]> git.sesse.net Git - bmusb/blob - bmusb/bmusb.h
Release 0.7.8.
[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 <set>
14 #include <stack>
15 #include <string>
16 #include <thread>
17 #include <vector>
18
19 namespace bmusb {
20
21 class BMUSBCapture;
22
23 // An interface for frame allocators; if you do not specify one
24 // (using set_video_frame_allocator), a default one that pre-allocates
25 // a freelist of eight frames using new[] will be used. Specifying
26 // your own can be useful if you have special demands for where you want the
27 // frame to end up and don't want to spend the extra copy to get it there, for
28 // instance GPU memory.
29 class FrameAllocator {
30  public:
31         struct Frame {
32                 uint8_t *data = nullptr;
33                 uint8_t *data2 = nullptr;  // Only if interleaved == true.
34                 uint8_t *data_copy = nullptr;  // Will get a non-interleaved copy if not nullptr.
35                 size_t len = 0;  // Number of bytes we actually have.
36                 size_t size = 0;  // Number of bytes we have room for.
37                 size_t overflow = 0;
38                 void *userdata = nullptr;
39                 FrameAllocator *owner = nullptr;
40
41                 // If set to true, every other byte will go to data and to data2.
42                 // If so, <len> and <size> are still about the number of total bytes
43                 // so if size == 1024, there's 512 bytes in data and 512 in data2.
44                 //
45                 // This doesn't really make any sense if you asked for the
46                 // 10BitYCbCr pixel format.
47                 bool interleaved = false;
48
49                 // At what point this frame was received. Note that this marks the
50                 // _end_ of the frame being received, not the beginning.
51                 // Thus, if you want to measure latency, you'll also need to include
52                 // the time the frame actually took to transfer (usually 1/fps,
53                 // ie., the frames are typically transferred in real time).
54                 std::chrono::steady_clock::time_point received_timestamp =
55                         std::chrono::steady_clock::time_point::min();
56         };
57
58         virtual ~FrameAllocator();
59
60         // Request a video frame. Note that this is called from the
61         // USB thread, which runs with realtime priority and is
62         // very sensitive to delays. Thus, you should not do anything
63         // here that might sleep, including calling malloc().
64         // (Taking a mutex is borderline.)
65         //
66         // The Frame object will be given to the frame callback,
67         // which is responsible for releasing the video frame back
68         // once it is usable for new frames (ie., it will no longer
69         // be read from). You can use the "userdata" pointer for
70         // whatever you want to identify this frame if you need to.
71         //
72         // Returning a Frame with data==nullptr is allowed;
73         // if so, the frame in progress will be dropped.
74         virtual Frame alloc_frame() = 0;
75
76         virtual void release_frame(Frame frame) = 0;
77 };
78
79 // Audio is more important than video, and also much cheaper.
80 // By having many more audio frames available, hopefully if something
81 // starts to drop, we'll have CPU load go down (from not having to
82 // process as much video) before we have to drop audio.
83 #define NUM_QUEUED_VIDEO_FRAMES 16
84 #define NUM_QUEUED_AUDIO_FRAMES 64
85
86 class MallocFrameAllocator : public FrameAllocator {
87 public:
88         MallocFrameAllocator(size_t frame_size, size_t num_queued_frames);
89         Frame alloc_frame() override;
90         void release_frame(Frame frame) override;
91
92 private:
93         size_t frame_size;
94
95         std::mutex freelist_mutex;
96         std::stack<std::unique_ptr<uint8_t[]>> freelist;  // All of size <frame_size>.
97 };
98
99 // Represents an input mode you can tune a card to.
100 struct VideoMode {
101         std::string name;
102         bool autodetect = false;  // If true, all the remaining fields are irrelevant.
103         unsigned width = 0, height = 0;
104         unsigned frame_rate_num = 0, frame_rate_den = 0;
105         bool interlaced = false;
106 };
107
108 // Represents the format of an actual frame coming in.
109 // Note: Frame rate is _frame_ rate, not field rate. So 1080i60 gets 30/1, _not_ 60/1.
110 // "second_field_start" is only valid for interlaced modes. If it is 1,
111 // the two fields are actually stored interlaced (ie., every other line).
112 // If not, each field is stored consecutively, and it signifies how many lines
113 // from the very top of the frame there are before the second field
114 // starts (so it will always be >= height/2 + extra_lines_top).
115 struct VideoFormat {
116         uint16_t id = 0;  // For debugging/logging only.
117         unsigned width = 0, height = 0, second_field_start = 0;
118         unsigned extra_lines_top = 0, extra_lines_bottom = 0;
119         unsigned frame_rate_nom = 0, frame_rate_den = 0;
120         unsigned stride = 0;  // In bytes, assuming no interleaving.
121         bool interlaced = false;
122         bool has_signal = false;
123         bool is_connected = true;  // If false, then has_signal makes no sense.
124 };
125
126 struct AudioFormat {
127         uint16_t id = 0;  // For debugging/logging only.
128         unsigned bits_per_sample = 0;
129         unsigned num_channels = 0;
130         unsigned sample_rate = 48000;
131 };
132
133 enum PixelFormat {
134         // 8-bit 4:2:2 in the standard Cb Y Cr Y order (UYVY).
135         // This is the default.
136         PixelFormat_8BitYCbCr,
137
138         // 10-bit 4:2:2 in v210 order. Six pixels (six Y', three Cb,
139         // three Cr) are packed into four 32-bit little-endian ints
140         // in the following pattern (see e.g. the DeckLink documentation
141         // for reference):
142         //
143         //   A  B   G   R
144         // -----------------
145         //   X Cr0 Y0  Cb0
146         //   X  Y2 Cb2  Y1
147         //   X Cb4 Y3  Cr2
148         //   X  Y5 Cr4  Y4
149         //
150         // If you read in RGB order and ignore the unused top bits,
151         // this is essentially Cb Y Cr Y order, just like UYVY is.
152         //
153         // Note that unlike true v210, there is no guarantee about
154         // 128-byte line alignment (or lack thereof); you should check
155         // the stride member of VideoFormat.
156         PixelFormat_10BitYCbCr,
157
158         // 8-bit 4:4:4:4 BGRA (in that order). bmusb itself doesn't
159         // produce this, but it is useful to represent e.g. synthetic inputs.
160         PixelFormat_8BitBGRA,
161
162         // 8-bit 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4 or really anything else, planar
163         // (ie., first all Y', then all Cb, then all Cr). bmusb doesn't
164         // produce this, nor does it specify a mechanism to describe
165         // the precise details of the format.
166         PixelFormat_8BitYCbCrPlanar,
167
168         // These exist only so that the type is guaranteed wide enough
169         // to contain values up to 127. CaptureInterface instances
170         // are free to use them as they see fit for private uses.
171         PixelFormat_Unused100 = 100,
172         PixelFormat_Unused127 = 127
173 };
174
175 typedef std::function<void(uint16_t timecode,
176                            FrameAllocator::Frame video_frame, size_t video_offset, VideoFormat video_format,
177                            FrameAllocator::Frame audio_frame, size_t audio_offset, AudioFormat audio_format)>
178         frame_callback_t;
179
180 typedef std::function<void(libusb_device *dev)> card_connected_callback_t;
181 typedef std::function<void()> card_disconnected_callback_t;
182
183 class CaptureInterface {
184  public:
185         virtual ~CaptureInterface() {}
186
187         virtual std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const = 0;
188         virtual uint32_t get_current_video_mode() const = 0;
189         virtual void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) = 0;
190
191         // TODO: Add a way to query this based on mode?
192         virtual std::set<PixelFormat> get_available_pixel_formats() const = 0;
193         virtual void set_pixel_format(PixelFormat pixel_format) = 0;
194         virtual PixelFormat get_current_pixel_format() const = 0;
195
196         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const = 0;
197         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) = 0;
198         virtual uint32_t get_current_video_input() const = 0;
199
200         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const = 0;
201         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) = 0;
202         virtual uint32_t get_current_audio_input() const = 0;
203
204         // Does not take ownership.
205         virtual void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
206
207         virtual FrameAllocator *get_video_frame_allocator() = 0;
208
209         // Does not take ownership.
210         virtual void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
211
212         virtual FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() = 0;
213
214         virtual void set_frame_callback(frame_callback_t callback) = 0;
215
216         // Needs to be run before configure_card().
217         virtual void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) = 0;
218
219         // Only valid after configure_card().
220         virtual std::string get_description() const = 0;
221
222         virtual void configure_card() = 0;
223
224         virtual void start_bm_capture() = 0;
225
226         virtual void stop_dequeue_thread() = 0;
227
228         // If a card is disconnected, it cannot come back; you should call stop_dequeue_thread()
229         // and delete it.
230         virtual bool get_disconnected() const = 0;
231 };
232
233 // The actual capturing class, representing capture from a single card.
234 class BMUSBCapture : public CaptureInterface {
235  public:
236         BMUSBCapture(int card_index, libusb_device *dev = nullptr)
237                 : card_index(card_index), dev(dev)
238         {
239         }
240
241         ~BMUSBCapture() {}
242
243         // Note: Cards could be unplugged and replugged between this call and
244         // actually opening the card (in configure_card()).
245         static unsigned num_cards();
246
247         std::set<PixelFormat> get_available_pixel_formats() const override
248         {
249                 return std::set<PixelFormat>{ PixelFormat_8BitYCbCr, PixelFormat_10BitYCbCr };
250         }
251
252         void set_pixel_format(PixelFormat pixel_format) override;
253
254         PixelFormat get_current_pixel_format() const
255         {
256                 return current_pixel_format;
257         }
258
259         std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const override;
260         uint32_t get_current_video_mode() const override;
261         void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) override;
262
263         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const override;
264         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) override;
265         virtual uint32_t get_current_video_input() const override { return current_video_input; }
266
267         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const override;
268         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) override;
269         virtual uint32_t get_current_audio_input() const override { return current_audio_input; }
270
271         // Does not take ownership.
272         void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
273         {
274                 video_frame_allocator = allocator;
275                 if (owned_video_frame_allocator.get() != allocator) {
276                         owned_video_frame_allocator.reset();
277                 }
278         }
279
280         FrameAllocator *get_video_frame_allocator() override
281         {
282                 return video_frame_allocator;
283         }
284
285         // Does not take ownership.
286         void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
287         {
288                 audio_frame_allocator = allocator;
289                 if (owned_audio_frame_allocator.get() != allocator) {
290                         owned_audio_frame_allocator.reset();
291                 }
292         }
293
294         FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() override
295         {
296                 return audio_frame_allocator;
297         }
298
299         void set_frame_callback(frame_callback_t callback) override
300         {
301                 frame_callback = callback;
302         }
303
304         // Needs to be run before configure_card().
305         void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) override
306         {
307                 dequeue_init_callback = init;
308                 dequeue_cleanup_callback = cleanup;
309                 has_dequeue_callbacks = true;
310         }
311
312         // Only valid after configure_card().
313         std::string get_description() const override {
314                 return description;
315         }
316
317         void configure_card() override;
318         void start_bm_capture() override;
319         void stop_dequeue_thread() override;
320         bool get_disconnected() const override { return disconnected; }
321
322         // TODO: It's rather messy to have these outside the interface.
323         static void start_bm_thread();
324         static void stop_bm_thread();
325
326         // Hotplug event (for devices being inserted between start_bm_thread()
327         // and stop_bm_thread()); entirely optional, but must be set before
328         // start_bm_capture(). Note that your callback should do as little work
329         // as possible, since the callback comes from the main USB handling
330         // thread, which is very time-sensitive.
331         //
332         // The callback function transfers ownership. If you don't want to hold
333         // on to the device given to you in the callback, you need to call
334         // libusb_unref_device().
335         static void set_card_connected_callback(card_connected_callback_t callback,
336                                                 bool hotplug_existing_devices_arg = false)
337         {
338                 card_connected_callback = callback;
339                 hotplug_existing_devices = hotplug_existing_devices_arg;
340         }
341
342         // Similar to set_card_connected_callback(), with the same caveats.
343         // (Note that this is set per-card and not global, as it is logically
344         // connected to an existing BMUSBCapture object.)
345         void set_card_disconnected_callback(card_disconnected_callback_t callback)
346         {
347                 card_disconnected_callback = callback;
348         }
349
350  private:
351         struct QueuedFrame {
352                 uint16_t timecode;
353                 uint16_t format;
354                 FrameAllocator::Frame frame;
355         };
356
357         void start_new_audio_block(const uint8_t *start);
358         void start_new_frame(const uint8_t *start);
359
360         void queue_frame(uint16_t format, uint16_t timecode, FrameAllocator::Frame frame, std::deque<QueuedFrame> *q);
361         void dequeue_thread_func();
362
363         static void usb_thread_func();
364         static void cb_xfr(struct libusb_transfer *xfr);
365         static int cb_hotplug(libusb_context *ctx, libusb_device *dev, libusb_hotplug_event event, void *user_data);
366
367         void update_capture_mode();
368
369         std::string description;
370
371         FrameAllocator::Frame current_video_frame;
372         FrameAllocator::Frame current_audio_frame;
373
374         std::mutex queue_lock;
375         std::condition_variable queues_not_empty;
376         std::deque<QueuedFrame> pending_video_frames;
377         std::deque<QueuedFrame> pending_audio_frames;
378
379         FrameAllocator *video_frame_allocator = nullptr;
380         FrameAllocator *audio_frame_allocator = nullptr;
381         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_video_frame_allocator;
382         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_audio_frame_allocator;
383         frame_callback_t frame_callback = nullptr;
384         static card_connected_callback_t card_connected_callback;
385         static bool hotplug_existing_devices;
386         card_disconnected_callback_t card_disconnected_callback = nullptr;
387
388         std::thread dequeue_thread;
389         std::atomic<bool> dequeue_thread_should_quit;
390         bool has_dequeue_callbacks = false;
391         std::function<void()> dequeue_init_callback = nullptr;
392         std::function<void()> dequeue_cleanup_callback = nullptr;
393
394         int current_register = 0;
395
396         static constexpr int NUM_BMUSB_REGISTERS = 60;
397         uint8_t register_file[NUM_BMUSB_REGISTERS];
398
399         // If <dev> is nullptr, will choose device number <card_index> from the list
400         // of available devices on the system. <dev> is not used after configure_card()
401         // (it will be unref-ed).
402         int card_index = -1;
403         libusb_device *dev = nullptr;
404
405         std::vector<libusb_transfer *> iso_xfrs;
406         int assumed_frame_width = 1280;
407
408         libusb_device_handle *devh = nullptr;
409         uint32_t current_video_input = 0x00000000;  // HDMI/SDI.
410         uint32_t current_audio_input = 0x00000000;  // Embedded.
411         PixelFormat current_pixel_format = PixelFormat_8BitYCbCr;
412
413         bool disconnected = false;
414 };
415
416 }  // namespace bmusb
417
418 #endif