V4L2框架概述 Xilinx视频编解码详解，V4L2

1、V4L2框架概述

V4L2是Video for Linux2的简称,为Linux中关于视频设备的内核驱动。在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写。

1.1 V4L2设备应用层流程

注册的设备节点有/dev/video和/dev/v4l2-subdev；其应用层操作video设备主要流程如下:

1) 通过打开video设备设置video参数；

2) 设置采集方式；

3) 将数据取出、处理、放回,可循环处理；

4) 完成相应的任务后关闭。

1.2 内核V4L2模块

应用层流程可以通过打开文件一样打开视频输入设备，并且配置设备相关参数, 这是由于内核相关模块做了很多基础工作。跟V4L2相关的模块如下图所示:

图1 V4L2基本框架

1.3 典型捕获管道：

图2 Xilinx视频典型捕获管道

1、硬件视图

1）多种组合可以开发一个捕获管道；

2）使用标准化接口（AXI总线接口）在管道中缝合多个IP。

2、软件视图

1）复杂性存在于软件级别，以支持多种组合；

2）由于没有任何标准的方法来配置管道中的不同元素，这给软件开发人员带来了更大的复杂性。

1.4具有流媒体和/或内存接口的基于帧的视频管道视频捕获设备：

1）视频存储器到存储器设备；

2）视频输出设备（无图形）；

3）DMABUF:0拷贝缓冲区共享Media controller；

4）描述逻辑拓扑和数据流；

5）多媒体库 GStreamer、FFMPEG、OpenCV、OpenMAX、LibAV、VLC媒体播放器、MPlayers。

图3 V4L2框架对应设备

2、Xilinx 视频编解码

在使用gst命令创建pipeline 完成视频输入到编码输出的过程如下：

图4 Xilinx 视频输入设备及相关内核模块

当使用gst 命令处理HDMI视频输入时，我们会使用下面的命令：gst-launch-1.0 -v v4l2src device=/dev/video0 io-mode=4 !video/x-raw(memory:XLNXLL), format=NV16_10LE32, width=3840, height=2160,framerate=60/1 ! omxh265enc num-slices=8 periodicity-idr=240 cpb-size=500gdr-mode=horizontal initial-delay=250 control-rate=low-latencyprefetch-buffer=true target-bitrate=25000 gop-mode=low-delay-p ! video/x-h265,alignment=nal ! rtph265pay ! udpsink buffer-size=60000000 host=192.168.25.89port=5004 async=false max-lateness=-1 qos-dscp=60 max-bitrate=120000000 -v 其中/dev/video0设备对应我们的HDMI输入，使用omxh265enc进行编码，在使用rtph265pay完成RTP封装后，在通过udpsink使用udp将编码后的码流发送出去。这个实现我们可以通过V4L2接口来完成，本身gst 插件也是调用了V4L2接口完成，下面是使用V4L2接口完成上述工作的过程。

2.1 应用程序通过V4L2接口采集视频数据步骤

1）打开视频设备文件，通过视频采集的参数初始化， 通过V4L2接口设置视频图像属性；

2）申请若干视频采集的帧缓存区，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；

3）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；

4）驱动开始视频数据的采集，应用程序从视频采集输出队列中取出帧缓冲区，处理后，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。最后停止视频采集。

流程图如下所示

2.2 V4L2ioctl控制符

1）VIDIOC_QUERYCAP 查询设备的属性；

2）VIDIOC_ENUM_FMT 帧格式；

3）VIDIOC_S_FMT 设置视频帧格式，对应struct v4l2_format；

4）VIDIOC_G_FMT 获取视频帧格式等；

5）VIDIOC_REQBUFS 请求/申请若干个帧缓冲区，一般为不少于3个；

6）VIDIOC_QUERYBUF 查询帧缓冲区在内核空间的长度和偏移量；

7）VIDIOC_QBUF 将申请到的帧缓冲区全部放入视频采集输出队列；

8）VIDIOC_STREAMON 开始视频流数据的采集；

9）VIDIOC_DQBUF 应用程序从视频采集输出队列中取出已含有采集数据的帧缓冲区；

10）VIDIOC_STREAMOFF 应用程序将该帧缓冲区重新挂入输入队列。

2.3 控制字符解析和使用用例：

1）VIDIOC_QUERYCAP-------->struct v4l2_capability 例如： if ((cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE) ==V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE) { printf("Device %s: supports capture. ", FILE_VIDEO); } if ((cap.capabilities & V4L2_CAP_STREAMING) ==V4L2_CAP_STREAMING) { printf("Device %s: supports streaming. ", FILE_VIDEO); }

2）VIDIOC_ENUM_FMT-------->struct v4l2_fmtdesc

//通过这个结构体，可以显示对应的摄像头所支持视频帧格式。例如

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc; fmtdesc.index = 0; fmtdesc.type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; printf("Supportformat:/n"); while(ioctl(fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc) != -1) { printf("/t%d.%s/n",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description); fmtdesc.index++; } 3）VIDIOC_G_FMT-------->struct v4l2_format 查看视频帧格式 4）VIDIOC_S_FMT 设置视频帧格式 5） VIDIOC_CROPCAP-------->struct v4l2_cropcap结构体 6）设置Stream信息，主要设置帧率 VIDIOC_G_PARM&VIDIOC_S_PARM-------->structv4l2_streamparm 7）设置Stream信息，主要设置帧率 VIDIOC_G_PARM&VIDIOC_S_PARM-------->structv4l2_streamparm 8）设置Stream信息，主要设置帧率 VIDIOC_G_PARM&VIDIOC_S_PARM-------->structv4l2_streamparm 9）申请和管理缓冲区 VIDIOC_REQBUFS-------->struct v4l2_requestbuffers 10) 应用程序从视频采集输出队列中取出已含有采集数据的帧缓冲区 VIDIOC_QUERYBUF-------->struct v4l2_buffer 应用程序从视频采集输出队列中取出已含有采集数据的帧缓冲区 intioctl(intfd,VIDIOC_DQBUF, structv4l2_buffer*argp) 11) 开始视频采集和关闭视频采集 VIDIOC_STREAMON&VIDIOC_STREAMOFF int ioctl(int fd, VIDIOC_STREAMON, const int *argp) int ioctl(int fd, VIDIOC_STREAMOFF, const int *argp) 12) 应用程序将该帧缓冲区重新挂入输入队列VIDIOC_QBUF intioctl(intfd,VIDIOC_QBUF,structv4l2_buffer*argp)

3、Xilinx V4L2 Demo

图5：Xilinx V4L2 demo

图6：Xilinx V4L2 + CTRLSW encode

3.1Xilinx使用V4L2实现视频输入的代码

3.2应用程序将帧缓冲区重新排入输入队列

ioctl(fd_v4l2,VIDIOC_QBUF, &buf)

3.3开始视频流数据的采集

ioctl(fd_v4l2,VIDIOC_STREAMON, &type)

3.4 应用程序将视频采集输出队列中取出已含有采集数据的帧缓冲区 ioctl(fd_v4l2, VIDIOC_DQBUF, &buf)

3.5 停止视频采集 ioctl(fd_v4l2,VIDIOC_STREAMOFF, &tpe)上面为主要功能函数介绍，具体代码等等请参考如下链接：https://xilinx-wiki.atlassian.net/wiki/spaces/A/pages/1010303367/Zynq+UltraScale+MPSoC+VCU+TRD+2020.2+-+Xilinx+Low+Latency+PS+DDR+NV12+HDMI+Audio+Video+Capture+and+Display

审核编辑：汤梓红