Documentation/media/uapi/v4l/crop.rst

   1 .. -*- coding: utf-8; mode: rst -*-
   2
   3 .. _crop:
   4
   5 *************************************
   6 Image Cropping, Insertion and Scaling
   7 *************************************
   8
   9 Some video capture devices can sample a subsection of the picture and
  10 shrink or enlarge it to an image of arbitrary size. We call these
  11 abilities cropping and scaling. Some video output devices can scale an
  12 image up or down and insert it at an arbitrary scan line and horizontal
  13 offset into a video signal.
  14
  15 Applications can use the following API to select an area in the video
  16 signal, query the default area and the hardware limits.
  17
  18 .. note::
  19
  20    Despite their name, the :ref:`VIDIOC_CROPCAP <VIDIOC_CROPCAP>`,
  21    :ref:`VIDIOC_G_CROP <VIDIOC_G_CROP>` and :ref:`VIDIOC_S_CROP
  22    <VIDIOC_G_CROP>` ioctls apply to input as well as output devices.
  23
  24 Scaling requires a source and a target. On a video capture or overlay
  25 device the source is the video signal, and the cropping ioctls determine
  26 the area actually sampled. The target are images read by the application
  27 or overlaid onto the graphics screen. Their size (and position for an
  28 overlay) is negotiated with the :ref:`VIDIOC_G_FMT <VIDIOC_G_FMT>`
  29 and :ref:`VIDIOC_S_FMT <VIDIOC_G_FMT>` ioctls.
  30
  31 On a video output device the source are the images passed in by the
  32 application, and their size is again negotiated with the
  33 :ref:`VIDIOC_G_FMT <VIDIOC_G_FMT>` and :ref:`VIDIOC_S_FMT <VIDIOC_G_FMT>`
  34 ioctls, or may be encoded in a compressed video stream. The target is
  35 the video signal, and the cropping ioctls determine the area where the
  36 images are inserted.
  37
  38 Source and target rectangles are defined even if the device does not
  39 support scaling or the :ref:`VIDIOC_G_CROP <VIDIOC_G_CROP>` and
  40 :ref:`VIDIOC_S_CROP <VIDIOC_G_CROP>` ioctls. Their size (and position
  41 where applicable) will be fixed in this case.
  42
  43 .. note::
  44
  45    All capture and output devices must support the
  46    :ref:`VIDIOC_CROPCAP <VIDIOC_CROPCAP>` ioctl such that applications
  47    can determine if scaling takes place.
  48
  49
  50 Cropping Structures
  51 ===================
  52
  53
  54 .. _crop-scale:
  55
  56 .. figure::  crop_files/crop.*
  57     :alt:    crop.pdf / crop.gif
  58     :align:  center
  59
  60     Image Cropping, Insertion and Scaling
  61
  62     The cropping, insertion and scaling process
  63
  64
  65
  66 For capture devices the coordinates of the top left corner, width and
  67 height of the area which can be sampled is given by the ``bounds``
  68 substructure of the struct :c:type:`v4l2_cropcap` returned
  69 by the :ref:`VIDIOC_CROPCAP <VIDIOC_CROPCAP>` ioctl. To support a wide
  70 range of hardware this specification does not define an origin or units.
  71 However by convention drivers should horizontally count unscaled samples
  72 relative to 0H (the leading edge of the horizontal sync pulse, see
  73 :ref:`vbi-hsync`). Vertically ITU-R line numbers of the first field
  74 (see ITU R-525 line numbering for :ref:`525 lines <vbi-525>` and for
  75 :ref:`625 lines <vbi-625>`), multiplied by two if the driver
  76 can capture both fields.
  77
  78 The top left corner, width and height of the source rectangle, that is
  79 the area actually sampled, is given by struct
  80 :c:type:`v4l2_crop` using the same coordinate system as
  81 struct :c:type:`v4l2_cropcap`. Applications can use the
  82 :ref:`VIDIOC_G_CROP <VIDIOC_G_CROP>` and :ref:`VIDIOC_S_CROP <VIDIOC_G_CROP>`
  83 ioctls to get and set this rectangle. It must lie completely within the
  84 capture boundaries and the driver may further adjust the requested size
  85 and/or position according to hardware limitations.
  86
  87 Each capture device has a default source rectangle, given by the
  88 ``defrect`` substructure of struct
  89 :c:type:`v4l2_cropcap`. The center of this rectangle
  90 shall align with the center of the active picture area of the video
  91 signal, and cover what the driver writer considers the complete picture.
  92 Drivers shall reset the source rectangle to the default when the driver
  93 is first loaded, but not later.
  94
  95 For output devices these structures and ioctls are used accordingly,
  96 defining the *target* rectangle where the images will be inserted into
  97 the video signal.
  98
  99
 100 Scaling Adjustments
 101 ===================
 102
 103 Video hardware can have various cropping, insertion and scaling
 104 limitations. It may only scale up or down, support only discrete scaling
 105 factors, or have different scaling abilities in horizontal and vertical
 106 direction. Also it may not support scaling at all. At the same time the
 107 struct :c:type:`v4l2_crop` rectangle may have to be aligned,
 108 and both the source and target rectangles may have arbitrary upper and
 109 lower size limits. In particular the maximum ``width`` and ``height`` in
 110 struct :c:type:`v4l2_crop` may be smaller than the struct
 111 :c:type:`v4l2_cropcap`. ``bounds`` area. Therefore, as
 112 usual, drivers are expected to adjust the requested parameters and
 113 return the actual values selected.
 114
 115 Applications can change the source or the target rectangle first, as
 116 they may prefer a particular image size or a certain area in the video
 117 signal. If the driver has to adjust both to satisfy hardware
 118 limitations, the last requested rectangle shall take priority, and the
 119 driver should preferably adjust the opposite one. The
 120 :ref:`VIDIOC_TRY_FMT <VIDIOC_G_FMT>` ioctl however shall not change
 121 the driver state and therefore only adjust the requested rectangle.
 122
 123 Suppose scaling on a video capture device is restricted to a factor 1:1
 124 or 2:1 in either direction and the target image size must be a multiple
 125 of 16 × 16 pixels. The source cropping rectangle is set to defaults,
 126 which are also the upper limit in this example, of 640 × 400 pixels at
 127 offset 0, 0. An application requests an image size of 300 × 225 pixels,
 128 assuming video will be scaled down from the "full picture" accordingly.
 129 The driver sets the image size to the closest possible values 304 × 224,
 130 then chooses the cropping rectangle closest to the requested size, that
 131 is 608 × 224 (224 × 2:1 would exceed the limit 400). The offset 0, 0 is
 132 still valid, thus unmodified. Given the default cropping rectangle
 133 reported by :ref:`VIDIOC_CROPCAP <VIDIOC_CROPCAP>` the application can
 134 easily propose another offset to center the cropping rectangle.
 135
 136 Now the application may insist on covering an area using a picture
 137 aspect ratio closer to the original request, so it asks for a cropping
 138 rectangle of 608 × 456 pixels. The present scaling factors limit
 139 cropping to 640 × 384, so the driver returns the cropping size 608 × 384
 140 and adjusts the image size to closest possible 304 × 192.
 141
 142
 143 Examples
 144 ========
 145
 146 Source and target rectangles shall remain unchanged across closing and
 147 reopening a device, such that piping data into or out of a device will
 148 work without special preparations. More advanced applications should
 149 ensure the parameters are suitable before starting I/O.
 150
 151 .. note::
 152
 153    On the next two examples, a video capture device is assumed;
 154    change ``V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE`` for other types of device.
 155
 156 Example: Resetting the cropping parameters
 157 ==========================================
 158
 159 .. code-block:: c
 160
 161     struct v4l2_cropcap cropcap;
 162     struct v4l2_crop crop;
 163
 164     memset (&cropcap, 0, sizeof (cropcap));
 165     cropcap.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 166
 167     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_CROPCAP, &cropcap)) {
 168         perror ("VIDIOC_CROPCAP");
 169         exit (EXIT_FAILURE);
 170     }
 171
 172     memset (&crop, 0, sizeof (crop));
 173     crop.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 174     crop.c = cropcap.defrect;
 175
 176     /* Ignore if cropping is not supported (EINVAL). */
 177
 178     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_S_CROP, &crop)
 179         && errno != EINVAL) {
 180         perror ("VIDIOC_S_CROP");
 181         exit (EXIT_FAILURE);
 182     }
 183
 184
 185 Example: Simple downscaling
 186 ===========================
 187
 188 .. code-block:: c
 189
 190     struct v4l2_cropcap cropcap;
 191     struct v4l2_format format;
 192
 193     reset_cropping_parameters ();
 194
 195     /* Scale down to 1/4 size of full picture. */
 196
 197     memset (&format, 0, sizeof (format)); /* defaults */
 198
 199     format.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 200
 201     format.fmt.pix.width = cropcap.defrect.width >> 1;
 202     format.fmt.pix.height = cropcap.defrect.height >> 1;
 203     format.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
 204
 205     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_S_FMT, &format)) {
 206         perror ("VIDIOC_S_FORMAT");
 207         exit (EXIT_FAILURE);
 208     }
 209
 210     /* We could check the actual image size now, the actual scaling factor
 211        or if the driver can scale at all. */
 212
 213 Example: Selecting an output area
 214 =================================
 215
 216 .. note:: This example assumes an output device.
 217
 218 .. code-block:: c
 219
 220     struct v4l2_cropcap cropcap;
 221     struct v4l2_crop crop;
 222
 223     memset (&cropcap, 0, sizeof (cropcap));
 224     cropcap.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
 225
 226     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_CROPCAP;, &cropcap)) {
 227         perror ("VIDIOC_CROPCAP");
 228         exit (EXIT_FAILURE);
 229     }
 230
 231     memset (&crop, 0, sizeof (crop));
 232
 233     crop.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
 234     crop.c = cropcap.defrect;
 235
 236     /* Scale the width and height to 50 % of their original size
 237        and center the output. */
 238
 239     crop.c.width /= 2;
 240     crop.c.height /= 2;
 241     crop.c.left += crop.c.width / 2;
 242     crop.c.top += crop.c.height / 2;
 243
 244     /* Ignore if cropping is not supported (EINVAL). */
 245
 246     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_S_CROP, &crop)
 247         && errno != EINVAL) {
 248         perror ("VIDIOC_S_CROP");
 249         exit (EXIT_FAILURE);
 250     }
 251
 252 Example: Current scaling factor and pixel aspect
 253 ================================================
 254
 255 .. note:: This example assumes a video capture device.
 256
 257 .. code-block:: c
 258
 259     struct v4l2_cropcap cropcap;
 260     struct v4l2_crop crop;
 261     struct v4l2_format format;
 262     double hscale, vscale;
 263     double aspect;
 264     int dwidth, dheight;
 265
 266     memset (&cropcap, 0, sizeof (cropcap));
 267     cropcap.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 268
 269     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_CROPCAP, &cropcap)) {
 270         perror ("VIDIOC_CROPCAP");
 271         exit (EXIT_FAILURE);
 272     }
 273
 274     memset (&crop, 0, sizeof (crop));
 275     crop.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 276
 277     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_CROP, &crop)) {
 278         if (errno != EINVAL) {
 279             perror ("VIDIOC_G_CROP");
 280             exit (EXIT_FAILURE);
 281         }
 282
 283         /* Cropping not supported. */
 284         crop.c = cropcap.defrect;
 285     }
 286
 287     memset (&format, 0, sizeof (format));
 288     format.fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 289
 290     if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_G_FMT, &format)) {
 291         perror ("VIDIOC_G_FMT");
 292         exit (EXIT_FAILURE);
 293     }
 294
 295     /* The scaling applied by the driver. */
 296
 297     hscale = format.fmt.pix.width / (double) crop.c.width;
 298     vscale = format.fmt.pix.height / (double) crop.c.height;
 299
 300     aspect = cropcap.pixelaspect.numerator /
 301          (double) cropcap.pixelaspect.denominator;
 302     aspect = aspect * hscale / vscale;
 303
 304     /* Devices following ITU-R BT.601 do not capture
 305        square pixels. For playback on a computer monitor
 306        we should scale the images to this size. */
 307
 308     dwidth = format.fmt.pix.width / aspect;
 309     dheight = format.fmt.pix.height;