DE10065363B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Decodieren eines codierten Datensignals - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Decodieren eines codierten Datensignals Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Decodieren eines codierten Datensignals, um ein decodiertes Datensignal zu erhalten, wobei das codierte Datensignal durch Quantisieren eines ursprünglichen Datensignals erzeugt worden ist, wobei beim Quantisieren des ursprünglichen Datensignals eine Mehrzahl von Quantisierungsintervallen verwendet worden ist, und wobei das codierte Datensignal Audio- und/oder Videoinformationen umfaßt, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung (12) zum Liefern eines Quantisierungswerts aus dem codierten Datensignal;
einer Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Ersatzwerts unter Verwendung von Informationen über das Datensignal;
einer Einrichtung (20) zum Feststellen, ob zwischen dem Quantisierungswert des codierten Datensignals und dem erzeugten Ersatzwert eine vorbestimmte Beziehung besteht, wobei die Einrichtung (20) zum Feststellen ausgebildet ist, um ein Bestehen der vorbestimmten Beziehung zu signalisieren, wenn der Ersatzwert und der Quantisierungswert des codierten Datensignals im gleichen Quantisierungsintervall liegen; und
einer Einrichtung (22) zum Ermitteln des decodierten Datensignals unter Verwendung der Ersatzwerts, falls die vorbestimmte Beziehung festgestellt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Codierung und Decodierung von Audio- und/oder Videoinformationen und insbesondere auf das verbesserte Decodieren von Signalen, denen beim Codieren Quantisierungsrauschen hinzugefügt worden ist.
  • Das gehörrichtige Audiocodieren unter Berücksichtigung psychoakustischer Aspekte ebenso wie das Videocodieren unter Berücksichtigung psychooptischer Effekte wurden in jüngster Zeit zu wichtigen Schlüsseltechnologien für viele Typen von Multimediadiensten. 4 zeigt ein allgemeines Übersichts-Blockschaltbild eines modernen Audiocodierers als Beispiel für einen Datencodierer. Für Fachleute ist es bekannt, daß Videocodierer einen analogen Aufbau haben.
  • Ein Audiosignal wird an einem Audio-Eingang 400 beispielsweise in Form von digitalen Audio-Abtastwerten („Samples") in den Audiocodierer eingespeist. Der Audiocodierer arbeitet blockweise. In einer Analysefilterbank 410 wird ein Block von zeitlichen Audio-Abtastwerten von einer Zeitbereichsdarstellung in eine Frequenzbereichsdarstellung übergeführt. Üblicherweise implementiert die Analyse-Filterbank eine MDCT (Modified Discrete Cosine Transform). Das zeitliche Audio-Signal wird ferner einem Psychoakustik-Modul 420 zugeführt. Das Psychoakustik-Modul steuert einen Quantisierer, der in einem Block Quantisierungs/Entropie-Codierung 430 enthalten ist. Insbesondere berechnet das Psychoakustik-Modul 420 die aktuelle Markierungsschwelle, d. h. den Pegel eines Signals, das dem Audiosignal in Form von Rauschen hinzugefügt werden kann, ohne daß es zu hörbaren Störungen kommt, wenn das Audiosignal wieder decodiert wird. Die psychoakustische Maskierungsschwelle, die typischerwei se sowohl zeitabhängig als auch frequenzabhängig ist, wird dem Quantisierer 430 zugeführt, so daß derselbe im idealen Fall die Quantisierungsstufen so wählt, daß das durch das Quantisieren eingeführte Quantisierungsrauschen sowohl zeitlich gesehen als auch frequenzmäßig gesehen immer kleiner oder gleich der psychoakustischen Maskierungsschwelle ist.
  • Der Quantisierer 430 erzeugt dann aus den Audiospektralwerten, die am Ausgang der Analyse-Filterbank 410 vorhanden sind, quantisierte Spektrallinien, welche dann, unter Verwendung einer rauschlosen Codierung, wie z. B. einer Huffman-Codierung, Entropie-codiert werden. Aus den zeitlichen Abtastwerten am Audioeingang 400 wird somit ein Strom von Entropie-Codewörtern am Ausgang des Blocks 430 erzeugt.
  • In einem Block Bitstromformatierung, der in 4 mit dem Bezugszeichen 440 bezeichnet ist, wird schließlich ein ausgangsseitiger Bitstrom erzeugt, welcher an einem Ausgang 450 des Codierers ausgegeben wird, um entweder zu einem Empfänger direkt übertragen zu werden, oder um in einem Speicher gespeichert zu werden, so daß ein Empfänger auch zu einem späteren Zeitpunkt einen codierten Bitstrom, welcher ein Audiosignal darstellt, abrufen kann. Der Bitstrom umfaßt neben den Entropie-Codewörtern auch diverse Seiteninformationen, wie z. B. Skalenfaktoren, gegebenenfalls Stereoinformationen, die durch den Quantisierer 430 berechneten Quantisierungsinformationen, Angaben zur Filterbank etc.
  • Beispielhafte Audiocodierer sind beispielsweise unter dem Stichwort ISO/MPEG-Layer 2, ISO/MPEG-Layer 3 (MP3) oder ISO/MPEG-AAC in der Fachwelt bekannt. Die genannten Codierer arbeiten ebenso wie der in 4 gezeigte allgemeine Codierer mit einer Frequenzbereichsdarstellung des Audiosignals. Darüber hinaus existieren jedoch auch sogenannte Zeitbereichscodierer, welche keine Transformation in den Frequenzbereich durchführen, sondern auf einer reinen Zeit bereichsverarbeitung basieren. Auch bei solchen Codierern findet an irgend einer Stelle eine Quantisierung statt, bei der versucht wird, das eingeführte Quantisierungsrauschen irgendwie zu „verstecken". Allgemein besteht die Bestrebung, möglichst große Quantisierungsschritte zu verwenden, wodurch ein hohes Quantisierungsrauschen eingeführt wird, um einen möglichst großen Codiergewinn zu erreichen, d. h. um eine möglichst große Datenreduktion und damit eine möglichst geringe Datenrate, also Anzahl von Bits pro Sekunde, zu erreichen. Die andere Forderung besteht jedoch selbstverständlich darin, daß das codierte und wieder decodierte Datensignal eine möglichst hohe Qualität hat, daß das codierte und wieder decodierte Signal also möglichst nicht vom ursprünglichen Signal unterscheidbar ist.
  • Die Qualität eines Codierers/Decodierers wird normalerweise durch subjektive Hörtests bestimmt, bei denen mehrere Testhörer diverse Teststücke, welche für die betrachteten Codierer eher stark oder eher weniger problematisch sind, in ihrer codierten und wieder decodierten Form anhören und beurteilen.
  • Für verschiedene Codiereranwendungen existieren verschiedene Randbedingungen hinsichtlich der Datenrate. Im einfachsten Fall darf der Codierer eine ausgangsseitige Datenrate haben, die einerseits beliebig schwankt, und die andererseits beliebig hoch werden darf. In diesem Fall kann der in 4 gezeigte Codierer immer so codieren, daß das durch die Quantisierung eingeführte Quantisierungsrauschen kleiner oder gleich der psychoakustischen Maskierungsschwelle ist. Je nach Audiosignal werden damit die Quantisierungsintervalle nach Bedarf sehr fein eingestellt, was zu einer hohen ausgangsseitigen Datenrate führt, oder aber, falls das Audiosignal es zuläßt, möglichst grob eingestellt, was zu einer niedrigen ausgangsseitigen Datenrate führt.
  • Es ist bekannt, daß tonale Bereiche eines Audiosignals sehr schlechte Maskierungseigenschaften haben, was wiederum be deutet, daß die psychoakustische Maskierungsschwelle, also die Leistung, die in das tonale Audiosignal eingebracht werden kann, und die dennoch unhörbar ist, sehr gering ist. Für den Quantisierer bedeutet dies, daß sehr kleine Quantisierungsstufen eingestellt werden müssen, damit das durch den Quantisierer eingeführte Quantisierungsrauschen kleiner oder gleich der psychoakustischen Maskierungsschwelle ist. Für rauschhafte Audiosignalanteile ist dagegen die Maskierungsfähigkeit hoch, so daß eine relativ große Menge an Quantisierungsrauschen in das Audiosignal eingebracht werden kann, welches aufgrund der Charakteristik des Audiosignals noch maskiert wird und daher unhörbar bleibt. Der beschriebene Codierer, bei dem eine variable Datenrate einerseits und eine beliebig hohe Datenrate andererseits zugelassen ist, wird daher tonale Bereiche des Audiosignals sehr fein quantisieren, was zu einer hohen Datenrate und somit zu einer geringen Datenreduktion führt. Andererseits wird dieser Codierer rauschhafte Audiosignalanteile sehr grob quantisieren, wodurch sehr viel Quantisierungsrauschen eingeführt wird, was wiederum zu einer geringen Datenrate und damit zu einer hohen Datenratenreduzierung führt.
  • Üblicher sind jedoch Codierer, die ausgangsseitig eine feste Datenrate liefern müssen. Die Datenratenanforderung ist bei solchen Codierern ein immer zu beachtendes Kriterium, da beispielsweise für den digitalen Rundfunk eine feste Datenrate vorgeschrieben ist. Ist die geforderte Datenrate relativ hoch, so wird der Codierer immer relativ fein quantisieren, damit auch tonale Bereiche des Audiosignals noch ohne hörbares Quantisierungsrauschen codiert werden, während weniger tonale Bereiche des Audiosignals ebenfalls relativ fein quantisiert werden, derart, daß das eingeführte Quantisierungsrauschen weit unterhalb der psychoakustischen Maskierungsschwelle liegt, was wiederum bedeutet, daß die weniger tonalen Bereiche übercodiert sind, daß hier also nicht die maximal mögliche Datenrateneinsparung erreicht worden ist.
  • Wenn die geforderte Ausgangsdatenrate eine mittlere Datenrate ist, so wird ein Codierer nicht mehr in der Lage sein, in tonalen Bereichen des Audiosignals die Quantisierungsstufen so fein zu wählen, daß das eingeführte Quantisierungsrauschen kleiner oder gleich der psychoakustischen Maskierungsschwelle ist. In diesem Fall wird, um der Datenratenanforderung unbedingt zu gehorchen, in tonalen Bereichen Quantisierungsrauschen eingeführt. Während moderne Codierer sogenannte Bitsparkassenfunktionen haben, also eine Funktion, bei der in rauschhaften Audiobereichen mit einer geringeren als der ausgangsseitigen Datenrate codiert wird und die eingesparten Bits in eine Bitsparkasse gesteckt werden, um dann in tonalen Bereichen, bei denen die geforderte Ausgangsdatenrate eigentlich zu niedrig ist, auf die eingesparten Bits zurückzugreifen, existieren auch ältere Codierer, die keine derartigen Mechanismen aufweisen. Wenn daher ein Codierer ohne Bitsparkasse bzw. ein Codierer, bei dem die Bitsparkasse erschöpft ist, da das Audiosignal ständig tonale Bereiche hat, solche tonalen Bereiche codiert, um die geforderte Ausgangsdatenrate einzuhalten, wird in das Audiosignal Quantisierungsrauschen eingeführt, das oberhalb der psychoakustischen Maskierungsschwelle liegt und damit hörbar sein wird.
  • Ein Decodierer, wie er in 5 gezeigt ist, erhält an seinem Eingang 500 den aus dem Codierer von 4 ausgegebenen Bitstrom, führt in einer Einrichtung 510 einen Bitstrom-Demultiplex durch, um die Seiteninformationen wieder von den möglicherweise Entropie-codierten quantisierten Spektralwerten zu trennen. Dann wird in einem Block 520 eine inverse Quantisierung durchgeführt, um dann die invers quantisierten Audiospektralwerte einer Synthese-Filterbank 530 zuzuführen, welche ausgangsseitig wieder Audio-Abtastwerte an einem Decodiererausgang 540 liefert, die dann nach einer Digital/Analog-Wandlung einem Verstärker und einem Lautsprecher zugeführt werden können.
  • Hatte der Quantisierer 430 von 4 in tonalen Bereichen des Audiosignals derart viel Quantisierungsrauschen eingeführt, daß das Quantisierungsrauschen oberhalb der psychoakustischen Maskierungsschwelle war, so wird das codierte und wieder decodierte Audiosignal am Ausgang 540 des Decodierers von 5 hörbare Fehler haben. Dafür war der Codierer jedoch in der Lage, die geforderte Ausgangs-Datenrate einzuhalten. Typische mittlere Datenraten sind für eine Stereo-Übertragung 192 Kilobit pro Sekunde, und für Monosignale eine Datenrate von 96 Kilobit pro Sekunde.
  • Durch den Quantisierer 430 von 4 wird der gesamte Wertebereich, den die Audiospektralwerte einnehmen können, in verschiedene Stufen eingeteilt. Modernere Codierer haben hier eine frequenzabhängige Einteilung, d. h. verschiedene Quantisierungsstufen für verschiedene Frequenzen. So dürften größere Quantisierungsstufen bei den oberen Frequenzen vorhanden sein, während kleinere Quantisierungsstufen in niedrigeren Frequenzen auftreten werden, zumal bekanntlich tonalere Anteile des Audiosignals eher niederfrequenter sind, während rauschhaftere Anteile des Audiosignals eher höherfrequenter sind.
  • Die Quantisierung bewirkt eine wesentliche Datenreduktion dahingehend, daß nunmehr eigentlich nur noch übertragen wird, in welchem Quantisierungsintervall ein gegebener Audio-Spektralwert ist.
  • Der inverse Quantisierer 520 geht dann so vor, daß er in Form des quantisierten Spektralwerts die Information erhält, in welchem Quantisierungsintervall bzw. in welcher Quantisierungsstufe der ursprüngliche Audio-Spektralwert war. Aufgrund der Quantisierungsinformationen, die dem inversen Quantisierer 520 von dem Bitstrom-Demultiplexer 510 geliefert werden, kann der inverse Quantisierer dann die obere und untere Grenze des Quantisierungsintervalls erhalten, in dem der zu verarbeitende Audio-Spektralwert liegt. Typischerweise wird der inverse Quantisierer dann das arithmetische Mittel zwischen oberer und unterer Grenze des Quantisierungsintervalls bestimmen, um den invers quantisierten Spektralwert als eben dieses arithmetische Mittel auszugeben. Lag der im Codierer zu quantisierende Audio-Spektralwert in der Nähe der oberen Grenze des betrachteten Quantisierungsintervalls, so besteht der Quantisierungsfehler, der durch den inversen Quantisierer 520 von 5 gemacht wird, in der Differenz zwischen dem ursprünglichen Audio-Spektralwert, der ja in der Nähe der oberen Grenze des Quantisierungsintervalls lag, und dem von dem inversen Quantisierer erzeugten invers quantisierten Audio-Spektralwert, welcher nun z. B. das arithmetische Mittel des Quantisierungsintervalls ist. War jedoch das Quantisierungsintervall so klein gewählt, daß der eingeführte Fehler unterhalb der psychoakustischen Maskierungsschwelle liegt, so ist dieser durch den inversen Quantisierer eingeführte Fehler nicht hörbar. War dies jedoch nicht der Fall, da der Codierer z. B. Datenratenanforderungen erfüllen mußte, so wird der Fehler hörbar sein, da der inverse Quantisierer im bekannten Decodierer keine Möglichkeit hat, zu wissen, ob der ursprüngliche Audiospektralwert in der Nähe der oberen Grenze des Quantisierungsintervalls, in der Nähe der unteren Grenze des Quantisierungsintervalls bzw. irgendwo im Quantisierungsintervall gelegen hat.
  • Die Doktorarbeit mit dem Titel „Fehlerverschleierung bei spektral codierten Audiosignalen" von Dr. Jürgen Herre, Erlangen, 1995, beschreibt unter anderem Techniken zur Fehlerverschleierung, die im Zusammenhang mit der Übertragung von Audiosignalen mittels gehörangepasster Quellcodierverfahren eingesetzt werden können. Je nach Charakteristik des Audiosignals werden tonale Signale und transiente Signalarten betrachtet. In einem ersten Schritt wird eine Detektionsprozedur durchgeführt, um eine Detektionsschwelle aus dem Betragsmaximum der umgebenden Werte in einer rechteckigen Zeit/Frequenzumgebung zu berechnen. In einem zweiten Schritt wird dann eine Korrekturprozedur durchgeführt, in dem der Wert des Koeffizienten aufgrund der Schwelle korrigiert wird. Die Schwelle kann durch Summierung der Energie innerhalb einer Umgebung berechnet werden. Auch eine Variante mit Spitzenwertdetektion hat sich bewährt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Decodierer zu schaffen, welcher eine bessere Qualität eines codierten und wieder decodierten Datensignals liefert.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Decodieren eines codierten Datensignals gemäß Patentanspruch 1 oder durch ein Verfahren zum Decodieren eines codierten Datensignals nach Patentanspruch 11 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Decodieren eines codierten Datensignals dadurch verbessert werden kann, daß beim Decodieren das Datensi gnalumfeld oder die Charakteristika des dem Decodierer bekannten bisher decodierten Signals berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß wird zunächst ein Quantisierungswert des codierten Datensignals beispielsweise mittels eines Bitstrom-Demultiplexers ermittelt. Anschließend wird ein Ersatzwert z. B. unter Verwendung eines bereits in der Vergangenheit durch den Decodierer decodierten Datensignals erzeugt. Hierauf wird festgestellt, ob zwischen dem Quantisierungswert des codierten Datensignals und dem erzeugten Ersatzwert eine vorbestimmte Beziehung besteht. Falls diese vorbestimmte Beziehung festgestellt wird, wird das decodierte Datensignal unter Verwendung der Ersatzwerts ermittelt. Falls festgestellt wird, daß die vorbestimmte Beziehung nicht besteht, so wird der Ersatzwert verworfen, und der ursprüngliche Quantisierungswert des codierten Datensignals wird zum Ermitteln des decodierten Datensignals verwendet.
  • Vorzugsweise wird festgestellt, ob der erzeugte Ersatzwert in demselben Quantisierungsintervall liegt, in dem der betrachtete Quantisierungswert liegt. Die vorbestimmte Beziehung besteht bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel somit darin, daß festgestellt wird, ob der Ersatzwert und der Quantisierungswert im selben Quantisierungsintervall liegen. Eine verschärftere Verarbeitungsvorschrift besteht darin, daß nicht nur der aktuell betrachtete Quantisierungswert und der aktuell betrachtete Ersatzwert sondern auch entsprechende Quantisierungs- und Ersatzwerte aus der Vergangenheit im selben Quantisierungsintervall gelegen haben. Wird beispielsweise festgestellt, daß der Quantisierungswert für die Spektrallinie, die für die Frequenz 1 kHz steht, und der erzeugte Ersatzwert, der für 1 kHz steht, nicht nur im aktuell verarbeiteten Block im selben Quantisierungsintervall liegen, sondern auch in den letzten z. B. drei vorausgehenden Blöcken im selben Quantisierungsintervall lagen, so kann davon ausgegangen werden, daß der Frequenzbereich des Audiosignals um 1 kHz herum tonal ist, was wiederum bedeutet, daß der Ersatzwert sehr wahrscheinlich näher an dem ursprünglichen Audio-Spektralwert für 1 kHz liegt als das arithmetische Mittel zwischen oberer und unterer Grenze des Quantisierungsintervalls, in dem der Quantisierungswert liegt.
  • Bevorzugterweise wird der Ersatzwert unter Verwendung eines bereits in der Vergangenheit decodierten Datensignals erzeugt. Hierzu wird vorzugsweise ein Prädiktorverfahren eingesetzt, wobei insbesondere der LMSL-Prädiktor- (LMSL = Least Mean Square Leaky) Prädiktor bevorzugt wird, welcher einen aktuellen Wert unter Verwendung der „Tendenz" aus der Vergangenheit vorhersagt. Alternative Verfahren zum Erzeugen eines Ersatzwerts unter Verwendung des bereits in der Vergangenheit decodierten Datensignals könnte ein einseitiges Interpolationsverfahren sein, welches ebenfalls beispielsweise unter Verwendung der bereits in der Vergangenheit ermittelten Quantisierungswerte und/oder Ersatzwerte den aktuellen Ersatzwert unter Verwendung einer linearen, kubischen oder wie auch immer gearteten Interpolation berechnet.
  • Alternativ kann auch die Form des Spektrums aus dem vorhergegangenen Block bzw. aus einer Mehrzahl von vorhergegangenen Blöcken des Audiosignals verwendet werden, um einen Ersatzwert zu erzeugen. Waren beispielsweise in der Vergangenheit vier nebeneinander liegende oder vier in einem bestimmten Frequenzabstand beabstandete Spektrallinien immer gleich, so kann ein Ersatzwert auch dahingehend erzeugt werden, daß im aktuell betrachteten Zeitblock ebenfalls angenommen wird, daß diese vier Spektralwerte die gleichen Charakteristika haben wie in dem vorausgehenden bzw. in den mehreren vorausgehenden zeitlichen Blöcken.
  • Alternativ kann auch das aktuelle gerade betrachtete codierte Datensignal verwendet werden, um den Ersatzwert zu erzeugen. Wenn beispielsweise zwei Spektralwerte, die einen Spektralwert in der Mitte umgeben, gleich sind, so könnte auch als Ersatzwert für den mittleren Spektralwert ein Wert angenommen werden, welcher zu den beiden benachbarten Werten gleich ist.
  • Allgemein gesprochen wird der Ersatzwert somit unter Verwendung des aktuellen codierten oder decodierten Datensignals oder unter Verwendung eines bereits in der Vergangenheit decodierten Datensignals erzeugt. Das Erzeugen des Ersatzwerts kann jedoch auch wesentlich spezifischer durchgeführt werden. Wird z. B. aufgrund des Spektrums des vorausgehenden Datensignals oder aufgrund einer externen Kenntnis über das Signal eine bestimmte Charakteristik des codierten Datensignals bekannt gemacht, d. h. daß das codierte Datensignal z. B. ein Violoncello-Solo ist, so könnte eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ersatzwerts angepaßt sein, um unter Berücksichtigung der Klangfarbe eines Violoncellos, also der für ein Violoncello charakteristischen Folge von Oberwellen, Ersatzwerte zu erzeugen. Eine Vielzahl weiterer Alternativen ist denkbar.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, daß aufgrund der Ausnutzung der Kenntnis des aktuellen zu decodierenden Signals und/oder des bereits in der Vergangenheit decodierten Signals insbesondere für relativ stationäre Teile des Signals, welche typischerweise mit einem hohen Quantisierungsrauschen beaufschlagt sind, im Decodierer Vorhersagen getroffen werden können, so daß die Qualität des decodierten Datensignals verbessert werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß diese Verbesserung stattfindet, ohne daß die Datenrate des codierten Bitstroms erhöht zu werden braucht.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß erfindungsgemäß eine Verbesserung der Qualität des decodierten Signals erreicht wird, ohne daß Eingriffe in den Codierer erforderlich sind, so daß bereits bestehende Codierer und insbesondere bereits seit längerem beste hende niederqualitativere Codierer weiter verwendet werden können.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung insbesondere bezüglich Audiosignalen besteht darin, daß genau dort, wo Probleme hinsichtlich des Quantisierungsrauschens entstehen, nämlich in tonalen Bereichen des Audiossignals, das erfindungsgemäße Konzept zum verbesserten Decodieren die besten Ergebnisse liefert. Dagegen werden in nicht-tonalen Bereichen des Audiosignals sehr wahrscheinlich keine besonders günstigen Ersatzwerte erzeugt. Dies macht jedoch nichts aus, da in diesen Bereichen die Maskierungsfähigkeit des Audiosignals ohnehin typischerweise groß genug sein wird, um relativ grob zu quantisieren und somit die Datenratenanforderungen zu erfüllen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Decodieren eines Audiosignals;
  • 2 ein detaillierteres Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine detailliertere Darstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ein Blockschaltbild eines bekannten Codierers; und
  • 5 ein Blockschaltbild eines bekannten Decodierers.
  • Bei nicht gehörangepaßten Audiocodiersystemen hat die Verteilung der Qualität über verschiedene Teststücke extreme Minima und Maxima. Die schlechtesten Teststücke beschränken die Qualität des Audiocodierverfahrens. Bei beispielsweise ISO/MPEG-Layer 2 werden prinzipbedingt, aufgrund der Anforderungen nach konstanter Bitrate, tonale Teststücke bei nicht zu hohen Bitraten mit schlechter Qualität übertragen und begrenzen die Qualität. Mittels einer besseren Schätzung des Erwartungswerts innerhalb der inversen Quantisierung können tonale Stücke besser decodiert werden. Durch die erfindungsgemäß verbesserte Decodierung der tonalen Teststücke kann die Qualität dieses Audiocodierverfahrens bezüglich der Worst-Case-Betrachtung verbessert werden.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Decodieren eines codierten Datensignals. Das codierte Datensignal gelangt über einen Eingang 10 des erfindungsgemäßen Decodierers in eine Einrichtung 12 zum Liefern eines Quantisierungswerts. Die Einrichtung 12 kann beispielsweise einen Bitstrom-Demultiplexer, wie er in 5 gezeigt ist, umfassen. Alternativ kann die Einrichtung zum Liefern eines Quantisierungswerts, die in 1 mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist, einen Entropie-Decodierer umfassen, wenn, wie es bezugnehmend auf 4 erklärt worden ist, im Codierer eine Entropie-Codierung stattgefunden hat. Je nach Anwendungsfall ist die Einrichtung 12 zum Liefern eines Quantisierungswerts so ausgestaltet, daß sie aus dem codierten Datensignal einen Quantisierungswert extrahiert. Je nach Ausführungsform ist der durch die Einrichtung 12 gelieferte Wert bereits das arithmetische Mittel eines Quantisierungsintervalls, welches, wie es bezugnehmend auf 5 erklärt worden ist, durch den Block inverse Quantisierung 520 erzeugt wird. Alternativ kann der Quantisierungswert jedoch auch in der Angabe des Quantisierungsintervalls bestehen, aus dem dann unter Verwendung der Seiteninformationen, welche in dem codierten Datenstrom am Eingang 10 des Decodierers von 1 enthalten sind, Informationen über die obere und untere Grenze des betrachteten Quantisierungsintervalls ableitbar sind.
  • Die erfindungsgemäße Decodierervorrichtung umfaßt ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ersatzwerts, welche in 1 mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist. Wie es aus 1 ersichtlich ist, kann die Einrichtung zum Erzeugen eines Ersatzwerts diesen Ersatzwert unter Verwendung eines aktuellen codierten Datensignals (Zweig 16a) oder unter Verwendung eines in der Vergangenheit decodierten Datensignals, welches vom Ausgang des Decodierers abgezweigt wird (Zweig 16b), dann in einem Speicher 16c zwischengespeichert wird und von dort je nach Bedarf über einen Zweig 16d der Einrichtung 14 zum Erzeugen des Ersatzwerts zugeführt wird, erzeugen. Alternativ kann die Einrichtung 14 auch, wie es ausgeführt worden ist, allgemeine Informationen über das Datensignal erhalten, wie es durch einen Zweig 16e in 1 veranschaulicht ist, und darauf aufbauend den Ersatzwert erzeugen.
  • Allgemein erzeugt die Einrichtung 14 einen Ersatzwert und liefert diesen über eine Ausgangsleitung 18 zu einer Einrichtung 20 zum Feststellen, ob zwischen dem Quantisierungswert des codierten Datensignals und dem erzeugten Ersatzwert eine vorbestimmte Beziehung besteht.
  • Der Ersatzwert wird allgemein gesagt unter Verwendung der beim Decodierer zur Verfügung stehenden Informationen über das Datensignal erzeugt. Die Informationen über das Datensignal umfassen je nach Bedarf Informationen über das aktuell am Decodierer anliegende codierte Datensignal, Informationen über das in der Vergangenheit vom Decodierer decodierte Datensignal, Informationen über das aktuell decodierte Datensignal, oder aber allgemeine extern beim Decodierer bekannte Informationen über das Datensignal (Zweig 16e), wobei solche Informationen beispielsweise das allgemeine Wesen des gerade zu verarbeitenden Datensignals angeben, beispielsweise ob hier ein bestimmtes Instrument dominant ist, wobei dann unter Verwendung eines Modells für dieses Instrument ebenfalls Ersatzwerte erzeugt werden können.
  • Es wird bevorzugt, daß die Einrichtung 20 zum Feststellen feststellt, ob der erzeugte Ersatzwert im selben Quantisierungsintervall liegt wie der Quantisierungswert aus dem codierten Datensignal. Damit wird sichergestellt, daß zumindest kein zu großer Fehler eingeführt wird. Wenn nämlich der Ersatzwert außerhalb des Quantisierungsintervalls liegt, so wird der Ersatzwert nicht verwendet, um das decodierte Datensignal zu ermitteln, sondern dann wird der von der Einrichtung 12 gelieferte Quantisierungswert verwendet. Wenn jedoch festgestellt wird, daß der Ersatzwert in dem Quantisierungsintervall liegt, in dem der Quantisierungswert liegt, so ist bereits gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Kriterium erfüllt, damit der Ersatzwert den Quantisierungswert tatsächlich ersetzt.
  • Für einfache Ausführungsformen dürfte dieses Kriterium bereits genügen. Es wird jedoch bevorzugt, daß der Ersatzwert 18 den Quantisierungswert nur dann ersetzt, wenn der Ersatzwert in einem vorausgehenden bereits in der Vergangenheit liegenden Block von zu decodierenden Spektralwerten ebenfalls im selben Quantisierungsintervall wie der in diesem Block enthaltene Quantisierungswert lag. In diesem Fall wird sichergestellt, daß keine „Zufallstreffer„ des Ersatzwerts verwendet werden, sondern daß zumindest bereits in zwei aufeinanderfolgenden Blöcken von zu verarbeitenden Audio-Spektralwerten der Ersatzwert im selben Quantisierungsintervall wie der Quantisierungswert lag. Je nach Detektionsschärfe kann die Anzahl der Blöcke, in denen Ersatzwert und Quantisierungswert im selben Quantisierungsintervall zu liegen haben, erhöht werden. Dies führt dazu, daß durch das Ersetzen des Quantisierungswerts durch den Ersatzwert höchstens sehr kleine Fehler eingeführt werden, führt jedoch andererseits auch dazu, wenn die Kriterien so hoch geschraubt werden, daß ein Quantisierungswert kaum mehr durch einen Ersatzwert ersetzt wird, wodurch auch das bekannte Decodierverfahren kaum mehr einer Verbesserung unterzogen wird. Je nach Anwendungsfall wird ein Kompromiß zwischen diesen beiden Extrema zu finden sein.
  • Eine Einrichtung 22 zum Ermitteln des decodierten Signals ist der Einrichtung 20 nachgeschaltet. Die Einrichtung 22 zum Ermitteln des decodierten Signals verwendet den Ersatzwert, wenn die vorbestimmte Beziehung zwischen dem Ersatzwert und dem Quantisierungswert festgestellt worden ist, oder verwendet den Quantisierungswert, wenn festgestellt worden ist, daß der Ersatzwert die vorbestimmte Beziehung nicht erfüllt hat. Die Einrichtung 22 zum Ermitteln des decodierten Signals umfaßt beispielsweise eine Synthese-Filterbank, wie sie in 5 dargestellt ist.
  • 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei dem nicht nur eine einzige Einrichtung zum Erzeugen eines Ersatzwerts vorhanden ist, sondern eine Mehrzahl von Einrichtungen 14a, 14b, welche als Modell 1 und Modell 2 bezeichnet sind. Als Modelle werden erfindungsgemäß adaptive Signalgeneratoren, wie Prädiktoren, einseitige Interpolatoren, Sinus- oder Transienten-Generatoren verwendet. Mittels der verschiedenen Modelle 14a, 14b werden aus den im Decodierer zur Verfügung stehenden Informationen über das Datensignal Ersatzwerte erzeugt, wobei in 2 lediglich die aktuellen Spektrallinien des decodierten Datensignals, also der Zweig 16b bzw. 16d von 1 gezeichnet sind. Am Ausgang der Modelle 14a, 14b werden für einen Quantisierungswert zwei verschiedene Ersatzwerte erzeugt, wobei dann in einem jeweiligen Block „Fehlerbestimmung" 20a, 20b bestimmt wird, ob die vorbestimmte Beziehung zwischen dem Erwartungswert und dem Spektralwert vorhanden ist. Die Blöcke Fehlerbestimmung 20a, 20b von 2 entsprechen somit der Einrichtung 20 zum Feststellen von 1. In einem Block 22', der in 2 mit „Entscheidung" bezeichnet ist, und der der Einrichtung zum Ermitteln des decodierten Signals entspricht, wird dann entschieden, welcher der Erwartungswerte besser ist, bzw. ob überhaupt ein Erwartungswert besser ist als die quanti sierte Spektrallinie aus dem decodierten Signal. Abhängig von dem Ergebnis des Blocks 22' wird der in 2 gezeigte Schalter 24 bedient, welcher bezugnehmend auf 1 ebenfalls Teil der -Einrichtung 22 zum Ermitteln des decodierten Signals ist.
  • 2 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem verschiedene Modelle verwendet werden. Mittels dieser verschiedenen Modelle werden somit aus den im Decodierer zur Verfügung stehenden Informationen über das Datensignal Schätzwerte (Ersatzwerte) für das Original, d. h. für einen Quantisierungswert erzeugt. Der Fehler des Schätzwerts zur Spektrallinie wird ausgewertet. Entsprechend einer Gewichtung der ermittelten Fehler in dem Entscheidungsblock 22' wird dann entschieden, welcher der Werte als neue Spektrallinie ausgegeben wird, bzw. ob überhaupt ein Ersatzwert verwendet wird, oder ob, was im Falle eines nicht-tonalen Audiosignals der Fall sein wird, der ursprüngliche Quantisierungswert weiterverarbeitet wird.
  • 3 zeigt eine detailliertere Darstellung eines erfindungsgemäßen Decodierers, bei dem die Einrichtung 14 zum Erzeugen eines Ersatzwerts als Schätzer bzw. Prädiktor ausgeführt ist, welcher unter Verwendung entweder der aktuellen Spektrallinien oder der vorausgehenden Spektrallinien arbeitet.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß auch zukünftige Spektrallinien des Audiosignals als Informationen über das Audiosignal verwendet werden können. In diesem Fall wird der Decodierer bereits im Voraus decodieren, um Spektrallinien zu erhalten, die zeitlich nach den geraden in den Zeitbereich rücktransformierten Spektrallinien bzw. Erastzwerten liegen.
  • Es existieren verschiedene Möglichkeiten, um festzustellen, ob die vorbestimmte Beziehung zwischen dem Ersatzwert und dem aktuellen Quantisierungswert erfüllt ist. So kann auf grund des Quantisierungswerts, der von der Einrichtung 12 von 1 geliefert wird, ermittelt werden, in welchem Quantisierungsintervall der Quantisierungswert liegt. In diesem Fall muß, um festzustellen, ob der Ersatzwert in dem gleichen Quantisierungsintervall liegt, derselbe mit der oberen und der unteren Grenze des Quantisierungsintervalls verglichen werden, um eine JA/NEIN-Entscheidung zu liefern. Alternativ wird, wie es in 3 gezeigt ist, unter Verwendung der Quantisierungsparameter, die aus dem codierten Datenstrom extrahiert werden, der von dem Prädiktor 14 erzeugte Ersatzwert selbst quantisiert, wozu in dem Decodierer ein eigener Quantisierer 26 vorgesehen ist. Damit gestaltet sich der Vergleich zwischen dem Ersatzwert und dem Spektralwert, welcher in dem Quantisierungsintervall-Interpolator 28 vorgenommen wird, sehr einfach. Ist nämlich die quantisierte Spektrallinie am Ausgang der Einrichtung 12 gleich dem quantisierten Ersatzwert, wird festgestellt, daß die vorbestimmte Beziehung besteht, ist jedoch der quantisierte Ersatzwert ungleich der quantisierten Spektrallinie, so bedeutet dies, daß der Ersatzwert nicht im gleichen Quantisierungsintervall wie die quantisierte Spektrallinie liegt, so daß die vorbestimmte Beziehung nicht erfüllt ist.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß das in den 1 bis 3 beschriebene Verfahren entweder selektiv auf bestimmte Quantisierungswerte oder auf alle Quantisierungswerte durchgeführt werden kann. Erfahrungsgemäß sind jedoch Spektralwerte eher im unteren Bereich des Spektrums tonal, während der obere Bereich des Spektrums überwiegend nicht-tonal ist. Daher wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine erfindungsgemäße Decodierer-Nachverarbeitung bzw. Decodierer-Entzerrung lediglich für Spektralwerte in der unteren Hälfte des Spektrums oder sogar nur im unteren Drittel des gesamten Audiospektrums vorgenommen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auf jeden einzelnen Quantisierungswert angewendet werden, was für MPEG-Layer 2 jeder quantisierte Polyphasenwert aller beteiligten Teilbänder ist. Es wird jedoch, wie es ausgeführt worden ist, bevorzugt, daß das Verfahren teilbandweise durchgeführt wird. Im Prinzip ist jedoch auch jede andere Anwendung, beispielsweise auf jede zweite, dritte oder vierte Spektrallinie, möglich.
  • Die bisherige Spektrallinie und optional weiter zurückliegende Spektrallinien sind das Eingangssignal für einen Prädiktor. Der Prädiktor reduziert das Signal um den Rauschanteil, so daß der Prädiktor die schätzbaren Komponenten des Signals ausgibt. Aus dem Bitstrom können die Quantisierungsparameter des Codierers wiedergewonnen werden. Die Schätzwerte werden dann wie im Codierer quantisiert. Nun werden die quantisierten Schätzwerte mit den im Bitstrom übertragenen jeweiligen quantisierten Werten verglichen. Sind die quantisierten Schätzwerte zum Schätzzeitpunkt bzw. bei schärferer Detektion in der Umgebung des Schätzzeitpunkts mit den zeitentsprechenden im Bitstrom übertragenen Quantisierungswerten identisch, dann wird der Schätzwert als neue Spektrallinie ausgegeben, ansonsten wird die bisherige Spektrallinie verwendet. Dies wird durch den Quantisierungsintervall-Interpolator 28 erreicht. Mögliche eingefügte Verzögerungen werden kompensiert.
  • Als Schätzer 14 wird z. B. ein LMSL-Prädiktor bevorzugt, dessen Eingangswerte aus der zeitlichen Umgebung und insbesondere aus der Vergangenheit hinsichtlich des betrachteten Schätzzeitpunkts stammen.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Decodieren eines codierten Datensignals, um ein decodiertes Datensignal zu erhalten, wobei das codierte Datensignal durch Quantisieren eines ursprünglichen Datensignals erzeugt worden ist, wobei beim Quantisieren des ursprünglichen Datensignals eine Mehrzahl von Quantisierungsintervallen verwendet worden ist, und wobei das codierte Datensignal Audio- und/oder Videoinformationen umfaßt, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (12) zum Liefern eines Quantisierungswerts aus dem codierten Datensignal; einer Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Ersatzwerts unter Verwendung von Informationen über das Datensignal; einer Einrichtung (20) zum Feststellen, ob zwischen dem Quantisierungswert des codierten Datensignals und dem erzeugten Ersatzwert eine vorbestimmte Beziehung besteht, wobei die Einrichtung (20) zum Feststellen ausgebildet ist, um ein Bestehen der vorbestimmten Beziehung zu signalisieren, wenn der Ersatzwert und der Quantisierungswert des codierten Datensignals im gleichen Quantisierungsintervall liegen; und einer Einrichtung (22) zum Ermitteln des decodierten Datensignals unter Verwendung der Ersatzwerts, falls die vorbestimmte Beziehung festgestellt ist.
  2. Vorrichtung zum Decodieren nach Anspruch 1, bei dem die Informationen über das Datensignal das aktuelle codierte Datensignal und/oder das codierte oder decodierte Datensignal aus der Vergangenheit umfassen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem das codierte Datensignal zeitlich aufeinanderfolgende Blöcke von Quantisierungswerten aufweist, und bei dem die Einrichtung (20) zur Feststellung angeordnet ist, um ein Bestehen der vorbestimmten Beziehung nur dann zu signalisieren, wenn ferner zumindest einer bezüglich eines vorausgehenden Blocks ermittelter Ersatzwert in dem gleichen Quantisierungsintervall wie ein Quantisierungswert des vorausgehenden Blocks gelegen hat.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das codierte Datensignal als Bitstrom in einer vorbestimmten Datenstromsyntax vorliegt, und bei dem die Einrichtung (12) zum Liefern angeordnet ist, um den Bitstrom zu demultiplexen und so weit zu decodieren, daß der Quantisierungswert vorliegt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das ursprüngliche Datensignal ein Audiosignal ist, und das codierte Datensignal quantisierte Spektralwerte des ursprünglichen Audiosignals aufweist, und bei der die Einrichtung (22) zum Ermitteln angeordnet ist, um eine Frequenzbereichs-Zeitbereichs-Rücktransformation unter Verwendung des Ersatzwerts auszuführen, falls die vorbestimmte Beziehung festgestellt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Einrichtung (20) zum Feststellen folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Vergleichen des Ersatzwerts mit einer unteren Grenze eines Quantisierungsintervalls, in dem der Quantisierungswert liegt; eine Einrichtung zum Vergleichen der Ersatzwerts mit einer oberen Grenze eines Quantisierungsintervalls, in dem der Quantisierungswert liegt, wobei das Bestehen der vorbestimmten Beziehung nur dann signalisiert wird, wenn der Ersatzwert größer oder gleich der unteren Grenze und kleiner oder gleich der oberen Grenze ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Einrichtung (20) zum Feststellen folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Extrahieren von Quantisierungsparametern aus dem codierten Datensignal; eine Einrichtung zum Quantisieren (26) des Ersatzwerts unter Verwendung der extrahierten Quantisierungsparameter; und eine Einrichtung zum Vergleichen (28) des quantisierten Ersatzwerts mit dem Quantisierungswert des codierten Datensignals, wobei das Bestehen der vorbestimmten Beziehung nur dann signalisiert wird, wenn der quantisierte Ersatzwert und der Quantisierungswert des codierten Datensignals identisch sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das codierte Datensignal zeitlich aufeinanderfolgende Blöcke von quantisierten Spektralwerten aufweist, bei der die Einrichtung (14) zum Erzeugen einen Prädiktor aufweist, der unter Verwendung von quantisierten Spektralwerten und/oder Ersatzwerten, die in zumindest zwei vorausgehenden Blöcken durch die Einrichtung zum Ermitteln verwendet wurden, den Ersatzwert für einen gerade verarbeiteten Block erzeugt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine weitere Einrichtung (14b) zum Erzeugen eines Ersatzwerts vorgesehen ist, die einen Ersatzwert unter Verwendung einer anderen Erzeugungsvorschrift als die eine Einrichtung (14a) zum Erzeugen erzeugt; und bei der die Einrichtung zum Feststellen (20a, 20b) angeordnet ist, um zu überprüfen, ob einer der Mehrzahl von erzeugten Ersatzwerten die vorbestimmte Beziehung erfüllt, und bei der der erzeugte Ersatzwert aus der Mehrzahl von erzeugten Ersatzwerten von der Einrichtung (22') zum Ermitteln verwendet wird, der die vorbestimmte Beziehung erfüllt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das codierte Datensignal eine Mehrzahl von Quantisierungswerten aufweist, die ein Spektrum des ursprünglichen Datensignals darstellen, das sich von einer unteren bis zu einer oberen Grenzfrequenz erstreckt, und bei der nur für die Quantisierungswerte von der unteren bis zu einer oberen Frequenz, die kleiner als die obere Grenzfrequenz ist, Ersatzwerte erzeugt werden.
  11. Verfahren zum Decodieren eines codierten Datensignals, um ein decodiertes Datensignal zu erhalten, wobei das codierte Datensignal durch Quantisieren eines ursprünglichen Datensignals erzeugt worden ist, wobei beim Quantisieren des ursprünglichen Datensignals eine Mehrzahl von Quantisierungsintervallen verwendet worden ist, und wobei das codierte Datensignal Audio- und/oder Videoinformationen umfaßt, mit folgenden Schritten: Liefern (12) eines Quantisierungswerts aus dem codierten Datensignal; Erzeugen (14) eines Ersatzwerts unter Verwendung von Informationen über das Datensignal; Feststellen (20), ob zwischen dem Quantisierungswert des codierten Datensignals und dem erzeugten Ersatzwert eine vorbestimmte Beziehung besteht, wobei ein Bestehen der vorbestimmten Beziehung signalisiert wird, wenn der Ersatzwert und der Quantisierungswert des codierten Datensignals im gleichen Quantisierungsintervall liegen; und Ermitteln (22) des decodierten Datensignals unter Verwendung der Ersatzwerts, falls die vorbestimmte Beziehung festgestellt ist.
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HERRE, J.: Fehlerverschleierung bei spektralco- dierten Audiosignalen, Dissertation 1995, Techni- schen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg *

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