Linux C如何获取摄像头视频流？

Linux系统下通过C语言访问摄像头通常依赖Video for Linux Two（V4L2）框架，这是Linux内核提供的视频设备接口标准，广泛应用于USB摄像头、内置摄像头等视频输入设备，V4L2通过设备文件（如/dev/video0）与用户程序交互，支持视频捕获、格式设置、帧缓冲管理等功能，本文将详细介绍使用C语言结合V4L2获取摄像头视频流的完整流程，包括环境准备、核心概念、代码实现及常见问题处理。

环境准备

在开始开发前,需确保系统已安装必要的工具和库，以Ubuntu/Debian系统为例，通过以下命令安装V4L2开发工具和依赖库：

sudo apt update
sudo apt install v4l-utils libv4l-dev build-essential

安装后,使用ls /dev/video*查看摄像头设备节点，通常为/dev/video0（若有多个摄像头，可能依次编号为video1、video2等），若提示权限不足，需将当前用户加入video组（重启后生效）：

sudo usermod -a -G video $USER

V4L2核心概念

V4L2通过一系列ioctl系统调用控制摄像头,核心概念包括：

1. 设备文件：摄像头以字符设备形式存在，通过open()函数以读写模式（O_RDWR）打开。
2. 视频格式：包括像素格式（如YUYV、MJPG、RGB24）、分辨率（如640×480）、帧率（如30fps）等，需通过struct v4l2_format结构体设置。
3. 帧缓冲：存储视频帧的内存区域，V4L2支持两种内存映射方式：
   • mmap：将内核空间缓冲区映射到用户空间，减少数据拷贝，适合实时视频流；
   • 用户指针：用户自行分配内存，需手动拷贝数据，灵活性较低但可控性强。

具体实现步骤

打开设备

使用open()函数打开摄像头设备文件，需检查返回值是否有效：

int fd = open("/dev/video0", O_RDWR);
if (fd < 0) {
    perror("Failed to open device");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

查询设备能力

通过VIDIOC_QUERYCAP ioctl获取设备基本信息（如设备名称、版本号、支持的功能）：

struct v4l2_capability cap;
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) < 0) {
    perror("VIDIOC_QUERYCAP failed");
    close(fd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Device: %sn", cap.card);

设置视频格式

根据摄像头支持的格式设置分辨率、像素格式等参数，首先填写struct v4l2_format结构体，然后通过VIDIOC_S_FMT ioctl应用设置：

struct v4l2_format fmt;
memset(&fmt, 0, sizeof(fmt));
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; // 捕获类型
fmt.fmt.pix.width = 640;               // 分辨率宽度
fmt.fmt.pix.height = 480;              // 分辨率高度
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV; // 像素格式（YUV422）
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED; // 隔行/逐行扫描
if (ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt) < 0) {
    perror("VIDIOC_S_FMT failed");
    close(fd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

申请缓冲区

通过VIDIOC_REQBUFS ioctl申请内核缓冲区，指定缓冲区数量和内存类型：

struct v4l2_requestbuffers req;
memset(&req, 0, sizeof(req));
req.count = 4;                        // 缓冲区数量
req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;        // 使用mmap映射
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) < 0) {
    perror("VIDIOC_REQBUFS failed");
    close(fd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

映射缓冲区

遍历缓冲区,通过VIDIOC_QUERYBUF ioctl获取每个缓冲区的物理地址，并使用mmap映射到用户空间：

struct buffer {
    void *start;
    size_t length;
} *buffers = calloc(req.count, sizeof(*buffers));
for (int i = 0; i < req.count; i++) {
    struct v4l2_buffer buf;
    memset(&buf, 0, sizeof(buf));
    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    buf.index = i;
    if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) < 0) {
        perror("VIDIOC_QUERYBUF failed");
        free(buffers);
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    buffers[i].length = buf.length;
    buffers[i].start = mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset);
    if (buffers[i].start == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        free(buffers);
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

开始捕获

将缓冲区入队（VIDIOC_QBUF），然后调用VIDIOC_STREAMON启动视频流：

for (int i = 0; i < req.count; i++) {
    struct v4l2_buffer buf;
    memset(&buf, 0, sizeof(buf));
    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    buf.index = i;
    if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) < 0) {
        perror("VIDIOC_QBUF failed");
        free(buffers);
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}
enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type) < 0) {
    perror("VIDIOC_STREAMON failed");
    free(buffers);
    close(fd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

循环捕获帧

使用select()或poll()等待缓冲区就绪，然后通过VIDIOC_DQBUF出队获取帧数据，处理完成后重新入队：

fd_set fds;
struct timeval tv;
int r;
while (1) {
    FD_ZERO(&fds);
    FD_SET(fd, &fds);
    tv.tv_sec = 2;  // 超时时间（秒）
    tv.tv_usec = 0;
    r = select(fd + 1, &fds, NULL, NULL, &tv);
    if (r < 0) {
        perror("select failed");
        break;
    } else if (r == 0) {
        printf("Timeoutn");
        continue;
    }
    struct v4l2_buffer buf;
    memset(&buf, 0, sizeof(buf));
    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
    if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) < 0) {
        perror("VIDIOC_DQBUF failed");
        break;
    }
    // 处理帧数据（buffers[buf.index].start指向帧数据）
    printf("Captured frame: %d bytesn", buf.bytesused);
    if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) < 0) {
        perror("VIDIOC_QBUF failed");
        break;
    }
}

释放资源

停止视频流（VIDIOC_STREAMOFF），取消内存映射，关闭设备文件：

ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type);
for (int i = 0; i < req.count; i++) {
    munmap(buffers[i].start, buffers[i].length);
}
free(buffers);
close(fd);

常见视频格式对比

常见问题处理

1. 权限问题：若提示“Permission denied”，可临时通过sudo chmod 666 /dev/video0开放权限，或确保用户属于video组。
2. 设备未识别：检查摄像头是否连接，使用lsusb查看USB设备，若未显示摄像头驱动，尝试加载驱动（如UVC摄像头：sudo modprobe uvcvideo）。
3. 格式不支持：通过v4l2-ctl --list-formats命令查看摄像头支持的所有格式，修改代码中的fmt.fmt.pix.pixelformat为支持的值。
4. 帧率异常：降低分辨率或尝试其他帧率设置，部分摄像头可能不支持高帧率，需在格式设置中调整fmt.fmt.pix.field参数。

FAQs

Q1: 运行程序提示“VIDIOC_S_FMT: Invalid argument”怎么办？
A: 通常是因为设置的分辨率或像素格式不被摄像头支持，可先用v4l2-ctl --list-formats命令查看设备支持的所有格式和分辨率组合，

v4l2-ctl --list-formats -d /dev/video0

然后修改代码中的fmt.fmt.pix.width、fmt.fmt.pix.height和fmt.fmt.pix.pixelformat为设备支持的值。

Q2: 如何实现实时预览摄像头画面？
A: 在循环捕获帧后，可将帧数据通过GUI库（如SDL、GTK）显示，以SDL为例，需安装SDL2库（sudo apt install libsdl2-dev），并将YUYV格式转换为RGB格式后渲染到窗口，关键代码片段如下：

#include <SDL2/SDL.h>
// 初始化SDL
SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);
SDL_Window *window = SDL_CreateWindow("Camera Preview", 0, 0, 640, 480, SDL_WINDOW_SHOWN);
SDL_Renderer *renderer = SDL_CreateRenderer(window, -1, 0);
SDL_Texture *texture = SDL_CreateTexture(renderer, SDL_PIXELFORMAT_RGB24, SDL_TEXTUREACCESS_STREAMING, 640, 480);
// 在循环捕获帧后，转换YUYV到RGB并更新纹理
SDL_UpdateTexture(texture, NULL, rgb_buffer, 640 * 3);
SDL_RenderClear(renderer);
SDL_RenderCopy(renderer, texture, NULL, NULL);
SDL_RenderPresent(renderer);

注意：YUYV到RGB的转换需自行实现算法，或使用libv4l2提供的转换函数。