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Linux下实现视频读取（三）---Buffer的准备和数据读取

2024-07-26 22:32:55   223人阅读

前面主要介绍的是：V4L2 的一些设置接口，如亮度，饱和度，曝光时间，帧数，增益，白平衡等。今天看看V4L2 得到数据的几个关键ioctl，Buffer的申请和数据的抓取。

1. 初始化 Memory Mapping 或 User Pointer I/O.
int ioctl(int fd, int requestbuf, struct v4l2_requestbuffers * argp);
参数一：open（）所产生的句柄。
参数二：VIDIOC_REQBUFS
参数三：in/out结构体。
struct v4l2_requestbuffers
{
 __u32 count;
 enum v4l2_buf_type type;
 enum v4l2_memory memory; //Applications set this field to V4L2_MEMORY_MMAP or V4L2_MEMORY_USERPTR
 __u32 reserved[2];
};

注意，有两种方式的I/O。 Memory Mapping 和User Pointer。

Memory Mapping的Buffer由Driver申请为物理连续的内存空间(Kernel空间)。在此ioctl调用时被分配，需要早于mmap()动作将他们映射到用户空间。

1.1：Memory Mapping模式详解：
在使用Memory Mapping模式时，参数三中结构体内每个field都需要设置。

 __u32 count;   //当memory=V4L2_MEMORY_MMAP时，此处才有效。表明要申请的buffer个数。
 enum v4l2_buf_type type;  //Stream 或者Buffer的类型。此处肯定为V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
 enum v4l2_memory memory;  //既然是Memory Mapping模式，则此处设置为：V4L2_MEMORY_MMAP


注意：count是个输入输出函数。因为你所申请到的Buffer个数不一定就是你所输入的Number。所以在ioctl执行后，driver会将真实申请到的buffer个数填充到此field. 这个数目有可能大于你想要申请的，也可能小与，甚至可能是0个。
应用程序可以再次调用ioctl--VIDIOC_REQBUFS 来修改buffer个数。但前提是必须先释放已经 mapped 的 buffer ，可以先 munmap ，然后设置参数 count 为 0 来释放所有的 buffer。

支持Memory  Mapping  I/O方式的前提是：v4l2_capability  中支持V4L2_CAP_STREAMING。
在这个模式下，数据本身不会被Copy，只是在Kernel和用户态之间交换。在应用程序想要访问到这些数据之前，它必须调用mmap()影射到用户态。

同时也要注意，通过ioctl申请的内存，是物理内存，无法被交换入Disk，所以一定要释放：munmap()。

1.2：User Pointer模式：
User Pointer模式时，应用程序实现申请。
只需要填充Type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE， memory=V4L2_MEMORY_USERPTR

2. 询问Buffer状态：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer* argp);
参数一：open（）所产生的句柄。
参数二：VIDIOC_QUERYBUF
参数三：v4l2_buffer 结构体。(IN/OUT参数)

注意，此ioctl是Memory Mapping的I/O方法之一。User Pointer模式不需要。在Buffer在ioctl-VIDIOC_REQBUFS执行时创建后，随时都可以调用此Ioctl得到buffer信息。

我们首先通过v4l2_buffer结构体看看参数三这个输入输出参数需要输入些什么，以及能够得到什么信息。

struct v4l2_buffer
{
 __u32 index;
 enum v4l2_buf_type type;
 __u32 bytesused;
 __u32 flags;
 enum v4l2_field field;
 struct timeval timestamp;
 struct v4l2_timecode timecode;
 __u32 sequence;


 enum v4l2_memory memory;
 union {
 __u32 offset;
 unsigned long userptr;
 } m;
 __u32 length;
 __u32 input;
 __u32 reserved;
};

在调用ioctl--VIDIOC_QUERYBUF时，需要写入的项目有：
enum v4l2_buf_type type; //V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
__u32 index;  // 这里需要解释一下，因为在调用ioctl-VIDIOC_REQBUFS时，建立了count个Buffer。所以，这里index的有效范围是：0到count-1.

在调用ioctl-VIDIOC_QUERYBUF后，Driver会填充v4l2_buffer 结构体内所有信息供用户使用。
如果一些正常：
1. flags　中：V4L2_BUF_FLAG_MAPPED, V4L2_BUF_FLAG_QUEUED and V4L2_BUF_FLAG_DONE被设置。
2. memory中，V4L2_MEMORY_MMAP被设置。
3. m.offset中，从将要mapping 的device memory头到数据头的offset.
4. length 中，填充当前Buffer长度。
5。其它的Field有可能设置，也有可能不被设置。

这样，mmap（）想要有的信息就全了。而mmap()之后，Device Driver 申请的或者Device Memory就能映射到用户空间。数据就可以被应用程序使用了。这才是ioctl-VIDIOC_QUERYBUF的关键作用。

3.和Driver交换buffer: 
对Camera这样的捕获设备来说，Device将数据放到Buffer中，用户得到数据。Device再次将数据放到Buffer中。
那么Device Driver 怎样知道哪个Buffer是可以存放数据的呢？这就用到当前这两个ioctl-VIDIOC_QBUF, ioctl-VIDIOC_DQBUF.

ioctl-VIDIOC_QBUF: 将指定的Buffer放到输入队列中，即向Device表明这个Buffer可以存放东西。
ioctl-VIDIOC_DQBUF: 将输出队列中的数据 buffer取出。

在 driver 内部管理着两个 buffer queues ，一个输入队列，一个输出队列。对于 capture device 来说，当输入队列中的 buffer 被塞满数据以后会自动变为输出队列，等待调用 VIDIOC_DQBUF 将数据进行处理以后重新调用 VIDIOC_QBUF 将 buffer 重新放进输入队列.

用法：
ioctl--VIDIOC_QBUF：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer* argp);
参数一：open（）所产生的句柄。
参数二：VIDIOC_QBUF
参数三：v4l2_buffer 结构体。(IN/OUT参数)

参数三是IN/OUT 参数。需要填充
enum v4l2_buf_type type; //V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
__u32 index;  // 这里需要解释一下，因为在调用ioctl-VIDIOC_REQBUFS时，建立了count个Buffer。所以，这里index的有效范围是：0到count-1. 
memory: V4L2_MEMORY_MMAP.

则这个结构体指明的buffer被送入输出队列，表明此Buffer可以被device 填充数据。

用法：
ioctl--VIDIOC_DQBUF：
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer* argp);
参数一：open（）所产生的句柄。
参数二：VIDIOC_DQBUF
参数三：v4l2_buffer 结构体。(IN/OUT参数)

从输出队列中取出一个有数据的Buffer。这个Buffer中的数据被处理后，此Buffer可以通过ioctl-VIDIOC_QBUF再次放入输入队列中去。

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