MMAP*/
	ret = ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &reqbufs); 	/*向驱动申请缓存	*/
	if (ret == -1) {	
		printf("VIDIOC_REQBUFS fail  %s %d\n",__FUNCTION__,__LINE__);
		return ret;
	}
	/*循环映射并入队 -> 让内核 和 应用的虚拟地址空间 指向同一片物理内存*/
	for (i = 0; i < reqbufs.count; i++){
		/*真正获取缓存的地址大小  注：你申请的多少个不一定返回那么多，原理需知内核底层代码，后续会有讲解*/
		memset(&vbuf, 0, sizeof(struct v4l2_buffer));
		vbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
		vbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
		vbuf.index = i;

		/*获取视频缓冲区的详细信息*/
		ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &vbuf);
		if (ret == -1) {
		  printf("VIDIOC_QUERYBUF fail  %s %d\n",__FUNCTION__,__LINE__);
			return ret;
		}
		/*映射缓存到用户空间,通过mmap讲内核的缓存地址映射到用户空间,并且和文件描述符fd相关联*/
		bufs[i].length = vbuf.length;
		bufs[i].start = mmap(NULL, vbuf.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, vbuf.m.offset);
		if (bufs[i].start == MAP_FAILED) {
			printf("mmap fail  %s %d\n",__FUNCTION__,__LINE__);
			return ret;
		}
		/*每次映射都会入队,放入缓冲队列*/
		vbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
		vbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
		ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &vbuf);
		if (ret == -1) {
			printf("VIDIOC_QBUF err %s %d\n",__FUNCTION__,__LINE__);
			return ret;
		}
	}
	return ret;
}
6、启动采集
int start_camera(int fd)
{
	int ret;
	enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type); 	/*ioctl控制摄像头开始采集*/
	if (ret == -1) {
		perror("start_camera");
		return -1;
	}
	fprintf(stdout, "camera->start: start capture\n");
	return 0;
}
7、出队取一帧图像
int camera_dqbuf(int fd, void **buf, unsigned int *size, unsigned int *index){
	int ret=0;
	struct v4l2_buffer vbuf;
	vbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	vbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
	ret = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &vbuf);	/*出队,也就是从设备中取出图片*/
	if (ret == -1) {
		perror("camera dqbuf ");
		return -1;
	}	
	*buf = bufs[vbuf.index].start;
	*size = vbuf.bytesused;
	*index = vbuf.index;	
	return ret;
}
8、入队归还帧缓冲
int camera_eqbuf(int fd, unsigned int index)
{
	int ret;
	struct v4l2_buffer vbuf;

	vbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	vbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
	vbuf.index = index;
	ret = ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &vbuf);		/*入队*/
	if (ret == -1) {
		perror("camera->eqbuf");
		return -1;
	}

	return 0;
}
9、停止视频采集
int camera_stop(int fd)
{
	int ret;
	enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

	ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type);
	if (ret == -1) {
		perror("camera->stop");
		return -1;
	}
	fprintf(stdout, "camera->stop: stop capture\n");

	return 0;
}
10、退出释放资源
int camera_exit(int fd)
{
	int i;
	int ret=0;
	struct v4l2_buffer vbuf;
	vbuf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
	vbuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
	
	/*出队所有帧缓冲*/
	for (i = 0; i < reqbufs.count; i++) {
		ret = ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &vbuf);
		if (ret == -1)
			break;
	}
	
	/*取消所有帧缓冲映射*/
	for (i = 0; i < reqbufs.count; i++)
		munmap(bufs[i].start, bufs[i].length);
	fprintf(stdout, "camera->exit: camera exit\n");
	return ret;
}

后续会详解ioctl()函数如何调用底层，完成上述一系列操作。

二、V4L2框架源码分析

作用：管理V4L2设备，向应用暴露控制接口。
内核源码：include/media/v4l2-dev.h

1、struct video_device

主要需要知道的是这几个结构体。

const struct v4l2_file_operations *fops;
const struct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops;	
struct v4l2_device *v4l2_dev;
struct vb2_queue *queue;

请添加图片描述

在这里插入图片描述
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2、struct v4l2_device *v4l2_dev

请添加图片描述
总之，v4l2_device 表示整个 V4L2 子系统的顶层对象，用于管理和操作 V4L2 子系统，而 video_device 表示单个视频设备节点，用于表示和操作具体的视频设备实例。

3、struct v4l2_subdev

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请添加图片描述
请添加图片描述
V4l2的子设备提供函数，可由底层驱动进行注册勾连实现。这是Linux驱动内核源码经常有这种。
**请添加图片描述
**某一底层驱动实现：
请添加图片描述请添加图片描述请添加图片描述

4、V4L2框架

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三、基于NVIDIA平台的CSI摄像头驱动源码分析

摄像头框架最难的在于每个公司的平台不一样，华为海思有自己独立编写的摄像头框架平台，瑞芯微也有自己独立的摄像头框架平台，每个产家都不同，只是编写出来的摄像头框架平台最后都会勾连到上层内核V4L2框架，提供方案给底层驱动实现具体的函数。

1、tegracam_device平台设备

（1）定义的基于英伟达摄像头设备的类
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（2）对应的传感器操作函数
请添加图片描述
（3）对应的控制函数
请添加图片描述
（4）寄存器配置函数
请添加图片描述
总结：而imx219.c的驱动程序会基于tegracam_device框架进行选配实现一系列的操作函数
请添加图片描述

2、定义imx219摄像头设备类

以imx219.c源码为例
请添加图片描述

3、设备树匹配检测

请添加图片描述

4、探测函数probe初始化

请添加图片描述

5、基于英伟达平台摄像头的设备框架图

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