JP3870193B2 - 高周波再構成に用いる符号器、復号器、方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
高周波再構成(HFR)は、オーディオアルゴリズム及びスピーチ符号化アルゴリズムの品質を向上させる比較的新しい技術である。今日まで、それは、第三世代セルラシステム用の広帯域AMRコーダなどのスピーチコーデック用、及び従来の波形コーデックに高周波再構成アルゴリズムSBRが補足された(結果としてMP3PRO又はAAC+SBRが得られる)MP3又はAACなどのオーディオコーダ用に導入されてきた。
・ mp3など従来の波形コーデックは、非常に低いビットレートの場合、オーディオ帯域幅を低減する必要がある。さもなければスペクトルにおけるアーチファクトレベルが高くなりすぎるためである。HFRはこれらの高周波を非常に低いコストで、かつ良好な品質で再生する。HFRは低コストで高周波成分を生成することができるので、オーディオコーダによって符号化されるオーディオ帯域幅をさらに低減することができ、結果的にトータルシステムのアーチファクトがより少なくなり、最悪時の挙動が良くなる。
・ HFRは符号器におけるダウンサンプリング/復号器におけるアップサンプリングと組み合わせて使用することができる。この頻繁に使用されるシナリオでは、HFR符号器は全帯域幅のオーディオ信号を解析するが、オーディオコーダに送り込まれる信号はより低いサンプリングレートにダウンサンプリングされる。典型的な例では、HFRのレートが44.1kHzであり、オーディオコーダのレートが22.05kHzである。オーディオ符号器は通常サンプリングレートが低い方がより効率的であるので、オーディオ符号器を低サンプリングレートで作動させることは有利である。復号側では、復号された低サンプリングレートのオーディオ信号がアップサンプリングされ、HFR部が加えられる。こうして、オーディオコーダは例えば半分のサンプリングレートで動作するが、元のナイキスト周波数まで周波数を生成することができる。
したがって、上述した問題の解決策及び本発明の主題は、COFを変更させることができるだけでなく、異なる方法の周波数選択的複合によって復号化/再構成されたスペクトルをずっと柔軟に複合することもできる、非常に柔軟なHFRシステムの概念である。
波形符号化(コアコーダを使用する);
転置(次に続く包絡調整による);
波形符号化(ナイキストを超えた追加符号化を使用する);
パラメータ符号化;
スペクトルの特定部分で適用可能ないずれかの他の符号化/再構成方法;
又は、それらの任意の組合せ。
復号器で利用可能な低帯域を利用して高帯域を外挿するHFR方法;
符号器側で、COFより低い周波数範囲に基づいては、HFR方法が原信号の単一又は複数のスペクトル線と同様の単一又は複数のスペクトル線を正しく生成しない異なる周波数領域内で、評価するためにHFR方法を使用すること;
その異なる周波数領域に対して、単一又は複数のスペクトル線を符号化すること;
その異なる周波数領域に対し符号化された単一又は複数のスペクトル線を符号器から復号器へ送信すること;
その単一又は複数のスペクトル線を復号すること;
復号された単一又は複数のスペクトル線を復号器におけるHFR方法からの出力の各周波数領域に加えること;
その符号化は前記単一又は複数のスペクトル線のパラメータ符号化である;
その符号化は前記単一又は複数のスペクトル線の波形符号化である;
パラメータ符号化された単数又は複数のスペクトル線がサブバンドフィルタバンクを用いて合成される;
単一又は複数のスペクトル線の波形符号化は、ソース符号化システムの基礎を成すコアコーダによって行なわれる;
単数又は複数のスペクトル線の波形符号化は、任意の波形コーダによって行なわれる。
以下で述べる実施形態は、高周波再構成システムの改善のための本発明の原理の単なる例証である。ここに記載する構成及び詳細の修正及び変形が当業者には明白であることが理解される。したがって、本発明は本書に記載する特許請求の範囲によってのみ限定されるものであって、本書で実施形態の記述及び説明によって提示する特定の詳細によって限定するつもりはない。
HFR後に復号された出力で紛失しているスペクトル線を符号化することができるようにするために、符号器でこれらを検出することが不可欠である。これを達成するために、後続復号器HFRの適切な合成を符号器で実行する必要がある。これは、この合成の出力が復号器のそれと同様の時間領域出力信号である必要があることを意味しない。復号器でHFRの絶対スペクトル表現を観察しかつ合成すれば十分である。これは、QMFフィルタバンクにおける予測と、その後の原信号とHFR対応物との間の予測利得における差のピーク選定を使用することによって達成することができる。予測利得における差のピーク選定の代わりに、絶対スペクトルの差も使用できる。どちらの方法の場合も、成分の周波数分布についてHFRが復号器で行なうものと同様の再構成を単に行なうことによって、HFRの周波数依存性予測利得又は絶対スペクトルが合成される。
ここで
は所定のフィルタバンクチャネルについての信号ブロックのエネルギ、Eは予測エラーブロックのエネルギである。これを原信号に対して計算することができ、それを前提として、復号器のHFR出力における様々な周波数帯域に対するトーナル対雑音比の表現を得ることができる。(QMFの周波数分解能より大きい)任意の周波数選択に基づき、二つの間の差をこうして計算することができる。原信号と復号器のHFRからの予測出力との間のトーナル対雑音比の差を表わすこの差ベクトルは、その後、所定のHFR技法の欠点を補償するために追加符号化方法が必要な場所を決定するために使用される(図3)。ここでは、サブバンドフィルタバンク帯域15〜41間の周波数範囲に対応するトーナル対雑音比が、原信号及び合成HFR出力に対して表示されている。グリッドは、バークスケール(bark-scale)法でグループ化された周波数範囲のスケールファクタ帯域を示す。各スケールファクタ帯域に対し、原信号とHFR出力の最大成分間の差が計算され、3番目の図表に表示されている。
符号化すべきスペクトル線がコアコーダのFS/2より下にある場合、そのスペクトル線はそのコアコーダによって符号化することができる。これは、コアコーダがCOFまでの周波数範囲全体、及び復号器でHFRによって再生されないトーナル成分の周囲の定義された周波数範囲を符号化することを意味する。また、トーナル成分は任意の波形コーダによって符号化することができ、この方法では、システムはコアコーダのFS/2によって制限されず、原信号の周波数範囲全体に対して動作することができる。
紛失スペクトル線のパラメータ符号化を使用するフィルタバンクをベースとするシステムの一例を以下で概説する。
によって表わすことができ、かつ、ノイズフロアレベルのベクトルは、
によって表わすことができる。
によって記述されるQMFフィルタバンク帯域全体で平均化される。該ベクトルは、使用する最低QMF帯域(lsb)から最高帯域(usb)までのQMF帯域成分を含み、その長さがM+1であり、(QMF帯域における)各スケールファクタ帯域の範囲が、
によって与えられ、ここでllはスケールファクタ帯域nの下限であり、luは上限である。上記において、ノイズフロアレベルデータのベクトル
は、エネルギデータ
のそれと同一周波数に分解されている。
に従って保持されるように調整する必要がある。ここで、ll及びluは、合成正弦波が追加されるスケールファクタ帯域の限界であり、xre及びximは実数及び虚数サブバンドサンプルであり、lはチャネルインデックスである。また、
は所要利得調整係数であり、ここでnは現行スケールファクタ帯域である。ここで触れておかなければならないことは、上の式は正弦波が配置されるフィルタバンクチャネルのスペクトル線/帯域通過信号に対しては有効でないということである。
に従ってQMFチャネルls(ll≦ls<lu)に配置される。式中、kは変調ベクトルインデックス(0≦k<4)であり、(−1)lxは全ての他のチャネルの複素共役を与える。QMFフィルタバンクの全ての他のチャネルは周波数反転されるので、これが必要である。複素サブバンドフィルタバンク帯域の真ん中に正弦波を配置するための変調ベクトルは、
であり、合成正弦波のレベルは
によって与えられる。
本発明は、任意のコーデックを使用するアナログ又はデジタルの信号の記憶又は送信用の様々な種類のシステム用に、ハードウェアチップ及びDSPのどちらでも実現することができる。図7に、本発明の可能な符号器の実現を示す。アナログ入力信号はデジタル信号に変換され(701)、HFR用のパラメータ抽出モジュール704のみならずコア符号器702にも送られる。復号器で高周波再構成後にどのスペクトル線が紛失するかを決定するために、解析が実施される(703)。これらのスペクトル線は適切な方法で符号化され、残りの符号化データと共にビットストリームに多重化される(705)。図8は、本発明の可能な復号器の実現を示す。ビットストリームは分離され(801)、低帯域がコア復号器803によって復号され、高帯域は適切なHFR装置804を用いて再構成され、HFR後に紛失するスペクトル線に関する追加情報が復号され(805)、紛失成分を再生するために使用される(806)。高帯域のスペクトル包絡は復号され(802)、再構築された広帯域のスペクトル包絡を調整するために使用される(807)。低帯域は、再構築された広帯域との正しい時間同期を確実にするために遅延され(808)、二つが共に加算される。デジタル広帯域信号がアナログ広帯域信号に変換される(809)。
Claims (31)
- 予め定められた周波数より下の周波数成分に基づいて、その予め定められた周波数より上の周波数成分を生成するのに適した、高周波再生技術を使用して復号するように意図された符号化信号を得るように、オーディオ信号を符号化するための符号器であって、
符号化アルゴリズムを使用して符号化される入力信号の符号化された表現であり、かつ前記予め定められた周波数より下のオーディオ信号の周波数成分を表わす符号化入力信号を提供するための手段(702)と、
前記入力信号又はその符号化されかつ復号された信号に前記高周波再生技術を実行して、前記予め定められた周波数より上の周波数成分を持つ再生信号を得るための高周波再生装置(703c)と、
有意しきい値を超える、前記再生信号と前記オーディオ信号との間の差を検出するための検出器(703a)と、
検出された差を記述して追加情報を得るための記述装置(703b)と、
前記符号化入力信号及び前記追加情報を結合して前記符号化信号を生成するためのコンバイナ(705)と、
を備えた符号器。 - 前記検出された差は前記再生信号に含まれないオーディオ信号のスペクトル線である、請求項1に記載の符号器。
- 前記予め定められた周波数は入力信号が前記符号化アルゴリズムによって符号化される上限周波数を決定するクロスオーバ周波数である、請求項1又は2に記載の符号器。
- 前記検出器(703a)は前記再生信号と前記オーディオ信号に複数の周波数帯域を使用するように構成され、前記差が前記再生信号と前記オーディオ信号の同じ周波数帯域に基づいて検出される請求項1ないし3のいずれかに記載の符号器。
- 前記検出器(703a)及び/又は前記高周波再生装置が時間領域から周波数領域への変換器を含む請求項1ないし4のいずれかに記載の符号器。
- 前記時間領域から周波数領域への変換器がトランスフォーム又はフィルタバンクである請求項5に記載の符号器。
- 前記検出器(703a)は、
前記再生信号及び前記オーディオ信号に予測を実行するための予測装置と、
前記予測装置によって得られる予測利得の差において、前記有意しきい値を形成する利得しきい値より大きいものを検出するための検出器と、
を含む請求項1ないし6のいずれかに記載の符号器。 - 前記検出器(703a)は、前記オーディオ信号と前記再生信号との絶対スペクトルの差において、前記有意しきい値を形成する予め定められた差より高いものを検出するように構成されている請求項1ないし7のいずれかに記載の符号器。
- 前記検出のための検出器(703a)は、前記オーディオ信号及び前記再生信号の周波数依存性トーナリティ尺度を決定し、前記トーナリティ尺度が前記有意しきい値を形成するしきい差より大きく異なる周波数帯域を検出するように構成されている請求項1ないし8のいずれかに記載の符号器。
- 前記トーナリティ尺度がトーナル対雑音比である請求項9に記載の符号器。
- 前記オーディオ信号がサンプリング周波数を使用してサンプリングされた離散オーディオ信号であり、
前記予め定められた周波数が前記サンプリング周波数の値の2分の1より小さく、
前記検出器(703a)は、前記予め定められた周波数帯域より上の特定周波数帯域に対して差を決定するように構成され、前記特定周波数帯域の中心周波数が前記サンプリング周波数の値の2分の1より小さく、
該符号器は、前記決定された差を記述するために、前記符号化入力信号を生成するエンコーダを制御して、前記符号化アルゴリズムに従って前記特定周波数に関して前記オーディオ信号をさらに符号化するための制御装置(910)をさらに含み、前記特定周波数帯域に対する前記コーダ(702)の出力が前記追加情報の代用となる請求項1ないし10のいずれかに記載の符号器。 - 前記記述装置(703b)は前記オーディオ信号を帯域通過フィルタリングするための帯域通過フィルタを含み、前記帯域通過フィルタが、検出された差を含む特定の周波数帯域に設定され、
前記記述装置(703b)は前記帯域通過フィルタの出力を符号化して前記追加信号を得るために、前記符号化入力信号を符号化する符号化アルゴリズムとは異なる符号化アルゴリズムを使用する符号器を含む請求項1ないし10のいずれかに記載の符号器。 - 差を検出するための前記検出器はスペクトル線を検出するように構成され、
前記記述装置は前記検出されたスペクトル線の周波数位置に関する情報を生成するように構成された請求項1ないし11のいずれかに記載の符号器。 - 周波数位置に関する前記情報は、スケールファクタ帯域について、前記符号化信号を復号するときにスペクトル線をその特定のスケールファクタ帯域に加えるべきかどうかを示すベクトルを含む請求項13に記載の符号器。
- 前記オーディオ信号がフレーム毎に処理され、前記決定された周波数がフレーム毎に可変である請求項1ないし14のいずれかに記載の符号器。
- 前記差検出器(703a)は、前記予め定められた周波数を検出された差に基づいて変動させるためのクロスオーバ周波数制御装置をさらに含む請求項15に記載の符号器。
- HFR技術が、前記予め定められた周波数より下のスペクトル値から前記予め定められた周波数より上のスペクトル値を生成するように構成されている請求項1ないし16のいずれかに記載の符号器。
- 前記HFR技術が、連続周波数に関係する一群のスペクトル値又は帯域通過信号を、連続周波数に対応し予め定められた周波数より上の一群のスペクトル値又は帯域通過信号に転置するように構成されている請求項1ないし17のいずれかに記載の符号器。
- 前記オーディオ信号のスペクトル包絡を決定するためのスペクトル包絡推定器(704)をさらに含み、前記スペクトル包絡が前記予め定められた周波数より上の前記オーディオ信号のスペクトル部分に関連する請求項17又は18に記載の符号器。
- 前記スペクトル包絡のデータが、スペクトル値の数より少ない包絡データ点を含み、一スケールファクタ帯域に対し一つのデータ点が提供される請求項19に記載の符号器。
- スペクトル成分が複素変換係数又は複素帯域通過信号である請求項1ないし20のいずれかに記載の符号器。
- 符号化アルゴリズムを使用して符号化された、予め定められた周波数より下の原オーディオ信号の周波数成分を表わす符号化入力信号と、前記入力信号又はその符号化されかつ復号された信号から高周波再生技術によって生成された再生信号と前記原オーディオ信号との間の検出された差を記述した追加情報とを含む符号化信号を復号するための復号器であって、
前記符号化アルゴリズムに従って前記符号化入力信号を復号することによって生成される復号入力信号を得るための手段(803)と、
前記追加情報に基づいて前記検出された差を再構成するための再構成装置(805)と、
前記検出された差を得るための前記高周波再生技術と同様の高周波再生技術を実行して前記再生信号を得るための高周波再生装置(804)と、
前記復号入力信号、前記再構築された差、及び前記再生信号に基づいて、高周波再生オーディオ信号を生成するための生成装置(806、807)と、
を備えた復号器。 - 検出された差が指定周波数領域のスペクトル線を含み、前記追加情報が前記特定周波数領域に関係し、
前記再構築装置(805)が前記追加情報に応じて前記指定領域のスペクトル線を生成するように構成されている請求項22に記載の復号器。 - 前記追加情報が、スペクトル線を再構築するスケールファクタ帯域を指定し、
前記符号化信号が、前記予め定められた周波数より上のオーディオ信号のスペクトル部分を記述するためのスペクトル包絡データをさらに含み、
前記生成装置(806、807)が前記スケールファクタ帯域にスペクトル線を生成するように構成され、
前記生成されたスペクトル線を含む前記スケールファクタ帯域の所定のエネルギが維持されるように、前記生成装置(806、807)がさらに前記スケールファクタ帯域のスペクトル線を調整するように構成されている請求項22又は23に記載の復号器。 - 前記高周波再生装置(804)は、合成フィルタバンクチャネルを有する合成フィルタバンク(1203)を含み、前記合成フィルタバンクではスケールファクタ帯域が二つ以上のフィルタバンクチャネルを含み、
前記符号化信号がスペクトル包絡ベクトル及びノイズフロアレベルベクトルをさらに含み、
前記再構成装置(805)は、前記再構成されたスペクトル線のレベルを前記スペクトル包絡ベクトルに基づいて計算するように構成されている請求項22ないし24のいずれかに記載の復号器。 - 前記生成装置(806、807)は、次式:
に従ってスケールファクタ帯域内で正弦波が挿入されないフィルタバンクチャネルに対して帯域通過信号を決定するように構成され、
式中、lはフィルタバンクチャネル番号であり、l1は前記スケールファクタ帯域の最低フィルタバンクチャネル番号であり、luは前記スケールファクタ帯域の最高フィルタバンクチャネルであり、xreはHFRブロック(804)によって出力される帯域通過信号サンプルの実数部であり、ximはHFRブロック(804)によって出力される帯域通過信号サンプルの虚数部であり、yre及びyimはフィルタバンクチャネルに対して調整された帯域通過信号の実数部及び虚数部であり、ghfrは前記ノイズフロアレベルベクトルから導出される利得調整係数である請求項25に記載の復号器。 - 前記再構成装置(805)は合成正弦波が挿入される特定のスケールファクタ帯域lsを決定するように構成され、
挿入される合成正弦波のレベルが次の通り、
と定義され、ここでnは所定のスケールファクタ帯域の数であり、
はスペクトル包絡ベクトルであり、
前記生成装置は、次式:
に従って合成正弦波が配置されるチャネルの帯域通過信号を決定するように構成され、式中、lsは正弦波が挿入されるフィルタバンクチャネル番号であり、l1は前記スケールファクタ帯域の最低フィルタバンクチャネル番号であり、luは前記スケールファクタ帯域の最高フィルタバンクチャネルであり、xreはHFRブロック(804)によって出力される帯域通過信号サンプルの実数部であり、ximはHFRブロック(804)によって出力される帯域通過信号サンプルの虚数部であり、yre及びyimはフィルタバンクチャネルの調整された帯域通過信号の実数部及び虚数部であり、ghfrは前記ノイズフロアレベルベクトルから導出される利得調整係数であり、φre及びφimが正弦波を帯域通過信号内に配置するための複素変調ベクトルを形成し、kが0から4までの範囲の変調ベクトルインデックスである請求項25又は26に記載の復号器。 - 予め定められた周波数より下の周波数成分に基づいて、予め定められた周波数より上の周波数成分を生成するのに適した、高周波再生技術を用いて復号されるように意図された符号化信号を得るようにオーディオ信号を符号化するための方法であって、
符号化アルゴリズムを使用して符号化される入力信号の符号化された表現であり、かつ前記予め定められた周波数より下のオーディオ信号の周波数成分を表わす符号化入力信号を提供するステップと、
前記入力信号又はその符号化されかつ復号された信号に前記高周波再生技術を実行して、前記予め定められた周波数より上の周波数成分を持つ再生信号を得るステップと、
前記再生信号と前記オーディオ信号との間の差であって、有意しきい値を超えるものを検出するステップ(703a)と、
追加情報を得るために検出された差を記述するステップ(703b)と、
前記符号化信号を生成するために前記符号化入力信号及び前記追加情報を結合するステップと、
を含む方法。 - 符号化アルゴリズムを使用して符号化された、予め定められた周波数より下の原オーディオ信号の周波数成分を表わす符号化入力信号と、前記入力信号又はその符号化されかつ復号された信号から高周波再生技術によって生成された再生信号と前記原オーディオ信号との間の検出された差を記述する追加情報とを含む符号化信号を復号するための方法であって、
前記符号化アルゴリズムに従って前記符号化入力信号を復号することによって生成される復号入力信号を得るステップと、
前記追加情報に基づいて前記検出された差を再構成するステップと、
前記再生信号を得るために、前記検出された差を得るための前記高周波再生技術と同様の高周波再生技術を実行するステップと、
前記復号入力信号、前記再構築された差、及び前記再生信号に基づいて、高周波再生オーディオ信号を生成するステップと、
を含む方法。 - コンピュータを請求項21の符号器の有する各構成として機能させるためのコンピュータプログラム。
- コンピュータを請求項22の復号器の有する各構成として機能させるためのコンピュータプログラム。
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