]> git.sesse.net Git - bmusb/blob - bmusb/bmusb.h
Support 10-bit capture.
[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 };
130
131 enum PixelFormat {
132         // 8-bit 4:2:2 in the standard Cb Y Cr Y order (UYVY).
133         // This is the default.
134         PixelFormat_8BitYCbCr,
135
136         // 10-bit 4:2:2 in v210 order. Six pixels (six Y', three Cb,
137         // three Cr) are packed into four 32-bit little-endian ints
138         // in the following pattern (see e.g. the DeckLink documentation
139         // for reference):
140         //
141         //   A  B   G   R
142         // -----------------
143         //   X Cr0 Y0  Cb0
144         //   X  Y2 Cb2  Y1
145         //   X Cb4 Y3  Cr2
146         //   X  Y5 Cr4  Y4
147         //
148         // If you read in RGB order and ignore the unused top bits,
149         // this is essentially Cb Y Cr Y order, just like UYVY is.
150         //
151         // Note that unlike true v210, there is no guarantee about
152         // 128-byte line alignment (or lack thereof); you should check
153         // the stride member of VideoFormat.
154         PixelFormat_10BitYCbCr
155 };
156
157 typedef std::function<void(uint16_t timecode,
158                            FrameAllocator::Frame video_frame, size_t video_offset, VideoFormat video_format,
159                            FrameAllocator::Frame audio_frame, size_t audio_offset, AudioFormat audio_format)>
160         frame_callback_t;
161
162 typedef std::function<void(libusb_device *dev)> card_connected_callback_t;
163 typedef std::function<void()> card_disconnected_callback_t;
164
165 class CaptureInterface {
166  public:
167         virtual ~CaptureInterface() {}
168
169         virtual std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const = 0;
170         virtual uint32_t get_current_video_mode() const = 0;
171         virtual void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) = 0;
172
173         // TODO: Add a way to query this based on mode?
174         virtual std::set<PixelFormat> get_available_pixel_formats() const = 0;
175         virtual void set_pixel_format(PixelFormat pixel_format) = 0;
176         virtual PixelFormat get_current_pixel_format() const = 0;
177
178         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const = 0;
179         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) = 0;
180         virtual uint32_t get_current_video_input() const = 0;
181
182         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const = 0;
183         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) = 0;
184         virtual uint32_t get_current_audio_input() const = 0;
185
186         // Does not take ownership.
187         virtual void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
188
189         virtual FrameAllocator *get_video_frame_allocator() = 0;
190
191         // Does not take ownership.
192         virtual void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) = 0;
193
194         virtual FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() = 0;
195
196         virtual void set_frame_callback(frame_callback_t callback) = 0;
197
198         // Needs to be run before configure_card().
199         virtual void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) = 0;
200
201         // Only valid after configure_card().
202         virtual std::string get_description() const = 0;
203
204         virtual void configure_card() = 0;
205
206         virtual void start_bm_capture() = 0;
207
208         virtual void stop_dequeue_thread() = 0;
209
210         // If a card is disconnected, it cannot come back; you should call stop_dequeue_thread()
211         // and delete it.
212         virtual bool get_disconnected() const = 0;
213 };
214
215 // The actual capturing class, representing capture from a single card.
216 class BMUSBCapture : public CaptureInterface {
217  public:
218         BMUSBCapture(int card_index, libusb_device *dev = nullptr)
219                 : card_index(card_index), dev(dev)
220         {
221         }
222
223         ~BMUSBCapture() {}
224
225         // Note: Cards could be unplugged and replugged between this call and
226         // actually opening the card (in configure_card()).
227         static unsigned num_cards();
228
229         std::set<PixelFormat> get_available_pixel_formats() const override
230         {
231                 return std::set<PixelFormat>{ PixelFormat_8BitYCbCr, PixelFormat_10BitYCbCr };
232         }
233
234         void set_pixel_format(PixelFormat pixel_format) override;
235
236         PixelFormat get_current_pixel_format() const
237         {
238                 return current_pixel_format;
239         }
240
241         std::map<uint32_t, VideoMode> get_available_video_modes() const override;
242         uint32_t get_current_video_mode() const override;
243         void set_video_mode(uint32_t video_mode_id) override;
244
245         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_video_inputs() const override;
246         virtual void set_video_input(uint32_t video_input_id) override;
247         virtual uint32_t get_current_video_input() const override { return current_video_input; }
248
249         virtual std::map<uint32_t, std::string> get_available_audio_inputs() const override;
250         virtual void set_audio_input(uint32_t audio_input_id) override;
251         virtual uint32_t get_current_audio_input() const override { return current_audio_input; }
252
253         // Does not take ownership.
254         void set_video_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
255         {
256                 video_frame_allocator = allocator;
257                 if (owned_video_frame_allocator.get() != allocator) {
258                         owned_video_frame_allocator.reset();
259                 }
260         }
261
262         FrameAllocator *get_video_frame_allocator() override
263         {
264                 return video_frame_allocator;
265         }
266
267         // Does not take ownership.
268         void set_audio_frame_allocator(FrameAllocator *allocator) override
269         {
270                 audio_frame_allocator = allocator;
271                 if (owned_audio_frame_allocator.get() != allocator) {
272                         owned_audio_frame_allocator.reset();
273                 }
274         }
275
276         FrameAllocator *get_audio_frame_allocator() override
277         {
278                 return audio_frame_allocator;
279         }
280
281         void set_frame_callback(frame_callback_t callback) override
282         {
283                 frame_callback = callback;
284         }
285
286         // Needs to be run before configure_card().
287         void set_dequeue_thread_callbacks(std::function<void()> init, std::function<void()> cleanup) override
288         {
289                 dequeue_init_callback = init;
290                 dequeue_cleanup_callback = cleanup;
291                 has_dequeue_callbacks = true;
292         }
293
294         // Only valid after configure_card().
295         std::string get_description() const override {
296                 return description;
297         }
298
299         void configure_card() override;
300         void start_bm_capture() override;
301         void stop_dequeue_thread() override;
302         bool get_disconnected() const override { return disconnected; }
303
304         // TODO: It's rather messy to have these outside the interface.
305         static void start_bm_thread();
306         static void stop_bm_thread();
307
308         // Hotplug event (for devices being inserted between start_bm_thread()
309         // and stop_bm_thread()); entirely optional, but must be set before
310         // start_bm_capture(). Note that your callback should do as little work
311         // as possible, since the callback comes from the main USB handling
312         // thread, which is very time-sensitive.
313         //
314         // The callback function transfers ownership. If you don't want to hold
315         // on to the device given to you in the callback, you need to call
316         // libusb_unref_device().
317         static void set_card_connected_callback(card_connected_callback_t callback,
318                                                 bool hotplug_existing_devices_arg = false)
319         {
320                 card_connected_callback = callback;
321                 hotplug_existing_devices = hotplug_existing_devices_arg;
322         }
323
324         // Similar to set_card_connected_callback(), with the same caveats.
325         // (Note that this is set per-card and not global, as it is logically
326         // connected to an existing BMUSBCapture object.)
327         void set_card_disconnected_callback(card_disconnected_callback_t callback)
328         {
329                 card_disconnected_callback = callback;
330         }
331
332  private:
333         struct QueuedFrame {
334                 uint16_t timecode;
335                 uint16_t format;
336                 FrameAllocator::Frame frame;
337         };
338
339         void start_new_audio_block(const uint8_t *start);
340         void start_new_frame(const uint8_t *start);
341
342         void queue_frame(uint16_t format, uint16_t timecode, FrameAllocator::Frame frame, std::deque<QueuedFrame> *q);
343         void dequeue_thread_func();
344
345         static void usb_thread_func();
346         static void cb_xfr(struct libusb_transfer *xfr);
347         static int cb_hotplug(libusb_context *ctx, libusb_device *dev, libusb_hotplug_event event, void *user_data);
348
349         void update_capture_mode();
350
351         std::string description;
352
353         FrameAllocator::Frame current_video_frame;
354         FrameAllocator::Frame current_audio_frame;
355
356         std::mutex queue_lock;
357         std::condition_variable queues_not_empty;
358         std::deque<QueuedFrame> pending_video_frames;
359         std::deque<QueuedFrame> pending_audio_frames;
360
361         FrameAllocator *video_frame_allocator = nullptr;
362         FrameAllocator *audio_frame_allocator = nullptr;
363         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_video_frame_allocator;
364         std::unique_ptr<FrameAllocator> owned_audio_frame_allocator;
365         frame_callback_t frame_callback = nullptr;
366         static card_connected_callback_t card_connected_callback;
367         static bool hotplug_existing_devices;
368         card_disconnected_callback_t card_disconnected_callback = nullptr;
369
370         std::thread dequeue_thread;
371         std::atomic<bool> dequeue_thread_should_quit;
372         bool has_dequeue_callbacks = false;
373         std::function<void()> dequeue_init_callback = nullptr;
374         std::function<void()> dequeue_cleanup_callback = nullptr;
375
376         int current_register = 0;
377
378         static constexpr int NUM_BMUSB_REGISTERS = 60;
379         uint8_t register_file[NUM_BMUSB_REGISTERS];
380
381         // If <dev> is nullptr, will choose device number <card_index> from the list
382         // of available devices on the system. <dev> is not used after configure_card()
383         // (it will be unref-ed).
384         int card_index = -1;
385         libusb_device *dev = nullptr;
386
387         std::vector<libusb_transfer *> iso_xfrs;
388         int assumed_frame_width = 1280;
389
390         libusb_device_handle *devh = nullptr;
391         uint32_t current_video_input = 0x00000000;  // HDMI/SDI.
392         uint32_t current_audio_input = 0x00000000;  // Embedded.
393         PixelFormat current_pixel_format = PixelFormat_8BitYCbCr;
394
395         bool disconnected = false;
396 };
397
398 }  // namespace bmusb
399
400 #endif