KR101390551B1 - 저 지연 변형된 이산 코사인 변환 방법 - Google Patents

저 지연 변형된 이산 코사인 변환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변형된 이산 코사인 변환(Modified discrete cosine transform; MDCT )과정에서 발생하는 지연을 줄이는 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 입력되는 데이터를 변형된 이산 코사인 변환(Modified discrete cosine transform; MDCT) 처리하는 방법에 있어서, 프레임이 입력되면, 입력된 프레임에 저 지연(low delay) 윈도우(window)를 사용하는 단계, 상기 프레임에 저 지연(low delay) MDCT(Modified discrete cosine transform)를 수행하는 단계, 상기 MDCT 수행된 신호에 저 지연 역 MDCT를 수행하는 단계 및 프레임 별로 과거 프레임과의 중첩 합을 수행하는 단계를 포함하되, N은 프레임 길이, x(k)는 입력 샘플, w(n)은 저 지연 윈도우, X(m)은 MDCT 계수, D는 엘리어싱(aliasing)을 제거하기 위한 위상을 나타낸다고 할 때, 상기 저 지연 MDCT는
Figure 112012077193880-pat00020
의 제1 수학식으로 나타낼 수 있으며, 상기 제1 수학식에서 상기 D를 변화시키는 방식으로 룩-어헤드(Look-ahead) 부분을 감소시킨다.

Description

저 지연 변형된 이산 코사인 변환 방법 {Method of low delay modified discrete cosine transform}
본 발명은 변형된 이산 코사인 변환(Modified discrete cosine transform; MDCT )과정에서 발생하는 지연을 줄이는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MDCT의 위상을 변형하여 MDCT와 역 MDCT과정에서 중첩 합 영역을 줄이는 방식으로 지연을 줄이는 방법에 관한 것이다.
오디오 코딩의 한 가지 목적은 가능한 한 원래의 음질을 유지하면서 원하는 한정된 정보량으로 압축하는 것이다. 인코딩 프로세스에서 시간 영역의 오디오 신호는 주파수 영역으로 변환된다.
MPEG 계층-3(MP3), MPEG-2 및 MPEG-4와 같은 지각적 오디오 코딩 기술들은 데이터량을 줄이기 위해 인간의 귀의 특성들을 차단(mask)하는 신호를 사용한다. 그와 같이 함으로써, 양자화 잡음이 우세한 전체 신호에 의해 차단되도록, 즉 양자화 잡음이 여전히 들리지 않는 방식으로 주파수 대역들에 분포된다. 오디오 품질의 지각적 손실이 거의 없거나 전혀 없이 상당한 저장 크기 축소가 가능하다. 지각적 오디오 코딩 기술들은 종종 스케일러블(scalable)하며 기본 또는 핵심 계층 및 적어도 하나의 확장 계층을 갖는 계층화된 비트 스트림을 생성한다.
이는 비트 레이트 스케일러빌러티(scalability), 즉 디코더 측에서 서로 다른 오디오 품질 레벨로의 디코딩 또는 트래픽 쉐이핑(traffic shaping)이나 컨디셔닝에 의한 네트워크에서의 비트 레이트가 감소된다.
변형된 이산 코사인 변환(Modified discrete cosine transform, MDCT)는 음성 및 오디오 부호화 기술에서 신호를 분석하기 위해 많이 사용되는 주파수 변환 방법이다. MDCT는 일반적으로 이산 퓨리에 변환(discrete fourier transform)과는 다르게 MDCT 와 역 MDCT(inverse MDCT)에 의하여 원 신호가 완벽 복원되지 않는다.
따라서 중첩 프레임에서의 중첩 합을 통하여 완벽 복원을 하는 성질을 가지며, 이러한 방법을 TDAC(time domain aliasing cancellation)라 한다. 이 과정에서 기존의 MDCT는 미래의 프레임을 사용하므로 프레임 길이 N만큼의 지연이 발생 한다. 따라서 MDCT를 사용하는 MPEG, AAC, G.729.1 등과 같은 부호화기 에서는 프레임길이 N 만큼의 지연이 발생하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, MDCT의 위상을 변형하여 MDCT와 역 MDCT 과정에서 중첩 합 영역을 줄임으로써, MDCT가 부호화기에서 사용될 때 발생하는 지연을 줄이는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력되는 데이터를 변형된 이산 코사인 변환(Modified discrete cosine transform; MDCT) 처리하는 방법에 있어서, 프레임이 입력되면, 입력된 프레임에 저 지연(low delay) 윈도우(window)를 사용하는 단계, 상기 프레임에 저 지연(low delay) MDCT(Modified discrete cosine transform)를 수행하는 단계, 상기 MDCT 수행된 신호에 저 지연 역 MDCT를 수행하는 단계 및 프레임 별로 과거 프레임과의 중첩 합을 수행하는 단계를 포함하되, N은 프레임 길이, x(k)는 입력 샘플, w(n)은 저 지연 윈도우, X(m)은 MDCT 계수, D는 엘리어싱(aliasing)을 제거하기 위한 위상을 나타낸다고 할 때, 상기 저 지연 MDCT는
Figure 112012077193880-pat00001
의 제1 수학식으로 나타낼 수 있으며, 상기 제1 수학식에서 상기 D를 변화시키는 방식으로 룩-어헤드(Look-ahead) 부분을 감소시킨다.
d는 짝수일 때, 상기 D값은
Figure 112012077193880-pat00002
의 제2 수학식으로 나타낼 수 있다.
wpw(n)은 power complementary window일 때, 상기 저 지연 윈도우는
Figure 112012077193880-pat00003
의 제3 수학식으로 나타낼 수 있다.
상기 wpw(n)은
Figure 112012077193880-pat00004
의 제4 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112012077193880-pat00005
는 복원된 신호를 나타낼 때, 상기 저 지연 역 MDCT는
Figure 112012077193880-pat00006
의 제5 수학식으로 나타낼 수 있다.
본 발명에 의하면 MDCT의 위상변화와 저 지연 윈도우를 사용하는 저 지연 MDCT 방법을 통해 기존의 MDCT에서 발생하는 프레임 길이 N만큼의 지연을 줄임으로써, 실제 음성 및 오디오 부호화기에서 낮은 지연으로 MDCT를 할 수 있는 효과가 있다. 이는 실시간 통신에 사용하는 부호화기에서 더욱 효과적으로 사용될 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 MDCT/역 MDCT 과정을 포함하는 변형된 이산 코사인 변환 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 윈도우의 프레임 적용을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 윈도우의 중첩합 영역을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 MDCT, 역 MDCT 및 중첩 합을 통해 신호가 복원되는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 기존의 MDCT와 본 발명의 저 지연 MDCT의 엘리어싱(aliasing)을 비교한 도면이다.
도 6은 기존의 MDCT와 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 MDCT의 복원된 신호의 스펙트럼을 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음성 부호화기에 적용한 저 지연 MDCT의 음질 테스트를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 기존의 MDCT(Modified discrete cosine transform)에서 발생하는 지연을 줄이는 방법으로서, 기존의MDCT의 위상을 변화시켜 룩-어헤드(Look-ahead) 부분을 줄이고, 중첩 합 영역을 줄임으로써 MDCT에서 발생하는 지연을 줄이는 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 MDCT/역 MDCT 과정을 포함하는 변형된 이산 코사인 변환(Modified discrete cosine transform; MDCT) 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에서 프레임이 입력되면(S110), 프레임에 저 지연(low delay) 윈도우(window)를 사용한다(S120).
그리고, 저 지연(low delay) MDCT(Modified discrete cosine transform)를 수행한다(S130).
그리고, 저 지연 역 MDCT를 수행한다(S140).
다음, 프레임 별로 과거 프레임과의 중첩 합을 수행한다(S150).
이러한 과정을 통해 현재 프레임이 복원된다(S160).
본 발명의 일 실시예에서 S130 단계에서 저 지연 MDCT 방법은 기존의 MDCT에서 위상을 변화시켜 중첩 합 영역을 줄임으로써 MDCT에서 발생하는 지연을 줄일 수 있으며, 다음 수학식 1과 같이 나타낸다.
Figure 112012077193880-pat00007
여기서 N은 프레임 길이, x(k)는 입력 샘플, w(n)은 저 지연 윈도우, X(m)은 MDCT 계수, D는 엘리어싱(aliasing)을 제거하기 위한 위상을 나타낸다.
종래 MDCT 방법의 경우, D값이 프레임 길이 N으로 고정되어 사용되었다. 따라서, 기존의 MDCT는 신호를 완벽하게 복원하기 위해 N 샘플의 룩-어헤드(Look-ahead)가 필요하고, 여기서 프레임 길이 N만큼의 지연이 발생한다.
본 발명에서는 D값을 변형하여 MDCT에서 발생하는 룩-어헤드 부분을 줄임으로써, 지연을 줄일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 D값은 다음 수학식2와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112012077193880-pat00008
여기서, d는 짝수이다.
다음, 본 발명의 일 실시예에서 S120 단계에서 저 지연 MDCT에서 사용하는 저 지연 윈도우에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 윈도우의 프레임 적용을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에서 저 지연 윈도우는 다음 수학식 3과 같이 정의된다.
Figure 112012077193880-pat00009
여기서, wpw(n)은 power complementary window이며, 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012077193880-pat00010
본 발명에서 저 지연 윈도우는 wpw(n)를 변형하여 만든 윈도우로서, 중첩 합 영역에 wpw(n)를 사용하고, 중첩 합이 아닌 영역은 크기가 1인 윈도우를 사용하는 방식으로 생성된다.
다음, 본 발명의 일 실시예에서 S140 단계에서 저 지연 역 MDCT에 대해 설명한다.
본 발명에서 저 지연 역 MDCT도 저 지연 MDCT와 같이 기존의 MDCT에서 위상을 변화시키는 방식으로 구할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 역 MDCT는 다음 수학식 5와 같이 나타낸다.
Figure 112012077193880-pat00011
여기서,
Figure 112012077193880-pat00012
는 복원된 신호를 나타내며, D값은 저 지연 MDCT에서 사용한 D값과 동일하다.
다음, 저 지연 MDCT에서 원 신호의 복원을 위해 사용하는 중첩 합 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 윈도우의 중첩합 영역을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 MDCT, 역 MDCT 및 중첩 합을 통해 신호가 복원되는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명에서 저 지연 MDCT와 역 MDCT 과정을 거친 최종 결과는 다음 수학식 6과 같은 대칭 특성을 갖는다.
Figure 112012077193880-pat00013
본 발명에서는 이와 같은 대칭 특성을 이용하여 도 3과 같이 프레임 별로 중첩 합을 수행하게 된다. 이러한 과정은 도 4에서 보다 상세하게 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, D값의 변화에 따라 MDCT의 룩-어헤드(Look-ahead)길이와 중첩 합 영역이 어떻게 변화하는지를 나타내고 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 저 지연 MDCT는 위상인 D값에 따라 지연을 다양하게 줄일 수 있다. 본 발명에서 D 값은 MDCT에서 사용하는 룩 어헤드(Look-ahead) 길이와 같으므로, D값이 줄게 되면 룩-어헤드(Look-ahead) 길이도 감소함을 알 수 있다. 따라서 룩-어헤드(Look-ahead)가 감소하기 때문에, 결과적으로 MDCT의 지연이 감소하게 된다.
마지막으로 본 발명에 따른 저 지연 MDCT의 성능에 대해서 설명하기로 한다.
도 5는 기존의 MDCT와 본 발명의 저 지연 MDCT의 엘리어싱(aliasing)을 비교한 도면이고, 도 6은 기존의 MDCT와 본 발명의 일 실시예에 따른 저 지연 MDCT의 복원된 신호의 스펙트럼을 비교한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음성 부호화기에 적용한 저 지연 MDCT의 음질 테스트를 나타내는 도면이다.
먼저, 저 지연 MDCT의 엘리어싱 제거 성능에 대해 설명하기로 한다. 기존의 MDCT의 경우 엘리어싱을 제거하기 위해 프레임 길이 N만큼의 룩-어헤드(Look-ahead)를 사용하여 지연이 발생한다.
도 5의 (a)는 원 신호이고, 기존의 MDCT에서 룩-어헤드(Look-ahead)의 길이를 줄였을 때 발생하는 스펙트럼 홀 부분에 엘리어싱을 도 5의 (b)에 나타내었다. 반면에 도 5 (c)에서 본 발명에 따른 저 지연 MDCT는 룩-어헤드(Look-ahead)를 줄였음에도 불구하고, 스펙트럼 홀 부분에 엘리어싱이 완벽하게 제거된 것을 볼 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서 저 지연 MDCT을 이용하여 지연을 다양하게 줄였음에도 불구하고, 신호가 완벽하게 복원되는 것을 확인할 수 있다.
마지막으로, 저 지연 MDCT를 실제 음성 부호화기에 적용하여 음질 실험을 한 결과를 도 7에서 보여주고 있다. 이때 사용한 음성 부호화기는 G.729.1 부호화기를 사용하였고, PESQ 음질 테스트로 성능을 나타내었다.
도 7을 참조하면, 기존의 N 길이 지연을 사용하는 MDCT와 본 발명의 저 지연 MDCT를 이용하여 지연을 N/2부터 N/16 까지 줄인 MDCT를 사용한 음질이 차이가 없음을 알 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (5)

  1. 입력되는 데이터를 변형된 이산 코사인 변환(Modified discrete cosine transform; MDCT) 처리하는 방법에 있어서,
    프레임이 입력되면, 입력된 프레임에 저 지연(low delay) 윈도우(window)를 사용하는 단계;
    상기 프레임에 저 지연(low delay) MDCT(Modified discrete cosine transform)를 수행하는 단계;
    상기 MDCT 수행된 신호에 저 지연 역 MDCT를 수행하는 단계; 및
    프레임 별로 과거 프레임과의 중첩 합을 수행하는 단계를 포함하되,
    N은 프레임 길이, x(k)는 입력 샘플, w(n)은 저 지연 윈도우, X(m)은 MDCT 계수, D는 엘리어싱(aliasing)을 제거하기 위한 위상을 나타낸다고 할 때, 상기 저 지연 MDCT는,
    Figure 112013112458526-pat00014

    의 제1 수학식으로 나타낼 수 있으며,
    상기 제1 수학식에서 상기 D를 변화시키는 방식으로 룩-어헤드(Look-ahead) 부분을 감소시키고,
    d는 짝수일 때,
    상기 D값은,
    Figure 112013112458526-pat00015

    의 제2 수학식으로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 변형된 이산 코사인 변환 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    wpw(n)은 power complementary window일 때,
    상기 저 지연 윈도우는,
    Figure 112013112458526-pat00016

    의 제3 수학식으로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 변형된 이산 코사인 변환 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 wpw(n)은
    Figure 112012077193880-pat00017
    의 제4 수학식으로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 변형된 이산 코사인 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    Figure 112012077193880-pat00018
    는 복원된 신호를 나타낼 때,
    상기 저 지연 역 MDCT는,
    Figure 112012077193880-pat00019

    의 제5 수학식으로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 변형된 이산 코사인 방법.
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