基于V4L2视频采集缓存机制应用与实现

　　0 引言

　　V4L(video for linux)是由Alan Cox开发的针对视频设备的应用程序接口(API)，开始出现是在Linux 2.1.x版本内核中，可以实现图像采集、AM/FM广播和图像编解码等功能。然而，由于它在扩展性和灵活性上的缺陷，渐渐被Bill Dirks设计出的V4L的升级版本V4L2所替代，V4L2开始是在Linux 2.5.x版本内核中集成的，在对视频设备数据的读/写中，应用程序可以通过read/write方法或者内存映射来获得位于内核空间的图像数据。 read/write方法是将数据在内核空间和用户空间之间进行拷贝，而内存映射使应用程序可以直接访问设备内存，减少了从内核态到用户态的数据拷贝，因而可以显著提高系统的吞吐量，下面讨论视频采集中缓存机制的应用和实现。

　　1 V4L2的视频采集框架

　　V4L2采用了分层架构，应用程序接口为上层，而下层则是视频设备的驱动程序，一般研究领域都是编写上层的应用程序，通过编程接口来控制视频设备完成相应的操作和功能。利用V4L2开发的视频采集程序具有设备无关性，任何支持V4L2的视频采集设备都可以移植此类程序，因而也提高了视频采集程序的可移植性。

　　当视频设备连接到主机后，驱动程序会首先注册一个主设备号为81的字符设备，它是硬件惟一的身份标识。驱动程序利用主设备号来识别硬件，而系统内核则是利用主设备号让设备与对应的驱动程序相结合，同时加载驱动程序的成员函数、次设备号以及其他相关信息，使设备可以正常工作。使用表1中的函数可以访问 V4L2设备，也可以在应用程序中直接调用。具体功能如表1所示。

　　其中，ioctl函数的功能非常强大，它可以管理设备的I/O通道，设置视频的制式和帧格式，还提供查询当前设备属性的功能，主要的ioctl命令如表2所示。

　　这些函数原型一般定义在include/linux/videodev2.h或者videodev.h中。

　　视频采集的具体过程描述如下：

　　(1)打开设备。通过open()函数打开设备文件，返回文件描述符。

　　(2)初始化设备。首先通过VIDIOC_QUERYCAP查询设备属性，判断该设备是否为一个合法的视频采集设备，并确定其支持的功能有哪些;然后通过 VIDIOC_S_FMT设置图像的格式，例如图像的大小等;通过VIDIOC_REQBUFS和malloc()分别在内核空间和用户空间分配内存缓冲区;最后通过mmap()函数进行内存映射。

　　(3)图像采集循环。首先通过VIDIOC_QBUF将空缓冲区移入待处理队列，准备接收图像数据;然后通过VIDIOC_QBUF将满缓冲区移出已处理队列，进行图像的显示和处理;最后通过VIDIOC_STREAMON和VIDIOC_STREAMOFF启动和停止采集。