[media] docs-rst: fix warnings introduced by LaTeX patchset
[cascardo/linux.git] / Documentation / media / uapi / v4l / dev-subdev.rst
1 .. -*- coding: utf-8; mode: rst -*-
2
3 .. _subdev:
4
5 ********************
6 Sub-device Interface
7 ********************
8
9 The complex nature of V4L2 devices, where hardware is often made of
10 several integrated circuits that need to interact with each other in a
11 controlled way, leads to complex V4L2 drivers. The drivers usually
12 reflect the hardware model in software, and model the different hardware
13 components as software blocks called sub-devices.
14
15 V4L2 sub-devices are usually kernel-only objects. If the V4L2 driver
16 implements the media device API, they will automatically inherit from
17 media entities. Applications will be able to enumerate the sub-devices
18 and discover the hardware topology using the media entities, pads and
19 links enumeration API.
20
21 In addition to make sub-devices discoverable, drivers can also choose to
22 make them directly configurable by applications. When both the
23 sub-device driver and the V4L2 device driver support this, sub-devices
24 will feature a character device node on which ioctls can be called to
25
26 -  query, read and write sub-devices controls
27
28 -  subscribe and unsubscribe to events and retrieve them
29
30 -  negotiate image formats on individual pads
31
32 Sub-device character device nodes, conventionally named
33 ``/dev/v4l-subdev*``, use major number 81.
34
35
36 Controls
37 ========
38
39 Most V4L2 controls are implemented by sub-device hardware. Drivers
40 usually merge all controls and expose them through video device nodes.
41 Applications can control all sub-devices through a single interface.
42
43 Complex devices sometimes implement the same control in different pieces
44 of hardware. This situation is common in embedded platforms, where both
45 sensors and image processing hardware implement identical functions,
46 such as contrast adjustment, white balance or faulty pixels correction.
47 As the V4L2 controls API doesn't support several identical controls in a
48 single device, all but one of the identical controls are hidden.
49
50 Applications can access those hidden controls through the sub-device
51 node with the V4L2 control API described in :ref:`control`. The ioctls
52 behave identically as when issued on V4L2 device nodes, with the
53 exception that they deal only with controls implemented in the
54 sub-device.
55
56 Depending on the driver, those controls might also be exposed through
57 one (or several) V4L2 device nodes.
58
59
60 Events
61 ======
62
63 V4L2 sub-devices can notify applications of events as described in
64 :ref:`event`. The API behaves identically as when used on V4L2 device
65 nodes, with the exception that it only deals with events generated by
66 the sub-device. Depending on the driver, those events might also be
67 reported on one (or several) V4L2 device nodes.
68
69
70 .. _pad-level-formats:
71
72 Pad-level Formats
73 =================
74
75 .. warning::
76
77     Pad-level formats are only applicable to very complex devices that
78     need to expose low-level format configuration to user space. Generic
79     V4L2 applications do *not* need to use the API described in this
80     section.
81
82 .. note::
83
84     For the purpose of this section, the term *format* means the
85     combination of media bus data format, frame width and frame height.
86
87 Image formats are typically negotiated on video capture and output
88 devices using the format and
89 :ref:`selection <VIDIOC_SUBDEV_G_SELECTION>` ioctls. The driver is
90 responsible for configuring every block in the video pipeline according
91 to the requested format at the pipeline input and/or output.
92
93 For complex devices, such as often found in embedded systems, identical
94 image sizes at the output of a pipeline can be achieved using different
95 hardware configurations. One such example is shown on
96 :ref:`pipeline-scaling`, where image scaling can be performed on both
97 the video sensor and the host image processing hardware.
98
99
100 .. _pipeline-scaling:
101
102 .. figure::  dev-subdev_files/pipeline.*
103     :alt:    pipeline.pdf / pipeline.png
104     :align:  center
105
106     Image Format Negotiation on Pipelines
107
108     High quality and high speed pipeline configuration
109
110
111
112 The sensor scaler is usually of less quality than the host scaler, but
113 scaling on the sensor is required to achieve higher frame rates.
114 Depending on the use case (quality vs. speed), the pipeline must be
115 configured differently. Applications need to configure the formats at
116 every point in the pipeline explicitly.
117
118 Drivers that implement the :ref:`media API <media-controller-intro>`
119 can expose pad-level image format configuration to applications. When
120 they do, applications can use the
121 :ref:`VIDIOC_SUBDEV_G_FMT <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>` and
122 :ref:`VIDIOC_SUBDEV_S_FMT <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>` ioctls. to
123 negotiate formats on a per-pad basis.
124
125 Applications are responsible for configuring coherent parameters on the
126 whole pipeline and making sure that connected pads have compatible
127 formats. The pipeline is checked for formats mismatch at
128 :ref:`VIDIOC_STREAMON <VIDIOC_STREAMON>` time, and an ``EPIPE`` error
129 code is then returned if the configuration is invalid.
130
131 Pad-level image format configuration support can be tested by calling
132 the :ref:`VIDIOC_SUBDEV_G_FMT` ioctl on pad
133 0. If the driver returns an ``EINVAL`` error code pad-level format
134 configuration is not supported by the sub-device.
135
136
137 Format Negotiation
138 ------------------
139
140 Acceptable formats on pads can (and usually do) depend on a number of
141 external parameters, such as formats on other pads, active links, or
142 even controls. Finding a combination of formats on all pads in a video
143 pipeline, acceptable to both application and driver, can't rely on
144 formats enumeration only. A format negotiation mechanism is required.
145
146 Central to the format negotiation mechanism are the get/set format
147 operations. When called with the ``which`` argument set to
148 :ref:`V4L2_SUBDEV_FORMAT_TRY <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>`, the
149 :ref:`VIDIOC_SUBDEV_G_FMT <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>` and
150 :ref:`VIDIOC_SUBDEV_S_FMT <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>` ioctls operate on
151 a set of formats parameters that are not connected to the hardware
152 configuration. Modifying those 'try' formats leaves the device state
153 untouched (this applies to both the software state stored in the driver
154 and the hardware state stored in the device itself).
155
156 While not kept as part of the device state, try formats are stored in
157 the sub-device file handles. A
158 :ref:`VIDIOC_SUBDEV_G_FMT <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>` call will return
159 the last try format set *on the same sub-device file handle*. Several
160 applications querying the same sub-device at the same time will thus not
161 interact with each other.
162
163 To find out whether a particular format is supported by the device,
164 applications use the
165 :ref:`VIDIOC_SUBDEV_S_FMT <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>` ioctl. Drivers
166 verify and, if needed, change the requested ``format`` based on device
167 requirements and return the possibly modified value. Applications can
168 then choose to try a different format or accept the returned value and
169 continue.
170
171 Formats returned by the driver during a negotiation iteration are
172 guaranteed to be supported by the device. In particular, drivers
173 guarantee that a returned format will not be further changed if passed
174 to an :ref:`VIDIOC_SUBDEV_S_FMT <VIDIOC_SUBDEV_G_FMT>` call as-is
175 (as long as external parameters, such as formats on other pads or links'
176 configuration are not changed).
177
178 Drivers automatically propagate formats inside sub-devices. When a try
179 or active format is set on a pad, corresponding formats on other pads of
180 the same sub-device can be modified by the driver. Drivers are free to
181 modify formats as required by the device. However, they should comply
182 with the following rules when possible:
183
184 -  Formats should be propagated from sink pads to source pads. Modifying
185    a format on a source pad should not modify the format on any sink
186    pad.
187
188 -  Sub-devices that scale frames using variable scaling factors should
189    reset the scale factors to default values when sink pads formats are
190    modified. If the 1:1 scaling ratio is supported, this means that
191    source pads formats should be reset to the sink pads formats.
192
193 Formats are not propagated across links, as that would involve
194 propagating them from one sub-device file handle to another.
195 Applications must then take care to configure both ends of every link
196 explicitly with compatible formats. Identical formats on the two ends of
197 a link are guaranteed to be compatible. Drivers are free to accept
198 different formats matching device requirements as being compatible.
199
200 :ref:`sample-pipeline-config` shows a sample configuration sequence
201 for the pipeline described in :ref:`pipeline-scaling` (table columns
202 list entity names and pad numbers).
203
204
205 .. raw:: latex
206
207     \newline\newline\begin{adjustbox}{width=\columnwidth}
208
209 .. tabularcolumns:: |p{4.5cm}|p{4.5cm}|p{4.5cm}|p{4.5cm}|p{4.5cm}|p{4.5cm}|p{4.5cm}|
210
211 .. _sample-pipeline-config:
212
213 .. flat-table:: Sample Pipeline Configuration
214     :header-rows:  1
215     :stub-columns: 0
216     :widths: 5 5 5 5 5 5 5
217
218
219     -  .. row 1
220
221        -
222        -  Sensor/0 format
223
224        -  Frontend/0 format
225
226        -  Frontend/1 format
227
228        -  Scaler/0 format
229
230        -  Scaler/0 compose selection rectangle
231
232        -  Scaler/1 format
233
234     -  .. row 2
235
236        -  Initial state
237
238        -  2048x1536/SGRBG8_1X8
239
240        -  (default)
241
242        -  (default)
243
244        -  (default)
245
246        -  (default)
247
248        -  (default)
249
250     -  .. row 3
251
252        -  Configure frontend sink format
253
254        -  2048x1536/SGRBG8_1X8
255
256        -  *2048x1536/SGRBG8_1X8*
257
258        -  *2046x1534/SGRBG8_1X8*
259
260        -  (default)
261
262        -  (default)
263
264        -  (default)
265
266     -  .. row 4
267
268        -  Configure scaler sink format
269
270        -  2048x1536/SGRBG8_1X8
271
272        -  2048x1536/SGRBG8_1X8
273
274        -  2046x1534/SGRBG8_1X8
275
276        -  *2046x1534/SGRBG8_1X8*
277
278        -  *0,0/2046x1534*
279
280        -  *2046x1534/SGRBG8_1X8*
281
282     -  .. row 5
283
284        -  Configure scaler sink compose selection
285
286        -  2048x1536/SGRBG8_1X8
287
288        -  2048x1536/SGRBG8_1X8
289
290        -  2046x1534/SGRBG8_1X8
291
292        -  2046x1534/SGRBG8_1X8
293
294        -  *0,0/1280x960*
295
296        -  *1280x960/SGRBG8_1X8*
297
298 .. raw:: latex
299
300     \end{adjustbox}\newline\newline
301
302 1. Initial state. The sensor source pad format is set to its native 3MP
303    size and V4L2_MBUS_FMT_SGRBG8_1X8 media bus code. Formats on the
304    host frontend and scaler sink and source pads have the default
305    values, as well as the compose rectangle on the scaler's sink pad.
306
307 2. The application configures the frontend sink pad format's size to
308    2048x1536 and its media bus code to V4L2_MBUS_FMT_SGRBG_1X8. The
309    driver propagates the format to the frontend source pad.
310
311 3. The application configures the scaler sink pad format's size to
312    2046x1534 and the media bus code to V4L2_MBUS_FMT_SGRBG_1X8 to
313    match the frontend source size and media bus code. The media bus code
314    on the sink pad is set to V4L2_MBUS_FMT_SGRBG_1X8. The driver
315    propagates the size to the compose selection rectangle on the
316    scaler's sink pad, and the format to the scaler source pad.
317
318 4. The application configures the size of the compose selection
319    rectangle of the scaler's sink pad 1280x960. The driver propagates
320    the size to the scaler's source pad format.
321
322 When satisfied with the try results, applications can set the active
323 formats by setting the ``which`` argument to
324 ``V4L2_SUBDEV_FORMAT_ACTIVE``. Active formats are changed exactly as try
325 formats by drivers. To avoid modifying the hardware state during format
326 negotiation, applications should negotiate try formats first and then
327 modify the active settings using the try formats returned during the
328 last negotiation iteration. This guarantees that the active format will
329 be applied as-is by the driver without being modified.
330
331
332 .. _v4l2-subdev-selections:
333
334 Selections: cropping, scaling and composition
335 ---------------------------------------------
336
337 Many sub-devices support cropping frames on their input or output pads
338 (or possible even on both). Cropping is used to select the area of
339 interest in an image, typically on an image sensor or a video decoder.
340 It can also be used as part of digital zoom implementations to select
341 the area of the image that will be scaled up.
342
343 Crop settings are defined by a crop rectangle and represented in a
344 struct :ref:`v4l2_rect <v4l2-rect>` by the coordinates of the top
345 left corner and the rectangle size. Both the coordinates and sizes are
346 expressed in pixels.
347
348 As for pad formats, drivers store try and active rectangles for the
349 selection targets :ref:`v4l2-selections-common`.
350
351 On sink pads, cropping is applied relative to the current pad format.
352 The pad format represents the image size as received by the sub-device
353 from the previous block in the pipeline, and the crop rectangle
354 represents the sub-image that will be transmitted further inside the
355 sub-device for processing.
356
357 The scaling operation changes the size of the image by scaling it to new
358 dimensions. The scaling ratio isn't specified explicitly, but is implied
359 from the original and scaled image sizes. Both sizes are represented by
360 struct :ref:`v4l2_rect <v4l2-rect>`.
361
362 Scaling support is optional. When supported by a subdev, the crop
363 rectangle on the subdev's sink pad is scaled to the size configured
364 using the
365 :ref:`VIDIOC_SUBDEV_S_SELECTION <VIDIOC_SUBDEV_G_SELECTION>` IOCTL
366 using ``V4L2_SEL_TGT_COMPOSE`` selection target on the same pad. If the
367 subdev supports scaling but not composing, the top and left values are
368 not used and must always be set to zero.
369
370 On source pads, cropping is similar to sink pads, with the exception
371 that the source size from which the cropping is performed, is the
372 COMPOSE rectangle on the sink pad. In both sink and source pads, the
373 crop rectangle must be entirely contained inside the source image size
374 for the crop operation.
375
376 The drivers should always use the closest possible rectangle the user
377 requests on all selection targets, unless specifically told otherwise.
378 ``V4L2_SEL_FLAG_GE`` and ``V4L2_SEL_FLAG_LE`` flags may be used to round
379 the image size either up or down. :ref:`v4l2-selection-flags`
380
381
382 Types of selection targets
383 --------------------------
384
385
386 Actual targets
387 ^^^^^^^^^^^^^^
388
389 Actual targets (without a postfix) reflect the actual hardware
390 configuration at any point of time. There is a BOUNDS target
391 corresponding to every actual target.
392
393
394 BOUNDS targets
395 ^^^^^^^^^^^^^^
396
397 BOUNDS targets is the smallest rectangle that contains all valid actual
398 rectangles. It may not be possible to set the actual rectangle as large
399 as the BOUNDS rectangle, however. This may be because e.g. a sensor's
400 pixel array is not rectangular but cross-shaped or round. The maximum
401 size may also be smaller than the BOUNDS rectangle.
402
403
404 Order of configuration and format propagation
405 ---------------------------------------------
406
407 Inside subdevs, the order of image processing steps will always be from
408 the sink pad towards the source pad. This is also reflected in the order
409 in which the configuration must be performed by the user: the changes
410 made will be propagated to any subsequent stages. If this behaviour is
411 not desired, the user must set ``V4L2_SEL_FLAG_KEEP_CONFIG`` flag. This
412 flag causes no propagation of the changes are allowed in any
413 circumstances. This may also cause the accessed rectangle to be adjusted
414 by the driver, depending on the properties of the underlying hardware.
415
416 The coordinates to a step always refer to the actual size of the
417 previous step. The exception to this rule is the source compose
418 rectangle, which refers to the sink compose bounds rectangle --- if it
419 is supported by the hardware.
420
421 1. Sink pad format. The user configures the sink pad format. This format
422    defines the parameters of the image the entity receives through the
423    pad for further processing.
424
425 2. Sink pad actual crop selection. The sink pad crop defines the crop
426    performed to the sink pad format.
427
428 3. Sink pad actual compose selection. The size of the sink pad compose
429    rectangle defines the scaling ratio compared to the size of the sink
430    pad crop rectangle. The location of the compose rectangle specifies
431    the location of the actual sink compose rectangle in the sink compose
432    bounds rectangle.
433
434 4. Source pad actual crop selection. Crop on the source pad defines crop
435    performed to the image in the sink compose bounds rectangle.
436
437 5. Source pad format. The source pad format defines the output pixel
438    format of the subdev, as well as the other parameters with the
439    exception of the image width and height. Width and height are defined
440    by the size of the source pad actual crop selection.
441
442 Accessing any of the above rectangles not supported by the subdev will
443 return ``EINVAL``. Any rectangle referring to a previous unsupported
444 rectangle coordinates will instead refer to the previous supported
445 rectangle. For example, if sink crop is not supported, the compose
446 selection will refer to the sink pad format dimensions instead.
447
448
449 .. _subdev-image-processing-crop:
450
451 .. figure::  dev-subdev_files/subdev-image-processing-crop.*
452     :alt:    subdev-image-processing-crop.svg
453     :align:  center
454
455     **Figure 4.5. Image processing in subdevs: simple crop example**
456
457 In the above example, the subdev supports cropping on its sink pad. To
458 configure it, the user sets the media bus format on the subdev's sink
459 pad. Now the actual crop rectangle can be set on the sink pad --- the
460 location and size of this rectangle reflect the location and size of a
461 rectangle to be cropped from the sink format. The size of the sink crop
462 rectangle will also be the size of the format of the subdev's source
463 pad.
464
465
466 .. _subdev-image-processing-scaling-multi-source:
467
468 .. figure::  dev-subdev_files/subdev-image-processing-scaling-multi-source.*
469     :alt:    subdev-image-processing-scaling-multi-source.svg
470     :align:  center
471
472     **Figure 4.6. Image processing in subdevs: scaling with multiple sources**
473
474 In this example, the subdev is capable of first cropping, then scaling
475 and finally cropping for two source pads individually from the resulting
476 scaled image. The location of the scaled image in the cropped image is
477 ignored in sink compose target. Both of the locations of the source crop
478 rectangles refer to the sink scaling rectangle, independently cropping
479 an area at location specified by the source crop rectangle from it.
480
481
482 .. _subdev-image-processing-full:
483
484 .. figure::  dev-subdev_files/subdev-image-processing-full.*
485     :alt:    subdev-image-processing-full.svg
486     :align:  center
487
488     **Figure 4.7. Image processing in subdevs: scaling and composition with multiple sinks and sources**
489
490 The subdev driver supports two sink pads and two source pads. The images
491 from both of the sink pads are individually cropped, then scaled and
492 further composed on the composition bounds rectangle. From that, two
493 independent streams are cropped and sent out of the subdev from the
494 source pads.
495
496
497 .. toctree::
498     :maxdepth: 1
499
500     subdev-formats