基于ZedBoard的Webcam设计(一)：USB摄像头(V4L2接口)的图片采集【转】

转自：http://www.cnblogs.com/surpassal/archive/2012/12/19/zed_webcam_lab1.html

一直想把USB摄像头接到Zedboard上，搭建一个简易视频监控系统方便后续做视频处理。Xilinx官方给出了一个Webcam摄像头监控的例子，跑的是linaro，不知道是我的SD卡问题还是摄像头的问题，播放视频的时候总是会很卡，而且突然系统就死掉了。还是很喜欢自己动手，能学到新东西。Digilent官方给的OOB设计，那个精简的linux足够做简单的linux开发了，而且OOB设计中USB驱动和V4L(Video for Linux)都提供好了。这几天找了一些的V4L的资料，完成了摄像头的单帧图片采集，接下来要做的是QT界面显示和视频流的显示了，最终的计划是完成视频采集、编码、存储和以太网传输。希望能有时间和精力完成这么多。先把这几天的做的东西整理出来和大家分享。为了方便大家对程序的理解，先简单介绍一下linux下的V4L2的一些知识，然后再详细介绍V4L2编程。

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硬件平台：Digilent ZedBoard + USB 摄像头

开发环境：Windows XP 32 bit + Wmare 8.0 + Ubuntu 10.04 + arm-linux-xilinx-gnueabi交叉编译环境

Zedboard linux: Digilent OOB Design 

一、一些知识

1、V4L和V4L2。

V4L是Linux环境下开发视频采集设备驱动程序的一套规范(API)，它为驱动程序的编写提供统一的接口，并将所有的视频采集设备的驱动程序都纳入其的管理之中。V4L不仅给驱动程序编写者带来极大的方便，同时也方便了应用程序的编写和移植。V4L2是V4L的升级版，由于我们使用的OOB是3.3的内核，不再支持V4L，因而编程不再考虑V4L的api和参数定义。

2、YUYV与RGB24

RGB是一种颜色的表示法，计算机中一般采用24位来存储，每个颜色占8位。YUV也是一种颜色空间，为什么要出现YUV,主要有两个原因，一个是为了让彩色信号兼容黑白电视机，另外一个原因是为了减少传输的带宽。YUV中，Y表示亮度，U和V表示色度，总之它是将RGB信号进行了一种处理，根据人对亮度更敏感些，增加亮度的信号，减少颜色的信号，以这样“欺骗”人的眼睛的手段来节省空间。YUV到RGB颜色空间转换关系是：

R = Y + 1.042*(V-128);
G = Y - 0.34414*(U-128) - 0.71414*(V-128);
B = Y + 1.772*(U-128);

YUV的格式也很多，不过常见的就是422、420等。YUYV就是422形式，简单来说就是，两个像素点P1、P2本应该有Y1、U1、V1和Y2、U2、V2这六个分量，但是实际只保留Y1、U1、Y2、V2。

图1 YUYV像素

二、应用程序设计

先定义一些宏和结构体，方便后续编程

 1 #define  TRUE    1
 2 #define  FALSE    0
 3
 4 #define FILE_VIDEO     "/dev/video0"
 5 #define BMP          "/usr/image_bmp.bmp"
 6 #define YUV            "/usr/image_yuv.yuv"
 7
 8 #define  IMAGEWIDTH    640
 9 #define  IMAGEHEIGHT   480
10
11 static   int      fd;
12 static   struct   v4l2_capability   cap;
13 struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
14 struct v4l2_format fmt,fmtack;
15 struct v4l2_streamparm setfps;
16 struct v4l2_requestbuffers req;
17 struct v4l2_buffer buf;
18 enum v4l2_buf_type type;
19 unsigned char frame_buffer[IMAGEWIDTH*IMAGEHEIGHT*3];

其中

#define FILE_VIDEO     "/dev/video0"

是要访问的摄像头设备，默人都是/dev/video0

#define BMP          "/usr/image_bmp.bmp"
#define YUV          "/usr/image_yuv.yuv"

是采集后存储的图片，为了方便测试，这里将直接获取的yuv格式数据也保存成文件，可以通过yuvviewer等查看器查看。

static   int      fd;
static   struct   v4l2_capability   cap;
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
struct v4l2_format fmt,fmtack;
struct v4l2_streamparm setfps;
struct v4l2_requestbuffers req;
struct v4l2_buffer buf;
enum v4l2_buf_type type;

这些结构体的定义都可以从/usr/include/linux/videodev2.h中找到定义，具体含义在后续编程会做相应解释。

#define  IMAGEWIDTH    640
#define  IMAGEHEIGHT   480

为采集图像的大小。

定义一个frame_buffer，用来缓存RGB颜色数据

unsigned char frame_buffer[IMAGEWIDTH*IMAGEHEIGHT*3]

这些宏和定义结束后，就可以开始编程配置摄像头并采集图像了。一般来说V4L2采集视频数据分为五个步骤：首先，打开视频设备文件，进行视频采集的参数初始化，通过V4L2接口设置视频图像的采集窗口、采集的点阵大小和格式;其次，申请若干视频采集的帧缓冲区，并将这些帧缓冲区从内核空间映射到用户空间，便于应用程序读取/处理视频数据;第三，将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列排队，并启动视频采集;第四，驱动开始视频数据的采集，应用程序从视频采集输出队列取出帧缓冲区，处理完后，将帧缓冲区重新放入视频采集输入队列，循环往复采集连续的视频数据;第五，停止视频采集。在本次设计中，定义了三个函数实现对摄像头的配置和采集。

int init_v4l2(void);
int v4l2_grab(void);
int close_v4l2(void);

同时由于采集到的图像数据是YUYV格式，需要进行颜色空间转换，定义了转换函数。

int yuyv_2_rgb888(void);

下面就详细介绍这几个函数的实现。

1、初始化V4l2

(1)打开视频。linux对摄像头的访问和普通设备一样，使用open函数就可以，返回值是设备的id。

1 if ((fd = open(FILE_VIDEO, O_RDWR)) == -1)
2 {
3     printf("Error opening V4L interface\n");
4     return (FALSE);
5 }

(2)读video_capability中信息。通过调用IOCTL函数和接口命令VIDIOC_QUERYCAP查询摄像头的信息，结构体v4l2_capability中有包括驱动名称driver、card、bus_info、version以及属性capabilities。这里我们需要检查一下是否是为视频采集设备V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE以及是否支持流IO操作V4L2_CAP_STREAMING。

 1 if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) == -1)
 2 {
 3     printf("Error opening device %s: unable to query device.\n",FILE_VIDEO);
 4     return (FALSE);
 5 }
 6 else
 7 {
 8      printf("driver:\t\t%s\n",cap.driver);
 9      printf("card:\t\t%s\n",cap.card);
10      printf("bus_info:\t%s\n",cap.bus_info);
11      printf("version:\t%d\n",cap.version);
12      printf("capabilities:\t%x\n",cap.capabilities);
13
14      if ((cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE) == V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)
15      {
16         printf("Device %s: supports capture.\n",FILE_VIDEO);
17     }
18
19     if ((cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING) == V4L2_CAP_STREAMING)
20     {
21         printf("Device %s: supports streaming.\n",FILE_VIDEO);
22     }
23 } 

(3)列举摄像头所支持像素格式。使用命令VIDIOC_ENUM_FMT，获取到的信息通过结构体v4l2_fmtdesc查询。这步很关键，不同的摄像头可能支持的格式不一样，V4L2可以支持的格式很多，/usr/include/linux/videodev2.h文件中可以看到。

1 fmtdesc.index=0;
2 fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
3 printf("Support format:\n");
4 while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
5 {
6     printf("\t%d.%s\n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);
7     fmtdesc.index++;
8 }

(4)设置像素格式。一般的USB摄像头都会支持YUYV，有些还支持其他的格式。通过前一步对摄像头所支持像素格式查询，下面需要对格式进行设置。命令为VIDIOC_S_FMT，通过结构体v4l2_format把图像的像素格式设置为V4L2_PIX_FMT_YUYV，高度和宽度设置为IMAGEHEIGHT和IMAGEWIDTH。一般情况下一个摄像头所支持的格式是不可以随便更改的，我尝试把把一个只支持YUYV和MJPEG的摄像头格式改为RGB24或者JPEG，都没有成功。

 1 fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 2 fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
 3 fmt.fmt.pix.height = IMAGEHEIGHT;
 4 fmt.fmt.pix.width = IMAGEWIDTH;
 5 fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
 6
 7 if(ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) == -1)
 8 {
 9     printf("Unable to set format\n");
10     return FALSE;
11 }     

为了确保设置的格式作用到摄像头上，再通过命令VIDIOC_G_FMT将摄像头设置读取回来。

 1 if(ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt) == -1)
 2 {
 3     printf("Unable to get format\n");
 4     return FALSE;
 5 }
 6 {
 7      printf("fmt.type:\t\t%d\n",fmt.type);
 8      printf("pix.pixelformat:\t%c%c%c%c\n",fmt.fmt.pix.pixelformat & 0xFF, (fmt.fmt.pix.pixelformat >> 8) & 0xFF,(fmt.fmt.pix.pixelformat >> 16) & 0xFF, (fmt.fmt.pix.pixelformat >> 24) & 0xFF);
 9      printf("pix.height:\t\t%d\n",fmt.fmt.pix.height);
10      printf("pix.width:\t\t%d\n",fmt.fmt.pix.width);
11      printf("pix.field:\t\t%d\n",fmt.fmt.pix.field);
12 }

完整的初始化代码如下：

2、图像采集

(1)申请缓存区。使用参数VIDIOC_REQBUFS和结构体v4l2_requestbuffers。v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量，系统会据此申请对应数量的视频缓存。

1 req.count=4;
2 req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
3 req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
4 if(ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req)==-1)
5 {
6     printf("request for buffers error\n");
7
8 }

(2)获取每个缓存的信息，并mmap到用户空间。定义结构体

struct buffer
{
    void * start;
    unsigned int length;
} * buffers;

来存储mmap后的地址信息。需要说明的是由于mmap函数定义时返回的地址是个void *，因而这里面的start也是个 void *。实际地址在运行的时候会自动分配。

 1 for (n_buffers = 0; n_buffers < req.count; n_buffers++)
 2 {
 3     buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 4     buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
 5     buf.index = n_buffers;
 6     //query buffers
 7     if (ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1)
 8     {
 9         printf("query buffer error\n");
10         return(FALSE);
11     }
12
13     buffers[n_buffers].length = buf.length;
14     //map
15     buffers[n_buffers].start = mmap(NULL,buf.length,PROT_READ |PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);
16     if (buffers[n_buffers].start == MAP_FAILED)
17     {
18         printf("buffer map error\n");
19         return(FALSE);
20     }
21 }

(3) 之后就可以开始采集视频了。使用命令VIDIOC_STREAMON。

1 type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
2 ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type);

(4)取出缓存中已经采样的缓存。使用命令VIDIOC_DQBUF。视频数据存放的位置是buffers[n_buffers].start的地址处。

1 ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);

完整的采集代码：

3、YUYV转RGB24

由于摄像头采集的数据格式为YUYV，为了方便后续设计，需要转变为RGB24，并将转换完成的数据存储到frame_buffer中。值得一提的是，由于定义的时候buffers[index].start是个void *，没有办法进行+1这样的操作，需要强制转换为

char * pointer
pointer = buffers[0].start

由于后续RGB的数据要存储到BMP中，而BMP文件中颜色数据是“倒序”，即从下到上，从左到右，因而在向frame_buffer写数据时是从最后一行最左测开始写，每写满一行行数减一。

4、停止采集和关闭设备

使用命令VIDIOC_STREAMOFF停止视频采集，并关闭设备。

 1 int close_v4l2(void)
 2 {
 3     ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);
 4     if(fd != -1)
 5      {
 6          close(fd);
 7          return (TRUE);
 8      }
 9      return (FALSE);
10 }

5、主函数

需要把我们采集到图像数据存储成图片，为了方便调试，先将原始的数据存储为yuv格式文件，再将转换成RGB后的数据存储为BMP。定义BMP头结构体

 1 typedef struct tagBITMAPFILEHEADER{
 2      WORD    bfType;                // the flag of bmp, value is "BM"
 3      DWORD    bfSize;                // size BMP file ,unit is bytes
 4      DWORD    bfReserved;            // 0
 5      DWORD    bfOffBits;             // must be 54
 6
 7 }BITMAPFILEHEADER;
 8
 9
10 typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
11      DWORD    biSize;                // must be 0x28
12      DWORD    biWidth;           //
13      DWORD    biHeight;          //
14      WORD        biPlanes;          // must be 1
15      WORD        biBitCount;            //
16      DWORD    biCompression;         //
17      DWORD    biSizeImage;       //
18      DWORD    biXPelsPerMeter;   //
19      DWORD    biYPelsPerMeter;   //
20      DWORD    biClrUsed;             //
21      DWORD    biClrImportant;        //
22 }BITMAPINFOHEADER;

完整的主函数

//@超群天晴
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int main(void)
{

    FILE * fp1,* fp2;

    BITMAPFILEHEADER   bf;
    BITMAPINFOHEADER   bi;

    fp1 = fopen(BMP, "wb");
    if(!fp1)
    {
        printf("open "BMP"error\n");
        return(FALSE);
    }

    fp2 = fopen(YUV, "wb");
    if(!fp2)
    {
        printf("open "YUV"error\n");
        return(FALSE);
    }

    if(init_v4l2() == FALSE)
    {
         return(FALSE);
    }

    //Set BITMAPINFOHEADER
    bi.biSize = 40;
    bi.biWidth = IMAGEWIDTH;
    bi.biHeight = IMAGEHEIGHT;
    bi.biPlanes = 1;
    bi.biBitCount = 24;
    bi.biCompression = 0;
    bi.biSizeImage = IMAGEWIDTH*IMAGEHEIGHT*3;
    bi.biXPelsPerMeter = 0;
    bi.biYPelsPerMeter = 0;
    bi.biClrUsed = 0;
    bi.biClrImportant = 0;

    //Set BITMAPFILEHEADER
    bf.bfType = 0x4d42;
    bf.bfSize = 54 + bi.biSizeImage;
    bf.bfReserved = 0;
    bf.bfOffBits = 54;

    v4l2_grab();
    fwrite(buffers[0].start, 640*480*2, 1, fp2);
    printf("save "YUV"OK\n");

    yuyv_2_rgb888();
    fwrite(&bf, 14, 1, fp1);
    fwrite(&bi, 40, 1, fp1);
    fwrite(frame_buffer, bi.biSizeImage, 1, fp1);
    printf("save "BMP"OK\n");

    fclose(fp1);
    fclose(fp2);
    close_v4l2();

    return(TRUE);
}

 三、PC测试

程序编写完后，可以先在PC上做测试(实际整个调试过程都是在PC上，直道最后PC上能实现功能再挪到ZedBoard上的)。PC上测试的结果

在/usr目录下可以查看到采集到的图片

四、Zedboard测试

PC上测试OK后，可以“挪”到ZedBoard上了。使用arm-xilinx-linux交叉编译环境对源文件进行交叉编译，将生成的可执行文件拷贝到ZedBoard上运行即可。

使用命令

arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc v4l2grab.c -o zed-camera

对程序进行编译，编译通过后将生成的可执行文件zed-camera拷贝到到ZedBoard上，并将USB摄像头连接到ZedBoard上，通过命令

ls /dev 

查看dev目录下的是否有video0设备。如果有，可以运行可执行文件了。在运行前我比较习惯获得可执行文件的权限，使用命令

chmod +x zed-camera

参数+x的意思是这个文件对于当前用户是可执行的。也可以使用

chmod 777 zed-camera

这样所有用户都有读写执行的权限。使用命令

./zed-camera

执行可执行程序，程序运行，并输出以下信息：

zynq> ./zed-camera
[  318.290000] usb 1-1.3: reset high-speed USB device number 3 using xusbps-ehci

driver:         uvcvideo
card:           UVC Camera (046d:0825)
bus_info:       usb-xusbps-ehci.0-1.3
version:        197376
capabilities:   4000001
Device /dev/video0: supports capture.
Device /dev/video0: supports streaming.
Support format:
        1.YUV 4:2:2 (YUYV)
        2.MJPEG
fmt.type:               1
pix.pixelformat:        YUYV
pix.height:             480
pix.width:              640
pix.field:              1
init /dev/video0        [OK]
grab yuyv OK
save /usr/image_yuv.yuv OK
change to RGB OK
save /usr/image_bmp.bmp OK

可以看到我使用的USB摄像支持YUYV和MJPEG两种格式。我也试过其他USB摄像头，大部分都只支持YUYV而不支持MJPEG或者RGB24。

采集到的图片默认是在/usr目录下的，将其拷贝出来

cp /usr/image* /mnt

再PC上查看，效果还不错

=============================

完整工程和代码：lab_v4l2_yuyv.zip

可以指定任意分辨率摄像头的代码：v4l2grab_Anysize.rar 《感谢@jiaquwang分享》