linux 监控平台摄像头 linux 摄像头软件

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墨舞青云 2024-08-08 00:13:37

文章标签 linux 监控平台摄像头 ide 数据 API 文章分类 运维

驱动UVC
采集V4L2
显示SDL
附
再附

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。

2、UVC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(或video0、video1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

在Linux中，除了SPCA和GSPCA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

在Linux下，视频数据的采集有两套API，分别为V4L和V4L2。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API为V4L2，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open或close，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;   //功能
    struct v4l2_format fmt;     //格式
    struct v4l2_requestbuffers rb;  //存放读取到的数据缓存
    struct v4l2_buffer buf;   //缓冲区
    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(如MJPEG、YUYV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);

图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)

图1　摄像头信息

图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("===============================/n/n");
(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 buffer/n");
        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 error/n");
            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 error/n");
        goto err;
    }
    debug_msg("frame:%d/n", count++);
    debug_msg("frame size in: %d KB/n", 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("===============================/n/n");
(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 to  unmap! */
    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

SDL是Simple 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: %s/n", 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。

图3　测试示例图

附：

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？

附图1　开始

附图2　显示

附图3　结束

再附：

UVC官网：

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

V4L2官网：

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

转至http://blog.chinaunix.net/u1/58951/showart_2257609.html

说明：