]> git.sesse.net Git - bmusb/blob - bmusb/bmusb.h
6aabd51fcc39f68c1b0780e24d5451319083b317
[bmusb] / bmusb / bmusb.h
1 #ifndef _BMUSB_H
2 #define _BMUSB_H
3
4 #include <libusb.h>
5 #include <stdint.h>
6 #include <atomic>
7 #include <chrono>
8 #include <condition_variable>
9 #include <deque>
10 #include <functional>
11 #include <map>
12 #include <mutex>
13 #include <stack>
14 #include <string>
15 #include <thread>
16 #include <vector>
17
18 namespace bmusb {
19
20 class BMUSBCapture;
21
22 // An interface for frame allocators; if you do not specify one
23 // (using set_video_frame_allocator), a default one that pre-allocates
24 // a freelist of eight frames using new[] will be used. Specifying
25 // your own can be useful if you have special demands for where you want the
26 // frame to end up and don't want to spend the extra copy to get it there, for
27 // instance GPU memory.
28 class FrameAllocator {
29  public:
30         struct Frame {
31                 uint8_t *data = nullptr;
32                 uint8_t *data2 = nullptr;  // Only if interleaved == true.
33                 size_t len = 0;  // Number of bytes we actually have.
34                 size_t size = 0;  // Number of bytes we have room for.
35                 size_t overflow = 0;
36                 void *userdata = nullptr;
37                 FrameAllocator *owner = nullptr;
38
39                 // If set to true, every other byte will go to data and to data2.
40                 // If so, <len> and <size> are still about the number of total bytes
41                 // so if size == 1024, there's 512 bytes in data and 512 in data2.
42                 bool interleaved = false;
43
44                 // At what point this frame was received. Note that this marks the
45                 // _end_ of the frame being received, not the beginning.
46                 // Thus, if you want to measure latency, you'll also need to include
47                 // the time the frame actually took to transfer (usually 1/fps,
48                 // ie., the frames are typically transferred in real time).
49                 std::chrono::steady_clock::time_point received_timestamp =
50                         std::chrono::steady_clock::time_point::min();
51         };
52
53         virtual ~FrameAllocator();
54
55         // Request a video frame. Note that this is called from the
56         // USB thread, which runs with realtime priority and is
57         // very sensitive to delays. Thus, you should not do anything
58         // here that might sleep, including calling malloc().
59         // (Taking a mutex is borderline.)
60         //
61         // The Frame object will be given to the frame callback,
62         // which is responsible for releasing the video frame back
63         // once it is usable for new frames (ie., it will no longer
64         // be read from). You can use the "userdata" pointer for
65         // whatever you want to identify this frame if you need to.
66         //
67         // Returning a Frame with data==nullptr is allowed;
68         // if so, the frame in progress will be dropped.
69         virtual Frame alloc_frame() = 0;
70
71         virtual void release_frame(Frame frame) = 0;
72 };
73
74 // Audio is more important than video, and also much cheaper.
75 // By having many more audio frames available, hopefully if something
76 // starts to drop, we'll have CPU load go down (from not having to
77 // process as much video) before we have to drop audio.
78 #define NUM_QUEUED_VIDEO_FRAMES 16
79 #define NUM_QUEUED_AUDIO_FRAMES 64
80
81 class MallocFrameAllocator : public FrameAllocator {
82 public:
83         MallocFrameAllocator(size_t frame_size, size_t num_queued_frames);
84         Frame alloc_frame() override;
85         void release_frame(Frame frame) override;
86
87 private:
88         size_t frame_size;
89
90         std::mutex freelist_mutex;
91         std::stack<std::unique_ptr<uint8_t[]>> freelist;  // All of size <frame_size>.
92 };
93
94 // Represents an input mode you can tune a card to.
95 struct VideoMode {
96         std::string name;
97         bool autodetect = false;  // If true, all the remaining fields are irrelevant.
98         unsigned width = 0, height = 0;
99         unsigned frame_rate_num = 0, frame_rate_den = 0;
100         bool interlaced = false;
101 };
102
103 // Represents the format of an actual frame coming in.
104 // Note: Frame rate is _frame_ rate, not field rate. So 1080i60 gets 30/1, _not_ 60/1.
105 // "second_field_start" is only valid for interlaced modes; it signifies
106 // how many lines from the very top of the frame there are before the second field
107 // starts (so it will always be >= height/2 + extra_lines_top).
108 struct VideoFormat {
109         uint16_t id = 0;  // For debugging/logging only.
110         unsigned width = 0, height = 0, second_field_start = 0;
111         unsigned extra_lines_top = 0, extra_lines_bottom = 0;
112         unsigned frame_rate_nom = 0, frame_rate_den = 0;
113         bool interlaced = false;
114         bool has_signal = false;
115         bool is_connected = true;  // If false, then has_signal makes no sense.
116 };
117
118 struct AudioFormat {
119         uint16_t id = 0;  // For debugging/logging only.
120         unsigned bits_per_sample = 0;
121         unsigned num_channels = 0;
122 };
123
124 typedef std::function<void(uint16_t timecode,
125                            FrameAllocator::Frame video_frame, size_t video_offset, VideoFormat video_format,
126                            FrameAllocator::Frame audio_frame, size_t audio_offset, AudioFormat audio_format)>
127         frame_callback_t;
128
129 typedef std::function<void(libusb_device *dev)> card_connected_callback_t;
130 typedef std::function<void()> card_disconnected_callback_t;
131
132 class CaptureInterface {
133  public:
134         virtual ~CaptureInterface() {}
135
136         virtual std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const = 0;
137         virtual uint32_t get_current_video_mode() const = 0;
138         virtual void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) = 0;
139
140         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const = 0;
141         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) = 0;
142         virtual uint32_t get_current_video_input() const = 0;
143
144         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const = 0;
145         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) = 0;
146         virtual uint32_t get_current_audio_input() const = 0;
147
148         // Does not take ownership.
149         virtual void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
150
151         virtual FrameAllocator *get_video_frame_allocator() = 0;
152
153         // Does not take ownership.
154         virtual void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
155
156         virtual FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() = 0;
157
158         virtual void set_frame_callback(frame_callback_t callback) = 0;
159
160         // Needs to be run before configure_card().
161         virtual void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) = 0;
162
163         // Only valid after configure_card().
164         virtual std::string get_description() const = 0;
165
166         virtual void configure_card() = 0;
167
168         virtual void start_bm_capture() = 0;
169
170         virtual void stop_dequeue_thread() = 0;
171
172         // If a card is disconnected, it cannot come back; you should call stop_dequeue_thread()
173         // and delete it.
174         virtual bool get_disconnected() const = 0;
175 };
176
177 // The actual capturing class, representing capture from a single card.
178 class BMUSBCapture : public CaptureInterface {
179  public:
180         BMUSBCapture(int card_index, libusb_device *dev = nullptr)
181                 : card_index(card_index), dev(dev)
182         {
183         }
184
185         ~BMUSBCapture() {}
186
187         // Note: Cards could be unplugged and replugged between this call and
188         // actually opening the card (in configure_card()).
189         static unsigned num_cards();
190
191         std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const override;
192         uint32_t get_current_video_mode() const override;
193         void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) override;
194
195         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const override;
196         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) override;
197         virtual uint32_t get_current_video_input() const override { return current_video_input; }
198
199         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const override;
200         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) override;
201         virtual uint32_t get_current_audio_input() const override { return current_audio_input; }
202
203         // Does not take ownership.
204         void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
205         {
206                 video_frame_allocator = allocator;
207                 if (owned_video_frame_allocator.get() != allocator) {
208                         owned_video_frame_allocator.reset();
209                 }
210         }
211
212         FrameAllocator *get_video_frame_allocator() override
213         {
214                 return video_frame_allocator;
215         }
216
217         // Does not take ownership.
218         void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
219         {
220                 audio_frame_allocator = allocator;
221                 if (owned_audio_frame_allocator.get() != allocator) {
222                         owned_audio_frame_allocator.reset();
223                 }
224         }
225
226         FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() override
227         {
228                 return audio_frame_allocator;
229         }
230
231         void set_frame_callback(frame_callback_t callback) override
232         {
233                 frame_callback = callback;
234         }
235
236         // Needs to be run before configure_card().
237         void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) override
238         {
239                 dequeue_init_callback = init;
240                 dequeue_cleanup_callback = cleanup;
241                 has_dequeue_callbacks = true;
242         }
243
244         // Only valid after configure_card().
245         std::string get_description() const override {
246                 return description;
247         }
248
249         void configure_card() override;
250         void start_bm_capture() override;
251         void stop_dequeue_thread() override;
252         bool get_disconnected() const override { return disconnected; }
253
254         // TODO: It's rather messy to have these outside the interface.
255         static void start_bm_thread();
256         static void stop_bm_thread();
257
258         // Hotplug event (for devices being inserted between start_bm_thread()
259         // and stop_bm_thread()); entirely optional, but must be set before
260         // start_bm_capture(). Note that your callback should do as little work
261         // as possible, since the callback comes from the main USB handling
262         // thread, which is very time-sensitive.
263         //
264         // The callback function transfers ownership. If you don't want to hold
265         // on to the device given to you in the callback, you need to call
266         // libusb_unref_device().
267         static void set_card_connected_callback(card_connected_callback_t callback,
268                                                 bool hotplug_existing_devices_arg = false)
269         {
270                 card_connected_callback = callback;
271                 hotplug_existing_devices = hotplug_existing_devices_arg;
272         }
273
274         // Similar to set_card_connected_callback(), with the same caveats.
275         // (Note that this is set per-card and not global, as it is logically
276         // connected to an existing BMUSBCapture object.)
277         void set_card_disconnected_callback(card_disconnected_callback_t callback)
278         {
279                 card_disconnected_callback = callback;
280         }
281
282  private:
283         struct QueuedFrame {
284                 uint16_t timecode;
285                 uint16_t format;
286                 FrameAllocator::Frame frame;
287         };
288
289         void start_new_audio_block(const uint8_t *start);
290         void start_new_frame(const uint8_t *start);
291
292         void queue_frame(uint16_t format, uint16_t timecode, FrameAllocator::Frame frame, std::deque<QueuedFrame> *q);
293         void dequeue_thread_func();
294
295         static void usb_thread_func();
296         static void cb_xfr(struct libusb_transfer *xfr);
297         static int cb_hotplug(libusb_context *ctx, libusb_device *dev, libusb_hotplug_event event, void *user_data);
298
299         void update_capture_mode();
300
301         std::string description;
302
303         FrameAllocator::Frame current_video_frame;
304         FrameAllocator::Frame current_audio_frame;
305
306         std::mutex queue_lock;
307         std::condition_variable queues_not_empty;
308         std::deque<QueuedFrame> pending_video_frames;
309         std::deque<QueuedFrame> pending_audio_frames;
310
311         FrameAllocator *video_frame_allocator = nullptr;
312         FrameAllocator *audio_frame_allocator = nullptr;
313         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_video_frame_allocator;
314         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_audio_frame_allocator;
315         frame_callback_t frame_callback = nullptr;
316         static card_connected_callback_t card_connected_callback;
317         static bool hotplug_existing_devices;
318         card_disconnected_callback_t card_disconnected_callback = nullptr;
319
320         std::thread dequeue_thread;
321         std::atomic<bool> dequeue_thread_should_quit;
322         bool has_dequeue_callbacks = false;
323         std::function<void()> dequeue_init_callback = nullptr;
324         std::function<void()> dequeue_cleanup_callback = nullptr;
325
326         int current_register = 0;
327
328         static constexpr int NUM_BMUSB_REGISTERS = 60;
329         uint8_t register_file[NUM_BMUSB_REGISTERS];
330
331         // If <dev> is nullptr, will choose device number <card_index> from the list
332         // of available devices on the system. <dev> is not used after configure_card()
333         // (it will be unref-ed).
334         int card_index = -1;
335         libusb_device *dev = nullptr;
336
337         std::vector<libusb_transfer *> iso_xfrs;
338         int assumed_frame_width = 1280;
339
340         libusb_device_handle *devh = nullptr;
341         uint32_t current_video_input = 0x00000000;  // HDMI/SDI.
342         uint32_t current_audio_input = 0x00000000;  // Embedded.
343
344         bool disconnected = false;
345 };
346
347 }  // namespace bmusb
348
349 #endif