Linux V4L2之camera

一、硬件知识

1. 摄像头硬件结构和工作原理，如图1&图2　

　　

　　外部光线穿过lens镜头，经过红外滤光片后光学图像投射到传感器上，然后光学图像被转换成电信号，电信号再经过模数转换变为数字信号，数字信号经过DSP加工处理，

再被送到接收端进行处理，最终转换成屏幕上能够看到的图像。 其中：

1）滤光片作用：

　　a. 滤除红外线，滤除对可见光有干扰的红外光，使成像效果更清晰。

　　b. 修整进来的光线，感光芯片由感光体(CELL)构成,最好的光线是直射进来，但为了怕干扰到邻近感光体

就需要对光线加以修整，因此那片滤光片不是玻璃，而是石英片，利用石英的物理偏光特性，把进来

的光线保留直射部份，反射掉斜射部份，避免去影响旁边的感光点。

2）常见的sensor传感器主要有两种：

　　a. CCD传感器（Chagre Couled Device），即电荷耦合器。

　　b. CMOS传感器（Complementary Metal-Oxide Semiconductor），即互补性金属氧化物半导体。

CCD的优势在于成像质量好，但是制造工艺复杂，成本高昂，且耗电高。在相同分辨率下，CMOS价格

　　   比CCD便宜，但图像质量相比CCD来说要低一些。CMOS影像传感器相对CCD具有耗电低的优势，加上随

着工艺技术的进步，CMOS的画质水平也不断地在提高，所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。

3）DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSING)：

　　主要是通过一系列复杂的数学算法运算，对数字图像信号参数进行优化处理，并把处理后的信号通过USB等接口传到PC等设备。结构框架:  ISP(image signal processor)(镜像信号处理器)、JPEG encoder(JPEG图像解码器)、USB device controller(USB设备控制器)

　　对于低分辨率来说（300W像素以下）， 一般摄像头自带DSP/ISP处理模块，提供简单的自动白平衡、 gamma、sharpness等功能，而高分辨率或者需要提供更增强功能时，可以使用处理器自带的ISP模块（前提是处理器有）。

一般ISP支持输出YUV、RGB、JPEG格式。

2. 摄像头引脚作用&硬件连接：　　

　　目前摄像头接口主要采用MIPI CSI & DVP， 前者是串行（多组差分信号线）， 后者是并口传输（8/10bit）。 图3以DVP接口介绍各个引脚作用及硬件连接：

　　

DVP分为三个部分：

1）输入总线：

　　a. data为sensor的数据管脚，可输出8/10bit并口数据到处理器接受端。

　　b. VSYNC为帧同步信号管脚，一个VSYNC信号结束表示一个画面的数据已经传输完毕。

　　c. HSYNC为行同步信号管脚，一个HSYNC信号结束表示一行的数据已经传输完毕。

　　 p. PCLK为像素同步信号管脚，一个PCLK信号结束表示一个像素的数据（大小取决格式）已经传输完毕。

　　以上管脚的关系如下图：

　　　　　　　　　　　　

2）输出总线 ：

　　a. PDN(power down enable), camera使能管脚，当PDN=1时， 一切对camera操作都是无效的。

　　b. RESET， 复位管脚， 低电平有效。

　　c. XCLK(MCLK)， sensor的工作时钟管脚，可由外部晶振或者处理器提供。

　　d. I2C总线， 处理器与sensor通信管脚， 用于配置sensor。

3）Power：

　　a. AVDD 模拟电压

　　b. DOVDD GPIO口数字电压

　　c. DVDD 核工作电压

二、成像原理

　　本节主要讲解目前主流的bayer格式图片的成像原理， bayer格式图片是伊士曼·柯达公司科学家Bryce Bayer发明的，Bryce Bayer所发明的拜耳阵列被广泛运用数字图像。

　　 对于彩色图像，需要采集最基本的颜色，如RGB三种颜色，最简单的方法就是用滤镜的方法，红色的滤镜透过红色的波长，绿色的滤镜透过绿色的波长，蓝色的滤镜透过蓝色的波长。如果要同时采集三个基本色，则需要三块滤镜，这样价格昂贵，且不好制造，因为三块滤镜都必须保证每一个像素点都对齐。当用bayer格式的时候，很好的解决了这个问题。bayer 格式在每个像素（pixel）上只设置一种颜色滤镜，外部光线在每个像素点上存储是单色的， 因此经过ADC转换出来的原始数据称为RAW RGB DATA，通过分析人眼对颜色的感知发现，人眼对绿色比较敏感，所以一般bayer格式的图片绿色格式的像素是是R和B像素的和。

　　

　　当Image Sensor往外逐行输出数据时，像素的序列为GRGRGR.../BGBGBG...（交替）。这样阵列的设计，使得RGB传感器为全色传感器的1/3。

　　每一个像素仅仅包括了光谱的一部分，必须通过插值来实现每个像素的RGB值。为了从Bayer格式得到每个像素的RGB格式，我们需要通过插值填补缺失的2个色彩。插值的方法有很多（包括领域、线性、3*3等），速度与质量权衡，最好是线性插值补偿算法。

　　从图5 Sensor 像素阵列来看， 存在4中分布格式：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　

　　对于图6（a）（b）来说， G像素的R、B分量分别取两个邻域的平均値，由于存在（a）（b）两种分布情况，所以直接去4个相邻域的平均値既是G像素的R&B分量。

　　对于图6（c）来说，R像素的G分量可以取4个相邻域的平均值，B分量取外围4个域的平均值。

　　对于图6（d）来说，B像素的G分量可以取4个相邻域的平均值，R分量取外围4个域的平均值。

　　当然， RAW RGB DATA也可以转换成YUV格式或者 先转成RGB再转换YUV，就不详解了......

三、V4L2软件架构

1. 概述

Video4 for Linux 2是Linux内核中关于视频设备的内核驱动框架，为上层的访问底层的视频设备提供了统一的接口。凡是内核中的子系统都有抽象底层硬件的差异，为上层提供统一的接口和提取出公共代码避免代码冗余等。 V4L2支持三类设备：视频输入输出设备、VBI设备和radio设备(其实还支持更多类型的设备，暂不讨论)，分别会在/dev目录下产生videoX、radioX和vbiX设备节点。 图7是V4L2在linux系统中的结构图：

　　

Linux系统中视频输入设备主要包括以下四个部分：

　　字符设备驱动：V4L2本身就是一个字符设备，具有字符设备所有的特性，暴露接口给用户空间；

　　V4L2驱动核心：主要是构建一个内核中标准视频设备驱动的框架，为视频操作提供统一的接口函数；

　　平台V4L2设备驱动：在V4L2框架下，根据平台自身的特性实现与平台相关的V4L2驱动部分，包括注册video_device和v4l2_dev；

　　具体的sensor驱动：主要上电、提供工作时钟、视频图像裁剪、流IO开启等，实现各种设备控制方法供上层调用并注册v4l2_subdev。

2. 详解V4L2框架

　　v4L2的核心源码位于drivers/media/v4l2-core，根据功能可以划分为四类：

　　字符设备模块：由v4l2-dev.c实现，主要作用申请字符主设备号、注册class和提供video device注册注销等相关函数；

　　V4L2基础框架：由v4l2-device.c、v4l2-subdev.c、v4l2-fh.c、v4l2-ctrls.c等文件构建V4L2基础框架；

　　videobuf管理：由videobuf2-core.c、videobuf2-dma-contig.c、videobuf2-dma-sg.c、videobuf2-memops.c、videobuf2-vmalloc.c、v4l2-mem2mem.c等文件实现，完成videobuffer的分配、管理和注销；

　　Ioctl框架：由v4l2-ioctl.c文件实现，构建V4L2ioctl的框架。

2.1 V4L2基础框架如图8：

　　

　　上图V4L2框架是一个标准的树形结构，v4l2_device充当了父设备，通过链表把所有注册到其下的子设备管理起来，这些设备可以是GRABBER、VBI或RADIO。V4l2_subdev是子设备，v4l2_subdev结构体包含了对设备操作的ops和ctrls，这部分代码和硬件相关，需要驱动工程师根据硬件实现控制上下电、读取ID、饱和度、对比度和视频数据流打开关闭等接口函数。Video_device用于创建子设备节点，把操作设备的接口暴露给用户空间。V4l2_fh是每个子设备的文件句柄，在打开设备节点文件时设置，方便上层索引到v4l2_ctrl_handler，v4l2_ctrl_handler管理设备的ctrls，这些ctrls(摄像头设备)包括调节饱和度、对比度和白平衡等。

结构体v4l2_device、video_device、v4l2_subdev和v4l2_ctrl_handler是构成框架的主要元素，现分别介绍：

. struct v4l2_device ：
    v4l2_device在v4l2框架中充当所有v4l2_subdev的父设备，管理着注册在其下的子设备
 
struct v4l2_device {
    structlist_head subdevs;  //用链表管理注册的subdev
    charname[V4L2_DEVICE_NAME_SIZE];  //device 名字
    structkref ref;  //引用计数
    .........
};
 
    可以看出v4l2_device的主要作用是管理注册在其下的子设备，方便系统查找引用到。
v4l2_device的注册和注销：
    int v4l2_device_register(struct device*dev, struct v4l2_device *v4l2_dev)
    static void v4l2_device_release(struct kref *ref)
 
. struct v4l2_subdev ：
    v4l2_subdev代表子设备，包含了子设备的相关属性和操作。结构体原型：
 
struct v4l2_subdev {
    struct v4l2_device *v4l2_dev;  //指向父设备
    conststruct v4l2_subdev_ops *ops; //提供一些控制v4l2设备的接口
    conststruct v4l2_subdev_internal_ops *internal_ops; //向V4L2框架提供的接口函数
    structv4l2_ctrl_handler *ctrl_handler; //subdev控制接口
    charname[V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE];
    struct video_device *devnode;
    ..........
};
 
    每个子设备驱动都需要实现一个v4l2_subdev结构体，v4l2_subdev可以内嵌到其它结构体中，也可以独立使用。
    结构体中包含了对子设备操作的成员v4l2_subdev_ops和v4l2_subdev_internal_ops
            struct v4l2_subdev_ops {
                const struct v4l2_subdev_core_ops *core; //视频设备通用的操作：初始化、加载FW、上电和RESET等
                const struct v4l2_subdev_tuner_ops *tuner; //tuner特有的操作
                const struct v4l2_subdev_audio_ops *audio; //audio特有的操作
                const struct v4l2_subdev_video_ops *video; //视频设备的特有操作：裁剪图像、开关视频流等
                const struct v4l2_subdev_pad_ops *pad;
                ..........
            };
            struct v4l2_subdev_internal_ops {
                /* 当subdev注册时被调用，读取IC的ID来进行识别 */
                int(*registered)(struct v4l2_subdev *sd);
                void(*unregistered)(struct v4l2_subdev *sd);
                /* 当设备节点被打开时调用，通常会给设备上电和设置视频捕捉FMT */
                int(*open)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_subdev_fh *fh);
                int(*close)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_subdev_fh *fh);
            };
 
    视频设备通常需要实现core和video成员，这两个OPS中的操作都是可选的，但是对于视频流设备video->s_stream(开启或关闭流IO)必须要实现。v4l2_subdev_internal_ops是向V4L2框架提供的接口，只能被V4L2框架层调用。在注册或打开子设备时，进行一些辅助性操作。
    Subdev的注册和注销：
                        int v4l2_device_register_subdev(struct v4l2_device *v4l2_dev, struct v4l2_subdev *sd)
                        void v4l2_device_unregister_subdev(struct v4l2_subdev *sd)
 
. struct video_device
    video_device结构体用于在/dev目录下生成设备节点文件，把操作设备的接口暴露给用户空间
 
struct video_device
{
    const struct v4l2_file_operations *fops;  //V4L2设备操作集合
    struct cdev *cdev; //字符设备
 
    struct v4l2_device *v4l2_dev;
    struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;
 
    struct vb2_queue *queue; //指向video buffer队列
    int vfl_type;      /* device type */
 
    intminor;  //次设备号
 
    /*ioctl回调函数集，提供file_operations中的ioctl调用 */
    const struct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops;
    ..........
};
 
    Video_device分配和释放, 用于分配和释放video_device结构体：
        struct video_device *video_device_alloc(void)
        void video_device_release(struct video_device *vdev)
    video_device注册和注销，实现video_device结构体的相关成员后，就可以调用下面的接口进行注册：
        static inline int __must_check video_register_device(struct video_device *vdev, inttype, int nr)
        void video_unregister_device(struct video_device*vdev);
            vdev：需要注册和注销的video_device；
            type：设备类型，包括VFL_TYPE_GRABBER、VFL_TYPE_VBI、VFL_TYPE_RADIO和VFL_TYPE_SUBDEV。
            nr：设备节点名编号，如/dev/video[nr]。
 
. struct v4l2_ctrl_handler
    v4l2_ctrl_handler是用于保存子设备控制方法集的结构体，结构体如下：
struct v4l2_ctrl_handler {
    struct list_head ctrls;
    struct list_head ctrl_refs;
    struct v4l2_ctrl_ref *cached;
    struct v4l2_ctrl_ref **buckets;
    v4l2_ctrl_notify_fnc notify;
    u16 nr_of_buckets;
    int error;
};
 
    其中成员ctrls作为链表存储包括设置亮度、饱和度、对比度和清晰度等方法，可以通过v4l2_ctrl_new_xxx()函数创建具体方法并添加到链表ctrls。

2.2 videobuf管理

　　在讲解v4l2的buffer管理前，先介绍v4l2的IO访问， V4L2支持三种不同IO访问方式(内核中还支持了其它的访问方式，暂不讨论)：

　　read和write：是基本帧IO访问方式，通过read读取每一帧数据，数据需要在内核和用户之间拷贝，这种方式访问速度可能会非常慢；

　　内存映射缓冲区(V4L2_MEMORY_MMAP)：是在内核空间开辟缓冲区，应用通过mmap()系统调用映射到用户地址空间。这些缓冲区可以是大而连续DMA缓冲区、通过vmalloc()创建的虚拟缓冲区，或者直接在设备的IO内存中开辟的缓冲区(如果硬件支持)；

　　用户空间缓冲区(V4L2_MEMORY_USERPTR)：是用户空间的应用中开辟缓冲区，用户与内核空间之间交换缓冲区指针。很明显，在这种情况下是不需要mmap()调用的，但驱动为有效的支持用户空间缓冲区，其工作将也会更困难。

　　read和write方式属于帧IO访问方式，每一帧都要通过IO操作，需要用户和内核之间数据拷贝，而后两种是流IO访问方式，不需要内存拷贝，访问速度比较快。内存映射缓冲区访问方式是比较常用的方式。

　　现以V4L2_MEMORY_MMAP简单介绍数据流通过程：

　　　　　　　　　　　　

　　Camera sensor捕捉到图像数据通过并口或MIPI传输到CAMIF(camera interface)，CAMIF可以对图像数据进行调整(翻转、裁剪和格式转换等)。然后DMA控制器设置DMA通道请求AHB将图像数据传到分配好的DMA缓冲区。待图像数据传输到DMA缓冲区之后，mmap操作把缓冲区映射到用户空间，应用就可以直接访问缓冲区的数据。而为了使设备支持流IO这种方式，v4l2需要实现对video buffer的管理，即实现：

/* vb2_queue代表一个videobuffer队列，vb2_buffer是这个队列中的成员，vb2_mem_ops是缓冲内存的操作函数集，vb2_ops用来管理队列 */
struct vb2_queue {
    enum v4l2_buf_type type;  //buffer类型
    unsigned int io_modes;  //访问IO的方式:mmap、userptr etc
    const struct vb2_ops *ops;  //buffer队列操作函数集合
    const struct vb2_mem_ops *mem_ops;  //buffer memory操作集合
    struct vb2_buffer *bufs[VIDEO_MAX_FRAME];  //代表每个frame buffer
    unsignedint num_buffers;  //分配的buffer个数
    ..........
};
 
/* vb2_mem_ops包含了内存映射缓冲区、用户空间缓冲区的内存操作方法 */
struct vb2_mem_ops {
    void *(*alloc)(void *alloc_ctx, unsignedlong size);  //分配视频缓存
    void (*put)(void *buf_priv);  //释放视频缓存
 
    /* 获取用户空间视频缓冲区指针 */
    void *(*get_userptr)(void *alloc_ctx, unsigned long vaddr, unsignedlong size, int write);
    void (*put_userptr)(void *buf_priv);  //释放用户空间视频缓冲区指针
    /* 用于缓存同步 */
    void (*prepare)(void *buf_priv);
    void (*finish)(void *buf_priv);
    /* 缓存虚拟地址 & 物理地址 */
    void *(*vaddr)(void *buf_priv);
    void *(*cookie)(void *buf_priv);
 
    unsignedint (*num_users)(void *buf_priv);  //返回当期在用户空间的buffer数
    int (*mmap)(void *buf_priv, structvm_area_struct *vma);  //把缓冲区映射到用户空间
    ..............
};
 
/* mem_ops由kernel自身实现并提供了三种类型的视频缓存区操作方法：连续的DMA缓冲区、集散的DMA缓冲区以及vmalloc创建的缓冲区，分别由videobuf2-dma-contig.c、videobuf2-dma-sg.c和videobuf-vmalloc.c文件实现，可以根据实际情况来使用。*/
 
/* vb2_ops是用来管理buffer队列的函数集合，包括队列和缓冲区初始化等 */
struct vb2_ops {
    //队列初始化
    int(*queue_setup)(struct vb2_queue *q, const struct v4l2_format *fmt,
                       unsigned int *num_buffers, unsigned int*num_planes,
                       unsigned int sizes[], void *alloc_ctxs[]);
 
    //释放和获取设备操作锁
    void(*wait_prepare)(struct vb2_queue *q);
    void(*wait_finish)(struct vb2_queue *q);
 
    //对buffer的操作
    int(*buf_init)(struct vb2_buffer *vb);
    int(*buf_prepare)(struct vb2_buffer *vb);
    int(*buf_finish)(struct vb2_buffer *vb);
    void(*buf_cleanup)(struct vb2_buffer *vb);
 
    //开始/停止视频流
    int(*start_streaming)(struct vb2_queue *q, unsigned int count);
    int(*stop_streaming)(struct vb2_queue *q);
 
    //把VB传递给驱动，以填充frame数据
    void(*buf_queue)(struct vb2_buffer *vb);
};

　　

　　一个frame buffer(vb2_buffer/v4l2_buffer)可以有三种状态：

　　　　1. 在驱动的输入队列中，驱动程序将会对此队列中的缓冲区进行处理，用户空间通过IOCTL:VIDIOC_QBUF 把缓冲区放入到队列。对于一个视频捕获设备，传入队列中的缓冲区是空的，驱动会往其中填充数据；

　　　　2. 在驱动的输出队列中，这些缓冲区已由驱动处理过，对于一个视频捕获设备，缓存区已经填充了视频数据，正等用户空间来认领；

　　　　3. 用户空间状态的队列，已经通过IOCTL:VIDIOC_DQBUF传出到用户空间的缓冲区，此时缓冲区由用户空 间拥有，驱动无法访问。

　　这三种状态的切换如下图所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　

　　

最终落脚点的struct v4l2_buffer结构如下：

struct v4l2_buffer {
    __u32 index;  //buffer 序号
    __u32 type;  //buffer类型
    __u32 bytesused;  //缓冲区已使用byte数
    structtimeval timestamp;  //时间戳，代表帧捕获的时间
 
    __u32 memory;  //表示缓冲区是内存映射缓冲区还是用户空间缓冲区
    union {
        __u32 offset;  //内核缓冲区的位置
        unsignedlong userptr;   //缓冲区的用户空间地址
        structv4l2_plane *planes;
        __s32 fd;
    } m;
    __u32 length;   //缓冲区大小，单位byte
};

　　当用户空间拿到v4l2_buffer，可以获取到缓冲区的相关信息。Byteused是图像数据所占的字节数，如果是V4L2_MEMORY_MMAP方式，m.offset是内核空间图像数据存放的开始地址，会传递给mmap函数作为一个偏移，通过mmap映射返回一个缓冲区指针p，p+byteused是图像数据在进程的虚拟地址空间所占区域；如果是用户指针缓冲区的方式，可以获取的图像数据开始地址的指针m.userptr，userptr是一个用户空间的指针，userptr+byteused便是所占的虚拟地址空间，应用可以直接访问

2.3 Ioctl框架如图：

　　

　　用户空间通过打开/dev/目录下的设备节点，获取到文件的file结构体，通过系统调用ioctl把cmd和arg传入到内核。通过一系列的调用后最终会调用到__video_do_ioctl函数，然后通过cmd检索v4l2_ioctls[]，判断是INFO_FL_STD还是INFO_FL_FUNC。如果是INFO_FL_STD会直接调用到视频设备驱动中video_device->v4l2_ioctl_ops函数集。如果是INFO_FL_FUNC会先调用到v4l2自己实现的标准回调函数，然后根据arg再调用到video_device->v4l2_ioctl_ops或v4l2_fh->v4l2_ctrl_handler函数集。

四、用户空间访问 camera & 示例程序

/*
 *  V4L2 video capture example
 *
 *  This program can be used and distributed without restrictions.
 *
 *      This program is provided with the V4L2 API
 * see http://linuxtv.org/docs.php for more information
 */  
 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>  
 
#include <getopt.h>             /* getopt_long() */  
 
#include <fcntl.h>              /* low-level i/o */
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>  
 
#define CLEAR(x) memset(&(x), 0, sizeof(x))  
 
enum io_method {
        IO_METHOD_READ,
        IO_METHOD_MMAP,
        IO_METHOD_USERPTR,
};  
 
struct buffer {
        void   *start;
        size_t  length;
};  
 
static char            *dev_name;
static enum io_method   io = IO_METHOD_MMAP;
static int              fd = -;
struct buffer          *buffers;
static unsigned int     n_buffers;
static int              out_buf;
static int              force_format;
static int              frame_count = ;  
 
static void errno_exit(const char *s)
{
        fprintf(stderr, "%s error %d, %s\n", s, errno, strerror(errno));
        exit(EXIT_FAILURE);
}  
 
static int xioctl(int fh, int request, void *arg)
{
        int r;  
 
        do {
                r = ioctl(fh, request, arg);
        } while (- == r && EINTR == errno);  
 
        return r;
}  
 
static void process_image(const void *p, int size)
{
        if (out_buf)
                fwrite(p, size, , stdout);  
 
        fflush(stderr);
        fprintf(stderr, ".");
        fflush(stdout);
}  
 
static void store_image(const char *buf_start, int size, int index)
{
    char path[];
 
    snprintf(path, sizeof(path), "./yuyv%d.yuv", index);
    int fd = open(path, O_WRONLY|O_CREAT, );
        if (- == fd) {
                fprintf(stderr, "Cannot open '%s': %d, %s\n",
                         path, errno, strerror(errno));
                exit(EXIT_FAILURE);
        }  
 
    write(fd, buf_start, size);
    close(fd);
}
 
static int read_frame(void)
{
        struct v4l2_buffer buf;
        unsigned int i;  
 
        switch (io) {
        case IO_METHOD_READ:
                if (- == read(fd, buffers[].start, buffers[].length)) {
                        switch (errno) {
                        case EAGAIN:
                                return ;  
 
                        case EIO:
                                /* Could ignore EIO, see spec. */  
 
                                /* fall through */  
 
                        default:
                                errno_exit("read");
                        }
                }  
 
                process_image(buffers[].start, buffers[].length);
                break;  
 
        case IO_METHOD_MMAP:
                CLEAR(buf);  
 
                buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf)) {
                        switch (errno) {
                        case EAGAIN:
                                return ;  
 
                        case EIO:
                                /* Could ignore EIO, see spec. */  
 
                                /* fall through */  
 
                        default:
                                errno_exit("VIDIOC_DQBUF");
                        }
                }
                assert(buf.index < n_buffers);  
 
          //printf("buf.bytesused = %d\n", buf.bytesused);
                process_image(buffers[buf.index].start, buf.bytesused);
        store_image(buffers[buf.index].start, buf.bytesused, buf.index);
 
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
                        errno_exit("VIDIOC_QBUF");
                break;  
 
        case IO_METHOD_USERPTR:
                CLEAR(buf);  
 
                buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                buf.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;  
 
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf)) {
                        switch (errno) {
                        case EAGAIN:
                                return ;  
 
                        case EIO:
                                /* Could ignore EIO, see spec. */  
 
                                /* fall through */  
 
                        default:
                                errno_exit("VIDIOC_DQBUF");
                        }
                }  
 
                for (i = ; i < n_buffers; ++i)
                        if (buf.m.userptr == (unsigned long)buffers[i].start
                            && buf.length == buffers[i].length)
                                break;  
 
                assert(i < n_buffers);  
 
                process_image((void *)buf.m.userptr, buf.bytesused);  
 
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
                        errno_exit("VIDIOC_QBUF");
                break;
        }  
 
        return ;
}  
 
/* two operations
 * step1 : delay
 * step2 : read frame
 */
static void mainloop(void)
{
        unsigned int count;  
 
        count = frame_count;  
 
        while (count-- > ) {
                for (;;) {
                        fd_set fds;
                        struct timeval tv;
                        int r;  
 
                        FD_ZERO(&fds);
                        FD_SET(fd, &fds);  
 
                        /* Timeout. */
                        tv.tv_sec = ;
                        tv.tv_usec = ;  
 
                        r = select(fd + , &fds, NULL, NULL, &tv);  
 
                        if (- == r) {
                                if (EINTR == errno)
                                        continue;
                                errno_exit("select");
                        }  
 
                        if ( == r) {
                                fprintf(stderr, "select timeout\n");
                                exit(EXIT_FAILURE);
                        }  
 
                        if (read_frame())
                                break;
                        /* EAGAIN - continue select loop. */
                }
        }
}
/*
 * one operation
 * step1 : VIDIOC_STREAMOFF
 */
static void stop_capturing(void)
{
        enum v4l2_buf_type type;
        switch (io) {
        case IO_METHOD_READ:
                /* Nothing to do. */
                break;  
 
        case IO_METHOD_MMAP:
        case IO_METHOD_USERPTR:
                type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type))
                        errno_exit("VIDIOC_STREAMOFF");
                break;
        }
}  
 
/* tow operations
 * step1 : VIDIOC_QBUF(insert buffer to queue)
 * step2 : VIDIOC_STREAMOFF
 */
static void start_capturing(void)
{
        unsigned int i;
        enum v4l2_buf_type type;  
 
        switch (io) {
        case IO_METHOD_READ:
                /* Nothing to do. */
                break;  
 
        case IO_METHOD_MMAP:
                for (i = ; i < n_buffers; ++i) {
                        struct v4l2_buffer buf;  
 
                        CLEAR(buf);
                        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                        buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
                        buf.index = i;  
 
                        if (- == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
                                errno_exit("VIDIOC_QBUF");
                }
                type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type))
                        errno_exit("VIDIOC_STREAMON");
        break;  
 
        case IO_METHOD_USERPTR:
                for (i = ; i < n_buffers; ++i) {
                        struct v4l2_buffer buf;  
 
                        CLEAR(buf);
                        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                        buf.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;
                        buf.index = i;
                        buf.m.userptr = (unsigned long)buffers[i].start;
                        buf.length = buffers[i].length;  
 
                        if (- == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
                                errno_exit("VIDIOC_QBUF");
                }
                type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type))
                        errno_exit("VIDIOC_STREAMON");
                break;
        }
}  
 
/* two operations
 * step1 : munmap buffers
 * steo2 : free buffers
 */
static void uninit_device(void)
{
        unsigned int i;  
 
        switch (io) {
        case IO_METHOD_READ:
                free(buffers[].start);
                break;  
 
        case IO_METHOD_MMAP:
                for (i = ; i < n_buffers; ++i)
                        if (- == munmap(buffers[i].start, buffers[i].length))
                                errno_exit("munmap");
                break;  
 
        case IO_METHOD_USERPTR:
                for (i = ; i < n_buffers; ++i)
                        free(buffers[i].start);
                break;
        }  
 
        free(buffers);
}  
 
static void init_read(unsigned int buffer_size)
{
        buffers = calloc(, sizeof(*buffers));  
 
        if (!buffers) {
                fprintf(stderr, "Out of memory\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }  
 
        buffers[].length = buffer_size;
        buffers[].start = malloc(buffer_size);  
 
        if (!buffers[].start) {
                fprintf(stderr, "Out of memory\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
}  
 
static void init_mmap(void)
{
        struct v4l2_requestbuffers req;  
 
        CLEAR(req);  
 
        req.count = ;
        req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;  
 
        if (- == xioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req)) {
                if (EINVAL == errno) {
                        fprintf(stderr, "%s does not support "
                                 "memory mapping\n", dev_name);
                        exit(EXIT_FAILURE);
                } else {
                        errno_exit("VIDIOC_REQBUFS");
                }
        }  
 
        if (req.count < ) {
                fprintf(stderr, "Insufficient buffer memory on %s\n",
                         dev_name);
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        buffers = calloc(req.count, sizeof(*buffers));  
 
        if (!buffers) {
                fprintf(stderr, "Out of memory\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }  
 
        for (n_buffers = ; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {
                struct v4l2_buffer buf;  
 
                CLEAR(buf);  
 
                buf.type        = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                buf.memory      = V4L2_MEMORY_MMAP;
                buf.index       = n_buffers;  
 
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf))
                        errno_exit("VIDIOC_QUERYBUF");  
 
                buffers[n_buffers].length = buf.length;
        printf("buffers[%d].length=%d\n", n_buffers, buffers[n_buffers].length);
                buffers[n_buffers].start =
                        mmap(NULL /* start anywhere */,
                              buf.length,
                              PROT_READ | PROT_WRITE /* required */,
                              MAP_SHARED /* recommended */,
                              fd, buf.m.offset);  
 
                if (MAP_FAILED == buffers[n_buffers].start)
                        errno_exit("mmap");
        }
}  
 
static void init_userp(unsigned int buffer_size)
{
        struct v4l2_requestbuffers req;  
 
        CLEAR(req);  
 
        req.count  = ;
        req.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        req.memory = V4L2_MEMORY_USERPTR;  
 
        if (- == xioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req)) {
                if (EINVAL == errno) {
                        fprintf(stderr, "%s does not support "
                                 "user pointer i/o\n", dev_name);
                        exit(EXIT_FAILURE);
                } else {
                        errno_exit("VIDIOC_REQBUFS");
                }
        }  
 
        buffers = calloc(, sizeof(*buffers));  
 
        if (!buffers) {
                fprintf(stderr, "Out of memory\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }  
 
        for (n_buffers = ; n_buffers < ; ++n_buffers) {
                buffers[n_buffers].length = buffer_size;
                buffers[n_buffers].start = malloc(buffer_size);  
 
                if (!buffers[n_buffers].start) {
                        fprintf(stderr, "Out of memory\n");
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
        }
}  
 
/* five operations
 * step1 : cap :query camera's capability and check it(is a video device? is it support read? is it support streaming?)
 * step2 : cropcap:set cropcap's type and get cropcap by VIDIOC_CROPCAP
 * step3 : set crop parameter by VIDIOC_S_CROP (such as frame type and angle)
 * step4 : set fmt
 * step5 : mmap
 */
static void init_device(void)
{
        struct v4l2_capability cap;
        struct v4l2_cropcap cropcap;
        struct v4l2_crop crop;
        struct v4l2_format fmt;
        unsigned int min; 
 
        if (- == xioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap)) {
                if (EINVAL == errno) {
                        fprintf(stderr, "%s is no V4L2 device\n",
                                 dev_name);
                        exit(EXIT_FAILURE);
                } else {
                        errno_exit("VIDIOC_QUERYCAP");
                }
        }
        if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)) {
                fprintf(stderr, "%s is no video capture device\n",
                         dev_name);
                exit(EXIT_FAILURE);
        }  
 
        switch (io) {
        case IO_METHOD_READ:
                if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_READWRITE)) {
                        fprintf(stderr, "%s does not support read i/o\n",
                                 dev_name);
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
                break;  
 
        case IO_METHOD_MMAP:
        case IO_METHOD_USERPTR:
                if (!(cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING)) {
                        fprintf(stderr, "%s does not support streaming i/o\n",
                                 dev_name);
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
                break;
        }  
 
        /* Select video input, video standard and tune here. */
        CLEAR(cropcap);  
 
        cropcap.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        /* if device support cropcap's type then set crop */
        if ( == xioctl(fd, VIDIOC_CROPCAP, &cropcap)) {
                crop.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
                crop.c = cropcap.defrect; /* reset to default */  
 
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_S_CROP, &crop)) {
                        switch (errno) {
                        case EINVAL:
                                /* Cropping not supported. */
                                break;
                        default:
                                /* Errors ignored. */
                                break;
                        }
                }
        } else {
                /* Errors ignored. */
        }  
 
        CLEAR(fmt);  
 
        fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        if (force_format) {
                fmt.fmt.pix.width       = ;
                fmt.fmt.pix.height      = ;
                fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
                fmt.fmt.pix.field       = V4L2_FIELD_INTERLACED; 
 
          printf("set %d*%d YUYV format\n", fmt.fmt.pix.width, fmt.fmt.pix.height);
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt))
                        errno_exit("VIDIOC_S_FMT");  
 
                /* Note VIDIOC_S_FMT may change width and height. */
        } else {
                /* Preserve original settings as set by v4l2-ctl for example */
                if (- == xioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt))
                        errno_exit("VIDIOC_G_FMT");
        }  
 
        /* Buggy driver paranoia. */
        min = fmt.fmt.pix.width * ;
        if (fmt.fmt.pix.bytesperline < min)
                fmt.fmt.pix.bytesperline = min;
        min = fmt.fmt.pix.bytesperline * fmt.fmt.pix.height;
        if (fmt.fmt.pix.sizeimage < min)
                fmt.fmt.pix.sizeimage = min;  
 
        switch (io) {
        case IO_METHOD_READ:
                init_read(fmt.fmt.pix.sizeimage);
                break;  
 
        case IO_METHOD_MMAP:
                init_mmap();
                break;  
 
        case IO_METHOD_USERPTR:
                init_userp(fmt.fmt.pix.sizeimage);
                break;
        }
}  
 
/*
 * close (fd)
 */
static void close_device(void)
{
        if (- == close(fd))
                errno_exit("close");  
 
        fd = -;
}  
 
/* three operations
 * step 1 : check dev_name and st_mode
 * step 2 : open(device)
 */
static void open_device(void)
{
        struct stat st;  
 
        if (- == stat(dev_name, &st)) {
                fprintf(stderr, "Cannot identify '%s': %d, %s\n",
                         dev_name, errno, strerror(errno));
                exit(EXIT_FAILURE);
        }  
 
        if (!S_ISCHR(st.st_mode)) {
                fprintf(stderr, "%s is no device\n", dev_name);
                exit(EXIT_FAILURE);
        }  
 
        fd = open(dev_name, O_RDWR /* required */ | O_NONBLOCK, );  
 
        if (- == fd) {
                fprintf(stderr, "Cannot open '%s': %d, %s\n",
                         dev_name, errno, strerror(errno));
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
}  
 
static void usage(FILE *fp, int argc, char **argv)
{
        fprintf(fp,
                 "Usage: %s [options]\n\n"
                 "Version 1.3\n"
                 "Options:\n"
                 "-d | --device name   Video device name [%s]\n"
                 "-h | --help          Print this message\n"
                 "-m | --mmap          Use memory mapped buffers [default]\n"
                 "-r | --read          Use read() calls\n"
                 "-u | --userp         Use application allocated buffers\n"
                 "-o | --output        Outputs stream to stdout\n"
                 "-f | --format        Force format to 640x480 YUYV\n"
                 "-c | --count         Number of frames to grab [%i]\n"
                 "",
                 argv[], dev_name, frame_count);
}  
 
static const char short_options[] = "d:hmruofc:";  
 
static const struct option
long_options[] = {
        { "device", required_argument, NULL, 'd' },
        { "help",   no_argument,       NULL, 'h' },
        { "mmap",   no_argument,       NULL, 'm' },
        { "read",   no_argument,       NULL, 'r' },
        { "userp",  no_argument,       NULL, 'u' },
        { "output", no_argument,       NULL, 'o' },
        { "format", no_argument,       NULL, 'f' },
        { "count",  required_argument, NULL, 'c' },
        { , , ,  }
};  
 
int main(int argc, char **argv)
{
        dev_name = "/dev/video0";  
 
        for (;;) {
                int idx;
                int c;  
 
                c = getopt_long(argc, argv,
                                short_options, long_options, &idx);  
 
                if (- == c)
                        break;  
 
                switch (c) {
                case : /* getopt_long() flag */
                        break;  
 
                case 'd':
                        dev_name = optarg;
                        break;  
 
                case 'h':
                        usage(stdout, argc, argv);
                        exit(EXIT_SUCCESS);  
 
                case 'm':
                        io = IO_METHOD_MMAP;
                        break;  
 
                case 'r':
                        io = IO_METHOD_READ;
                        break;  
 
                case 'u':
                        io = IO_METHOD_USERPTR;
                        break;  
 
                case 'o':
                        out_buf++;
                        break;  
 
                case 'f':
                        force_format++;
                        break;  
 
                case 'c':
                        errno = ;
                        frame_count = strtol(optarg, NULL, );
                        if (errno)
                                errno_exit(optarg);
                        break;  
 
                default:
                        usage(stderr, argc, argv);
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
        }  
 
        open_device();
    init_device(); 
 
        start_capturing();
        mainloop();
        stop_capturing();
        uninit_device();
        close_device();
        fprintf(stderr, "\n");
        return ;
} 

　　

/ # ./a.out -f
set 640*480 YUYV format
buffers[0].length=614400
buffers[1].length=614400
buffers[2].length=614400
buffers[3].length=614400
....
/ # sz yuyv2.yuv

用图片查看器“RawImageViewer.exe” ：（由于我的摄像头配置成扫码模式 所以是黑白图）