CN1213135A - 高质量的音频编码/解码设备和数字通用盘 - Google Patents

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Abstract

一种音频编码设备,把信号分为基本区域和扩展区域来编码。输入分离器把信号分为分别属于基本区域和扩展区域的第一和第二音频信号。无损编码器对第一音频信号进行无损编码,并输出第一比特流和第一比特率。音质编码器对第二音频信号进行音质编码,并输出第二比特流和第二比特率。第一和第二比特率的总和与预定的比特率相匹配。解码设备对比特流进行无损解码和音质解码。因此,能提供比现有DVD视频标准的质量更高的音频。

Description

高质量的音频编码/解码 设备和数字通用盘
本发明涉及一种音频编码/解码设备，特别是一种能够提供比数字通用盘(DVD)视频标准所提供的质量更高的音频的音频编码/解码设备。本发明还涉及一种通过在音频编码设备上增加记录器和在音频解码设备上增加阅读器而记录/再现音频信息的DVD。
现有多种能够有效地传输和存储如视频和音频数据的信息的压缩技术，这些技术分为无损编码方法和有损编码方法，其中无损编码方法的恢复数据与未被压缩的原始数据一样，有损编码方法在压缩和恢复的过程中会发生数据损失。无损编码方法和有损编码方法用于提供高质量的音频信号。
现有的无损编码方法常常会使压缩率根据数据性质发生变化，并根据变化的压缩率来压缩数据。因此，压缩过程中产生的比特流的传输速率不能始终如一。无损编码方法不能限制比特率为一个恒定值。因此，如果比特率被强制地限制，由于比特率的限制，就会发生信息损失。换句话说，恒定的比特率并不意味信息无损失。
与此同时，应用声音心理学(acoustic psychology)的现有有损编码方法对音频信号进行分析，以便去除数据的不必要的部分及浪费成分和降低不太重要的信号的精度，并在此分析的基础上对音频信号进行压缩。有损编码方法能够把信号压缩成一个恒定的比特率。然而，由于被压缩之前的信号不同于通过再现压缩信号而得到的信号，那么想把音频信号再现成高质量的音频信号是比较困难的。特别是，在应用声音心理学在音频信号的整个频带内对音频信号进行压缩的情况下，即使给定了足够的比特率，在基本频带(fundamental band)内仍发生信息损失，该基本频带是在生理感觉上应无损失地被传输的信息所属的频带。
为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种编码设备，该设备通过使用一种现有的有损编码方法-音质(psycho-acoustical)编码方法、和现有无损编码方法的结合，能够使高质量的音频信号压缩成一个恒定的比特率。
本发明的另一个目的是提供一种能够恢复由上述编码设备编码的音频信号的解码设备。
为了实现上述目的，本发明提供了一种音频编码设备，包括：分离装置，用于接收数字音频信号和把接收到的数字音频信号分离为属于第一区域的第一音频信号和属于第二区域的第二音频信号，其中接收到的数字音频信号所代表的整个音频区域被划分为第一和第二区域；无损编码装置，用于对第一音频信号进行无损编码，输出由无损编码得到的第一比特流和第一比特流所具有的第一比特率；以及音质编码装置，用于对第二音频信号进行音质编码，输出第二比特流和第二比特流所具有的第二比特率，其中第二比特率是预定的比特率和第一比特率的差。
本发明还提供一种音频解码设备，包括：输入端口，用于接收对属于第一区域的数字音频信号进行无损编码而产生的第一比特流，和接收对属于第二区域的数字音频信号进行音质编码而产生的第二比特流，其中第一比特流所具有的第一比特率和第二比特流所具有的第二比特率的和是预定的比特率，整个音频区域分为第一和第二区域；无损解码装置，用于对通过输入接口接收到的第一比特流进行无损解码，由此而产生属于整个音频区域中的第一区域的第一音频信号；音质解码装置，用于对通过输入接口接收到的第二比特流进行音质解码，由此而产生属于整个音频区域中的第二区域的第二音频信号；以及组合装置，用于组合第一和第二音频信号，并输出组合的结果。
附图的简要说明
图1是整个音频区域分为一个基本区域和一个扩展区域的例子的示图。
图2是本发明一个最佳实施例的编码设备的方框图。
图3是说明由图2设备编码产生的比特流的比特率发生变化的曲线图。
图4是对应于图2设备的解码设备的方框图。
下面参考附图将描述本发明的一个最佳实施例。
在本发明中，音频信号区域分为一个基本区域和一个扩展区域。属于基本区域的音频信号进行无损编码和解码，属于扩展区域的音频信号进行音质编码和解码。基本区域是从生理感觉上看相对比较重要的音频信号、和从生理感觉上看应无损失传输的信息所属的区域。扩展区域是相对不重要的音频信号所属的区域。图1显示出用于本发明的一个实施例中的、根据信道和采样频率划分区域的情况。整个音频区域表示为六个信道和一个192KHz的采样频率，它分为一个基本区域和一个扩展区域。基本区域定义为六个信道中的三个信道，例如前方左侧(front left)信道、前方右侧(front right)信道和前方中央(front center)信道，和一个96KHz的采样频率。扩展区域定义为六个信道中的其他三个信道，例如前方上侧(front upper)信道，后方左侧(rear left)信道和后方右侧(rear right)信道，和一个大于96KHz而小于192KHz的采样频率。因此，这种区域划分能够用于使用了96KHz的采样频率和多个音频信道的DVD视频标准。然而，本发明并不仅仅局限于上述的区域划分。因此，上述的区域划分可以根据DVD视频标准采用的音频规范(specification)的变化而变化。例如，如果基本区域是一个音频信号的整个频带中的相对较低的频带，那么扩展区域就变成一个相对较高的频带。如果基本区域是一个表示符合DVD视频标准的音频的频带，那么扩展区域就变成一个表示比DVD视频标准具有更高质量的音频的频带。基本区域和扩展区域可以通过根据DVD视频标准把整个音频信道仅仅分为两部分而得到。
图2是本发明一个最佳实施例的编码设备的方框图。图2中，外部数字音频信号输入至输入分离器21。通用的线性PCM(脉冲编码调制)方法产生一个与模拟音频信号匹配的数字音频信号。因此，下面将描述线性PCM音频信号输入至输入分离器21时的情况。输入分离器21把外部的输入线性PCM音频信号分为一个属于基本区域的音频信号和一个属于扩展区域的音频信号，并把基本区域的音频信号和扩展区域的音频信号分别地输出至无损编码器23和音质编码器25。无损编码器23使用一种或多种现有的无损编码方法对基本区域的音频信号进行编码。具体地说，无损编码器23对接收到的基本区域的音频信号进行编码，以便无损编码的比特率Blossless(t)小于预定的总比特率Btotal(t)。现有的无损编码方法产生与未经过编码的原始音频信号相同的压缩和恢复的音频信号，这些是本领域的技术人员所熟知的。因此，就不对其作详细的描述了。无损编码器23输出由以比特流形式进行无损编码而获得的音频信号。无损编码器23还把表示无损编码比特流的比特率的无损编码比特率Blossless(t)提供给音质编码器25。更详细地说，无损编码器23每过预定的时间间隔就计算无损编码比特率Blossless(t)，并把计算得到的无损编码比特率Blossless(t)输出给音质编码器25。在本发明的一个实施例中，无损编码器23以100毫秒为单位，计算和输出无损编码比特率Blossless(t)。而且，在考虑到音频信号处理的延时时，本领域的技术人员非常清楚：无损编码器23会使计算和输出无损编码比特率Blossless(t)的时间间隔产生变化。因此，无损编码器23能够以预定帧为单位计算和输出无损编码比特率Blossless(t)。在此情况下，一帧的长度是无损编码方法或音质编码方法的一个帧长。
音质编码器25根据无损编码器23提供的无损编码比特率Blossless(t)计算从输入分离器21接收到的有关扩展区域音频信号的音质编码比特率Blossy(t)。更详细地说，音质编码器25计算存储的预定的总比特率Btotal(t)和无损编码器23提供的无损编码比特率Blossless(t)之间的差，并把该差确定为音质编码比特率Blossy(t)。这里，预定的总比特率Btotal(t)是图2设备输出的比特流的最大比特率。音质编码器25根据预定的音质编码比特率Blossy(t)对由输入分离器21提供的扩展区域音频信号进行音质编码。现有的音质编码方法有多种方法，例如Dolby、AC-3、MPEG-1、MPEG-2和DTS。在这些方法中，能够用于提供比DVD视频标准所规定的质量更高的质量的方法，或能够用于提供大致与线性PCM相同的高质量音频的方法，都可以用于音质编码器25中。音质编码器25以比特流的形式输出音质编码音频信号。
格式化单元27根据预定的格式把由无损编码器23输出的无损编码比特流和由音质编码器25输出的音质编码比特流格式化为一单个比特流，并把经过格式化的比特流作为输出比特流输出。格式化单元27输出的比特流具有一个恒定的比特率和一个与上述总比特率Btotal(t)一样的值。
图3是图2设备的总比特率Btotal(t)中的无损编码比特率Blossless(t)和音质编码比特率Blossy(t)的变化曲线图。如图3所示，无损编码比特率Blossless(t)发生变化时，图2设备就使用容许进行无损编码和音质编码的总比特率，同时保持总比特率Btotal(t)为一恒定值。因此，在使用由图2设备进行编码的音频比特流时，音频信息能够很容易地记录在记录媒体上。
图4是通过使用由图2编码设备产生的比特流恢复数字音频信号的解码设备的方框图。在图4中，逆格式化单元41经过图2所示的格式化单元27的逆处理过程把接收到的比特流分为无损编码比特流和音质编码比特流。在由逆格式化单元41分离的比特流中，无损编码比特流输入至无损解码器43，而音质编码比特流输入至音质解码器45。
无损解码器43对于接收到的无损编码比特流实现无损编码器23的逆信号处理，并把无损解码产生的基本区域的音频信号输出给组合单元47。音质解码器45对于接收到的音质编码比特流实现音质编码器25的逆信号处理，并把音质解码产生的扩展区域的音频信号输出给组合单元47。组合单元47使无损解码器43提供的基本区域的音频信号和音质解码器45提供的扩展区域的音频信号相结合，并输出一个大致与编码之前的原始数字音频信号，即线性PCM音频信号相同的数字音频信号。
下面将描述分别进行修改过的实施例中的一种编码设备和一种解码设备，它采用符合DVD视频标准的记录器和阅读器代替图2中的格式化单元27和图4中的逆格式化单元41。在此情况下，基本区域与DVD视频标准所定义的音频格式相匹配，而扩展区域就变成一个其他音频数据所属的区域。记录器就把无损编码器23输出的无损编码比特流记录在由DVD视频标准所定义的数字通用光盘(DVD)的记录区域中，把音质编码器25输出的音质编码比特流记录在不是DVD视频标准定义的DVD的记录区域中。而且，阅读器从由记录器记录了音频信息的DVD中分别读取无损编码比特流和音质编码比特流。在读取的比特流中，阅读器分别地向无损解码器43和音质解码器45提供无损编码比特流和音质编码比特流。因此，修改过的编码和解码设备能够在DVD上记录比DVD视频标准所规定的质量更高的音频，而且能够将其从DVD中读取，同时保持和现有的DVD视频标准的兼容性。
还可以对图2和4的设备进行修改而得到另一个实施例。在这些实施例中，图2中的格式化单元27可以把由无损编码比特流与音质编码比特流相结合而得到的单个比特流记录在DVD上，图4中的逆格式化单元41可以读取记录在DVD上的单个比特流，并把读取的单个比特流分为无损编码比特流和音质编码比特流。在此情况下，该DVD能被用作本发明上述修改的实施例的编码和解码设备的专用DVD。
如上所述，本发明把音频信号的整个区域分为一个基本区域和一个扩展区域。基本区域的音频信号要进行无损编码，而扩展区域的音频信号要进行音质编码。具体地说，本发明根据无损编码的基本区域的音频信号的比特率确定音质编码的扩展区域的音频信号的比特率。因此，本发明能够保持总比特率不变，使用所容许的总比特率，以便实现无损编码和音质编码。此外，由于总比特率保持恒定，软件能够很容易地记录在记录媒体上，设计规范，例如缓冲区大小能够较容易地在硬件实现中确定。
尽管这里仅详细描述了本发明的一些实施例，但是很明显，可以对此作各种修改而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (21)

1．一种音频编码设备，包括：
分离装置，用于接收数字音频信号和把接收到的数字音频信号分离为属于第一区域的第一音频信号和属于第二区域的第二音频信号，其中接收到的数字音频信号所代表的整个音频区域被划分为第一和第二区域；
无损编码装置，用于对第一音频信号进行无损编码，输出由无损编码得到的第一比特流和第一比特流所具有的第一比特率；以及
音质(psycho-acoustical)编码装置，用于对第二音频信号进行音质编码，输出第二比特流和第二比特流所具有的第二比特率，其中第二比特率是预定的比特率和第一比特率的差。
2．如权利要求1所述的音频编码设备，其中，所述数字音频信号是线性脉冲编码调制(PCM)音频信号。
3．如权利要求1所述的音频编码设备，其中，所述第一区域是在生理感觉上应无损失地被传输的音频信息所属的区域，所述第二区域是不属于所述第一区域的音频信号区域。
4．如权利要求1所述的音频编码设备，其中，所述第一和第二区域是通过把接收到的数字音频信号所具有的总频带分为两部分而得到的，其中所述第一区域是相对较低的频带，所述第二区域是相对较高的频带。
5．如权利要求4所述的音频编码设备，其中，所述第一区域包括代表符合DVD视频标准的音频的频带，所述第二区域包括代表比DVD视频标准的质量高的音频的频带。
6．如权利要求1所述的音频编码设备，其中，所述第一和第二区域是根据DVD视频标准把整个音频信道分为两部分而得到的。
7．如权利要求1所述的音频编码设备，其中，所述第一和第二区域是把接收到的音频信号所具有的整个频带和整个信道分为两部分而得到的，其中所述第一区域属于相对较低的频带和一部分信道，所述第二区域属于相对较高的频带和其它的信道。
8．如权利要求7所述的音频编码设备，其中，所述第一区域包括代表符合DVD视频标准的音频的频带，所述第二区域包括代表比DVD视频标准的质量高的音频的频带。
9．如权利要求1所述的音频编码设备，其中，所述无损编码装置每隔预定的时间间隔检测和输出第一比特率，所述音质编码装置对第二音频信号进行编码，以便第二音频信号具有第二比特率，所述第二音频信号对应于第一比特率检测所用的第一音频信号。
10．如权利要求1所述的音频编码设备，还包括：格式化单元，用于把第一和第二比特流格式化为具有预定的比特率的比特流。
11．如权利要求10所述的音频编码设备，还包括：记录装置，用于把所述格式化单元输出的比特流记录在DVD中。
12．如权利要求1所述的音频编码设备，还包括：记录装置，用于当第一比特流包含符合DVD视频标准的音频信息、而第二比特流包含提供比DVD视频标准更高质量的音频的音频信息时，把第一比特流记录在由DVD视频标准所定义的音频记录区域中，把第二比特流记录在不是由DVD视频标准所定义的音频记录区域中。
13．一种音频解码设备，包括：
输入端口，用于接收对属于第一区域的数字音频信号进行无损编码而产生的第一比特流，和接收对属于第二区域的数字音频信号进行音质编码而产生的第二比特流，其中第一比特流所具有的第一比特率和第二比特流所具有的第二比特率的和是预定的比特率，整个音频区域分为第一和第二区域；
无损解码装置，用于对通过输入接口接收到的第一比特流进行无损解码，由此而产生属于整个音频区域中的第一区域的第一音频信号；
音质解码装置，用于对通过输入接口接收到的第二比特流进行音质解码，由此而产生属于整个音频区域中的第二区域的第二音频信号；以及
组合装置，用于组合第一和第二音频信号，并输出组合的结果。
14．如权利要求13所述的音频解码设备，其中，所述第一区域是在生理感觉上应无损地被传输的音频信息所属的区域，所述第二区域是不属于所述第一区域的音频信号区域。
15．如权利要求13所述的音频解码设备，其中，所述第一和第二区域是通过把接收到的数字音频信号所具有的总频带分为两部分而得到的，其中所述第一区域是相对较低的频带，所述第二区域是相对较高的频带。
16．如权利要求15所述的音频解码设备，其中，所述第一区域包括代表符合DVD视频标准的音频的频带，所述第二区域包括代表比DVD视频标准的质量高的音频的频带。
17．如权利要求13所述的音频解码设备，其中，所述第一和第二区域是根据DVD视频标准把整个音频信道分为两部分而得到的。
18．如权利要求13所述的音频解码设备，其中，所述第一和第二区域是把接收到的音频信号所具有的整个频带和整个信道分为两部分而得到的，其中所述第一区域属于相对较低的频带和一部分信道，所述第二区域属于相对较高的频带和其它的信道。
19．如权利要求18所述的音频解码设备，其中，所述第一区域包括代表符合DVD视频标准的音频的频带，所述第二区域包括代表比DVD视频标准的质量高的音频的频带。
20．如权利要求13所述的音频解码设备，还包括：读取装置，用于从DVD中读取第一和第二比特流，其中包含符合DVD视频标准的音频信息的第一比特流被记录在由DVD视频标准所定义的音频记录区域中，包含提供比DVD视频标准的质量高的音频的音频信息的第二比特流被记录在不是由DVD视频标准所定义的音频记录区域中，并把读取的结果提供给所述输入端口。
21．如权利要求13所述的音频解码设备，还包括：
读取装置，用于从DVD中读取单个的比特流，其中包含符合DVD视频标准的音频信息的第一比特流、和包含提供比DVD视频标准的质量高的音频的音频信息的第二比特流是以单个比特流的形式被记录的；以及
分离装置，用于把从所述读取装置读取的单个比特流分离为第一和第二比特流，并把分离的结果提供给所述输入端口。
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