KR100289731B1 - 디지탈 오디오 데이타 부호화방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 디지탈 오디오 데이타 부호화방법 및 장치에서는 프리에코를 제어하기 위한 가변블럭을 현재 처리하고자 하는 블럭의 데이타와 그 이전 블럭의 데이타를 함께 고려하여 결정함으로써 프리에코 현상을 효율적으로 제어할 수 있고, 따라서 고음질의 오디오 데이타 압축을 실현할 수 있다.

Description

디지탈 오디오 데이타 부호화방법 및 장치

제1도는 본 발명에 의한 디지탈 오디오 데이타 부호화장치의 일 실시예에 따른 블럭도이다.

제2도는 오디오 데이타 압축 알고리즘에 사용되는 변환블럭의 구성을 나타낸 도면이다.

제3도는 3개 블럭으로 변환블럭을 구성한 경우 각 블럭의 영역을 구분한 도면이다.

제4도는 제1도에 있어서 프리에코 제어부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

제5도는 정상 블럭과 작은 블럭의 관계를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 대역분할필터 12 : 변환부

14 : 청각심리모델 16 : 양자화부

18 : 프리에코 제어부

본 발명은 디지탈 오디오 데이타 부호화방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 부호화하고자 하는 오디오 데이타 중 현재 처리하고자 하는 블럭의 데이타와 이전 블럭의 데이타를 기초로 하여 가변블럭을 결정하여 프리에코 현상을 제어하기 위한 방법 및 회로에 관한 것이다.

오디오 기기는 최근의 디지탈 신호처리기술의 발달에 힘입어 기존의 아날로그 오디오신호를 기록/재생하는 LP 등의 기기에서 디지탈 오디오신호를 기록/재생하는 CD와 DAT 등의 기기로의 이행이 촉진되고 있다.

오디오신호를 디지탈 방식으로 처리하게 되면 아날로그 방식에 비하여 음질이 향상되는 효과가 있다. 반면에, 디지탈 방식은 기존의 아날로그 방식에 비해 데이타량이 증대하는 역효과가 있다.

이러한 문제는 최근 ISO에 의해 표준화작업이 진행되어지고 있는 MPEG의 오디오나, DCC, MD 등에서처럼 인간의 청각특성을 고려하여, 인간이 인지할 수 없는 성분을 선별적으로 제거하고, 인지할 수 있는 성분에는 양자화비트수를 적응적으로 할당함에 의해 경감될 수 있다.

인간의 청각특성을 고려한 오디오 데이타 부호화방식에서는 부호화시의 주된 목표를 발생된 잡음을 제거하는 것에 두는 것이 아니라, 잡음을 듣지 못하게 처리하는 것에 두며, 마스킹 효과(masking effect)와 임계대역(critical bands) 등을 고려하여 신호의 중요도에 따라 양자화 비트수를 적응적으로 할당한다.

여기서 마스킹 효과는 예를 들면, 전철역에서 옆의 사람과 대화할때 전철이 통과하지 않을 때는 작은 소리로도 대화할 수 있지만 전철이 통과할 때에는 같은 크기의 작은 소리로는 대화할 수 없게 되는 현상에서 관찰되는 바와 같이, 다른 소리에 의해 듣고 싶은 음이 방해되어 듣기 어렵게 되거나 전혀 들을 수 없게 되는 현상을 말한다. 또한, 임계대역은 신호와 잡음의 주파수와 신호전력이 유사한 경우 주파수영역에서 신호와 잡음의 톤(tone)을 서로 구분할 수 없게 되는 주파수대역을 말한다. 인간의 청각특성을 이용한 오디오 데이타 부호화방식에서는 인간의 청각특성들 가운데 특히 마스킹 효과를 고려하여 부호화를 행한다.

입력신호들간의 상호작용에 의해 변화하며, 인간이 들어도 느끼지 못하는 신호의 최소크기인 "마스크된 문턱치(Masking Threshold)"를 구하여, 느끼지 못하는 신호에는 양자화비트를 할당하지 않고, 느끼는데 중요한 역할을 하는 신호에는 적응적으로 양자화비트들을 할당해 줌으로써 오디오 데이타의 압축효과를 얻게 한다.

입력신호와, 입력신호에 의해 마스킹된 신호를 가지고서 인간이 느끼는 데 중요한 역할을 하는 신호를 찾는 척도로는 여러가지가 제안되어져 있으나, 대표적인 것으로는 양자화에 따른 잡음비와 마스크된 문턱치와의 비인 NMR(noise to mask ratio)이 있다. 이 NMR은 각 대역에서의 오차잡음과 마스크된 문턱치와의 거리를 나타낸다.

한편, 프리에코 현상은 신호의 분포가 낮은 레벨에서 큰 레벨로 급격히 변하는 블럭의 신호를 처리할 때, 양자화 잡음에 의해 낮은 레벨의 신호에 가해지는 왜곡 현상이 인간의 귀에 들리게 되는 현상을 말한다. 양자화 잡음이 전체 신호블럭으로 퍼질때 낮은 레벨의 신호와 높은 레벨의 신호의 평균치에 대한 양자화 잡음이 퍼지게 되므로 낮은 레벨의 신호가 높은 레벨의 신호에 비해 상대적으로 왜곡현상이 심하게 된다.

일반적으로 디지탈 오디오 데이타 압축방식에 있어서 프리에코 현상은 전체 신호블럭을 가변블럭으로 처리함으로써 줄일 수 있다. 즉, 한 블럭내의 데이타에서 프리에코 현상이 일어날 가능성이 있을때 이 블럭을 작은 크기의 블럭으로 나누어 처리하고, 마스킹 효과를 최대한 이용함으로써 프리에코 현상을 방지할 수 있다. 마스킹 효과 중 프리 마스킹을 이용하는데, 프리 마스킹이란 낮은 레벨의 신호 바로 뒤에 임의의 높은 레벨의 신호가 나타날 때 앞에 위치한 낮은 레벨의 신호가 마스킹되어 들리지 않게 되는 현상이다. 프리 마스킹 효과가 지속되는 시간은 매우 짧기 때문에 블럭의 크기를 줄여 작은 블럭 내에서 발생하는 양자화 잡음의 영향을 방지할 수 있다.

한편, 이전 블럭의 데이타가 매우 높은 레벨의 데이타일 경우에는 이전 신호의 포스트 마스킹(post masking)에 의해 프리에코 현상이 감춰질 수 있는데, 이 경우에는 프리에코 현상을 제거하기 위하여 가변블럭을 사용하지 않더라도 인간의 인지과정에는 영향을 주지 않는다.

프리에코 현상의 발생 가능성을 판별하는 단계에서 종래에는 현재 처리하고자 하는 한 블럭에 대한 시간영역의 데이타를 기초로 하여 조사를 행하였다. 즉, 한 블럭의 데이타를 작은 크기의 블럭으로 분리한 다음, 각 블럭 데이타의 관계를 조사하여 프리에코 현상이 일어날 것인가를 판별한다. 그러나 이러한 경우 프리에코 현상을 정밀하게 처리할 수 없는 문제가 있다.

그 예로서 , 이전 블럭의 데이타가 매우 낮은 레벨의 데이타이고 현재 블럭의 데이타가 매우 높은 블럭의 데이타인 경우에는 이전 블럭의 데이타에 프리에코 현상이 발생할 가능성이 있는데 특히, 일반적인 디지탈 오디오 데이타 압축방식에서 50% 오버 랩(overlap) 변환방식을 사용하는 예컨데, MDCT(Modified Discrete Cosine Transform)를 사용하는 알고리즘인 경우에 프리에코 현상이 발생한다. 즉, 50% 오버랩을 사용하는 경우에는 이전 블럭과 현재 블럭이 합쳐져서 하나의 가변블럭이 되기 때문에 현재 블럭에서 프리에코 현상이 발생하지 않더라도 이전 블럭의 데이타에 프리에코 현상이 발생할 수 있다.

또한, 블럭의 뒷 부분에서 프리에코 현상이 발생할 경우 이를 현재 블럭에서 가변블럭 처리를 행한다면 프리에코 현상을 정확히 제거할 수 없다.

상술한 바와 같이 현재 블럭 즉 1블럭데이타의 입력만으로 가변블럭을 결정하는 종래방법에서는 정확히 한 블럭 내에서 신호의 급격한 변화가 일어나는 것이 감지되어야만 프리에코 현상의 제어를 시도한다. 그러나 이러한 방법은 신호의 주기를 잘 맞추지 않으면 프리에코 현상을 제어하기가 어려운 문제가 있다. 즉, 신호의 급격한 변화가 블럭의 경계에서 2개 블럭에 걸처서 발생한다면 프리에코 현상을 제어할 수 없게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 부호화하고자 하는 오디오 데이타 중 현재 처리하고자 하는 블럭의 데이타와 이전 블럭의 데이타를 함께 고려한 결정된 가변블럭에 대하여 프리에코 현상을 제어하기 위한 디지탈 오디오 데이타 부호화방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 디지탈 오디오 데이타 부호화방법을 실현하는데 가장 적합한 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 부호화 하고자 입력되는 오디오 데이타의 프리에코 현상을 제어하기 위한 방법에 있어서,

3개 블럭의 데이타에 대하여 각 블럭을 N개의 영역으로 나누어 총 3N개의 영역을 형성하고, 소정 범위의 영역을 변환블럭으로 형성하는 제1단계;

상기 제1단계에서 형성된 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치와 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치를 구하는 제2단계;

상기 제2단계에서 구한 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치와 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치를 비교하는 제3단계; 및

상기 제3단계에서 상기 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치 중 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치보다 소정의 기준치이상 큰 값이 존재하는지 여부에 따라서 상기 변환블럭의 크기를 가변시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 부호화하고자 입력되는 오디오 데이타를 복수개의 대역으로 분할하는 대역분할필터와, 상기 대역분할필터에서 출력되는 대역분할 데이타를 주파수성분 데이타로 변환하는 변환부와, 상기 변환부에서 출력되는 주파수성분 데이타에 대하여 청각심리에 따라서 잡음이 마스킹된 문턱치를 계산하는 청각심리모델과, 상기 청각심리모델에서 계산된 잡음이 마스킹된 문턱치에 의해 상기 변환부에서 출력되는 주파수성분 데이타를 양자화하는 양자화부를 구비한 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서,

상기 입력되는 오디오 데이타 중 바로 이전에 처리된 블럭 데이타와 현재 처리하고자 하는 블럭데이타로부터 프리에코 현상 발생여부를 체크하여 상기 프리에코 현상 발생여부에 따라서 변환블럭의 크기를 가변시키도록 상기 변환부, 상기 양자화부와 상기 청각심리모델을 제어하는 프리에코 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대하여 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 의한 디지탈 오디오 데이타 부호화장치의 일실시예에 따른 블럭도이다.

제1도에 도시된 블럭도의 구성은, 입력데이타를 복수개의 대역으로 분할하는 대역분할필터(10)와, 대역분할필터(10)에서 출력되는 대역분할데이타를 주파수성분으로 변환하는 변환부(12)와, 변환부(12)에서 출력되는 주파수성분 데이타에 대하여 잡음이 마스킹된 문턱치(Noise Masking Threshold; 이하 NMT라 약함)를 계산하는 청각심리모델(14)과, 청각심리모델(14)에서 계산된 NMT에 의해 변환부(12)에서 출력되는 주파수성분 데이타를 양자화하는 양자화부(16)와, 입력데이타에 대한 프리에코 현상 발생여부를 체크하여 그 결과에 따라서 변환부(12), 양자화부(16)와 청각심리모델(14)를 제어하는 프리에코 제어부(18)로 이루어진다.

여기서, 대역분할필터(10)는 예로서 QMF(Quadrature Modulation Filter)를 포함하고, 변환부(12)는 MDCT를 포함한다.

제2도는 오디오 데이타 압축 알고리즘에 사용되는 변환블럭의 구성을 나타낸 도면으로서, 2개의 블럭 (B_r, B_n-1)이 하나의 변환블럭으로 형성된다. 즉, 2개의 블럭에 대하여 변환에 사용되는 윈도우가 씌워 지게 되고, 윈도우 밖의 양쪽 데이타는 오버랩을 위해 상쇄되어진다. 따라서 현재 변환블럭으로 처리되는 부분은 2개 블럭의 가운데 부분이 된다.

제3도는 3개 블럭 (B₁, B₂, B₃)으로 변환블럭을 구성한 경우 각 블럭의 영역을 구분한 도면으로서, 각 블럭은 4개의 영역으로 나누어진다. 이때 변환블럭으로 처리되는 부분은 B₂블럭과 B₃블럭이 된다.

제4도는 제1도에 있어서 프리에코 제어부(18)의 동작을 설명하기 위한 흐름도로서, 제100, 110단계는 3개 블럭의 데이타에 대하여 각 블럭을 N개의 영역으로 나누어 총 3M개의 영역을 형성하고, 소정 범위의 영역을 변환블럭으로 형성하는 단계이고, 제120, 130단계는 제100단계에서 형성된 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치와 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치를 구하는 단계이고, 제140단계는 제130단계에서 구한 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치와 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치를 비교하는 단계이고, 제150, 160단계는 제140단계에서 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치 중 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치보다 소정의 기준치이상 큰 값이 존재하는지 여부에 따라서 변환블럭의 크기를 가변시키는 단계이다.

제5도는 정상 블럭과 작은 블럭의 연속관계를 나타낸 도면이다. 그러면 본 발명의 동작을 제1도 내지 제5도를 참조하여 설명하기로 한다.

우선 제1도를 참조하면, 대역분할필터(10)는 입력데이타를 복수개의 대역으로 분할하고, 대역분할 데이타를 변환부(12)로 인가한다.

변환부(12)는 대역분할필터(10)에서 출력되는 대역분할 데이타를 주파수성분으로 변환하여 청각심리모델(14)과 양자화부(16)로 각각 인가한다. 만약 후술할 프리에코 제어부(18)로부터 프리에코 현상이 발생한 경우라고 판단되면 각 블럭을 작은 블럭으로 처리해야 하므로 MDCT의 변환크기가 작아지면서 적절한 윈도우가 씌워진다.

청각심리모델(14)은 변환부(12)에서 출력되는 주파수성분 데이타에 대하여 NMT를 계산하여 양자화부(16)로 인가한다.

양자화부(16)는 청각심리모델(14)에서 계산된 NMT에 의해 변환부(12)에서 출력되는 주파수성분 데이타를 양자화하여 출력한다.

프리에코 제어부(18)는 입력데이타에 대한 프리에코 현상 발생여부를 체크하여 그 결과에 따라서 변환부(12), 양자화부(14)와 청각심리모델(16)를 제어한다.

이 프리에코 제어부(18)의 동작을 제2도 내지 제4도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제100단계에서는 3개 블럭 (B₁, B₂, B₃)으로 변환블럭을 구성하여 각 블럭을 4개의 영역 즉, 총 12개의 영역으로 나눈다. 이때 변환블럭 구성관계는 제3도에 도시된 바와 같다.

제110단계에서는 영역 5에서 영역 12까지의 데이타를 영역 1에서 영역 8까지로 이동시킨다.

제120단계에서는 영역 9에서 영역 12까지에 해당하는 입력 데이타에 대한 각 영역의 최대치를 구하여 각 영 역의 대표값으로 선정한다.

제130단계에서는 영역 1에서 영역 6까지의 데이타 중 최대치(P)를 구하여 포스트 마스킹 효과를 내는 값으로 선정한다.

제140단계에서는 영역 7에서 영역 10까지 각 영역의 대표값과 제130단계에서 구한 최대치(P)를 비교하여 각 영역의 대표값 중 최대치(P)보다 소정의 기준치 예를 들면, 18dB 이상 큰 값이 있는가를 판단한다. 이 영역 7에서 영역 10까지의 데이타가 현재 처리하는 변환블럭의 중심이 되므로 이 영역들 사이에서 급격한 데이타의 변화가 있는 경우에는 프리에코 현상이 발생한다.

제140단계에서 영역 7에서 영역 10까지 각 영역의 대표값 중 최대치(P)보다 l8dB 이상 큰 값이 있다고 판단되는 경우에는 급격한 데이타의 변화가 일어나서 프리에코 현상이 발생하는 경우이므로 블럭을 작은 블럭(Short block)으로 처리하고(제150단계), 그렇지 않은 경우에는 정상 블럭(Normal block)으로 처리한다(제160단계). 이 작은 블럭과 정상블럭의 연속관계는 제5도에 도시되어 있다.

변환블럭을 결정하는데 있어서 3개의 블럭을 사용하는 본 발명과 1개의 블럭을 사용하는 종래방법에 실제 오디오 데이타를 적용한 실험의 비교 결과는 다음과 같다.

우선 본 발명에 의한 프리에코 제어방법은 종래방법에 비하여 작은 블럭 처리가 많이 발생하였다. 이와 같은 현상은 블럭의 경계에서 신호의 급격한 변화가 많았음을 나타낸다.

실제 오디오 데이타를 사용한 실험에서 급격한 변화(attack)가 발생한 횟수는 표 1과 같다.

[표 1]

표 1에서 보면 3블럭을 사용한 경우가 1블럭만을 사용한 경우보다 약 2배 가량 더 급격한 변화가 많이 발생하였다. 이는 급격한 변화가 한 블럭내에서는 발생하지 않지만 이전 블럭과의 관계에 의해서는 발생할 수 있기 때문이다. 예를 들어 다음과 같은 경우를 살펴보자.

상기 경우에 있어서, B2 블럭과 B3 블럭이 같이 처리되므로 B3블럭에 의해 B2 블럭에서 프리에코 현상이 발생한다.

이와는 반대로 한 블럭내에서는 급격한 변화가 발생하지만 3블럭을 사용하였을때에는 급격한 변화가 발생하지 않는 경우를 살펴보자.

상기 경우에는 B3 블럭의 59.9와 78.1 사이에서 급격한 변화가 있다고 판단한 경우이다. 그러나 그 앞 블럭인 B2 블럭의 데이타가 크기 때문에 3 블럭의 경우에는 급격한 변화가 없다고 판단한다. 왜냐하면 B2 블럭의 데이타에 의한 포스트 마스킹 효과에 의해 프리에코 현상이 상쇄 되기 때문이다.

본 발명의 산업상 이용가능한 분야로는 디지탈 오디오 데이타 압축방식을 적용할 수 있는 기기, 디지탈 오디오 방송 또는 디지탈 오디오 기능이 부가되는 기기 등을 들 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 디지탈 오디오 데이타 부호화방법 및 장치에서는 프리에코를 제어하기 위한 가변블럭을 현재 처리하고자 하는 블럭의 데이타와 그 이전 블럭의 데이타를 함께 고려하여 결정함으로써 프리에코 현상을 효율적으로 제어할 수 있고, 따라서 고음질의 오디오 데이타 압축을 구현할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 부호화하고자 입력되는 오디오 데이타의 프리에코 현상을 제어하기 위한 방법에 있어서, 3개 블럭의 데이타에 대하여 각 블럭을 N개의 영역으로 나누어 총 3N개의 영역을 형성하고, 소정 범위의 영역을 변환블럭으로 형성하는 제1단계; 상기 제1단계에서 형성된 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치와 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치를 구하는 제2단계; 상기 제2단계에서 구한 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치와 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치를 비교하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 상기 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치 중 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치보다 소정의 기준치이상 큰 값이 존재하는지 여부에 따라서 상기 변환블럭의 크기를 가변시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 오디오 데이타 부호화방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서는 상기 입력되는 오디오 데이타 중 바로 이전에 처리된 블럭 데이타와 현재 처리하고자 하는 블럭데이타로부터 변환블럭을 형성하는 것을 특징으로 하는 디지탈 오디오 데이타 부호화방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제4단계에서는 상기 제3단계에서 상기 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치 중 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치보다 소정의 기준치이상 큰 값이 존재하는 경우에는 상기 변환블럭을 작은 블럭으로 처리하도록 하고, 상기 변환블럭을 구성하는 영역 데이타의 최대치 중 상기 변환블럭 앞에 위치한 영역 데이타들의 최대치보다 소정의 기준치이상 큰 값이 없는 경우에는 상기 변환블럭을 정상 블럭으로 처리하도록 함을 특징으로 하는 디지탈 오디오 데이타 부호화방법.
4. 부호화하고자 입력되는 오디오 데이타를 복수개의 대역으로 분할하는 대역분할필터와, 상기 대역분할필터에서 출력되는 대역분할 데이타를 주파수성분 데이타로 변환하는 변환부와, 상기 변환부에서 출력되는 주파수성분 데이타에 대하여 청각심리에 따라서 잡음이 마스킹된 문턱치를 계산하는 청각심리모델과, 상기 청각심리모델에서 계산된 잡음이 마스킹된 문턱치에 의해 상기 변환부에서 출력되는 주파수성분 데이타를 양자화하는 양자화부를 구비한 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서, 상기 입력되는 오디오 데이타 중 바로 이전에 처리된 블럭 데이타와 현재 처리하고자 하는 블럭데이타로부터 프리에코 현상 발생여부를 체크하여 상기 프리에코 현상 발생여부에 따라서 변환블럭의 크기를 가변시키도록 상기 변환부, 상기 양자화부와 상기 청각심리모델을 제어하는 프리에코 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 오디오 데이타 부호화장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 프리에코 제어부는 상기 입력되는 오디오 데이타에 프리에코 현상이 발생된 것이라고 판단되면 상기 변환블럭을 작은 블럭으로 처리하도록 제어하고, 그렇지 않으면 상기 변환블럭을 정상 블럭으로 처리하도록 제어함을 특징으로 하는 디지탈 오디오 데이타 부호화장치.