JP7123911B2 - オーディオコーデックにおける長期予測のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
従来の手法では、予測器の係数は、時間領域解析によって決定される。これは、通常、残留信号のエネルギーを最小にすることを伴う。このことは、所与の解析時間窓にわたって正規化された自己相関関数を最大にする遅延(L)を探索することにつながる。方程式の行列システムを解くことによって、予測器の利得が得られる。行列のサイズは、フィルタの次数(k)の関数である。行列のサイズを小さくするために、サイドタップが対称であると想定されることが多い。例えば、このことは、行列のサイズをサイズ3からサイズ2に、又はサイズ5からサイズ3に小さくする。
開ループ手法では、予測器の推定は、元の(符号化されていない)信号を解析することによって行われる。図2は、開ループ手法の全体的な動作を示すブロック図である。この手法は、元のオーディオ信号200を入力して、元のオーディオ信号の解析を実行する(ボックス210)。次に、最適な長期予測器(LTP)パラメータが、幾つかの基準に基づいて選択される(ボックス220)。これらの選択されたパラメータは、信号に適用され(ボックス230)、結果として生じる信号が、符号化されて送出される(ボックス240)。結果として生じる信号は、元のオーディオ信号200の符号化された表現である符号化オーディオ信号250である。
変換ベースのオーディオコーデックは、通常、修正離散コサイン変換(MDCT)又は他のタイプの周波数変換を使用して、所与のオーディオフレームを符号化及び量子化する。また、本明細書で使用される「変換ベース」という語句は、サブバンドベース又は重複変換ベースのコーデックを含む。これらの各々は、幾つかの形態の周波数変換を伴うが、当業者には理解されるように、窓重ね合わせを伴う場合もあり、又は伴わない場合もある。
本明細書に記載される周波数領域長期予測システム及び方法の実施形態は、オーディオコーデックとの関連で最適な長期予測器を推定してこれを適用するための技法を含む。変換コーデックでは、時間領域サンプルではなく、周波数変換係数(MDCTなど)が、ベクトル量子化されるものである。従って、変換領域において、これらの係数の量子化を改善する基準に基づいて最適予測器を探索することが適切である。
ここで、周波数領域長期予測システム及び方法の詳細を説明する。多くの変形形態が可能であり、当業者は、本明細書の開示内容に基づいて同じ結果を達成することができる他の多くの方法を理解するであろうことに留意されたい。
図7は、周波数領域長期予測システム700及び方法の実施形態の全体的ブロック図である。システム700は、エンコーダ705及びデコーダ710の両方を含む。図7に示されるシステム700は、オーディオコーデックであることに留意されたい。しかしながら、オーディオコーデックでない他のタイプのコーデックを含む、本方法の他の実装形態が可能である。
ここで、「k」及び「n」は、それぞれ周波数及び時間インデックスであり、「N」は、シーケンス長である。変換を適用する前に、正弦窓(1)が、時間信号に適用される。
であり、特定の閾値を上回り、すなわち、
であり、その次の隣接点よりも大きい、すなわち、
である場合に、ピークとみなされる。信号は、[50Hz:3kHz]の周波数間隔に対応するピークを探索される。「Thr」の値は、X(k)の最大値に対して選択することができる。
次に、周波数ピーク(lo)の分数周波数は、次式、すなわち、
を使用して、ビン「lo」の周りの振幅の比を考慮することによって推定され、ここで、Gは、固定値に設定するか又はデータに基づいて計算できる定数である。
であり、ここで、
であり、x(n)は入力時間信号である。正規化された相関値が所与の閾値より大きいこれらの遅延は、保持されて候補遅延のセットになる。
を考慮すると、
が得られる。所与の周波数ピーク(ビン単位での「lo」)及びその分数周波数(dl)に関して、時間の遅延「L」は、周波数を単位として次式のように記述でき、
従って、このピークに基づく予測器フィルタの振幅応答は、
である。
ここで、ビン「k」における正規化された振幅値は、
であり、「K」は、帯域内のビンの総数である。
が得られ、ここで、「B」は帯域数であり、Wn(X)は、エネルギーに基づいて、又は単純に周波数軸上でのこれらの帯域の次数に基づいて、ある帯域を他の帯域よりも強調する重み付け関数である。
図9は、周波数ベースの基準を他のエンコーダメトリックと組み合わせて使用する周波数領域長期予測方法の別の実施形態の全体的なフローチャートである。これらの代替の実施形態では、最適化関数を決定する際に、VQ量子化誤差が考慮され、更に場合によっては、フレーム調性のような他のメトリックが考慮される。このことは、長期予測器(LTP)がVQ演算に与える影響を考慮するために行われる。以下に詳述するように、VQ誤差を平坦度尺度と組み合わせるための幾つかの方法が存在する。
ここで、X0(k)は、ODFTスペクトル値である。
であり、ここで、Wn(x)は、MDCTにおけるn番目の帯域に関するVQ誤差の関数である。
図10は、周波数ベースのスペクトル平坦度を、デコーダにおける再構成誤差を考慮に入れた他の因子と組み合わせることができる場合の代替の実施形態を示している。これは、例えば、2又は3以上の遅延が同じ平坦度尺度を有する可能性がある場合に生じる。追加因子、すなわち、以前のフレームにおける以前の遅延から現在のフレームにおける可能性のある遅延の各々への移行コストが考慮される。
高次予測器の場合、複数のタップを推定することは、逆行列演算を必要とし、実際には保証されない。従って、多くの場合、中心(又は単一)のタップ(L)のみを推定し、次に、幾つかの最適性基準に基づいて、限定されたセットからサイドタップを選択する方法を見つけることが望ましい。実用システムにおける一般的な解決策の幾つかは、事前に計算されたフィルタ形状のテーブルを提供して、これらのうちの1つを、上記で計算された単一タップフィルタで畳み込むことである。例えば、フィルタ形状がそれぞれ3タップである場合には、このことは、図12に示されるように3次予測器をもたらすことになる。
周波数領域長期予測システム及び方法の代替の実施形態が可能である。本明細書で記載されるもの以外の他の多くの変形形態は、本明細書から明らかであろう。例えば、実施形態によっては、本明細書で説明した何らかの方法及びアルゴリズムの特定の動作、事象、又は機能は、異なる順序で実行することができ、追加、統合、又は完全に省略することができる(従って、ここで説明する全ての動作又は事象が、本方法及びアルゴリズムの実施に必要であるとは限らない)。更に、特定の実施形態において、動作又は事象は、連続的ではなく、例えば、マルチスレッド処理、割り込み処理、又はマルチプロセッサ若しくはプロセッサコアによって、或いは他の並列アーキテクチャ上で実行することができる。加えて、様々なタスク又は処理は、一緒に機能することができる異なるマシン及びコンピューティングシステムによって実行することができる。
Claims (15)
- オーディオ信号を符号化するためのオーディオ符号化システムであって、
窓掛けされた時間信号を周波数領域で表して、前記オーディオ信号の周波数変換を得る周波数変換ユニットと、
前記周波数変換の解析及び前記周波数領域における最適性基準に基づいて長期予測器係数を推定する最適長期予測器推定ユニットと、
時間領域において前記オーディオ信号をフィルタリングする長期予測器であって、前記周波数領域において前記最適長期予測器推定ユニットにより実行される解析から推定される前記長期予測器係数である係数を用いる適応フィルタである、長期予測器と、
符号化される窓掛けフレームの周波数変換係数を量子化して、量子化された周波数変換係数を生成する量子化ユニットと、
前記量子化された周波数変換係数を含み、前記オーディオ信号を表現したものである符号化された信号と、
を備える、ことを特徴とするオーディオ符号化システム。 - 前記最適長期予測器推定ユニットは更に、前記量子化ユニットからの量子化誤差の解析に基づいて最適長期線形予測器を推定する段階を含む、請求項1に記載のオーディオ符号化システム。
- 1タップの最適長期線形予測器をk次長期線形予測器に拡張するのに使用される所定のフィルタ形状からなるフィルタ形状テーブルと、
前記フィルタ形状テーブルから最適な前記フィルタ形状を選択する推定選択ユニットと、
を更に備える、請求項1に記載のオーディオ符号化システム。 - 前記k次長期線形予測器の出力のエネルギーを最小にすることによって選択される最適フィルタ形状を更に備える、請求項3に記載のオーディオ符号化システム。
- オーディオ信号を符号化するための方法であって、
前記オーディオ信号に関して、窓掛けされた時間信号を周波数領域で表す周波数変換を生成する段階と、
前記周波数変換の解析及び前記周波数領域における最適性基準に基づいて長期予測器係数を推定する段階と、
長期線形予測器を使用して時間領域において前記オーディオ信号をフィルタリングする段階であって、前記長期線形予測器は前記周波数領域における解析から推定される前記長期予測器係数である係数を用いる適応フィルタである、フィルタリングする段階と、
符号化される窓掛けフレームの周波数変換係数を量子化して、量子化された周波数変換係数を生成する段階と、
前記量子化された周波数変換係数を含み、前記オーディオ信号を表現したものである符号化された信号を構築する段階と、
を含む、方法。 - 前記オーディオ信号の窓掛けされた時間信号の周波数解析に基づいて前記長期線形予測器に関する適応フィルタ係数を決定する段階を更に含む、請求項5に記載の方法。
- 前記周波数変換の解析及び前記周波数変換係数の量子化からの量子化誤差の両方に基づいて、最適長期線形予測器を推定する段階を更に含む、請求項5に記載の方法。
- 所定のフィルタ形状を含む予測器フィルタ形状テーブルを使用して、1タップの最適長期線形予測器をk次長期線形予測器に拡張する段階と、
前記最適長期線形予測器で使用される最適フィルタ形状を前記予測器フィルタ形状テーブルから選択する段階と、
を更に含む、請求項5に記載の方法。 - 前記最適フィルタ形状を選択する段階は更に、前記k次長期線形予測器の出力のエネルギーを最小にするフィルタ形状を前記予測器フィルタ形状テーブルから選択する段階を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記長期線形予測器は、1タップ長期線形予測器であり、前記方法は更に、前記1タップ長期線形予測器に関する遅延及び利得パラメータを推定する段階を含む、請求項5に記載の方法。
- 前記窓掛けされた時間信号における主要高調波成分に対応する、周波数振幅スペクトル内の主要ピークを決定して、前記主要ピークの各々に関する分数周波数を計算する段階と、
前記主要ピーク及び前記分数周波数の正規化された相関値を計算し、前記正規化された相関値が閾値より大きい遅延を候補遅延のセットとする段階と、
をさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 前記主要ピークのサブセットに基づいて前記周波数領域における候補フィルタのセットを構築して、前記候補フィルタのセットを前記周波数振幅スペクトルに適用して、結果として生じる変換スペクトルを生成する段階と、
前記最適性基準を最大にする最適フィルタ形状を選択する段階と、
周波数解析で決定された前記遅延及び利得パラメータを時間領域の均等物に変換する段階と、
前記遅延及び利得パラメータを含む最適長期線形予測器を前記時間領域で前記オーディオ信号に適用する段階と、
を含み、
周波数ベースの最適性基準が、前記候補フィルタを適用した後の前記結果として生じるスペクトルのスペクトル平坦度尺度であり、
前記最適フィルタ形状は、前記遅延及び利得パラメータを含む、
請求項11に記載の方法。 - 前記主要ピークのサブセットに基づいて前記周波数領域における候補フィルタのセットを構築して、前記候補フィルタのセットを前記周波数振幅スペクトルに適用して、結果として生じる変換スペクトルを生成する段階と、
スカラー又はベクトル量子化器を使用して、前記結果として生じる変換スペクトルを量子化する段階と、
選択されたビットレートについて量子化誤差の尺度を生成する段階と、
量子化誤差尺度とスペクトル平坦度尺度との組み合わせに基づいて最適長期線形予測器を推定する段階と、
を更に含む、請求項11に記載の方法。 - 前記量子化誤差及びフレーム調性尺度を使用して、前記最適長期線形予測器の利得に上限を設ける段階を更に含む、請求項13に記載の方法。
- デコーダにおける再構成誤差を最小にすることに基づいて前記最適長期線形予測器を推定する段階を更に含む、請求項14に記載の方法。
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