基于ZedBoard的Webcam设计(一)：USB摄像头(V4L2接口)的图片采集
硬件平台：DigilentZedBoard + 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
Zedboardlinux: 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 \
5#define BMP \ 6#define YUV \ 7
8#define IMAGEWIDTH 640 9#define IMAGEHEIGHT 480 10
11staticintfd;
12staticstruct v4l2_capability cap; 13struct v4l2_fmtdesc fmtdesc; 14struct v4l2_format fmt,fmtack; 15struct v4l2_streamparm setfps; 16struct v4l2_requestbuffers req; 17struct v4l2_buffer buf; 18enum v4l2_buf_type type;
19unsignedcharframe_buffer[IMAGEWIDTH*IMAGEHEIGHT*3]; 其中
#define FILE_VIDEO \是要访问的摄像头设备，默人都是/dev/video0 #define BMP \#define 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。
staticintfd;
staticstruct 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 charframe_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。
1if ((fd = open(FILE_VIDEO, O_RDWR)) == -1) 2{
3printf(\); 4return (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。
1if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) == -1) 2{
3printf(\,FILE_VIDEO); 4return (FALSE); 5}
6else 7{
8printf(\,cap.driver); 9printf(\,cap.card);
10printf(\,cap.bus_info); 11printf(\,cap.version);
12printf(\,cap.capabilities); 13
14if ((cap.capabilities& V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE) == V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE) 15 {
16printf(\,FILE_VIDEO); 17 } 18
19if ((cap.capabilities& V4L2_CAP_STREAMING) == V4L2_CAP_STREAMING) 20 {
21printf(\,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。
1fmtdesc.index=0;
2fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; 3printf(\);
4while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1) 5{
6printf(\,fmtdesc.index+1,fmtdesc.description); 7fmtdesc.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。
1fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
2fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV; 3fmt.fmt.pix.height = IMAGEHEIGHT; 4fmt.fmt.pix.width = IMAGEWIDTH;
5fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED; 6
7if(ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) == -1) 8{
9printf(\); 10return 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。
1if(ioctl(fd, VIDIOC_G_FMT, &fmt) == -1) 2{
3printf(\); 4return FALSE; 5} 6{
7printf(\,fmt.type);
8printf(\,fmt.fmt.pix.pixelformat&0xFF, (fmt.fmt.pix.pixelformat>>8) &0xFF,(fmt.fmt.pix.pixelformat>>16) &0xFF, (fmt.fmt.pix.pixelformat>>24) &0xFF);
9printf(\,fmt.fmt.pix.height); 10printf(\,fmt.fmt.pix.width); 11printf(\,fmt.fmt.pix.field); 12 }
完整的初始化代码如下：
1int init_v4l2(void) 2{ 3inti;
4int ret = 0; 5
6//opendev
7if ((fd = open(FILE_VIDEO, O_RDWR)) == -1) 8 {
9printf(\); 10return (FALSE); 11 } 12
13//query cap
14if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) == -1) 15 {
16printf(\,FILE_VIDEO); 17return (FALSE); 18 }