KR20080047837A

KR20080047837A - 다원화된 확률 모형에 기반한 비.에스.에이.씨 산술 복호화방법

Info

Publication number: KR20080047837A
Application number: KR1020060117773A
Authority: KR
Inventors: 유창동; 장달원; 문경란; 최진호; 조석환
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-05-30
Also published as: KR101260285B1

Abstract

본 발명은 다원화된 확률 모형에 기반한 산술 복호화 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 지상파 DMB 서비스의 오디오 규격인 BSAC 복호화의 핵심이 되는 산술 복호화 방법에 있어서 심볼 값 복원을 위해 확률 모형으로부터 확률값을 추출하는 경우, 대규모의 일원화된 테이블로부터 추출하는 대신, 다원화된 복수의 소규모 테이블들로부터 추출함으로써, 필요한 연산량을 현저히 감소시키는 효과를 달성할 수 있다. 또한 본 발명에 의한 산술 복호화 방법을 디지털 신호처리 프로세서에 의하여 구현하는 경우, 빠른 접근 속도와 메모리 사용의 효율적인 관리를 실현할 수 있다.

BSAC, DSP, 산술 복호화, 다원화, 확률 모형

Description

다원화된 확률 모형에 기반한 비.에스.에이.씨 산술 복호화 방법{BSAC arithmetic decoding method based on plural probability model}

도 1은 통상적인 BSAC 오디오 복호화기의 블록도이다.

도 2는 BSAC에 있어서 산술 부호화 및 복호화 규격에 따라 정의된 확률값을 수록한 테이블을 도시한 도면이다.

도 3은 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이다.

도 4는 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이다.

도 5는 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이다.

도 6은 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이다.

도 7은 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이다.

도 8은 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이다.

도 9는 상기 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이다.

도 10은 상기 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이다.

도 11은 도 9에서 색인치의 변화가 시간에 따라 빠르게 변화하는 부분을 시간축으로 확대한 도면이다.

도 12는 종래의 BSAC 산술 복호화 방법에 있어서, 확률 모형을 사용하는 부분의 의사 코드(Pseudo-code)를 도시한 도면이다.

도 13은, 본 발명의 산술 복호화 방법에 의한 다원화된 확률 모형을 도시한 도면이다.

도 14은, 본 발명에 의한 다원화된 확률 모형을 사용하기 위한 BSAC 산술 복 호화 방법이 구현된 의사 코드(Pseudo-code)를 도시한 도면이다.

본 발명은 오디오 신호의 복호화 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 지상파 DMB 서비스의 오디오 규격인 BSAC 복호화 장치의 산술 복호화에 있어서, 심볼 값의 복원을 위해 확률 모형에서 확률값을 추출할 때 일원화된 모형 대신 다원화된 모형에서 추출하는 산술 복호화 방법에 관한 것이다.

현재 휴대전화 단말기는, 통상적인 휴대 전화 기능 이외에 다양한 편의 기능을 사용자들에게 제공해 주고 있다. 그 중 하나가 DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 시청이라고 할 수 있다. DMB는 음성 및 영상 신호를 포함하는 다양한 멀티미디어 신호를 디지털 방식으로 변조하여, 고정식, 휴대용 또는 차량용 수신기에게 제공하는 새로운 방식의 방송 서비스이다. DMB는 전파의 송출 방식에 따라 위성 DMB와 지상파 DMB로 나뉜다. 현재 위성 DMB는 지상파 DMB에 비해 서비스 지역, 컨텐츠 등에서 우위를 차지하고 있지만, 2006년 후반부터 지하철을 비롯한 전국으로 지상파 DMB 서비스가 확대되면 유료인 위성 DMB에 비해 지상파 DMB 방식이 시장을 지배할 것으로 전망된다.

지상파 DMB에서 사용되는 표준 오디오 코딩 방식은 MPEG-4의 비트 분할 산술 코딩(Bit Sliced Arithmetic Coding: BSAC) 방식이다. BSAC은 MPEG-4의 자연 오디 오 부호화(Natural Audio Coding) 방법의 하나로써, 기본적인 신호 처리 기술은 대표적 고음질 오디오 부호화 방법인 MPEG-4 AAC(Advanced Audio Coding)와 동일하다. 그러나, BSAC은 비트 분할(bit-slicing) 방식을 도입함으로써 플레이(재생) 도중 채널당 1kbps까지의 수준으로 정교하게 비트율을 조절할 수 있는 FGS(fine grain scalability) 성능을 제공한다. 또한 허프만 부호화를 사용하는 AAC와 달리, 산술 부호화를 사용하여 평균 부호화 효율이 상대적으로 높고, 최고 비트율에서 부호화 효율이 좋다.

본 발명에서 예정하고 있는 DMB 수신기는 DSP를 채용한 것이므로 빠르고 파워소모가 적은 특성을 가지도록 하는 것이 관건이다. 따라서 이러한 기기에 사용되는 BSAC 복호화기의 효과적 이용을 위해서는 그 연산량을 줄이기 위한 연구가 필요하다.

도 1은 통상적인 BSAC 오디오 복호화기(100)의 블록도를 도시한 것으로서, 상기 통상의 BSAC 오디오 복호화기는, 비트스트림 역다중화부(110), 산술 복호화부(120), 역양자화부(130), M/S(Mid/Side) 스테레오 처리부(140), PNS(Perceptual Noise Substitution)부(150), 세기(Intensity) 스테레오 처리부(160), TNS(Temporal Noise Shaping)부(170), 및 필터 뱅크(180)를 포함한다.

상기 비트스트림 역다중화부(110)에서는, BSAC 오디오 복호화기에 입력된 오디오 비트스트림을 역다중화하여 주파수 도메인의 부호화된 신호와 각 계층에 대응하는 부호화 정보를 추출한다.

이렇게 부호화된 신호는 산술 복호화부(120)을 통해 MDCT(Modified Discrete Cosine Trasnform) 계수들을 복호화하고 상기 역양자화부(130)에서 실수의 MDCT 계수로 만들어진다.

이어서, 비트스트림 역다중화부(110)에서 추출한 제어 신호들로부터 획득된 정보에 따라, 선택적으로 M/S 스테레오 처리부(140), PNS부(150), 세기 스테레오 처리부(160) 및 TNS부(170)를 거쳐 입력 신호의 복호화가 완료된다. 구체적으로, 상기 M/S 스테레오 처리부(140)는 복호화될 신호중 스테레오 신호에만 적용되는 것으로서, 그 부호화 과정에서 M/S 스테레오 처리가 수행된 신호에 대해 그에 상응하는 스테레오 신호의 좌측부 및 우측부 신호를 복원하는 처리를 한다.

상기 PNS부(150)는 잡음 신호에 대해 일반적인 산술 복호화 과정과 역양자화 과정을 거치지 않고 이미 알려진 다른 방법에 의하여 이를 복호화한다.

상기 세기 스테레오 처리부(160)는, 마찬가지로 스테레오 신호에만 적용되는 것으로서, 그 부호화시 세기 스테레오 처리를 해준 신호에 대해 그에 상응하도록 우측 신호에서 좌측 신호를 만들어 준다.

상기 TNS부(170)는 양자화에 관련된 보정 기술로서, 양자화 에러를 지능적으로 감소시켜 복호화된 신호의 잡음을 감소시킨다.

마지막으로 상기 필터 뱅크(180)는 주파수 도메인의 MDCT 계수 데이터를 IMDCT(Inverse Modified Discrete Cosine Transform) 변환을 통해 오디오 복호화기의 출력인 시간 도메인의 오디오 신호로 바꾸어준다.

도 2는 BSAC에 있어서 산술 부호화 및 복호화 규격에 따라 정의된 확률값을 수록한 테이블을 도시한 도면이다. BSAC에 있어서 산술 부호화 및 산술 복호화를 이용하여 심볼들을 산술 부호화하기 위해서는 소정의 확률값이 미리 정의되어야 하는데, 부호화기에서는 정해진 규칙에 따라 사용 가능한 비트수와 분할된 비트값을 기준으로 규격에 정의된 테이블로부터 사용할 확률값을 찾아 결정하고, 복호화기에서는 이렇게 결정된 것과 동일한 확률값들이 수록된 테이블을 사용하게 된다.

이러한 산술 복호화 과정을 DSP에 의하여 구현하다 보면, 각 심볼의 비트별 산술 복호화에 필요한 확률값을 찾는 과정에서 특히 많은 연산이 수행된다. 또한, 규격에 정의된 테이블로부터 찾아오는 확률값들은 대부분 동일하거나 유사한 색인치(索引値)를 갖는 것이 일반적이다. 따라서, 이러한 산술 복호화를 예컨대 DSP에서 효과적으로 구현하기 위하여는, 확률값이 정의된 테이블을 효율적으로 관리해야 할 필요가 있다.

본 발명은, 상기한 종래의 BSAC 산술 복호화 방법의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다원화된 확률 모형, 즉 확률값이 정의된 테이블을 다원화하고 이를 이용한 효율적인 관리 기법을 적용하여 더 효율적인 관리와 빠른 접근 속도로 BSAC 산술 복호화에 필요한 연산량을 감소시키는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, DSP에서 BSAC 복호화기를 사용하고자 할 때 다원화된 확률 모형을 통해 산술 복호화에 필요한 연산량을 감소시키고 관련 자원의 사용을 보다 효율적으로 하는 것을 그 다른 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 BSAC 복호화 방법은, BSAC의 산술 복호화 부분에서 필요한 확률 모형을 다원화하여, 즉 확률값을 수록한 테이블을 다원화하여 산술 복호화 부분의 연산량을 줄이고 DSP 사용을 보다 효율적으로 관리할 수 있는 특징이 있다.

도 2는 산술 부호화 및 복호화에서 필요한 확률 모형 즉, 심볼을 부호화 및 복호화하기 위하여 규격에 의해 정의된 확률값을 수록한 테이블을 도시한 도면이다. 통상적인 BSAC에서의 산술 복호화 과정에서는 도 2에 도시된 테이블에서 확률값을 추출하여 처리 대상 심볼을 복호화하게 된다.

도 3은 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이고, 도 4는 상기 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이다. 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 심볼을 복호화하기 위해 사용된 테이블의 색인치가 특정값에 치우쳐 있음을 알 수 있다.

도 5는 상기 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이고, 도 6은 상기 제1의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이다. 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 색인치의 변화가 시간 에 따라 크지 않으며, 변하는 경우에도 대체로 근사한 범위내이며, 예외적으로 값이 크게 변화하는 경우에도 다시 이전에 사용된 색인치에 근사한 값의 색인치를 사용한다는 것을 알 수 있다.

도 7은 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이고, 도 8은 상기 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 막대 그래프를 도시한 도면이다. 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 심볼을 복호화하기 위하여 사용된 테이블의 색인치가 특정 값에 치우쳐 있음을 알 수 있다.

도 9는 상기 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 0에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이고, 도 10은 상기 제2의 PCM 오디오 파일을 BSAC 부호화기로 부호화한 것을 비트 1에 대해 복호화하기 위하여 확률 모형에 사용한 색인치의 시간에 따른 변화를 도시한 도면이다. 도 9와 도 10을 참조하면, 사용되는 색인치의 값의 변화가 시간에 따라 크지 않으며 변한다 하더라도 근사한 값을 가진 색인치들이 사용되고 있으며, 예외적으로 크게 변화하더라도 그 이후에는 이전 색인치에 근사한 색인치가 사용된다는 것을 알 수 있다.

도 11은, 도 9에 도시된 도면의 부분 중, 색인치의 변화가 시간에 따라 빠르게 변화하는 부분을 확대한 도면을 도시하고 있는데, 이를 참조하면 동일한 값이 반복되어 색인치로 사용되고 있음을 알 수 있다.

상기에서 알 수 있는 바와 같이, BSAC의 산술 복호화시 확률 모형에서 추출되어 사용되는 확률값이 상당 부분 특정한 색인치로 치우쳐 있고, 시간에 따라서 급격히 변화하지 않으면서 근사한 색인치에 해당하는 확률값이 사용되거나 동일한 확률값이 반복적으로 사용됨을 알 수 있다. 따라서, 이런 상황에서는, 수많은 원소를 갖는 하나의 대규모 테이블을 구축하여 필요한 확률값을 추출하여 사용하는 것보다, 적은 갯수의 원소를 갖는 소규모의 테이블을 복수 구축하여 다원화된 확률 모형을 사용하는 것이 보다 빠른 접근 속도를 가질 수 있어 연산량을 줄이고 보다 효율적인 메모리 관리가 가능하다.

도 12는 종래의 BSAC 산술 복호화 방법에 있어서 확률 모형을 사용하는 부분의 의사 코드(Pseudo-code)를 도시한 도면이다. 이에 의하면, 확률 모형(즉, 확률값을 수록한 테이블)의 색인치를 구하고 그 색인치에 해당하는 테이블로부터 사용될 확률값을 추출한다. 이러한 종래의 방식에 의하면, 상기 색인치의 변화를 예측하지 않기 때문에, 반복적으로 나타나는 색인치에 해당하는 확률값을 크기가 큰 하나의 테이블로부터 추출해야 하므로 매우 비효율적이다.

도 13은, 본 발명의 산술 복호화 방법에 의한 다원화된 확률 모형을 도시한 도면이다. 이 다원화된 확률 모형을 사용하면 각 테이블의 크기를 소규모로 구축할 수 있으므로, 빠른 접근 속도를 실현할 수 있고 DSP에 의하여 구현된 경우 효율적인 메모리 관리도 가능해진다.

도 14은, 본 발명에 의한 다원화된 확률 모형을 사용하기 위한 BSAC 산술 복호화 방법이 구현된 의사 코드(Pseudo-code)를 도시한 도면이다. 도 14에 의하면, 먼저 색인치에 해당하는 확률값을 사용하여 복호화 처리를 수행하고, 그 색인치 주위의 소정 개수(예를 들어 10개)의 색인치에 해당하는 확률값들을 원소의 개수가 소정 개수 이하인 소규모의 테이블에 저장한다. 상기 소규모 테이블에 수록되는 원소의 갯수는 예를 들어 128개 이하이며, 상기 소규모 테이블의 갯수는 예를 들어 8개인 것이 바람직하다.

다음으로, 새로운 색인치를 계산한 경우, 직전에 사용된 색인치(이를 "앞 색인치"라 한다)와 동일한지 아닌지를 판단한다. 앞 색인치와 계산된 색인치(즉, 현재 색인치)가 동일하면 직전의 확률값을 다시 사용한다. 계산된 색인치가 앞 색인치 주위의 소정 개수(예컨대 10개)의 색인치의 어느 하나에 해당되면 앞서 구축한 소규모의 테이블로부터 해당되는 확률값을 추출하여 사용한다. 계산된 색인치가 다원화된 테이블의 원소 개수보다 더 많은 갯수 이상으로 차이가 나면, 앞 색인치의 직전에 사용된 색인치(이를 "앞앞 색인치"라 한다)와 비교한다.

이는 도 11에서 살펴보았듯이 동일한 색인치가 반복적으로 교차하여 나타나는 경향이 있기 때문에, 현재 계산된 색인치가 앞앞 색인치와 비교하여 동일하면 그에 대응되는 확률값을 바로 추출하여 사용할 수 있기 때문이다.

또한, 이처럼 앞앞 색인치와 현재 (계산된) 색인치를 비교한 경우에는, 현재 계산된 색인치에 대해서도 동일하게 그 주위의 소정 개수(예컨대 10개)의 색인치에 해당하는 확률값들을 상기 소규모 테이블과 동일 또는 유사한 규모의 다른 소규모 테이블에 저장한다.

그러나, 현재 계산된 색인치가 상기 앞 색인치 또는 앞앞 색인치의 어느 것 과도 동일하지 않다면 새로운 색인치가 나타났다는 것을 의미하므로 이전의 작업을 반복해서 수행한다. 이 때에도 이미 확률 모형을 다원화하였기 때문에, 원소가 많은 대규모의 테이블로부터 확률값을 추출할 때보다 더 빠른 접근 속도를 실현할 수 있다.

이상, 본 발명을 그 바람직한 실시예에 의하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위가 상기한 실시예에 한정되는 것이 아님을 주의하여야 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 확률 모형을 저장하기 위하여 필요한 메모리의 용량에, 그의 1/20 정도에 해당하는 메모리 용량만을 더 추가함으로써, 본 발명에 의한 다원화된 확률 모형을 이용한 산술 복호화 연산이 가능할 뿐만 아니라, 효율적인 메모리 관리가 가능하게 되며, 나아가 종래의 확률 모형을 사용하는 경우에 비하여 더욱 빠른 접근 속도와 더 감소된 연산량으로 BSAC 산술 복호화를 수행할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 산술 복호화 방법을 디지털 신호처리 프로세서에 의하여 구현하는 경우, 빠른 접근 속도와 메모리 사용의 효율적인 관리를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 원래의 BSAC 내의 산술 복호화 코드를 크게 변경하지 않아도 가능하므로 범용적으로 사용할 수 있다.

Claims

비트 분할 산술 코딩의 산술 복호화 방법에 있어서,

소정의 색인치에 해당하는 확률값을 사용하여 복호화 처리를 수행하고, 그 색인치 주위의 소정 개수의 색인치에 해당하는 확률값들을, 원소의 개수가 소정 개수 이하인 소규모의 테이블에 저장하는 제1 단계;

상기 소정의 색인치와 다른 새로운 색인치를 계산한 경우, 직전에 사용된 색인치인 앞 색인치와 동일한지 아닌지를 판단하는 제2 단계;

현재 계산된 색인치가 상기 앞 색인치와 동일하면 직전의 확률값을 다시 사용하는 제3 단계;

상기 계산된 색인치가 앞 색인치 주위의 상기 소정 개수의 색인치의 어느 하나에 해당되면 상기 소규모 테이블로부터 해당되는 확률값을 추출하여 사용하는 제4 단계;

상기 계산된 색인치가 상기 소규모 테이블의 원소 개수보다 더 많은 갯수 이상으로 차이가 나면, 상기 앞 색인치의 직전에 사용된 색인치인 앞앞 색인치와 비교하는 제5 단계;

상기 앞앞 색인치와 현재 계산된 색인치를 비교한 경우, 현재 계산된 색인치에 대해서도 그 주위의 소정 개수의 색인치에 해당하는 확률값들을 상기 소규모 테이블과 유사한 규모의 다른 소규모 테이블에 저장하는 제6 단계;

상기 계산된 색인치가 상기 앞 색인치 또는 앞앞 색인치의 어느 것과도 동일 하지 않은 경우, 상기 계산된 색인치를 이용하여 상기 제1 단계를 수행하는 제7 단계를 포함하는 산술 복호화 방법.

한다. 상기 소규모 테이블에 수록되는 원소의 갯수는 예를 들어 128개 이하이며, 상기 것이 바람직하다.
제1항에 있어서,

상기 소규모 테이블의 갯수는 8개인 산술 복호화 방법.
제1항에 있어서,

상기 소규모 테이블은 2개 내지 10개의 확률값을 포함하는 집합으로부터 선택된 소정 개수의 확률값을 수록하는 산술 복호화 방법.
제3항에 있어서,

상기 소규모 테이블은 이전에 사용된 2개의 색인치에 해당하는 확률값을 수록하는 산술 복호화 방법.
디지털 신호처리 프로세서에 의한 산술 복호화 방법에 있어서,

상기 BSAC 복호화기 내에 포함된 산술 복호화 처리 모듈에서 입력 신호의 복호화에 요구되는 확률값이 수록된 테이블을 복수의 소규모 테이블로서 다원화하는 다원화된 확률 모형 구축 단계; 및

현재 계산된 색인치를 처리하기 위하여 상기 다원화된 확률 모형의 복수의 소규모 테이블에 수록된 확률값을 추출하는 단계를 포함하는 산술 복호화 방법.