]> git.sesse.net Git - bmusb/blob - bmusb/bmusb.h
b1861efb6ddf045ae7d6a49a31d2c4667e314a25
[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                 size_t len = 0;  // Number of bytes we actually have.
35                 size_t size = 0;  // Number of bytes we have room for.
36                 size_t overflow = 0;
37                 void *userdata = nullptr;
38                 FrameAllocator *owner = nullptr;
39
40                 // If set to true, every other byte will go to data and to data2.
41                 // If so, <len> and <size> are still about the number of total bytes
42                 // so if size == 1024, there's 512 bytes in data and 512 in data2.
43                 //
44                 // This doesn't really make any sense if you asked for the
45                 // 10BitYCbCr pixel format.
46                 bool interleaved = false;
47
48                 // At what point this frame was received. Note that this marks the
49                 // _end_ of the frame being received, not the beginning.
50                 // Thus, if you want to measure latency, you'll also need to include
51                 // the time the frame actually took to transfer (usually 1/fps,
52                 // ie., the frames are typically transferred in real time).
53                 std::chrono::steady_clock::time_point received_timestamp =
54                         std::chrono::steady_clock::time_point::min();
55         };
56
57         virtual ~FrameAllocator();
58
59         // Request a video frame. Note that this is called from the
60         // USB thread, which runs with realtime priority and is
61         // very sensitive to delays. Thus, you should not do anything
62         // here that might sleep, including calling malloc().
63         // (Taking a mutex is borderline.)
64         //
65         // The Frame object will be given to the frame callback,
66         // which is responsible for releasing the video frame back
67         // once it is usable for new frames (ie., it will no longer
68         // be read from). You can use the "userdata" pointer for
69         // whatever you want to identify this frame if you need to.
70         //
71         // Returning a Frame with data==nullptr is allowed;
72         // if so, the frame in progress will be dropped.
73         virtual Frame alloc_frame() = 0;
74
75         virtual void release_frame(Frame frame) = 0;
76 };
77
78 // Audio is more important than video, and also much cheaper.
79 // By having many more audio frames available, hopefully if something
80 // starts to drop, we'll have CPU load go down (from not having to
81 // process as much video) before we have to drop audio.
82 #define NUM_QUEUED_VIDEO_FRAMES 16
83 #define NUM_QUEUED_AUDIO_FRAMES 64
84
85 class MallocFrameAllocator : public FrameAllocator {
86 public:
87         MallocFrameAllocator(size_t frame_size, size_t num_queued_frames);
88         Frame alloc_frame() override;
89         void release_frame(Frame frame) override;
90
91 private:
92         size_t frame_size;
93
94         std::mutex freelist_mutex;
95         std::stack<std::unique_ptr<uint8_t[]>> freelist;  // All of size <frame_size>.
96 };
97
98 // Represents an input mode you can tune a card to.
99 struct VideoMode {
100         std::string name;
101         bool autodetect = false;  // If true, all the remaining fields are irrelevant.
102         unsigned width = 0, height = 0;
103         unsigned frame_rate_num = 0, frame_rate_den = 0;
104         bool interlaced = false;
105 };
106
107 // Represents the format of an actual frame coming in.
108 // Note: Frame rate is _frame_ rate, not field rate. So 1080i60 gets 30/1, _not_ 60/1.
109 // "second_field_start" is only valid for interlaced modes. If it is 1,
110 // the two fields are actually stored interlaced (ie., every other line).
111 // If not, each field is stored consecutively, and it signifies how many lines
112 // from the very top of the frame there are before the second field
113 // starts (so it will always be >= height/2 + extra_lines_top).
114 struct VideoFormat {
115         uint16_t id = 0;  // For debugging/logging only.
116         unsigned width = 0, height = 0, second_field_start = 0;
117         unsigned extra_lines_top = 0, extra_lines_bottom = 0;
118         unsigned frame_rate_nom = 0, frame_rate_den = 0;
119         unsigned stride = 0;  // In bytes, assuming no interleaving.
120         bool interlaced = false;
121         bool has_signal = false;
122         bool is_connected = true;  // If false, then has_signal makes no sense.
123 };
124
125 struct AudioFormat {
126         uint16_t id = 0;  // For debugging/logging only.
127         unsigned bits_per_sample = 0;
128         unsigned num_channels = 0;
129         unsigned sample_rate = 48000;
130 };
131
132 enum PixelFormat {
133         // 8-bit 4:2:2 in the standard Cb Y Cr Y order (UYVY).
134         // This is the default.
135         PixelFormat_8BitYCbCr,
136
137         // 10-bit 4:2:2 in v210 order. Six pixels (six Y', three Cb,
138         // three Cr) are packed into four 32-bit little-endian ints
139         // in the following pattern (see e.g. the DeckLink documentation
140         // for reference):
141         //
142         //   A  B   G   R
143         // -----------------
144         //   X Cr0 Y0  Cb0
145         //   X  Y2 Cb2  Y1
146         //   X Cb4 Y3  Cr2
147         //   X  Y5 Cr4  Y4
148         //
149         // If you read in RGB order and ignore the unused top bits,
150         // this is essentially Cb Y Cr Y order, just like UYVY is.
151         //
152         // Note that unlike true v210, there is no guarantee about
153         // 128-byte line alignment (or lack thereof); you should check
154         // the stride member of VideoFormat.
155         PixelFormat_10BitYCbCr,
156
157         // 8-bit 4:4:4:4 BGRA (in that order). bmusb itself doesn't
158         // produce this, but it is useful to represent e.g. synthetic inputs.
159         PixelFormat_8BitBGRA,
160
161         // 8-bit 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4 or really anything else, planar
162         // (ie., first all Y', then all Cb, then all Cr). bmusb doesn't
163         // produce this, nor does it specify a mechanism to describe
164         // the precise details of the format.
165         PixelFormat_8BitYCbCrPlanar,
166
167         // These exist only so that the type is guaranteed wide enough
168         // to contain values up to 127. CaptureInterface instances
169         // are free to use them as they see fit for private uses.
170         PixelFormat_Unused100 = 100,
171         PixelFormat_Unused127 = 127
172 };
173
174 typedef std::function<void(uint16_t timecode,
175                            FrameAllocator::Frame video_frame, size_t video_offset, VideoFormat video_format,
176                            FrameAllocator::Frame audio_frame, size_t audio_offset, AudioFormat audio_format)>
177         frame_callback_t;
178
179 typedef std::function<void(libusb_device *dev)> card_connected_callback_t;
180 typedef std::function<void()> card_disconnected_callback_t;
181
182 class CaptureInterface {
183  public:
184         virtual ~CaptureInterface() {}
185
186         virtual std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const = 0;
187         virtual uint32_t get_current_video_mode() const = 0;
188         virtual void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) = 0;
189
190         // TODO: Add a way to query this based on mode?
191         virtual std::set<PixelFormat> get_available_pixel_formats() const = 0;
192         virtual void set_pixel_format(PixelFormat pixel_format) = 0;
193         virtual PixelFormat get_current_pixel_format() const = 0;
194
195         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const = 0;
196         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) = 0;
197         virtual uint32_t get_current_video_input() const = 0;
198
199         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const = 0;
200         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) = 0;
201         virtual uint32_t get_current_audio_input() const = 0;
202
203         // Does not take ownership.
204         virtual void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
205
206         virtual FrameAllocator *get_video_frame_allocator() = 0;
207
208         // Does not take ownership.
209         virtual void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
210
211         virtual FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() = 0;
212
213         virtual void set_frame_callback(frame_callback_t callback) = 0;
214
215         // Needs to be run before configure_card().
216         virtual void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) = 0;
217
218         // Only valid after configure_card().
219         virtual std::string get_description() const = 0;
220
221         virtual void configure_card() = 0;
222
223         virtual void start_bm_capture() = 0;
224
225         virtual void stop_dequeue_thread() = 0;
226
227         // If a card is disconnected, it cannot come back; you should call stop_dequeue_thread()
228         // and delete it.
229         virtual bool get_disconnected() const = 0;
230 };
231
232 // The actual capturing class, representing capture from a single card.
233 class BMUSBCapture : public CaptureInterface {
234  public:
235         BMUSBCapture(int card_index, libusb_device *dev = nullptr)
236                 : card_index(card_index), dev(dev)
237         {
238         }
239
240         ~BMUSBCapture() {}
241
242         // Note: Cards could be unplugged and replugged between this call and
243         // actually opening the card (in configure_card()).
244         static unsigned num_cards();
245
246         std::set<PixelFormat> get_available_pixel_formats() const override
247         {
248                 return std::set<PixelFormat>{ PixelFormat_8BitYCbCr, PixelFormat_10BitYCbCr };
249         }
250
251         void set_pixel_format(PixelFormat pixel_format) override;
252
253         PixelFormat get_current_pixel_format() const
254         {
255                 return current_pixel_format;
256         }
257
258         std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const override;
259         uint32_t get_current_video_mode() const override;
260         void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) override;
261
262         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const override;
263         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) override;
264         virtual uint32_t get_current_video_input() const override { return current_video_input; }
265
266         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const override;
267         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) override;
268         virtual uint32_t get_current_audio_input() const override { return current_audio_input; }
269
270         // Does not take ownership.
271         void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
272         {
273                 video_frame_allocator = allocator;
274                 if (owned_video_frame_allocator.get() != allocator) {
275                         owned_video_frame_allocator.reset();
276                 }
277         }
278
279         FrameAllocator *get_video_frame_allocator() override
280         {
281                 return video_frame_allocator;
282         }
283
284         // Does not take ownership.
285         void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
286         {
287                 audio_frame_allocator = allocator;
288                 if (owned_audio_frame_allocator.get() != allocator) {
289                         owned_audio_frame_allocator.reset();
290                 }
291         }
292
293         FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() override
294         {
295                 return audio_frame_allocator;
296         }
297
298         void set_frame_callback(frame_callback_t callback) override
299         {
300                 frame_callback = callback;
301         }
302
303         // Needs to be run before configure_card().
304         void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) override
305         {
306                 dequeue_init_callback = init;
307                 dequeue_cleanup_callback = cleanup;
308                 has_dequeue_callbacks = true;
309         }
310
311         // Only valid after configure_card().
312         std::string get_description() const override {
313                 return description;
314         }
315
316         void configure_card() override;
317         void start_bm_capture() override;
318         void stop_dequeue_thread() override;
319         bool get_disconnected() const override { return disconnected; }
320
321         // TODO: It's rather messy to have these outside the interface.
322         static void start_bm_thread();
323         static void stop_bm_thread();
324
325         // Hotplug event (for devices being inserted between start_bm_thread()
326         // and stop_bm_thread()); entirely optional, but must be set before
327         // start_bm_capture(). Note that your callback should do as little work
328         // as possible, since the callback comes from the main USB handling
329         // thread, which is very time-sensitive.
330         //
331         // The callback function transfers ownership. If you don't want to hold
332         // on to the device given to you in the callback, you need to call
333         // libusb_unref_device().
334         static void set_card_connected_callback(card_connected_callback_t callback,
335                                                 bool hotplug_existing_devices_arg = false)
336         {
337                 card_connected_callback = callback;
338                 hotplug_existing_devices = hotplug_existing_devices_arg;
339         }
340
341         // Similar to set_card_connected_callback(), with the same caveats.
342         // (Note that this is set per-card and not global, as it is logically
343         // connected to an existing BMUSBCapture object.)
344         void set_card_disconnected_callback(card_disconnected_callback_t callback)
345         {
346                 card_disconnected_callback = callback;
347         }
348
349  private:
350         struct QueuedFrame {
351                 uint16_t timecode;
352                 uint16_t format;
353                 FrameAllocator::Frame frame;
354         };
355
356         void start_new_audio_block(const uint8_t *start);
357         void start_new_frame(const uint8_t *start);
358
359         void queue_frame(uint16_t format, uint16_t timecode, FrameAllocator::Frame frame, std::deque<QueuedFrame> *q);
360         void dequeue_thread_func();
361
362         static void usb_thread_func();
363         static void cb_xfr(struct libusb_transfer *xfr);
364         static int cb_hotplug(libusb_context *ctx, libusb_device *dev, libusb_hotplug_event event, void *user_data);
365
366         void update_capture_mode();
367
368         std::string description;
369
370         FrameAllocator::Frame current_video_frame;
371         FrameAllocator::Frame current_audio_frame;
372
373         std::mutex queue_lock;
374         std::condition_variable queues_not_empty;
375         std::deque<QueuedFrame> pending_video_frames;
376         std::deque<QueuedFrame> pending_audio_frames;
377
378         FrameAllocator *video_frame_allocator = nullptr;
379         FrameAllocator *audio_frame_allocator = nullptr;
380         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_video_frame_allocator;
381         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_audio_frame_allocator;
382         frame_callback_t frame_callback = nullptr;
383         static card_connected_callback_t card_connected_callback;
384         static bool hotplug_existing_devices;
385         card_disconnected_callback_t card_disconnected_callback = nullptr;
386
387         std::thread dequeue_thread;
388         std::atomic<bool> dequeue_thread_should_quit;
389         bool has_dequeue_callbacks = false;
390         std::function<void()> dequeue_init_callback = nullptr;
391         std::function<void()> dequeue_cleanup_callback = nullptr;
392
393         int current_register = 0;
394
395         static constexpr int NUM_BMUSB_REGISTERS = 60;
396         uint8_t register_file[NUM_BMUSB_REGISTERS];
397
398         // If <dev> is nullptr, will choose device number <card_index> from the list
399         // of available devices on the system. <dev> is not used after configure_card()
400         // (it will be unref-ed).
401         int card_index = -1;
402         libusb_device *dev = nullptr;
403
404         std::vector<libusb_transfer *> iso_xfrs;
405         int assumed_frame_width = 1280;
406
407         libusb_device_handle *devh = nullptr;
408         uint32_t current_video_input = 0x00000000;  // HDMI/SDI.
409         uint32_t current_audio_input = 0x00000000;  // Embedded.
410         PixelFormat current_pixel_format = PixelFormat_8BitYCbCr;
411
412         bool disconnected = false;
413 };
414
415 }  // namespace bmusb
416
417 #endif