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UVC框架分析

 waston 2021-12-07

UVC框架分析

源码的位置在drivers\media\video\uvc,查看下Makefile,我们可以从入口uvc_driver.c中分析

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uvcvideo-objs  := uvc_driver.o uvc_queue.o uvc_v4l2.o uvc_video.o uvc_ctrl.o                   uvc_status.o uvc_isight.o uvc_debugfs.o
ifeq ($(CONFIG_MEDIA_CONTROLLER),y)
uvcvideo-objs  += uvc_entity.o
endif
obj-$(CONFIG_USB_VIDEO_CLASS) += uvcvideo.o

入口函数#

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module_init(uvc_init);
	>usb_register(&uvc_driver.driver)
	
struct uvc_driver uvc_driver = {
	.driver = {
		.name		= "uvcvideo",
		.probe		= uvc_probe,
		.disconnect	= uvc_disconnect,
		.suspend	= uvc_suspend,
		.resume		= uvc_resume,
		.reset_resume	= uvc_reset_resume,
		.id_table	= uvc_ids,
		.supports_autosuspend = 1,
	},
};

这里的id_table表示能够支持哪些设备,probe表示匹配到之后执行probe函数

uvc_probe#

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uvc_register_chains
	uvc_register_terms
		uvc_register_video
			uvc_video_init
			// 这里就是以前vivi中讲的 设置
			video_device_alloc
			vdev->v4l2_dev = &dev->vdev;
			vdev->fops = &uvc_fops;
			vdev->release = uvc_release;
			strlcpy(vdev->name, dev->name, sizeof vdev->name);
			//注册
			video_register_device(vdev, VFL_TYPE_GRABBER, -1);

文件ops

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const struct v4l2_file_operations uvc_fops = {
	.owner		= THIS_MODULE,
	.open		= uvc_v4l2_open,
	.release	= uvc_v4l2_release,
	.unlocked_ioctl	= uvc_v4l2_ioctl,
	.read		= uvc_v4l2_read,
	.mmap		= uvc_v4l2_mmap,
	.poll		= uvc_v4l2_poll,

};

UVC规格书一览#

搜索下uvc Specification,链接在此,主要是USB_Video_Example 1.5.pdf和UVC 1.5 Class specification.pdf

先来看下USB_Video_Example 中的图

mark

再来看下规格书的基本描述,参考链接,这个unit实际上就是一个个内部的功能模块,terminal是用于连接内外的功能模块.

Unit#

Unit提供了基础模块来全面描述大部分的视频功能,一个Unit可以由一个或多个输入引脚和仅一个输出引脚(这里的每一个pin代表一个逻辑上的数据流) ,Unit可以通过pin引脚连接在一起,一个输出pin可以连接多个输入pin,但一个输入pin只能连接一个输出pin

mark

Select Unit#

这个就是多路选择unit

mark

Processing Unit#

处理Unit (PU)控制流经它的视频流图像属性。
User Controls

  • Brightness
  • Hue
  • Saturation
  • Sharpness
  • Gamma
  • Digital Multiplier (Zoom)

Auto Controls

  • White Balance Temperature
  • White Balance Component
  • Backlight Compensation
  • Contrast
  • Other

Gain

  • Power Line Frequency
  • Analog Video Standard
  • Analog Video Lock Status

Terminal#

链接内外的功能模块,一个输入和一个输出

  • Input Terminal
  • Out Terminal
  • Camera Terminal 控制端点.有些设备可能没有
    • Scanning Mode扫描模式
    • Auto-Exposure Mode自动曝光模式
    • Auto-Exposure Priority自动曝光优先级
    • Exposure Time 曝光时间
    • Focus聚焦
    • Auto-Focus自动聚焦
    • Simple Focus简单聚焦
    • Iris红外
    • Zoom放大
    • Pan摇动
    • Roll滚动
    • Tilt倾斜
    • Digital Windowing数字窗口

总的来说就是一个摄像头,一定会有起码1个的VS视频流接口,但不一定有vs控制接口.通过VideoControl Interface来控制，通过VideoStreaming Interface来读视频数据，VC里含有多个Unit/Terminal等功能模块，可以通过访问这些模块进行控制，比如调亮度

APP使用UVC驱动过程#

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uvc_register_chains
	uvc_register_terms
		uvc_register_video
			uvc_video_init
			// 这里就是以前vivi中讲的 设置
			video_device_alloc
			vdev->v4l2_dev = &dev->vdev;
			vdev->fops = &uvc_fops;
			vdev->release = uvc_release;
			strlcpy(vdev->name, dev->name, sizeof vdev->name);
			//注册
			video_register_device(vdev, VFL_TYPE_GRABBER, -1);
			
			
APP调用过程
	open
		uvc_v4l2_open
	unlocked_ioctl
		uvc_v4l2_ioctl
			uvc_v4l2_do_ioctl
				case VIDIOC_QUERYCAP:
					.....
					
VIDIOC_QUERYCAP
	//通过 stream->type 来设置,这个type 应该是在设备枚举时设置
		if (stream->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)
			cap->capabilities = V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE
					  | V4L2_CAP_STREAMING;
		else
			cap->capabilities = V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT
					  | V4L2_CAP_STREAMING;

VIDIOC_ENUM_FMT
	//通过 stream->format
	format = &stream->format[fmt->index];
VIDIOC_G_FMT
	// USB摄像头支持多种格式fromat, 每种格式下有多种frame(比如分辨率)
	uvc_v4l2_get_format(stream, arg)
		format = stream->cur_format;
		frame = stream->cur_frame;
		fmt->fmt.pix.pixelformat = format->fcc;
		fmt->fmt.pix.width = frame->wWidth; 
		fmt->fmt.pix.height = frame->wHeight; 
VIDIOC_TRY_FMT
	uvc_v4l2_try_format(stream, arg, &probe, NULL, NULL)
		/* Check if the hardware supports the requested format. */
		// 根据 stream中的format 来比较
		format = &stream->format[i]
		if(format->fcc == fmt->fmt.pix.pixelformat)
		/* Find the closest image size */
		//找到最接近的图像大小
VIDIOC_S_FMT
	uvc_v4l2_set_format(stream, arg)
		// 只是尝试把参数保存,并没有发起usb传输
		uvc_v4l2_try_format(stream, fmt, &probe, &format, &frame)

VIDIOC_REQBUFS
	uvc_alloc_buffers(&stream->queue, arg);
		vb2_reqbufs(&queue->queue, rb);
		
VIDIOC_QUERYBUF
	//查询buf
	uvc_query_buffer
		vb2_querybuf
			__fill_v4l2_buffer
mmap
	uvc_v4l2_mmap
		uvc_queue_mmap
			vb2_mmap
			
VIDIOC_QBUF
	uvc_queue_buffer
		vb2_qbuf

VIDIOC_STREAMON
	uvc_video_enable // 把所设置的参数发给硬件,然后启动摄像头
		uvc_queue_enable
			vb2_streamon
				q->streaming = 1;
		/* Commit the streaming parameters. */
		ret = uvc_commit_video(stream, &stream->ctrl);
			uvc_set_video_ctrl /* 设置格式fromat, frame */
				__uvc_query_ctrl
					usb_control_msg //usb传输
		//启动urb传输			
		uvc_init_video
			uvc_video_stats_start(stream);
			
			uvc_init_video_isoc
					// 分配 设置 urb
					uvc_alloc_urb_buffers
					usb_fill_bulk_urb
					urb->complete = uvc_video_complete;  // usb传输完成的函数,这里应该会去唤醒uvc驱动
			/* Submit the URBs. */
			usb_submit_urb
urb传输完成函数.这里会有wakeup			
uvc_video_complete
	stream->decode(urb, stream, buf);  //此函数搜索下
		stream->decode = uvc_video_decode_isight;
		stream->decode = uvc_video_decode_isoc;
			uvc_queue_next_buffer
				vb2_buffer_done
					wake_up(&q->done_wq);

poll
	uvc_v4l2_poll
		uvc_queue_poll
			vb2_poll
				poll_wait(file, &q->done_wq, wait);
						//这里会接着判断状态
						if (vb && (vb->state == VB2_BUF_STATE_DONE
						|| vb->state == VB2_BUF_STATE_ERROR)) {
						return (V4L2_TYPE_IS_OUTPUT(q->type)) ? POLLOUT | POLLWRNORM :
							POLLIN | POLLRDNORM;



VIDIOC_DQBUF
        uvc_dequeue_buffer
        	vb2_dqbuf
				list_del(&vb->queued_entry);

VIDIOC_STREAMOFF            
        uvc_video_enable(video, 0);
			uvc_uninit_video
				usb_kill_urb(urb);
				usb_free_urb(urb);

分析设置亮度过程：
ioctl: VIDIOC_S_CTRL
            uvc_ctrl_set
            uvc_ctrl_commit
                __uvc_ctrl_commit(video, 0);
                    uvc_ctrl_commit_entity(video->dev, entity, rollback);
                			ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪一个USB设备 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪一个unit/terminal */,
                				dev->intfnum /* 哪一个接口: VC interface */, ctrl->info->selector,
                				uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),
                				ctrl->info->size);

小结#

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1. UVC设备有2个interface: VideoControl Interface, VideoStreaming Interface
2. VideoControl Interface用于控制，比如设置亮度。它内部有多个Unit/Terminal(在程序里Unit/Terminal都称为entity)
   可以通过类似的函数来访问：
                			ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪一个USB设备 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪一个unit/terminal */,
                				dev->intfnum /* 哪一个接口: VC interface */, ctrl->info->selector,
                				uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),
                				ctrl->info->size);
3. VideoStreaming Interface用于获得视频数据，也可以用来选择fromat/frame(VS可能有多种format, 一个format支持多种frame， frame用来表示分辨率等信 息)
   可以通过类似的函数来访问：
                    	ret = __uvc_query_ctrl(video->dev /* 哪一个USB设备 */, SET_CUR, 0,
                    		video->streaming->intfnum  /* 哪一个接口: VS */,
                    		probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
                    		uvc_timeout_param);
4. 我们在设置FORMAT时只是简单的使用video->streaming->format[fmt->index]等数据，
   这些数据哪来的？
   应是设备被枚举时设置的，也就是分析它的描述符时设置的。

5. UVC驱动的重点在于：
   描述符的分析
   属性的控制: 通过VideoControl Interface来设置
   格式的选择：通过VideoStreaming Interface来设置
   数据的获得：通过VideoStreaming Interface的URB来获得

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