KR100902332B1 - 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화장치 및 그 방법 - Google Patents

변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화장치 및 그 방법 Download PDF

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    • G10L19/04—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 predictive techniques
    • G10L19/08—Determination or coding of the excitation function; Determination or coding of the long-term prediction parameters
    • G10L19/12—Determination or coding of the excitation function; Determination or coding of the long-term prediction parameters the excitation function being a code excitation, e.g. in code excited linear prediction [CELP] vocoders

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 입력된 오디오 신호를 선형예측 부호화해서 구한 오차 신호를 그 오차 신호의 마스킹 임계치(이하, 오차 마스킹 임계치)를 이용하여 부호화하고, 부호화된 비트열을 복호화해서 구한 오차 신호를 선형예측 부호화정보(선형 예측 분석 계수)를 이용하여 선형예측 복호화함으로써, 오디오 부호화의 압축 효율을 향상시킬 수 있게 하는, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치에 있어서, 외부로부터 입력된 오디오 신호(원신호)를 시간 영역에서 선형예측 부호화하여 오차 신호를 구하기 위한 오차 신호 계산 수단; 상기 오차 신호 계산 수단에서 구한 오차 신호를 주파수 영역 신호로 변환하기 위한 주파수 영역 변환 수단; 상기 원신호와 상기 원신호의 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해서, 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 구하기 위한 마스킹 임계치 계산 수단; 및 상기 주파수 영역 변환 수단에서 변환된 오차 신호를 상기 구한 마스킹 임계치 를 이용하여 지각적 부호화하기 위한 지각적 부호화 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화 등에 이용됨.
변형 선형예측 부호화(WLPC), 고급 오디오 부호화(AAC), 심리음향 모델(PAM), 오디오 압축, 지각적 부호화, 마스킹 임계치

Description

변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화 장치 및 그 방법{Audio Encoding and Decoding Apparatus and Method using Warped Linear Prediction Coding}
도 1 은 본 발명에 따른 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치의 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 적용되는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법 중에서 원 신호에 대한 마스킹 임계치에서 오차 신호에 대한 마스킹 임계치를 추출하는 과정에 대한 일실시예 설명도,
도 3 은 본 발명에 적용되는 변형 이산코사인 변환 과정과 심리음향 모델 과정에서의 입력 프레임에 대한 일실시예 설명도,
도 4 는 본 발명에 따른 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 장치의 일실시예 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
110: 변형 선형예측 부호화부 120: 변형 이산코사인 변환부
130: 심리음향 모델부 131: 제 1 마스킹 임계치 계산부
132: 제 2 마스킹 임계치 계산부 140: 지각적 부호화부
150: 비트스트림 패킹부 410: 비트스트림 추출부
420: 지각적 복호화부 430: 역 변형 이산코사인 변환부
440: 변형 선형예측 복호화부
본 발명은 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력된 오디오 신호를 선형예측 부호화해서 구한 오차 신호를 그 오차 신호의 마스킹 임계치(이하, 오차 마스킹 임계치)를 이용하여 부호화하고, 부호화된 비트열을 복호화해서 구한 오차 신호를 선형예측 부호화정보(선형 예측 분석 계수)를 이용하여 선형예측 복호화함으로써, 오디오 부호화의 압축 효율을 향상시킬 수 있게 하는, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
오디오 코덱을 위한 표준화 기구인 ISO(International Organization for Standardization)/IEC(International Electrotechnical Commission)의 MPEG(Moving Picture Experts Group)은 'MPEG-1/2 Layer III', 'MPEG-2/4 AAC', 'MPEG-4 HE-AAC', 및 'BSAC'와 같은 표준안을 개발하였다. 이러한 표준안들은 공통으로 주파수 영역에서 심리음향 모델(PAM: Psychoacoustics Model)을 적용하여 신호의 중복성을 최소화하고 엔트로피(Entropy) 부호화를 포함한다.
예외적으로, 예측을 통한 코덱 기술은 일부 프레임의 신호를 시간 영역에서 부호화할 경우에 예측을 통하여 신호의 중복성을 제거할 때의 이득을 고려하여 예측을 통한 부호화를 수행할지 여부를 결정한 후 부호화를 수행하게 된다.
한편, 일반적인 오디오 신호의 경우 다양한 음원이 서로 혼합되어 존재한다. 그래서 단일 음원 신호(주기적인 신호)에 적합한 시간 영역에서의 예측을 통한 부호화는 주로 사용되지 않고 있다. 시간 영역에서의 예측을 통한 코덱 기술은 일부 특정한 프레임의 예측 이득이 높을 때 대하여 제한적으로 사용되고 있다. 이에 반하여, 종래의 주파수 영역에서의 코덱 방법은 대부분 주파수 영역에서 특히 저주파수 영역에서의 신호의 집중성(Compactness)이 높으므로 주파수 영역에서의 코덱 방법을 통하여 높은 코덱 이득을 얻을 수가 있다.
하지만, 종래의 주파수 영역에서의 코덱 기술은 심리음향 모델에서 마스킹 임계치를 계산하기 위해서, 주파수 영역으로 변환을 위한 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform), 마스킹 특성을 적용하는 스프레딩(Spreading) 함수의 처리, 프레임 간 선형 예측을 통한 토널리티(Tonality) 처리 등이 수행되어 많은 계산 과정이 요구된다. 그리고 심리음향 모델에서의 고속 푸리에 변환 과정과는 별도로 주파수 영역에서의 신호 처리를 위해 시간 영역 신호에 대하여 변환 이산코사인 변환과정을 수행한다. 이러한 종래의 코덱 기술은 심리음향 모델을 통해 고품질로 오디오 압축을 수행할 수 있지만, 데이터의 복잡한 처리 과정과 연산량이 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 입력된 오디오 신호를 선형예측 부호화해서 구한 오차 신호를 그 오차 신호의 마스킹 임계치(이하, 오차 마스킹 임계치)를 이용하여 부호화하고, 부호화된 비트열을 복호화해서 구한 오차 신호를 선형예측 부호화정보(선형 예측 분석 계수)를 이용하여 선형예측 복호화함으로써, 오디오 부호화의 압축 효율을 향상시킬 수 있게 하는, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 및 복호화 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치에 있어서, 외부로부터 입력된 오디오 신호(원신호)를 시간 영역에서 선형예측 부호화하여 오차 신호를 구하기 위한 오차 신호 계산 수단; 상기 오차 신호 계산 수단에서 구한 오차 신호를 주파수 영역 신호로 변환하기 위한 주파수 영역 변환 수단; 상기 원신호와 상기 원신호의 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해서, 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 구하기 위한 마스킹 임계치 계산 수단; 및 상기 주파수 영역 변환 수단에서 변환된 오차 신호를 상기 구한 마스킹 임계치를 이용하여 지각적 부호화하기 위한 지각적 부호화 수단을 포함한다.
한편, 본 발명은, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 장치에 있어서, 외부로부터 전달된 전체 비트스트림 중에서 현재 프레임에 해당하는 비트열을 추출하기 위한 비트스트림 추출 수단; 상기 비트 스트림 추출 수단에서 추출된 비트열을 지각적 복호화하여 현재 프레임의 오차 신호와 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 구하기 위한 지각적 복호화 수단; 상기 복호화 수단에서 구해진 오차 신호를 시간 영역의 오차 신호로 변환하기 위한 오차신호 변환 수단; 및 상기 오차신호 변환 수단에서 변환된 오차 신호를 상기 지각적 복호화 수단에서 구해진 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해 복원하여 오디오 신호를 생성하기 위한 변형 선형예측 복호화 수단을 포함한다.
한편, 본 발명은, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법에 있어서, 외부로부터 입력된 오디오 신호(원신호)를 시간 영역에서 선형예측 부호화하여 오차 신호를 구하는 오차 신호 계산 단계; 상기 오차 신호 계산 단계에서 구한 오차 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 주파수 영역 변환 단계; 상기 원신호와 상기 원신호의 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해서, 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 구하는 마스킹 임계치 계산 단계; 및 상기 주파수 영역 변환 단계에서 변환된 오차 신호를 상기 구한 마스킹 임계치를 이용하 여 지각적 부호화하는 지각적 부호화 단계를 포함한다.
한편, 본 발명은, 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 방법에 있어서, 외부로부터 전달된 전체 비트스트림 중에서 현재 프레임에 해당하는 비트열을 추출하는 비트스트림 추출 단계; 상기 비트 스트림 추출 단계에서 추출된 비트열을 지각적 복호화하여 현재 프레임의 오차 신호와 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 구하는 지각적 복호화 단계; 상기 복호화 단계에서 구해진 오차 신호를 시간 영역의 오차 신호로 변환하는 오차신호 변환 단계; 및 상기 오차신호 변환 단계에서 변환된 오차 신호를 상기 지각적 복호화 단계에서 구해진 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해 복원하여 오디오 신호를 생성하는 변형 선형예측 복호화 단계를 포함한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치의 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치는 변형 선형예측 부호화부(110), 변형 이산코사인 변환부(120), 심리음향 모델부(130), 지각적 부호화부(140) 및 비트스트림 패킹부(150)를 포함한다. 여기서, 심리음향 모델부(130)는 제 1 마스킹 임계치 계산부(131)와 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)를 포함한다.
상기 변형 선형예측 부호화부(110)는 현재 프레임에서 소정크기의 한 블록을 부호화하기 위해, 현재 블록에 대하여 변형 선형예측 부호화(Warped Linear Prediction Coding) 필터를 통과시켜서 추정치를 뺀 잔여 성분을 구한다. 여기서, 잔여 성분은 추정치와 비교하여 PCM 오디오 신호의 오차 신호를 의미한다. 즉, 변형 선형예측 부호화부(110)는 외부로부터 입력된 PCM(Pulse Code Modulation) 오디오 신호(원신호)를 시간 영역에서 변형 선형예측 부호화하여 오차 신호를 구한다. 변형 선형예측 부호화부(110)는 이러한 오차 신호를 변형 이산코사인 변환부(120)로 전달한다.
상기 변형 선형예측 부호화부(110)는 부호화 정보(변형 선형예측 부호화의 분석 계수(Analysis Coefficients))를 구하고, 이 분석 계수들을 심리음향 모델부(130)로 전달한다. 변형 선형예측 부호화의 분석 계수는 변형 선형예측 부호화의 합성 필터의 분석 계수가 될 수 있다. 이러한 분석 계수는 심리음향 모델부(130)에서 마스킹 임계치의 정규화에 이용된다.
상기 변형 이산코사인 변환부(120)는 변형 선형예측 부호화부(110)로부터 전달된 오차 신호에 대해 변형 이산코사인 변환(MDCT: Modified Discrete Cosine Transform)을 수행한다. 이는 시간 영역의 오차 신호를 주파수 영역으로 변환하기 위함이다.
상기 제 1 마스킹 임계치 계산부(131)는 인간의 주파수 영역에 대한 청각 특성을 반영하기 위해, 전달된 PCM 오디오 신호를 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform) 연산, 부분합(Partial sum) 연산, 미예측 측정(Unpredictability Measure), 스프레딩(Spreading) 과정을 수행하여 PCM 오디오 신호에 대한 마스킹 임계치(이하, 원신호 마스킹 임계치)를 구한다.
상기 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 변형 선형예측 부호화부(110)로부터 변형 선형예측 부호화의 분석 계수(부호화 정보)와 제 1 마스킹 임계치 계산부(131)로부터 원신호 마스킹 임계치를 전달받는다. 그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 원신호 마스킹 임계치와 변형 선형예측 부호화의 분석 계수를 이용하여 오디오 신호의 지각적 특성이 반영된 오차 신호에 대한 마스킹 임계치(이하, 오차 마스킹 임계치)를 구한다. 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 오차 마스킹 임계치를 이용하여 오차 마스킹 임계치에 대한 신호대 마스킹 비(SMR: Signal-to-Masking Ratio)(이하, 오차 마스킹 SMR)를 계산한다. 그리고 심리음향 모델부(130)는 계산된 오차 마스킹 SMR을 지각적 부호화부(140)로 전달한다.
이후, 오차 마스킹 임계치의 계산 과정은 도 2를 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.
상기 지각적 부호화부(140)는 변형 이산코사인 변환 영역(주파수 영역)에서 심리음향 모델부(130)로부터 전달받은 오차 마스킹 SMR을 이용하여 오차 신호에 대해 지각적 부호화를 수행한다. 즉, 지각적 부호화부(140)는 오차 마스킹 SMR을 이 용하여 오차 신호를 양자화한다. 오차 마스킹 임계치는 오차 신호를 양자화하는 양자화 잡음의 기준으로 사용된다.
상기 비트스트림 패킹부(150)는 지각적 부호화부(140)로부터 전달된 오차 신호를 엔트로피 코딩하여 비트열로 패킹한다.
도 2 는 본 발명에 적용되는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법 중에서 원 신호에 대한 마스킹 임계치에서 오차 마스킹 임계치를 추출하는 과정에 대한 일실시예 설명도이다.
제 1 마스킹 임계치 계산부(131)는 선형 밴드(Linear Band)에서 마스킹 임계치(Masking Threshhold)를 구하지 않고 지각적 특성이 반영된 파티션 밴드(Partition Band)에서 원신호 마스킹 임계치를 구한다(210). 여기서, 선형 밴드는 주파수 대역이 세밀하고 모든 밴드의 주파수 대역 간격이 동일하여 선형 주파수 해상도를 가진다. 이에 비하여, 파티션 밴드는 저주파수 영역에서의 주파수 대역이 고주파수 영역에서의 주파수 대역보다 세밀하여 비선형 주파수 해상도를 가진다. 즉, 파티션 밴드는 사람의 지각적 특성을 반영한 주파수 해상도를 가진다.
그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 파티션 밴드에서 구한 원신호 마스킹 임계치를 다시 선형 밴드로 맵핑시켜 선형 밴드에서 원신호 마스킹 임계치를 구한다(220). 이때, 임의의 파티션 밴드에 속한 선형 밴드 안의 성분들은 그 파티션 밴드의 임계치를 선형 밴드의 주파수 빈 수로 나눈 값으로 모두 같은 값을 가지게 된다. 하기의 [수학식 1]은 파티션 밴드에서 선형 밴드로 대응시키는 과정을 나타내고 있다.
Figure 112007021885555-pat00001
여기서,
Figure 112007021885555-pat00002
는 선형 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치,
Figure 112007021885555-pat00003
는 파티션 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치,
Figure 112007021885555-pat00004
와
Figure 112007021885555-pat00005
는 각 파티션 밴드에 해당되는 선형 밴드의 주파수 경계값을 나타낸다.
상기 [수학식 1]과 같이 선형 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치가 구해진다. 원신호 마스킹 임계치가 이면, 오차 마스킹 임계치는 하기의 [수학식 2]와 같이 변형 선형예측 부호화의 분석 계수의 에너지로 정규화된다. 즉, 오차 마스킹 임계치는 변형 선형예측 부호화의 전달함수(H(z))의 에너지로 정규화되면 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치가 구해진다. 여기서, 변형 선형예측 부호화의 전달함수(H(z))는 변형 선형예측 부호화의 분석 계수와 대응 관계에 있다.
Figure 112007021885555-pat00006
여기서,
Figure 112007021885555-pat00007
는 오차 마스킹 임계치,
Figure 112007021885555-pat00008
는 원신호 마스킹 임계치,
Figure 112007021885555-pat00009
는 분석 계수의 에너지를 나타낸다.
상기 [수학식 2]과 같이, 구해진 선형 밴드의 오차 마스킹 임계치는 다시 파티션 밴드로 대응되고, 파티션 밴드에서 오차 마스킹 임계치가 구해진다(230). 이를 바탕으로 임계 밴드(Critical Band)에서의 오차 마스킹 임계치가 구해지면(240), 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치는 지각적 부호화부(140)에서 양자화하는데 사용하게 된다.
선형 밴드에서 파티션 밴드로 대응하는 과정은 하기의 [수학식 3]에 나타나 있다.
Figure 112007021885555-pat00010
여기서,
Figure 112007021885555-pat00011
는 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치,
Figure 112007021885555-pat00012
는 파티션 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 나타낸다.
파티션 밴드에서의 오차 마스킹 임계치(
Figure 112007021885555-pat00013
)는 동일한 파티션 밴드에 있는 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치(
Figure 112007021885555-pat00014
) 성분들끼리 합해서 구해진다.
다음으로, 파티션 밴드에서 구해진 오차 마스킹 임계치()는 심리음향 모델에서와 마찬가지로 임계 밴드로 대응된다. 임계 밴드도 파티션 밴드와 마찬가지로 지각적 특성을 반영한 비선형 밴드이지만, 파티션 밴드보다 전체 밴드의 개수가 적 다. 그러므로 임계 밴드로 대응시키기 위해서는 임계 밴드에 속한 해당 파티션 밴드의 오차 마스킹 임계치 중 최소값이 선택되어 밴드 수가 곱해지고, 그 임계 밴드의 오차 마스킹 임계치로 정해진다. 하기의 [수학식 4]에는 파티션 밴드에서 임계 밴드로의 대응되는 관계를 나타낸다.
Figure 112007021885555-pat00015
여기서,
Figure 112007021885555-pat00016
는 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치,
Figure 112007021885555-pat00017
는 파티션 밴드에서의 오차 마스킹 임계치,
Figure 112007021885555-pat00018
와
Figure 112007021885555-pat00019
는 각 임계 밴드에 해당되는 파티션 밴드의 주파수 경계값을 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 적용되는 변형 이산코사인 변환 과정과 심리음향 모델 과정에서의 입력 프레임에 대한 일실시예 설명도이다.
변형 선형예측 부호화부(110)에서 현재 입력 프레임은 변형 이산코사인 변환(MDCT)의 특성상 이전 입력 프레임의 절반과 다음 입력 프레임의 절반이 겹치는 형태로 입력되고 있다(310). 이는 역 변형 이산코사인 변환(IMDCT)에서 완벽한 복원을 가능하게 하기 위함이다. 즉, 변형 선형예측 부호화부(110)에 입력되는 현재 입력 신호(Present Signal)는 항상 변형 이산코사인 변환의 50%에 해당하는 구간만 입력되고 있다. 또한, 심리음향 모델을 위한 FFT 프레임도 50%에 해당하는 구간만 입력되고 있다.
하지만, 변형 선형예측 부호화부(110)는 변형 선형예측 부호화의 훈련구간을 현재 입력 프레임의 앞과 뒤의 일정 구간이 더 포함되도록 윈도(Window)를 씌운다(320). 이는 주파수 상에 나타날 수 있는 간섭 작용을 최소화하기 위함이다.
이처럼, 변형 선형예측 부호화부(110)는 이러한 훈련 구간을 이용하여 현재 입력 프레임의 오차 신호를 구한다(330).
한편, 전술한 대로 심리음향 모델부(130)는 오차 마스킹 임계치를 구할 때 원신호 마스킹 임계치를 오차 신호의 분석 필터 전달함수의 에너지로 정규화한다. 이때, 오차 신호를 구하는 훈련 구간과 심리음향 모델을 위한 FFT 구간 사이에 지연이 발생한다. 따라서 이러한 지연을 보상하기 위해, 심리음향 모델부(130)는 이전 입력 프레임에서 구해진 전달 함수와 현재 입력 프레임에서 구해진 전달 함수의 평균을 구하여(340) 선형 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치를 정규화한다.
하기의 [수학식 5]는 이전 입력 프레임에서 구해진 분석필터 계수와 현재 입력 프레임에서 구해진 분석필터의 계수의 평균(
Figure 112007021885555-pat00020
)을 취하는 과정이 나타나 있다.
Figure 112007021885555-pat00021
여기서,
Figure 112007021885555-pat00022
는 이전 입력 프레임에서의 분석필터 계수,
Figure 112007021885555-pat00023
는 현재 입력 프레임에서의 분석필터 계수를 나타낸다.
도 4 는 본 발명에 따른 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 장치의 일실시예 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 오디오 복호화 장치는 비트스트림 추출부(410), 지각적 복호화부(420), 역 변형 이산코사인 변환부(430) 및 변형 선형예측 복호화부(440)를 포함한다.
비트 스트림 추출부(410)는 오디오 부호화 장치로부터 전체 비트스트림을 전송받고 전송된 전체 비트스트림으로부터 현재 프레임에 해당하는 비트열을 추출한다. 비트스트림 추출부(410)는 추출된 비트열을 복호화부(420)로 전달한다.
그리고 지각적 복호화부(420)는 비트 스트림 추출부(410)에서 추출된 비트열을 분석해 역 양자화 과정을 수행한다. 즉, 지각적 복호화부(420)는 비트열을 지각적 복호화하여 현재 프레임의 오차 신호와 변형 선형예측 부호화의 분석 계수를 구한다. 지각적 복호화부(420)는 구한 현재 프레임의 오차 신호를 역 변형 이산 코사인 변환부(430)로 전달한다.
그리고 역 변형 이산 코사인 변환부(430)는 주파수 영역의 오차 신호를 역 변형 이산 코사인 변환하여 시간 영역의 오차 신호로 변환한다. 역 변형 이산 코사인 변환부(430)는 변환된 오차 신호를 변형 선형예측 복호화부(440)로 전달한다.
그리고 상기 변형 선형예측 복호화부(440)는 시간 영역의 오차 신호를 복호화부(420)에서 복원된 변형 선형예측 부호화의 분석 계수를 이용하여 변형 선형예측 복호화 과정을 수행한다. 이 복호화 과정은 변형 선형 예측 부호화부(110)의 역과정에 해당한다. 즉, 변형 선형예측 복호화부(440)는 변형 선형예측 부호화의 분 석 계수(합성 필터의 계수(Synthesis Coefficients))를 이용해 오차 신호를 합성하여 최종 출력인 시간 영역의 PCM 오디오 신호를 생성한다.
이하, 본 발명에 따른 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법을 살펴보기로 한다.
변형 선형예측 부호화부(110)는 현재 프레임에서 소정크기의 한 블록을 부호화하기 위해, 외부로부터 입력된 PCM(Pulse Code Modulation) 오디오 신호(원신호)를 시간 영역에서 변형 선형예측 부호화하여 오차 신호를 구한다. 또한, 변형 선형예측 부호화부(110)는 변형 선형예측 부호화의 분석 계수(Analysis Coefficients)를 구한다.
그리고 변형 이산코사인 변환부(120)는 변형 선형예측 부호화부(110)에서 구해진 오차 신호에 대해 변형 이산코사인 변환을 수행한다. 이는 시간 영역의 오차 신호를 주파수 영역으로 변환하기 위함이다.
그리고 제 1 마스킹 임계치 계산부(131)는 인간의 주파수 영역에 대한 청각 특성을 반영하기 위해, PCM 오디오 신호를 심리음향 모델을 이용하여 PCM 오디오 신호에 대한 마스킹 임계치(이하, 원신호 마스킹 임계치)를 구한다.
그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 변형 선형예측 부호화의 분석 계수와 제 1 마스킹 임계치 계산부(131)에서 구해진 원신호 마스킹 임계치를 이용하여 오디오 신호의 지각적 특성이 반영된 오차 신호에 대한 마스킹 임계치(이하, 오차 마스킹 임계치)를 구한다. 이어서, 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 오차 마스킹 임계치를 이용하여 오차 마스킹 임계치에 대한 신호대 마스킹 비(이하, 오차 마스킹 SMR)를 계산한다.
지각적 부호화부(140)는 변형 이산코사인 변환 영역(주파수 영역)에서 심리음향 모델부(130)에서 구해진 오차 마스킹 SMR을 이용하여 오차 신호에 대해 지각적 부호화를 수행한다.
비트스트림 패킹부(150)는 지각적 부호화부(140)에서 지각적 부호화된 오차 신호를 엔트로피 코딩하여 비트열로 패킹한다.
여기서, 본 발명에 적용되는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법 중에서 원 신호에 대한 마스킹 임계치에서 오차 마스킹 임계치를 추출하는 과정에 대해 살펴보기로 한다.
제 1 마스킹 임계치 계산부(131)는 선형 밴드(Linear Band)에서 마스킹 임계치(Masking Threshhold)를 구하지 않고 지각적 특성이 반영된 파티션 밴드(Partition Band)에서 원신호 마스킹 임계치를 구한다.
그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 파티션 밴드에서 구한 원신호 마스킹 임계치를 전술한 [수학식 1]과 같이 다시 선형 밴드로 맵핑시켜 선형 밴드에서 원신호 마스킹 임계치를 구한다.
그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 구한 원신호 마스킹 임계치를 이용하여 전술한 [수학식 2]와 같이 변형 선형예측 부호화의 분석 계수의 에너지로 정규화하여 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구한다.
그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 구해진 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 전술한 [수학식 3]과 같이 동일한 파티션 밴드에 있는 성분을 각각 합하여 파티션 밴드로 대응시켜 파티션 밴드에서의 임계치를 구한다.
그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 전술한 [수학식 4]와 같이 파티션 밴드에서의 오차 마스킹 임계치 중 최소값을 선택해 밴드 수를 곱하여 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구한다. 그리고 제 2 마스킹 임계치 계산부(132)는 구해진 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치로부터 오차 마스킹 SMR을 산출한다.
이하, 본 발명에 따른 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 방법에 대해 살펴보기로 한다.
비트 스트림 추출부(410)는 오디오 부호화 장치로부터 전체 비트스트림을 전송받고 전송된 전체 비트스트림으로부터 현재 프레임에 해당하는 비트열을 추출한다.
그리고 지각적 복호화부(420)는 비트 스트림 추출부(410)에서 추출된 비트열을 분석해 역 양자화 과정을 수행한다. 즉, 지각적 복호화부(420)는 비트열을 지각적 복호화하여 현재 프레임의 오차 신호와 변형 선형예측 부호화의 분석 계수를 구한다.
이어서, 역 변형 이산 코사인 변환부(430)는 주파수 영역의 오차 신호를 역 변형 이산 코사인 변환하여 시간 영역의 오차 신호로 변환한다.
이후, 상기 변형 선형예측 복호화부(440)는 시간 영역의 오차 신호를 복호화부(420)에서 복원된 변형 선형예측 부호화의 분석 계수를 이용하여 변형 선형예측 복호화 과정을 수행한다. 이 복호화 과정은 변형 선형 예측 부호화부(110)의 역과정에 해당한다. 즉, 변형 선형예측 복호화부(440)는 변형 선형예측 부호화의 분석 계수(합성 필터의 계수(Synthesis Coefficients))를 이용해 오차 신호를 합성하여 최종 출력인 시간 영역의 PCM 오디오 신호를 생성한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 시간 영역에서의 예측을 통한 부호화 기술과 주파수 영역에서의 지각적 부호화가 합성된 형태의 오디오 부호화 구조를 이용함으로써, 고급 오디오 부호화기의 성능을 개선할 수 있으며 오디오 부호화의 압축 효율을 향상시킬 수 있게 하는 효과가 있다.
즉, 본 발명은, 오디오 부호화 과정에서 변형 선형예측 부호화를 이용하여 원 신호의 중복성을 제거하고 오차 신호를 오디오 부호화기에 입력으로 제공하고 이 오차 신호에 적합하도록 심리음향 모델을 변형함으로써, 신호의 압축 효율을 높 여 부호화할 수 있게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 비선형의 주파수 해상도를 가지는 변형 선형예측 부호화를 이용하여 저주파수 영역의 신호를 더욱 세밀하게 분석하여 오차 신호를 구함으로써, 시간 영역에서의 예측을 통한 부호화 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치에 있어서,
    외부로부터 입력된 오디오 신호(원신호)를 시간 영역에서 변형 선형예측 부호화(Warped Linear Predicted Coding)하여 오차 신호를 구하기 위한 오차 신호 계산 수단;
    상기 오차 신호 계산 수단에서 구한 오차 신호를 주파수 영역 신호로 변환하기 위한 주파수 영역 변환 수단;
    상기 원신호와 상기 원신호의 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해서, 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 구하기 위한 마스킹 임계치 계산 수단; 및
    상기 주파수 영역 변환 수단에서 변환된 오차 신호를 상기 구한 마스킹 임계치를 이용하여 지각적 부호화하기 위한 지각적 부호화 수단
    을 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지각적 부호화 수단에서 지각적 부호화된 오차 신호를 코딩하여 비트열로 패킹하기 위한 비트스트림 패킹 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스킹 임계치 계산 수단은,
    상기 원신호를 심리음향 모델을 이용하여 원신호 마스킹 임계치를 구하기 위한 제 1 마스킹 임계치 계산 수단; 및
    상기 구한 원신호 마스킹 임계치를 상기 부호화 정보에 의해 정규화하여 오차 마스킹 임계치를 구한 후, 상기 구한 오차 마스킹 임계치를 이용하여 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 구하기 위한 제 2 마스킹 임계치 계산 수단
    을 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 마스킹 임계치 계산 수단은,
    상기 제 1 마스킹 임계치 계산 수단에서 구한 원신호 마스킹 임계치를 선형 밴드로 대응시켜 선형 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치를 구하기 위한 선형 밴드 임계치 계산 수단;
    상기 선형 밴드 임계치 계산 수단에서 구한 선형 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치를 상기 부호화 정보에 의해 정규화하여 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구하기 위한 선형 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 수단;
    상기 선형 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 수단에서 구한 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 동일한 파티션 밴드에 있는 성분을 각각 합하여 파티션 밴드로 대응시켜 파티션 밴드에서의 임계치를 구하기 위한 파티션 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 수단; 및
    상기 파티션 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 수단에서 구한 파티션 밴드에서의 오차 마스킹 임계치 중 최소값을 선택해 밴드 수를 곱하여 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구하고, 상기 구한 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치로부터 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 산출하기 위한 임계 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 수단
    을 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치는,
    상기 오차 마스킹 임계치 계산 수단에서 구한 오차 마스킹 임계치에 대한 신호대 마스킹 비(오차 마스킹 SMR)인 것을 특징을 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지각적 부호화 수단은,
    상기 주파수 영역 변환 수단에서 변환된 오차 신호를 상기 오차 마스킹 SMR를 이용하여 지각적 부호화하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 선형 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 수단은,
    이전 입력 프레임에서 구해진 분석필터 계수와 현재 입력 프레임에서 구해진 분석필터의 계수를 평균하여 분석필터 계수의 평균치를 구하고, 상기 구한 분석필터 계수의 평균치를 이용해 원신호 마스킹 임계치를 정규화하여 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 장치.
  9. 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 장치에 있어서,
    외부로부터 전달된 전체 비트스트림 중에서 현재 프레임에 해당하는 비트열을 추출하기 위한 비트스트림 추출 수단;
    상기 비트 스트림 추출 수단에서 추출된 비트열을 지각적 복호화하여 현재 프레임의 오차 신호와 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 구하기 위한 지각적 복호화 수단;
    상기 복호화 수단에서 구해진 오차 신호를 시간 영역의 오차 신호로 변환하기 위한 오차신호 변환 수단; 및
    상기 오차신호 변환 수단에서 변환된 오차 신호를 상기 지각적 복호화 수단에서 구해진 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해 복원하여 오디오 신호를 생성하기 위한 변형 선형예측 복호화 수단
    을 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 변형 선형예측 복호화 수단은,
    상기 오차신호 변환 수단에서 변환된 오차 신호를 변형 선형예측 부호화의 분석 계수를 이용하여 복원하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 장치.
  11. 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법에 있어서,
    외부로부터 입력된 오디오 신호(원신호)를 시간 영역에서 변형 선형예측 부호화(Warped Linear Predicted Coding)하여 오차 신호를 구하는 오차 신호 계산 단계;
    상기 오차 신호 계산 단계에서 구한 오차 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 주파수 영역 변환 단계;
    상기 원신호와 상기 원신호의 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해서, 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 구하는 마스킹 임계치 계산 단계; 및
    상기 주파수 영역 변환 단계에서 변환된 오차 신호를 상기 구한 마스킹 임계치를 이용하여 지각적 부호화하는 지각적 부호화 단계
    를 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 지각적 부호화 단계에서 지각적 부호화된 오차 신호를 코딩하여 비트열로 패킹하는 비트스트림 패킹 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법.
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 마스킹 임계치 계산 단계는,
    상기 원신호를 심리음향 모델을 이용하여 원신호 마스킹 임계치를 구하는 원신호 마스킹 임계치 계산 단계; 및
    상기 구한 원신호 마스킹 임계치를 상기 부호화 정보에 의해 정규화하여 오차 마스킹 임계치를 구한 후, 상기 구한 오차 마스킹 임계치를 이용하여 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 구하는 오차 마스킹 임계치 계산 단계
    를 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 오차 마스킹 임계치 계산 단계는,
    상기 원신호 마스킹 임계치 계산 단계에서 구한 원신호 마스킹 임계치를 선형 밴드로 대응시켜 선형 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치를 구하는 선형 밴드 임계치 계산 단계;
    상기 선형 밴드 임계치 계산 단계에서 구한 선형 밴드에서의 원신호 마스킹 임계치를 상기 부호화 정보에 의해 정규화하여 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구하는 선형 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 단계;
    상기 선형 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 단계에서 구한 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 동일한 파티션 밴드에 있는 성분을 각각 합하여 파티션 밴드로 대응시켜 파티션 밴드에서의 임계치를 구하는 파티션 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 단계; 및
    상기 파티션 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 단계에서 구한 파티션 밴드에서의 오차 마스킹 임계치 중 최소값을 선택해 밴드 수를 곱하여 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구하고, 상기 구한 임계 밴드에서의 오차 마스킹 임계치로부터 상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치를 산출하는 임계 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 단계
    를 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 오차 신호의 부호화에 사용되는 마스킹 임계치는,
    상기 오차 마스킹 임계치 계산 단계에서 구한 오차 마스킹 임계치에 대한 신호대 마스킹 비(오차 마스킹 SMR)인 것을 특징을 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 지각적 부호화 단계는,
    상기 주파수 영역 변환 단계에서 변환된 오차 신호를 상기 오차 마스킹 SMR를 이용하여 지각적 부호화하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 선형 밴드 오차 마스킹 임계치 계산 단계는,
    이전 입력 프레임에서 구해진 분석필터 계수와 현재 입력 프레임에서 구해진 분석필터의 계수를 평균하여 분석필터 계수의 평균치를 구하고, 상기 구한 분석필터 계수의 평균치를 이용해 원신호 마스킹 임계치를 정규화하여 선형 밴드에서의 오차 마스킹 임계치를 구하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 부호화 방법.
  19. 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 방법에 있어서,
    외부로부터 전달된 전체 비트스트림 중에서 현재 프레임에 해당하는 비트열을 추출하는 비트스트림 추출 단계;
    상기 비트 스트림 추출 단계에서 추출된 비트열을 지각적 복호화하여 현재 프레임의 오차 신호와 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 구하는 지각적 복호화 단계;
    상기 복호화 단계에서 구해진 오차 신호를 시간 영역의 오차 신호로 변환하는 오차신호 변환 단계; 및
    상기 오차신호 변환 단계에서 변환된 오차 신호를 상기 지각적 복호화 단계에서 구해진 선형예측 부호화에 사용된 부호화 정보를 이용해 복원하여 오디오 신호를 생성하는 변형 선형예측 복호화 단계
    를 포함하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 변형 선형예측 복호화 단계는,
    상기 오차신호 변환 단계에서 변환된 오차 신호를 변형 선형예측 부호화의 분석 계수를 이용하여 복원하는 것을 특징으로 하는 변형 선형예측 부호화를 이용한 오디오 복호화 방법.
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