文明

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于雙緩沖技術(shù)的音頻數(shù)據(jù)實時采集與播放

文明

（第七一五研究所，杭州，310023）

為提高聲吶模擬演示系統(tǒng)的真實性，并能迅速對目標(biāo)類型進(jìn)行初步判斷，設(shè)計一種實時采集、播放收聽聲吶數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法，采用雙緩沖技術(shù)來避免信號的不連續(xù)和延遲，完整的恢復(fù)了目標(biāo)的聲音特性，縮短操作員判別目標(biāo)的時間。

實時采集；播放；聲音信號；雙緩沖

在聲吶模擬顯控設(shè)計中，設(shè)計者往往只關(guān)心目標(biāo)的圖形和字符信息，因此，操作員要根據(jù)目標(biāo)的多種信息（如警戒、目標(biāo)特征譜線等）來判斷目標(biāo)的類型，這就要求操作員對目標(biāo)進(jìn)行更多的操作和設(shè)置來獲得這些信息，這會在某種程度上延誤了戰(zhàn)機(jī)。經(jīng)驗豐富的操作員往往對某些特定目標(biāo)（如魚雷）的聲音異常敏感。針對以往在設(shè)計中只是關(guān)心圖形和文字信息而無聲音信號輸出的遺漏，本文提出一種實時采集目標(biāo)的聲音信號并利用雙緩沖技術(shù)進(jìn)行播放出來的方法。

1　雙緩沖技術(shù)簡介

雙緩沖是圖形圖像處理編程過程的一種基本技術(shù)。窗體在響應(yīng)WM_PAINT消息時要進(jìn)行復(fù)雜的圖形處理，重繪時會因為頻繁的刷新而引起閃爍，因此采用了雙緩沖技術(shù)來避免這種情況的發(fā)生。雙緩沖技術(shù)即在內(nèi)存中創(chuàng)建一個與屏幕繪圖區(qū)域一致的對象，先把圖形繪制到內(nèi)存中的這個對象上，再一次性將這個對象上的圖形拷貝到屏幕上[1]。在音頻數(shù)據(jù)處理時，如果直接采集數(shù)據(jù)然后播放出來會明顯感覺到聲音的卡頓，因此想到能否把雙緩沖繪圖的方法延伸到雙緩沖播放上來。在數(shù)據(jù)采集時，先把數(shù)據(jù)在內(nèi)存中分別用兩個數(shù)據(jù)驅(qū)動中保存下來，在播放時采用撥動開關(guān)的模式選擇播放相應(yīng)數(shù)據(jù)驅(qū)動上的數(shù)據(jù)。實踐證明，這種想法不但能大大加快數(shù)據(jù)的處理，并且避免播放聲音時會出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。

2　設(shè)計原理

要實現(xiàn)對聲吶數(shù)據(jù)的實時采集、處理、播放，我們采用Windows MDK的低層音頻服務(wù)比較合適，因為低層音頻服務(wù)中的回調(diào)機(jī)制為我們提供了很大的方便。當(dāng)應(yīng)用程序不斷向設(shè)備驅(qū)動程序提供音頻數(shù)據(jù)時，設(shè)備驅(qū)動程序控制音頻設(shè)備在后臺完成放音的具體操作，通過回調(diào)機(jī)制，又可以檢測到什么時候用完一個數(shù)據(jù)塊，并及時傳送下一個數(shù)據(jù)塊，從而保證了聲音的連續(xù)。在網(wǎng)絡(luò)接收聲吶數(shù)據(jù)方面，選擇不需連接的UDP協(xié)議。在聲吶輸出的結(jié)果中，不僅僅只輸出聲吶收聽數(shù)據(jù)，如果采用面向連接的TCP協(xié)議就可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)堵塞而導(dǎo)致聲吶數(shù)據(jù)播放的時候出現(xiàn)卡頓或者延遲。實時采集和播放聲吶收聽數(shù)據(jù)的設(shè)計框圖如圖1。

圖1　聲吶實時數(shù)據(jù)處理設(shè)計框圖

3　實現(xiàn)

首先要介紹一下Windows低層波形音頻數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu) WAVEHDR，其聲明如下：

聲音的采集和播放都是在操作這個音頻數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，實際上主要用到的就是第一個成員變量lpData，所以只要在分配緩沖區(qū)（內(nèi)存）的同時相應(yīng)分配WAVEHDR數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，然后將緩沖區(qū)的指針賦給對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)的成員變量 lpData。這樣當(dāng)一個緩沖區(qū)填滿后，即一個音頻數(shù)據(jù)塊填滿了，通過消息機(jī)制可以在消息函數(shù)中進(jìn)行處理和播放，播放完后又可通過消息函數(shù)把緩沖區(qū)再送給音頻設(shè)備輸入驅(qū)動程序，繼續(xù)進(jìn)行采集并播放。一次性分配多個緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)并賦給音頻設(shè)備輸入驅(qū)動程序，這個過程完全由Windows控制（選擇緩沖區(qū)填滿，然后再把哪個空緩沖區(qū)賦給設(shè)備輸入驅(qū)動程序），不需人為干預(yù)。這是一種用動態(tài)循環(huán)緩沖區(qū)實現(xiàn)話音的實時采集、播放的簡單而巧妙的辦法。具體實現(xiàn)設(shè)計框圖如圖2。

圖2　雙緩沖數(shù)據(jù)播放設(shè)計框圖

在實現(xiàn)的過程中，通過下面三個消息映射來完成數(shù)據(jù)接收和播放。

ON_MESSAGE(MM_WOM_OPEN,OnWomOpen)

ON_MESSAGE(MM_WOM_DONE,OnWomDone)

ON_MESSAGE(MM_WOM_CLOSE,OnWomClose)[3]

在waveOutOpen中要指定一個窗口來處理接收波形輸出，用消息機(jī)制向消息隊列發(fā)送了MM_WOM_OPEN消息。處理MM_WOM_OPEN消息時，把兩個WAVEHDR結(jié)構(gòu)傳送給waveOutWrite，此函數(shù)將數(shù)據(jù)傳送到波形輸出硬件，才真正開始播放聲音，當(dāng)波形硬件播放完waveOutWrite函數(shù)傳送來的數(shù)據(jù)后，就向窗口發(fā)送MM_WOM_DONE消息。SINEWAVE在處理此消息時，將計算緩沖區(qū)的新數(shù)據(jù)，并調(diào)用waveOutWrite來重新提交緩沖區(qū)。

4　結(jié)論

從技術(shù)設(shè)計上來說，這種雙緩沖數(shù)據(jù)播放技術(shù)優(yōu)點有兩個。首先，我們不需要關(guān)心聲卡底層的處理，只需要實時將數(shù)據(jù)塊填滿等待調(diào)度即可。其次，播放聲音連續(xù)且不失真。

為了驗證這種方法的可行性，我們將這項技術(shù)用在和某院校合作的《基于信號級的聲吶仿真系統(tǒng)》上來。很明顯，模擬演示系統(tǒng)增加了目標(biāo)收聽這個功能后，不但提高了演示系統(tǒng)的真實性，更重要的是，在集中演練的時候，操作員只需根據(jù)目標(biāo)的聲音并結(jié)合基本的圖形輸出即可對目標(biāo)迅速做出反應(yīng)。如今的聯(lián)合作戰(zhàn)演練中，各作戰(zhàn)模塊的功能愈來愈多，在錯綜復(fù)雜的功能中迅速做出選擇尤為重要。作為一種很直接的表現(xiàn)形式，演示系統(tǒng)中的收聽功能必不可少。

[1] 雙緩沖技術(shù)繪圖[EB/OL]. (2014-04-09). m.blog.csdn.net/ article/details? id=23269643.

[2] 林文煥. 基于WaveX低級音頻函數(shù)的實時語音通信[Z/OL]. (2007-04-03) http://www.wavecn.com/content.php? id=95.

[3] 記憶碎片. VC中實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的采集[Z/OL]. (2011-11-04). http://yaycici.log.163.com/blog/static/173759063201110 44 4857597/.