Linux V4L2 视频采集

在本篇教程中，你将学习如何使用 V4L2（Video for Linux 2）接口在 Linux 下采集视频数据。我们会先介绍 V4L2 的基本概念，然后带你一步步完成一个简单的摄像头视频采集程序，帮助你掌握实际开发中的用法。

什么是 V4L2？

V4L2 是 Linux 下的视频捕获设备驱动框架，它支持摄像头、电视卡、调谐器等设备。通过 V4L2，你可以以统一的方式访问不同厂商的摄像设备。V4L2 的核心接口是 ioctl() 系统调用，它通过各种命令与设备进行通信。

V4L 全称 Video4Linux，是 Linux 内核中为视频设备（如摄像头、电视卡）提供的驱动框架。最早的 V4L（现在称为 V4L1）在 Linux 2.2 时代被引入，当时的视频采集功能非常基础，仅支持少数设备，接口也比较粗糙，难以扩展。

为了解决 V4L1 在结构、功能和可扩展性方面的缺陷，V4L2（Video4Linux 2）在 Linux 2.5.x 版本中引入，正式在 Linux 2.6 内核中稳定使用，替代了早期的 V4L1 接口。相比前代，V4L2 提供了更规范的 API、更丰富的功能支持，并为各种现代视频设备打下了统一的基础。

V4L2 是当前 Linux 系统中唯一被官方维护的视频输入框架，V4L1 已于 2010 年前后被完全废弃（相关支持代码也在内核中移除）。目前，几乎所有主流 USB 摄像头、嵌入式摄像头模块、图像采集卡等都支持 V4L2 接口，Linux 内核社区也仍在积极维护和扩展其能力。

它支持的功能包括但不限于：

视频采集（实时流）
静态图像采集
多种像素格式（YUYV、MJPEG、H264 等）
视频输出（如嵌入式 LCD 视频渲染）
视频格式自动协商
多缓冲处理、DMA 接口、硬件加速等

随着嵌入式设备、AI 视觉系统的发展，V4L2 的使用范围也越来越广泛。

V4L2 应用领域

你可以在很多与视频采集有关的 Linux 应用场景中看到 V4L2 的身影：

应用方向	具体说明
视频聊天 / 视频会议	如基于 Linux 的 Zoom、WebRTC、OBS Studio 等使用 V4L2 获取摄像头画面。
视频监控系统	安防摄像头、NVR 系统中广泛采用 V4L2 + GStreamer + OpenCV 方案。
机器视觉 / 工业相机	工业检测、AOI 检测中的图像输入模块多基于 V4L2 编写驱动与应用。
教学与开发板	树莓派、BeagleBone、NVIDIA Jetson 等板卡上用于学习和实验。
图像识别 / AI 视觉	深度学习系统中常通过 V4L2 接入视频流并传给 AI 模型处理。
嵌入式多媒体终端	像 Android、OpenWRT、车载系统中的拍照、录像功能也底层调用 V4L2 驱动。
多媒体应用开发	FFmpeg、GStreamer 等音视频框架内部对接 V4L2 作为采集后端。

基本采集流程

使用 V4L2 采集视频通常需要以下步骤：

打开设备
查询设备能力
设置视频格式
申请内存缓冲区
将缓冲区映射到用户空间
启动视频采集
读取视频帧
停止采集并释放资源

示例：V4L2 视频采集程序

下面是一个简单的 V4L2 视频采集程序示例：

v4l2_capture.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>
#include <sys/mman.h>

#define DEVICE "/dev/video0"
#define WIDTH 640
#define HEIGHT 480

struct buffer {
    void *start;
    size_t length;
};

int main() {
    int fd = open(DEVICE, O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("打开设备失败");
        return 1;
    }

    // 查询设备能力
    struct v4l2_capability cap;
    ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap);
    printf("驱动: %s\n", cap.driver);

    // 设置格式
    struct v4l2_format fmt;
    memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));
    fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    fmt.fmt.pix.width = WIDTH;
    fmt.fmt.pix.height = HEIGHT;
    fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
    fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
    ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);

    // 请求缓冲区
    struct v4l2_requestbuffers req;
    memset(&req, 0, sizeof(req));
    req.count = 1;
    req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req);

    // 映射缓冲区
    struct v4l2_buffer buf;
    memset(&buf, 0, sizeof(buf));
    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    buf.index = 0;
    ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf);

    struct buffer video_buf;
    video_buf.length = buf.length;
    video_buf.start = mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);

    // 入队缓冲区
    ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);

    // 开始采集
    enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);

    // 读取一帧数据
    ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);
    printf("采集到 %d 字节数据\n", buf.bytesused);

    // 写入文件
    FILE *fp = fopen("frame.yuv", "wb");
    fwrite(video_buf.start, 1, buf.bytesused, fp);
    fclose(fp);

    // 停止采集
    ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type);
    munmap(video_buf.start, video_buf.length);
    close(fd);

    return 0;
}

你可以使用如下命令编译示例代码：

gcc v4l2_capture.c -o v4l2_capture

运行程序前，确保你已经插入摄像头并具有 /dev/video0 设备的权限。

小结

通过本教程，你了解了 V4L2 的基本结构以及视频采集的流程。你学会了如何打开视频设备、设置采集参数、申请缓冲区并获取视频帧。V4L2 是进行音视频开发的重要工具，掌握这些基本操作能帮助你开发自己的媒体采集和处理应用。

什么是 V4L2？​

V4L2 应用领域​

基本采集流程​

示例：V4L2 视频采集程序​

相关工具和生态​

小结​

什么是 V4L2？

V4L2 应用领域

基本采集流程

示例：V4L2 视频采集程序

相关工具和生态

小结