KR970005131B1 - 인간의 청각특성에 적응적인 디지탈 오디오 부호화장치 - Google Patents

인간의 청각특성에 적응적인 디지탈 오디오 부호화장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

인간의 청각특성에 적응적인 디지털 오디오 부호화장치
제1도는 본 발명에 따른 디지털 오디오 부호화장치에 대한 이해를 돕기 위한 블럭도.
제2도는 본 발명에 따른 디지털 오디오 부호화장치에 대한 블럭도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
210 : 부호화수단 220 : 마스킹 문턱치 검출기
230 : 복호화수단 240 : 인지 오차 측정수단
250 : 오디오신호 선택제어기 260 : 오디오신호 선택전송기
280 : 멀티플렉서(MUX)
본 발명은 디지털 오디오 부호화장치에 관한 것으로, 특히 인간의 청각특성에 따라 디지털 오디오신호를 적응적으로 부호화하기 위한 디지털 오디오 부호화장치에 관한 것이다.
현재, 실용화되어 있는 컴팩트 디스크(Compact Disk:CD) 및 디지털 오디오 테이프 레코더(Digital Audio Tape recoder: DAT)등과 같은 음질수분의 신호 재생을 목표로 개발중에 있는 고화질 텔레비젼 (HDTV)정보 전송시스템에서는 비교적 좁은 약 6MHz의 전송선로를 통하여 영상 및 오디오신호를 전송하여야 하기 때문에 영상신호에서와 마찬가지로 오디오신호에 대해서도 효율적인 신호 압축기법이 요구되었다.
이러한 요구에 따라 동기술분야에서는 적응적인 변환부호화(Adaptive Transform Coding)기법을 이용하여 낮은 전송률에서 비교적 간단한 수진기로도 전술한 디지털 오디오 장치 수준의 음질을 재생할 수 있는 알고리즘 및 하드웨어를 구현하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
지금까지 전술한 적응적인 변환부호화 기법을 적용하여 제안된 디지털 오디오 부호화장치는 일반적으로 복호화시스템에서 채용되고 있는 복호기를 구비하고, 구비된 복호기를 통해 부호화된 오디오신호를 원래의 신호로 복호화한 오디오신호와 부호화하기 전의 원래의 오디오 입력신호를 비교해서 가장 작은 오차를 갖는 부호기에서 출력되는 오디오신호를 선택하여 전송하는 방식을 사용하고 있다.
이와 같은 변환부호화방식에서 오디오신호에 대한 왜곡정도를 나타내는 오차측정은 장시간(Long Term)소리 신호전력과 장시간 에러 전력비를 측정하는 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio:SNR)를 계산하는 방식이 사용되었다. 그러나, 장시간동안의 전체 전력비를 계산하기 때문에 비교적 작은 전력의 신호영역은 무시되는 단점이 있었다.
다른 오디오신호 오차측정방법에서는 각 세그먼트의 SNR을 측정(Segmental SNR Measure)하는 방법이 있는데, 이는 전술한 SNR 방법을 개선하기 위하여 약 10msec 내지 40msec의 짧은기간(Short Term)동안의 SNR을 구한 다음, 이들을 산출 평균하여 오차를 계산하는 방식이고, 또 다른 오디오신호 오차측정방법으로 주파수 영역에서의 신호왜곡을 측정(Spectral Distance Measure:SD)하는 방법이 있는데, 이는 각 주파수에서의 에러를 구하고 전체 주파수대역에 대한 에러 합계를 구하여 오차를 산출하는 방식이다.
그러나, 전술한 바와 같은 오차측정방식들을 사용한 디지털 오디오 부호화장치는 인가되는 오디오신호에 대하여 시간조건을 고려한 신호대 잡음 전력비방식에 의하여 측정한 오차값을 이용하여 부호화된 오디오신호의 전송을 제어하도록 되어 있어, 인간의 청각특성을 충분히 고려한 오디오신호를 재생하는데에는 어려움이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 인간의 청각특성에 따라 적응적으로 오디오신호를 부호화하여 고음질의 오디오신호를 재생하기 위한 디지털 오디오 부호화장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 디지털 오디오 부호화장치는, 인가되는 디지털 오디오신호를 부호화하기 위한 디지털 오디오 부호화장치에 있어서, 각기 다른 부호화조건을 갖는 부호기를 적어도 2개 이상 구비하고, 디지털 오디오신호가 인가되면, 부호기들을 동시에 구동하여 부호화하기 위한 부호화수단 ; 부호화수단내의 부호기들에 대응되는 복호기들을 구비하고, 부호기들로부터의 부호화된 오디오신호가 전송되면 각각 복원처리를 하기 위한 복화수단 ; 디지털 오디오신호가 인가되면, 고속푸리에 변환(FFT)기법과 바크주파수영역변환에 의해 인간의 청각특성에 따른 각 임계대역(Critical Band)에서의 최적화된 마스킹 문턱치를 검출하기 위한 마스킹 문턱치 검출기 ; 복호화수단내의 복호화기들과 일대일 대응되는 인지오차 측정기들을 구비하고, 마스킹 문턱치 검출기에서 검출된 문턱치가 인가되고 복호기들로부터 복원된 오디오신호가 각각 인가되면 부호화되기 전의 해당 오디오신호와의 인지오차를 각각 측정하기 위한 인지오차 측정수단 ; 인지오차 측정수단으로부터 측정된 다수의 인지오차들이 전송되면, 가장 적은 인지오차를 검출하여 전송될 오디오신호를 선택하기 위한 제어신호를 발생하는 오디오신호 선택제어기 ; 오디오신호 선택제어기로부터의 제어신호에 의해 제어되어 부호기들로부터 출력되는 부호화된 오디오신호들중 하나를 선택하여 전송하기 위한 오디오신호 선택전송기 ; 및 오디오신호 선택전송기에서 출력되는 부호화된 오디오신호와 오디오신호 선택제어기에서 출력되는 제어신호를 다중화하여 출력하기 위한 멀티플렉서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 단일의 부호기와 복호기로 구성된 디지털 오디오 부호장치에 대한 개략적인 블록도로서, 부호기(110), 마스킹 문턱치 검출기(Masking Threshold Detector; 이하 MTD라고 약함)(120), 복호기(130) 및 인지오차 측정기(Perceptual Error Measurer;이하 PEM라고 약함)(140)로 구성된다.
부호기(110) 및 복호기(130)는 종래의 알려진 기법을 이용하여 부호화하고 복호화하는 통상적인 블록이며, 특히, 복호기(130)는 수신기측 즉, 디지털 오디오 복호화장치에서 이용되는 복호기와 동일한 기능을 갖는 복호기를 이용한다.
MTD(120)는 입력된는 오디오신호(Xx(n))를 인간의 청각 특성에 따른 마스킹 패턴으로부터 각 임계대역에서의 최적화된 마스킹 문턱치(M(w))를 검출하는 것으로, 본 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이 인간의 청각특성에 따른 오디오신호의 주관적 성능을 반영하기 위한 것이다.
PEM(140)은 MTD(120)에서 검출한 마스킹 문턱치(M(w))를 이용하여 오디오 입력신호(X(n))와 복호기 (130)에서 제공되는 오디오신호(Y(n))간의 인지오차를 측정하기 위한 것으로, 오디오 입력신호들(X(n))과 (Y(n))간에 발생되는 에러신호(E(n))의 주파수스펙트럼을 구하고, 이 에러신호의 주파수성분이 오디오입력신호(X(n))의 마스킹 문턱치(M(w))이상이 되는 성분에 대한 인지오차를 측정한다. 예컨대, 에러신호(E(n))가 다음 수식 1과 같을 때,
에러신호(E(nn))의 주파수스펙트럼을 E(w)라고 하면, 인지오차(PE)는 다음 수식 2와 같이 계산된다.
여기서, T는 양의 정수로서, 고음질을 실현하려는 경우에는 보다 작은 값으로 설정하고, 정보량이 적어 음질이 다소 떨어지는 부호기를 구현하려는 경우에는 약간 큰 값을 설정한다.
전술한 수식 2에 의해 측정된 인지오차는 주파수대역(B)에 대하여 통상 평균값을 취하게 되는데, 이 인지오차는 청각특성인 임계대역(Critical Band)에 맞추어 설정할 수도 있다. 이와 같이 수식 2를 임계대역에 맞추어 구현하는 경우에는 각각의 임계대역에 해당하는 PEi(여기서, PEi는 i번째 임계대역의 인지오차를 나타냄)을 다음 수식 3과 같이 산술평균하여 구하면 된다.
여기서, M은 임계대역의 개수에 해당하며, i번째 임계대역의 인지오차 PEi는 전술한 수식 2를 이용하여 다음 수식 4에 의해 구할 수 있다.
여기서, Bi는 i번째 임계대역의 대역폭에 해당하는 것으로 다음 수식 5와 같다.
여기서, αi와 βi는 i번째 임계대역의 상한 및 하한구간을 나타낸다.
전술한 수식 3과 같이 먼저, i번째 임계대역의 인지오차를 구하고, 그다음 전체 임계대역의 평균값을 구하는 것이 인간의 청각특성을 보다 더 반영할 수 있다. 이는 임계대역이 인간의 귀로서 느낄 수 있는 감도(Sensitivity)레벨을 고려한 대역이기 때문이다.
제2도를 참조하면, 제2도는 다수개의 부호기 및 복호기를 포함하고 인간의 청각특성을 이용하여 고음질을 실현하기 위해 전술한 제1도의 단일 부호기 및 단일 복호기를 갖는 디지털 오디오 부호화장치를 보다 확장한 수호화장치로서, 다수개의 부호기를 구비한 부호화수단(210), 마스킹 문턱치 검출기(120), 부호기들과 대응되는 다수개의 복호기를 구비한 복화수단(230), 복호기들과 일대일 대응되는 다수개의 인지오차 측정기를 구비한 인지오차 측정수단(240), 오디오신호 선택제어기(250), 오디오신호 선택전송기(260) 및 멀티플렉서(270, 이하 MUX라고 약함)로 구성된다.
부호화수단(210)은 부호화를 위한 파라미터의 조건이 다르게 설정된 적어도 2개 이상의 부호기로 구성되어 입력된 오디오신호(X(n))에 대하여 전술한 부호기(110)와 동일한 기법으로 부호화한다.
마스킹 문턱치 검출기(220)는 입력되는 오디오신호(X(n))를 인간의 청각 특성에 따라 제1도의 마스킹 문턱치 검출기(120)와 같은 방식으로 마스킹 문턱치(M(w))를 측정하여 후술하는 인지오차 측정수단(240)으로 각각 제공한다.
복호화수단(230)은 상술한 부호화수단(210)에 구비된 각 부호기들의 부호화조건에 대응되는 복호화조건을 갖는 복호기들을 구비하여 해당되는 부호기에서 전송되는 부호화된 오디오신호를 원래의 오디오신호로 복원하여 출력한다. 출력된 신호는 인지오차 측정수단(240)으로 각각으로 전송된다.
인지오차 측정수단(240)은 상술한 복호화수단(230)에 구비된 복호기와 일대일 대응되는 인지오차 측정기들을 구비하고, 복화수단(230)으로부터 각각 복원된 오디오신호가 전송되면, 마스킹 문턱치 검출기(220)로부터 전송된 최적의 마스킹 문턱치를 이용하여 각각의 인지오차를 구한다.
예를 들어, 부호화수단(210), 복호화수단(230) 및 인지오차 측정수단(240)내에 구비되어 있는 부호기, 복호기 및 인지오차 측정기가 각각 L개 구비되었다고 가정할 때, j(여기서, j는 1보다는 크고 L보다 작은수)번째 부호기의 인지오차를 전술한 수식 3에 의해 구하면, 인지오차는 PE(j)가 될 것이다. 즉, 입력신호를 X(n), j번째 부호기의 복호화된 신호를 Yj(n)이라 하고, 설명의 명확성과 간결성을 고려해 2개의 부호기로 구성된다고 가정하고, j＝1,2이라고 하면, 에러신호는 전술한 수식 1에 의해 다음 수식 6, 수식 6과 같이 측정된다.
그러면, 마스킹 문턱치 검출기(220)는 오디오 입력신호(X(n))를 1024 포인트 고속푸리에 변환(Fast Fourier Transform:FFT)기법을 이용하여 먼저, 주파수 스펙트럼을 추출하고 인간의 청각특성인 임계대역을 이용하여 다시 바크주파수(Bark Frequency) 영역으로 변환하고, 이 Bark 주파수영역상에서 마스킹 문턱치(M(w))를 구하게 된다. 예를들어, 임계대역이 27개로 분류된다고 가정하면, 이에 대응하는 주파수 및 Bark 주파수는 다음 표 1과 같다.
임계대역의 주파수인 Bark 주파수(BF)(z)는 표 1를 참조하여 선형 주파수(Linear Frequency:LF)(Hz)를 다음 수식 8에 적용하여 연산하면 구할 수 있다.
전술한 수식 8에 의해 구한 BF를 균일한 간격으로 나누면 선형주파수영역에서 임계대역의 각 경계주파수를 구할 수 있다. 입력 및 에러신호에 대한 주파수스펙트럼을 구하기 위하여, 표 1에서는 1024포인트 FFT를 이용하였으므로 각 주파수스펙트럼의 간격은 46.875Hz에 해당한다. 그러므로 BF에서의 균일한 간격을 유지하기 위해서는, LF에서 46.875Hz의 정수배가 되지 않을 수 있으므로, 이때는 RF상에서 오차가 적은 쪽의 LF를 선택하여 각 임계대역 경계점을 구한다.
그리고, 표 1에서 저주파영역의 특성을 강조하기 위하여 저주파영역의 임계대역구간을 조밀하게 설정하였다. 임계대역이 상술한 예에서와 같이 27개이므로 수식 3에서 M＝27에 해당하며, 수식 4의 α1및 β1에서 i가 2인 경우에는 93.75＜f≤234.375인 구간이 i번째 임계대역구간(Bi)이다. 그러므로, 수식 4에서 PEi는 다음 수식 9와 같이 근사화하여 구할 수 있다.
여기서, k는 FFT한 주파수값에 해당하므로, 0~512범위에 해당하고, E(k) 및 M(k)는 k번째 주파수의 에러스펙트럼계수 및 마스킹 문턱치값이며,K는 각 주파수간격(46.875Hz)이다. 예를들어, 2번째(0번째부터 시작) 인지오차(PE2)를 수식 9를 이용하여 구하는 과정은 다음 수식 10과 같다.
즉, 93.75＜B1≤234.375이고, K∈Bi, k＝3,4,5일 때,
여기서, T값 결정은 CD오디오기기와 같이 고음질인 경우에는 T＝0으로 설정한다. 수식 10에서 E(k)및 M(k)는 k번째 주파수에 해당하는 에러신호 스펙트럼 및 마스킹 문턱치이며, 계산량을 고려하여 모든 k, 즉 0내지 512에 대하여 모두 수행하지 않아도 된다.
전술한 수식 10을 통해 구한 오차값이 0이라면, 에러의 전력값과 마스킹 문턱치가 같은 경우이므로 왜곡이 전혀 없을 의미하고, 0보다 큰 값을 갖는다면 에러의 전력값이 마스킹 문턱치보다 큰 경우이므로 왜곡이 있음을 의미하며, 이때의 왜곡의 유무는 왜곡이 사람의 귀로 인식할 수 있고, 없음을 의미한다.
전술한 바와 같이, 부호화수단(210)내의 부호기가 2개로 구성된 경우, 즉 L＝2일 경우, 식(6)과 같이 에러신호 E1(n), E2(n)에 대하여 각각 1024포인트 FFT를 수행하여 구한 E1(k), E2(k) 및 입력신호 X(n)의 주파수 스펙트럼 X(k)를 이용하여 구한 마스킹 문턱치 M(w)를 각각 [수식 10]에 적용하여 PE[1], PE[2]를 구하고, 오디오신호 선택제어기(250)로 각각 제공한다. 여기서, PE[1]은 첫번째 부호기의 복호화된 신호에 대한 인지오차값이고, PE[2]는 두번째 부호기의 복호화된 신호에 대한 인지오차값이다.
따라서, 오디오신호 선택제어기(250)에서는 PEM(240)에서 제공되는 PE[1]과 PE[2]를 비교하여 둘중 작은 인지오차값을 검출하고, 검출된 결과에 따라 부호화된 오디오신호 선택전송기(260)의 전송상태를 제어하기 위한 제어신호를 부호화된 오디오신호 선택전송기(260)와 MUX(270)로 각각 전송한다.
오디오신호 선택전송기(260)는 오디오신호 선택제어기(250)에서 전송되는 제어신호에 의해 부호화수단(210)내의 다수개의 부호기에서 부호화되어 전송되는 오디오신호중 하나의 부호기로부터 전송되는 오디오신호를 선택하여 MUX(270)로 전달한다.
MUX(270)는 오디오신호 선택전송기(260)에서 전송되는 부호화된 오디오신호와 오디오신호 선택제어기(250)에서 전송되는 제어정보를 다중화하여 전송한다.
이상, 상술한 바와 같이 본 발명은 입력된 오디오신호에 대하여 각기 다른 부호화조건으로 부호화되고 복호화된 오디오신호와 인간의 청각특성을 고려한 마스킹 문턱치를 이용하여 검출된 인지오차값을 이용하여 최적의 부호화된 오디오신호를 선정하여 전송하도록 구현된 디지털 오디오 부호화장치를 제공함으로써, 종래에 비해 부호와 효율을 증대시킬 수 있을 뿐아니라 인간의 청각특성을 최대한 고려한 고음질의 오디오신호를 재생할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 인가되는 디지털 오디오신호를 부호화하기 위한 디지털 오디오 부호화장치에 있어서, 각기 다른 부호화조건을 갖는 부호기를 적어도 2개 이상 구비하고, 디지털 오디오신호가 인가되면, 상기 부호기들을 동시에 구동하여 부호화하기 위한 부호화수단(210) ; 상기 부호화수단(210)내의 부호기들에 대응되는 복호기들을 구비하고, 상기 부호기들로부터의 부호화된 오디오신호가 전송되면 각각 복원처리를 하기 위한 복호화수단(230) ; 상기 디지털 오디오신호가 인가되면, 고속푸리에 변환(FFT)기법과 바크주파수영역변환에 의해 인간의 청각특성에 따른 각 임계대역(Critical Band)에서의 최적화된 마스킹 문턱치를 검출하기 위한 마스킹 문턱치 검출기(220) ; 복호화수단(220)내의 상기 복호기들과 일대일 대응되는 인지오차 측정기들을 구비하고, 마스킹 문턱치 검출기(220)에서 검출된 문턱치가 인가되고 상기 복호기들로부터 복원된 오디오신호가 각각 인가되면 부호화되기전의 해당 오디오신호와의 인지오차를 각각 측정하기 위한 인지오차 측정수단(240) ; 상기 인지오차 측정수단(240)으로부터 측정된 다수의 인지오차들이 전송되면, 가장 적은 인지오차를 검출하여 전송될 오디오신호를 선택하기 위한 제어신호를 발생하는 오디오신호 선택제어기(250) ; 상기 오디오신호 선택제어기(250)로부터의 제어신호에 의해 제어되어 부호기들로부터 출력되는 부호화된 오디오신호들중 하나를 선택하여 전송하기 위한 오디오신호 선택전송기(260) ; 및 오디오신호 선택전송기(260)에서 출력되는 부호화된 오디오신호와 상기 오디오신호 선택제어기(250)에서 출력되는 제어신호를 다중화하여 출력하기 위한 멀티플렉서(270)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간의 청각특성에 적응적인 디지털 오디오 부호화장치.
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