EP2691952A1 - Allocation par sous-bandes de bits de quantification de paramètres d'information spatiale pour un codage paramétrique - Google Patents

Allocation par sous-bandes de bits de quantification de paramètres d'information spatiale pour un codage paramétrique

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EP2691952A1
EP2691952A1 EP12717796.2A EP12717796A EP2691952A1 EP 2691952 A1 EP2691952 A1 EP 2691952A1 EP 12717796 A EP12717796 A EP 12717796A EP 2691952 A1 EP2691952 A1 EP 2691952A1
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EP
European Patent Office
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bits
subband
sub
band
allocated
Prior art date
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EP12717796.2A
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EP2691952B1 (fr
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Adrien Daniel
Rozenn Nicol
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Orange SA
Original Assignee
Orange SA
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Publication date
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Publication of EP2691952B1 publication Critical patent/EP2691952B1/fr
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L19/00—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis
    • G10L19/008—Multichannel audio signal coding or decoding using interchannel correlation to reduce redundancy, e.g. joint-stereo, intensity-coding or matrixing
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L19/00—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis
    • G10L19/002—Dynamic bit allocation
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L19/00—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis
    • G10L19/02—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis using spectral analysis, e.g. transform vocoders or subband vocoders
    • G10L19/0204—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis using spectral analysis, e.g. transform vocoders or subband vocoders using subband decomposition

Definitions

  • the present invention relates to encoding multichannel audio streams representing spatialized sound scenes for storage or transmission purposes.
  • It relates more particularly to the parametric encoding / decoding of multichannel audio streams.
  • This type of coding is based on the coding of a signal resulting from a downmix processing of the multichannel audio stream and the associated coding of spatial information parameters of the sound sources.
  • the spatial information parameters are used to find the spatialization of the sound sources from the "downmix" signal which will be called thereafter, sum signal.
  • the invention relates more particularly to the coding and decoding of these spatial information parameters.
  • the bit budget available according to the coders is not always sufficient. In the case of frequency subband coding, this budget is divided into subbands.
  • One of these techniques consists in coding only the parameters of one of every two frequency bands for each time frame. Thus the non-coded subbands in the current frame are assigned the corresponding values of the previous frame.
  • Another technique is to perform an intra or interframe differential coding.
  • the psycho-acoustic criterion used here relates to a sensitivity to the coded parameters and not to a sensitivity of spatial displacements of the sound sources.
  • auditory perception or sensitivity with respect to a spatial resolution in the subbands can vary at any time from one subband to another, regardless of the parameter to be encoded.
  • the present invention improves the situation.
  • the method proposes a method of allocating bits of quantization of spatial information parameters by frequency sub-band, for a parametric coding / decoding of a multichannel audio stream representing a sound scene consisting of a plurality of sound sources and having a step of quantization / inverse quantization by frequency subband of spatial information parameters of the sound sources of the sound scene.
  • the method is such that it comprises the following steps:
  • the number of bits to be allocated being inversely proportional to the estimated spatial resolution
  • the method according to the invention uses a psycho-acoustic criterion to optimize the strategy for allocating the quantization bits of the spatial information parameters as a function of the sub-band, so as to privilege at each moment the sub-bands. which are most useful to the auditory system, regardless of the spatial information parameters to be coded or decoded.
  • Spatial resolution in a sub-band can be defined as the smallest angle between two sources that the auditory system is able to discriminate.
  • the spectral properties of a subband are represented by the central frequency of the subband.
  • a central frequency of a subband corresponds a spatial resolution for the subband.
  • This method of estimating the spatial resolution is then very simple and does not require analysis in the subbands.
  • the allocation is then determined by subband cutting and does not depend on the content.
  • the spectral properties of a subband are energy properties in the subband.
  • the spatial resolution associated with a subband is inversely proportional to the energy in that subband. So in this embodiment, plus one subband contains energy, the smaller its resolution is estimated and the larger the number of bits allocated for that subband.
  • the energy properties may correspond to the energy measured in the sub-band or more precisely to a measure of the energy distance of this subband to its masking / audibility threshold.
  • the spectral properties of a subband are both energy properties in the subband and the center frequency of the subband.
  • the spatial resolution of a subband is further estimated from the spectral properties of the other subbands of a set of subbands defining the sound sources.
  • the other subbands can be considered as distractive concurrent sources that are likely to degrade the spatial sensitivity associated with this sub-band.
  • the spectral properties of the other frequency sub-bands makes it possible to estimate this degradation and to predict the spatial resolution associated with the sub-band.
  • This consideration makes it possible to dynamically define how accurately the spatialization information associated with each subband must be encoded, based on a decrease or an increase in the spatial resolution.
  • the resulting quantization error is adapted according to the spatial sensitivity to minimize the error when the sensitivity is maximum, and conversely to maximize when the sensitivity is minimal.
  • the quantization error is thus, from a perceptual point of view, minimized homogeneously.
  • the spectral properties of a subband are obtained from a decoded sum signal resulting from a channel reduction processing of the multichannel audio stream.
  • the estimation of the spatial resolution by subband does not require information of the position type of the sound sources but only information on the spectral properties of the subbands. This information can therefore be obtained from the sum signal decoded either locally in an encoder at the coding step or decoded by the decoder itself at the decoding step. It is therefore not necessary to send additional information to the decoder to find the quantization bit allocation strategy. This greatly reduces the amount of information to be transmitted between the encoder and the decoder.
  • the energy properties in a subband include the primary energy and ambient energy properties in the subband.
  • the correlated energy share (primary energy) between the different channels of the multichannel signal is differentiated from the uncorrelated (ambient) one in the psychoacoustic model for estimating the spatial resolution.
  • the estimation of the spatial resolution is more precise and closer to reality.
  • the number of bits to be allocated for a sub-band is part of a predetermined number of bits to be distributed between the sub-bands, adding to a number of bits already allocated by sub-bands. .
  • the allocation defined here applies to a number of bits remaining to be allocated in a quantization bit budget, part of the quantization bits of the global budget having already been distributed between the subbands.
  • the decoder it is possible to approximately decode the spatial information parameters from the quantization bits already allocated, the additional bits budget making it possible to refine the decoding and to adapt it to the auditory perception.
  • the determination of the number of bits to be allocated for a sub-band is adjusted according to the difference between the resolution in this sub-band and a predetermined reference resolution, to which corresponds a bit allocation. predetermined reference.
  • the method is implemented for a set of unmasked subbands determined by an energy masking step between subbands.
  • the allocation method is implemented only for the audible subbands, that is to say non-masked, which allows to concentrate the budget of bits to allocate on these subbands.
  • the present invention also aims at a device for allocating bits of quantization of spatial information parameters by subband of frequency, for a Parametric encoder / decoder of a multichannel audio stream representing a sound scene consisting of a plurality of sound sources and having a frequency subband inverse quantization / quantization module of spatial information parameters of the sound sources of the sound stage .
  • the device is such that it comprises:
  • This device has the same advantages as the method described above, which it implements.
  • the invention relates to an encoder or a decoder comprising such an allocation device. It relates to a computer program comprising code instructions for implementing the steps of the allocation method as described, when these instructions are executed by a processor.
  • the invention relates to a storage medium, readable by a processor, integrated or not to the allocation device, possibly removable, storing a computer program implementing an allocation method as described above.
  • FIG. 1 illustrates a parametric coding and decoding system of a multichannel audio stream in which the allocation device according to one embodiment of the invention is provided;
  • FIG. 2 illustrates in flowchart form the steps of an allocation method according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates a particular hardware configuration of an allocation device according to the invention.
  • FIG. 1 thus describes a parametric coding / decoding system for a multichannel audio stream.
  • This figure illustrates the encoder 100, the decoder 110 and the allocation device 120 according to one embodiment of the invention.
  • the channels x 1 (n), x 2 (n),. .., x "(n) of the multichannel audio stream are first transformed by a time / frequency transform module 106, before being input to both a channel reduction processing module 101 or "Downmix" module and a spatial information parameter extraction module 102.
  • the transformation effected by the module 106 may be of different types. It can use for example a filter bank technique, or a short-term Fourier Transform (TFCT) technique using an FFT (Fast Fourier Transform) type algorithm.
  • the filters can be defined so that the resulting frequency sub-bands describe perceptual frequency scales, for example by choosing constant bandwidths in the ERB scales (for "Rectangular Bandwidth Equivalent”).
  • the same process can be applied in the case of a TFCT technique by grouping the frequency bits of each time frame according to the ERB scales.
  • a "downmix" signal or sum signal from the channel reduction processing module 101 (mono or stereo signal) is obtained by optionally weighted summation of the different channels in each sub-band.
  • This sum signal is then coded by a core coding module 103 which may be of different types, for example of standard MPEG-4 AAC audio coding type.
  • This coded signal is then transmitted on the network to be subsequently decoded by the corresponding core decoder 113.
  • the module 102 extracts the spatial information parameters of the audio channels. These parameters are those that describe the spatial position of the channels. These parameters may be, for example, the pair of ILD (Interaural Level Difference) and IPD (Interaural Phase Difference) parameters as defined for the stereo parametric coding method described in the Breebaart document, J. ; Van of Par, S; Kohlrausch, A & Schuijers, E, "Parametric Coding of Stereo Audio” in EURASIP Journal on Applied Signal Processing, 2005, 9 pp. 1305-1322.
  • ILD Interaural Level Difference
  • IPD Interaural Phase Difference
  • These parameters may, in another example, be of primary and ambient position vectors type as for the representation described in the document "Spatial audio scene coding” of Goodwin, M. & Jot, 1, 125th AES Convention, 2008 October 2- 5, San Francisco, USA, 2008.
  • the spatial information parameters thus extracted are then quantized by the quantization module 104 according to a quantization bit allocation defined by the allocation device 120.
  • the allocation device 120 implements an allocation method which will be described with reference to FIG. 2.
  • This allocation device 120 receives as input the decoded sum signal S sd by a local decoder 105 of the encoder or in the case of the decoder, decoded by the decoding module 113. From this decoded sum signal S sd, a module 121 for estimating a spatial resolution per frequency subband determines the spectral properties of the frequency subbands.
  • a spectral property of a frequency sub-band is the center frequency of this sub-band.
  • the determined spectral properties are energy properties in the subband.
  • the spectral properties are both the energy properties and the center frequency in the subband.
  • This spatial resolution corresponds to the smallest angle between two sources that the human auditory system can discriminate. This spatial resolution can still be called MAA (for "Minimum Audible Angle” in English) as defined by the AW Mills document “On the Minimum Audible Angle” in The Journal of the Acoustical Society of America, 83 (S1): S122, May 1988.
  • the spatial resolution per frequency subband thus determined makes it possible to determine a number of bits to be allocated to the subband for the quantization of the spatial information parameters.
  • This step is implemented by the module 122 for determining the number of bits. This step will be explained in more detail with reference to FIG.
  • This allocation of the number of bits per frequency subband is then based on psycho-acoustic and not purely mathematical considerations as was done before in the state of the art. Thus, this allocation takes into account the perception of the auditory system in the frequency bands.
  • the quantization errors of the spatial parameters result in changes of position of the sound sources at the time of the decoding. These changes of position induce a spatial distortion of the sound scene which, evolving over time, results in a spatial instability.
  • the spatial resolution can be interpreted as a sensitivity to this spatial distortion. This sensitivity can be expressed for each sub-band by the module 121.
  • the allocation device 120 will then model the quantization error as a function of this sensitivity in order to minimize the error when the sensitivity is maximum, and vice versa. maximize when the sensitivity is minimal.
  • the allocation thus determined makes it possible to quantify (Q) the coder the spatial information parameters by the quantization module 104 or to perform an inverse quantization (Q "1 ) at the decoder by the inverse quantization module 114 to obtain these parameters. settings.
  • the synthesis module 112 can, from the de-quantized spatial information and the decoded sum signal S sd , obtain the multichannel audio stream in the frequency domain and then after inverse time / frequency transformation of the module 116, the audio stream in the time domain x 1 (n), x 2 (n),. .., ⁇ x n (n).
  • FIG. 2 now illustrates the steps of the bit allocation method in one embodiment of the invention.
  • an energy masking step E201 between the frequency subbands can optionally be performed.
  • This step selects a set of frequency subbands audible by the auditory system.
  • a subband having a high energy level can potentially mask (I.e. inaudible) neighboring subbands with a low energy level.
  • a set of sub-bands ⁇ b k ⁇ is thus defined to implement the steps of the allocation method.
  • each sub-band is considered as a target source, the other sub-bands can be considered as distractive sources.
  • step E202 spectral properties of the subbands of the set ⁇ b k ⁇ are extracted.
  • these spectral properties are either only the central frequency f c of the current sub-band, or only its energy properties (I), or both.
  • each sub-band does not quite reflect the reality in terms of perception at the time of the restitution, and that because only part of this energy will be restored in a correlated way between the different channels. The rest will be uncorrelated. It is therefore interesting to estimate and specify to the psycho-acoustic model what will be the proportion of correlated energy (primary energy) and uncorrelated energy (ambient energy).
  • the energy properties can then be discriminated in primary energy (I p ) which represents the correlated energy between the subbands and the ambient energy (I a ) representing the decorrelated energy in the current subband. From the knowledge of one or more of these parameters, the step E203 makes an estimation of the spatial resolution in the current subband. Each subband is considered in turn as a target.
  • a psycho-acoustic model ⁇ is determined and makes it possible to obtain the spatial resolution or the MAA, associated with each sub-band.
  • the spatial resolution of the auditory system can be defined as the smallest angle between two sound sources that it is able to discriminate.
  • the reference study by Mills mentioned above was supported by more recent studies described, for example, in the Perrott DR and Saberi K. paper, "Minimum audible angle thresholds for varying degrees of elevation and azimuth" in The journal of the acoustical Society of America, 87 (4): 1728-1731, April 1990.
  • the MAA defines the minimum precision with which the position of a sound source must be described in order not to introduce audible artifacts. A position error lower than the MAA will not be perceived by the auditory system. Thus the MAA represents the "spatial blur" of perception of a sound source.
  • a simplified psycho-acoustic model according to the invention only takes into account the central frequency of the current subband.
  • the central frequency of the sub-band considered defines its associated MAA according to a predefined correspondence table, for example by subjective tests. Such correspondence is for example described in the Mills paper cited above.
  • Another simplified psycho-acoustic model takes into account only the energy properties of the current subband.
  • the energy properties correspond to the energy measured in the subband.
  • the associated MAA is considered to be inversely proportional to the energy in that subband.
  • the energy properties correspond to a measurement of the energy distance of this subband to its masking / audibility threshold. This is called audible energy in the subband.
  • the MAA associated with this subband is also inversely proportional to the audible energy in that subband. In other words, the more audible energy a subband contains, the smaller its MAA will be.
  • the psychoacoustic model not only takes into account the characteristics of the current sub-band but also those of the other sub-bands which are then considered as distractive subbands.
  • MAA or spatial resolution
  • the action, on a given source, of the competing sources can be seen as a "spatial blurring" of this source.
  • the effect of "blurring” depends on the frequency content of the source and its energy, as well as on the frequency content and energy of each of the competing sources.
  • the effect of the position of the distractive sources on the "blurring" is negligible, in that the MAA can be estimated without the position information of the distractive sources.
  • the MAA associated with a source depends on the position of that source relative to the listener's head. The best performance (lowest MAA) is observed when the listener faces the source.
  • the psychoacoustic model according to the invention it is assumed that the listener is free to direct his head within the listening device.
  • the listener is assumed that the listener is still facing the source in question.
  • the position information of that source is not necessary. From these results, a psychoacoustic model that describes the MAA associated with a given source can be constructed based on the presence and properties (energy, frequency content) of other sources.
  • the MAAs associated with the different sub-bands can be calculated from the "downmix" component or sum signal as described with reference to FIG. 1. The consequence is that, for the decoding, it is not necessary. to transmit the quantization strategy, but it can be deduced from the sum signal according to the same procedure as the encoding.
  • each sub-band constitutes a source characterized by its central frequency and its energy (primary and ambient).
  • the function ⁇ produces the associated MAA in the presence of the other sources considered as distractive, ie the maximum non-perceptible position error applicable to this source. in the presence of others.
  • each source (or target distractive) is characterized at step E202 by three parameters ⁇ f c, I p, I a ⁇ , where f c is the center frequency of the sub-band considered, and I p and I a are respectively primary and ambient energy in this subband.
  • the psychoacoustic model MJ (c, di, d 2, ..., d N) of torque values MAA ⁇ a p , aa ⁇ , respectively corresponding to the primary and ambient energy components, associated with step E203 at each subband considered in turn as a target.
  • the value of MAA considered will be respectively a p or a a , and therefore this distinction will no longer be made in the rest of the document. If the distribution I p / I a is unknown (non-transmitted parameter), the decoder will assume that all the energy is correlated (primary energy), as well as the psycho-acoustic model, so as to obtain a correspondence during the restitution. .
  • the function MJ (b k , bi, ..., b k -i, b k + i, ..., b K ) is called to estimate the " spatial blurring exerted on this sub-band by the other sub-bands, which are therefore considered as distractive, and ⁇ produces the MAA associated with this sub-band.
  • the estimation of the spatial resolution is then done dynamically since the influence of the other subbands is taken into account.
  • the different spatial resolutions thus estimated in the frequency sub-bands make it possible to determine the number of bits to be allocated for the quantization of the spatial information parameters in each of the sub-bands.
  • step E204 a determination of the number of bits to be allocated to the current subband as a function of the estimated spatial resolution is performed.
  • the strategy for allocating the quantization bits of the spatial isation parameters will then consist in maximizing the number of bits for the sub-bands presenting the minimum MAA, to the detriment of the sub-bands for which the MAA is maximum.
  • the number of bits to be allocated for a sub-band is inversely proportional to the estimated spatial resolution for this sub-band.
  • the allocation method can therefore adapt the bit allocation from one sub-band to another depending on the sensitivity of the auditory system to a spatial distortion. This sensitivity is given by the psycho-acoustic model.
  • This method can be implemented both in constrained rate transmission context and non-constrained rate transmission context.
  • bit budget is left available for a variable allocation from one sub-band to another according to the MAA associated therewith.
  • a certain budget of "floating" bits is therefore to be distributed between the same parameter of each of the subbands so as to minimize perceptively the spatial distortion resulting from the quantization process, homogeneously in each of the subbands.
  • the rest of the bit budget is evenly distributed among all the subbands.
  • the quality of spatial coding is therefore defined by the average number, over all the sub-bands, of bits allocated to the same parameter, or, equivalently, by the total number of bits allocated to the same parameter for all the sub-bands. bands.
  • a target spatial coding quality is chosen and imposed by the user.
  • This target quality is defined by the average number, on all the time frames and on all the sub-bands, of bits assigned to the same parameter.
  • the average MAA then considered as a reference resolution value, is assumed to be estimable or predictable, all sub-bands combined, on all or part of the time frames.
  • Subbands whose estimated MAA is equal to the average MAA will be allocated the average number of bits per user-defined parameter.
  • the bit allocation for the other subbands is made, as in constrained flow context, so as to perceptively minimize the spatial distortion resulting from the quantization process, homogeneously in each of the subbands, but given the number bits to allocate to the average MAA subbands.
  • the determination of the number of bits to be allocated for a sub-band is performed if the resolution in the sub-band is different from a predetermined reference value, here the average MAA.
  • a minimum number of bits is already allocated per subband to encode each parameter, which on the one hand ensures a minimum spatial reproduction quality for all audible subbands, and on the other hand provides an approximate value of the parameter concerned which is accessible to the decoding.
  • N total number of bits to allocate
  • n minimum number of bits assigned to each subband parameter
  • fiott number of floating bits to be distributed between the subbands (according to psychoacoustic model)
  • argmax k (N k ) m: index of the subband to which the most bits are allocated
  • MJ (b k, b, ..., b k -i, b k + i, ..., bK) a k: MAA associated with subband k (given by the psychoacoustic model)
  • N k number of floating bits allocated to the parameter of b k
  • the total bit budget is defined by:
  • the sub-band encoded on the most bits (bm) must be the sub-band having the smallest MAA (a m ), and the coding precision ratio between the current subband bk and bm must be inversely proportional to the MAA ratio of these two subbands:
  • N, N, _ + loe "
  • the formulas (2) and (3) respectively give a first approximation of the number of bits to be allocated to the parameter of the sub-bands N k and N m . If there are still bits to allocate, or if too many bits have been allocated, the following heuristic (so-called "greedy” algorithm) makes it possible to finalize the allocation process of the floating bits.
  • a k be the difference between the optimal coding precision and the current accuracy for the subband k, derived from the formula (1):
  • the index of the sub-band to which the next bit is to be allocated or restarted will be respectively determined by ar S max k fkk) or f fkmin k ( k ⁇ _ ⁇ es 3 ⁇ 4 recalculated after each operation (allocation or withdrawal)
  • the allocation is finalized when the total number of floating bits allocated is exactly N f
  • 0tt the sub-band that must receive (respectively to be removed) the next bit is the sub-band whose MAA is the smallest (respectively the highest).
  • N ' k of bits allocated in total to the coding of the subband parameter b k is:
  • N 'k "fi x + N k (5)
  • ⁇ a average MAA (estimated or predicted) or spatial reference resolution, all sub-bands combined, on all or part of the temporal frames
  • N number of floating bits assigned to the parameter of 3 ⁇ 4
  • the coding precision ratio between the current subband ⁇ k and the reference subband 3 ⁇ 4 3 ⁇ 4 must be inversely proportional to the MAA ratio of these two subbands:
  • the formula (5) gives the number of bits to be allocated in total to the coding of the parameter of the subband b k .
  • each parameter is then quantized (Q) to the encoder to form the bit stream or de-quantized (Q "1 ) to the decoder according to the number of bits allocated to it.
  • the primary and ambient energy distribution parameters which are coded on a fixed number of bits, must be transmitted first, since they will then be necessary for the decoding of the coded parameters on a variable number of bits. .
  • the inverse quantization of the bit stream of the spatial parameters requires knowing the number of bits allocated to each parameter. The invention avoids transmission of additional information on the bit allocation strategy.
  • the primary and ambient energy distribution parameters which are coded on a fixed number of bits, have been previously transmitted. They are decoded prior to decoding the other parameters.
  • n fixed is non-zero
  • the encoders and decoders as described with reference to FIG. 1 as well as the allocation device that is the subject of the invention can be integrated in multimedia equipments of the set-top box type, or audio or video content player. . They can also be integrated into mobile phone type communication equipment.
  • FIG. 3 represents an exemplary embodiment of such an equipment in which the allocation device according to the invention is integrated.
  • This device comprises a PROC processor cooperating with a memory block BM having a storage and / or working memory MEM.
  • the memory block can advantageously comprise a computer program comprising code instructions for implementing the steps of the allocation method in the sense of the invention, when these instructions are executed by the processor PROC, and in particular the estimation steps.
  • FIG. 2 repeats the steps of an algorithm of such a computer program.
  • the computer program can also be stored on a memory medium readable by a reader of the device or downloadable in the memory space thereof.
  • Such an equipment comprises an input module able to receive a sum signal decoded either from an encoder via a local decoder or from a decoder.
  • the device comprises an output module able to transmit the number of bits to be allocated per frequency subband to the quantization modules of an encoder or to the inverse quantization module of a decoder.
  • the device thus described may also include the coding and / or decoding functions in addition to the allocation functions according to the invention.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé d'allocation de bits de quantification de paramètres d'information spatiale par sous-bande de fréquence, pour un codage/décodage paramétrique d'un flux audio multicanal représentant une scène sonore constituée d'une pluralité de sources sonores et comportant une étape de quantification/quantification inverse par sous-bande de fréquence de paramètres d'information spatiale des sources sonores de la scène sonore. Le procédé est remarquable en ce qu'il comporte les étapes suivantes : estimation (E203) d'une résolution spatiale de la sous-bande courante à partir de propriétés spectrales de la sous-bande; détermination (E204) d'un nombre de bits à allouer à la sous-bande courante, le nombre de bits à allouer étant inversement proportionnel à la résolution spatiale estimée. L'invention se rapporte également à un dispositif d'allocation de bits de quantification mettant en oeuvre le procédé décrit.

Description

Allocation par sous-bandes de bits de quantification de paramètres d'information spatiale pour un codage paramétrique
La présente invention se rapporte au codage de flux audio multicanaux représentant des scènes sonores spatialisées dans un objectif de stockage ou de transmission.
Elle se rapporte plus particulièrement au codage/décodage paramétrique de flux audio multicanaux.
Ce type de codage se base sur le codage d'un signal issu d'un traitement de réduction de canaux (« downmix » en anglais) du flux audio multicanal et du codage associé de paramètres d'information spatiale des sources sonores. Ainsi, au décodage, les paramètres d'information spatiale sont utilisés pour retrouver la spatialisation des sources sonores à partir du signal « downmix » que l'on appellera par la suite, signal somme.
L'invention se rapporte plus particulièrement au codage et au décodage de ces paramètres d'information spatiale.
Pour coder ces paramètres d'information spatiale, le budget de bits disponible selon les codeurs n'est pas toujours suffisant. Dans le cas d'un codage par sous-bande de fréquence, ce budget est divisé par sous-bandes.
Il existe des techniques qui permettent de réduire le nombre de bits à allouer par sous-bandes. Une de ces techniques consiste à ne coder que les paramètres d'une bande de fréquence sur deux pour chaque trame temporelle. Ainsi les sous-bandes non codées dans la trame courante se voient attribuées les valeurs correspondantes de la trame précédente.
Une autre technique est d'effectuer un codage différentiel intra ou inter-trame.
La plupart du temps, ces techniques d'allocation ne sont pas basées sur des critères de perception auditive qu'un auditeur peut avoir du signal sonore. De ce fait, ces paramètres sont quantifiés de manière uniforme.
Une quantification basée sur des critères psycho-acoustiques est proposée par Breebaart dans le document de Breebaart,J ; Van de Par,S ; Kohlrausch,A & Schuijers,E, « Parametric Coding of stereo Audio » dans EURASIP Journal on Applied Signal Processing, 2005,9, pp 1305-1322. La méthode décrite dans ce document est basée sur la perception qu'un auditeur peut avoir sur certaines bandes de fréquence pour des paramètres particuliers de type différences inter-canal, ou sur la sensibilité à une variation de ces paramètres en fonction de la plage de valeurs concernée. Il est par exemple décrit que certains paramètres ne sont codés que sur les bandes de fréquences inférieures à 1kHz. Au-delà de cette fréquence, les paramètres ne sont en effet plus utiles au système auditif pour localiser une source. Ainsi, le critère psycho-acoustique utilisé ici est relatif à une sensibilité aux paramètres codés et non pas à une sensibilité de déplacements spatiaux des sources sonores. Or, la perception auditive ou la sensibilité par rapport à une résolution spatiale dans les sous-bandes, peut varier à chaque instant d'une sous-bande à une autre, indépendamment du paramètre à coder. La présente invention vient améliorer la situation.
Elle propose à cet effet, un procédé d'allocation de bits de quantification de paramètres d'information spatiale par sous-bande de fréquence, pour un codage/décodage paramétrique d'un flux audio multicanal représentant une scène sonore constituée d'une pluralité de sources sonores et comportant une étape de quantification/quantification inverse par sous- bande de fréquence de paramètres d'information spatiale des sources sonores de la scène sonore. Le procédé est tel qu'il comporte les étapes suivantes :
estimation d'une résolution spatiale de la sous-bande courante à partir de propriétés spectrales de la sous-bande ;
détermination d'un nombre de bits à allouer à la sous-bande courante, le nombre de bits à allouer étant inversement proportionnel à la résolution spatiale estimée.
Ainsi, le procédé selon l'invention utilise un critère psycho-acoustique pour optimiser la stratégie d'allocation des bits de quantification des paramètres d'information spatiale en fonction de la sous-bande, de façon à privilégier à chaque instant les sous-bandes qui sont les plus utiles au système auditif, et ce quels que soient les paramètres d'information spatiale à coder ou à décoder.
Les propriétés de résolution spatiale du système auditif sont ainsi exploitées. La résolution spatiale dans une sous-bande peut être définie comme le plus petit angle entre deux sources, que le système auditif est capable de discriminer.
Les différents modes particuliers de réalisation mentionnés ci-après peuvent être ajouté indépendamment ou en combinaison les uns avec les autres, aux étapes du procédé d'allocation défini ci-dessus.
Dans un mode de réalisation particulier, les propriétés spectrales d'une sous-bande sont représentées par la fréquence centrale de la sous-bande.
A une fréquence centrale d'une sous-bande correspond alors une résolution spatiale pour la sous-bande. Cette méthode d'estimation de la résolution spatiale est alors très simple et ne nécessite pas d'analyse dans les sous-bandes. L'allocation est alors déterminée par la découpe en sous-bandes et ne dépend pas du contenu.
Dans un autre mode de réalisation, les propriétés spectrales d'une sous-bande sont des propriétés d'énergie dans la sous-bande.
Dans ce cas, la résolution spatiale associée à une sous-bande est inversement proportionnelle à l'énergie dans cette sous-bande. Ainsi dans ce mode de réalisation, plus une sous-bande contient de l'énergie, plus sa résolution est estimée petite et plus le nombre de bits alloués pour cette sous-bande est important.
De plus, si l'énergie dans une sous-bande est forte, cela donne déjà une indication du peu d'influence que peuvent avoir les autres sous-bandes par rapport à celle-ci et donne ainsi une première approche d'allocation dynamique (prenant en compte les autres sous-bandes).
Les propriétés d'énergie peuvent correspondre à l'énergie mesurée dans la sous- bande ou de façon plus précise à une mesure de la distance énergétique de cette sous-bande à son seuil de masquage/audibilité.
De façon à affiner l'estimation de la résolution spatiale dans les sous-bandes, les propriétés spectrales d'une sous-bande sont à la fois des propriétés d'énergie dans la sous- bande et la fréquence centrale de la sous-bande.
Dans un mode de réalisation particulier, la résolution spatiale d'une sous-bande est estimée en outre à partir des propriétés spectrales des autres sous-bandes d'un ensemble de sous-bandes définissant les sources sonores.
Pour une sous-bande donnée, les autres sous-bandes peuvent être considérées comme des sources concurrentes distractives qui sont susceptibles de dégrader la sensibilité spatiale associée à cette sous-bande. La prise en compte des propriétés spectrales des autres sous-bandes de fréquence permet d'estimer cette dégradation et de prédire la résolution spatiale associée à la sous-bande. Cette prise en compte permet de définir dynamiquement avec quelle précision doivent être codées les informations de spatial isation associées à chaque sous-bande, sur la base d'une diminution ou d'un accroissement de la résolution spatiale. Ainsi, on adapte l'erreur de quantification résultante en fonction de la sensibilité spatiale afin de minimiser l'erreur quand la sensibilité est maximale, et inversement de la maximiser lorsque la sensibilité est minimale. L'erreur de quantification est ainsi, d'un point de vue perceptif, minimisée de façon homogène.
Dans un mode avantageux de réalisation, les propriétés spectrales d'une sous-bande sont obtenues à partir d'un signal somme décodé issu d'un traitement de réduction des canaux du flux audio multicanal.
L'estimation de la résolution spatiale par sous-bande ne nécessite pas d'informations de type position des sources sonores mais seulement des informations sur les propriétés spectrales des sous-bandes. Ces informations peuvent donc être obtenues à partir du signal somme décodé soit localement dans un codeur à l'étape du codage soit décodé par le décodeur lui-même à l'étape du décodage. Il n'est donc pas nécessaire d'envoyer d'informations supplémentaires au décodeur pour retrouver la stratégie d'allocation de bits de quantification. Cela réduit ainsi fortement le nombre d'informations à transmettre entre le codeur et le décodeur.
Dans une variante de réalisation, les propriétés d'énergie dans une sous-bande comprennent les propriétés d'énergie primaire et d'énergie ambiante dans la sous-bande. La part d'énergie corrélée (énergie primaire) entre les différents canaux du signal multicanal est différenciée de celle non corrélée (ambiante) dans le modèle psychoacoustique permettant d'estimer la résolution spatiale. Ainsi, l'estimation de la résolution spatiale est plus précise et plus proche de la réalité.
Dans un mode particulier de réalisation, le nombre de bits à allouer pour une sous- bande, fait partie d'un nombre de bits prédéterminé à répartir entre les sous-bandes, s'additionnant à un nombre de bits déjà alloué par sous-bandes.
L'allocation définie ici, s'applique sur un nombre de bits restant à allouer dans un budget de bits de quantification, une partie des bits de quantification du budget global ayant été déjà distribuée entre les sous-bandes.
Ainsi, au décodeur, il est possible de décoder approximativement les paramètres d'information spatiale à partir des bits de quantification déjà alloués, le budget de bits supplémentaire permettant d'affiner le décodage et de l'adapter à la perception auditive.
Dans un autre mode de réalisation particulier, la détermination du nombre de bits à allouer pour une sous-bande est ajustée en fonction de la différence entre la résolution dans cette sous-bande et une résolution de référence prédéterminée, à laquelle correspond une allocation de bits de référence prédéterminée.
On se place ici dans le cadre d'un contexte de transmission à débit non-contraint où une qualité de codage spatial cible est choisie et imposée. Une résolution de référence est alors prédéterminée et un nombre de bits à allouer pour cette résolution est prédéfini. Si la résolution estimée est différente de cette résolution de référence, le processus d'allocation tel que défini ici s'applique alors.
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé est mis en œuvre pour un ensemble de sous-bandes non masquées déterminé par une étape d'analyse de masquage énergétique entre sous-bandes.
Ainsi, lorsque certaines sous-bandes de fréquence sont masquées par d'autres sous- bandes, par exemple lorsqu'elles présentent un niveau énergétique trop faible, il n'est donc pas nécessaire de conserver l'information spatiale des ces sous-bandes masquées. Ainsi, le procédé d'allocation n'est mis en œuvre que pour les sous-bandes audibles, c'est-à-dire non- masquées, ce qui permet de concentrer le budget de bits à allouer sur ces sous-bandes.
Ceci apporte un gain de calcul puisque le procédé n'est pas mis en œuvre dans toutes les sous-bandes et un gain de transmission puisque les paramètres d'information spatiale associés aux sous-bandes masquées ne seront pas transmis (0 bits alloués).
De plus, ces propriétés de masquage énergétique peuvent être déterminées à partir du signal somme décodé. Il n'est donc pas nécessaire de transmettre ces informations au décodeur.
La présente invention vise également un dispositif d'allocation de bits de quantification de paramètres d'information spatiale par sous-bande de fréquence, pour un codeur/décodeur paramétrique d'un flux audio multicanal représentant une scène sonore constituée d'une pluralité de sources sonores et comportant un module de quantification/quantification inverse par sous-bande de fréquence de paramètres d'information spatiale des sources sonores de la scène sonore. Le dispositif est tel qu'il comporte:
un module d'estimation d'une résolution spatiale de la sous-bande courante à partir de propriétés spectrales de la sous-bande ;
un module de détermination d'un nombre de bits à allouer à la sous-bande courante, le nombre de bits à allouer étant inversement proportionnel à la résolution spatiale estimée.
Ce dispositif présente les mêmes avantages que le procédé décrit précédemment, qu'il met en œuvre.
L'invention vise un codeur ou un décodeur comprenant un tel dispositif d'allocation. Elle vise un programme informatique comportant des instructions de code pour la mise en œuvre des étapes du procédé d'allocation tel que décrit, lorsque ces instructions sont exécutées par un processeur.
Enfin l'invention se rapporte à un support de stockage, lisible par un processeur, intégré ou non au dispositif d'allocation, éventuellement amovible, mémorisant un programme informatique mettant en œuvre un procédé d'allocation tel que décrit précédemment.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
la figure 1 illustre un système de codage et de décodage paramétrique d'un flux audio multicanal dans lequel le dispositif d'allocation selon un mode de réalisation de l'invention est prévu ;
la figure 2 illustre sous forme d'organigramme, les étapes d'un procédé d'allocation selon un mode de réalisation de l'invention ; et
la figure 3 illustre une configuration matérielle particulière d'un dispositif d'allocation selon l'invention.
La figure 1 décrit ainsi un système de codage/décodage paramétrique d'un flux audio multicanal. Cette figure illustre le codeur 100, le décodeur 110 ainsi que le dispositif d'allocation 120 selon un mode de réalisation de l'invention.
Les canaux x1 ( n ) ,x2 ( n ) , . .. ,x„( n ) du flux audio multicanal sont d'abord transformés par un module de transformation temps/fréquence 106, avant d'être appliqués en entrée à la fois d'un module de traitement de réduction de canaux 101 ou encore module de « Downmix » et d'un module d'extraction de paramètres d'information spatiale 102. La transformation opérée par le module 106 peut être de différents types. Elle peut utiliser par exemple une technique de banc de filtres, ou encore une technique de Transformée de Fourier à Court-Terme (TFCT) en utilisant un algorithme de type FFT (« Fast Fourier Transform » en anglais). Dans le cas d'une technique de banc de filtres, les filtres peuvent être définis de façon à ce que les sous-bandes de fréquence résultantes décrivent des échelles fréquentielles perceptives, par exemple en choisissant des largeurs de bande constantes dans les échelles ERB (pour « Equivalent Rectangular Bandwidth » en anglais). Le même processus peut être appliqué dans le cas d'une technique par TFCT en groupant les bins fréquentiels de chaque trame temporelle suivant les échelles ERB.
Un signal « downmix » ou signal somme, issu du module de traitement de réduction de canaux 101 (signal mono ou stéréo) est obtenu par sommation éventuellement pondérée, des différents canaux dans chaque sous-bande. Ce signal somme est ensuite codé par un module de codage cœur 103 qui peut être de différent type, par exemple de type codage audio normalisé MPEG-4 AAC. Ce signal codé est ensuite transmis sur le réseau pour être ultérieurement décodé par le décodeur cœur correspondant 113.
Le module 102 extrait les paramètres d'information spatiale des canaux audio. Ces paramètres sont ceux qui décrivent la position spatiale des canaux. Ces paramètres peuvent être par exemple le couple de paramètres ILD (pour « Interaural Level Différence » en anglais) et IPD (pour « Interaural Phase différence » en anglais) comme défini pour la méthode de codage paramétrique stéréo décrite dans le document de Breebaart,J ; Van de Par,S ; Kohlrausch,A & Schuijers,E, « Parametric Coding of stereo Audio » dans EURASIP Journal on Applied Signal Processing, 2005,9, pp 1305-1322.
Ces paramètres peuvent, dans un autre exemple, être de type vecteurs de position primaire et ambiant comme pour la représentation décrite dans le document « Spatial audio scène coding » de Goodwin, M. & Jot, 1, 125th AES Convention, 2008 October 2-5, San Francisco, USA, 2008.
Les techniques d'extraction de ces paramètres sont bien connues et ne seront donc pas décrites ici.
Les paramètres d'information spatiale ainsi extraits sont ensuite quantifiés par le module de quantification 104 selon une allocation de bits de quantification définie par le dispositif d'allocation 120.
Le dispositif d'allocation 120 met en œuvre un procédé d'allocation qui sera décrit en référence à la figure 2.
Ce dispositif d'allocation 120 reçoit en entrée le signal somme décodé Ssd par un décodeur local 105 du codeur ou dans le cas du décodeur, décodé par le module de décodage 113. A partir de ce signal somme décodé Ssd un module 121 d'estimation d'une résolution spatiale par sous-bande de fréquence, détermine les propriétés spectrales des sous-bandes de fréquence.
Dans un premier mode de réalisation, une propriété spectrale d'une sous-bande de fréquence est la fréquence centrale de cette sous-bande.
Dans un autre mode de réalisation, les propriétés spectrales déterminées sont des propriétés d'énergie dans la sous-bande.
Dans encore un autre mode de réalisation, les propriétés spectrales sont à la fois les propriétés d'énergie et la fréquence centrale dans la sous-bande.
Ces propriétés spectrales vont permettre de déterminer une résolution spatiale par sous-bande de fréquence. Cette résolution spatiale correspond au plus petit angle entre deux sources que le système auditif humain peut discriminer. Cette résolution spatiale peut encore être dénommé MAA (pour « Minimum Audible Angle » en anglais) comme défini par le document de Mills A.W « On the Minimum Audible Angle » dans The Journal of the Acoustical Society of America, 83(S1) :S122, May 1988.
La détermination de cette résolution spatiale sera explicitée plus en détails en référence avec la figure 2.
La résolution spatiale par sous-bande de fréquence, ainsi déterminée permet de déterminer un nombre de bits à allouer à la sous-bande pour la quantification des paramètres d'information spatiale. Cette étape est mise en œuvre par le module 122 de détermination du nombre de bits. Cette étape sera explicitée plus en détails en référence à la figure 2.
Cette allocation du nombre de bits par sous-bande de fréquence est alors basée sur des considérations psycho-acoustiques et non purement mathématiques comme cela était fait auparavant dans l'état de l'art. Ainsi, cette allocation prend en compte la perception du système auditif dans les bandes de fréquence.
En effet, les erreurs de quantification des paramètres spatiaux se traduisent par des changements de position des sources sonores au moment du décodage. Ces changements de position induisent une distorsion spatiale de la scène sonore qui, évoluant dans le temps, se traduit par une instabilité spatiale. La résolution spatiale peut être interprétée comme une sensibilité à cette distorsion spatiale. Cette sensibilité peut être exprimée pour chaque sous- bande par le module 121. Le dispositif d'allocation 120 va alors modeler l'erreur de quantification en fonction de cette sensibilité afin de minimiser l'erreur quand la sensibilité est maximale, et inversement de la maximiser lorsque la sensibilité est minimale.
L'allocation ainsi déterminée permet de quantifier (Q) au codeur, les paramètres d'information spatiale par le module de quantification 104 ou d'effectuer une quantification inverse (Q"1) au décodeur par le module de quantification inverse 114 pour obtenir ces paramètres. Ainsi, au décodeur 110, le module 112 de synthèse pourra, à partir des informations spatiales ainsi dé-quantifiées et du signal somme décodé Ssd, obtenir le flux audio multicanal dans le domaine fréquentiel puis après transformation temps/fréquence inverse du module 116, le flux audio dans le domaine temporel x1 ( n ) , x2 ( n ) , . .. ,~xn ( n ) .
La figure 2 illustre à présent les étapes du procédé d'allocation de bits dans un mode de réalisation de l'invention.
A partir du signal somme décodé Ssd , une étape d'analyse E201 de masquage énergétique entre les sous-bandes de fréquence peut optionnellement être effectuée.
Cette étape permet de sélectionner un ensemble de sous-bandes de fréquence audibles par le système auditif.
En effet, au sein d'une même trame, une sous-bande présentant un niveau énergétique élevé peut potentiellement masquer (I.e. rendre inaudible) les sous-bandes voisines présentant un niveau énergétique trop faible. Ainsi, lors d'une étape préalable E201, on peut effectuer une analyse comparée des énergies des différentes sous-bandes afin de déterminer si certaines sous-bandes ne sont pas masquées par d'autres sous-bandes. Il est alors inutile de conserver l'information spatiale des sous-bandes masquées, ce qui libère des bits de quantification pour les autres sous-bandes pour le processus d'allocation de bits de quantification donné par les étapes suivantes du procédé.
Un ensemble de sous-bandes {bk} est ainsi défini pour mettre en œuvre les étapes du procédé d'allocation.
A tour de rôle, chaque sous-bande est considérée comme une source cible, les autres sous-bandes pouvant être considérées comme des sources distractives.
A l'étape E202, des propriétés spectrales des sous-bandes de l'ensemble {bk} sont extraites.
Selon plusieurs modes de réalisation, ces propriétés spectrales sont soit uniquement la fréquence centrale fc de la sous-bande courante, soit uniquement ses propriétés d'énergie (I), soit les deux.
Cependant, l'énergie contenue dans chaque sous-bande ne reflète pas tout à fait la réalité en termes de perception au moment de la restitution, et cela parce qu'une partie seulement de cette énergie sera restituée de façon corrélée entre les différents canaux. Le reste le sera de façon décorrélée. Il est donc intéressant d'estimer et de préciser au modèle psycho-acoustique quelle sera la part d'énergie corrélée (énergie primaire) et non-corrélée (énergie ambiante).
Les propriétés d'énergie peuvent alors être discriminées en énergie primaire (Ip) qui représente l'énergie corrélée entre les sous-bandes et l'énergie ambiante (Ia) représentant l'énergie décorrélée dans la sous-bande courante. A partir de la connaissance d'un ou de plusieurs de ces paramètres, l'étape E203 effectue une estimation de la résolution spatiale dans la sous-bande courante. Chaque sous- bande étant considérée tour à tour comme cible.
Pour cela, un modèle psycho-acoustique Ψ est déterminé et permet d'obtenir la résolution spatiale ou encore le MAA, associée à chaque sous-bande.
Comme mentionné précédemment, la résolution spatiale du système auditif peut être définie comme le plus petit angle entre deux sources sonores que celui-ci est capable de discriminer. L'étude de référence par Mills mentionné ci-dessus a été confortée par des études plus récentes décrites par exemple dans le document de Perrott D.R et Saberi K., « Minimum audible angle thresholds for sources varying in both élévation and azimuth » dans The journal of the acoustical Society of America, 87(4) : 1728-1731, April 1990.
Ces études concluent sur un MAA entre 1° et 3° en azimut pour une source frontale, en fonction de son contenu fréquentiel. Dans un contexte de représentation de l'information spatiale d'une scène sonore, le MAA définit la précision minimale avec laquelle on doit décrire la position d'une source sonore pour ne pas introduire d'artefacts audibles. Une erreur de position inférieure au MAA ne sera pas perçue par le système auditif. Ainsi le MAA représente le « flou spatial » de perception d'une source sonore.
Un modèle psycho-acoustique simplifié selon l'invention ne prend en compte que la fréquence centrale de la sous-bande courante. Dans ce cas, la fréquence centrale de la sous- bande considérée définit son MAA associé selon une table de correspondance prédéfinie par exemple par des tests subjectifs. Une telle correspondance est par exemple décrite dans le document de Mills cité ci-dessus.
Un autre modèle psycho-acoustique simplifié ne prend en compte que les propriétés d'énergie de la sous-bande courante.
De façon simple, les propriétés d'énergie correspondent à l'énergie mesurée dans la sous-bande. Dans ce cas, le MAA associé est considéré comme étant inversement proportionnel à l'énergie dans cette sous-bande.
De façon plus précise, les propriétés d'énergie correspondent à une mesure de la distance énergétique de cette sous-bande à son seuil de masquage/audibilité. On parle alors d'énergie audible dans la sous-bande. Le MAA associé à cette sous-bande est également inversement proportionnel à l'énergie audible dans cette sous-bande. En d'autres termes, plus une sous-bande contient de l'énergie audible, plus son MAA sera supposé petit.
Enfin, il est possible de combiner cette dernière possibilité avec la première pour l'affiner, en pondérant le MAA estimé via la distance énergétique au seuil de masquage/audibilité par le MAA estimé avec la fréquence centrale.
Dans un mode de réalisation particulier, le modèle psycho-acoustique ne prend pas seulement en compte les caractéristiques de la sous-bande courante mais également celles des autres sous-bandes qui sont alors considérées comme des sous-bandes distractives. En effet, des mesures expérimentales ont permis de montrer que le MAA (ou résolution spatiale) change en présence de sources distractives, et que plus spécifiquement, il tend à augmenter. Ainsi, l'action, sur une source donnée, des sources concurrentes, peut-être vue comme un « floutage spatial » de cette source. L'effet de « floutage » dépend du contenu fréquentiel de la source et de son énergie, de même qu'il dépend du contenu fréquentiel et de l'énergie de chacune des sources concurrentes.
En revanche l'effet de la position des sources distractives sur le « floutage » est négligeable, en ce sens que le MAA peut être estimé sans l'information de position des sources distractives. Néanmoins, le MAA associé à une source dépend de la position de cette source par rapport à la tête de l'auditeur. La meilleure performance (MAA le plus faible) est observée lorsque l'auditeur fait face à la source considérée. Ainsi, dans le modèle psychoacoustique selon l'invention, on fait l'hypothèse que l'auditeur est libre d'orienter sa tête au sein du dispositif d'écoute. Par suite il est supposé, lors de l'estimation du MAA associé à une source donnée, que l'auditeur fait toujours face à la source considérée. En conséquence de ces résultats, pour estimer le MAA associé à une source donnée, l'information de position de cette source n'est pas nécessaire. À partir de ces résultats, un modèle psycho-acoustique qui décrit le MAA associé à une source donnée peut être construit en fonction de la présence et des propriétés (énergie, contenu fréquentiel) d'autres sources.
L'information d'énergie seule suffit à déterminer le « floutage spatial » correctement. L'information de position est donc inutile. Il en résulte que les MAA associés aux différentes sous-bandes peuvent être calculés à partir de la composante « downmix » ou signal somme comme décrit en référence à la figure 1. La conséquence est que, pour le décodage, il n'est pas nécessaire de transmettre la stratégie de quantification, mais qu'elle peut être déduite du signal somme selon la même procédure qu'à l'encodage.
Au final, le modèle psycho-acoustique est décrit par une fonction MJ(c,di,d2,...,dN), où c représente la source cible, et les d, sont les sources distractives.
Dans ce mode de réalisation, chaque sous-bande constitue une source caractérisée par sa fréquence centrale et son énergie (primaire et ambiante). Pour chacune de ces sources, considérées alors comme cible, la fonction Ψ produit le MAA qui lui est associé en présence des autres sources considérées comme distractives, c'est-à-dire l'erreur de position maximale non-perceptible applicable à cette source en présence des autres.
Ainsi, chaque source (cible ou distractive) est caractérisée à l'étape E202 par trois paramètres {fc,Ip,Ia}, où fc est la fréquence centrale de la sous-bande considérée, et Ip et Ia sont respectivement l'énergie primaire et ambiante dans cette sous-bande. A partir de la connaissance de ces paramètres {fc,Ip,Ia} pour toutes les sous-bandes, le modèle psychoacoustique MJ(c,di,d2,...,dN) produit un couple de valeurs de MAA {ap,aa}, correspondant respectivement aux composants d'énergie primaire et ambiante, associé à l'étape E203 à chaque sous-bande considérée tour à tour comme cible. Selon si le paramètre à coder représente une composante primaire ou ambiante, la valeur de MAA considérée sera respectivement ap ou aa, et par conséquent cette distinction ne sera plus faite dans la suite du document. Si la répartition Ip/Ia est inconnue (paramètre non-transmis), le décodeur supposera que toute l'énergie est corrélée (énergie primaire), ainsi que le modèle psycho-acoustique, de façon à obtenir une correspondance lors de la restitution.
Ainsi, pour chaque sous-bande bk parmi K sous-bandes, la fonction MJ(bk,bi,...,bk- i,bk+i,...,bK) est appelée pour estimer le « floutage » spatial exercé sur cette sous-bande par les autres sous-bandes, qui sont donc considérées comme distractives, et Ψ produit le MAA associé à cette sous-bande. L'estimation de la résolution spatiale se fait alors de façon dynamique puisque l'influence des autres sous-bandes est prise en compte.
Les différentes résolutions spatiales ainsi estimées dans les sous-bandes de fréquences permettent de déterminer le nombre de bits à allouer pour la quantification des paramètres d'information spatiale dans chacune des sous-bandes.
Ainsi, à l'étape E204, une détermination du nombre de bits à allouer à la sous-bande courante en fonction de la résolution spatiale estimée, est effectuée.
La stratégie d'allocation des bits de quantification des paramètres de spatial isation va alors consister à maximiser le nombre de bits pour les sous-bandes présentant le MAA minimal, au détriment des sous-bandes pour lesquelles le MAA est maximal.
Ainsi, le nombre de bits à allouer pour une sous-bande est inversement proportionnel à la résolution spatiale estimée pour cette sous-bande.
Le procédé d'allocation peut donc adapter l'allocation de bits d'une sous-bande à une autre selon la sensibilité du système auditif à une distorsion spatiale. Cette sensibilité est donnée par le modèle psycho-acoustique.
Ce procédé peut être mis en œuvre aussi bien en contexte de transmission à débit contraint qu'en contexte de transmission à débit non-contraint.
Dans les deux cas, une part du budget de bits est laissée disponible pour une allocation variable d'une sous-bande à une autre en fonction du MAA associé à celle-ci. Un certain budget de bits « flottants » est donc à répartir entre un même paramètre de chacune des sous-bandes de manière à minimiser perceptivement la distorsion spatiale résultant du processus de quantification, de façon homogène dans chacune des sous-bandes. Le reste du budget de bits est réparti équitablement entre toutes les sous-bandes. La qualité de codage spatial est donc définie par le nombre moyen, sur toutes les sous-bandes, de bits alloués à un même paramètre, ou, de manière équivalente, par le nombre total de bits alloués à un même paramètre pour toutes les sous-bandes.
En contexte de transmission à débit non-contraint, une qualité de codage spatial cible est choisie et imposée par l'utilisateur. Cette qualité cible est définie par le nombre moyen, sur toutes les trames temporelles et sur toutes les sous-bandes, de bits affectés à un même paramètre. Ainsi, le MAA moyen, considérée alors comme une valeur de résolution de référence, est supposé estimable ou prédictible, toutes sous-bandes confondues, sur toutes ou partie des trames temporelles.
Les sous-bandes dont le MAA estimé vaut le MAA moyen se verront allouer le nombre moyen de bits par paramètre défini par l'utilisateur. L'allocation de bits pour les autres sous- bandes est faite, comme en contexte de débit contraint, de façon à minimiser perceptivement la distorsion spatiale résultant du processus de quantification, de façon homogène dans chacune des sous-bandes, mais étant donné le nombre de bits à allouer aux sous-bandes de MAA moyen. Ainsi, dans ce mode de réalisation, la détermination du nombre de bits à allouer pour une sous-bande est effectuée si la résolution dans la sous-bande est différente d'une valeur de référence prédéterminée, ici le MAA moyen.
Dans chacun des contextes, un certain nombre minimum de bits est déjà alloué par sous-bande pour coder chaque paramètre, ce qui d'une part assure une qualité minimum de reproduction spatiale pour toutes les sous-bandes audibles, et d'autre part procure une valeur approximative du paramètre concerné qui est accessible au décodage.
Pour simplifier, nous allons illustrer la stratégie d'allocation pour un des paramètres à coder par sous-bande. Mais le procédé est exactement le même pour les autres paramètres de chaque sous-bande. On considère que l'on traite une trame temporelle quelconque. K : nombre de sous-bandes à coder (sous-bandes audibles)
N : nombre total de bits à allouer
nfixe : nombre de bits minimum affectés au paramètre de chaque sous-bande
fiott : nombre de bits flottants à répartir entre les sous-bandes (suivant modèle psychoacoustique)
bk : sous-bande k, k «≡{1■>■■■ >K }
argmaxk(Nk) = m : indice de la sous-bande à laquelle est alloué le plus de bits
MJ(bk,bi,...,bk-i,bk+i,...,bK) = ak : MAA associé à la sous-bande k (donné par le modèle psychoacoustique)
Nk : nombre de bits flottants alloués au paramètre de bk
N'k : nombre de bits alloués au paramètre de bk au total (N'k= nfixe + Nk)
Le budget total de bits est défini par :
Quelle que soit la répartition des valeurs de quantification (uniforme ou non), on suppose qu'ajouter un bit de codage double le nombre de valeurs de quantification et double donc la précision de la représentation de la valeur à coder. Si cette supposition n'est pas vérifiée, les formules (1) et ( ) énoncées après doivent être ajustées en conséquence. À débit contraint, pour que l'erreur de quantification des paramètres de spatialisation soit modelée suivant le seuil de sensibilité à un déplacement angulaire, la sous-bande codée sur le plus de bits (bm) doit être la sous-bande ayant la plus petit MAA (am), et le rapport de précision de codage entre la sous-bande courante bk et bm doit être inversement proportionnel au rapport des MAA de ces deux sous-bandes :
D'où a
N , =N, _+ loe„
a (2)
De plus, la somme des bits flottants de chaque sous-bande ne doit pas dépasser le nombre total de bits flottants disponibles Nf|0tt :
N < N f
D'où, en injectant dans cette relation l'expression précédente de Nk
Les formules (2) et (3) donnent respectivement une première approximation du nombre de bits à allouer au paramètre des sous-bandes Nk et Nm. S'il reste des bits à allouer, ou si trop de bits ont été alloués, l'heuristique suivante (algorithme dit « glouton ») permet de finaliser le processus d'allocation des bits flottants. Soit Ak l'écart entre la précision optimale de codage et la précision courante pour la sous-bande k, dérivé de la formule (1) :
L'index de la sous-bande à laquelle le prochain bit est à allouer ou à reprendre sera respectivement déterminée par arSmax k fêk) ou afgmink ( k^ _ ^ es¾ recalculé après chaque opération (allocation ou retrait) sur un bit. L'allocation est finalisée lorsque le nombre total de bits flottants alloués vaut exactement Nf|0tt. Cas particulier : lorsque ™k>Ak~ υ et que le nombre de bits alloués ne vaut pas Nf|0tt, la sous-bande qui doit recevoir (respectivement à qui l'on doit enlever) le prochain bit est la sous-bande dont le MAA est le plus petit (respectivement le plus élevé).
Note : il est aussi possible de faire l'allocation complète avec cet algorithme.
Finalement, le nombre N'k de bits alloués au total au codage du paramètre de la sous-bande bk vaut :
N'k ="fixe +Nk (5)
À débit non -contraint, il est nécessaire d'introduire trois nouvelles variables :
~a : MAA moyen (estimé ou prédit) ou résolution spatiale de référence, toutes sous-bandes confondues, sur tout ou partie des trames temporelles
k« : sous-bande fictive de référence, de MAA ~a
N : nombre de bits flottants affectés au paramètre de ¾
Le rapport de précision de codage entre la sous-bande courante ^k et la sous-bande de référence ^¾ doit être inversement proportionnel au rapport des MAA de ces deux sous- bandes :
—TT=— . avec N. , N ¾ϋ +* , et a, , ~a +*
2 f, ' ■ J Le nombre de bits flottants à allouer à chaque paramètre est donc donné par :
La formule (5) donne le nombre de bits à allouer au total au codage du paramètre de la sous- bande bk.
Enfin, à débit contraint comme non-contraint, chaque paramètre est alors quantifié (Q) au codeur pour former le train binaire ou dé-quantifié (Q"1) au décodeur en fonction du nombre de bits qui lui est alloué.
S'ils sont présents, les paramètres de répartition d'énergie primaire et ambiante, qui eux sont codés sur un nombre fixe de bits, doivent être transmis en premiers, car ils seront alors nécessaires au décodage des paramètres codés sur un nombre de bits variable. Au décodeur, la quantification inverse du train de bits des paramètres spatiaux nécessite de connaître le nombre de bits allouées à chaque paramètre. L'invention permet d'éviter une transmission d'informations supplémentaires sur la stratégie d'allocation de bits.
Puisque le « floutage » spatial effectif peut être calculé à partir du « downmix » seul, il est possible de recalculer l'allocation de bits des paramètres spatiaux en utilisant le même modèle psycho-acoustique et la même procédure d'allocation de bits qu'à l'encodage. Ainsi, on économise la transmission de la stratégie de quantification. En contrepartie, cela impose de fixer le modèle psycho-acoustique et la procédure d'allocation de bits entre l'encodage et le décodage.
S'ils sont présents, les paramètres de répartition d'énergie primaire et ambiante, qui eux sont codés sur un nombre fixe de bits, ont été au-préalable transmis. Ils sont donc décodés préalablement au décodage des autres paramètres.
De plus, si nfixe est non-nul, il est possible de récupérer une première valeur approximative de chacun des paramètres sans avoir à connaître le nombre de bits alloués à chacun des paramètres. En effet, il suffit d'organiser le train de bit de manière à envoyer d'abord nfixe bits de poids fort pour chacun des paramètres, suivi des Nk bits restants pour chaque paramètre. Cela peut être utile si d'autres études expérimentales venaient à montrer que certaines informations de positions sont en fait nécessaires pour estimer plus précisément le MAA. Dans ce cas, le signal somme ou « downmix » ne suffirait plus, et ces valeurs approximatives des paramètres pourraient servir à estimer le MAA à l'encodage (respectivement au décodage) pour connaître le nombre de bits à allouer (respectivement alloués) à chaque paramètre. Ainsi, plus nfixe est élevé, plus on a une bonne approximation des paramètres disponible pour l'estimation du MAA.
Les codeurs et décodeurs tels que décrits en référence à la figure 1 ainsi que le dispositif d'allocation objet de l'invention peuvent être intégrés dans des équipements multimédia de type décodeur de salon, "set top box" ou lecteur de contenu audio ou vidéo. Ils peuvent également être intégré dans des équipements de communication de type téléphone mobile.
La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un tel équipement dans lequel le dispositif d'allocation selon l'invention est intégré. Ce dispositif comporte un processeur PROC coopérant avec un bloc mémoire BM comportant une mémoire de stockage et/ou de travail MEM.
Le bloc mémoire peut avantageusement comporter un programme informatique comportant des instructions de code pour la mise en œuvre des étapes du procédé d'allocation au sens de l'invention, lorsque ces instructions sont exécutées par le processeur PROC, et notamment les étapes d'estimation d'une résolution spatiale de la sous-bande courante à partir de propriétés spectrales de la sous-bande et de détermination d'un nombre de bits à allouer à la sous-bande courante en fonction de la résolution spatiale estimée. Typiquement, la description de la figure 2 reprend les étapes d'un algorithme d'un tel programme informatique. Le programme informatique peut également être stocké sur un support mémoire lisible par un lecteur du dispositif ou téléchargeable dans l'espace mémoire de celui-ci.
Un tel équipement comporte un module d'entrée apte à recevoir un signal somme décodé soit d'un codeur par l'intermédiaire d'un décodeur local, soit d'un décodeur.
Le dispositif comporte un module de sortie apte à transmettre le nombre de bits à allouer par sous-bande de fréquence aux modules de quantification d'un codeur ou au module de quantification inverse d'un décodeur.
Dans un mode possible de réalisation, le dispositif ainsi décrit peut également comporter les fonctions de codage et/ou de décodage en plus des fonctions d'allocation selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé d'allocation de bits de quantification de paramètres d'information spatiale par sous-bande de fréquence, pour un codage/décodage paramétrique d'un flux audio multicanal représentant une scène sonore constituée d'une pluralité de sources sonores et comportant une étape de quantification/quantification inverse par sous-bande de fréquence de paramètres d'information spatiale des sources sonores de la scène sonore, caractérisé en ce que qu'il comporte les étapes suivantes :
estimation (E203) d'une résolution spatiale de la sous-bande courante à partir de propriétés spectrales de la sous-bande ;
détermination (E204) d'un nombre de bits à allouer à la sous-bande courante, le nombre de bits à allouer étant inversement proportionnel à la résolution spatiale estimée.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les propriétés spectrales d'une sous-bande sont représentées par la fréquence centrale de la sous-bande.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les propriétés spectrales d'une sous-bande sont des propriétés d'énergie dans la sous-bande.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les propriétés spectrales d'une sous-bande sont à la fois des propriétés d'énergie dans la sous-bande et la fréquence centrale de la sous-bande.
Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la résolution spatiale d'une sous-bande est estimée en outre à partir des propriétés spectrales des autres sous-bandes d'un ensemble de sous-bandes définissant les sources sonores.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les propriétés spectrales d'une sous-bande sont obtenus à partir d'un signal somme décodé issu d'un traitement de réduction des canaux du flux audio multicanal.
Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les propriétés d'énergie dans une sous-bande comprennent les propriétés d'énergie primaire et d'énergie ambiante dans la sous-bande.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de bits à allouer pour une sous-bande, fait partie d'un nombre de bits prédéterminé s'additionnant à un nombre de bits déjà alloué par sous-bandes.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la détermination du nombre de bits à allouer pour une sous-bande est ajustée en fonction de la différence entre la résolution dans cette sous-bande et une résolution de référence prédéterminée, à laquelle correspond une allocation de bits de référence prédéterminée.
10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre pour un ensemble de sous-bandes non masquées déterminé par une étape d'analyse de masquage énergétique entre sous-bandes.
11. Dispositif d'allocation de bits de quantification de paramètres d'information spatiale par sous-bande de fréquence, pour un codeur/décodeur paramétrique d'un flux audio multicanal représentant une scène sonore constituée d'une pluralité de sources sonores et comportant un module de quantification/quantification inverse par sous-bande de fréquence de paramètres d'information spatiale des sources sonores de la scène sonore, caractérisé en ce que qu'il comporte:
un module d'estimation (121) d'une résolution spatiale de la sous-bande courante à partir de propriétés spectrales de la sous-bande ;
un module de détermination (122) d'un nombre de bits à allouer à la sous- bande courante, le nombre de bits à allouer étant inversement proportionnel à la résolution spatiale estimée.
12. Codeur paramétrique d'un flux audio multicanal caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'allocation de bits de quantification conforme à la revendication 11.
13. Décodeur paramétrique d'un flux audio multicanal caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'allocation de bits de quantification conforme à la revendication 11.
14. Programme informatique comportant des instructions de code pour la mise en œuvre des étapes du procédé d'allocation selon l'une des revendications 1 à 10, lorsque ces instructions sont exécutées par un processeur.
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