СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО СИГНАЛА Российский патент 2008 года по МПК G10L19/00 

Изобретение, в основном, относится к квантователям или квантованию информационных сигналов и, в вариантах осуществления, к квантованию аудиосигналов, используемых, например, для сжатия данных аудиосигналов или для кодирования звука. В конкретном варианте осуществления данное изобретение относится к кодированию звука с коротким временем задержки.

Способом сжатия звука, наиболее хорошо известным в настоящее время, является МПЕГ-1 уровень 3 (MPEG-1 Layer III). Этим способом сжатия значения выборки или значения аудиосигнала кодируются в кодированный сигнал с потерями. Другими словами, несоответствие и избыточность первоначального аудиосигнала уменьшаются или идеально устраняются при сжатии. Для достижения этого одновременное и временное маскирования распознаются психоакустической моделью, т.е. изменяющийся со временем порог маскирования, зависящий от аудиосигнала, вычисляется или определяется указывающим, с какой громкости тональные сигналы определенной частоты воспринимаются для человеческого слуха. Эта информация, в свою очередь, используется для кодирования сигнала посредством квантования спектральных значений аудиосигнала более точным или менее точным способом или вообще без квантования, в зависимости от порога маскирования, и интегрирования их в кодируемый сигнал.

Способы сжатия звука, такие как, например, формат МP3, испытывают предел в их применимости, когда аудиоданные должны передаваться через ограниченный битовой скоростью канал передачи, с одной стороны, сжатым способом, но, с другой стороны, с настолько малым временем задержки, насколько это возможно. В некоторых приложениях, время задержки не играет роли, например, при архивировании аудиоинформации. Аудиокодеры с малой задержкой, которые иногда называются "кодерами со сверхнизкой задержкой", однако, являются необходимыми, когда критические по времени аудиосигналы должны передаваться, как например, в телеконференции, в беспроводных громкоговорителях или микрофонах. Для этих областей применения, статья Schuller G. и др. "Perceptual Audio Coding using Adaptive Pre- and Post-Filters and Lossless Compression", IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, vol. 10, no. 6, September 2002, pp. 379-390, предлагает кодирование звука, когда уменьшение несоответствия и уменьшение избыточности выполняются не на основе единственного преобразования, а на основе двух отдельных преобразований.

Этот принцип будет обсуждаться впоследствии со ссылкой на фиг.12 и 13. Кодирование начинается с аудиосигнала 902, который уже был дискретизирован и, таким образом, уже присутствует как последовательность 904 звуковых значений или значений 906 выборки, в которой временной порядок звуковых значений 906 указан стрелкой 908. Порог слушания вычисляется посредством психоакустической модели для последовательных блоков значений 906 аудиосигнала, характеризующихся возрастающей нумерацией "блок№". Фиг.13, например, показывает диаграмму, где, относительно частоты f, график а вычерчивает спектр блока сигнала из 128 звуковых значений 906, и b вычерчивает порог маскирования, вычисленный психоакустической моделью, в логарифмических единицах. Порог маскирования указывает, как уже было отмечено, до какой интенсивности частоты остаются неслышимыми для человеческого уха, а именно все тональные сигналы ниже порога b маскирования. На основе порогов слушания, вычисленных для каждого блока, уменьшение несоответствия достигается посредством управления параметризуемым фильтром, за которым следует квантователь. Для параметризуемого фильтра, параметризация вычисляется таким образом, что его амлитудно-частотная характеристика соответствует инверсии величины порога маскирования. Эта параметризация указана на фиг.12 x_#(i).

После фильтрации звуковых значений 906 имеет место квантование с постоянным размером шага, как, например, операция округления до следующего целого. Шум квантования, вызываемый этим, является белым шумом. На стороне декодера, отфильтрованный сигнал "повторно преобразуется" опять параметризуемым фильтром, передаточная функция которого установлена на величину самого порога маскирования. Посредством этого не только декодируется отфильтрованный сигнал, но шум квантования на стороне декодера также настраивается на форму порога маскирования. Для соответствия шума квантования порогу маскирования так точно, как это возможно, величина а_# усиления, приложенная к отфильтрованному сигналу перед квантованием, вычисляется на стороне кодера для каждого множества параметров или каждой параметризации. Для выполнения повторного преобразования на стороне декодера, величина усиления а и параметризация х передаются к кодеру как дополнительная информация 910 отдельно от фактических главных данных, а именно квантованных отфильтрованных звуковых значений 912. Для уменьшения 914 избыточности эти данные, т.е. дополнительная информация 910 и основные данные 912, подвергаются сжатию без потерь, а именно кодированию энтропии, которое заключается в том, как получен кодированный сигнал.

Вышеупомянутая статья предлагает размер в 128 значений 906 выборки как размер блока. Это дает возможность получить относительно короткую задержку в 8 мс с частотой отсчетов 32 кГц. Со ссылкой на подробную реализацию, статья также утверждает, что для увеличения эффективности кодирования дополнительной информации дополнительная информация, а именно коэффициенты х_# и а_#, будет передана, только если имеются достаточные изменения по сравнению со множеством параметров, переданным ранее, т.е. если эти изменения превышают некоторое пороговое значение. Кроме того, описано, что реализация предпочтительно осуществляется таким образом, что текущее множество параметров не применяется непосредственно ко всем значениям выборки, принадлежащим к соответствующему блоку, а что линейная интерполяция коэффициентов х_# фильтра используется для того, чтобы избежать слышимых артефактов. Для осуществления линейной интерполяции коэффициентов фильтра для фильтра предложена решетчатая структура для того, чтобы помешать возникновению нестабильностей. Для случая, когда желателен кодированный сигнал с управляемой битовой скоростью, статья также предлагает избирательное умножение или ослабление отфильтрованного сигнала, масштабированного с зависящим от времени коэффициентом усиления, посредством коэффициента, не равного 1, таким образом, что имеют место слышимые помехи, но скорость передачи битов может быть уменьшена в местах аудиосигнала, которые усложнены для кодирования.

Хотя схема кодирования звука, описанная в статье, упомянутой выше, уже уменьшает время задержки для многих приложений в достаточной степени, проблема в вышеупомянутой схеме состоит в том, что из-за требования передачи порога маскирования или передаточной функции фильтра стороны кодера, впоследствии называемого префильтром, канал передачи загружен до относительно высокой степени, даже хотя коэффициенты фильтра будут переданы, только если заданный порог превышен.

Другим недостатком вышеупомянутой схемы кодирования является то, что из-за того факта, что порог маскирования или его инверсия должна быть сделана доступной на стороне декодера посредством набора х_# параметров, подлежащих передаче, должен быть достигнут компромисс между самой низкой возможной битовой скоростью или высоким коэффициентом сжатия, с одной стороны, и наиболее точной возможной аппроксимацией или параметризацией порога маскирования или его инверсии, с другой стороны. Таким образом, является неизбежным для шума квантования, отрегулированного для порога маскирования вышеупомянутой схемой кодирования звука, превысить порог маскирования в некоторых диапазонах частот и, таким образом, привести к слышимым звуковым помехам для слушателя. Фиг.13, например, показывает параметризованную амплитудно-частотную характеристику параметризуемого фильтра стороны декодера графиком с. Как можно видеть, имеются области, где передаточная функция фильтра стороны декодера, впоследствии называемого постфильтром, превышает порог b маскирования. Проблема усложняется тем фактом, что параметризация передается только с перебоями с достаточным изменением между параметризациями и интерполируется между ними. Интерполяция коэффициентов х_# фильтра, предложенная в статье, одна приводит к слышимым помехам, когда величина а_# усиления удерживается постоянной от узла к узлу или от новой параметризации к новой параметризации. Даже если интерполяция, предложенная в статье, также применяется к значению а_# дополнительной информации, т.е. переданному значению усиления, слышимые звуковые артефакты могут оставаться в аудиосигнале, приходящем на сторону декодера.

Другой проблемой со схемой кодирования звука согласно фиг.12 и 13 является то, что отфильтрованный сигнал, из-за избирательной по частоте фильтрации, принимает непредсказуемую форму, когда, особенно из-за случайной суперпозиции многих индивидуальных гармонических волн, одно или несколько индивидуальных звуковых значений кодированного сигнала складываются до очень высоких значений, что в свою очередь приводит к более плохому коэффициенту сжатия в последующем уменьшении избыточности из-за их редкой наблюдаемости.

Задачей данного изобретения является обеспечение способа и устройства для квантования информационного сигнала таким образом, что более высокое сжатие данных информационного сигнала может быть реализовано с вызыванием только небольшого ухудшения качества первоначального информационного сигнала.

Эта задача достигается способом, описанным ниже, и соответствующим п.9 и, и устройством, соответствующим п.1, реализующим данный способ.

Настоящее изобретение предоставляет способ квантования информационного сигнала последовательности информационных значений, причем информационный сигнал является аудиосигналом и информационные значения являются звуковыми значениями.

Согласно данному способу квантование информационного сигнала последовательности значений информации включает в себя избирательную по частоте фильтрацию последовательности информационных значений для получения последовательности отфильтрованных информационных значений и квантование отфильтрованных информационных значений для получения последовательности квантованных информационных значений посредством квантующей ступенчатой функции, которая отображает отфильтрованные информационные значения в квантованные информационные значения, и ход которой является более крутым ниже порогового информационного значения, чем выше порогового информационного значения.

Кроме того, согласно данному способу определяется порог слушания для блока звуковых значений и вычисляется версия параметризации параметризуемого фильтра таким образом, что его передаточная функция грубо соответствует величине, обратной величине первого порога слушания, где стадия избирательной по частоте фильтрации дополнительно предусматривает стадию таким образом, что артефакты, искусственно генерируемые избирательной по частоте фильтрацией, устраняются или сглаживаются из отфильтрованного информационного сигнала, после постфильтрации едва ли приводит к какому-либо ухудшению качества информационного сигнала, отфильтрованного после квантования, тогда как обрезание или увеличение размера шага квантования выше соответствующего порога предлагает огромную экономию в битовом представлении отфильтрованного информационного сигнала.

Согласно предпочтительному варианту осуществления информационным сигналом является аудиосигнал, где избирательное квантование выше или ниже некоторого порога едва ли приводит к слышимому уменьшению качества звука с одновременным огромным уменьшением в битовом представлении.

Квантующая ступенчатая функция может альтернативно быть обеспеченной для квантования всех звуковых значений до самого высокого шага квантования над пороговым значением, или квантующая ступенчатая функция, имеющая более пологий ход над пороговым значением или имеющая больший размер шага квантования над пороговым значением, используется таким образом, что искусственно генерируемые артефакты квантуются более грубым образом.

Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения будут далее детализированы со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

Фиг.1 показывает блок-схему аудиокодера согласно варианту осуществления данного изобретения;

Фиг.2 показывает блок-схему для иллюстрации режима фильтрации заданного блока звуковых значений последовательности звуковых значений параметризуемым фильтром, использующим заданную параметризацию, которая заданным образом зависит от версии параметризации, для получения блока отфильтрованных звуковых значений.

Указанную выше задачу также решает другой объект настоящего изобретения, а именно устройство для квантования информационного сигнала последовательности информационных значений, причем информационный сигнал является аудиосигналом и информационные значения являются звуковыми значениями, которое, в свою очередь, содержит средства для реализации стадий, соответствующих описанному выше способу.

Кроме того, средство для определения порога слушания может быть сформировано для дальнейшего определения другого второго порога слушания для другого второго блока звуковых значений, и средство для вычисления может быть сформировано для вычисления версии другой второй параметризации параметризуемого фильтра таким образом, что его передаточная функция грубо соответствует величине, обратной величине второго порога слушания. Причем средство для избирательной по частоте фильтрации содержит средство для интерполяции между версией первой параметризации и версией второй параметризации для получения версии интерполированной параметризации для заданного звукового значения заданного блока звуковых значений и средство для применения версии интерполированной параметризации к заданному звуковому значению заданного блока звуковых значений.

Дополнительно указанное устройство может содержать средство для определения первого предела мощности шума, зависящего от первого порога маскирования, и второго предела мощности шума, зависящего от второго порога маскирования, причем средство для фильтрации содержит средство для интерполяции между первым пределом мощности шума и вторым пределом мощности шума для получения интерполированного предела мощности шума для заданного звукового значения заданного блока звуковых значений, средство для определения промежуточного значения масштабирования, зависящего от мощности шума квантования, вызванной квантованием согласно заданному правилу квантования и интерполированному пределу мощности шума, и средство для применения промежуточного значения масштабирования к заданному звуковому значению для получения масштабированного отфильтрованного звукового значения.

Наблюдалось, что искусственно генерируемые артефакты в результирующем отфильтрованном информационном сигнале возникают от избирательной по частоте фильтрации аудиосигнала, когда индивидуальные информационные значения, из-за случайной конструктивной интерференции всех или многих гармоник, принимают значения, которые значительно выше, чем максимальные значения первоначального сигнала, например, вдвое выше. Центральной идеей данного изобретения является то, что обрезание отфильтрованного информационного сигнала выше соответствующего порога, который, примерно, вдвое выше, чем наибольшее возможное значение первоначального информационного сигнала, подлежащего фильтрации таким образом, что артефакты, искусственно генерируемые избирательной по частоте фильтрацией, устраняются или сглаживаются из отфильтрованного информационного сигнала, после постфильтрации едва ли приводит к какому-либо ухудшению качества информационного сигнала, отфильтрованного после квантования, тогда как обрезание или увеличение размера шага квантования выше соответствующего порога предлагает огромную экономию в битовом представлении отфильтрованного информационного сигнала.

Согласно предпочтительному варианту осуществления информационным сигналом является аудиосигнал, где избирательное квантование выше или ниже некоторого порога едва ли приводит к слышимому уменьшению качества звука с одновременным огромным уменьшением в битовом представлении.

Квантующая ступенчатая функция может альтернативно быть обеспеченной для квантования всех звуковых значений до самого высокого шага квантования над пороговым значением, или квантующая ступенчатая функция, имеющая более пологий выше порогового информационного значения или имеющая больший размер шага квантования над пороговым значением, используется таким образом, что отфильтрованные звуковые значения, большие, чем пороговое информационное значение, квантуются до максимального значения шага квантования.

Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения будут далее детализированы со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 показывает блок-схему аудиокодера согласно варианту осуществления данного изобретения.

Фиг.2 показывает блок-схему для иллюстрации режима функционирования аудиокодера фиг.1 на входе данных.

Фиг.3 показывает блок-схему для иллюстрации функционирования аудиокодера фиг.1 относительно оценки входящего аудиосигнала психоакустической моделью.

Фиг.4 показывает блок-схему для иллюстрации режима функционирования аудиокодера фиг.1 относительно применения параметров, полученных психоакустической моделью, к входящему аудиосигналу.

Фиг.5а показывает схематичную диаграмму для иллюстрации входящего аудиосигнала, последовательности звуковых значений, из которых он состоит, и рабочих стадий фиг.4 относительно звуковых значений.

Фиг.5b показывает схематичную диаграмму для иллюстрации настройки кодированного сигнала.

Фиг.6 показывает блок-схему для иллюстрации режима функционирования аудиокодера по фиг.1 относительно окончательной обработки вплоть до кодированного сигнала.

Фиг.7а показывает график, где показан вариант осуществления квантующей ступенчатой функции;

Фиг.7b показывает график, где показан другой вариант осуществления квантующей ступенчатой функции.

Фиг.8 показывает блок-схему аудиодекодера, который может декодировать аудиосигнал, кодированный аудиокодером по фиг.1 согласно варианту осуществления данного изобретения.

Фиг.9 показывает блок-схему для иллюстрации режима функционирования декодера по фиг.8 на входе данных.

Фиг.10 показывает блок-схему для иллюстрации режима функционирования декодера по фиг.8 относительно буферизации предварительно декодированных квантованных и отфильтрованных аудиоданных и обработки аудиоблоков без соответствующей дополнительной информации.

Фиг.11 показывает блок-схему для иллюстрации режима функционирования декодера по фиг.8 относительно фактической обратной фильтрации.

Фиг.12 показывает схему для иллюстрации стандартной схемы кодирования звука, имеющей короткое время задержки.

Фиг.13 показывает график, где, примерно, показаны спектр аудиосигнала, его порог слушания и передаточная функция постфильтра в декодере.

Фиг.1 показывает аудиокодер согласно варианту осуществления данного изобретения. Аудиокодер, который обычно указан 10, включает в себя вход 12 данных, где он принимает аудиосигнал, подлежащий кодированию, который, как будет более подробно объяснено далее со ссылкой на фиг.5а, состоит из последовательности звуковых значений или значений выборки, и выход данных, где выводится кодированный сигнал, информационное содержание которого будет обсуждаться более подробно со ссылкой на фиг.5b.

Аудиокодер 10 по фиг.1 делится на часть 16 уменьшения несоответствия и часть 18 уменьшения избыточности. Часть 16 уменьшения несоответствия включает в себя средство 20 для определения порога слушания, средство 22 для вычисления величины усиления, средство 24 для вычисления параметризации, средство 26 сравнения узлов, квантователь 28 и параметризуемый префильтр 30 и входной FIFO (первым пришел - первым обслужен) буфер 32, буфер или память 38 и умножитель частоты или средство 40 умножения. Часть 18 уменьшения избыточности включает в себя компрессор 34 и контроллер 36 битовой скорости.

Часть 16 уменьшения несоответствия и часть 18 уменьшения избыточности подключены последовательно в этом порядке между входом 12 данных и выходом 14 данных. В частности, вход 12 данных подключен ко входу данных средства 20 для определения порога слушания и ко входу данных входного буфера 32. Выход данных средства 20 для определения порога слушания подключен ко входу средства 24 для вычисления параметризации и ко входу данных средства 22 для вычисления величины усиления для прохождения порога слушания, определенного для него. Средства 22 и 24 вычисляют величину параметризации или усиления на основе порога слушания и подключены к средству 26 сравнения узлов для прохождения этих результатов для них. В зависимости от результата сравнения средство 26 сравнения узлов, как будет обсуждаться далее, пропускает результаты, вычисленные средствами 22 и 24, как входной параметр или параметризацию к параметризуемому префильтру 30. Параметризуемый префильтр 30 подключен между выходом данных входного буфера 32 и входом данных буфера 38. Умножитель 40 частоты подключен между выходом данных буфера 38 и квантователем 28. Квантователь 28 пропускает отфильтрованные звуковые значения, которые могут быть умножены или масштабированы, но всегда квантованы, к части 18 уменьшения избыточности, более точно ко входу данных компрессора 34. Средство 26 сравнения узлов пропускает информацию, из которой входные параметры, пропущенные к параметризуемому префильтру 30, могут быть выведены для части 18 уменьшения избыточности, более точно для другого входа данных компрессора 34. Контроллер битовой скорости подключен к управляющему входу умножителя 40 частоты через подключение управления для обеспечения квантованных отфильтрованных звуковых значений, принятых от префильтра 30, подлежащих умножению умножителем 40 частоты на соответствующий множитель, как будет более подробно обсуждаться ниже. Контроллер 36 битовой скорости подключен между выходом данных блока сжатия (компрессора) 34 и выходом 14 данных аудиокодера 10 для того, чтобы определить множитель для умножителя 40 частоты подходящим образом. Когда каждое звуковое значение проходит квантователь 40 первый раз, множитель сначала устанавливается на соответствующий коэффициент масштабирования, например 1. Буфер 38, однако, продолжает хранение каждого отфильтрованного звукового значения для передачи контроллеру 36 битовой скорости, как будет описано далее, возможности изменения множителя для другого прохождения блока звуковых значений. Если такое изменение не указано контроллером 36 битовой скорости, то буфер 38 может освободить память, занятую этим блоком.

После того как установка аудиокодера фиг.1 была описана выше, режим его функционирования будет далее описан со ссылкой на фиг.2-7b.

Как можно видеть из фиг.2, аудиосигнал, при достижении аудиовхода 12, уже был получен посредством выборки 50 аудиосигнала из аналогового аудиосигнала. Выборка аудиосигнала выполняется с заданной частотой выборки, которая обычно находится между 32 и 48 кГц. Следовательно, на входе 12 данных имеется аудиосигнал, состоящий из последовательности звуковых значений или значений выборки. Хотя кодирование аудиосигнала не имеет место основанным на блоках образом, как станет очевидно из последующего описания, звуковые значения на входе 12 данных сначала комбинируются для образования аудиоблоков на стадии 52. Эта комбинация для образования аудиоблоков имеет место только с целью определения порога слушания, как станет очевидным из следующего описания, и имеет место во входной стадии средства 20 для определения порога слушания. В данном варианте осуществления примерно допускается, что каждые 128 последовательных звуковых значений скомбинированы для образования аудиоблоков, и что комбинация имеет место таким образом, что, с одной стороны, последовательные аудиоблоки не перекрываются и, с другой стороны, являются непосредственными соседями друг друга. Это будет примерно кратко обсуждаться со ссылкой на фиг.5а.

Фиг.5а в 54 указывает последовательность значений выборки, причем каждое значение выборки иллюстрируется прямоугольником 56. Значения выборки пронумерованы с целью иллюстрации, где по причине ясности в свою очередь показаны только некоторые значения выборки последовательности 54. Как указано фигурными скобками над последовательностью 54, каждые 128 последовательных значений выборки скомбинированы для образования блока согласно данному варианту осуществления, где непосредственно последующие 128 значений выборки образуют следующий блок. Только как мера предосторожности, нужно отметить, что комбинация для образования блоков, могла бы быть осуществлена по-другому, примерно посредством перекрывающихся блоков или разнесенных блоков и блоков, имеющих другой размер блока, хотя размер блока в 128 в свою очередь является предпочтительным, так как он обеспечивает хороший компромисс между высоким качеством аудиосигнала, с одной стороны, и самым малым возможным временем задержки, с другой стороны.

Тогда как аудиоблоки, комбинированные в средстве 20 на стадии 52, обрабатываются в средстве 20 для определения порога слушания блок за блоком, входящие звуковые значения будут сохраняться 54 во входном буфере 32, пока параметризуемый префильтр 30 не получил входных параметров от средства 26 сравнения узлов для осуществления префильтрации, как будет описано далее.

Как можно видеть из фиг.3, средство 20 для определения порога слушания начинает свою обработку непосредственно после того, как достаточно звуковых значений было принято на входе 12 данных для формирования аудиоблока или для формирования следующего аудиоблока, который средство 20 контролирует посредством инспекции на стадии 60. Если нет полного обрабатываемого аудиоблока, то средство 20 будет ждать. Если полный аудиоблок, подлежащий обработке, присутствует, то средство 20 для определения порога слушания будет вычислять порог слушания на стадии 62 на основе соответствующей психоакустической модели на стадии 62. Для иллюстрации порога слушания опять делается ссылка на фиг.12 и, в частности, на график b, полученный на основе психоакустической модели, примерно, относительно текущего аудиоблока со спектром а. Порог маскирования, который определяется на стадии 62, является зависящей от частоты функцией, которая может изменяться для последовательных аудиоблоков и может также значительно изменяться от аудиосигнала к аудиосигналу, например от произведений рок-музыки до произведений классической музыки. Порог слушания указывает для каждой частоты пороговое значение, ниже которого человеческий слух не может воспринимать помехи.

На последующей стадии 64 средство 24 и средство 22 вычисляют из вычисленного порога М(f) слушания (f указывает частоту) величину а усиления или множество параметров из N параметров х(i) (i = 1, ..., N). Параметризация х(i), которую средство 24 вычисляет на стадии 64, обеспечена для параметризуемого префильтра 30, который, например, воплощен в структуре адаптивного фильтра, используемой в LPC кодировании (LPC = кодирование методом линейного предсказания). Например, пусть s(n), n = 0, ..., 127, - 128 звуковых значений текущего аудиоблока, и s'(n) - результирующие отфильтрованные 128 звуковых значений, тогда фильтр примерно воплощается таким образом, что применяется следующее равенство:

где К - порядок фильтра и а_к ^t, k = 1, ..., К, - коэффициенты фильтра, и индекс t должен иллюстрировать, что коэффициенты фильтра изменяются в последующих аудиоблоках. Средство 24 затем вычисляет параметризацию а_к ^t таким образом, что передаточная функция H(f) параметризуемого префильтра 30 грубо равна величине, обратной величине порога маскирования М(f), т.е., таким образом, что выполнено следующее:

где зависимость от t в свою очередь должна иллюстрировать, что порог маскирования М(f) изменяется для различных аудиоблоков. При реализации префильтра 30 как адаптивного фильтра, упомянутого выше, коэффициенты а_к ^t фильтра будут получены следующим образом: инверсное дискретное преобразование Фурье |М(f,t)|² по частоте для блока во время t приводит к целевой аутокорреляционной функции r_mm ^t(i). Затем, а_к ^t получаются решением системы линейных уравнений:

Для того чтобы не возникало никаких нестабильностей между параметризациями в линейной интерполяции, описанной более подробно ниже, для фильтра 30 предпочтительно используется решетчатая структура, в которой коэффициенты фильтра для решетчатой структуры повторно параметризуются для образования коэффициентов отражения. Относительно дальнейших подробностей, касающихся конструкции префильтра, вычисления коэффициентов и повторной параметризации, делается ссылка на статью Schuller и т.д., упомянутую во вступлении к описанию и, в частности, к странице 381, раздел III, которая включена здесь в качестве ссылки.

Тогда как в результате средство 24 вычисляет параметризацию для параметризуемого префильтра 30 таким образом, что его передаточная функция равна величине, обратной порогу маскирования, средство 22 вычисляет предел мощности шума на основе порога слушания, а именно предел, указывающий, какую мощность шума квантователю 28 разрешено вводить в аудиосигнал, отфильтрованный префильтром 30 для того, чтобы шум квантования на стороне декодера был ниже порога слушания М(f) или в точности равен ему после постфильтрации или обратной фильтрации. Средство 22 вычисляет этот предел мощности шума как площадь под квадратом величины порога слушания М, т.е. как Σ|М(f)|². Средство 22 вычисляет величину усиления а из предела мощности шума посредством вычисления корня из дроби мощности шума квантования, деленной на предел мощности шума. Шумом квантования является шум, вызванный квантователем 28. Шум, вызванный квантователем 28, как будет описано ниже, является белым шумом и, таким образом, не зависит от частоты. Мощность шума квантования является мощностью шума квантования.

Как стало очевидным из вышеприведенного описания, средство 22 также вычисляет предел мощности шума отдельно от величины а усиления. Хотя для средства 26 сравнения узлов возможно повторное вычисление предела мощности шума из величины а усиления, полученной от средства 22, для средства 22 также возможна передача определенного предела мощности шума к средству 26 сравнения узлов отдельно от величины а усиления.

После вычисления величины усиления и параметризации средство 26 сравнения узлов проверяет на стадии 66, отличается ли только что вычисленная параметризация на более чем заданный порог от текущей последней параметризации, пропущенной к параметризуемому префильтру. Если проверка на стадии 66 имеет тот результат, что только что вычисленная параметризация отличается от текущей параметризации на более чем заданный порог, то только что вычисленные коэффициенты фильтра и только что вычисленная величина усиления или предел мощности шума буферизуются в средстве 26 сравнения узлов для интерполяции, подлежащей обсуждению, и средство 26 сравнения узлов перераспределяет к префильтру 30 коэффициенты фильтра, только что вычисленные на стадии 68, и величину усиления, только что вычисленную на стадии 70. Если, однако, это не имеет места и только что вычисленная параметризация не отличается от текущей параметризации более чем на заданный порог, то средство 26 сравнения узлов перераспределит на префильтр 30 на стадии 72, вместо только что вычисленной параметризации, только параметризацию текущего узла, т.е. ту параметризацию, которая последняя привела к положительному результату на стадии 66, т.е. отличалась от параметризации предыдущего узла более чем на заданный порог. После стадий 70 и 72, процесс фиг.3 возвращается к обработке следующего аудиоблока, т.е. к запросу 60.

В том случае, если только что вычисленная параметризация не отличается от параметризации текущего узла, и в результате префильтр 30 на стадии 72 опять получает параметризацию узла, уже полученную по меньшей мере для последнего аудиоблока, префильтр 30 применит эту параметризацию узла ко всем значениям выборки этого аудиоблока в FIFO 32, как будет описано более подробно ниже, как этот текущий блок берется из FIFO 32 и квантователь 28 принимает результирующий аудиоблок префильтрованных звуковых значений.

Фиг.4 иллюстрирует режим функционирования параметризуемого префильтра 30 для случая, когда он принимает только что вычисленную параметризацию и только что вычисленную величину усиления, так как они достаточно отличаются от параметризации текущего узла более подробно. Как было описано со ссылкой на фиг.3, отсутствует обработка согласно фиг.4 для каждого из последовательных аудиоблоков, но только для аудиоблоков, в котором соответствующая параметризация достаточно отличалась от параметризации текущего узла. Другие аудиоблоки, как было только что описано, предварительно фильтруются посредством применения соответствующей параметризации текущего узла и соответствующей текущей величины усиления ко всем значениям выборки этих аудиоблоков.

На стадии 80 параметризуемый префильтр 30 проверяет, имело ли место перераспределение только что вычисленных коэффициентов фильтра от средства 26 сравнения узлов, или параметризации более старого узла. Префильтр 30 осуществляет проверку 80, пока такое перераспределение не произошло.

Когда такое перераспределение произошло, параметризуемый префильтр 30 начинает обработку текущего аудиоблока звуковых значений как раз в буфере 32, т.е. в том, для которого была вычислена параметризация. На фиг.5а, например, иллюстрировано, что все звуковые значения 56 перед звуковым значением с номером 0, уже были обработаны и, таким образом, уже прошли память 32. Обработка блока звуковых значений перед звуковым значением с номером 0 была запущена, так как параметризация, вычисленная для аудиоблока перед блоком 0, а именно х₀(i), отличалась от параметризации узла, пропущенной прежде к префильтру 30, более чем на заданный порог. Параметризация х₀(i), таким образом, является параметризацией узла, как описано в данном изобретении. Обработка звуковых значений в аудиоблоке перед звуковым значением 0 была выполнена на основе множества параметров а₀, х₀(i).

На фиг.5а предполагается, что параметризация, вычисленная для блока 0 со звуковыми значениями 0-127, отличалась меньше, чем на заданный порог от параметризации х₀(i), которая относилась к блоку спереди. Этот блок 0 был, таким образом, взят из FIFO 32 префильтром 30, равным образом обработанным относительно всех его значений выборки 0-127 посредством параметризации х₀(i), поданной на стадии 72, как указано стрелкой 81, описанной "непосредственное применение", и затем пропущенной к квантователю 28.

Параметризация, вычисленная для блока 1, все еще расположена в FIFO 32, однако по контрасту отличается, согласно иллюстративному примеру фиг.5а, более чем на заданный порог от параметризации х₀(i) и, таким образом, была пропущена на стадии 68 к префильтру 30 как параметризация х₁(i), вместе с величиной а₁ усиления (стадия 70) и, если применимо, соответствующий предел мощности шума, где индексы а и х на фиг.5 должны быть индексом для узлов, используемых в интерполяции, подлежащей обсуждению ниже, которая осуществляется относительно значений выборки 128-255 в блоке 1, символизируемом стрелкой 82 и реализованном стадиями, следующими за стадией 80 на фиг.4. Обработка на стадии 80, таким образом, началась бы с наличием аудиоблока с номером 1.

Во время, когда множество параметров а₁, х₁ пропущено, только звуковые значения 128-255, т.е. текущий аудиоблок после последнего аудиоблока 0, обработанного префильтром 30, находятся в памяти 32. После определения перераспределения параметров узла х₁(i) на стадии 80 префильтр 30 определяет предел q₁ мощности шума, соответствующий величине а₁ усиления на стадии 84. Это может иметь место посредством пропускания средством 26 сравнения узлов этой величины к префильтру 30 или посредством повторного вычисления префильтром 30 этой величины, как было описано выше со ссылкой на стадию 64.

После этого индекс j инициализируется для значения выборки на стадии 86 для указания на самое старое значение выборки, остающееся в памяти 32 FIFO или первое значение выборки текущего аудиоблока "блок1", т.е. в данном примере фиг.5 значение выборки 128. На стадии 88 параметризуемый префильтр осуществляет интерполяцию между коэффициентами фильтра х₀ и х₁, в которой здесь параметризация х₀ действует как узел на узле, имеющем номер 127 звукового значения предыдущего блока 0, и параметризация х₁ действует как узел на узле, имеющем номер 255 звукового значения текущего блока 1. Эти позиции 127 и 255 звуковых значений будут далее называться узлом 0 и узлом 1, где параметризации узлов, относящиеся к узлам на фиг.5а, указаны стрелками 90 и 92.

На стадии 88 параметризуемый префильтр 30 осуществляет интерполяцию коэффициентов х₀, х₁ фильтра между двумя узлами в форме линейной интерполяции для получения интерполированных коэффициентов фильтра в позиции j выборки, т.е. х(t_j)(i), i=1,...,N.

После этого, а именно на стадии 90, параметризуемый префильтр 30 осуществляет интерполяцию между пределом q₁ и q₀ мощности шума для получения интерполированного предела мощности шума в позиции j выборки, т.е. q(t_j).

На стадии 92 параметризуемый префильтр 30 затем вычисляет величину усиления для позиции j выборки на основе интерполированного предела мощности шума и мощности шума квантования, и предпочтительно также интерполированных коэффициентов фильтра, а именно, например, зависящих от корня из (мощность шума квантования)/q(t_j), где делается ссылка на объяснения стадии 64 фиг.3.

На стадии 94 параметризуемый префильтр 30 затем применяет вычисленную величину усиления и интерполированные коэффициенты фильтра к значениям выборки в позиции j выборки для получения отфильтрованного значения выборки для той же самой позиции, а именно, s'(t_j).

На стадии 96 параметризуемый префильтр 30 затем проверяет, достигла ли позиция j выборки текущего узла, т.е. узла 1, в случае фиг.5а позиции 255 выборки, т.е. значения выборки, для которой параметризация, переданная к параметризуемому префильтру 30, плюс величина усиления должна быть непосредственно достоверной, т.е. без интерполяции. Если это не имеет места, то параметризуемый префильтр 30 будет увеличивать или давать приращение индексу j на 1, где стадии 88-96 будут повторяться. Если проверка на стадии 96, однако, является положительной, то параметризуемый префильтр будет применять, на стадии 100, последнюю величину усиления, переданную от средства 26 сравнения узлов, и последние коэффициенты фильтра, переданные от средства 26 сравнения узлов, непосредственно без интерполяции к значению выборки в новом узле, на котором был обработан текущий блок, т.е. в данном случае блок 1, и процесс осуществляется опять на стадии 80 относительно последующего блока, подлежащего обработке, который, в зависимости от того, достаточно ли отличается параметризация блока 2 следующего аудиоблока от параметризации х₁(i), может быть этим блоком 2 следующего аудиоблока или же более поздним аудиоблоком.

Перед дальнейшей процедурой, когда обработка отфильтрованных значений выборки s' будет описана со ссылкой на фиг.5, цель и предпосылки процедуры фиг.3 и 4 будут описаны ниже. Целью фильтрации является фильтрация аудиосигнала на входе 12 адаптивным фильтром, передаточная функция которого непрерывно настраивается на величину, обратную порогу слушания, в наилучшей возможной степени, который также изменяется со временем. Причиной этого является то, что, на стороне декодера, обратная фильтрация, передаточная функция которой соответственно непрерывно настраивается на порог слушания, формирует белый шум квантования, введенный посредством квантования отфильтрованного аудиосигнала, т.е. постоянный по частоте шум квантования, посредством адаптивного фильтра, а именно, настраивает его на форму порога слушания.

Применение величины усиления на стадиях 94 и 100 в префильтре 30 является умножением аудиосигнала или отфильтрованного аудиосигнала, т.е. значений выборки s или отфильтрованных значений выборки s', на коэффициент усиления. Целью является установление этим шума квантования, введенного в отфильтрованный аудиосигнал квантованием, описанным более подробно ниже, и который настраивается посредством обратной фильтрации на стороне декодера на форму порога слушания, так высоко, как это возможно, без превышения порога слушания. Это может быть иллюстрировано формулой Парсеваля, согласно которой квадрат величины функции равен квадрату величины преобразования Фурье. Когда на стороне декодера умножение аудиосигнала в префильтре на величину усиления обращается опять посредством деления отфильтрованного аудиосигнала на величину усиления, мощность шума квантования также уменьшается, а именно на коэффициент а^-2, где а - величина усиления. Следовательно, мощность шума квантования может быть установлена на оптимально высокую степень посредством применения величины усиления в префильтре 30, что является синонимом увеличения размера шага квантования и, таким образом, уменьшения числа шагов квантования, подлежащих кодированию, что в свою очередь увеличивает сжатие в последующей части уменьшения избыточности.

Другими словами, эффект префильтра мог бы рассматриваться как нормализация сигнала на его порог маскирования, так что уровень помех квантования или шума квантования может удерживаться постоянным как по времени, так и по частоте. Поскольку аудиосигнал находится во временной области, квантование может быть, таким образом, выполнено шаг за шагом с однородным постоянным квантованием, как будет описано далее. Таким образом, идеально любое возможное несоответствие устраняется из аудиосигнала, и схема сжатия без потерь может быть использована также для удаления остающейся избыточности в предварительно отфильтрованном и квантованном аудиосигнале, как будет описано ниже.

Со ссылкой на фиг.5а опять нужно явно отметить, что конечно используемые коэффициенты фильтра и величины усиления а₀, а₁, х₀, х₁ должны быть доступны на стороне декодера как дополнительная информация, что ее передаточная сложность, однако, уменьшается не просто использованием новых коэффициентов фильтра и новых величин усиления для каждого блока. Скорее, проверка 66 порогового значения имеет место только для того, чтобы передать параметризации как дополнительной информации с достаточным изменением параметризации и, в противном случае, не передать дополнительную информацию или параметризации. Интерполяция от старой к новой параметризации имеет место в аудиоблоках, для которых были переданы параметризации. Интерполяция коэффициентов фильтра имеет место способом, описанным выше со ссылкой на стадию 88. Интерполяция относительно усиления имеет место окольным путем, а именно через линейную интерполяцию 90 предела q₀, q₁ мощности шума. По сравнению с непосредственной интерполяцией через величину усиления линейная интерполяция приводит к лучшему результату слушания или меньшему количеству слышимых артефактов относительно предела мощности шума.

Впоследствии дальнейшая обработка предварительно фильтрованного сигнала будет описана со ссылкой на фиг.6, который в основном включает в себя квантизацию и уменьшение избыточности. Сначала отфильтрованные значения выборки, выданные параметризуемым префильтром 30, сохраняются в буфере 38 и в то же самое время пропускаются от буфера 38 к умножителю 40 частоты, где они, так как это их первый проход, сначала пропускаются неизмененными, а именно с коэффициентом масштабирования один, умножителем частоты 40 к квантователю 28. Там, отфильтрованные звуковые значения выше верхнего предела обрезаются на стадии 110 и затем квантуются на стадии 112. Две стадии 110 и 112 выполняются квантователем 28. В частности, две стадии 110 и 112 предпочтительно выполняются квантователем 28 в одной стадии посредством квантования отфильтрованных звуковых значений s' квантующей ступенчатой функцией, которая отображает отфильтрованные значения выборки s', примерно присутствующие в иллюстрации плавающей точки, на множество целых значений или индексов шагов квантования, и которая имеет пологий ход для отфильтрованных значений выборки от определенного порогового значения таким образом, что отфильтрованные значения выборки, большие, чем пороговое значение, квантуются в один и тот же шаг квантования. Пример такой квантующей ступенчатой функции показан на фиг.7а.

Квантованные отфильтрованные значения выборки обозначены через σ' на фиг.7а. Квантующая ступенчатая функция предпочтительно является квантующей ступенчатой функцией с размером шага, который является постоянным ниже порогового значения, т.е. прыжок на следующий шаг квантования всегда будет иметь место после постоянного интервала вдоль входных значений S'. В этой реализации размер шага до порогового значения регулируется таким образом, что число шагов квантования предпочтительно соответствует степени 2. По сравнению с иллюстрацией плавающей точки входящих отфильтрованных значений выборки s' пороговое значение меньше, так что максимальное значение иллюстрируемой области иллюстрации плавающей точки превышает пороговое значение.

Причиной для этого порогового значения является то, что наблюдалось, что отфильтрованный аудиосигнал, выданный префильтром 30, случайно содержит звуковые значения, суммирующиеся вплоть до очень больших величин из-за неблагоприятного накопления гармонических волн. Кроме того, наблюдалось, что обрезание этих значений, как достигнуто квантующей ступенчатой функцией, показанной на фиг.7а, приводит к значительному уменьшению данных, но только к незначительному ухудшению качества звука. Скорее, эти случайные местоположения в отфильтрованном аудиосигнале образуются искусственно избирательной по частоте фильтрацией в параметризуемом фильтре 30 таким образом, что их обрезание ухудшает качество звука только в незначительной степени.

Несколько более конкретный пример квантующей ступенчатой функции, показанный на фиг.7а, был бы функцией, которая округляет все отфильтрованные значения выборки s' до следующего целого вплоть до порогового значения и далее квантует все отфильтрованные значения выборки выше самого высокого шага квантования, как, например, 256. Этот случай показан на фиг.7а.

Другим примером возможной квантующей ступенчатой функции была бы функция, показанная на фиг.7b. Вплоть до порогового значения, квантующая ступенчатая функция фиг.7b соответствует функции фиг.7а. Вместо того, чтобы иметь внезапно пологий ход для значений выборки s' над пороговым значением, однако, квантующая ступенчатая функция продолжается с крутизной, меньшей, чем крутизна в области ниже порогового значения. Другими словами, размер шага квантования выше над пороговым значением. Посредством этого подобный эффект достигается подобным образом квантующей функцией фиг.7а, но, с одной стороны, с большей сложностью из-за различных размеров шагов квантующей ступенчатой функции выше и ниже порогового значения и, с другой стороны, с улучшенным качеством звука, так как очень высокие отфильтрованные звуковые значения s' не обрезаются полностью, а только квантуются с большим размером шага квантования.

Как уже было описано ранее, на стороне декодера должны быть доступны не только квантованные и отфильтрованные звуковые значения σ', но также входные параметры для префильтра 30, являющиеся основой для фильтрации этих значений, а именно параметризация узла, включающая указание на соответствующую величину усиления. На стадии 114 компрессор 34, таким образом, осуществляет первую попытку сжатия и, таким образом, сжимает дополнительную информацию, содержащую величины усиления а₀ и а₁ в узлах, такие как, например, 127 и 255, и коэффициенты фильтра х₀ и х₁ в узлах и квантованные отфильтрованные значения σ' выборки во временно отфильтрованный сигнал. Компрессор 34, таким образом, является работающим без потерь кодером, таким как, например, Huffman или арифметический кодер с предсказанием или без него, и/или адаптацией.

Память 38, через которую проходят дискретизированные звуковые значения σ', служит в качестве буфера для соответствующего размера блока, с которым компрессор 34 обрабатывает квантованные, отфильтрованные и также масштабированные, как будет описано далее, звуковые значения σ', выданные квантователем 28. Размер блока может отличаться от размера блока аудиоблоков, используемых средством 20.

Как уже было отмечено, контроллер 36 битовой скорости управлял умножителем 40 частоты посредством множителя 1 для первой попытки сжатия таким образом, что отфильтрованные звуковые значения идут неизменными от префильтра 30 к квантователю 28 и оттуда, как квантованные отфильтрованные звуковые значения, - к компрессору 34. Компрессор 34 контролирует на стадии 116, был ли кодирован определенный размер блока сжатия, т.е. определенное число квантованных дискретизированных звуковых значений, во временной кодированный сигнал, или должны ли быть кодированными далее квантованные отфильтрованные звуковые значения σ' в текущий временной кодированный сигнал. Если размер блока сжатия не был достигнут, то компрессор 34 продолжит выполнение текущего сжатия 114. Если размер блока сжатия, однако, был достигнут, то контроллер 36 битовой скорости проверит на стадии 118, является ли количество битов, требуемое для сжатия, большим, чем количество битов, диктуемое желаемой битовой скоростью. Если это не имеет места, то контроллер 36 битовой скорости проверит на стадии 120, является ли требуемое количество битов меньшим, чем количество битов, диктуемое желаемой битовой скоростью. Если это имеет место, то контроллер 36 битовой скорости заполнит кодированный сигнал на стадии 122 битами заполнителя, пока количество битов, диктуемое желаемой битовой скоростью, не будет достигнуто. Затем кодированный сигнал выдается на стадии 124. В качестве альтернативы стадии 122, контроллер 36 битовой скорости мог бы пропустить блок сжатия отфильтрованных звуковых значений σ', все еще хранимый в памяти 38, на котором последнее сжатие основывалось в форме, умноженной на множитель, больший, чем 1, умножителем 40 частоты к квантователю 28 для повторного прохождения стадий 110-118, пока не будет достигнуто количество битов, диктуемое желаемой битовой скоростью, как указано стадией 125, показанной пунктирной линией.

Если, однако, проверка на стадии 118 приводит к тому, что требуемое количество битов является большим, чем количество битов, диктуемое желаемой битовой скоростью, то контроллер 36 битовой скорости изменит множитель для умножителя 40 частоты на коэффициент между 0 и 1 исключительно. Это осуществляется на стадии 126. После стадии 126, контроллер 36 битовой скорости обеспечивает память 38 для повторной выдачи последнего блока сжатия отфильтрованных звуковых значений σ', на котором было основано сжатие, где они далее умножаются на коэффициент, установленный на стадии 126 и опять поданный к квантователю 28, на котором стадии 110-118 выполняются опять и на котором расположен временно кодированный сигнал.

Следует отметить, что при повторном выполнении стадий 110-116 на стадии 114 коэффициент, используемый на стадии 126 (или стадии 125), конечно также интегрируется в кодированный сигнал.

Целью процедуры после стадии 126 является увеличение эффективного размера шага квантователя 28 на этот коэффициент. Это означает, что результирующий шум квантования находится однородно выше порога маскирования, что приводит к слышимым помехам или слышимому шуму, но приводит к уменьшенной битовой скорости. Если после повторного прохождения стадий 110-116 на стадии 118 повторно определено, что требуемое количество битов является большим, чем количество битов, диктуемое желаемой битовой скоростью, то этот коэффициент будет опять уменьшен на стадии 126 и т.д.

Если эти данные, наконец, выводятся на стадии 124 как кодированный сигнал, то следующий блок сжатия будет осуществлен из последующих квантованных отфильтрованных звуковых значений σ'.

Также следует отметить, что другое предварительно инициализируемое значение, чем 1, могло бы быть использовано как коэффициент умножения, а именно, например, 1. Затем, сначала в любом случае имело бы место масштабирование, т.е. в самом верху фиг.6.

Фиг.5b иллюстрирует опять результирующий кодированный сигнал, который обычно обозначен 130. Кодированный сигнал включает в себя дополнительную информацию и основные данные между ней. Дополнительная информация включает в себя, как уже было отмечено, информацию, из которой для специальных аудиоблоков, а именно аудиоблоков, где значительное изменение в коэффициентах фильтра привело к последовательности аудиоблоков, может быть выведено значение величины усиления и значение коэффициентов фильтра. Если необходимо, дополнительная информация будет включать в себя дальнейшую информацию, относящуюся к величине усиления, используемой для контроллера битовой скорости. Из-за взаимной зависимости величины усиления и предела q мощности шума дополнительная информация может по выбору, отдельно от величины усиления а_# до узла #, также включать в себя предел мощности шума q_#, или только последний. Дополнительная информация предпочтительна расположена в пределах кодированного сигнала таким образом, что дополнительная информация до коэффициентов фильтра и соответствующей величины усиления или предела мощности шума расположена впереди от основных данных до аудиоблока квантованных отфильтрованных звуковых значений σ', из которых были выведены эти коэффициенты фильтра с соответствующими величинами усиления или соответствующим пределом мощности шума, т.е. дополнительная информация а₀, х₀(i) после блока -1 и дополнительная информация а₁, х₁(i) после блока 1. Другими словами, основные данные, т.е. квантованные отфильтрованные звуковые значения σ', начинающиеся, исключая, с аудиоблока того типа, где значительное изменение в последовательности аудиоблоков привело к коэффициентам фильтра, вплоть до, включая, следующего аудиоблока этого типа, на фиг.5, например, звуковые значения σ'(t₀)-σ'(t₂₅₅) всегда будут расположены между блоком 132 дополнительной информации до первого из этих двух аудиоблоков (блок -1) и другим блоком 134 дополнительной информации до второго из двух аудиоблоков (блок 1). Звуковые значения σ'(t₀)-σ'(t₁₂₇) являются декодируемыми или были, как было отмечено перед ссылкой на фиг.5а, получены только посредством дополнительной информации 132, тогда как звуковые значения σ'(t₁₂₈)-σ'(t₂₅₅) были получены интерполяцией посредством дополнительной информации 132 как опорные значения в узле с номером 127 значения выборки и посредством дополнительной информации 134 как опорные значения в узле с номером 255 значения выборки и, таким образом, являются декодируемыми только посредством обеих дополнительных информаций.

Кроме того, дополнительная информация, касающаяся величины усиления или предела мощности шума и коэффициентов фильтра в каждом блоке 132 и 134 дополнительной информации, не всегда интегрируется независимо друг от друга. Скорее, эта дополнительная информация передается в различиях к предыдущему блоку дополнительной информации. На фиг.5b, например, блок 132 дополнительной информации содержит величину усиления а₀ и коэффициенты фильтра х₀ относительно узла во время t_-1. В блоке 132 дополнительной информации эти значения могут быть выведены из самого блока. Из блока 134 дополнительной информации, однако, дополнительная информация, касающаяся узла во время t₂₅₅, не может больше выводиться из одного этого блока. Скорее, блок 134 дополнительной информации только включает в себя информацию о различиях величины усиления а₁ узла во время t₂₅₅ и величины усиления узла во время t₀ и различиях коэффициентов фильтра х₁ и коэффициентов фильтра х₀. Блок 134 дополнительной информации, следовательно, содержит только информацию о а₁-а₀ и х₁(i)-х₀(i). В прерывающиеся времена, однако, коэффициенты фильтра и величина усиления или предел мощности шума должны быть переданы полностью, а не только как разница к предыдущему узлу, таким образом, чтобы, например, каждую секунду давать возможность приемнику или декодеру фиксировать бегущий поток данных кодирования, как это будет обсуждаться ниже.

Этот вид интеграции дополнительной информации в блоки 132 и 134 дополнительной информации предлагает преимущество возможности более высокой скорости сжатия. Причиной этого является то, что, хотя дополнительная информация, если возможно, будет передана, только если получено достаточное изменение коэффициентов фильтра к коэффициентам фильтра предыдущего узла, сложность вычисления различия на стороне кодера или вычисления суммы на стороне декодера полностью покрывается, так как результирующие различия являются малыми, несмотря на то, что запрос стадии 66, таким образом, дает возможность преимуществ в кодировании энтропии.

После того как вариант осуществления аудиокодера был описан ранее, вариант осуществления аудиодекодера, который подходит для декодирования кодированного сигнала, генерируемого аудиокодером 10 по фиг.1, в декодированный воспроизводимый или обрабатываемый аудиосигнал, будет описан далее.

Установка этого декодера показана на фиг.8. Декодер, обычно указанный 210, включает в себя декомпрессор 212, FIFO память 214, умножитель 216 частоты и параметризуемый постфильтр 218. Декомпрессор 212, FIFO память 214, умножитель 216 частоты и параметризуемый постфильтр 218 подключены в этом порядке между входом 220 данных и выходом 222 данных декодера 210, в котором кодированный сигнал принимается на входе 220 данных и декодированный аудиосигнал, отличающийся от первоначального аудиосигнала на входе 12 данных аудиокодера 10 только шумом квантования, генерируемым квантователем 28 в аудиокодере 10, выдается на выходе 222 данных. Декомпрессор 212 подключен ко входу управления умножителя 216 частоты на другом выходе данных для пропускания множителя к нему и ко входу параметризуемого постфильтра 218 через другой выход данных.

Как показано на фиг.9, декомпрессор 212 сначала разжимает (разворачивает) на стадии 224 сжатый сигнал на входе 220 данных для получения квантованных отфильтрованных аудиоданных, а именно значений σ' выборки, и соответствующую дополнительную информацию в блоках 132, 134 дополнительной информации, которые, как известно, указывают коэффициенты фильтра и величины усиления или, вместо величин усиления, пределы мощности шума в узлах.

Как показано на фиг.10, блок устранения сжатия (декомпрессор) 212 проверяет развернутый сигнал в порядке проявления на стадии 226, содержится ли в нем дополнительная информация с коэффициентами фильтра, в автономной форме без ссылки разности на предыдущий блок дополнительной информации. Другими словами, декомпрессор 212 ищет первый блок 132 дополнительной информации. Как только декомпрессор 212 обнаружит что-то, квантованные отфильтрованные звуковые значения σ' буферизуются в FIFO памяти 214 на стадии 228. Если полный аудиоблок квантованных отфильтрованных звуковых значений σ' был сохранен во время стадии 228 без непосредственного следования блоку дополнительной информации, он будет сначала подвергнут постфильтрации на стадии 228 посредством информации, содержащейся в дополнительной информации, принятой на стадии 226 на параметризации и величине усиления, в постфильтре и усилен в умножителе 216 частоты, вот как он декодируется, и, таким образом, достигается соответствующий декодированный аудиоблок.

На стадии 230 декомпрессор 212 контролирует развернутый сигнал на присутствие любого вида блока дополнительной информации, а именно с абсолютными коэффициентами фильтра или разностями коэффициентов фильтра с предыдущим блоком дополнительной информации. В примере фиг.5b декомпрессор 212, например, распознал бы наличие блока 134 дополнительной информации на стадии 230 после распознавания блока 132 дополнительной информации на стадии 226. Таким образом, блок квантованных отфильтрованных звуковых значений σ'(t₀)-σ'(t₁₂₇) был бы декодирован на стадии 228 с использованием дополнительной информации 132. Пока блок 134 дополнительной информации в развернутом сигнале еще не встретился, буферизация и, может быть, декодирование блоков продолжается на стадии 228 посредством дополнительной информации стадии 226, как было описано ранее.

Как только блок 132 дополнительной информации появился, декомпрессор 212 будет вычислять значения параметров в узле 1, т.е. а₁, х₁(i), на стадии 232 посредством сложения значений разностей в блоке 134 дополнительной информации и значений параметров в блоке 132 дополнительной информации. Стадия 232 конечно опускается, если текущий блок дополнительной информации является автономным блоком дополнительной информации без разностей, которые, как было описано ранее, могут примерно возникать каждую секунду. Для того чтобы время ожидания для декодера 210 не было слишком большим, блоки 132 дополнительной информации, где значения параметров могут быть выведены абсолютно, т.е. без связи с другим блоком дополнительной информации, расположены на достаточно малых расстояниях, так что время включения или время простоя при переключении на аудиокодер 210 в случае, например, радиопередачи или вещательной передачи не является слишком большим. Предпочтительно, число блоков 132 дополнительной информации, расположенных между ними со значениями разностей, расположено в фиксированном заданном количестве между блоками 132 дополнительной информации таким образом, что декодер знает, когда блок дополнительной информации типа 132 опять должен ожидаться в кодированном сигнале. Альтернативно, различные типы блоков дополнительной информации указаны соответствующими флагами.

Как показано на фиг.11, после того как был достигнут блок дополнительной информации для нового узла, в частности после стадии 226 или 232, индекс j значения выборки сначала инициализируется на 0 на стадии 234. Это значение соответствует позиции выборки первого значения выборки в аудиоблоке, остающемся в данное время в FIFO 214, к которому относится текущая дополнительная информация. Стадия 234 осуществляется параметризуемым постфильтром 218. Постфильтр 218 затем вычисляет предел мощности шума в новом узле на стадии 236, где эта стадия соответствует стадии 84 фиг.4 и может быть опущена, когда, например, предел мощности шума в узлах передается в дополнение к величинам усиления. В последующих стадиях 238 и 240, постфильтр 218 выполняет интерполяции относительно коэффициентов фильтра и предела мощности шума, соответствующие интерполяциям 88 и 90 фиг.4. Последующее вычисление величины усиления для позиции j выборки на основе интерполированного предела мощности шума и интерполированных коэффициентов фильтра стадий 238 и 240 на стадии 242 соответствует стадии 92 фиг.4. На стадии 244 постфильтр 218 применяет величину усиления, вычисленную на стадии 242, и интерполированные коэффициенты фильтра к значению выборки в позиции j выборки. Эта стадия отличается от стадии 94 фиг.4 тем фактом, что интерполированные коэффициенты фильтра применяются к квантованным отфильтрованным значениям σ' выборки таким образом, что передаточная функция параметризуемого постфильтра соответствует не величине, обратной порогу слушания, а самому порогу слушания. Кроме того, постфильтр выполняет не умножение величиной усиления, а деление на величину усиления в квантованных отфильтрованных значениях σ' выборки или уже обратно фильтрованного, квантованного отфильтрованного значения выборки в позиции j.

Если постфильтр 218 еще не достиг текущего узла с позицией j выборки, которую он проверяет на стадии 246, он придаст приращение индексу j позиции выборки на стадии 248 и начнет стадии 238-246 опять. Только когда узел достигнут, он применит величину усиления и коэффициенты фильтра нового узла к значению выборки в узле, а именно на стадии 250. Это применение, в свою очередь, включает в себя, как на стадии 218, деление посредством величины усиления и фильтрацию с передаточной функцией, равной порогу слушания, а не величине, обратной последнему, вместо умножения. После стадии 250 текущий аудиоблок декодируется посредством интерполяции между двумя параметризациями узлов.

Как уже было отмечено, шум, введенный посредством квантования при кодировании на стадии 110 и 112, настраивается как по форме, так и по величине на порог слушания посредством фильтрации и применения величины усиления на стадиях 218 и 224.

Также следует отметить, что в случае, когда квантованные отфильтрованные звуковые значения были подвергнуты другому умножению на стадии 126 из-за контроллера битовой скорости перед кодированием в кодированный сигнал, этот фактор может также рассматриваться на стадиях 218 и 224. Альтернативно, звуковые значения, полученные процессом фиг.11, могли бы, конечно, быть подвергнутыми другому умножению для соответствующего повторного усиления звуковых значений, ослабленных более низкой битовой скоростью.

Относительно фиг.3, 4, 6 и 9-11, отметим, что они показывают блок-схемы, иллюстрирующие режим функционирования кодера фиг.1 или декодера фиг.8, и что каждая из стадий, иллюстрированных в блок-схеме блоком, как описано, реализована в соответствующем средстве, как было описано ранее. Реализация индивидуальных стадий может быть осуществлена в аппаратном обеспечении, как часть ASIC (интегральной схемы прикладной ориентации), или в программном обеспечении, как подпрограммы. В частности, объяснения, записанные в блоки в этих чертежах, грубо указывают, к какому процессу относится соответствующая стадия, соответствующая соответствующему блоку, тогда как стрелки между блоками иллюстрируют порядок выполнения стадий при работе кодера или декодера, соответственно.

Со ссылкой на предыдущее описание, отметим опять, что схема кодирования, показанная выше, может варьироваться во многих отношениях. Примерно, необязательно рассматривать параметризацию и величины усиления или предела мощности шума, определенные для некоторого аудиоблока, как непосредственно достоверные для некоторого звукового значения, как и в предыдущем варианте осуществления последнее соответствующее звуковое значение каждого аудиоблока, т.е. 128-ое значение в этом аудиоблоке, такого, что интерполяция для этого звукового значения может быть опущена. Скорее, можно отнести эти значения параметров узла к узлу, который временно находится между временами выборки t_n, n = 0, ..., 127, звуковых значений этого аудиоблока таким образом, что интерполяция будет необходима для каждого звукового значения. В частности, параметризация, определенная для аудиоблока, или величина усиления, определенная для этого аудиоблока, могут также быть опосредованно применены к другому значению, такому как, например, звуковому значению в середине аудиоблока, такому как, например, 64-ое звуковое значение в случае верхнего размера блока в 128 звуковых значений.

Кроме того, отметим, что вышеприведенный вариант осуществления, относящийся к схеме кодирования звука, спроектирован для генерации кодированного сигнала с управляемой битовой скоростью. Управление битовой скоростью, однако, не обязательно для каждого случая применения. Вот почему соответствующие стадии 116-122 и 126 или 125 также могут быть опущены.

Со ссылкой на схему сжатия, упомянутую со ссылкой на стадию 114, по причинам полноты, делается ссылка на документ Schuller и др., описанный во введении к описанию и, в частности, на раздел IV, содержание которого относительно уменьшения избыточности посредством кодирования без потерь включено здесь в качестве ссылки.

Отметим следующее со ссылкой на вышеприведенное описание. Хотя данное изобретение было описано выше со ссылкой на специальную схему кодирования звука, позволяющую иметь короткие времена задержки, данное изобретение конечно может быть применено к другим кодированиям звука. Примерно, была бы возможна схема кодирования звука, где кодированный сигнал состоит из тех же самых квантованных отфильтрованных звуковых значений без уменьшения ибыточности, подлежащего выполнению. Соответственно, было бы также возможно выполнить избирательную по частоте фильтрацию отлично от пути, описанного ранее, а именно на стороне кодера с передаточной функцией, равной величине, обратной порогу слушания, и на стороне декодера с передаточной функцией, равной порогу слушания.

Кроме того, индивидуальные аспекты вышеприведенных вариантов осуществления могут быть опущены. Таким образом, например, можно при уменьшении коэффициента сжатия для передачи дополнительной информации, относящейся к каждому аудиоблоку, опустить интерполяцию и/или всегда передавать параметры в дополнительной информации в автономных блоках дополнительной информации, а не как разности, относящиеся к предыдущим блокам дополнительной информации.

Кроме того, данное изобретение не ограничено аудиосигналами. Оно может быть также применено к различным информационным сигналам, таким как, например, видеосигналам, состоящим из последовательности кадров, или последовательности массивов пикселов.

В любом случае, вышеприведенная схема кодирования звука обеспечивает способ ограничения битовой скорости в аудиокодере с очень короткими временами задержки. Максимумов битовой скорости, возникающих при кодировании, зависящем от аудиосигнала, можно избежать посредством ограничения начального диапазона значений префильтра. Поскольку это, следовательно, соответствует природе аудиосигналов, подлежащих передаче, то они приводят к различным высоким скоростям передачи битов для передачи, а именно более сложные аудиосигналы приводят к более высоким скоростям передачи битов и менее сложные аудиосигналы приводят к более низким скоростям передачи битов, верхний предел для битовой скорости передачи, который, например, часто существует в беспроводных средах передачи, всегда может быть удовлетворен. Изменение в квантующей ступенчатой функции над этим порогом является подходящим средством для ограничения битовой скорости разрешенным максимумом.

В вышеприведенных вариантах осуществления кодер включал в себя префильтр, придающий форму аудиосигналу соответствующим образом, квантователь, имеющий размер шага квантования, за которым следовал кодер энтропии. Квантователь генерировал значения, которые также называются индексами. В общем, высокие индексы также означают более высокую скорость передачи битов, соединенную с ними, чего, однако, можно было избежать посредством ограничения (фиг.7а) или утончения диапазона индексов, однако, вызывающего возможность ухудшения качества звука.

Кроме того, следует отметить следующее в отношении предыдущего варианта осуществления. Хотя было описано ранее, что пороговое значение всегда остается постоянным при квантовании, или даже квантующая ступенчатая функция всегда остается постоянной, т.е. артефакты, генерируемые в отфильтрованном аудиосигнале, всегда квантуются или обрезаются более грубым квантованием, что может ухудшить качество звука до слышимой степени, также можно использовать эти меры, только если сложность аудиосигнала требует этого, а именно, если скорость передачи битов, требуемая для кодирования, превышает желаемую скорость передачи битов. В этом случае, в дополнение к квантующим ступенчатым функциям, показанным на фиг.7а и 7b, например, функция с размером шага квантования, постоянным по всему диапазону значений, возможных на выходе префильтра, может быть использована, и квантователь, например, мог бы ответить на сигнал, использовать либо квантующую ступенчатую функцию со всегда постоянным размером шага квантования, либо одну из квантующих ступенчатых функций согласно фиг.7а или 7b таким образом, что квантователю можно было бы сообщить сигналом, чтобы он выполнил, с небольшим ухудшением качества звука, уменьшение шага квантования над пороговым значением или обрезание над пороговым значением. Альтернативно, пороговое значение могло бы также постепенно быть уменьшено. В этом случае уменьшение порогового значения могло бы быть выполнено вместо уменьшения коэффициента стадии 126. После первой попытки сжатия без стадии 110 временно сжатый сигнал мог бы быть подвергнут избирательному квантованию порогового значения в модифицированной стадии 126, только если скорость передачи битов была все еще слишком высокой (118). В другом проходе, отфильтрованные звуковые значения были бы затем квантованы с квантующей ступенчатой функцией, имеющей более пологий ход над звуковым порогом. Далее уменьшения битовой скорости могли бы быть выполнены в модифицированной стадии 126 посредством уменьшения порогового значения и, таким образом, посредством другой модификации квантующей ступенчатой функции.

В частности, отметим, что в зависимости от обстоятельств изобретательская схема кодирования звука может быть также реализована в программном обеспечении. Эта реализация может быть на цифровой запоминающей среде, в частности на диске или CD, имеющем управляющие сигналы, которые могут быть считаны электронным способом, который может кооперироваться с программируемой компьютерной системой, такой, что будет выполняться соответствующий способ. В общем, изобретение также содержится в компьютерном программном продукте, имеющем программный код, хранимый на носителе информации, воспринимаемом машиной, для выполнения изобретательского способа, когда компьютерный программный продукт выполняют на компьютере. Другими словами, изобретение может быть также реализовано как компьютерная программа, имеющая программный код для выполнения способа, когда компьютерная программа выполняется на компьютере.

В частности, вышеприведенные стадии способа в блоках блок-схемы могут быть реализованы индивидуально или в группах из нескольких стадий вместе в процедурах подпрограмм. Альтернативно, реализация изобретательского устройства в форме интегральной схемы является, конечно, также возможной, когда эти блоки, например, реализованы как индивидуальные части схемы ASIC.

В частности, отметим, что, в зависимости от обстоятельств, изобретательская схема может быть также реализована в программном обеспечении. Эта реализация может быть на цифровой запоминающей среде, в частности на диске или CD, имеющем управляющие сигналы, которые могут быть считаны электронным способом, который может кооперироваться с программируемой компьютерной системой такой, что будет выполняться соответствующий способ. В общем, изобретение также содержится в компьютерном программном продукте, имеющем программный код, хранимый на носителе информации, воспринимаемом машиной, для выполнения изобретательского способа, когда компьютерную программу выполняют на компьютере. Другими словами, изобретение может быть также реализовано как компьютерная программа, имеющая программный код для выполнения способа, когда компьютерная программа выполняется на компьютере.

Изобретение относится к квантованию аудиосигналов, используемых, например, для сжатия данных аудиосигналов или для кодирования звука, а именно относится к кодированию звука с коротким временем задержки. Квантование информационного сигнала последовательности информационных значений включает в себя избирательную по частоте фильтрацию последовательности информационных значений для получения последовательности отфильтрованных информационных значений и квантование отфильтрованных информационных значений для получения последовательности квантованных информационных значений посредством квантующей ступенчатой функции, которая отображает отфильтрованные информационные значения в квантованные информационные значения и ход которой является более крутым ниже порогового информационного значения, чем выше порогового информационного значения. Технический результат - обеспечение повышения сжатия данных информационного сигнала. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство для квантования информационного сигнала последовательности информационных значений, причем информационный сигнал является аудиосигналом и информационные значения являются звуковыми значениями, содержащее

средство для определения порога слушания для блока звуковых значений последовательности звуковых значений;

средство для вычисления версии параметризации параметризуемого фильтра таким образом, что его передаточная функция грубо соответствует величине, обратной величине первого порога слушания;

средство для избирательной по частоте фильтрации последовательности звуковых значений для получения последовательности отфильтрованных звуковых значений;

средство для квантования отфильтрованных звуковых значений для получения последовательности квантованных звуковых значений посредством квантующей ступенчатой функции, которая отображает отфильтрованные звуковые значения в квантованные звуковые значения, и ход которых является более крутым ниже порогового информационного значения, чем выше порогового информационного значения;

где средство для избирательной по частоте фильтрации содержит

средство для фильтрации заданного блока звуковых значений последовательности звуковых значений параметризуемым фильтром, использующим заданную параметризацию, зависящую заданным образом от версии параметризации, для получения блока отфильтрованных звуковых значений.

средство для интерполяции между версией первой параметризации и версией второй параметризации для получения версии интерполированной параметризации для заданного звукового значения заданного блока звуковых значений; и

средство для применения версии интерполированной параметризации к заданному звуковому значению заданного блока звуковых значений.

избирательной по частоте фильтрации последовательности звуковых значений для получения последовательности отфильтрованных звуковых значений;

квантования отфильтрованных звуковых значений для получения последовательности квантованных звуковых значений посредством квантующей ступенчатой функции, которая отображает отфильтрованные звуковые значения в квантованные звуковые значения, и ход которой является более крутым ниже порогового информационного значения, чем выше порогового информационного значения;

определения порога слушания для блока звуковых значений; и вычисления версии параметризации параметризуемого фильтра таким образом, что его передаточная функция грубо соответствует величине, обратной величине первого порога слушания,

где стадия избирательной по частоте фильтрации дополнительно предусматривает стадию

фильтрации заданного блока звуковых значений последовательности звуковых значений параметризуемым фильтром, использующим заданную параметризацию, которая заданным образом зависит от версии параметризации, для получения блока отфильтрованных звуковых значений.