BRPI0714835A2

BRPI0714835A2 - mÉtodo e aparelhagem para codificaÇço sem perdas de um sinal de alimentaÇço, utilizando-se um fluxo de dados codificados sujeito a extravio e um fluxo de dados estendido sem perdas

Info

Publication number: BRPI0714835A2
Application number: BRPI0714835-6A
Authority: BR
Inventors: Peter Jax; Florian Keiler; Oliver Wuebbolt; Sven Kordon; Johannes Boehm
Original assignee: Thomson Licensing
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2013-03-12
Also published as: EP2044589B1; EP1883067A1; KR20090043498A; JP5123303B2; JP2009544993A; CN101490748A; CN101490748B; ATE470219T1; WO2008012211A1; EP2044589A1; US20090306993A1; DE602007006957D1; KR101397736B1

Abstract

MÉTODO E APARELHAGEM PARA CODIFICAÇçO SEM PERDAS DE UM SINAL DE ALIMENTAÇçO, UTILIZANDO-SE UM FLUXO DE DADOS CODIFICADOS SUJEITO A EXTRAVIO E UM FLUXO DE DADOS ESTENDIDO SEM PERDAS. A invenção relaciona-se a codificação sem perdas de um sinal de alimentação (SPCM) fazendo emprego de um fluxo de dados codificados sujeito a extravio e um fluxo de dados estendido sem perdas que em conjunto formam um fluxo de dados codificados sem perdas (SENC) para o referido sinal de alimentação, em que a compressão de áudio sem perdas significa a codificação de áudio com a reprodução exata de bits das amostras PCM originais na saída do decodificador. A decodificação/codificação sujeita a extravio pode ser uma codificação/decodificação mp3. A invenção faz uso de uma integral MDCT e da descorrelação (16) no domínio da frequência e descorrelação (16) no domínio do tempo para o sinal residual da camada de base do codec de áudio sujeito a extravio. A exploração da informação paralela a partir da camada de base do codec sujeita a extravio possibilita a redução de redundâncias no núcleo do fluxo de bits, melhorando assim, a eficiência de codificação do codec sem perdas com base sujeita ao extravio.

Description

"MÉTODO E APARELHAGEM PARA CODIFICAÇÃO SEM PERDAS DE UM SINAL DE ALIMENTAÇÃO, UTILIZANDO-SE UM FLUXO DE DADOS CODIFICADOS SUJEITO A EXTRAVIO E UM FLUXO DE DADOS ESTENDIDO SEM PERDAS"

A invenção refere-se a um método e aparelhagem para codificação sem perdas de um sinal de alimentação, fazendo-se uso de um fluxo de dados codificados sujeito a extravio e um fluxo de dados estendido sem perdas que conjuntamente formam um fluxo de dados codificados sem perdas para o referido sinal de alimentação.

Antecedentes

Contrastando com as técnicas de codificação de áudio sujeitas a extravio (como o mp3, o AAC, etc.), os algoritmos de compressão sem perdas podem explorar tão somente as redundâncias do sinal de áudio original para redução da taxa de dados. Não é possível basear-se nas irrelevâncias, que sejam identificadas pelos modelos psico-acústicos nos co- decs de áudio sujeitos a extravio do estado da técnica. Por conseqüência, o princípio técni- co, comum a todos os esquemas de codificação de áudio sem perdas, está voltado para aplicação de um filtro ou transformada para a descorrelação (ou seja, um filtro de predição ou uma transformada de freqüência), e daí, codificar-se o sinal transformado em um modo sem perdas. O fluxo de bits codificado compreende de parâmetros da transformada ou filtro, e a representação sem perdas do sinal transformado.

Consulte-se, por exemplo, J. Makhoul, "Linear prediciton: A Tutorial review", Pro- ceedings of the IEEE, Vol. 63, pg. 561-580, 1975, T. Painter, A. Spanias, "Perceptual coding of digital áudio", Proceedings of the IEEE, Vol. 88, N0 4, pg. 451-513, 2000, e M. Hans1 R.W. Schafer, "Lossless compression of digital áudio", IEEE Signal Processing Magazine, Julho de 2001, pg. 21-32.

O princípio básico de codificação sem perdas com base sujeita a extravio é descrito na Figura 12 e Figura 13. Na parte de codificação no lado esquerdo da Figura 12, um sinal de entrada de áudio PCM do tipo Srcm passa através de um codificador 121 sujeito a extra- vio junto a um decodificador 122 sujeito a extravio e na forma de um fluxo de bits sujeito a extravio junto a um decodificador 125 sujeito a extravio da parte de decodificação (lado direi- to). Emprega-se a codificação e decodificação sujeitas a extravio para se descorrelacionar o sinal. O sinal de saída do decodificador 122 é removido do sinal de entrada Spcm em um subtraidor 123, e o sinal de diferença resultante passa através de um codificador 124 sem perdas na forma de um fluxo de bits estendido junto a um decodificador 127 sem perdas. Os sinais de saída dos decodificadores 125 e 127 são combinados em 126 de maneira a resta- belecerem o sinal original Spcm· Descreve-se este princípio básico em função da codificação de áudio nos documen-

tos EP-B-0756386 e US-B-6498811, que é também discutido no documento de P. Craven, M. Gerzon, "Lossless Coding for Audio Discs", J. Audi Eng. Soc., Vol. 44, N0 9, Setembro de 1996, e no documento de J. Koller, Th. Sporer, K.H. Brandenburg, "Robust Coding of High Quality Audio Signals", Centésima Terceira Convenção da AES, Pré-impressão 4621, Agos- to de 1997.

No codificador com perda na Figura 13, o sinal de entrada de áudio PCM do tipo Spcm passa através de um banco de filtro de análise 131 e por uma quantização 132 das amostras de sub-bandas junto a uma codificação e um pacote 133 de fluxo de bits. A quan- tização é controlada pelo componente de cálculo modelo perceptual 134 que recebe o sinal Spcm e a informação correspondente a partir do banco de filtro de análise 131.

Pelo lado do decodificador, o fluxo de bits sujeito a extravio codificado dá entrada em um componente 135 para o desempacotamento do fluxo de bits, seguindo para o com- ponente 136 para a decodificação das amostras de sub-bandas e daí, a um banco de filtro para síntese 137 que vem a Iiberaro sinal decodificado PCM sujeito a extravio tipo SDec-

São descritos exemplos detalhados para a codificação e decodificação sujeitas a extravio, de acordo com o padrão ISO/IEC 11172-3 (Áudio MPEG-1). De acordo com o estado da técnica, a codificação de áudio sujeita a perdas é obti-

da com base em um dos três conceitos de processamento de sinal básicos listados abaixo:

a) descorrelação no domínio do tempo fazendo-se emprego de técnicas de predi- ção linear;

b) codificação sem perdas no domínio da freqüência fazendo-se emprego de ban- cos de filtro com síntese-análise de integrais reversíveis;

c) codificação sem perdas do resíduo (sinal errôneo) de uma camada de base co- dec sujeita a extravio.

Invenção

Um problema a ser resolvido pela invenção é o de fornecer uma codificação e de- codificação de áudio hierárquica sem perdas, que possam ser construídas no topo de um codec de áudio embutido sujeito a extravio, fornecendo igual ou uma melhor eficiência (ou seja, a taxa de compressão) em comparação aos esquemas de codificação de áudio sem perdas com base sujeita a extravio do estado da técnica, e que possam ser concebidas de modo mais eficiente com relação à complexidade computacional. Este problema é resolvido pelos métodos descritos nas reivindicações 1 e 3. As aparelhagens que utilizam estes méto- dos são discutidas nas reivindicações 2 e 4, respectivamente.

São descritas modalidades adicionais vantajosas da invenção nas respectivas rei- vindicações dependentes.

Esta invenção faz uso matematicamente de uma codificação e decodificação sem perdas no topo de uma codificação sujeita a extravio. Matematicamente a compressão de áudio sem perdas significa a codificação do áudio com a reprodução exata de bits a partir das amostras PCM originais na saída do decodificador. Para algumas modalidades assume- se que a codificação sujeita a extravio opera em um domínio da transformada, fazendo-se uso, por exemplo, de transformadas de freqüência, como o MDCT ou bancos de filtros simi- lares. Como exemplo temos o padrão mp3 (ISO/IEC 11172-3 de 3 Camadas) que será utili- zado como a camada base sujeita a extravio para os fins deste relatório descritivo.

O fluxo de bits codificado registrado ou transmitido compreende de duas partes: o

fluxo de bits embutido do codec de áudio sujeito a extravio, e o dado de extensão para uma ou várias camadas adicionais quando da obtenção tanto das amostras PCM originais sem perdas (ou seja, bits exatos) ou das qualidades intermediárias.

A invenção utiliza as características presentes nos conceitos a), b), c), ou seja, uma combinação sinergética de técnicas a partir de um punhado delas advindas dos esquemas de codificação de áudio sem perdas do estado da técnica.

A invenção faz uso de uma descorrelação no domínio da freqüência, descorrelação no domínio do tempo, ou uma combinação das mesmas de uma maneira coordenada para o preparo do sinal residual (sinal errôneo) da camada de base do codec de áudio sujeito a extravio visando a eficiência da codificação sem perdas.

Algumas modalidades fazem emprego adicional da informação a partir do codifica- dor da camada de base do codec sujeito a extravio. A exploração da informação paralela a partir da camada de base do codec sujeito a extravio possibilita a redução de redundâncias no núcleo do fluxo de bits, melhorando-se assim a eficiência da codificação do codec sem perdas com base na capacidade de extravio.

Todas as modalidades têm em comum, pelo menos, duas variantes diferentes do sinal de áudio com diferentes níveis de qualidade que podem ser extraídos do fluxo de bits. Estas variantes incluem o sinal representado pelo esquema de codificação embutido sujeito a extravio e a decodificação sem perdas a partir das amostras PCM originais. Para algumas modalidades (veja as extensões opcionais 3 e 4 abaixo), é possível se decodificar uma ou várias variantes adicionais do sinal de áudio com qualidades intermediárias ( na faixa limita- da pelo codec sujeito a extravio e matematicamente pela qualidade sem perdas).

Descreve-se uma concepção especial aonde a parte MDCT de um banco de filtro híbrido é substituída ou duplicada em um trajeto de dados paralelo através de uma integral MDCT, que torna redundante uma completa decodificação sujeita a extravio no interior do bloco de codificador sem perdas, dessa forma chegando a uma complexidade computacio- nal reduzida.

Além do mais, a invenção possibilita o desmembramento do fluxo de bits embutido sujeito a extravio fazendo emprego de uma técnica de exclusão de um simples bit. Algumas modalidades tornam possível se poder fazer a recodificação de maneira

eficiente do fluxo de bits embutido sujeito a extravio, obtendo-se um novo fluxo de bits 'su- jeito a extravio' com uma taxa de dados diferente (mais ou menos alta) da taxa de dados original do fluxo de bits embutido 'sujeito a extravio'.

A invenção restringe-se a núcleos de codecs sujeitos a extravio que fazem emprego de bancos de filtro híbridos (de análise), por exemplo, através da utilização de um banco de filtro de sub-banda (como um banco de filtro com múltiplas fases) acompanhado por um MDCT/DCT adicional via o aumento da resolução espectral. Esta invenção é especialmente útil, caso o banco de filtro de sub-banda seja de um tipo em que não é possível nenhuma concepção especial de integral reversível através de técnicas, como a decomposição em "rotações referenciais" e "etapas de sustentação", ou seja, caso seja impossível uma recons- trução matematicamente perfeita de um sinal de entrada integral através da aplicação da análise e síntese dos bancos de filtro de sub-bandas.

Desenhos

As modalidades exemplares da invenção são descritas com referência aos dese- nhos de acompanhamento, os quais são mostrados pelas:

Figura 1 compreendendo de um diagrama de blocos genérico de um codificador sem perdas com base na capacidade de extravio;

Figura 2 compreendendo de um diagrama de blocos de um decodificador sem per- das com base na capacidade de extravio;

Figura 3 compreendendo de um diagrama de blocos de um codificador mp3;

Figura 4 compreendendo de um diagrama de blocos para a primeira modalidade de codificador aplicado junto ao núcleo de codec mp3;

Figura 5 compreendendo de um diagrama de blocos para a primeira e segunda modalidade de decodificador;

Figura 6 compreendendo de um diagrama de blocos para a segunda modalidade de codificador;

Figura 7 compreendendo de um diagrama de blocos para a primeira modalidade de

codificador com o processamento de arredondamento adicional do fator de ganho;

Figura 8 compreendendo de um diagrama de blocos para a primeira modalidade de decodificador com processamento adicional de arredondamento do fator de ganho;

Figura 9 compreendendo de um diagrama de blocos para o decodificador para o fluxo de bits embutido mp3;

Figura 10 compreendendo de um diagrama de blocos para um decodificador para o fluxo de bits embutido mp3 mais a parte residual do domínio da freqüência;

Figura 11 compreendendo do bloco ou etapa de descorrelação de tempo, opcional, para o codificador (à esquerda) e o decodificador (à direita); Figura 12 compreendendo o diagrama de bloco básico para um codificador e deco-

dificador sujeitos a extravio conhecidos;

Figura 13 compreendendo o diagrama de bloco básico para um codificador e deco- dificador com base na capacidade de extravio conhecidos.

Modalidades Exemplares

No codificador sem perdas com base sujeita a extravio na Figura 1, o sinal de en- trada de áudio PCM do tipo Spcm passa através de um banco de filtro de sub-banda e o blo- co ou etapa de decimação 11, de um primeiro quantizador 12, de uma transformada integral 13 e de um segundo quantizador 14 até a um multiplexador 10. A saída do primeiro quanti- zador 14 fornece valores indexados representando os valores quantizados do sinal de en- trada do quantizador, ou seja, ele codifica este sinal. O segundo sinal de saída do quantiza- dor 14 compreende dos valores do sinal de entrada quantizado que são subtraídos (repre- sentando-se, então, o erro no domínio da freqüência) a partir do sinal de saída do bloco ou etapa 13 da transformada integral em um primeiro subtraidor 151, cujo sinal de saída passa através de um bloco ou etapa 16 de codificação FD sem perdas (domínio da freqüência) até ao multiplexador 10. O sinal de saída do primeiro quantizador 12 passa através de uma in- terpolação e do bloco ou etapa 18 de banco de filtro de sub-banda inverso e é subtraído em um segundo subtraidor 152 a partir do sinal de entrada retardado (retardo 17)do tipo Spcm , correspondentemente. O sinal de saída do segundo subtraidor passa através de um bloco ou etapa 19 de codificação TD sem perdas (domínio do tempo) junto ao multiplexador 10, que libera um fluxo de bits codificado multiplexado do tipo SDEc,correspondentemente. Os blocos/estágios 11, 12, 13 e 14 formam conjuntamente um codificador com perda. Dando seqüência a análise do banco de filtro de sub-banda 11 no interior do codifi-

cador com perda, uma transformada é substituída pela etapa de arredondamen- to/quantização 12 e por uma transformada integral 13. Uma opção que se apresenta pode ser a transformada original e uma etapa de arredondamento / quantização seguida por uma transformada integral na forma de um trajeto de dados paralelo. Detalhes desta opção são descritos abaixo. A transformada integral aproxima uma transformada MDCT convencional ( de ponto flutuante), mas recebe valores integrais na entrada e produz valores integrais na saída. Através da decomposição das operações de transformada em uma seqüência de ' etapas de sustentação' reversíveis, a aproximação da integral MDCT completa pode ser revertida matematicamente de uma maneira sem perdas. Nos esquemas de codificação de áudio sem perdas como no caso do padrão

MPEG SLS (com capacidade de graduação até a condição sem perdas), tais transformadas integrais MDCT, tem sido aplicadas junto as amostras PCM no domínio de tempo original.

Contudo, nesta invenção, a transformada integral é aplicada no domínio de sub- banda de um banco de filtro híbrido, ou seja, um banco de filtro híbrido conforme empregado nos padrões de codificação de áudio, como o mp3.

A transmissão sem perdas dos sinais de sub-bandas pode ser interpretada como um descorrelação no domínio da freqüência. Um resíduo espectral é formado pela subtração dos coeficientes espectrais quantizados a partir dos coeficientes espectrais originais. O resí- duo espectral é codificado de forma a apresentar uma capacidade sem perdas (codificação sem perdas FD 16). Isto pode ser feito, opcionalmente, em uma maneira graduável para o fornecimento das qualidades de áudio intermediárias (referências EP06113596 e EP06113576 e a extensão 4 opcional abaixo).

Devido a presença da etapa de arredondamento/quantização 12 antes da transfor- mada integral 13 e devido as possíveis características de reconstrução imperfeitas do banco de filtro de sub-banda 11, deve-se calcular um resíduo no domínio do tempo através da sub- tração dos sinais 18 filtrados inversos na sub-banda (após a etapa de quantiza- ção/arredondamento) a partir do dado de entrada PCM original retardado. Este resíduo no domínio do tempo (resíduo temporal) é codificado com capacidade a não ter perdas no inte- rior do bloco 19 TD de codificação sem perdas.

Neste relatório descritivo, uma descorrelação opcional do domínio de tempo por uma filtragem com predição linear pode ser aplicada na forma descrita no documento EP06113596 (referência à extensão opcional 5 abaixo).

O fluxo de bits codificado sujeito a extravio e os resíduos temporal e espectral (inte- gral) codificados podem ser multiplexados para formarem um único fluxo de bit ou para for- marem dois fluxos ( o fluxo codificado sujeito a extravio e a extensão sem perdas conduzin- do os resíduos) ou para formarem três fluxos, o fluxo codificado sujeito a extravio, o fluxo com resíduo espectral codificado e o fluxo temporal com resíduo codificado.

Na parte do decodificador na Figura 2, o fluxo de bits codificado do tipo Sdec entra em um demultiplexador 20, o qual libera um fluxo de bits codificado sujeito a extravio, um fluxo de bits FD codificado sem perdas e um fluxo de bits TD codificado sem perdas. O fluxo de bits codificado sujeito a extravio passa através de um bloco ou etapa 24 de decodificação (que recupera os valores quantizados a partir do valores indexados representando os valo- res quantizados, ou seja, o segundo sinal de saída do quantizador 14), um primeiro adicio- nador 25, um bloco ou etapa 23 de transformada integral inversa e um interpolador e bloco ou etapa 21 de banco de filtro de sub-banda inverso junto a uma primeira saída de um se- gundo adicionador 28. O fluxo de bits FD codificado sem perdas passa através de um bloco ou etapa 26 FD de decodificador sem perdas até a segunda entrada do primeiro adiciona- dor. O fluxo de bits TD codificado sem perdas passa através de um bloco ou etapa 29 TD de decodificador sem perdas e por um correspondente componente de retardo 27 até a segun- da entrada do segundo adicionador, o qual libera o sinal PCM decodificado sujeito a extravio do tipo Spcm ■

Neste decodificador sem perdas, os dados residuais completos, temporais e espec-

trais, sujeitos a extravio, são descompactados e decodificados. O resíduo espectral é adi- cionado junto ao dado decodificado sujeito a extravio no domínio de freqüência aplicando-se a transformada integral inversa 23. Observe-se que o resultado da transformada integral inversa será, exatamente, os sinais quantizados de sub-bandas conforme computados no codificador, devido as propriedades de reconstrução perfeitas da integral do esquema de codificação de resíduo espectral e da transformada integral reversível. Após estes dados (ou seja, os sinais quantizados de sub-bandas da primeira parte do banco de filtro híbrido 11) terem sido restaurados, o banco de filtro de sub-banda inverso 21 é aplicado para a recons- trução de um sinal de tempo. O resíduo temporal retardado e decodificado é acrescido na- quele sinal de tempo para a reconstrução do sinal PCM do tipo SPcm. que, matematicamen- te, é idêntico aos SPCm das amostras PCM originalmente codificadas. Pelo menos duas etapas de qualidade intermediária podem ser reproduzidas em

aplicações especiais: a reconstrução completa e perfeita será aplicada para ambos resí- duos. Em uma etapa, pode-se gerar uma qualidade perceptualmente inferior aplicando-se somente o resíduo espectral, e negligenciando-se o resíduo temporal. E pode-se gerar uma qualidade sujeita a extravio pela decodificação somente do fluxo codificado sujeito a extravi- o, fazendo-se uso de um decodificador com perda em conformidade ao padrão convencio- nal. Os níveis de qualidade intermediária adicionais podem ser ainda criados através de aplicação somente de partes do dado residual espectral.

Nas figuras a seguir, sinais de referência semelhantes podem representar funções ou blocos ou sinais idênticos, respectivamente. Primeira modalidade preferida

As modalidades preferidas farão uso do padrão mp3, bem conhecido, na forma de núcleo embutido de codec sujeito a extravio, cuja parte de codificação é mostrada na Figura 3. O sinal de entrada original SPCm passa através de um banco de filtro polifásico e compo- nente de decimação 503, uma segmentação e MDCT 504 e uma alocação de bit e quantiza- dor 505 até ao multiplexador 507. O sinal de entrada SPCm passa também através de um estágio FFT ou etapa 501 até a uma análise psico-acústica 502 que controla a segmentação (ou abertura de janela) na etapa/estágio 504 e na quantização 505. A alocação de bit e o quantizador 505 fornecem também a informação paralela 515 que passa através de um co- dificador de informação paralela 506 até ao multiplexador 507 que libera o sinal 517. O pa- drão mp3 aplica a quantização não-uniforme (ou seja, não-integral) dos coeficientes da transformada MDCT.

O codificador da primeira modalidade na Figura 4 inclui o codificador padrão mp3 da Figura 3. Contudo, o codificador mp3 embutido foi modificado na seguinte maneira:

Os sinais de sub-banda 512 a partir do banco de filtro polifásico e componente de decimação 503 são quantizados (executando um arredondamento) e a transformada MDCT original no bloco ou etapa 504 dos sinais de sub-banda individuais é substituída por uma transformada integral MDCT (IntegraI-MDCT) 504. A integral MDCT aproxima o comporta- mento numérico da transformada não-integral MDCT original para garantir que o fluxo de bits mp3 embutido, produzido pelo codificador da Figura 4, possa ser codificado por qual- quer decodificador mp3 de conformidade padrão sem a degradação da qualidade.

Em acréscimo ao codificador mp3 modificado, o processamento inventivo do sinal do codificador compreende de esquemas para codificação sem perdas para dois sinais de erro: no domínio da freqüência e no domínio do tempo. No domínio da freqüência, os coefi- cientes quantizados da transformada (obtidos a partir do fluxo de bits mp3 514) são arre- dondados em um bloco ou etapa 521 de arredondamento no quantizador inverso para ob- tenção dos valores integrais, os quais são subtraídos a partir dos coeficientes da transfor- mada integral MDCT original 513 em um primeiro subtraidor 522. Os valores de erros resul- tantes de integrais são codificados para uma capacidade sem perdas em um bloco ou etapa 523 de codificação sem perdas FD (domínio da freqüência) e são multiplexados (através do MUX 507) em um fluxo de bits. No domínio do tempo, os sinais de sub-banda quantizados (arredondados) são alimentados em uma interpolação e bloco de banco de filtro de sub- banda 525, e o sinal resultante no domínio do tempo é subtraído em um subtraidor 526 a partir das amostras do PCM original do tipo SPCm correspondentemente retardado ( através do componente de retardo 524). O sinal de erro resultante no domínio do tempo é opcional- mente descorrelacionado no domínio do tempo (veja abaixo, descorrelacionador 527 no do- mínio do tempo), codificado para uma capacidade sem perdas (por um bloco ou etapa 528 de codificação sem perdas TD) e multiplexado (pelo MUX 507) no fluxo de bits. O multiple- xador 507 libera o fluxo de bits codificado 517 correspondente. O banco de filtro de sub- banda 525 é implementado em um formato independente de plataforma.

Essencialmente, no decodificador sem perdas da primeira modalidade da Figura 5, todas as etapas a partir do diagrama de bloco do codificador são revertidas. O fluxo de bits codificado 517 recebido é demultiplexado no DEMUX 301. Os coeficientes MDCT 215 ad- vindos do fluxo de bits mp3 embutido são decodificados em um bloco ou etapa 217 quanti- zadora 'inversa' e arredondados em um bloco ou etapa 221 de arredondamento para se chegar aos valores integrais 222. A informação paralela é decodificada em um bloco ou eta- pa 306 de decodificador de informação paralela controlando o quantizador inverso 217. O resíduo 243 no domínio da freqüência é decodificado em um bloco ou etapa 305 de decodi- ficação sem perdas FD e é adicionado em um primeiro adicionador 261 para a obtenção dos coeficientes completos da integral MDCT. Após a aplicação de uma transformada integral inversa MDCT 308, os sinais de sub-banda 226 são alimentados em uma interpolação e banco de filtro de síntese polifásico 232. No trajeto superior da Figura 5, o resíduo no domí- nio do tempo 240 é decodificado em um bloco ou etapa 302 de decodificação sem perdas, opcionalmente correlacionado em um bloco ou etapa 303 de correlação TD inversa ( ou se- ja, a inversa da descorrelação 527 TD, opcional), e finalmente, adicionado em um segundo adicionador 262 junto ao sinal de saída do banco de filtro 232 de síntese polifásico obtendo- se o Srcm original das amostras PCM.

De forma vantajosa, qualquer decodificador mp3 de conformidade padrão pode de- codificar o fluxo de bits mp3 embutido.

Segunda modalidade preferida

No codificador na figura 6, a parte inferior do diagrama de blocos do codificador in- clui um codificador mp3 de conformidade padrão e convencional, não-modificado, refira-se a Figura 3. Em paralelo a segmentação e bloco de transformada MDCT 504 do codificador mp3 embutido, os sinais de sub-banda 512 (saída do banco de filtro polifásico e bloco de decimação 503) são arredondados em um bloco ou etapa 520 de arredondamento para chegar-se aos valores integrais, sendo dali alimentados em uma segmentação e bloco de integral MDCT 529 e uma interpolação e bloco de banco de filtro de sub-banda 525. A saída do bloco 529 é introduzida em um primeiro subtraidor 522. Os blocos/etapas de 521 a 528 apresentam o mesmo significado e operações conforme exposto na Figura 4. A diferença em relação a primeira modalidade preferida é que, essencialmente, que

a transformada integral MDCT é computada em paralelo ao MDCT convencional, ao invés de ser substituição. A segunda modalidade apresenta a vantagem que a parte mp3 do fluxo de bits é obtida completamente através do codificador mp3 convencional e de conformidade padrão. Ou seja, não existe o perigo de que a qualidade do fluxo de bits mp3 embutido seja degradada por qualquer erro de aproximação da etapa de arredondamento mais a integral MDCT, em comparação com o MDCT normal.

No restante do diagrama de blocos do codificador (blocos/etapas de 521 a 528), o fluxo de sinal inclui esquemas de codificação sem perdas para dois sinais de erros, tanto no domínio da freqüência como no domínio do tempo. No domínio da freqüência, os coeficien- tes quantizados da transformada (obtidos a partir do fluxo de bits mp3) são arredondados para a obtenção de valores integrais, sendo, posteriormente, subtraídos a partir dos coefici- entes da transformada integral MDCT. Os valores de erros integrais resultantes são codifi- cados com uma capacidade sem perdas (em 523) e multiplexados no fluxo de bits. No do- mínio do tempo, os sinais de sub-bandas quantizados (arredondados) são alimentados na interpolação e no banco de filtro de sub-banda, e o sinal domínio de tempo resultante é sub- traído das amostras do PCM original do tipo SPCm . Opcionalmente, o sinal de erro no domí- nio do tempo é descorrelacionado (veja abaixo), codificado a uma capacidade sem perdas (em 528) e multiplexado no fluxo de bits. O banco de filtro de sub-banda é implementado em formato independente de plataforma. O decodificador para a segunda modalidade é idêntico ao decodificador da primeira

modalidade.

Extensão Opcional N°1: aplicação de ganho antes do arredondamento dos sinais de sub-banda

Para se reduzir o erro da quantização produzido pelo arredondamento dos sinais de sub-banda, um fato de ganho g pode ser aplicado antes da operação de arredondamento. Para se converter os valores arredondados de volta ao domínio original, o fator de ganho inverso 1/g é aplicado após o arredondamento. A graduação requerida é mostrada para o codificador na Figura 7 e para o decodificador na Figura 8, respectivamente. O codificador mostrado na Figura 7 compreende de uma versão melhorada do codificador na Figura 4 com o uso adicional desses fatores de ganho.

Na Figura 7, os blocos expostos apresentam, essencialmente, funções ou opera- ções idênticas aos blocos correspondentes na Figura 4. Os sinais de sub-banda 206 são multiplicados em um primeiro componente de multiplicação 223 através de um fator de ga- nho g. Após a operação de arredondamento 225, obtém-se as amostras de sub-banda com valores integrais 226 que podem ser processados pela integral MDCT 248. Para se obter o erro de reconstrução (ou seja, os resíduos no domínio do tempo) do banco de filtro polifásico 232, as amostras arredondadas de sub-banda 226 são divididas por g em um primeiro com- ponente de divisão 230. Assim, as amostras 231 resultantes são versões quantizadas das amostras 206 de sub-banda originais. Os valores da amostra quantizada compreendem múl- tiplos de 1/g. Através da escolha de um valor maior de g, o erro de quantização pode ser reduzido. Em seqüência à integral MDCT 248, os valores espectrais 229 com conteúdo inte- gral são também divididos por g em um segundo componente de divisão 249 dando continu- idade ao processamento conforme para um codificador mp3 padrão. Os valores espectrais 255 quantizados 'inversos' necessitam de serem retornados ao domínio integral. Portanto, esses valores são multiplicados em um segundo componente de multplicação 219 por um fator g, sendo arredondados no bloco ou etapa de arredondamento 221. Os valores resul- tantes 257 representam o dado espectral quantizado no domínio da integral e são subtraí- dos em um primeiro subtraidor 247 a partir do sinal de saída 229 da integral MDCT 248 pro- duzindo o resíduo 258 no domínio da freqüência. O restante do processamento é idêntico ao exposto na Figura 4.

No decodificador correspondente na Figura 8, deve ser levado em conta também o emprego do fator de ganho g. Após a decodificação do dado espectral ( quantizador 'inver- so' 217 e decodificador de informação paralela 306), os valores quantizados são multiplica- dos no componente de multiplicação 219 pelo fator g e são arredondados em um bloco ou etapa 221 de arredondamento a uma integral, conforme procedido no codificador (219, 221). Após a adição do resíduo decodificado 371 no domínio da freqüência, que é idêntico ao si- nal 258 no codificador, e aplicação da integral MDCT inversa 308, uma re-graduação fazen- do uso do fator 1/g é levada a termo no divisor 309 de modo a se converter as amostras de sub-bandas ao domínio original. As amostras 231 resultantes são idênticas aquelas libera- das do banco de filtro de síntese 205 no codificador. O restante do processamento dá-se de maneira idêntica como na Figura 5.

Extensão Opcional N°2 :decodificação de versão sujeita a extravio (decodificador

mp3)

Devido ao fluxo de bits total do esquema de codificação sem perdas com base su-

jeita a extravio proposto compreender de um fluxo de bits mp3 embutido de conformidade padrão, pode-se aplicar a decodificação mp3 convencional. No fluxo de sinal do decodifica- dor correspondente descrito na Figura 9, as partes do fluxo de bits que descrevem o resíduo 240 no domínio do tempo e o resíduo 243 no domínio da freqüência são descartadas. A o- peração de descarte pode ser efetuada a jusante do decodificador bem como, por exemplo, em uma rede de transmissão. Os blocos ou etapas 301, 306, 217 e 232 apresentam-se i- dênticos aos blocos ou etapas correspondentes na Figura 5. Contudo, um bloco ou estágio 3081 MDCT inverso pode ser utilizado em lugar de um bloco ou estágio 308 da integral MDCT inversa.

Extensão Opcional N° 3: decodificação de versão sujeita a extravio com maior qua-

lidade

Através da combinação da informação a partir do fluxo de bits mp3 embutido e da descorrelação no domínio da freqüência, uma versão de maior qualidade, no entanto, sujeita a extravio, do conteúdo de áudio pode ser decodificada. No fluxo de sinal mostrado na Figu- ra 10, em comparação ao decodificador pleno sem perdas na Figura 5, a informação do re- síduo 240 no domínio do tempo é descartada. A operação de descarte pode tomar lugar à jusante do decodificador da mesma forma, por exp., como para uma rede de transmissão.

Devido a este decodificador opcional não render amostras PCM sem perdas, não se é necessário (mas viável) utilizar uma integral MDCT inversa ao invés de um MDCT in- verso 3081 na porção frontal da interpolação & do banco de filtro polifásico 232.

Extensão Opcional Nc 4 : estrutura configurada em camadas para codificação do resíduo no domínio da freqüência

A informação de resíduo 258 no domínio da freqüência pode ser codificada utilizan- do-se uma estrutura de fluxo de bits em múltiplas camadas. Por exemplo, pode se aplicar o princípio de codificação aritmética do plano de bits conhecido a partir do padrão MPEG SLS ou esquema similar. Portanto, em combinação com o decodificador de alta qualidade, de acordo com a Figura 10, um esquema de codificação plenamente graduável pode ser con- cebido com uma requintada capacidade de granulação (e qualidade) das etapas da taxa de bits.

Extensão Opcional N° 5: descorrelação do resíduo no domínio do tempo

Em conexão com a Figura 4, Figura 5 e Figura 6, a possibilidade de se aplicar a descorrelação do sinal residual no domínio do tempo no lado do codificador e a descorrela- ção inversa correspondente do sinal residual no domínio do tempo no lado do decodificador foi mencionada anteriormente. A Figura 11 mostra quais funções podem se apresentar no interior do bloco 527 (lado esquerdo) e bloco 303 (lado direito).

No codificador de descorrelação TD (Figurai 1, lado esquerdo), um filtro de predição linear é aplicado junto ao resíduo no domínio do tempo. O sinal de predição é subtraído do sinal residual, removendo-se qualquer breve termo de correlação remanescente. Os coefici- entes do filtro de predição são adaptados junto às características de sinal através da análise da informação a partir do codificador com perda e/ou a partir do bloco de descorrelação no domínio da freqüência do núcleo codec, e, opcionalmente, o sinal residual atual é analisado. Ainda, pode ser necessário a informação de sinal na adaptação de filtro junto ao bloco de descorrelação inverso no domínio do tempo no receptor ou decodificador. Portanto, pode ser necessário se incluir certas informações na extensão sem perdas do núcleo do fluxo de bits.

No lado do decodificador (Figura 11, lado direito), devem ser computados idênticos coeficientes para o filtro de predição linear, com base na informação a partir dos estágios de decodificação anteriores (decodificador com perda e/ou descorrelação no domínio da fre- qüência) e potencialmente através da informação paralela recebida a partir da parte do codi- ficador do esquema de descorrelação no domínio do tempo. Os coeficientes são aplicados de certo modo a reverterem o efeito de filtragem de predição obtido no lado do transmissor, vindo a produzir o resíduo correlato no domínio do tempo. Ao invés da utilização de filtragem de predição linear com alimentação prosseguida

no codificador, podem ser aplicados outros esquemas de predição, como as estruturas de alimentação retroativa ou uma mistura de ambas estruturas, a de alimentação prosseguida e a retroativa.

De forma vantajosa, a invenção alcança a codificação sem perdas com base nos esquemas de codificação de áudio sujeitos a extravio com bancos de filtro híbridos, como o mp3. O único bloco de processamento de sinal não-trivial que poderia apresentar implemen- tação independente de plataforma compreende o banco de filtro de síntese polifásico.

A primeira e segunda modalidades apresentam vantagens específicas: a primeira modalidade possibilita a implementação com baixa complexidade do codificador devido a ser precisa a computação de somente um conjunto de transformadas (integrais) de MDCT no codificador. Por outro lado, a segunda modalidade possibilita a uma versão de maior qua- lidade do codificador, em que o fluxo de bits mp3 embutido é produzido por um codificador mp3 não-modificado, com um custo equivalente ao de realizar a computação de dois conjun- tos de transformadas MDCT em paralelo.

Claims

1. Método para codificação sem perdas de um sinal de alimentação (SPCm). empre- gando-se um fluxo de dados codificados sujeito a extravio e um fluxo de dados estendido sem perdas, os quais, conjuntamente, formam um fluxo de dados codificados sem perdas (Sdec) para o referido sinal de alimentação, o referido método sendo CARACTERIZADO pelo fato de incluir as etapas de: - codificação sujeita a extravio do referido sinal de alimentação, fazendo uso de um banco de filtro de sub-banda com decimação (11), uma primeira quantização (12), uma transformada integral (13) e uma segunda quantização (14), em que a referida codificação sujeita a extravio fornece o referido fluxo de dados codificados sujeito a extravio, - interpolação e processamento do banco de filtro de sub-banda inverso (18) do si- nal de saída da referida primeira quantização (12); -formação (152) de um sinal de diferença entre uma versão retardada (17) corres- pondente ao referido sinal de alimentação e o sinal de saída do referido processamento do banco de filtro de sub-banda inverso (18); -codificação (19) sem perdas no domínio do tempo do referido sinal de diferença fornecendo uma parte de sinal residual no domínio do tempo para o referido fluxo de dados estendido sem perdas, e codificação (16) sem perdas no domínio da freqüência do sinal de diferença (151) entre o sinal de entrada e o sinal de saída quantizado da referida segunda quantização (14) fornecendo uma parte de sinal residual no domínio da freqüência para o referido fluxo de dados estendido sem perdas; - combinação (10) do referido fluxo de dados codificados sujeito a extravio e de ambas partes do referido fluxo de dados estendido sem perdas para a formação do referido fluxo de dados codificados sem perdas (SDec)·

2. Aparelhagem para a codificação sem perdas de um sinal de alimentação (SPCm) fazendo uso de um fluxo de dados codificados sujeito a extravio e um fluxo de dados esten- dido sem perdas que em conjunto formam um fluxo de dados codificados sem perdas (SDEC) para o referido sinal de alimentação, a referida aparelhagem sendo CARACTERIZADA pelo fato de incluir: - componente sendo adaptado para codificação sujeita a extravio do referido sinal de alimentação fazendo uso de um banco de filtro de sub-banda com decimação (11), de uma primeira quantização (12), de uma transformada integral (13) e de uma segunda quan- tização (14), em que a referida codificação com capacidade de extravio fornece o referido fluxo de dados codificados sujeito a extravio; -componente (18) sendo adaptado para interpolação e processamento do banco de filtro de sub-banda inverso do sinal de saída da referida primeira quantização (12); -componente (152) sendo adaptado para formação de um sinal de diferença entre uma versão retardada (17) correspondente de referido sinal de alimentação e o sinal de saí- da do referido processamento do banco de filtro de sub-banda inverso (18); - componentes (19,16) sendo adaptados para codificação sem perdas no domínio do tempo de referido sinal de diferença para fornecimento de parte de sinal residual no do- mínio do tempo para o referido fluxo de dado estendido sem perdas, e para a codificação sem perdas no domínio da freqüência do sinal de diferença (151) entre o sinal de entrada e o sinal de saída quantizado da referida segunda quantização (14) para o fornecimento de parte de sinal residual no domínio da freqüência para o referido fluxo de dados estendido sem perdas; - componente (10) sendo adaptado para a combinação de referido fluxo de dados codificados sujeito a extravio com ambas partes do fluxo de dados estendido sem perdas para formação do referido fluxo de dados codificados sem perdas (SDec)-

3. Método para decodificação de um fluxo de dados de sinal de alimentação codifi- cado sem perdas (SEnc). cujo fluxo de dados foi codificado utilizando-se o método, de acor- do com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo referido método de decodificação incluir as etapas de: - demultiplexação (20) de referido fluxo de dados de sinal de alimentação codificado sem perdas para fornecimento de um fluxo de dados codificados sujeito a extravio e uma parte de sinal residual no domínio do tempo e uma parte de sinal residual no domínio da freqüência para o fluxo de dados estendido sem perdas; - decodificação sujeita a extravio de referido fluxo de dados codificados sujeito a ex- travio, fazendo uso de um decodificador de quantização (24), de uma transformada integral inversa (23), de uma interpolação e de um banco de filtro de sub-banda (21); -decodificação sem perdas no domínio da freqüência (26) da referida parte de sinal residual no domínio da freqüência e combinação (25) do sinal de saída com o sinal de saída correspondente do referido decodificador de quantização (24), e decodificação sem perdas no domínio do tempo (29) de referida parte de sinal residual no domínio do tempo, e a com- binação (28) do sinal de saída (27) retardado com o sinal de saída correspondente da referi- da interpolação e banco de filtro de sub-banda (21), de modo a reconstruir o referido sinal de alimentação (SPCm)·

4. Aparelhagem para a decodificação de um fluxo de dados de sinal de alimentação codificado sem perdas (SEnc)> cujo fluxo de dados foi codificado fazendo-se uso do método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato da referida aparelhagem in- cluir: - componente (20) adaptado para a demultiplexação do referido fluxo de dados do sinal de alimentação codificado sem perdas para fornecimento de um fluxo de dados codifi- cados sujeito a extravio e uma parte de sinal residual no domínio do tempo e uma parte de sinal residual no domínio da freqüência para o fluxo de dados estendido sem perdas; - componentes (24,23,21) sendo adaptados para a decodificação sujeita a extravio de referido fluxo de dados codificados sujeito a extravio, fazendo-se uso de um decodifica- dor de quantização, de uma transformada integral inversa e de uma interpolação e de um banco de filtro de sub-banda; - componentes (26,25,29,27,28) sendo adaptados para decodificação sem perdas no domínio da freqüência de referida parte de sinal residual no domínio da freqüência e combinação do sinal de saída com o correspondente sinal de saída de referido decodificador de quantização, e para decodificação sem perdas no domínio do tempo de referida parte de sinal residual no domínio do tempo e combinação do sinal de saída retardado corresponden- temente com o sinal de saída de referida interpolação e banco de filtro de sub-banda, de maneira a reconstruir o referido sinal de alimentação (SPCm)·

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, ou aparelhagem, de acordo com a rei- vindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que: - referida primeira quantização (12) compreender de um arredondamento (520); - referida segunda quantização (14) incluir uma alocação de bit (505); -referido sinal de entrada de referida segunda quantização (14) passar através de um arredondamento de quantizador inverso (521) antes do sinal de diferença (151, 522) ser formado.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, ou aparelhagem, de acordo com a rei- vindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de : - referido primeiro quantizador (12) compreender um arredondamento (520), em que a referida transformada integral (13) compreende de uma segmentação e de um MDCT (504) e a saída de referido arredondamento não ser alimentada à referida segmentação e MDCT (504), mas ser também alimentada a uma segmentação e a integral MDCT (529), o sinal de saída por onde vem a ser formada uma das entradas de referido sinal de diferença (151,522); -referida segunda quantização (14) incluir uma alocação de bit (505); - referido sinal de entrada de referida segunda quantização (14) passar através de um arredondamento de quantizador inverso (521) antes do referido sinal de diferença (151, 522) ser formado.

7. Método, de acordo com a reivindicação 3, ou aparelhagem de acordo com a rei- vindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de: - referido decodificador de quantização (24, 217) incluir um arredondamento (221) correspondente.

8. Sinal de áudio, CARACTERIZADO pelo fato de ser codificado de acordo com o método de qualquer uma das reivindicações 1, 5 ou 6.

9. Mídia de armazenagem, por exemplo um disco ótico, CARACTERIZADA pelo fa- to de conter ou armazenar, ou apresentar registrado na mesma, um sinal digital codificado, de acordo com o método de qualquer uma das reivindicações 1, 5 ou 6.