CN111429926B - 一种优化音频编码速度的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化音频编码速度的方法和装置，属于蓝牙无线通讯技术领域。本发明的优化音频编码速度的方法包括：更新时域冲击检测器的步骤和优化时域噪声整形模块的步骤，在更新时域冲击检测器的步骤中依次计算分段能量和延迟包络，输出第一冲击标志和第二冲击标志；在优化时域噪声整形模块的步骤中，识别第二冲击标志，当第二冲击标志为0时，则跳过时域噪声整形模块中的所有计算，当第二冲击标志为1时，则计算预测增益，若预测增益大于门限值，通过查询码率增益映射表，执行时域噪声整形模块中的相关计算，否则跳过相关计算。本发明在音质保持不变的情况下，减少了时域噪声整形模块中的计算，节省了计算资源，从而提高了编码速度。
Description
技术领域
本发明涉及蓝牙无线通讯技术领域，特别涉及一种优化音频编码速度的方法和装置。
背景技术
随着移动通信领域的不断发展，蓝牙技术的应用也越来越广，尤其在蓝牙音频的应用方面。
目前蓝牙国际联盟联合众多厂商推出低复杂度通信编解码器LC3，由于LC3编解码技术，其具有较低延迟、较高音质和编码增益以及在蓝牙领域无专利费得优点，受到广大厂商的关注，由于LC3推出的初衷是要满足低功耗蓝牙领域的音频应用，所以对功耗要求非常严格，在低功耗蓝牙领域，很多处理器的运算性能及存储资源非常有限，同时又希望电池续航能力较强，这就给LC3编解码器的性能优化提出了较高的要求。
在LC3编码模块中，TNS模块（时域噪声整形，Temporal Noise Shaping）是属于比较复杂且消耗资源较多的模块，图1为几个典型的测试向量中TNS模块所消耗的计算资源百分比，其平均占比约为9.67%，显示出其为比较关键的模块。。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种优化音频编码速度的方法和装置，减少时域噪声整形模块中的计算，从而提高音频编码速度。
为了实现上述目的，一方面，本发明采用的一个技术方案是：提供一种优化音频编码速度的方法，包括更新时域冲击检测器的步骤和优化时域噪声整形模块的步骤，其中在更新时域冲击检测器的步骤中，当前帧依次进行下采样、高通滤波、分段、分段能量的计算和分段能量的延迟包络的计算，若当前帧中任一分段能量大于冲击检测第一门限8.5与相应的延迟包络的乘积，则第一冲击标志和第二冲击标志均设为1，若当前帧中分段能量均小于等于冲击检测第一门限8.5与相应的延迟包络的乘积且当前帧中任一分段能量大于冲击检测第二门限与相应的延迟包络的乘积，则第二冲击标志设为1，否则第二冲击标志为0，其中冲击检测第二门限是在低复杂度编码模式下，音频信号根据时域噪声整形结果反推得出的值；在优化时域噪声整形模块的步骤中，识别第二冲击标志，当第二冲击标志为0时，则当前帧跳过时域噪声整形模块中的Levinson-Durbin算法、线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，当第二冲击标志为1时，则调用Levinson-Durbin算法计算线性预测编码系数并计算预测增益，将预设增益与门限值进行比较，若预测增益小于等于门限值，则当前帧跳过时域噪声整形模块中的线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，若预测增益大于门限值，则查询码率增益映射表，若预测增益与码率增益映射表相对应，则当前帧依次执行线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，否则当前帧跳过线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。
另一方面，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种优化音频编码速度的装置，包括时域冲击检测器和时域噪声整形模块，其中时域冲击检测器，其当前帧依次进行下采样、高通滤波、分段、分段能量的计算和分段能量的延迟包络的计算，若当前帧中任一分段能量大于冲击检测第一门限8.5与相应的延迟包络的乘积，则第一冲击标志和第二冲击标志均设为1，若当前帧中分段能量均小于等于冲击检测第一门限8.5与相应的延迟包络的乘积且当前帧中任一分段能量大于冲击检测第二门限与相应的延迟包络的乘积，则第二冲击标志设为1，否则第二冲击标志为0，其中冲击检测第二门限是在低复杂度编码模式下，音频信号根据时域噪声整形结果反推得出的值；在优化时域噪声整形模块的步骤中，识别第二冲击标志，当第二冲击标志为0时，则当前帧跳过时域噪声整形模块中的Levinson-Durbin算法、线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，当第二冲击标志为1时，则调用Levinson-Durbin算法计算线性预测编码系数并计算预测增益，将预设增益与门限值进行比较，若预测增益小于等于门限值，则跳过时域噪声整形模块中的线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，若预测增益大于门限值，则查询码率增益映射表，若预测增益与码率增益映射表相对应，则依次执行线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数的量化和谱系数的滤波，否则跳过线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。
本发明的有益效果在于：本发明提出一种优化音频编码速度的方法和装置，先通过时域冲击检测器的更新输出第二冲击标志，然后根据第二冲击标志判断音频帧是否执行时域噪声整形模块中的计算，从而减少音频帧的Levinson-Durbin计算次数。同时在预测增益大于门限值时，通过查询码率增益映射表后，音频帧仍有可能跳过TNS模块中的其余计算，同时保持音质几乎不变，从而可以进一步节省计算资源。
附图说明
图1为典型的测试向量在44.1kHZ采样率中TNS模块所消耗的计算资源百分比；
图2为本发明优化音频编码速度的方法的流程图；
图3为本发明优化音频编码速度的方法的中时域冲击检测器的更新的流程图；
图4为本发明优化音频编码速度的方法的中时域噪声整形的优化流程图；
图5为本发明优化音频编码速度的方法中编码流程图
图6为本发明优化音频编码速度的方法中主观差异等级变化图。
具体实施方式
为了使本发明的上述特征和优点更加易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。该详细说明仅仅是为了帮助理解本发明，本发明的保护范围不仅仅限于具体实施方式中的具体说明。
一方面，图2示出了本发明一种优化音频编码速度的方法的具体实施方式，在该具体实施方式中主要包括：
步骤S201：更新时域冲击检测器的步骤，每帧音频数据执行一次此步骤。如图2所示，主要包括以下步骤：
步骤S201a：初始化
如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，首先将进行初始化，将初始的第一冲击标志Fatt和第二冲击标志Fatt_tns均设为0。
步骤S201b：计算分段能量和延迟包络
如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，当前帧依次进行下采样、高通滤波、分段、分段能量Eatt的计算和分段能量的延迟包络Aatt的计算。
在本发明的一个具体实施例中，10毫秒帧长可以分为四段，7.5毫秒帧长可以分为三段。
步骤S201c：输出第一冲击标志和第二冲击标志
冲击检测中计算出来的Eatt/Aatt与时域噪声整形模块中计算出的预测增益都是用来反映瞬态信号冲击的程度。如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，若当前帧中存在任一分段能量Eatt大于冲击检测第一门限8.5与相应的延迟包络的乘积，则将第一冲击标志Fatt设为1，第二冲击标志Fatt_tns也设为1。这标志着当前帧可能需要执行时域噪声整形模块中的计算。其中冲击检测第一门限为低复杂度通信编解码器LC3的规定值，第一冲击标志Fatt为LC3的规定标志。若当前帧中分段能量Eatt均小于等于冲击检测第一门限8.5与延迟包络Aatt的乘积且任一分段能量Eatt大于冲击检测第二门限与延迟包络Aatt的乘积，则第二冲击标志Fatt_tns设为1，这标志着当前帧可能需要执行时域噪声整形模块中的计算。其中冲击检测第二门限是在低复杂度编码模式下，音频测试信号根据时域噪声整形结果反推得出的值。若当前帧中分段能量Eatt均小于等于冲击检测第二门限与延迟包络Aatt的乘积，则第二冲击标志Fatt_tns为0。
在本发明的一个具体实施例中，音频帧采样率为44.1kHz、帧长为10毫秒时，计算得到的冲击检测第二门限为2.33。
步骤S202：优化时域噪声整形的步骤。其中根据采样率的不同，每帧音频数据，根据LC3的要求，执行一次或两次此步骤。
步骤S202a：设置反射系数和拷贝谱系数
如图4所示，首先将时域噪声整形的发射系数设置为0，将谱系数从输入存储空间拷贝到输出存储空间。
步骤S202b：识别第二冲击标志并跳过时域噪声整形模块中的相关计算
如图4所示，当第二冲击标志Fatt_tns为0时，则当前帧跳过时域噪声整形模块中的Levinson-Durbin算法、线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。
在此时，时域噪声整形模块会将全0的反射系数直接输出和将时域噪声整形模块中输入的谱系数直接输出。
当第二冲击标志Fatt_tns为1时，则先计算当前频段的总能量，再计算谱系数的归一化自相关并加窗，然后调用Levinson-Durbin算法计算线性预测编码系数LPC并计算预测增益PredGain，
将预测增益与门限值进行比较，
若预测增益小于等于门限值，则当前帧跳过时域噪声整形模块中的线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，
若预测增益PredGain大于门限值，则查询码率增益表（表1），若预测增益与码率增益映射表相对应，则当前帧依次执行线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。若预测增益与码率增益映射表不对应，则当前帧跳过线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。最后分别输出计算后得到的反射系数和谱系数。
在本发明的一个具体实施例中，门限值为低复杂度通信编解码器LC3的推荐值1.5。
以采样率为44.1kHZ，帧长为10毫秒的音频帧为例，表1为此音频帧的码率增益映射表，在实际具体过程中也可以根据编码的需求做适当调整。
| 码率(BR) | BR<= 96k | 96k < BR <=124k | 124k< BR <= 192k | BR > 192k |
| 预测增益predGain | >1.5 | >2.0 | >4.0 | >10.0 |
表1采样率为44.1kHZ，帧长为10毫秒音频帧的码率增益映射表
（1）在现有的LC3标准规范中，所有的音频帧都要执行时域噪声整形TNS模块中的Levinson-Durbin计算，利用本方法，可以使很多音频帧跳过Levinson-Durbin计算，从而节省计算资源。同时，如图6所示，当音频帧跳过Levinson-Durbin计算时，音质变化很小，变化幅度仅在-0.015 ~ 0.015，远低于蓝牙国际联盟要求的门限-0.06~0.06。
（2）在现有的LC3标准规范中，若预测增益大于门限值1.5，则音频帧需要执行TNS模块中的线性预测系数到反射系数的转换，并完成TNS量化和TNS滤波，本方法可以在预测增益大于门限值时，通过查询码率增益映射表，音频帧仍有可能跳过TNS模块中的线性预测系数到反射系数的转换，TNS量化和TNS滤波，在保持音频的音质几乎不变的同时，可以进一步节省计算资源；
（3）基于2，对于变码率编码器，音频帧跳过TNS模块中线性预测系数到反射系数的转换，TNS量化和TNS滤波的计算后，也可以节省部分码流资源，TNS模块只需要传输是否使能的标志；
（4）基于上，音频帧跳过TNS模块中相关计算，节省的码流资源可以用来降低码率，这样不仅可以降低发射端和接收端的功耗，也可以减少空中的信道干扰；
（5）基于上，对于固定码率编码器，音频帧跳过TNS模块中相关运算，节省的码流资源也可以用来提高谱系数的量化精度，从而降低量化噪声，提高音质；
（6）基于3，由于节省了码流资源，则在谱系数量化过程中，执行二次量化的概率降低，又进一步节省了计算资源。
另一方面，在本发明的一个具体方式中，一种优化音频编码速度的装置，如图5编码流程图中灰色部分为本发明优化音频编码速度的装置示意图，主要包括：时域冲击检测器，其首先将初始的第一冲击标志Fatt和第二冲击标志Fatt_tns均设为0。
当前帧依次进行下采样、高通滤波、分段、分段能量Eatt的计算和分段能量的延迟包络Aatt的计算，
若其中当前帧中任一分段能量Eatt大于冲击检测第一门限8.5与相应的延迟包络的乘积，则将第一冲击标志Fatt设为1，第二冲击标志Fatt_tns也设为1。这标志着当前帧可能需要执行时域噪声整形模块中的计算。其中冲击检测第一门限为低复杂度通信编解码器LC3的规定值，第一冲击标志Fatt为LC3的规定标志。若当前帧中分段能量Eatt均小于等于冲击检测第一门限8.5与相应的延迟包络Aatt的乘积且任一分段能量大于冲击检测第二门限与相应的延迟包络Aatt的乘积，则第二冲击标志Fatt_tns设为1，这标志着当前帧可能需要执行时域噪声整形模块中的计算。其中冲击检测第二门限是在低复杂度编码模式下，音频测试信号根据时域噪声整形结果反推得出的值。若当前帧中分段能量Eatt均小于等于冲击检测第二门限与延迟包络Aatt的乘积，则第二冲击标志Fatt_tns为0。
在本发明的一个具体实施例中，音频帧采样率为44.1kHz、帧长为10毫秒时，计算得到的冲击检测第二门限为2.33。
在本发明的一个具体实施例中，每帧音频数据在时域冲击检测器运行一次。
在该具体实施方式中，一种优化音频编码速度的装置，还包括：时域噪声整形模块：其首先将时域噪声整形中的发射系数设置为0，将谱系数从输入存储空间拷贝到输出存储空间。
识别第二冲击标志，当第二冲击标志Fatt_tns为0时，则当前帧跳过时域噪声整形模块中的Levinson-Durbin算法、线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。当第二冲击标志Fatt_tns为1时，则先计算当前频段的总能量，再计算谱系数的归一化自相关并加窗，然后调用Levinson-Durbin算法计算线性预测编码系数LPC并计算预测增益PredGain，将预测增益与门限值进行比较，若预测增益小于等于门限值，则当前帧跳过时域噪声整形模块中的线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，若预测增益PredGain大于门限值，则查询码率增益表（表1），若预测增益与码率增益映射表相对应，则当前帧依次执行线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。若预测增益与码率增益映射表不对应，则当前帧跳过线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波。
在本发明的一个具体实施例中，门限值为低复杂度通信编解码器LC3的推荐值1.5。
在本发明的一个具体实施例中，每帧音频数据在时域噪声整形模块中运行一次或两次。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种优化音频编码速度的方法，其特征在于包括：更新时域冲击检测器的步骤和优化时域噪声整形模块的步骤，其中
在所述更新时域冲击检测器的步骤中，对当前帧依次进行下采样、高通滤波、分段、分段能量的计算和所述分段能量的延迟包络的计算，
若所述当前帧中任一所述分段能量大于冲击检测第一门限8.5与相应的所述延迟包络的乘积，则第一冲击标志和第二冲击标志均设为1，
若所述当前帧中所述分段能量均小于等于所述冲击检测第一门限8.5与相应的所述延迟包络的乘积且所述当前帧中任一所述分段能量大于冲击检测第二门限与相应的所述延迟包络的乘积，则所述第二冲击标志设为1，否则所述第二冲击标志为0，其中所述冲击检测第二门限是在低复杂度编码模式下，音频信号根据时域噪声整形结果反推得出的值；
在所述优化时域噪声整形模块的步骤中，识别所述第二冲击标志，
当所述第二冲击标志为0时，则所述当前帧跳过时域噪声整形模块中的Levinson-Durbin算法、线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，
当所述第二冲击标志为1时，则调用所述Levinson-Durbin算法计算所述线性预测编码系数并计算预测增益，
将所述预测增益与门限值进行比较，若所述预测增益小于等于所述门限值，则所述当前帧跳过所述时域噪声整形模块中的所述线性预测编码系数到所述反射系数的转换，所述反射系数量化和所述谱系数滤波，若所述预测增益大于所述门限值，则查询码率增益映射表，若所述预测增益与所述码率增益映射表相对应，则所述当前帧依次执行所述线性预测编码系数到所述反射系数的转换，所述反射系数量化和所述谱系数滤波，否则所述当前帧跳过所述线性预测编码系数到所述反射系数的转换，所述反射系数量化和所述谱系数滤波。
2.根据权利要求1所述的优化音频编码速度的方法，其特征在于，所述门限值为1.5。
3.根据权利要求1所述的优化音频编码速度的方法，其特征在于，每帧执行一次所述更新时域冲击检测器的步骤，且每帧执行一次或两次所述优化时域噪声整形模块的步骤。
4.根据权利要求1所述的优化音频编码速度的方法，其特征在于，所述更新时域冲击检测器的步骤还包括，在对所述当前帧进行所述下采样之前，先将所述第一冲击标志和所述第二冲击标志的初始值均设为0。
5.根据权利要求1所述的优化音频编码速度的方法，其特征在于，所述优化时域噪声整形模块的步骤还包括，在识别所述第二冲击标志之前，先将所述时域噪声整形模块中的所述反射系数设为0，再将谱系数从输入存储空间拷贝到输出存储空间。
6.一种优化音频编码速度的装置，其特征在于包括：时域冲击检测器和时域噪声整形模块，其中
所述时域冲击检测器，对当前帧依次进行下采样、高通滤波、分段、分段能量的计算和所述分段能量的延迟包络的计算，
若所述当前帧中任一所述分段能量大于冲击检测第一门限8.5与相应的所述延迟包络的乘积，则第一冲击标志和第二冲击标志均设为1，
若所述当前帧中所述分段能量均小于等于所述冲击检测第一门限8.5与相应的所述延迟包络的乘积且所述当前帧中任一所述分段能量大于冲击检测第二门限与相应的所述延迟包络的乘积，则所述第二冲击标志设为1，否则所述第二冲击标志为0，其中所述冲击检测第二门限是在低复杂度编码模式下，音频信号根据时域噪声整形结果反推得出的值；
所述时域噪声整形模块，其识别所述第二冲击标志，
当所述第二冲击标志为0时，则所述当前帧跳过时域噪声整形模块中的Levinson-Durbin算法、线性预测编码系数到反射系数的转换，反射系数量化和谱系数滤波，
当所述第二冲击标志为1时，则调用所述Levinson-Durbin算法计算所述线性预测编码系数并计算预测增益，
将所述预测增益与门限值进行比较，若所述预测增益小于等于所述门限值，则所述当前帧跳过所述时域噪声整形模块中的所述线性预测编码系数到所述反射系数的转换，所述反射系数量化和所述谱系数滤波，若所述预测增益大于所述门限值，则查询码率增益映射表，若所述预测增益与所述码率增益映射表相对应，则所述当前帧依次执行所述线性预测编码系数到所述反射系数的转换，所述反射系数量化和所述谱系数滤波，否则所述当前帧跳过所述线性预测编码系数到所述反射系数的转换，所述反射系数量化和所述谱系数滤波。
7.根据权利要求6所述的优化音频编码速度的装置，其特征在于，所述门限值为1.5。
8.根据权利要求6所述的优化音频编码速度的装置，其特征在于，每帧在所述时域冲击检测器运行一次，且每帧在所述时域噪声整形模块中运行一次或两次。
9.根据权利要求6所述的优化音频编码速度的装置，其特征在于，在所述时域冲击检测器中还包括，在对所述当前帧进行所述下采样之前，所述时域冲击检测器先将所述第一冲击标志和所述第二冲击标志的初始值均设为0。
10.根据权利要求6所述的优化音频编码速度的装置，其特征在于，在所述时域噪声整形模块中还包括，在识别所述第二冲击标志之前，先将所述时域噪声整形模块中的所述反射系数设为0，再将谱系数从输入存储空间拷贝到输出存储空间。
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