Video4Linux(簡V4L)是Linux中關于視頻設備的內核驅動，它為針對視頻設備的應用程序編 程提供一系列接口函數，這些視頻設備包括現今市場上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。對于USB口攝像頭，其驅動程序中需要提供基本的I/O操 作接口函數open、read、write、close的實現。
簡介
對中斷的處理實現，內存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數ioct1的實現等，并把 它們定義在struct file_operations中。這樣當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等系統(tǒng)調用操作時，Linux內核將通 過file_operations結構訪問驅動程序提供的函數。例如，當應用程序對設備文件執(zhí)行讀操作時，內核將調用file_operations結構 中的read函數。在系統(tǒng)平臺上對USB口數碼攝像頭驅動，首先把USB控制器驅動模塊靜態(tài)編譯進內核，使平臺中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集 時，使用insmod動態(tài)加載其驅動模塊，這樣攝像頭就可正常工作了，接著進行了下一步對視頻流的采集編程。
程序中定義的數據結構
struct video_capability grab_cap;
struct video_picture grab_pic;
struct video_mmap grab_buf;
struct video_mbuf grab_vm；
這些數據結構都是由Video4Linux支持的，它們的用途如下：
*video_capability包含攝像頭的基本信息，例如設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息等，分別對應著結構體中成員變量name 、maxwidth、maxheight、minwidth、minheight、channels(信號源個數)、type等；
*voide_picture包含設備采集圖像的各種屬性，如brightness(亮度)、hue(色調)、contrast(對比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等；
*video_mmap用于內存映射；
*video_mbuf利用mmap進行映射的幀信息，實際上是輸入到攝像頭存儲器緩沖中的幀信息，包括size（幀的大小）、frames（最多支持的幀數）、offsets（每幀相對基址的偏移）。
程序中用到的主要系統(tǒng)調用函數有：open("/dev/voideo0",int flags)、close(fd)、mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset)、munmap(void *start,size_tlength)和ioctl(int fd,int cmd,…)。
前面提到Linux中把設備看成設備文件，在用戶空間可以通過標準的I/O系統(tǒng)調用函數操作設備文件，從而達到與設備通信交互的目的。當然，在設備驅動中要提供對這些函數的相應支持。這里說明一下ioctl(int fd,int cmd,…)函數，它在用戶程序中用來控制I/O通道，其中，fd代表設備文件描述符，cmd代表用戶程序對設備的控制命令，省略號一般是一個表示類型長度的參數，也可沒有。
（2）采集程序實現過程
首先打開視頻設備，攝像頭在系統(tǒng)中對應的設備文件為/dev/video0，采用系統(tǒng)調用函數grab_fd=open("/dev/video0", O_RDWR),grab_fd是設備打開后返回的文件描述符（打開錯誤返回-1），以后的系統(tǒng)調用函數就可使用它來對設備文件進行操作了。接著，利用 ioctl（grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap）函數讀取struct video_capability中有關攝像頭的信息。該函數成功返回后，這些信息從內核空間拷貝到用戶程序空間grab_cap各成員分量中，使用 printf函數就可得到各成員分量信息，例如printf("maxheight=%d",grab_fd.maxheight)獲得最大垂直分辨率的 大小。不規(guī)則用ioctl(grab_fd,VIDIOCGPICT,&grab_pic)函數讀取攝像頭緩沖中voideo_picture信息。在用戶空間程序中可以改變這些信息，具體方法為先給分量賦新值，再調用VIDIOCSPICT ioctl函數，例如：
grab_fd.depth=3;
if(ioctl(grab_fd,VIDIOCSPICT,&grab_pic)<0)
{perror("VIDIOCSPICT");return -1;};
完成以上初始化設備工作后，就可以對視頻圖像截取了，有兩種方法：一種是read()直接讀取；另外一種mmap()內存映射。Read()通過內核緩沖 區(qū)來讀取數據；而mmap()通過把設備文件映射到內存中，繞過了內核緩沖區(qū)，最快的磁盤訪問往往還是慢于最慢的內存訪問，所以mmap()方式加速了 I/O訪問。另外，mmap()系統(tǒng)調用使得進程之間通過映射同一文件實現共享內存，各進程可以像訪問普通內存一樣對文件進行訪問，訪問時只需要使用指針 而不用調用文件操作函數。因為mmap()的以上優(yōu)點，所以在程序實現中采用了內存映射方式，即mmap()方式。
利用mmap()方式視頻裁取具體進行操作如下。
①先使用ioctl(grab_fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函數獲得攝像頭存儲緩沖區(qū)的幀信息，之后修改voideo_mmap中的設置，例如重新設置圖像幀的垂直及水平分辨率、彩色顯示格式。可利用如下語句
grab_buf.height=240;
Grab_buf.width=320;
grab_buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
②接著把攝像頭對應的設備文件映射到內存區(qū)，具體使用grab_data=(unsigned char*)mmap(0,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grad_fd,0)操作。這 樣設備文件的內容就映射到內存區(qū)，該映射內容區(qū)可讀可寫并且不同進程間可共享。該函數成功時返回映像內存區(qū)的指針，挫敗時返回值為-1。
下面對單幀采集和連續(xù)幀采集進行說明：
*單幀采集。在上面獲取的攝像頭存儲緩沖區(qū)幀信息中，最多可支持的幀數（frames的值）一般為兩幀。對于單幀采集只需設置 grab_buf.frame=0，即采集其中的第一幀，使用ioctl(grab_fd,VIDIOCMCAPTURE,&grab_buf) 函數，若調用成功，則激活設備真正開始一幀圖像的截取，是非阻塞的。接著使用ioctl(grab_fd,VIDIOCSYNC,&frame) 函數判斷該幀圖像是否截取完畢，成功返回表示截取完畢，之后就可把圖像數據保存成文件的形式。
*連續(xù)幀采集。在單幀的基礎上，利用grab_fd.frames值確定采集完畢攝像頭幀緩沖區(qū)幀數據進行循環(huán)的次數。在循環(huán)語句中，也是使用VIDIOCMCCAPTURE ioct1和VIDIOCSYNC ioctl函數完成每幀截取，但要給采集到的每幀圖像賦地址，利用語句buf=grab_data+grab_vm.offsets[frame],然后保存文件的形式。若要繼續(xù)采集可再加一個外循環(huán)，在外循環(huán)語句只要給原來的內循環(huán)再賦frame=0即可。
小結
筆者最后在宿主機PC上使用交叉編譯器編譯鏈接連續(xù)幀采集程序（以雙幀采集為例并保存成bmp文件文件形式）使之生成可執(zhí)行代碼，并完成了向目標平臺的移 植。為了進一步觀察采集的圖像效果，筆者在目標平臺帶網絡支持的基礎上，編寫了一個簡單的網絡通信程序，把采集到并保存為Beep Media Player的圖像文件通過網絡傳輸到 PC機上進行顯示，把采集到并保存為bmp的圖像文件通過網絡傳輸到PC機上進行顯示，通過對效果的分析，再回到采集程序中重新設置 video_picture中的信息，如亮度、對比度等和video_mmap中的分辨率，重新移植以達到最好效果為準。
在圖1中的嵌入式系統(tǒng)平臺上，應用本文所述方法完成視頻采集工作，再加上相關的視頻處理并接入網絡，就構成了一個智能終端設備，可用于工廠、銀行及小區(qū)等場合全天候的智能監(jiān)控，具有廣闊的市場和應用前景。
參考資料 >