分布式熱線(xiàn)錄音系統的整體設計及實(shí)現論文
1 概述。
近年來(lái)隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展， 國內外廣播電臺正在發(fā)生著(zhù)深刻的變革[8]. 傳統廣播電臺面臨著(zhù)巨大的挑戰， 如何吸引廣大的聽(tīng)眾， 尤其是吸引廣大的移動(dòng)智能終端的聽(tīng)眾， 成為了廣播電臺的最大的問(wèn)號。 隨著(zhù)廣播電臺節目主持人與聽(tīng)眾之間的互動(dòng)越來(lái)越頻繁， 傳統的電臺導播模式已無(wú)法滿(mǎn)足電臺節目業(yè)務(wù)的需求， 數字導播系統應用而生。 數字導播系統是新媒體變革大趨勢中的產(chǎn)物， 它有效地解決了傳統導播設備無(wú)法滿(mǎn)足接聽(tīng)大量聽(tīng)眾來(lái)電的問(wèn)題， 滿(mǎn)足了電臺和聽(tīng)眾對節目形式的多種需求。
隨著(zhù)數字導播的在各家電臺的部署和應用， 聽(tīng)眾參與電臺節目變得方便快捷， 熱線(xiàn)來(lái)電的數據統計為節目組提供有用的信息， 因此對熱線(xiàn)錄音系統的研究變得越來(lái)越重要。
傳統的熱線(xiàn)來(lái)電錄音功能， 是由錄音服務(wù)器直接進(jìn)行錄音的， 錄音文件資源也集中存儲在錄音服務(wù)器的硬件存儲設備中， 這時(shí)錄音服務(wù)器就需要很高的性能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的錄音和存儲大量的錄音文件。 為了能夠減少錄音服務(wù)器的負荷， 同時(shí)為了能夠保存大量的錄音文件資源， 通過(guò)對錄音功能的研究和分析， 設計出了分布式的熱線(xiàn)錄音系統。
該課題根據熱線(xiàn)錄音的特點(diǎn)， 設計了基于硬件語(yǔ)音卡設備的熱線(xiàn)錄音系統， 文件資源分布式地存儲在各個(gè)頻道工作站上。 本文將從分布式熱線(xiàn)錄音系統的相關(guān)技術(shù)、整體設計和錄音系統的實(shí)現來(lái)進(jìn)行講解。
2 相關(guān)技術(shù)介紹。
2.1 硬件錄音技術(shù)的研究和分析。
本課題在頻率工作站端的熱線(xiàn)語(yǔ)音板卡設備是杭州三匯公司生產(chǎn)的三匯語(yǔ)音卡， 使用的是 SHT 系列SHT–2B/USB 型號的語(yǔ)音卡， 這種型號采用 USB 接口，符合 1.1 協(xié)議的模擬電話(huà)線(xiàn)語(yǔ)音盒， 通過(guò)配置不同的功能模塊， 即可實(shí)現虛擬電話(huà)機、座席、外線(xiàn)接入等功能。 該型號的語(yǔ)音卡支持 DTMF 和 FSK 模式。 采用電信標準的回聲抵消算法， 支持 IP 電話(huà)應用和語(yǔ)音識別應用的 BargeIn. 它支持 4 通道全雙工錄音/放音， 不同的通道可以同時(shí)進(jìn)行不同格式的錄放音， 支持 G711A–law、μ–law、linear PCM、IMA–ADPCM、MP3、VOX 和 WINDOWS 標準 WAV 格式， 可以方便地使用Cooledit 等多種聲音工具編輯和播放語(yǔ)音文件。
2.2 分布式文件系統（DFS）。
分布式文件系統[1,2]（DFS）把一些分散的（分布在局域網(wǎng)內各個(gè)計算機上）共享文件夾， 集合到一個(gè)文件夾內（虛擬文件夾）。 利用分布式文件夾， 對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，要訪(fǎng)問(wèn)這些共享文件夾的時(shí)候， 只要打開(kāi)這個(gè)虛擬共享文件夾， 就可以看到所有鏈接到虛擬共享文件夾內的共享文件夾。 用戶(hù)感覺(jué)不到這是一個(gè)虛擬的共享文件夾， 感覺(jué)不到這些文件夾時(shí)分散于各個(gè)計算機上的。分布式文件系統的好處是： 集中訪(fǎng)問(wèn)簡(jiǎn)化操作， 提高文件存取效率。
2.3 消息隊列和 RabbitMQ.
為實(shí)現業(yè)務(wù)服務(wù)器系統對頻率工作站錄音功能的實(shí)時(shí)控制與管理需要在業(yè)務(wù)服務(wù)器系統與頻率工作站之間建立可靠的通信手段以保障控制命令與狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)交互。 在分布式熱線(xiàn)錄音系統中， 使用消息中間件服務(wù)器建立了一條基于標準消息隊列協(xié)議的業(yè)務(wù)服務(wù)器系統與頻率工作站交互的通道。
使用AMQP標準協(xié)議作為自定義業(yè)務(wù)協(xié)議的承載手段， AMQP 是一個(gè)提供統一消息服務(wù)的應用層標準協(xié)議， 選用 RabbitMQ[3]消息隊列中間件開(kāi)源項目作為消息中間件服務(wù)器。 RabbitMQ 消息隊列中間件開(kāi)源項目AMQP的標準實(shí)現， RabbitMQ定義了以下重要概念。
�。�1） Exchange, 消息交換機， 它指定消息按什么規則， 路由到哪個(gè)隊列。
�。�2） Queue, 消息隊列載體， 每個(gè)消息都會(huì )被投入到一個(gè)或多個(gè)隊列。
�。�3） Binding, 綁定， 作用是把 exchange 和 queue 按照路由規則綁定起來(lái)。
�。�4） Routing Key, 路由關(guān)鍵字， exchange 根據路由關(guān)鍵字進(jìn)行消息投遞。
3 分布式熱線(xiàn)錄音系統的整體設計。
3.1 分布式熱線(xiàn)錄音系統的整體設計目標。
數字導播系統是以圖形界面實(shí)現人機交互， 集導播計算機、主持人計算機、導播話(huà)機等為一體的數字音頻系統。 分布式熱線(xiàn)錄音系統是數字導播系統的業(yè)務(wù)子系統， 實(shí)現頻率工作站的錄音及相關(guān)管理功能以及對頻率工作站上的錄音文件資源進(jìn)行的管理。 分布式熱線(xiàn)錄音系統由錄音服務(wù)器、消息中間件服務(wù)器、WEB 服務(wù)器和若干個(gè)頻率工作站組成， 分布式熱線(xiàn)錄音系統的拓撲圖如圖 1 所示。 通過(guò)對用戶(hù)需求的調研及詳細分析得到了用戶(hù)的詳細需求， 并根據用戶(hù)需求設計了分布式熱線(xiàn)錄音系統的整體架構。
3.2 整體結構設計。
錄音服務(wù)器的主要功能是提供對頻率工作站錄音策略的管理功能、提供與頻率工作站的交互接口即錄音服務(wù)接口協(xié)議以完成對頻率工作站的錄音操作的實(shí)時(shí)控制、提供對頻率工作站的錄音資源的快速檢索能力。
消息中間件服務(wù)器建立了一條基于標準消息隊列協(xié)議的業(yè)務(wù)服務(wù)器系統與頻率工作站交互的通道， 使用 AMQP 協(xié)議承載錄音服務(wù)接口協(xié)議。
Web 服務(wù)器主要為業(yè)務(wù)服務(wù)器系統提供 Web 能力，為用戶(hù)提供管理分布式熱線(xiàn)錄音系統的用戶(hù)界面交互接口。
分布式文件系統（DFS）為分布式錄音系統提供了統一的分布式文件管理能力， 利用 DFS 地址映射能力將不同地址的頻率工作站映射到統一的域名下面， 通過(guò)自定義的 Uri 構造規則實(shí)現對頻率工作站錄音文件的訪(fǎng)問(wèn)及獲取， DFS 只為分布式錄音系統提供了文件管理能力， 需要配合其他通信及交互手段實(shí)現對頻率工作站實(shí)時(shí)錄音的控制功能。
頻率工作站是分布式熱線(xiàn)錄音系統中實(shí)現錄音操作的獨立功能單元。 頻率工作站依據錄音策略對導播熱線(xiàn)語(yǔ)音通話(huà)進(jìn)行錄音操作。 頻率工作站錄音系統主要包含四個(gè)功能模塊， 各個(gè)模塊相互配合并利用相關(guān)技術(shù)實(shí)現頻率工作站導播熱線(xiàn)語(yǔ)音通話(huà)的錄音功能。
頻率工作站的四個(gè)業(yè)務(wù)功能模塊分別是：
�。�1）錄音服務(wù)協(xié)議棧模塊。
�。�2）錄音策略管理模塊。
�。�3）SIP[4,5]終端功能模塊。
�。�4）語(yǔ)音設備控制模塊。
分布式熱線(xiàn)錄音系統的整體結構如圖 2 所示：
4 分布式熱線(xiàn)錄音系統的實(shí)現。
4.1 頻率工作站的實(shí)時(shí)錄音功能的設計。
頻率工作站是分布式熱線(xiàn)錄音系統的錄音功能的實(shí)體， 本課題講述的分布式熱線(xiàn)錄音系統包含有若干個(gè)的頻率工作站。 每一個(gè)頻率工作站都單獨完成熱線(xiàn)錄音功能和對錄音文件資源的存儲。 頻率工作站是由導播計算機和若干部熱線(xiàn)座機組成的， 這些熱線(xiàn)座機通過(guò)語(yǔ)音板卡設備與導播計算機進(jìn)行連接。 頻率工作站進(jìn)行熱線(xiàn)通話(huà)錄音的過(guò)程是： 當聽(tīng)眾向某個(gè)頻率工作站打進(jìn)熱線(xiàn)來(lái)電的時(shí)候， 首先外來(lái)熱線(xiàn)要與頻率工作站的熱線(xiàn)接通， 接通之后， 頻率工作站通過(guò)各個(gè)功能模塊相互配合共同完成熱線(xiàn)錄音功能。 錄音資源以文件的形式存儲在頻率工作站的硬件存儲設備當中。 如圖 3 為頻率工作站的拓撲圖。
4.2 錄音服務(wù)器業(yè)務(wù)功能的設計與實(shí)現。
錄音服務(wù)器管理和控制頻率工作站按照一定的錄音策略進(jìn)行錄音和管理頻率工作站上的錄音文件。 頻率工作站能夠按照一定的錄音策略進(jìn)行熱線(xiàn)錄音。設計錄音策略表。 設計全錄音， 分時(shí)錄音等多種錄音策略。 錄音策略信息表的設計如圖 4 所示。
分布式熱線(xiàn)錄音系統頻率工作站的錄音文件存儲在頻率工作站上。 通過(guò)錄音服務(wù)器上的錄音文件索引信息表來(lái)統一管理錄音文件， 錄音服務(wù)器和頻率工作站上的數據庫通過(guò)數據庫訪(fǎng)問(wèn)的方式進(jìn)行數據傳輸，通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)頻率工作站數據庫中錄音文件索引表， 對錄音文件進(jìn)行查詢(xún)， 刪除， 修改， 下載等操作。 錄音文件索引表的設計如圖 5 所示。
4.3 業(yè)務(wù)服務(wù)器系統與頻率工作站通信機制的.設計與實(shí)現。
本課題使用AMQP標準協(xié)議作為自定義業(yè)務(wù)協(xié)議的承載手段， AMQP 是一個(gè)提供統一消息服務(wù)的應用層標準協(xié)議， 選用 Rabbitmq 消息隊列中間件開(kāi)源項目作為消息中間件服務(wù)器。
在消息隊列服務(wù)的基礎上根據分布式熱線(xiàn)錄音系統的整體設計及通信需要設計了自定義業(yè)務(wù)協(xié)議， 熱線(xiàn)錄音接口協(xié)議。 熱線(xiàn)錄音接口協(xié)議 RSI（RecordService Interface）對業(yè)務(wù)服務(wù)器系統與頻率工作站間的通信過(guò)程和類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)與描述， 業(yè)務(wù)服務(wù)器與頻率工作站通過(guò) RSI 協(xié)議可以完成狀態(tài)變化的通知， 業(yè)務(wù)功能執行等功能。
RSI 將業(yè)務(wù)服務(wù)器與頻率工作站間的交互分為事件、命令、請求及響應幾種類(lèi)型。
事件： 表示功能實(shí)體產(chǎn)生某些需要由接收者了解的信息。
命令： 表示功能實(shí)體要求立即實(shí)現某種操作。
請求及響應： 表示功能實(shí)體發(fā)出請求消息， 并且期待產(chǎn)生相應的反應。
RSI 相關(guān)協(xié)議如表 1.
4.4 語(yǔ)音板卡設備錄音功能的設計與實(shí)現。
頻率工作站是實(shí)現語(yǔ)音板卡設備錄音功能的載體。（SIPAgent）是若干封裝了“SIPHelloSDK.dll”API 的 SIP代理， 用于和其他 SIP 終端之間的語(yǔ)音交互[7]. 板卡控制模塊（CardManager）是封裝了“SHP_A3.dll”API 的基于三匯語(yǔ)音板卡的驅動(dòng)控制程序， 主要負責控制話(huà)機的行為及狀態(tài)， 接收話(huà)機的行為及狀態(tài)， 以及對話(huà)機進(jìn)行內存錄音， 放音的操作。 SIPAgent進(jìn)程與板卡控制進(jìn)程通過(guò)基于 UDP 的進(jìn)程間通信協(xié)議（IPC 協(xié)議）進(jìn)行進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)信息， 電話(huà)控制信息， 狀態(tài)信息與初始化信息的交互， 同時(shí) SIPAgent 進(jìn)程還會(huì )與其他控制進(jìn)程進(jìn)一步交互。詳細的 IPC 協(xié)議如表 2 所示。
建立SIPAgent進(jìn)程和語(yǔ)音板卡設備之間的連接主要分為兩個(gè)步驟： （1）初始化階段。 CardManager 先啟動(dòng)，檢測自身和 SIPAgent 的 UDP 消息端口是否可用， 若SIPAgent 的 UDP 消息端口被占用， 則重新申請一個(gè)可用的 UDP 端口， 開(kāi)啟守護進(jìn)程。 成功后， 板卡驅動(dòng)進(jìn)程 先 啟 動(dòng) , 向 SIPAgent 發(fā) 送 IPC 協(xié) 議–23（UDPList）[9,10], 若某些 SIPAgent 進(jìn)程未啟動(dòng)， 就不會(huì )收到響應。 此時(shí) SIP 代理進(jìn)程啟動(dòng)并發(fā)送（Request）， CardManager 收到請求并發(fā)送（Response），完成對應信息的初始化。 （2）語(yǔ)音數據傳輸階段。 SIP 代理進(jìn)程在初始化時(shí)會(huì )從數據庫或 XML 配置文件中讀取“SIP 代理進(jìn)程-板卡通道”對應關(guān)系， 因此 SIP 代理進(jìn)程已知自己對應的通道。 將SIPServer服務(wù)器接入的語(yǔ)音數據接入到 SIPAgent. SIPAgent 將語(yǔ)音數據通過(guò)語(yǔ)音UDP端口發(fā)送給CardManager. SIPAgent的Socket綁定相應的 UDP 端口， CardManager 中通道對應的語(yǔ)音UDP端口始終處于監聽(tīng)（Listen）狀態(tài)， 當監聽(tīng)到發(fā)送來(lái)的語(yǔ)音數據后， 接受語(yǔ)音數據并將其存放到相應通道對應的環(huán)狀緩沖區中， 同時(shí)獲取到 SIP 代理進(jìn)程對應的 IP 和 UDP 語(yǔ)音端口， 以便向其發(fā)送語(yǔ)音消息。
語(yǔ)音數據具體的傳輸方式是： 在內存中建立 3 個(gè)錄音緩沖區和 3 個(gè)放音緩沖區， 用來(lái)對通道話(huà)機進(jìn)行錄音放音操作。 環(huán)狀緩沖區在開(kāi)始接受一定數據后，觸發(fā)響應的通知（BufferNotice）， 這時(shí)就開(kāi)啟乒乓內存的錄音和放音。 首先從換裝緩沖區中取出一段語(yǔ)音數據存入放音緩沖區 1 和放音緩沖區 2 中， 當緩沖區完成錄音放音操作而終止時(shí)， 會(huì )調用任務(wù)開(kāi)始時(shí)設置的回調函數。 回調函數會(huì )分配給下一個(gè)緩沖區 3 新的錄音和放音任務(wù)。 三個(gè)緩沖區是互不干擾的， 會(huì )出現1–2–3–1–2–3……交替工作的狀態(tài)， 提高了多線(xiàn)程的讀寫(xiě)效率。 三個(gè)錄音緩沖區也是相同的工作原理， 只不過(guò)錄音緩沖區的語(yǔ)音數據會(huì )直接發(fā)送到SIPAgent的語(yǔ)音 UDP 端口， 然后通過(guò)網(wǎng)路將語(yǔ)音數據發(fā)送到 SIPServer 上。在錄音數據的傳輸過(guò)程中， 通過(guò)錄音模塊分別獲取內存中錄音和放音緩沖區內的音頻數據， 按照乒乓錄音的過(guò)程進(jìn)行錄音， 并且錄制成 wav 格式的音頻文件存儲到頻率工作站指定的 Record 文件夾下。
5 結束語(yǔ)。
本文 通過(guò)對熱線(xiàn) 錄音系統的 調研 , 并且 對Rabbitmq 和 SIP 終端程序與語(yǔ)音板卡連接的研究， 設計了分布式的熱線(xiàn)錄音系統的整體框架。 首先對分布式熱線(xiàn)錄音系統整體框架進(jìn)行了分析和設計， 接著(zhù)對幾個(gè)重要的技術(shù)模塊進(jìn)行了詳細的分析和設計， 逐步完成了對整個(gè)熱線(xiàn)錄音系統的設計。
參考文獻
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