DE3733786A1 - Digitales adaptives transformationscodierverfahren - Google Patents

Digitales adaptives transformationscodierverfahren

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DE3733786A1 DE19873733786 DE3733786A DE3733786A1 DE 3733786 A1 DE3733786 A1 DE 3733786A1 DE 19873733786 DE19873733786 DE 19873733786 DE 3733786 A DE3733786 A DE 3733786A DE 3733786 A1 DE3733786 A1 DE 3733786A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales adaptives Transformationscodierverfahren für die Übertragung und/ oder Speicherung von akustischen Signalen und insbesondere von Musiksignalen.
Akustische Signale werden gegenwärtig in der Regel mittels der sogenannten Pulscodemodulation codiert. Bei diesem Verfahren werden Musiksignale mit mindestens 32 kHz, nor­ malerweise mit 44,1 kHz abgetastet. Bei 16 Bit linearer Codierung ergeben sich damit Datenraten zwischen 512 und 705,6 kbit/s.
Es sind deshalb in der Vergangenheit die verschiedensten Verfahren zur Reduktion dieser Datenmengen vorgeschlagen worden:
Beispielsweise ist in der DE-PS 33 10 480 ein digitales adaptives Transformationscodierverfahren gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 beschrieben worden. Auf diese Druckschrift wird im übrigen auch hinsichtlich aller nicht näher beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich bezug genommen.
Die adaptive Transformationscodierung erlaubt bei guter Qualität Datenreduktionen auf ca. 110 kbit/s. Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist jedoch, daß insbeson­ dere bei kritischen Musikstücken subjektiv wahrnehmbare Qualitätsminderungen auftreten können. Dies kann unter anderem eine Folge davon sein, daß bei den bekannten Ver­ fahren Störanteile im codierten Signal nicht an die Hör­ schwelle des Ohres angepaßt werden können und darüber­ hinaus über Steuerungen und zu grobe Quantisierungen mög­ lich sind.
Darüberhinaus ist noch keine Echtzeit-Realisierung der adaptiven Transformationscodierung bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein digitales adaptives Transformationscodierverfahren gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß Übersteuerungen nicht mehr auftreten können und darüber­ hinaus eine Echtzeit-Realisierung möglich ist.
Eine erfindungsgemäß Lösung dieser Aufgabe ist mit Ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird zur Beschreibung des Grobverlaufs des Spektrums der quantisierte Maximalwert jeder Frequenzgrup­ pe verwendet und allen Werten einer Frequenzgruppe die gleiche Bitzahl entsprechend dem in dieser Frequenzgruppe auftretenden Maximalwert zugeteilt.
Dies hat eine Reihe von Vorteilen:
Im Vergleich zu der bekannten adaptiven Transformations­ codierung entfällt die Interpullation der Spektrumsstütz­ werte, so daß sich eine erhebliche Einsparung an Rechen­ zeit ergibt. Darüberhinaus ist jede Einzelberechnung für jede Frequenzgruppe nur einmal durchzuführen. Dies bedeu­ tet, daß bei 512 Werten im Spektrum, die in 46 Frequenz­ gruppen aufgeteilt sind (typische Werte), lediglich 46 Berechnungen durchzuführen sind, während bei dem bekannten Verfahren die Bitzuteilung für jeden Spektralwert einzeln erfolgt, also 512 Einzelschritte durchzuführen sind.
Überraschenderweise ist festgestellt worden, daß trotz dieser "groben Bitzuteilung" die Datenrate gegenüber der bekannten adaptiven Transformationscodierung lediglich geringfügig, typischerweise auf "3,5" Bit pro Abtastwert ansteigt.
Ein weiterer Vorteil gegenüber der bekannten adaptiven Transformationscodierung ist, daß Übersteuerungen etc. nicht mehr auftreten, da der Grobverlauf des Spektrums durch den quantisierten Maximalwert jeder Frequenzgruppe beschrieben wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet:
Selbstverständlich ist es möglich, in bekannter Weise zu quantisieren, beispielsweise logarithmisch oder mittels eines Max-Quantisierers.
Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Bildung der "ein­ hüllenden" ist jedoch eine erheblich vereinfachte Berech­ nung mittels einer linearen Quantisierung möglich. Da nur endlich viele bekannte Quantisierungsstufen vorkommen, kann die in der linearen Quantisierung sonst nötige Divi­ sion, die mittels Signalprozessoren nur zeitaufwendig zu realisieren ist, durch eine Multiplikation mit Tabellenzu­ griff ersetzt werden (Ansprüche 2 und 5).
Eine weitere Verbesserung der Codierung ergibt sich durch die im Anspruch 3 angegebene Aufteilung der Spektralwerte in Frequenzgruppen unter psychoakustischen Gesichtspunk­ ten. Dabei ist bei niedrigen Frequenzen die Bandbreite geringer, so daß bei gleicher subjektiver Qualität der Codierung weniger Frequenzbänder als bei gleichmäßiger Aufteilung verwendet werden müssen.
Durch die im Anspruch 4 angegebene Zuteilung einer Min­ destbitzahl zu jeder Frequenzgruppe, wobei die Mindestbit­ zahl entsprechend psychoakustischen Gesetzmäßigkeiten festgelegt wird, wird sichergestellt, daß das "Quanti­ sierungsgeräusch" vom gewünschten Signal maskiert wird.
Zur weiteren Verringerung der Rechenzeit für die Bitzutei­ lung können die "übriggebliebenen" bzw. "fehlenden Bits" nicht in einem iterativen Algorithmus wie bei dem bekann­ ten Verfahren verteilt werden, vielmehr werden erfindungs­ gemäß zu viele bzw. fehlende Bits von hohen Frequenzen herkommend an der nächstmöglichen Stelle zugeteilt. Die Verteilung wird hierdurch zwar suboptimal, allerdings sinkt der maximal nötige Rechenaufwand beträchtlich.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können im Prinzip be­ liebige Transformationsverfahren, wie beispielsweise die diskrete Fouriertransformation (DFT), die diskrete Cosi­ nustransformation (DCT) oder die sogenannte TDAC-Transfor­ mation verwendet werden. Zur TDAC-Transformation, die gerade bei dem erfindungsgemäßen eine Reihe von Vorteilen bringt, wird auf den Artikel Subband/Transform Coding Using Filter Bank Designs Based on Time Domain Aliasing Cancellation von J. P. Princen, A. W. Johnson und A. B. Bradley verwiesen.
Die Rücktransformation der codierten Werte kann selbstver­ ständlich in entsprechend umgekehrter Weise durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie­ ben, in der zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Co­ dierverfahrens, und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen De­ codierverfahrems.
Fig. 1 zeigt im einem "Blockdiagramm" die einzelnen Schritte eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsge­ mäßes Codierverfahren.
Im ersten Verfahrensschritt 1 wird der (digitale) Daten­ strom mit hoher Datenrate in einem Eingangspuffer gepuf­ fert und "gefenstert". In diesem Schritt kann ferner eine Pegelsteuerung erfolgen. Dieser Schritt läuft im wesentli­ chen wie bei anderen Codierverfahren ab.
Im nächsten Schritt 2 erfolgt die Transformation von N reellen Eingangswerten in den Spektralbereich; hierzu kann beispielsweise die diskrete Fouriertransformation (reali­ siert mit FF-Transformation), die Cosinustransformation oder die TDAC-Transformation (DCT mit Auslöschung von Alias-Komponenten) verwendet werden. Dabei kann in übli­ cher Weise eine Reduktion der Koeffizienten, die auch als Dichtespeicherung bezeichnet wird, erfolgen.
In dem dritten Schritt 3 werden die Spektralkoeffizienten in unterschiedlich breite Gruppen (Frequenzgruppen) ent­ sprechend der "Empfindlichkeitskurve" des menschlichen Gehörs aufgeteilt. Bei niedrigen Frequenzen ist die Bandbreite geringer. Damit können bei gleicher subjektiver Qualität der Codierung weniger Frequenzbänder verwendet werden als bei gleichmäßiger Aufteilung.
Zur Beschreibung des Grobverlaufs eines Frequemzbandes durch eine "Einhüllende" wird die maximale Amplitude be­ rechnet und logarithmisch quantisiert. Diese Werte werden als Zusatzinformation zum Empfänger übertragen.
Diese erfindungsgemäße Bildumg der "quantisierten loga­ rithmischen Einhüllenden" trägt wesentlich dazu bei, die bei dem herkömlichen ATC-Verfahren auftretenden Fehler, die beispielsweise durch "Übersteuerung" hervorgerufen werden, zu vermeiden.
Darüberhinaus ergibt sich ein erheblicher Gewinn an Re­ chenzeit, da die Berechnung der beim Stand der Technik gebildeten Kennwerte für das Spektrum bzw. der interpo­ lierten Spektrumsstützwerte wegfällt.
Im vierten Schritt 4 erfolgt die Bitzuteilung. Die Bitzu­ teilung erfolgt nach derselben Formel wie bei der bekann­ ten ATC. Die Bitzuteilung erfolgt jedoch nicht einzeln für jeden Spektralwert, sondern die Spektralwerte eines Fre­ quenzbandes erhalten alle die gleiche Bitzahl zugeteilt. Die Berechnung muß damit nicht mehr für beispielsweise 512 Spektralwerte einzeln, sondern nur noch für beispielsweise 46 Frequenzgruppen erfolgen.
Zur Berücksichtigung physioakustischer Gesetzmäßigkeiten wird ferner jeder Frequenzgruppe eine angepaßte Mindest­ bitzahl zugeteilt, so daß sichergestellt ist, daß das Quantisierungsgeräusch vom Nutzsignal maskiert (verdeckt) wird.
Eine weitere Verringerumg der Rechenzeit kann dadurch erreicht werden, daß "fehlende" oder "übriggebliebene" Bits nicht in einem iterativen Algorithmus wie beim Stand der Technik, sondern von hohen Frequenzen her kommend an der nächsten möglichen Stelle zugeteilt werden. Die Ver­ teilung ist hierdurch zwar nicht optimal, eine subjektive Verschlechterung des Codierungsergebnisses ist aber nicht feststellbar und die Rechenzeit wird erheblich verkürzt.
Im Schritt 5 erfolgt die Quantisierung. Durch die erfin­ dungsgemäße Bildung der "Einhüllenden" ist eine erheblich vereinfachte Quantisierung mittels eines linearen Quanti­ sierers möglich. Aus der quantisierten logarithmierten maximalen Amplitude eines Frequenzbandes kann z.B. durch Tabellenzugriff sehr einfach eine obere Schranke für die Spektralwerte dieses Frequenzbandes bestimmt werden.
Da nur endlich viele bekannte Quantisierungsstufen vorkom­ men, kann die in der linearen Quantisierung eigentlich erforderliche Division, die hardwaremäßig aufwendig zu realisieren ist, durch eine einfach zu realisierende Mul­ tiplikation ersetzt werden.
Die Quantisierungsstufe ergibt sich als
qstep = fmax/nsteps; nsteps = 2 ibit -1
hierbei ist fmax die obere Schranke, ibit die zugeteilte Bitzahl und nsteps die Zahl der Betragsstufen des Quanti­ sierers.
Der quantisierte Wert iqx ist dann:
iqx = x/qstep
hierbei ist x der zu quantisierende Spektralkoeffizient.
Durch Abspeicherung in Tabellen kann diese Rechnung mit­ tels Multiplikation und Speicheroperationen (Tabellenzu­ griff) durchgeführt werden, so daß die Berechnung erheb­ lich vereinfacht wird.
Ein erheblicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich ferner dadurch, daß ausgehend von einer bekannten oberen Schranke quantisiert wird, so daß keine "Übersteuerung" des Quantisierers möglich ist.
Im Schritt 6 wird schließlich in einem "Multiplexer" ein serieller Bitstrom erzeugt, der übertragen oder gespei­ chert werden kann.
Die in Fig. 2 dargestellte Decodierung erfolgt entspre­ chend "umgekehrt". Im Schritt 6′ wird demultiplext, an­ schließend erfolgt die Bitzuteilung (5′), die Rekonstruk­ tion der Spektralwerte als Umkehroperation zum Quantisie­ rer (4′), die Rücktransformation (2′) und anschließend die entsprechende Fensterung in einem Ausgangspuffer (1′).
Im folgenden soll ein numerisches Ausführungsbeispiel erläutert werden. Hierbei ist ohne Beschränkung des allge­ meinen Erfindungsgedankens angenommen, daß die Blocklänge M = 8 und die Überlappung 2 ist. Typische Werte für die Blocklänge in der Praxis sind 512 oder 1024.
Ferner sollen die Spektralwerte in drei Frequenzgruppen (FG) aufgeteilt werden und 28 Bit für die Codierung zur Verfügung stehen. Als Transformation ist die DFT gewählt.
Die Eingangswerte sollen sein
-4736  -4361  -3350  -1933  -329  -1176  2292  3110
Diese Werte stellen ein typisches Musiksignal dar. Nach der Pegelsteuerung erhält man bei dem gewählten Ausführungsbeispiel:
-9472  -8722  -6700  -3866  -658  2352  4584  6220
Diese Werte werden mit folgenden Fensterfaktoren
,5  ,866  1  1  1  1  ,866  ,5
"gefenstert" (Überlappung 2):
-4736  -7553,5  -6700  -3866  -659  2352  3969.9  3110
Ferner soll folgende Aufteilung in Frequenzgruppen angenommen werden:
FG 1: 1 2  FG 2: 3 4  FG 3: 5 6 7
Der Spektralkoeffizient 8 wird gelöscht.
Der jeweilige log. quantisierte Maximalwert der einzelnen Frequenzgruppen ist:
Die Werte von ifl können mit 6 Bit codiert werden!
Anschließend erfolgt die Bitzuteilung. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Aufteilung auf 7 Koeffizienten erfolgt, da die höchste Frequenz gelöscht ist.
Da bei diesem Beispiel 28 Bit zur Verfügung stehen sollen, erhält man als mittlere zu verteilende Bitzahl: 4
Berechnung der gemittelten Energie = Σ Einhüllende (log.) × Breite = 343
Damit erhält man als erste Näherung für die Bitzahl
bz(ifl) = mittlere Bitzahl + aktuelle Energie (log)/mittlere Energie
Bei diesem Beispiel ergibt sich:
4  5  2,75
Aufgrund physioakustischer Gesetzmäßigkeiten werden bei diesem Beispiel ferner folgende Mindestbitzahlen für die drei Frequenzgruppen vorgegeben:
5  3  1
so daß sich ergibt
5  5  2,75
Da zwei Bit verteilt werden, werden gleichmäßig überall 2/7 Bit abgezogen:
Damit ergibt die Bitzuteilung:
4,71  4,71  2,46
Da aber andererseits nur ganzzahlige Werte vorkommen können, erhält man:
5  5  2
Insgesamt wurden bislang folgende Bitzahlen vergeben:
5 × 2 + 5 × 2 + 2 × 3 = 26
also weniger Bit als insgesamt zur Verfügung stehen (28). Damit müssen noch 2 Bit verteilt werden. Hierzu wird von hohen Frequenzen her getestet, in welcher Frequenzgruppe dies möglich ist. Möglich ist dies erstmals in der 2.FG, so daß man letztendlich erhält:
1. FG: 5 Bit,  2. FG: 6 Bit,  3. FG: 2 Bit
Anschließend erfolgt eine lineare Quantisierung. Da bei­ spielsweise in der 1.FG 5 Bit zur Verfügung stehen, erfolgt eine Aufteilung in 16 Stufen + Vorzeichen unter Berücksichti­ gung der Einhüllenden xfl. Entsprechend wird in den anderen Frequenzgruppen vorgegangen.
Nach Zusammenfügen des Bitstroms erhält man als gesamten Bitstrom:
00011100101101101011011001011101110111011111100111,
insgesamt also 50 Bit.
Bei Überlappung um 2 bei 8 Werten ist die Datenrate also:
50/6 = 8.33 Bit/Abtastwert
In der Praxis werden wesentlich größere Blocklängen verwendet, so daß man Datenraten von ca 3,5 Bit/Abtastwert erhält.
Die Decodierung erfolgt entsprechend, so daß auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann.

Claims (6)

1. Digitales adaptives Transformationscodierverfahren für die Übertragung und/oder Speicherung von akustischen Sig­ nalen und insbesondere von Musiksignalen, bei dem N Abtastwerte des akustischen Signals in M Spek­ tralkoeffizienten transformiert werden, die nach Auftei­ lung in Frequenzgruppen quantisiert und codiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschreibung des Grobver­ laufs des Spektrums der quantisierte Maximalwert jeder Frequenzgruppe verwendet wird,
daß allen Werten einer Frequenzgruppe die gleiche Bitzahl zugeteilt wird, und
daß die Bitzuteilung zu den einzelnen Frequenzgruppen entsprechend dem in dieser Frequenzgruppe auftretenden quantisierten Maximalwerts erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der logarithmische Wert des Maximalwerts jeder Frequenzgruppe linear quantisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Spektral­ werte in Frequenzgruppen unter psychoakustischen Gesichts­ punkten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Frequenzgruppe einer aufgrund von psychoakustischen Gesichtspunkten ermittelte Mindestbitzahl zugeteilt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierung durch Multi­ plikation und Vergleich mit einer abgespeicherten Tabelle erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die N Abtastwerte mittel DFT, DCT oder TDAC in M Spektralwerte transformiert werden.
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