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 48010 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 //map15 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 * pointerpointer = 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 0x2812 DWORD biWidth; //13 DWORD biHeight; //14 WORD biPlanes; // must be 115 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-ehcidriver: uvcvideocard: UVC Camera (046d:0825)bus_info: usb-xusbps-ehci.0-1.3version: 197376capabilities: 4000001Device /dev/video0: supports capture.Device /dev/video0: supports streaming.Support format: 1.YUV 4:2:2 (YUYV) 2.MJPEGfmt.type: 1pix.pixelformat: YUYVpix.height: 480pix.width: 640pix.field: 1init /dev/video0 [OK]grab yuyv OKsave /usr/image_yuv.yuv OKchange to RGB OKsave /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
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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》
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