基于DirectFB的嵌入式播放器设计

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1　概述
       
        　　随着嵌入式的普及和发展，嵌入式设备的功能越来越强大，用户对嵌入式设备的要求也越来越高。各种多媒体应用程序被移植到了嵌入式系统中，是否能够播放音视频是人们衡量和购买嵌入式设备的基本要求之一。本文提出了一种基于DirectFB嵌入式播放器解决方案，有效地降低嵌入式系统的资源消耗，适用于CPU频率小于400 MHz的中低端嵌入式系统。DirectFB是一个轻量级的GUI开发库，它通过Framebuffer以及回调函数，实现了对硬件设备的完全抽象，加速和简化了图形操作。
       
        　　本文首先对DirectFB进行了详细的介绍，接着提出了一种宽松的、可分解的嵌入式播放器设计方案。该方案资源消耗少、可移植性强、系统各个模块间依赖度小，使得用户能够根据自己的系统需求快速设计满足自己要求的播放器。
       
        2　DirectFB简介
       
        2.1　DirectFB的整体框架
       
        　　DirectFB必须通过Linux下Framebuffer驱动来访问硬件设备，它在Framebuffer的基础上提供了图形设备的加速、输入设备处理提取、透明窗口和多重显示层的功能。另外DirectFB设计之初就充分考虑了嵌入式系统的固有特性，体积小巧，资源消耗低[2]。作为嵌入式系统中强大的图形处理库，DirectFB成为Linux下一代处理的一个新标准（CELF AVG1.0标准）[1]。图1是DirectFB的整体框架。
       
        图1　DirectFB整体框架
       
        2.2　DirectFB接口描述
       
        　　DirectFB提供了一套C接口来方便用户进行界面开发，例如IDirectFBSurface接口提供了对于文本、BILT、画线以及画矩形的操作。IDirectFBFont接口提供了对字体的操作，而IDirectFBVideo接口提供了对多媒体进行播放控制的操作。表1对DirectFB接口进行了详细的描述。
       
        表1　DirectFB的接口描述
       
       
        3　播放器的框架
       
        　　嵌入式播放器的架构如图2所示。采用DirectFB开发的Lite作为图形界面，与用户进行直接交互；调用DirectFB的Video实现了音视频的插件接口和解码器模块。该接口将FFmpeg、xine 、libmpeg3等多媒体库封装成统一接口，具备很强的扩展性；基于Framebuffer的输出，消除了对于特定架构的依赖，有效地增强了系统的可移植性。
       
        图2　嵌入式播放器的架构
       
        　　图形界面是以Lite为基础开发的。Lite是基于DirectFB开发的以box为基类的对话框。通过调用Lite可以编写各种暂停、播放、音量等控件，用户使用这些控件与播放器进行直接交互。DirectFB本身并不提供窗口以及对话框管理功能，因而DirectFB更多地被用作底层图形库。参考文献[2]中选择以DirectFB为后端的Cairo图形库进行2D图形开发；参考文献[3]中选择基于GTK+on DirectFB进行嵌入式开发。如今，上层API支持DirectFB的有XDirectFB、DirectFBGL、DFBTerm、DFBSee、DFBPoint、QT on DirectFB、SDL等[4]。采用Lite进行开发的目的，主要是因为它直接使用DirectFB开发对话框，而且源代码只有5 MB左右，具有很快的响应速度，能够有效降低嵌入式设备资源的消耗。
       
        　　插件接口将对解码器的操作放到了Video统一的开发式接口中，该接口实现了分离音视频、解码音视频、播放、暂停、调节音量、调整播放速度等各种功能。通过该接口，播放器的扩展性得到了很大的提高，因此该接口是媒体播放器的核心。
       
        3.1　插件接口以及编解码
       
        　　DirectFB通过对FFmpeg进行封装，形成一组统一接口方便用户调用。插件接口通过以下方法来控制解码器：
       
        ① Probe函数。
       
        　　通过检查文件扩展名来确定播放器是否支持播放该文件，可以识别的扩展名有wav、au、snd、mp2、mp3、m2a、swf、wma、rm等。用户可以通过添加新的解码器来支持更多新的文件格式。
       
        ② Construct函数。
       
        　　通过调用FFmpeg的一些库函数，首先将输入的视频文件头信息读取出来，接着把视频文件分离成音频和视频流，并申请音频和视频流的缓冲区，然后识别出音视频解码器。该函数同时会将用户写的一些非标准函数指针赋给标准API函数，方便用户的调用。
       
        ③ FFmpegInput函数。
       
        　　该函数管理将对解码出的音视频包送入各自的FIFO队列，同时设置了一些标志位来管理FIFO队列，例如音视频队列当前的状态，当用户拖动进度条进行偏移时用户需要有一个拖动标志位，拖动的长度用来重新计算播放时间。
       
        ④ FFmpegVideo以及FFmpegAudio函数。
       
        　　这两个函数主要用于播放音频流和数据流，同时有一些用于音视频的同步控制。
       
        ⑤ FFmpeg_PlayTo函数。
       
        　　该函数是给用户提供的接口函数，该接口函数在DirectFB中为PlayTo。在函数中，PlayTo同时启动了3个线程，这3个线程分别调用了FFmpegInput、FFmpegVideo、FFmpegAudio函数，用于将将音视频送入FIFO队列，从FIFO队列取出数据并播放。播放器的数据流程如图3所示。音视频处理过程是同步进行的。
       
        图3　播放器的数据流程
       
        　　此外还有一些控制函数，例如文件播放PlayTo、播放停止Stop、按时间跳转SeekTo、调整音量SetVolume、获取音量GetVolume、调整播放速度SetSpeed、获取播放速度GetSpeed等函数[6]，这些函数在construct函数中被封装成标准接口便于用户调用。
       
        3.2　Lite和fusionsound
       
        　　Video接口通过调用FFmpeg对音视频解码进行了有效的封装。通过Lite，用户与播放器实现有效交互。Lite弥补DirectFB在工具箱以及窗口管理上的不足，相比于其他的GUI，它在提供对话框和按钮的同时，资源消耗较小，适合嵌入式开发。Fusionsound是一个DirectFB的子库，它基于oss或者alsa驱动。Fusionsound将音频数据输出到了扬声器上，该函数库能够支持一些基本操作，例如WAV格式文件的播放，同时它也提供一系列的声音播放、调节播放速度、调高音量、声音缓冲区管理等接口。
       
        3.3　播放器的流程
       
        　　程序运行流程如图4所示。程序首先初始化Lite以及DirectFB库，然后初始化对话框并设置回调函数；接下来初始化一系列的按钮，例如播放、暂停、快进、声音、放大、缩小等，并设置消息触发响应函数。接着调用DirectFB接口中的video接口播放视频文件，然后会进入消息循环，来响应用户各种各样的按键消息。
       
        图4　程序运行流程
       
        4　实验结果
       
        　　在本实验中，采用TI公司OMAPL138处理器、64M的内存开发板做实验，内存占用约为5M左右。通过内核设置，将CPU的主频设置为300 MHz，播放器在运行期间CPU的占用率为70%，播放画面十分流畅。DirectFB开发的播放器如图5所示。
       
        图5　DirectFB开发的播放器
       
        结语
       
        　　DirectFB是一个轻量、高效的库，但是由于缺少必要的窗口系统导致其开发效率低。搭配由DirectFB开发出的Lite窗口系统，能很有效地进行基于对话框的程序开发。因为Lite和DirectFB本身占用的资源极少，所以十分适合嵌入式开发。本文提供了一套嵌入式开发播放器的新思路，通过对编解码代码的优化，搭载上轻量的图形和窗口管理系统，使其能够适用于各种中低端场合。