基于Linux內(nèi)核鏈表音視頻檢索技術(shù)的應(yīng)用

長江大學(xué)電子信息學(xué)院 黃志杰 孫先松

在信息化時代的今天，報刊、廣播、電視和網(wǎng)絡(luò)這些信息媒體已經(jīng)和我們的生活息息相關(guān)，而媒體對信息的發(fā)布和傳播已經(jīng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而人們的日常生活特別是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動了信息的快速傳播。本設(shè)計采用了ARM8構(gòu)架的S5P6818為主控芯片，利用Linux作為底層的操作系統(tǒng)，通過C語言對圖片和音頻的檢索與分組管理，通過mplayer對視頻的播放，實現(xiàn)對信息的傳播應(yīng)用。

信息的傳遞在人們?nèi)粘Ｉ钪袩o時無刻都在發(fā)生，在廣告機(jī)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的廣告展示方法，例如路牌、發(fā)光二極管、卷簾式等內(nèi)容展現(xiàn)單一，沒有立體感，只能被動的傳遞信息，內(nèi)容不具有可替代性，造成資源浪費。嵌入式系統(tǒng)的特殊媒體優(yōu)勢是：多模塊顯示：每個模塊都是相對獨立的，內(nèi)容更新不會影響其它模塊的顯示；功能全面：可以按照用戶的需求進(jìn)行內(nèi)容的搭配顯示；視覺效果豐富：畫面生動形象，立體感強(qiáng)；應(yīng)用廣泛：可以配置在酒店、商城、車站、公交車站牌以及娛樂場所。

本系統(tǒng)采用ARM cotex-A53架構(gòu)的S5P6818作為主控芯片，利用Linux作為底層操作系統(tǒng)，應(yīng)用C語言來劃分為管理員模式和普通用戶模式進(jìn)行對信息的管理，通過C來操作底層驅(qū)動并對各類信息進(jìn)行相應(yīng)的檢索，把檢索的圖片信息通過LCD呈現(xiàn)出來，把檢索到的音頻信息通過AC97聲卡進(jìn)行播放；最后的視頻是通過Linux下的一款開源多媒體播放器Mplayer進(jìn)行播放。

1 廣告系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

嵌入式媒體系統(tǒng)由1片大小為256M、型號為K9F2G08的NAND閃存，1片1GB的SDRAM內(nèi)存和1塊800*1024分辨率的7寸電容屏組成。SDRAM采用DDR3接口，有著單通道32位數(shù)據(jù)總線，工作頻率為800MHz。硬件框圖如圖1所示。

圖1 廣告系統(tǒng)的硬件框圖

1.2 軟件系統(tǒng)平臺搭建

由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，通常情況下都是在PC機(jī)上完成程序的開發(fā)和測試，但由于目標(biāo)平臺（ARM開發(fā)板）和宿主平臺（LinuxPC機(jī)）架構(gòu)不同，導(dǎo)致PC機(jī)上編寫和編譯的程序不能直接在目標(biāo)平臺運行，為了解決此問題，在嵌入式開發(fā)過程中，通常使用交叉編譯工具。本平臺首先要做的是在虛擬機(jī)中安裝Ubuntu18.04操作系統(tǒng)，進(jìn)行軟件的開發(fā)時，需要在虛擬機(jī)中設(shè)置一個共享文件夾（此文件夾共享在Windows和Linux系統(tǒng)下），最終在Windows環(huán)境下對C文件進(jìn)行編寫，Linux環(huán)境下編譯以及調(diào)試。

首先在開發(fā)板上要配置Linux的版本為2.6.32，將圖片、音頻、視頻、Mplayer播放器以及交叉編譯的二進(jìn)制文件，通過tftp-g-r傳輸?shù)絼?chuàng)建的gec/huang文件夾下，最后通過指令./文件名，執(zhí)行程序獲得結(jié)果。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)過程

2.1 軟件功能設(shè)計

本系統(tǒng)包括普通用戶模式和管理員模式。管理員模式可以對開發(fā)板上的音頻、圖片、視頻信息進(jìn)行增加、刪除；普通用戶模式可以播放圖片和對應(yīng)的背景音樂。功能系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 廣告系統(tǒng)軟件設(shè)計框架圖

2.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)過程

信息的存儲方式：

Linux操作系統(tǒng)為了更好、更高效地使用內(nèi)存，將實際的物理內(nèi)存進(jìn)行了映射，屏蔽了物理內(nèi)存的具體細(xì)節(jié)，有利于簡化程序的編寫和管理。假設(shè)正在使用的計算機(jī)實際物理內(nèi)存大小只有1GB，當(dāng)前系統(tǒng)運行了3個進(jìn)程，Linux會將PM中的部分內(nèi)存映射為3個大小均為4GB的內(nèi)存，讓每個進(jìn)程都擁有了獨立的內(nèi)存空間，極大地擴(kuò)展了數(shù)據(jù)和代碼的內(nèi)存空間。而數(shù)據(jù)是存儲在虛擬內(nèi)存中的內(nèi)核鏈表里，因此ARM開發(fā)板能源源不斷的存放所需要的信息，避免了內(nèi)存不足的問題。Linux的內(nèi)核鏈表的另一個突出優(yōu)點是：由于可以方便地將其標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)（即“小結(jié)構(gòu)體”）鑲嵌到任意節(jié)點當(dāng)中，因此任何數(shù)據(jù)組成的鏈表的所有操作都被完全統(tǒng)一。另外，即使在代碼維護(hù)過程中要對節(jié)點成員進(jìn)行升級修改，也完全不影響該節(jié)點原有的鏈表結(jié)構(gòu)。既然Linux內(nèi)核鏈表是一種統(tǒng)一且抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么在Linux源碼中就有與之相關(guān)的庫，實現(xiàn)了內(nèi)核鏈表的初始化、插入、刪除、遍歷、移動等功能。

圖3 數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)示意圖

內(nèi)核鏈表的整體結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)域和指針域兩部分。指針域分為頭指針和尾指針，頭指針指向前一個數(shù)據(jù)，尾指針指向下一個數(shù)據(jù)；而頭結(jié)點則讓整個鏈表產(chǎn)生循環(huán)關(guān)系。信息存儲在堆空間里的存儲形式如圖3所示。

信息的遞歸檢索：

遞歸是指在函數(shù)的定義中使用函數(shù)自身的方法，遞歸問題可以分解為若干個規(guī)模較小，與原問題形式相同的子問題，這些子問題可以用相同的解題思路來解決。遞歸檢索的原理如圖4所示。

圖4 遞歸原理

在支持自調(diào)用的編程語言中，遞歸可以通過簡單的函數(shù)調(diào)用來完成，遞歸函數(shù)的數(shù)學(xué)公式如下：

Linux中一切皆文件，可以通過對文件的遞歸索引來提取信息，這里要提到的是遞歸二要素：

明確遞歸的終止條件為檢測文件的后四位.ebm.mp3.avi。

給出遞歸終止時的處理辦法為文件子目錄類型（文件的后綴名長度）為4。

這樣就方便了遞歸檢索。信息檢索結(jié)果如圖5所示。

音視頻播放的實現(xiàn)過程：

在系統(tǒng)IO函數(shù)對LCD屏幕進(jìn)行初始化的過程中，采用了一個非常重要的接口函數(shù)——mmap內(nèi)存映射函數(shù)，用于解決顯示圖片時，圖片逐漸顯示完全的問題。每張圖片附加對應(yīng)的背景音樂，于是相鄰圖片的切換，采用Linux的kill-9號信號將后臺的播放器停止，這樣就實現(xiàn)了音頻和視頻對應(yīng)播放的功能。

圖5 廣告系統(tǒng)信息檢索結(jié)果

音視頻的播放采用了MPlayer，其是一款開源的多媒體播放器，以GNU通用公共許可證發(fā)布。此款軟件可在各主流系統(tǒng)使用，例如Linux和其他類Unix系統(tǒng)、微軟的視窗系統(tǒng)及蘋果電腦的Mac OS X系統(tǒng)。MPlayer是基于命令行界面的一款軟件，在各系統(tǒng)可選擇安裝不同的圖形界面。MPlayer的常用指令如：pause（暫停/取消暫停）、mute(靜音開關(guān))和seek value（向前查找到文件的位置播放參數(shù)value為秒數(shù)）等。播放效果如圖6所示。

圖6 播放效果展示

總結(jié)：本文以實現(xiàn)廣告機(jī)功能為主要目標(biāo)，在對現(xiàn)有的廣告技術(shù)進(jìn)行深入探究的基礎(chǔ)上，利用嵌入式精簡小巧的特點，設(shè)計了一個成本較低，界面豐富的廣告機(jī)系統(tǒng)?？梢赃M(jìn)一步的簡化人們獲取信息的方式，方便人們的日常。整個系統(tǒng)由多個C語言模塊實現(xiàn)，基于Linux的各種底層系統(tǒng)IO函數(shù)來操作ARM開發(fā)板，最后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將交叉編譯的文件傳輸?shù)介_發(fā)板中，實現(xiàn)圖片、音頻和視頻的播放。