Linux 下使用 V4L2 實現視頻採集、編碼與定時寫入 SD 卡

項目背景與需求

在嵌入式 Linux 開發中，常見需求是通過 Video for Linux 2 (V4L2) 接口採集攝像頭視頻流，經過 H.264 編碼後，按固定時間間隔（如每 10 秒）切割成獨立文件寫入 SD 卡。本文梳理完整實現流程，重點解決「定時切片」與「數據流緩衝」兩大核心難點。

整體架構設計

採用「生產者-消費者」模型：

• 採集線程：調用 V4L2 API 循環讀取幀數據，送入編碼器（如 FFmpeg 或硬件編碼庫），將編碼後的 H.264 NAL 單元推入線程安全隊列。
• 寫入線程：由定時器觸發，每 10 秒從隊列取出數據，創建新文件寫入 SD 卡掛載點（如 /mnt/sdcard/video_YYYYMMDD_HHMMSS.h264）。

關鍵步驟詳解

1. V4L2 採集初始化

int fd = open("/dev/video0", O_RDWR);
struct v4l2_format fmt = {0};
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width = 1920;
fmt.fmt.pix.height = 1080;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
// 申請緩衲區、映射內存、入隊、啟動串流...

2. 編碼器集成（以 FFmpeg 為例）

AVCodecContext *ctx = avcodec_alloc_context3(codec);
ctx->width = 1920; ctx->height = 1080;
ctx->pix_fmt = AV_PIX_FMT_YUV420P;
ctx->time_base = (AVRational){1, 30};
ctx->bit_rate = 4000000;
avcodec_open2(ctx, codec, NULL);
// 循環：avcodec_send_frame -> avcodec_receive_packet -> 推入隊列

3. 定時切片邏輯

使用 timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0) 創建高精度定時器，設置 10 秒週期。定時器回調中：

1. 加鎖保護隊列
2. 關閉當前文件句柄 fclose(fp)
3. 生成新文件名（含時間戳）
4. 打開新文件 fp = fopen(new_path, "wb")
5. 後續寫入線程直接 fwrite 到新 fp

4. SD 卡寫入優化

SD 卡屬於塊設備，頻繁 fwrite 會觸發大量擦寫。建議：

• 應用層緩衝：累積 512 KB 再調用 fwrite
• 掛載參數加 noatime,nodiratime 減少元數據寫入
• 定期 fsync 確保數據落盤，平衡性能與可靠性

常見坑點與對策

完整代碼參考

可參考 CSDN 開源項目：V4L2_H264_SD_Recorder，包含 Makefile、信號處理、優雅退出等工程化細節。

總結

核心在於「隊列解耦採集與寫入」+「定時器驅動切片」。只要處理好關鍵幀對齊、緩衝區回收、SD 卡壽命管理，即可構建穩定可靠的嵌入式視頻錄製系統。