基于Linux內核鏈表音視頻檢索技術的應用

長江大學電子信息學院 黃志杰 孫先松

在信息化時代的今天，報刊、廣播、電視和網絡這些信息媒體已經和我們的生活息息相關，而媒體對信息的發布和傳播已經發揮著至關重要的作用，而人們的日常生活特別是物聯網的發展推動了信息的快速傳播。本設計采用了ARM8構架的S5P6818為主控芯片，利用Linux作為底層的操作系統，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，實現對信息的傳播應用。

信息的傳遞在人們日常生活中無時無刻都在發生，在廣告機出現之前，傳統的廣告展示方法，例如路牌、發光二極管、卷簾式等內容展現單一，沒有立體感，只能被動的傳遞信息，內容不具有可替代性，造成資源浪費。嵌入式系統的特殊媒體優勢是：多模塊顯示：每個模塊都是相對獨立的，內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行內容的搭配顯示；視覺效果豐富：畫面生動形象，立體感強；應用廣泛：可以配置在酒店、商城、車站、公交車站牌以及娛樂場所。

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

1 廣告系統總體結構

1.1 系統硬件設計

嵌入式媒體系統由1片大小為256M、型號為K9F2G08的NAND閃存，1片1GB的SDRAM內存和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位數據總線，工作頻率為800MHz。硬件框圖如圖1所示。

圖1 廣告系統的硬件框圖

1.2 軟件系統平臺搭建

由于嵌入式系統的資源有限，通常情況下都是在PC機上完成程序的開發和測試，但由于目標平臺（ARM開發板）和宿主平臺（LinuxPC機）架構不同，導致PC機上編寫和編譯的程序不能直接在目標平臺運行，為了解決此問題，在嵌入式開發過程中，通常使用交叉編譯工具。本平臺首先要做的是在虛擬機中安裝Ubuntu18.04操作系統，進行軟件的開發時，需要在虛擬機中設置一個共享文件夾（此文件夾共享在Windows和Linux系統下），最終在Windows環境下對C文件進行編寫，Linux環境下編譯以及調試。

首先在開發板上要配置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制文件，通過tftp-g-r傳輸到創建的gec/huang文件夾下，最后通過指令./文件名，執行程序獲得結果。

2 系統軟件設計與實現過程

2.1 軟件功能設計

本系統包括普通用戶模式和管理員模式。管理員模式可以對開發板上的音頻、圖片、視頻信息進行增加、刪除；普通用戶模式可以播放圖片和對應的背景音樂。功能系統設計流程圖如圖2所示。

圖2 廣告系統軟件設計框架圖

2.2 系統軟件實現過程

信息的存儲方式：

Linux操作系統為了更好、更高效地使用內存，將實際的物理內存進行了映射，屏蔽了物理內存的具體細節，有利于簡化程序的編寫和管理。假設正在使用的計算機實際物理內存大小只有1GB，當前系統運行了3個進程，Linux會將PM中的部分內存映射為3個大小均為4GB的內存，讓每個進程都擁有了獨立的內存空間，極大地擴展了數據和代碼的內存空間。而數據是存儲在虛擬內存中的內核鏈表里，因此ARM開發板能源源不斷的存放所需要的信息，避免了內存不足的問題。Linux的內核鏈表的另一個突出優點是：由于可以方便地將其標準實現（即“小結構體”）鑲嵌到任意節點當中，因此任何數據組成的鏈表的所有操作都被完全統一。另外，即使在代碼維護過程中要對節點成員進行升級修改，也完全不影響該節點原有的鏈表結構。既然Linux內核鏈表是一種統一且抽象的數據結構，那么在Linux源碼中就有與之相關的庫，實現了內核鏈表的初始化、插入、刪除、遍歷、移動等功能。

圖3 數據存儲狀態示意圖

內核鏈表的整體結構分為數據域和指針域兩部分。指針域分為頭指針和尾指針，頭指針指向前一個數據，尾指針指向下一個數據；而頭結點則讓整個鏈表產生循環關系。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：

遞歸是指在函數的定義中使用函數自身的方法，遞歸問題可以分解為若干個規模較小，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

在支持自調用的編程語言中，遞歸可以通過簡單的函數調用來完成，遞歸函數的數學公式如下：

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。信息檢索結果如圖5所示。

音視頻播放的實現過程：

在系統IO函數對LCD屏幕進行初始化的過程中，采用了一個非常重要的接口函數——mmap內存映射函數，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，這樣就實現了音頻和視頻對應播放的功能。

圖5 廣告系統信息檢索結果

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通用公共許可證發布。此款軟件可在各主流系統使用，例如Linux和其他類Unix系統、微軟的視窗系統及蘋果電腦的Mac OS X系統。MPlayer是基于命令行界面的一款軟件，在各系統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)和seek value（向前查找到文件的位置播放參數value為秒數）等。播放效果如圖6所示。

圖6 播放效果展示

總結：本文以實現廣告機功能為主要目標，在對現有的廣告技術進行深入探究的基礎上，利用嵌入式精簡小巧的特點，設計了一個成本較低，界面豐富的廣告機系統?？梢赃M一步的簡化人們獲取信息的方式，方便人們的日常。整個系統由多個C語言模塊實現，基于Linux的各種底層系統IO函數來操作ARM開發板，最后通過網絡傳輸將交叉編譯的文件傳輸到開發板中，實現圖片、音頻和視頻的播放。