DE69217590T2

DE69217590T2 - Verfahren und Einrichtung zur Kodierung eines digitalen Audiosignals

Info

Publication number: DE69217590T2
Application number: DE69217590T
Authority: DE
Inventors: Michiyo Goto; Yoshinori Matsui
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2012-07-31
Also published as: US5353375A; EP0525774B1; DE69217590D1; EP0525774A2; EP0525774A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Codieren von Musik- und Tonsignalen bzw. akustischen Signalen durch Datenverdichtung.
In der EP-A-0193143 wird ein Verfahren zum Übertragen eines akustischen Signals beschrieben, wobei das Signal vor dem Übertragen in ein ein Kurzzeitspektrum darstellendes Signal umgewandelt wird. Für den Hörer irrelevante Signalabschnitte werden weniger stark gewichtet oder weggelassen.
Bei einem herkömmlichen System zum Codieren akustischer Signale, bei dem ein Bandteilungsverfahren verwendet wird, wird eine Quantisierungsbitzahl so gesteuert, daß ein Produkt aus einer Abwärtsabtastfrequenz und einer Quantisierungsbitzahl, d.h. die Menge von Übertragungsdaten jedes Bandes, hinsichtlich des Verständlichkeits- oder Artikulationsindex mit dem Beitragsgrad im Band übereinstimmt.
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer allgemeinen Vorrichtung zum Codieren und Decodieren akustischer Signale. Fig. 5 zeigt eine Codiereinheit 18 und eine Decodiereinheit 19. Die Codiereinheit 18 weist auf: einen Bandteilungsabschnitt 20 zum Teilen eines akustischen Signals in mehrere Unterbänder, einen Quantisierungs- und Codierabschnitt 21 zum Quantisieren und Codieren von Abtastwerten jedes Unterbandsignals für eine jeweils vorgegebene Anzahl von Abtastwerten, einen Multiplexabschnitt 22 zum Übertragen oder Aufzeichnen jedes codierten Unterbandsignals und einen Abschnitt 23 zum Zuweisen von Quantisierungsbitzahlen, durch den jedem vorgegebenen Abtastwert jedes Unterbandes eine Quantisierungsbitzahl zugewiesen wird, wenn die Abtastwerte quantisiert werden. In der Codierstufe werden die Bänder derart geteilt, daß jedes der Bänder hinsichtlich des Verständlichkeits- oder Artikulationsindex den gleichen Beitragsgrad aufweist, und wird die Bitzahl so zugewiesen, daß das Produkt aus einer Abwärtsabtastfrequenz und einer jedem Abtastwert zugewiesenen Quantisierungsbitzahl, d.h. die Menge von Übertragungsdaten jedes Bandes, mit dem Beitragsgrad des Verständlichkeits- oder Artikulationsindex des Bandes übereinstimmt.
Die Decodiereinheit 19 weist auf: einen Demultiplexabschnitt 24 zum Demultiplexen von Unterbandsignalen, die jeweils in Multiplexform übertragen oder aufgezeichnet wurden, einen Dequantisierungs- und Decodierabschnitt 25 zum Dequantisieren und Decodieren der Abtastwerte der Unterbandsignale und einen Bandsynthetisierungsabschnitt 26 zum Synthetisieren der Unterbandsignale in ein akustisches Signal des vollständigen Bandes.
Bei einem derartigen in einer Vorrichtung zum Codieren von Audiosignalen ausgeführten Quantisierungsbitsteuerungsverfahren unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Bandteilungsverfahrens wird die Quantisierungsbitzahl so gesteuert, daß die Menge der Übertragungsdaten in jedem Band bezüglich des Verständlichkeits- oder Artikulationsindex mit dem Beitragsgrad des Bandes übereinstimmt. Das vorstehend erwähnte Verfahren war zum effizienten Codieren von Daten wirksam. Ein solches herkömmliches Quantisierungsbitsteuerungsverfahren ist jedoch, weil die gesamte Datenmenge der hörbaren Daten, wie beispielsweise Musik- und Tondaten, die durch das menschliche Hörvermögen wahrgenommen werden, gleichmäßig codiert werden, nicht zufriedenstellend, um den für das menschliche Hörvermögen wichtigen Daten mehr Bits zuzuweisen, was bedeutet, daß die begrenzte Codierkapazität nicht effizient ausgenutzt wird.
Daher ist es eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Codieren digitaler Audiosignale bereitzustellen, um Daten, die für das menschliche Hörvermögen wichtig sind, mit einer begrenzten Codierungskapazität effizient zu codieren.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird durch die vorliegende Erfindung ein System zum Codieren digitaler akustischer Signale bereitgestellt, durch das ein digitales akustisches Signal in mehrere Unterbandsignale unterteilt wird und eine Quantisierungsbitzahl, die jedem Abtastwert der Unterbandsignale zugeordnet ist, gemäß dem menschlichen Hörvermögen gesteuert wird, um den Abtastwert jedes Unterbandsignals zu codieren, wobei die jedem Abtastwert der Unterbandsignale zuzuordnende Quantisierungsbitzahl in Abhängigkeit von einem Index und einer Codierungsbitrate gesteuert wird, wobei der Index durch Gewichten eines Logarithmuswertes eines Pegels jedes Unterbandsignals mit einem dem Pegel entsprechenden Gewicht und einem jedem Unterband zugewiesenen Frequenz entsprechenden Gewicht erhalten wird.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung können durch Codieren eines Eingangssignals durch das vorstehend erwähnte System zum Codieren digitaler akustischer Signale für das menschliche Hörvermögen wichtige Daten mit einer begrenzten Codierkapazität wirksam codiert werden. Außerdem kann, weil die Quantisierungsbitzahl in einer jeweils vorgegebenen Zeitdauer gemäß den Charakteristiken jedes digitalen akustischen Eingangssignals bestimmt wird, das erfindungsgemäße System zum Codieren akustischer Signale geeignet für eine beliebige Art akustischer Eingangssignale angewendet werden.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zum Codieren digitaler akustischer Signale vorgesehenen Abschnitts zum Zuweisen einer Quantisierungsbitzahl;
Fig. 2 eine graphische Darstellung von Überdeckungsschwellenwertkennlinien:
Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Hörbarkeitsschwellenwertkennlinie;
Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Hörbarkeitsschwellenwertkennlinie und von Spitzenwerten in jedem Unterband; und
Fig. 5 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines allgemeinen Systems zum Codieren und Decodieren akustischer Signale.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zum Codieren digitaler akustischer Signale unter Bezug auf die Figuren 1 bis 5 beschrieben.
Gemäß Fig. 1 weist ein Abschnitt zum Zuweisen einer Quantisierungsbitzahl (vergl. Abschnitt 23 von Fig. 5) einen Pegelberechnungsabschnitt 1, einen Logarithmusberechnungsabschnitt 2, einen Indexberechnungsabschnitt 3, einen Abschnitt 4 zum Berechnen einer Quantisierungsbitzahl, eine Logarithmus-Gewichtungstabelle 5 und eine Unterband- Gewichtungstabelle 6 auf.
Nachstehend wird die Arbeitsweise des Abschnitts zum Zuweisen einer Quantisierungsbitzahl unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben.
Zunächst wird, wenn der Pegelberechnungsabschnitt 1 eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten jedes von mehreren Unterbandsignalen empfangen hat, die durch Teilen eines akustischen Eingangssignals durch einen Bandteilungsabschnitt (vergl. Abschnitt 20 von Fig. 5) erhalten werden, durch den Pegelberechnungsabschnitt 1 ein Pegel jedes Unterbandsignals berechnet. Jeder Unterbandsignalpegel kann beispielsweise berechnet werden, indem ein Spitzenwert einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten jedes Unterbandsignals bestimmt wird. Daher wird, auch wenn ein Unterbandsignal in einer vorgegebenen Zeitdauer eine geringe Energie aufweist, dem Unterbandsignal ein hoher Pegel zugeordnet, so lange das Unterbandsignal eine Komponente mit hohem Spitzenwert aufweist, was für die Tonqualität wichtig ist. Daher kann dem Unterband eine Quantisierungsbitzahl zugewiesen werden, die größer ist als diejenige, die gemäß dem Energiewert oder anderen Faktoren des Signals bestimmt ist.
Zweitens wird durch den Logarithmusberechnungsabschnitt 2 ein Logarithmuswert jedes Unterbandpegels berechnet. Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 2 ein im Logarithmusberechnungsabschnitt 2 ausgeführtes wirksames Rechenverfahren beschrieben.
Fig. 2 zeigt Überdeckungsschwellenwertkennlinien, durch die der Einfluß eines Unterbandsignals auf die anderen Unterbandsignale dargestellt wird, wenn jedes der Unterbänder einen Pegel von 0 dB aufweist. Der Ausdruck "Überdecken" bedeutet, daß ein Stimulus durch einen anderen Stimulus akustisch überdeckt wird, wodurch der Pegel des einen Stimulus (Ton), der dem menschlichen Hörvermögen zugeführt wird, scheinbar reduziert ist. Beispielsweise stellt eine Kurve 7 einen Überdeckungsschwellenwert dar, der den Einfluß eines ersten Unterbandsignals mit einer Bandbreite von 0 bis 750 Hz auf ein zweites Unterbandsignal mit einer Bandbreite von 750 bis 1500 Hz darstellt. Ähnlicherweise zeigt eine Kurve B einen Überdeckungsschwellenwert, der den Einfluß des zweiten Unterbandsignals mit einer Bandbreite von 750 bis 1500 Hz auf ein drittes Unterbandsignal mit einer Bandbreite von 1500 bis 2250 Hz darstellt. Eine Kurve 9 zeigt einen Überdeckungsschwellenwert, der den Einfluß des dritten Unterbandsignals auf ein viertes Unterbandsignal darstellt. Eine Kurve 10 zeigt einen Überdeckungsschwellenwert, durch den der Einfluß des vierten Unterbandsignals auf ein fünftes Unterbandsignal dargestellt wird. Eine Kurve 11 zeigt einen Überdeckungsschwellenwert, der den Einfluß des fünften Unterbandsignals auf ein sechstes Unterbandsignal darstellt. Wenn ein siebentes Unterband oder ein höheres Unterband existiert, kann jedem Unterband ein Überdeckungsschwellenwert zugeordnet werden.
Ein Überdeckungsschwellenwert, der den Einfluß eines Unterbandsignals auf ein anderes Unterbandsignal darstellt, wird gemäß dem Pegel jedes Unterbandsignals basierend auf den in Fig. 2 dargestellten Kurven bestimmt. Wenn ein Unterbandsignal einen Pegel aufweist, der niedriger ist als ein Pegel eines Überdeckungsschwellenwertes, der den Einfluß des einen Unterbandsignals auf das andere Unterbandsignal darstellt, wird der Pegel des einen Unterbandsignals auf den Wert Null gesetzt. Dadurch können die begrenzten Codierungsbits wirksam anderen Unterbandsignalen zugeordnet werden, die nicht überdeckt werden und daher für das menschliche Hörvermögen deutlicher wahrnehmar sind.
Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 3 ein anderes wirksames Verfahren zum Berechnen eines Logarithmuswertes durch den Logarithmusberechnungsabschnitt 2 beschrieben. Fig. 3 zeigt eine Hörbarkeitsschwellenwertkennlinie 12, wobei die Abszisse die Frequenz und die Ordinate den Schalldruck darstellt. Von Fletcher et al. wird beschrieben, daß nur Personen mit einem guten Hörvermögen eine Tonkomponente mit einem Schalldruck hören können, der unterhalb der Kurve liegt. Wenn der Logarithmus eines jedem Unterbandsignal zugeordneten Pegels kleiner ist als der Hörbarkeitsschwellenwert innerhalb des Bereichs des Unterbandes, wird daher der Pegel des Unterbandsignals auf den Wert Null gesetzt. Dadurch können die begrenzten Codierungsbits wirksam den Unterbändern zugewiesen werden, deren Pegel höher ist als der Hörbarkeitsschwellenwert.
Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 4 ein durch den Logarithmusberechnungsabschnitt 2 ausgeführtes anderes wirksames Rechenverfahren beschrieben.
Fig. 4 zeigt eine Hörbarkeitsschwellenwertkennlinie 13 und Spitzenwerte von Unterbändern, wobei die Abszisse die Frequenz und die Ordinate den Schalldruck darstellt. Die Bezugszeichen 14, 15, 16 und 17 bezeichnen Spitzenwerte der Unterbänder. Im vorstehend erwähnten Fall kann, weil die Spitzenwerte aller Unterbänder die Hörbarkeitsschwellenwertkennlinie unterschreiten, jedem der Unterbänder eine Quantisierungsbitzahl mit dem Wert Null zugeordnet werden. Das vorstehende Verfahren kann jedoch hinsichtlich der effektiven Ausnutzung der begrenzten Codierungsbits nicht als bestes Verfahren betrachtet werden. Daher werden, wenn beispielsweise die Spitzenwerte aller Unterbänder den Hörbarkeitsschwellenwert unterschreiten, Quantisierungsbits drei zusammenhängenden Unterbändern zugeordnet, wobei das Unterband mit dem höchsten Spitzenwert in der Mitte angeordnet ist. Weil der Spitzenwert 15 im in Fig. 4 dargestellten Fall der höchste Spitzenwert aller Unterbänder ist, werden dem Unterband mit dem Spitzenwert 15 und den an das Unterband mit dem höchsten Spitzenwert 15 angrenzenden (den Spitzenwerten 14 und 16 entsprechenden) Unterbändern Quantisierungsbits zugewiesen. Durch die vorstehende Anordnung werden die vorgegebenen Codierungsbits effektiv ausgenutzt, wobei, wenn durch ein Meßinstrument ein Signal mit niedrigem Pegel gemessen wird, das durch das menschliche Hörvermögen nicht erfaßt werden kann, eine sehr gute Kennlinie oder Charakteristik erhalten wird.
Drittens wird im Indexberechnungsabschnitt 3 ein Index zum Berechnen einer jedem Unterband zuzuordnenden Quantisierungsbitzahl aus dem Logarithmus des Pegels jedes Unterbandes berechnet, der durch den vorstehend erwähnten Logarithmusberechnungsabschnitt 2 erhalten wird. Bei dieser Verarbeitung wird jeder Index unter Bezug auf eine Logarithmus- Gewichtungstabelle 5, in der Logarithmuswerten entsprechende Gewichtungswerte festgelegt sind, und unter Bezug auf eine Unterband-Gewichtungstabelle 6 berechnet, in der für jedes Unterband vorgegebene Gewichtungswerte festgelegt sind. Beispielsweise wird bei der Indexberechnung ein dem Pegel eines Unterbandes entsprechender Logarithmuswert mit einem dem Logarithmuswert zugeordneten Gewicht und außerdem mit einem dem Unterband zugeordneten Gewicht multipliziert, wodurch der Index des Unterbandes erhalten wird.
Tabelle 1 zeigt ein Beispiel einer Unterband- Gewichtungstabelle für einen Fall, bei dem 32 Unterbänder vorhanden sind. Tabelle 1
Außerdem kann die Logarithmus-Gewichtungstabelle 5 und die Unterband-Gewichtungstabelle 6 jedesmal durch Formeln erhalten werden. Beispielsweise kann jeder Logarithmuswert gewichtet werden, indem er mit einem Exponenten potenziert wird.
Schließlich wird durch einen im Bitzahlberechnungsabschnitt 4 ausgeführten Rechenvorgang jedem Unterband eine Quantisierungsbitzahl zugeordnet. Der Abschnitt 4 zum Berechnen einer Quantisierungsbitzahl berechnet eine Quantisierungsbitzahl, die einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten jedes Unterbandsignals zugeordnet werden soll, in Abhängigkeit von einem jedem Unterband zugeordneten Index, der im Indexberechnungsabschnitt 3 erhalten wird, und von einer für das gesamte Band vorgegebenen Codierungsbitrate für den Codierungsvorgang. Die vorgegebene Bitrate wird beispielsweise im voraus in einer Tabelle gespeichert, die als eine Art eines Eingangssignals betrachtet wird, das durch einen Eingangsparameter oder auf ähnliche Weise festgelegt wird.
Außerdem kann, wenn im Abschnitt 4 zum Berechnen einer Quantisierungsbitzahl eine Quantisierungsbitzahl für jedes Unterband festgelegt wird, eine jedem Unterband zuzuordnende Quantisierungsbitzahl basierend auf dem Verhältnis von einem jedem Unterband zuzuordnenden Index zur Summe der Indizes gesteuert werden, die den Unterbändern zugeordnet werden sollen, denen Quantisierungsbitzahlen zugewiesen werden sollen. D.h., unter der Voraussetzung, daß ein Index des i-ten Unterbandes, dem eine Quantisierungsbitzahl zugeordnet werden soll, W(i) ist, wird die Summe S der Indizes aller Unterbänder, denen Quantisierungsbitzahlen zugeordnet werden, durch folgende Gleichung bestimmt:
wobei i die Unterbänder bezeichnet, denen Quantisierungsbitzahlen zugeordnet werden, woraufhin die Quantisierungsbitzahl eines Unterbandes j gemäß der Formel:
w(j)/S
festgelegt wird. Dadurch können die erhaltenen Quantisierungsbitzahlen, die den Unterbändern zugeordnet werden sollen, basierend auf jedem Indexwert leicht bestimmt werden.
Erfindungsgemäß kann, wie vorstehend beschrieben, durch Bestimmen eines jedem Unterband zuzuordnenden Gewichts unter Bezug auf Gewichtungstabellen, wobei die Gewichte dem Logarithmus des Pegels bzw. der Frequenz jedes Unterbands zugeordnet sind, und anschließendes Bestimmen eines Index, um basierend auf dem Gewicht eine jedem Unterband zuzuordnende Quantisierungsbitzahl zu bestimmen, um eine Quantisierungsbitzahl unter Berücksichtigung des Pegels und der Frequenz eines akustischen Signals zu bestimmen, die beide wichtige Faktoren für das menschliche Hörvermögen darstellen, ein hochwertiges Tonsignal erhalten werden.
Außerdem kann, weil in dem bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Abschnitt zum Zuweisen einer Quantisierungsbitzahl Abtastwerte jedes Unterbandsignals verwendet werden, die durch Teilen des Bandes im Bandteilungsabschnitt und durch in Gewichtungstabellen vorgegebenen Gewichtungswerten erhalten werden, ein geeignetes Ergebnis durch eine einfache Datenverarbeitung erhalten werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig anhand eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, können durch Fachleute verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne den durch die Patentansprüche definierten Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum digitalen Codieren von Audiosignalen, wobei ein vollständiges digitales akustisches Signalband in mehrere Unterbandsignale geteilt wird, die eine bestimmte Frequenz aufweisen, und eine Quantisierungsbitzahl, die jedem Abtastwert jedes Unterbandsignals gemäß dem menschlichen Hörvermögen zugeordnet wird, um die Abtastwerte zu codieren, reduziert wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Berechnen eines Pegels eines jeden der mehreren Unterbandsignale;

Berechnen eines Logarithmuswertes des Pegels jedes Unterbandsignals;

Berechnen eines Index durch Multiplizieren des Logarithmuswertes des Pegels mit einem vom Pegel abhängigen Gewicht und einem von der jedem Unterband zugeordneten bestimmten Frequenz abhängigen Gewicht; und

Bestimmen der Codierungsbitzahl unter Verwendung des erhaltenen Index und einer für das vollständige Band vorgegebenen Codierungsbitrate zum Codieren der Unterbandsignale.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jedem Unterband zuzuordnende Quantisierungsbitzahl gemäß dem Verhältnis von einem Index jedes Unterbandes zur Summe der Indizes der mehreren Unterbänder gesteuert wird, denen Quantisierungsbitzahlen zugeordnet werden sollen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Überdekkungsschwellenwert, der von einem Unterbandsignal an ein benachbartes Unterbandsignal angelegt wird, durch einen Rechenvorgang unter Berücksichtigung mehrerer benachbarter Unterbänder erhalten wird, wobei, wenn der Pegel des benachbarten Unterbandsignals niedriger ist als der Überdeckungsschwellenwert, durch den der Einfluß des einen Unterbandsignals dargestellt wird, der Pegel des benachbarten Unterbandsignals auf den Wert Null gesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn der Pegel eines Unterbandsignals kleiner ist als der Hörbarkeitsschwellenwert des Unterbandes, der Pegel des Unterbandsignals auf den Wert Null gesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei, auch wenn die Pegel aller Unterbandsignale unterhalb ihres Hörbarkeitsschwellenwertes liegen, mehreren zusammenhängenden Unterbändern einschließlich mindestens des Unterbandes mit dem höchsten Pegel und dem an das Unterband mit dem höchsten Pegel angrenzenden Unterbändern Quantisierungsbits zugeordnet werden, um die vorgegebenen Codierungsbits effektiv auszunutzen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Pegel jedes Unterbandsignals zum Steuern der jedem Unterband zuzuordnenden Quantisierungsbitzahl gemäß einem Spitzenwert im Unterband in einer vorgegebenen Zeitdauer bestimmt ist.

7. System zum digitalen Codieren von Audiosignalen, mit:

einer Teilereinrichtung zum Teilen eines vollständigen Signalbandes in mehrere Unterbandsignale, wobei jedes eine bestimmte Frequenz hat;

einer Quantisierungsbitzahlsteuerungseinrichtung zum Steuern einer jedem Abtastwert jedes der Unterbandsignale zuzuordnenden Quantisierungsbitzahl gemäß dem menschlichen Hörvermögen, um den Abtastwert jedes Unterbandsignals zu codieren;

wobei die Quantisierungsbitzahlsteuerungseinrichtung ferner aufweist:

eine Pegelberechnungseinrichtung (1) zum Bestimmen des Pegels jedes Unterbandsignals;

eine Logarithmusberechnungseinrichtung (2) zum Bestimmen eines Logarithmus des durch die Pegelberechnungseinrichtung berechneten Pegels jedes Unterbandsignals; und

eine Indexberechnungseinrichtung (3) zum Bestimmen eines Index durch Multiplizieren des Logarithmuswertes des Pegels jedes Unterbandsignals mit einem vom Pegel abhängigen Gewicht und einem von der für jedes Unterband bestimmten Frequenz abhängigen Gewicht, wobei die jedem Abtastwert des Unterbandes zuzuordnende Quantisierungsbitzahl unter Verwendung des durch die Indexberechnungseinrichtung erhaltenen Index und unter Verwendung einer für das vollständige Band vorgegebenen Codierungsbitrate bestimmt wird, um die Unterbandsignale zu codieren.