CN1438767A - 利用小波包变换压缩音频信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了在MPEG1第三层(在下文中称为MP3)中使用小波包变换(WPT)的一种音频压缩方法及其***。所述方法包括：通过分析基于心理声学模型输入的音频采样计算感知能量；根据将所计算的感知能量与阈值的比较结果，选择性地确定改进DCT(MDCT)处理窗口和小波包变换(WPT)处理窗口；通过处理对应于在MDCT和WPT中所确定的窗口的范围，将所述音频采样转换为在频域上的数据；以及根据所分配的比特数量，量化在频域上的所述处理数据。

Description

利用小波包变换压缩音频信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种音频压缩***，更具体地说，涉及一种在MPEG(运动图像专家组)1第三层(在下文中称为“MP3”)中利用小波包变换(WPT)的音频压缩方法及其***。
背景技术
一般地，在MPEG标准方法中，单声道音频是以128千比特每秒的速率进行编码的，而使用叠层算法以192千比特每秒、92千比特每秒、以及64千比特每秒的速率编码立体声音频。在所述层中，第三层是公知的MP3技术。MP3技术通过添加改进的DCT(离散余弦变换)(MDCT)操作增加了频域的分辨率，并且通过考虑在所述MDCT操作中的输入特性调整窗口的尺寸使得前回声(pre-echo)和混叠(aliasing)得到补偿。
图1是示出在现有技术的MP3中的一种音频压缩方法的流程图。
首先，在步骤110中输入脉冲编码调制(PCM)型音频数据。
接着，PCM音频数据划分为每个分组(granule)576个采样。
通过添加由MPEG1第三层定义的心理声学模型到所述采样，在步骤120获得感知能量。
接着，将从所述心理声学模型获得的所述感知能量(perceptual energy)与一阈值相比较，并且根据比较结果，在步骤130利用切换窗口执行MDCT。这里，MDCT窗口的一部分或者整个MDCT窗口可以根据所述阈值来切换。即，如图2所示，如果所述感知能量高于所述阈值，则这对应于冲击状态(attackstate)信号，它的能量级(level)快速地增加，并且由此选择短窗口。如果所述感知能量低于所述阈值，则这对应于定常状态信号，并且由此选择长窗口。相应地，在相应的所选窗口范围中的音频采样受到MDCT处理并且变换为频域中的数据。在此时，使用开始窗口或者停止窗口以从长窗口切换到短窗口。另外，在MPEG1第三层中，如图3所示，将窗口的类型公开为长窗口、开始窗口、短窗口和停止窗口。另外，如图2所示，所述窗口互相层叠以防止混叠。
接着，在步骤140中，对要执行MDCT的在频域中的数据根据所分配的比特的数量进行量化。
在步骤150中，所量化的数据基于Huffman(霍夫曼)编码方法形成比特流。
由此，如图1所示，现有技术音频信号压缩方法使用MDCT窗口切换方法来压缩一种引起前回声效应的非平稳信号。然而，由于MDCT基(base)的限制，利用如图1所示的MDCT的现有技术的音频压缩方法劣化了低于128千比特每秒(例如，64比特每秒，立体声)的低比特率的声音质量。
发明内容
为解决以上问题，本发明的一个目的是提供一种音频压缩方法和装置，其中分别使用MDCT和WPT对音频数据进行自适应压缩，使得能够有效地压缩非平稳信号，同时能够有效地压缩甚至在低比特率中的音频信号。
根据本发明的一个方面，提供一种音频压缩方法，包括：通过分析基于感知模型输入的音频采样计算感知能量；根据将所计算的感知能量与阈值的比较结果，选择性地确定改进DCT(MDCT)处理窗口和小波包变换(WPT)处理窗口；通过处理对应于在MDCT和WPT中所确定的窗口的范围，将所述音频采样转换为在频域上的数据；以及根据所分配的比特数量，量化在频域上的所述处理数据。
根据本发明的另一方面，提供一种音频压缩装置，包括：滤波器库(bank)单元，通过多相位库划分正在输入的音频采样的带(band)；心理声学模型分析单元，基于心理声学模型分析来自输入音频采样的感知能量；TS(传输流)选择单元，通过比较在所述心理声学模型中所分析的感知能量与预定的阈值来选择MDCT和WPT窗口之一；以及TS处理单元，根据在所述TS选择单元中选择的MDCT和WPT窗口，对其带在所述滤波器库单元中被划分的采样执行MDCT和WPT。
                     附图说明
通过结合附图详细描述本发明的优选实例，本发明的上述目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是示出在现有技术MP3中的一种音频压缩方法；
图2是示出在频域中现有技术MDCT处理步骤的示意图；
图3示出现有技术的窗口类型；
图4是根据本发明的一种音频信号压缩***的方框图；
图5是示出根据本发明的一种音频信号压缩方法的流程图；
图6示出根据本发明的MDCT和WPT的类型；
图7是在MDCT和WPT中的窗口切换的状态图；
图8是根据本发明在频域中处理的一种WPT树形结构的图。
                      具体实施方式
图4的根据本发明的音频信号压缩***包括：滤波器库单元410、声学心理模型单元420、TS选择单元430、TS处理单元440、量化单元450、以及比特流产生单元460。
首先，在本发明中使用的小波包变换(WPT)是一种子带滤波，在其中利用小波基将信号分解为多级、并且如果级数增加则频率的分辨率就增加。另外，冲击部分的信号特性使得小波基的分析更容易了。
参见图4，滤波器库单元410利用多相位库将以分组为单位输入的PCM音频采样划分为32个带。
利用心理声学模型，声学心理模型单元获得感知能量。在人的声学特性中，存在一种遮掩(mask)效应，其中具有较高级的频率分量遮掩具有较低级的邻近频率。相应地，利用人的这个声学特性，可获得能够感知的能量级。
TS选择单元430将通过心理声学模型获得的感知能量与阈值比较以产生用于选择MDCT窗口或WPT窗口的控制信号。即，如果该感知能量的级高于所述阈值，则这对应于其能量级快速增加的冲击状态信号，并且TS选择单元430选择WPT窗口，而如果该感知能量的级低于所述阈值，则这对应于其能量级是定常的平稳状态信号，并且TS选择单元430选择MDCT窗口。
对于其带在滤波器库单元410中被划分的采样，TS处理单元440根据从TS选择单元430输出的控制信号，选择性地处理MDCT处理窗口和WPT处理窗口，并且对对应于所选相应窗口范围的采样执行MDCT处理和WPT处理。
量化单元450根据所分配的比特的数量，在频域上量化作为在TS处理单元440中受到处理的TS的音频数据。
比特流产生单元460将在量化单元450中量化的音频数据形成为比特流。
图5是示出根据本发明的一种音频信号压缩方法的流程图。
首先，在步骤510中通过滤波器库将在把每个分组分为576采样之后输入的PCM音频数据划分为32个带。
接着，在步骤520中将心理声学模型应用到所划分的采样上，以便获得感知能量。
接着，为了确定MDCT处理窗口和WPT处理窗口其中之一，在步骤530中将在心理声学模型中获得的感知能量与所述阈值比较。这里，利用小波特性类似于所述冲击状态信号的事实，将WPT窗口应用到该冲击状态信号上。
接着，如果该感知能量的级高于所述阈值，则这对应于其能量级快速地增加了的冲击状态信号，并且在步骤524中选择WPT窗口；而如果该感知能量的级低于所述阈值，则这对应于其能量级是定常的平稳状态信号，并且在步骤526中选择MDCT窗口。
接着在步骤540和550中，对应于每个所选窗口的数据受到MDCT或WPT处理，并且被转换为在频域上的音频数据。在此时，WPT经由小波滤波器分级地分析所述冲击部分的频域的采样。
接着，在步骤560中，根据所分配的比特的数目量化对其执行MDCT的在频域上的数据。
在步骤570中，利用霍夫曼编码，将所量化的数据形成为比特流。
图6示出了根据本发明的MDCT和WPT窗口的类型。
参见图6，长窗口、短窗口、以及停止窗口执行MDCT，并且WPT窗口执行WPT。以满足完美重建(PR)条件的形状形成MDCT窗口和WPT窗口。所述PR条件允许重建使得在编码中的频域数据与在解码中的频域数据相同。在此时，长窗口具有36个采样的长度并且用于平稳状态信号。开始窗口具有28个采样的长度并且用于平稳信号或者冲击信号开始的部分。具有18个采样的长度的WPT窗口是MDCT开始窗口和结束窗口的复合型窗口，并且用于冲击状态信号。停止窗口具有28个采样的长度，并且用于冲击状态信号或者平稳状态信号结束的部分。
图7是在MDCT和WPT中的窗口切换的状态图。
首先，在能量级高于阈值的部分，保持长窗口状态。如果冲击信号开始，这意味着这样一种状态，即其中能量级低于阈值的信号部分开始并且相应地长窗口状态会转变为开始窗口状态。接着，该开始窗口状态会转变为小波包窗口状态用于处理冲击信号。接着，该小波包窗口状态在其中能量级低于阈值的部分中会维持作为初始状态。在此时，如果平稳信号开始，这意味着这样一种状态，即其中能量级高于阈值的信号部分开始，并且相应地小波包窗口状态会转变为停止窗口状态(在图7中称为‘无冲击(no attack)’)。接着，该停止窗口状态会转变为长窗口状态，用于处理平稳信号(在图7中称为‘无冲击’)。
图8是根据本发明在频域中处理的一种WPT树形结构的图。
首先，通过一个18系数WPT滤波器810将在频域上的采样划分为低频区(L)采样和高频区(H)采样。
接着，通过8系数WPT滤波器820将在18系数WPT滤波器810中得到的经滤波的低频区(L)采样划分为低频区(L)采样和高频区(H)采样，而通过10系数WPT滤波器830将在18系数WPT滤波器810中得到的经滤波的高频区(H)采样划分为低频区(L)采样和高频区(H)采样。
接着，通过4系数WPT滤波器840将在8系数WPT滤波器820中得到的经滤波的低频区(L)采样划分为低频区(L)采样和高频区(H)采样，而通过4系数WPT滤波器850将在8系数WPT滤波器820中得到的经滤波的高频区(H)采样划分为低频区(L)采样和高频区(H)采样。通过4系数WPT滤波器860将在10系数WPT滤波器830中得到的经滤波的低频区(L)采样划分为低频区(L)采样和高频区(H)采样，而通过6系数WPT滤波器870将在10系数WPT滤波器830中得到的经滤波的高频区(H)采样划分为低频区(L)采样和高频区(H)采样。
接着，将在4系数WPT滤波器840至860和6系数WPT滤波器870中得到的经滤波的高频区(H)和低频区(L)采样划分为多个带。在WPT处理中将使用最终得到更精细的划分的带的采样。
如上所述，本发明通过甚至以低比特率选择性地切换MDCT窗口和WPT窗口压缩音频信号，使得非平稳信号得到有效地处理。另外，即使以低比特率，也能够应用更精细地分析音频数据的MDCT，以使得致密盘的质量在低比特率上也能够保持。另外，本发明使用具有类似于冲击状态信号的特性的WPT窗口，使得能够有效地防止前回声。

Claims (9)

1.一种音频压缩方法，包括：
通过分析基于心理声学模型输入的音频采样计算感知能量；
根据将所计算的感知能量与阈值的比较结果，选择性地确定改进DCT(MDCT)处理窗口和小波包变换(WPT)处理窗口；
通过处理对应于在MDCT和WPT中所确定的窗口的范围，将所述音频采样转换为在频域上的数据；以及
根据所分配的比特数量，量化在频域上的所述处理数据。
2.根据权利要求1所述的音频压缩方法，其中在选择性地确定时，如果所述感知能量级高于所述阈值，则选择所述WPT窗口，而如果所述感知能量级低于所述阈值，则选择所述MDCT窗口。
3.根据权利要求1所述的音频压缩方法，其中在选择性地确定时，在冲击状态信号中选择所述WPT窗口，而在平稳状态信号中选择所述MDCT窗口。
4.根据权利要求1所述的音频压缩方法，其中在所述WPT中，经由小波滤波器分级地分析在所述频域上的数据。
5.根据权利要求4所述的音频压缩方法，其中经由小波滤波器在所述频域上的数据被划分为N级高频区和低频区。
6.根据权利要求1所述的音频压缩方法，其中所述MDCT窗口和所述WPT窗口得以形成，以满足完美重建(PR)条件。
7.根据权利要求1所述的音频压缩方法，其中所述WPT窗口的确定包括：
在其中能量级高于所述阈值的信号部分维持长窗口；
如果其中能量级低于所述阈值的信号部分开始，则将所述窗口状态从开始窗口状态转变为小波包窗口状态；以及
如果在其中能量级低于所述阈值的信号部分中，能量级高于所述阈值的信号部分开始，则将所述小波包窗口状态从停止窗口状态转变为长窗口状态。
8.一种音频压缩装置，包括：
滤波器库单元，通过多相位库划分要输入的音频采样的带；
心理声学模型分析单元，基于心理声学模型分析来自所述输入音频采样的感知能量；
TS选择单元，通过比较在所述心理声学模型中所分析的感知能量与预定的阈值来选择MDCT和WPT窗口之一；以及
TS处理单元，根据在所述TS选择单元中选择的MDCT和WPT窗口，对其带在所述滤波器库单元中被划分的采样执行MDCT和WPT。
9.根据权利要求8所述的音频压缩装置，其中所述TS处理单元包括将在多个频域上的采样划分为分级频区的多个小波滤波器。
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