USB UVC7 -- XU

UVC（USB Video Class）设备通过USB接口提供视频流，支持标准的视频控制和数据传输。UVC设备还支持扩展单元（XU，Extension Unit），它允许设备制造商定义非标准的、专有的功能，通过控制XU可以实现自定义的设备配置。下面详细介绍UVC XU（扩展单元）信息的处理流程，尤其是从客户端到设备应用的流转过程。

1. UVC XU概述

UVC扩展单元（XU）是在标准UVC控制命令之外提供的额外接口，通常用来控制摄像头的非标准功能。XU可以在UVC的Video Control Interface (VC) 描述符中定义，通过设置不同的属性（如亮度、对比度、特殊效果等），允许客户端应用对设备进行控制。

2. 客户端对UVC XU的访问

客户端应用程序可以使用操作系统提供的标准接口访问UVC XU，通常通过V4L2 (Video for Linux 2) 或 DirectShow 等多媒体框架进行访问。

操作步骤：

发现设备：当客户端启动时，它会通过USB查询连接的UVC设备。USB设备会返回设备描述符（Device Descriptor），包括接口信息。
请求XU单元信息：
- 在初始化过程中，客户端会通过UVC标准的Video Control Requests与设备交互，获取设备所支持的功能，包括扩展单元（XU）的信息。
- 这个过程可以通过 V4L2 IOCTLs 访问，如 VIDIOC_QUERY_EXT_CTRL，该接口允许客户端获取支持的扩展控制项的属性，包括控制ID、范围、步进值等。
发送XU控制请求：
- 客户端通过Control Requests与扩展单元进行交互。扩展单元的访问需要通过特定的控制命令（通常是GET_CUR或SET_CUR）。
- 例如，使用 V4L2 时，VIDIOC_G_EXT_CTRLS 和 VIDIOC_S_EXT_CTRLS 可以分别用于获取和设置XU的属性。
- 在Windows上，可以通过 IOCTL_VIDEO_PROPERTY_CONTROL 等控制代码发送自定义的XU控制请求。

3. XU请求的USB传输

在客户端发送请求到USB设备时，UVC协议会将这些命令打包成USB传输进行通信。流程如下：

设置XU请求：
- 当客户端通过系统接口发出XU请求后，内核会根据请求打包成USB控制传输（Control Transfer）。
- 具体地，这些请求会通过标准的USB SETUP包发送到设备，典型的UVC控制命令包括bmRequestType，bRequest，wValue，wIndex等字段。
控制传输的过程：
- bmRequestType 指示是一个设备的控制请求，通常设置为向接口发送数据的方向。
- bRequest 代表要进行的UVC控制命令，比如GET_CUR、SET_CUR。
- wValue 和 wIndex 对应于具体的XU控制单元和属性。
- wLength 表示数据的长度，当控制信息通过控制传输阶段成功发送后，数据会通过Data阶段被送达设备。

4. 设备端的XU处理

UVC设备接收到扩展单元（XU）请求后，需要解析这些命令，并对设备内部的应用逻辑做出响应。

解析控制命令：
- UVC设备固件会通过USB堆栈接收并解析XU命令。根据请求的类型（GET/SET），设备可以选择返回当前属性值或更新设备内部配置。
应用逻辑的处理：
- 如果是GET请求，设备会查询内部当前配置值，并通过USB控制传输返回给客户端。
- 如果是SET请求，设备将会根据收到的值更新自身的状态，可能会改变某些硬件配置（如改变摄像头的图像处理方式、更新传感器的增益值等）。
- 这些处理逻辑通常由设备厂商在固件层面实现。
返回数据：
- 当设备完成控制命令的处理后，通过USB返回确认包或实际的数据（如当前设置的值）给主机，完成整个控制交互。

5. 客户端处理设备响应

一旦设备处理了XU请求并返回数据，客户端需要处理该数据，通常包括更新UI或将结果应用到视频流处理。

获取响应数据：
- 在GET请求的情况下，客户端会接收到设备返回的数据，通常是通过 V4L2 或 Windows API 获取，结果会包含在控制请求响应中。
UI更新：
- 客户端可能会根据设备返回的状态更新UI。例如，如果用户调整了摄像头的对比度，摄像头返回成功响应后，UI会更新显示新对比度值。
应用到视频处理：
- 有时，扩展单元的控制会直接影响到视频流。例如，通过扩展单元设置特殊的滤镜效果，设备端在处理XU命令时，会改变视频流的特性，客户端就能看到视频输出的变化。

6. 实例：通过V4L2访问XU

假设我们想通过V4L2设置一个UVC摄像头的扩展单元控制项（例如调整一个定制的镜头增益）。

struct v4l2_ext_controls ctrls;
struct v4l2_ext_control ctrl[1];

memset(&ctrls, 0, sizeof(ctrls));
memset(&ctrl, 0, sizeof(ctrl));

ctrl[0].id = CUSTOM_XU_CTRL_ID; // XU控制项的ID
ctrl[0].value = desired_gain_value; // 要设置的值

ctrls.ctrl_class = V4L2_CTRL_CLASS_USER;
ctrls.count = 1;
ctrls.controls = ctrl;

// 使用VIDIOC_S_EXT_CTRLS设置扩展控制
if (ioctl(fd, VIDIOC_S_EXT_CTRLS, &ctrls) < 0) {
    perror("Failed to set XU control");
}

总结

UVC的XU（扩展单元）机制允许自定义和专有控制功能。数据从客户端发送到设备的过程通常涉及V4L2或DirectShow等框架，UVC协议用于封装和传输这些控制请求，设备端固件解析请求后执行相应的动作，最后返回结果给客户端应用。这种机制不仅增强了UVC设备的可扩展性，还为设备制造商提供了灵活的自定义功能接口。

当一个UVC（USB Video Class）设备注册了多个扩展单元（XU）并为每个XU分配不同的GUID时，客户端需要通过以下步骤来识别和调用自己需要的XU。整个流程涉及查询设备的描述符、匹配GUID、确定XU的控制ID，以及使用正确的XU来进行操作。

1. 查询设备的扩展单元信息

UVC设备通过其设备描述符上报所有扩展单元的信息。描述符中包含各个扩展单元的GUID，以及其他相关的信息如控制ID（Control ID）、属性和功能。
客户端可以通过标准的接口，如V4L2或Windows的IOCTL，来查询设备的扩展单元列表和其对应的GUID。

在Linux的V4L2中，`VIDIOC_QUERY_EXT_CTRL`可以获取所有已注册的扩展单元控制项。以下是如何获取XU控制项的步骤：

打开设备文件（通常在/dev/videoX下）：

int fd = open("/dev/video0", O_RDWR);
if (fd == -1) {
    perror("Error opening device");
    return -1;
}

查询扩展单元控制信息：
使用VIDIOC_QUERY_EXT_CTRL循环遍历设备中注册的扩展单元控制项，并获取每个控制项的GUID。

struct v4l2_queryctrl query_ctrl;
memset(&query_ctrl, 0, sizeof(query_ctrl));

// 控制ID的初始值
query_ctrl.id = V4L2_CTRL_FLAG_NEXT_CTRL;

// 遍历所有的控制项
while (0 == ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCTRL, &query_ctrl)) {
    if (query_ctrl.type == V4L2_CTRL_TYPE_CTRL_CLASS) {
        // 这是一个控制类，不是扩展控制，跳过
        continue;
    }

    // 如果是扩展单元控制项，获取GUID信息
    if (query_ctrl.flags & V4L2_CTRL_FLAG_NEXT_COMPOUND) {
        printf("Found XU control with ID: 0x%x\n", query_ctrl.id);

        // 这里可以获取更多关于扩展控制的信息，GUID可以通过其他相关调用获取
    }

    // 查询下一个控制项
    query_ctrl.id |= V4L2_CTRL_FLAG_NEXT_CTRL;
}

匹配GUID：
- 在遍历控制项时，客户端可以使用设备上报的GUID来与自己预期的GUID进行匹配，以确定哪个XU是客户端需要的。
- 一旦匹配成功，客户端就知道了该XU的控制ID，并可以通过该ID对XU进行操作。

2. 匹配GUID

UVC扩展单元的GUID是设备制造商定义的，用来标识设备的特定功能。因此，客户端需要有预先的知识，知道设备上注册了哪些GUID，以及每个GUID对应的功能。
当客户端获取到设备的所有扩展单元信息后，它会对这些GUID进行匹配。匹配过程可以通过简单的比较算法来完成（例如将设备返回的GUID与客户端预期的GUID进行字节比较）。

示例：匹配GUID

uint8_t desired_guid[16] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9a, 0xbc, 0xde, 0xf0, 0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9a, 0xbc, 0xde, 0xf0};

// 获取设备XU的GUID
uint8_t device_guid[16];
// 设备GUID从扩展单元描述符中获取
get_device_xu_guid(device_guid);  // 假设这是获取设备XU GUID的函数

if (memcmp(desired_guid, device_guid, sizeof(desired_guid)) == 0) {
    printf("Matched desired XU GUID\n");
    // 可以继续访问该扩展单元
} else {
    printf("GUID mismatch\n");
}

3. 通过控制ID操作XU

一旦匹配了GUID，客户端就知道了对应的控制ID（通常是扩展单元的Control ID）。客户端可以使用这个控制ID来对该扩展单元进行具体的操作，如设置值或获取当前状态。

操作扩展单元的控制项（设置或获取控制）

使用V4L2中的VIDIOC_S_EXT_CTRLS或VIDIOC_G_EXT_CTRLS操作扩展单元控制项：

设置扩展单元控制项：

struct v4l2_ext_control ctrl;
struct v4l2_ext_controls ctrls;

ctrl.id = CONTROL_ID;  // 通过GUID匹配后获取的XU控制ID
ctrl.value = desired_value;  // 设置值

ctrls.ctrl_class = V4L2_CTRL_CLASS_USER;
ctrls.count = 1;
ctrls.controls = &ctrl;

if (ioctl(fd, VIDIOC_S_EXT_CTRLS, &ctrls) == -1) {
    perror("Failed to set XU control");
}

获取扩展单元控制项：

struct v4l2_ext_control ctrl;
struct v4l2_ext_controls ctrls;

ctrl.id = CONTROL_ID;  // 通过GUID匹配后获取的XU控制ID

ctrls.ctrl_class = V4L2_CTRL_CLASS_USER;
ctrls.count = 1;
ctrls.controls = &ctrl;

if (ioctl(fd, VIDIOC_G_EXT_CTRLS, &ctrls) == -1) {
    perror("Failed to get XU control");
} else {
    printf("XU control value: %d\n", ctrl.value);
}

4. 其他考虑

多XU支持：当UVC设备注册了多个XU并且每个XU都有不同的GUID时，客户端必须确保遍历所有可用的XU并检查每个XU的GUID，以确定其是否支持需要的功能。
功能预期：客户端通常已经知道要寻找哪些GUID，具体GUID的意义通常是设备制造商定义的。例如，一个XU可能用于调整镜头的曝光，另一个XU可能用于设置特定的视频滤镜效果。
错误处理：如果客户端无法匹配任何GUID，它可能会记录错误日志或提示用户设备不支持所需的功能。