树莓派学习专题＜10＞：使用V4L2驱动获取摄像头数据--申请和管理缓冲区

1. 申请和管理缓冲区代码

/* 数据缓冲区 */
typedef struct tag_BufDesc
{void         *pvBufPtr ;size_t        szBufSize ;
} stBufDesc ;stBufDesc       *g_pstBufDesc ;/*********************************************** other codes * ********************************************//*******************************************************************************
- Function    : __AllocateBuffers
- Description : 本函数获取缓冲区，并将缓冲区映射到用户空间。
- Input       : VOID
- Output      : NULL
- Return      : VOID
- Others      :
*******************************************************************************/
void __AllocateBuffers(void)
{struct v4l2_requestbuffers stReqBuf ;struct v4l2_buffer         stBuf ;int                        iLoop ;memset(&stReqBuf, 0, sizeof(stReqBuf)) ;/* 申请缓冲区 */stReqBuf.count  = 4 ;stReqBuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP ;stReqBuf.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE ;if(-1 == ioctl(g_iFDVideo, VIDIOC_REQBUFS, &stReqBuf)){printf("Request buffers failed.\n") ;exit(-1) ;}/* 申请用户空间缓冲区描述符空间 */g_pstBufDesc = (stBufDesc *)calloc(stReqBuf.count, sizeof(stBufDesc)) ;if(NULL == g_pstBufDesc){printf("Calloc buffer descriptor failed.\n") ;exit(-1) ;}/* 将申请的缓冲区映射到用户空间 */for(iLoop = 0 ; iLoop < stReqBuf.count ; iLoop++){memset(&stBuf, 0, sizeof(stBuf)) ;stBuf.type   = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;stBuf.index  = iLoop;stBuf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;if(-1 == ioctl(g_iFDVideo, VIDIOC_QUERYBUF, &stBuf)){printf("Get buffer information failed.\n") ;exit(-1) ;}g_pstBufDesc[iLoop].szBufSize = stBuf.length;g_pstBufDesc[iLoop].pvBufPtr  = mmap(NULL,stBuf.length,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,g_iFDVideo,stBuf.m.offset);if(MAP_FAILED == g_pstBufDesc[iLoop].pvBufPtr){printf("Map V4L2 buffer to user space failed.\n") ;exit(-1) ;}if(-1 == ioctl(g_iFDVideo, VIDIOC_QBUF, &stBuf)){printf("Queue buffer failed.\n") ;exit(-1) ;}}printf("--Buffer information---------------------------------------\n") ;for(iLoop = 0 ; iLoop < stReqBuf.count ; iLoop++){printf("-- Frame buffer :%d   address :0x%x    size:%d\n", iLoop, g_pstBufDesc[iLoop].pvBufPtr, g_pstBufDesc[iLoop].szBufSize) ;}printf("-----------------------------------------------------------\n") ;return ;
}

2. 代码解析

命令 VIDIOC_REQBUFS 可申请视频帧缓冲。该命令的定义为：

#define VIDIOC_REQBUFS		_IOWR('V',  8, struct v4l2_requestbuffers)

可见该命令需要一个 struct v4l2_requestbuffers 类型的参数。该结构体类型定义为：

struct v4l2_requestbuffers {__u32			count;__u32			type;		/* enum v4l2_buf_type */__u32			memory;		/* enum v4l2_memory */__u32			capabilities;__u8			flags;__u8			reserved[3];
};

其中：

1. count 填写需要申请多少块缓存。
2. type 填写 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 。
3. memory 有如下四种选项。V4L2_MEMORY_MMAP 选项使用 memory mapping 型缓存，此时由驱动在内核空间开辟缓冲区，并将缓冲区告知应用程序；V4L2_MEMORY_USERPTR 选项，用户负责开辟缓冲区，并将缓冲区通告给驱动程序。V4L2_MEMORY_OVERLAY 尚未实现。V4L2_MEMORY_DMABUF 试用于两种设备之间做数据拷贝。MMAP 方式和 USERPTR 方式，都无需数据拷贝，由驱动直接将图像数据写入到缓冲。用户程序只需要管理和切换这些缓冲。

enum v4l2_memory {V4L2_MEMORY_MMAP             = 1,V4L2_MEMORY_USERPTR          = 2,V4L2_MEMORY_OVERLAY          = 3,V4L2_MEMORY_DMABUF           = 4,
};

VIDIOC_REQBUFS命令申请缓存，但是并没有返回申请缓存的地址。ioctl命令 VIDIOC_QUERYBUF 可以获取申请到的缓存的信息。该命令的定义如下：

#define VIDIOC_QUERYBUF		_IOWR('V',  9, struct v4l2_buffer)

其中，struct v4l2_buffer 的定义如下：

struct v4l2_buffer {__u32			index;__u32			type;__u32			bytesused;__u32			flags;__u32			field;struct timeval		timestamp;struct v4l2_timecode	timecode;__u32			sequence;/* memory location */__u32			memory;union {__u32           offset;unsigned long   userptr;struct v4l2_plane *planes;__s32		fd;} m;__u32			length;__u32			reserved2;union {__s32		request_fd;__u32		reserved;};
};

查询时，index 需要依次从0开始填写。例如上面代码中申请了4块缓存，则需要使用 VIDIOC_QUERYBUF 命令查询4次，index依次为0到3。type 字段和前述的相同，填写 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 。memory 字段填写 V4L2_MEMORY_MMAP，和前面设定的保持一致。

VIDIOC_QUERYBUF 命令执行后，需要关注offset 字段。该字段标志了实际分配的内存的位置。稍后mmap函数需要这个参数。

length 字段表示申请了多大的缓存。因为前面已经设定了输出的帧格式（长宽等），对于非压缩的输出格式，例如YUV420，YUYV，或者RGB格式，一帧画面需要多大的空间来保存，驱动会自己计算。这里会返回申请到的缓冲块大小。

最后，使用 mmap 函数，将内核空间的缓存和用户空间事先定义的缓存指针映射起来，这样用户空间就可以用缓存指针来操作这些缓存。

3. 实测结果

材料：

1. Raspberry Pi 4B计算机；
2. IMX219摄像头组件。
   运行上述代码，查看打印信息：

--Buffer information---------------------------------------
-- Frame buffer :0   address :0xf7b63000    size:1843200
-- Frame buffer :1   address :0xf79a1000    size:1843200
-- Frame buffer :2   address :0xf77df000    size:1843200
-- Frame buffer :3   address :0xf761d000    size:1843200
-----------------------------------------------------------

注意：因为我将摄像头输出的分辨率设定为了1280 X 720，输出格式为YUYV（每像素占用两字节），因此每帧画面需要的缓存大小为：

1280 * 720 * 2B = 1843200B

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