BRPI0014642B1 - codificação de envelope espectral usando resolução de tempo-frequência variável e mudança de tempo-frequência - Google Patents

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Abstract

"codificação de envelope espectral usando resolução de tempo-freqüência variável e mudança de tempo-freqüência". a presente invenção provê um novo método e aparelho para codificação de um envelope espectral. a invenção mostra como realizar e sinalizar de modo compacto um mapeamento de tempo-freqüência de representação de envelope, e adicionalmente codificar dados de envelope espectral usando codificação direcional de tempo-freqüência adaptativa o método é aplicável a ambos, sistema de codificação de áudio natural e sistema de codificação de voz, e sendo especialmente adequado para codificadores usando sbr [wo 98/ 57436] ou outros métodos de reconstrução de alta freqüência.

Description

"CODIFICAÇÃO DE ENVELOPE ESPECTRAL USANDO RESOLUÇÃO DE TEMPO-FREQUÊNCIA VARIÁVEL E MUDANÇA DE TEMPO-FREQUÊNCIA" Campo de invenção [001] A presente invenção se relaciona a um novo método e aparelho para codificação eficiente de envelopes espectrais em sistemas de codificação de áudio. O método pode ser usado para codificação natural de áudio e codificação de voz e sendo especialmente adequado para uso em codificadores que usam SBR (WO 98/57436) ou outros métodos de reconstrução de alta frequência.
Histórico da invenção [002] Técnicas de codificação de fontes de áudio podem ser divididas em duas classes: codificação de áudio natural e codificação de voz. A codificação de áudio natural é comumente usada para música ou sinais arbitrários em taxas de bites médias, e geralmente proporciona uma ampla largura de banda para áudio. Codificadores de voz são basicamente limitados a reprodução de voz mas podem, por outro lado, serem usados em taxas de bites muito baixas, embora em larguras de banda restritas para áudio. Em ambas as classes, o sinal geralmente é separado em dois componentes principais, "envelope espectral" e o correspondente sinal "residual". Na descrição que se segue, o termo "envelope espectral" se refere a uma distribuição espectral grosseira do sinal em senso geral, ou seja, coeficientes de filtro em um codificador baseado em predição linear ou um conjunto de médias de tempo-frequência de amostras de sub-bandas em um codificador de sub-bandas. O termo "residual" se refere a uma distribuição espectral fina em senso geral, ou seja, o sinal de erro LPC ou amostras de sub-bandas normalizadas usando as médias de tempo-frequência acima mencionadas. O termo "dados de envelope" se refere ao envelope espectral quantificado e codificado, e o termo "dados residuais" se refere ao residual quantificado e codificado. Em taxas de bites médias e altas, os dados residuais constituem a parte principal do fluxo de bites. Em taxas de bites muito baixas, os dados de envelope constituem uma grande parte do fluxo de bites. Portanto, é muito importante representar o envelope espectral de modo compacto quando se usam taxas de bites baixas.
[003] Codificadores de áudio da técnica anterior e a maior parte dos codificadores de voz usam segmentos de tempo, relativamente curtos, tendo comprimento constante para gerar dados de envelope para conseguir uma boa resolução temporal. No entanto, isto impede utilização ótima do mascaramento de domínio de frequência conhecida da psico-acústica. Para melhorar um ganho de codificação através do uso de bandas de filtro estreitas de grande inclinação, e ainda conseguir uma boa resolução temporal durante passagens de transientes, codificadores de áudio mais modernos empregam mudança de janela adaptativa, isto é, estes codificadores mudam os comprimentos dos segmentos de tempo dependendo da estatística do sinal. Claramente uma utilização mínima dos segmentos curtos é um pré-requisito para o máximo ganho de codificação. Desafortunadamente, são necessárias janelas de longa transição para alterar os comprimentos de segmento, limitando a flexibilidade de mudança.
[004] O envelope espectral é função de duas variáveis: tempo e frequência. A codificação pode ser feita explorando redundância em ambas direções no plano de tempo-frequência. Geralmente, a codificação do envelope espectral é realizada na direção da frequência, usando codificação delta (DPCM) ou quantificação de vetor (VQ).
Sumário da invenção [005] A presente invenção provê um novo método para codificação de envelope espectral. O esquema de codificação é designado para atender requisitos especiais de sistemas, onde o sinal residual dentro de certas regiões de frequência é excluído dos dados transmitidos. Exemplos são sistemas empregando HFR (Reconstrução de Alta Frequência), em particular SBR (Replicação de Banda Espectral) ou codificadores paramétricos. Em uma implementação, amostragem de tempo-frequência não-uniforme do envelope espectral é obtida agrupando adaptativamente amostras de sub-bandas a partir de um banco de filtros de tamanho fixo, em bandas de frequência e segmentos de tempo, cada um dos quais gerando uma amostra de envelope. Isto permite seleção instantânea de resolução arbitrária de tempo-frequência e nos limites do banco de filtros. O sistema omite longos segmentos de tempo e resolução de alta frequência. Nas proximidades dos transientes, são usados segmentos de tempo mais curtos, daí degraus de frequência mais largos poderão ser usados para manter o tamanho dos dados dentro de limites. Para maximizar os benefícios de usar amostragens não-uniformes no tempo, são usados comprimentos variáveis de quadros de fluxo de bites ou grânulos. O método de resolução de tempo-frequência variável também se aplica à codificação de envelope com base em predição. Ao invés de agrupar amostras de sub-bandas, coeficientes de previsão são gerados por segmentos de tempo de comprimento variável de acordo com o sistema.
[006] A invenção descreve dois esquemas para sinalizar resolução de tempo-frequência usada. O primeiro esquema permite seleção arbitrária através de sinalização explicita das bordas de segmento de tempo e resoluções de frequência. Para reduzir sobre-sinalização, utilizam-se quatro classes de grânulos, proporcionando diferentes compromissos de custo/flexibilidade. O segundo esquema explora as propriedades de um material de programa típico, onde os transientes são separados pelo menos de um tempo Tnmin para reduzir adicionalmente o número de bites de controle. Daí, um detector de transiente no codificador, operando em um intervalo de tempo Tdet- Tnmin igual ao comprimento de grânulo nominal, determina a posição da fixação de um possível transiente. A posição no intervalo é codificada e enviada ao decodificador. Os codificador e decodificador compartilham regras que especificam a distribuição de tempo-frequência das amostras de envelope espectral, dada uma certa combinação dos subsequentes sinais de controle, garantindo decodificação sem ambiguidade dos dados de envelope.
[007] A presente invenção apresenta um novo e eficiente método para codificação de redundância de fator de escala. Um pulso Dirac no domínio de tempo transforma para uma constante no domínio de frequência, e um Dirac no domínio de frequência, isto é, uma única senoidal corresponde a um sinal de magnitude constante no domínio de tempo. De forma simplificada e reduzida, o sinal mostra menos variações em um domínio que em outro. Daí, usando codificação de predição ou delta, a eficiência de codificação poderá ser aumentada se o envelope espectral for codificado quer na direção de tempo ou na direção de frequência dependendo das características do sinal.
Descrição Resumida dos Desenhos [008] A presente invenção será agora descrita por meio de exemplos ilustrativos, que, no entanto, não pretendem limitar o escopo ou espirito da invenção, com referência aos desenhos em anexo, nos quais: [009] Figuras la e lb ilustram amostragem em tempo uniforme em relação a não-uniforme do envelope espectral;
[0010] Figuras 2a e 2b definem e ilustram utilização de quatro classes de grânulos;
[0011] Figuras 3a e 3b são dois exemplos de grânulos e correspondendo a sinais de controle;
[0012] Figuras 4a, e 4b ilustram um sistema de sinalização de posição;
[0013] Figura 5 ilustra codificação delta com mudança de tempo-frequência;
[0014] Figura 6 é um diagrama de blocos de um codificador usando codificação de envelope, de acordo com a invenção;
[0015] Figura 7 é um diagrama de blocos de um decodificador usando codificação de envelope, de acordo com a invenção.
Descrição das Configurações Preferidas [0016] As configurações a serem descritas são meramente ilustrativas dos princípios da presente invenção para uma eficiente codificação de envelope. Deve ser entendido que modificações e variações dos arranjos e detalhes descritos aqui deverão ser aparentes àqueles habilitados na técnica. Com este propósito, por conseguinte, a presente invenção será limitada apenas pelo escopo das reivindicações da invenção e não por detalhes específicos apresentados na descrição e explicação das configurações contidas aqui.
Geração de Dados de Envelope [0017] A maior parte dos codificadores de áudio e voz tem em comum o fato de ambos dados espectrais e dados residuais serem transmitidos e combinados durante sintese em decodificador. Encontram-se duas exceções que são os codificadores que empregam PNS ("Improving Audio Codecs By Noise Substitution" D.Schultz, JAES vol.44 n° 7/8, 1996) e codificadores empregando SBR. No caso de SBR, considerando banda alta, somente a estrutura grosseira espectral precisa ser transmitida, uma vez que um sinal residual é reconstruído a partir da banda baixa. Isto implica em maior demanda para gerar dados de envelope, em particular devido à falta de informação de "sincronismo" contido no sinal residual original. Este problema será agora demonstrado através de exemplo.
[0018] A figura 1 mostra representação de tempo-frequência de um sinal musical onde acordes sustenidos são combinados com transientes agudos principalmente de alta frequência. Na banda baixa, os acordes têm alta potência e a potência do transiente é baixa, enquanto que ocorre o contrário na banda alta. Os dados de envelope gerados em intervalos de tempo onde se encontram transientes são dominados pela alta potência de transiente intermitente. Em processos SBR no decodificador, o envelope espectral do sinal transposto é estimado usando a mesma resolução instantânea de tempo-frequência que a usada para análise da banda alta original. Uma equalização do sinal transposto então é realizada, com base nas dissimilaridades nos envelopes espectrais. Ou seja, fatores de simplificação em um banco de filtro de ajuste de envelope são calculados como raiz quadrada dos quocientes entre potência média de sinal original e sinal transposto. Para este tipo de sinal, surge um problema: o sinal transposto tem uma razão de potência de "acorde em relação a transiente" igual à razão de banda baixa. Os ganhos necessários ajustar os transientes transpostos para o nivel correto, portanto fazem com que acordes transpostos sejam amplificados para o nivel da banda alta original durante toda a duração de dados de envelope contendo energia de transiente. Estes fragmentos de acorde momentaneamente muito altos são percebidos como ecos anteriores e posteriores de transiente, como mostrado na figura la. Este tipo de distorção será denominado aqui "ecos anteriores e posteriores de ganho induzido". O fenômeno pode ser eliminado atualizando constantemente os dados de envelope em uma tal razão alta que o tempo entre uma atualização de transiente e um transiente arbitrariamente localizado seja curto o suficiente para não ser percebido por audição humana. No entanto, esta solução aumenta drasticamente a quantidade de dados a serem transmitidos e, portanto não é viável.
[0019] Por conseguinte, provê-se um novo esquema de geração de dados de envelope. A solução é manter uma taxa baixa de atualização durante passagens tonais, que compõem a maior parte de um material de programa tipico, e por meio de um detector de transiente localizar as posições de transiente, e atualizar os dados de envelope próximos às bordas frontais, como mostrado na figura lb. Isto elimina ecos anteriores de ganho induzido. Para bem representar um decaimento de transientes, a taxa de atualização deve ser momentaneamente aumentada no intervalo de tempo após o inicio do transiente. Isto elimina ecos posteriores de ganho induzido. A segmentação de tempo durante decaimento não é tão crucial como encontrar o inicio do transiente, como será oportunamente mostrado. Para compensar menores degraus de tempo, degraus de frequência maior podem ser usados durante o transiente, mantendo o tamanho dos dados dentro dos limites. Uma amostragem não uniforme em tempo-frequência como ressaltado acima é aplicável a ambas codificações de envelope com base em codificação linear com base em banco de filtros e predição linear. Diferentes ordens de um dispositivo de predição poderão ser usadas para segmentos de transientes e quase estacionárias (tonais).
[0020] No caso de codificadores com base em predição, nenhum esquema de mudança de resolução de tempo-frequência elaborado é conhecido na técnica anterior. No entanto, alguns codificadores com base em banco de filtros empregam resolução de tempo-frequência variável. Isto é comumente conseguido através da mudança do tamanho do banco de filtros. Tal mudança em tamanho não poderá ocorrer imediatamente, sendo requeridas as chamadas "janelas de transição", e assim os pontos de atualização não podem ser escolhidos livremente. Quando se usa SBR ou um outro método HFR, o objetivo é diferente -um banco de filtros poderá ser designado para atender a ambas, resolução de tempo mais alta e resolução de frequência mais alta, que são necessárias para extrair uma representação de envelope adequada. Assim, a amostra de tempo-frequência não uniforme do envelope espectral, poderá ser obtida por agrupamento adaptativo de amostras de sub-bandas a partir de um banco de filtros de tamanho fixo, em "bandas de frequência" e "segmentos de tempo". Uma amostra de envelope então poderá ser calculada por banda e segmento. Na descrição abaixo, "resolução de frequência" se refere a um conjunto especifico de bandas de frequência, coeficientes LPC ou similares, usadas na estimativa de envelope para um particular segmento de tempo. Em outras palavras, a partir da perspectiva de codificação de envelope, uma resolução de alta frequência ou uma resolução de tempo estendido poderá ser obtida instantaneamente.
[0021] A partir de um ponto de vista sintático, todos fluxos de bites de codificadores práticos compreendem periodos de tempo, cada um dos quais correspondendo a um segmento de tempo curto do sinal de entrada. O segmento de tempo associado a tais periodos de tempo, daqui por diante será chamado de "grânulo". Codificadores típicos usam grânulos de comprimento fixo. A presença de limites para grânulos impõe constrangimentos ao projeto dos segmentos de tempo usados para estimativa de envelope. O algoritmo que gera estes segmentos de tempo deve estabelecer que a "borda" do segmento é requerida em uma posição particular, e que o segmento subsequente deverá ter certo comprimento. No entanto, se a borda do grânulo ficar dentro deste intervalo devido aos grânulos de comprimento fixo, o segmento deve ser dividido em duas partes. Isto tem duas implicações: em primeiro lugar, o número de segmentos para codificar aumenta, possivelmente aumentando a quantidade de dados a serem transmitidos; em segundo lugar, bordas forçadas podem gerar segmentos muito curtos para confiavelmente determinar a média das estimativas de potência. Para evitar tais problemas, a presente invenção utiliza grânulos de comprimento variável. Isto requer fazer pesquisa avançada no codificador, assim como prover um buffer adicional para o decodificador.
[0022] Aqui, se usa o termo "grade" para indicar segmentos de tempo e as correspondentes resoluções de frequência para uso em um sinal particular, e o termo "grade local" para indicar a grade de um grânulo. Claramente, a grade deve ser sinalizada ao decodificador para decodificação correta das amostras de envelope. No entanto, em aplicações de baixa taxa de bites o número de bites para este "sinal de controle" deve ser mantido no minimo. Dois esquemas de sinalização são propostos na presente invenção. Antes de descrevê-los em detalhes, um "sistema de linha base" e alguns critérios de projeto serão estabelecidos.
[0023] A etapa de quantificação para envelope espectral será chamada aqui de Tq. Estas etapas que podem ser vistas como "sub-grânulos", são agrupadas nos segmentos de tempo acima mencionados. Em um caso geral, um grânulo compreende de S sub-grânulos, onde S varia de grânulo a grânulo. O número de combinações possíveis de segmento dentro de um grânulo varia de um segmento para todo o grânulo a S segmentos, que é dado por: (equação 1) Para sinalizar estados C, ceil (ln2(C)= ceil (ln2 (25) ) =S bites são requeridos, correspondendo a um bit por sub-grânulo.
[0024] Uma subdivisão arbitrária do grânulo poderá ser sinalizada por S-l bites, representando sub-grânulos consecutivos, estabelecendo se uma borda de segmento frontal está presente ou não no correspondente sub-grânulo. (A primeira e a última borda do grânulo aqui não precisa ser sinalizada). Uma vez S sendo variável, este deverá ser sinalizado, e se este esquema for combinado com um codificador de grânulo de comprimento fixo, a posição relativa dos grânulos de comprimento constante também deverá ser sinalizada. As resoluções de frequência de segmento podem ser sinalizadas com bites de controle alocados dinamicamente, ou seja, um bit por segmento. Claramente, tal método direto pode implicar em um número inaceitavelmente alto de bites de sinal de controle.
[0025] Como se mostra a seguir, muitos dos estados descritos pela equação 1 não são muito prováveis, e também gerariam grandes quantidades de dados de envelope para serem práticos em uma taxa de bites limitada.
[0026] O período de tempo mínimo entre transientes consecutivos em um material de programa musical pode ser estimado da seguinte forma: em notação musical, o "pulso" de ritmo é descrito pela marcação de tempo, expressa como fração A/B, onde A indica o número de "batidas" por compasso e 1/B é o tipo de nota que corresponde a uma batida, comumente chamada de "quarta-nota". O símbolo t indica o tempo em batidas por minuto (BPM). O tempo por nota do tipo L/C então é dado por: (equação 2) [0027] A maioria das peças musicais, na faixa 70-160 BPM e na marcação de tempo 4/4 os arranjos rítmicos mais rápidos, se destina para os casos mais práticos compostos de notas 1/32. Isto produz um tempo mínimo: [0028] Certamente períodos de tempo menores podem ocorrer, mas tais sequências rápidas (mais que 21 eventos por segundo) quase alcançam um caráter de sussurro e não precisam ser inteiramente resolvidas.
[0029] A resolução de tempo necessária Tq também deve ser estabelecida. Em alguns casos, um sinal de transiente tem sua energia principal na banda alta a ser reconstruída. Isto significa que o envelope espectral codificado deve conter todas as informações de "sincronismo". A precisão de sincronismo desejada assim determina a resolução necessária para codificar as bordas frontais. Tq é muito menor que o período de nota mínimo Tnmin, uma vez que pequenos desvios de tempo dentro do período claramente poderão ser ouvidos. No entanto, na maior parte dos casos, o transiente tem uma significativa energia na banda baixa. Os ecos anteriores de ganho induzido, acima descritos, devem cair dentro dos assim chamados tempos de mascaramento anteriores ou posteriores Tm do sistema de audição humano para serem inaudíveis.
[0030] Por conseguinte, Tq deverá satisfazer duas condições: (equação 3) (equação 4) [0031] Obviamente, Tm< Tnmin (caso contrário, as notas seriam tão rápidas que não poderíam ser resolvidas) e de acordo com ["Modeling the Additivity of Nonsimultaneous Masking", Hearing Res, v.80, p.105-118 (1994)], Tm será 10-20 ms. Uma vez que Tnm±n se encontra na faixa de 50 ms, uma seleção razoável de Tq de acordo com equação 3 resulta também atendida a segunda condição. Certamente, a precisão de detecção do transiente no codificador e a resolução de tempo no banco de filtros de análise/ síntese também deverá ser considerada ao selecionar Tq.
[0032] Acompanhar flancos móveis é menos crucial, por muitas razões: em primeiro lugar, a posição sem-nota tem pouca ou nenhuma influência sobre o ritmo percebido; em segundo lugar, a maior parte dos instrumentos não apresenta flancos móveis agudos, mas ao invés, uma curva de decaimento suave, isto é, não ocorre um tempo sem-nota bem definido; em terceiro lugar, o tempo de mascaramento anterior ou posterior será substancialmente mais longo que o tempo de pré-mascaramento.
[0033] Para resumir, a simplificação a seguir pode ser feita com pouco ou nenhum sacrifício de qualidade para sinais na prática: 1- somente a posição de início de transiente precisa ser transmitida com maior precisão Tq; 2- somente transientes separados de Tp>>Tq precisam ser completamente resolvidos nos dados de envelope.
[0034] Para reduzir a sobre-sinalização, ambos sistemas, de acordo com a presente invenção, empregam dois modos de amostragem a saber amostragem uniforme e não-uniforme em tempo. O modo uniforme é usado em passagens quase-estacionárias, daí sendo usados segmentos de comprimento fixo e pouca sinalização adicional será requerida.
Nas proximidades dos transientes, o sistema muda para operação não uniforme e grânulos de comprimento variável são usados, permitindo uma boa adequação à grade global ideal. Sistema de Sinalização de Classe [0035] No primeiro sistema os grânulos são divididos em quatro classes, e os sinais de controle são ajustados de acordo com as necessidades especificas de cada classe. As classes estão definidas na figura 2a. A classe "FixFix" corresponde a grânulos convencionais de comprimento constante. A classe "FixVar" tem o limite de término móvel, que permite ao comprimento do grânulo variar. A classe "Varfix" tem o limite de inicio variável, enquanto o limite de término é fixo. A última classe "VarVar" tem ambos limites variáveis. Todos os limites variáveis podem ser deslocados de -a/+b em relação às "posições nominais".
[0036] A figura 2b dá um exemplo de uma sequência de grânulos. O sistema omite a classe FixFix. Um detector de transiente (ou modelo psico-acústico) opera em uma região de tempo à frente do grânulo corrente, como ressaltado na figura. Quando se detecta um transiente, utiliza-se um grânulo FixVar- e o sistema passa de operação uniforme para não-uniforme. Tipicamente, a este grânulo se segue um grânulo da classe VarFix, uma vez que os transientes na maior parte do tempo são separados por um número de grânulos para todas as seleções práticas de comprimentos de grânulos. No caso de transientes em quadros consecutivos, podem ser usados quadros da classe VarVar.
[0037] A figura 3a é um exemplo de um par de classes FixVar VarFix, e do correspondente sinal de controle. Um transiente está presente e o flanco frontal (quantificado em Tq) é indicado por i. A primeira parte do fluxo de bites é o sinal de "classe". Uma vez usadas quatro classes, dois bites então serão usados para este sinal. No caso de classes FixVar ou VarFix, o próximo sinal descreve a localização do limite variável, expresso como desvio em relação à posição nominal. Este limite é chamado de "borda absoluta". As bordas de segmento dentro dos grânulos são descritas por meio de "bordas relativas". A borda absoluta é usada como referência, e as demais bordas são descritas como distâncias acumulativas em relação à referência. O número de bordas relativas é variável e sinalizada ao decodificador, depois da borda absoluta. Um número zero significa que o grânulo compreende somente um segmento de tempo. Assim, no caso de classe FixVar, os comprimentos de segmentos são sinalizados em uma sequência inversa, afastando-se da borda absoluta na extremidade do grânulo. O comprimento do primeiro segmento em um grânulo FixVar resulta das bordas absolutas e do comprimento total, e não sendo sinalizado. Sinais de borda relativa à classe VarFix são inseridos no fluxo de bites em sequência direta, onde o último comprimento de segmento é excluído. A ordem de sinal de fluxo de bites é idêntica àquela da classe FixVar, ou seja: [classe, borda absoluta, número de bordas relativas, borda relativa 0, borda relativa 1, .... , borda relativa N-l] . Nas figuras, os sinais são mostrados em "texto claro" ao invés de palavras efetivas em código binário enviadas no fluxo de bites.
[0038] A figura 3b mostra codificação alternativa do sinal. Os limites variáveis proporcionam versatilidade quando agrupando os segmentos em uma dada grade global. Assim algum controle de serviço pago poderá ser realizado neste nível, ou seja, para equalizar o número de bites por grânulo. Isto poderá facilitar operação do codificador de banda baixa. Pesquisando com suficiente avanço, uma codificação de múltiplas passagens poderá ser realizada, e uma combinação ótima de grades locais poderá ser usada.
[0039] Para reduzir o conjunto de símbolos para sinalizar as bordas relativas, e daí o número de bites por símbolo, estes comprimentos podem ser quantificados em múltiplos inteiros (>1) de Tq, se a borda absoluta tiver precisão Tq. Neste caso, a borda absoluta em adição às funções acima, serve para alinhar um grupo de bordas em torno do transiente com precisão Tq. Em outras palavras, a precisão mais alta será sempre disponível para codificar flancos frontais do transiente, e uma resolução mais grosseira poderá ser usada para acompanhar decaimento.
[0040] Os quadros de classe VarVar usam uma combinação de sinalização FixVar e VarFix, ou seja, intercalados: [classe, borda absoluta esquerda, d:o direita; número de bordas relativas esquerdas, d: o direita [borda relativa esquerda 0,....,.borda relativa esquerda N-l], [d: o direita]]. Esta classe proporciona maior flexibilidade na seleção de grade local, ao custo de uma maior sobre-sinalização. Finalmente, a classe FixFix não requer outros sinais senão o sinal de classe per se, onde por exemplo dois segmentos (de mesmo comprimento) são usados. No entanto, é viável adicionar um sinal que permita seleção dentro de um conjunto de grades pré-definidas. Por exemplo, o envelope espectral poderá ser calculado para dois segmentos, e se os dois envelopes não se diferenciarem além de uma certa quantidade, somente um conjunto de dados de envelope será enviado.
[0041] Até aqui, somente a segmentação em tempo foi descrita. Por diversas razões, pode ser desejável sinalizar ao decodificador quais das bordas correspondem a uma borda frontal de transiente. Isto pode ser realizado enviando um "apontador" que aponta a borda relevante. A direção de referência pode seguir a borda relativa, e um valor zero implica que nenhum inicio de transiente está presente no grânulo corrente. Ademais, a resolução de frequência (número de estimativas de potência ou de ordem de predição) usada em segmentos individuais também deve ser definida. Isto pode ser sinalizada explicitamente como em "sistemas de linha base" ou implicitamente, isto é, a resolução é acoplada aos comprimentos de segmento e possivelmente às posições de apontador.
[0042] Quando se usam canais de transmissão propensos a erro, é importante evitar propagação do erro. No sistema acima, a grade local será totalmente descrita pelo sinal de controle do grânulo correspondente. Portanto, não há nenhuma dependência interquadros no sinal de controle. Isto significa que os limites do grânulo são "sobre-codifiçados", uma vez que as interseções de grânulo são sinalizadas em ambos grânulos consecutivos. Esta redundância poderá ser usada para detecção de erro simples- se as bordas não se ajustarem, um erro de transmissão terá ocorrido, e o ocultamento de erro será ativado.
Sistema de Sinalização de Posição [0043] O segundo sistema, daqui por diante chamado de "sistema de sinalização de posição", se destina a aplicações em taxas de bites muito baixas. As regras de projeto previamente estabelecidas são usadas em grande extensão, para adicionalmente reduzir o número de bites de sinal de controle. De acordo com a presente invenção, a informação de inicio de transiente pode ser usada para sinalização implícita de bordas de segmento e resoluções de frequência nas proximidades dos transientes. Isto será descrito, assumindo que um tamanho de grânulo nominal de N sub-grânulos selecionados de acordo com NTq^ Tnmin, isto é, máximo de um transiente provavelmente ocorre dentro de um grânulo, ver figura 4a, onde N= 8. Um detector de transiente é empregado operando em intervalos de comprimento N, localizado N/2 à frente do grânulo corrente, figura 4b. Quando um transiente for detectado, um marcador associado a esta região será estabelecido. No exemplo, o detector de transiente detectou um transiente no sub-grânulo 2 no momento n-1 e um transiente no sub-grânulo 3 no momento n. Estas posições, pos(n-1) e pos{n) assim como as correspondentes marcações, marcação(n-1) e marcação(n), são usadas como entrada para o algoritmo de geração de grade, e a correspondente grade local para grânulo n poderia estar na forma mostrada na figura 4c. Como se pode ver na figura, o sub-grânulo 3 do grânulo no momento n-1 está incluído na grade de tempo-frequência do grânulo n. Os únicos sinais transmitidos ao fluxo de bites, são marcação(η) [1 bit], e pos (n) [ ceil (1η2 (N) ) bites]. O algoritmo de grade também é conhecido pelo decodificador, daí estes sinais, juntos com os correspondentes sinais de grânulo precedentes n-1, são suficientes para reconstrução não-ambígua da grade usada pelo codificador. Quando nenhum transiente for detectado, o sinal de posição será obsoleto, e poderá ser substituído, por exemplo, por um 1 sinal de bit, estabelecendo se são usados um ou dois segmentos. Assim, a operação no modo uniforme será idêntica àquela do sistema de sinalização de classe.
[0044] Este sistema pode ser visto como uma máquina de estado finito, onde os sinais acima descritos controlam as transições de estado para estado, e os estados definem as grades locais. Claramente, os estados podem ser representados por tabelas, armazenados em ambos codificador e decodificador. Uma vez que a grade é codificada rigidamente, a capacidade de adaptativamente alterar serviço pago será sacrificada. Uma solução razoável é manter o tamanho da matriz de dados tempo-frequência (ou seja, número de estimativas de potência) aproximadamente constante. Assumindo que o número de fatores de escala ou coeficientes em um segmento de alta resolução seja duas vezes aquele de um segmento de baixa resolução, um segmento de alta resolução poderá ser substituído por dois segmentos de baixa resolução. Codificação de fator de escala com mudança de tempo-frequência [0045] Utilizando uma transformação de tempo-frequência, pode ser mostrado que um pulso no domínio de tempo corresponde a um espectro plano no domínio de frequência e a um "pulso" no domínio de frequência, isto é, uma única senoidal, corresponde a um sinal quase-estacionário no domínio de tempo. Em outras palavras, um sinal usualmente mostra mais propriedades de transiente em um domínio que em outro. Em um espectrograma, isto é, em uma representação da matriz de tempo-frequência, esta propriedade fica evidente, e pode vantajosamente ser usada quando se codifica envelopes espectrais.
[0046] Um sinal estacionário tonal pode ter um espectro muito difuso não adequado para codificação delta na direção de frequência, mas muito adequado para codificação delta na direção de tempo, e vice-versa. Isto está mostrado na figura 5. Na descrição que segue, um vetor de fatores de escala calculado no momento nG representa o envelope espectral: (equação 5) onde al...an são valores de amplitude para diferentes frequências. Prática comum é codificar a diferença entre valores adjacentes na direção de frequência em um dado tempo, que resulta: (equação 6) [0047] Para ser capaz de decodificar o mesmo, o valor de inicio al precisa ser transmitido. Como estabelecido acima, este esquema de codificação delta pode se mostrar o mais ineficiente se o espectro somente conter poucos tons estacionários. Isto pode resultar em uma codificação delta que produz uma taxa de bites mais alta que a codificação PCM usual. Para administrar este problema, será proposto um método de mudança de tempo-frequência, daqui por diante chamada codificação T/F. Os fatores de escala são quantificados e codificados em ambas direções, direção de tempo e direção de frequência. Para ambos os casos, o número requerido de bites será calculado para um dado erro de codificação, ou o erro será calculado para um dado membro de bites. Com base neste fato, a direção de codificação mais vantajosa será selecionada.
[0048] Como exemplo, codificação de redundância DPCM e Huffman poderá ser usada. Dois vetores são calculados Df e D±, (equação 7) (equação 8) [0049] As correspondentes tabelas de Huffmann, uma para direção de frequência e outra para direção de tempo, estabelecem o número de bites requeridos para codificar os vetores. O vetor codificado requerendo o número minimo de bites para codificação representa a direção de codificação preferível. As tabelas podem inicialmente ser geradas usando alguma distância mínima como critério de mudança de tempo-frequência.
[0050] Valores de início são transmitidos sempre que o envelope espectral é codificado na direção de frequência mas não quando este for codificado na direção de tempo, uma vez que as mesmas se encontram disponíveis no decodificador, através do envelope anterior. O algoritmo proposto também requer uma informação extra a ser transmitida, nomeadamente, um marcador de tempo-frequência indicando em qual direção o envelope espectral foi codificado. O algoritmo T/F pode vantajosamente ser usado com diversos diferentes esquemas de codificação da representação de envelope de fator de escala distintos de DCPM e Huffman, tal como ADPCM, LPC e quantificação de vetor. O algoritmo T/F proposto resulta em uma significativa redução da taxa de bites para os dados de envelope espectral.
Implementações Práticas [0051] Um exemplo de lado de codificador da invenção está mostrado na figura 6. O sinal de entrada analógico é alimentado para um conversor A/D 601 provendo um sinal digital. O sinal de áudio digital é alimentado para codificador de áudio perceptivo 602, onde se realiza uma codificação fonte. Em adição, o sinal digital é alimentado para um detector de transiente 603 e para um banco de filtros de análise 604, que divide o sinal em seus equivalentes espectrais (sinais de sub-bandas). O detector de transiente poderia operar nos sinais de sub-bandas a partir do banco de análise, mas aqui com propósito geral, assume-se que opera diretamente amostras de dominio de tempo digital. O detector de transiente divide o sinal em grânulos e determina de acordo com a invenção se sub grânulos dentro dos grânulos devem ser marcados como transiente. Esta informação é enviada ao bloco de agrupamento de envelope 605, que especifica a grade de tempo-frequência a ser usada para o grânulo corrente. De acordo com a grade, o bloco combina os sinais de sub-bandas amostradas uniformes para formar valores de envelope amostrados não-uniformes. Por exemplo, estes valores podem representar a densidade de potência média das amostras de sub-bandas agrupadas. Os valores de envelope são, juntos com a informação de agrupamento, alimentados para o bloco codificador de envelope 606. Este bloco decide em qual direção (tempo ou frequência) os valores de envelope devem ser codificados. Os sinais resultantes, a saida do codificador de áudio, a informação de envelope de banda larga, e os sinais de controle são alimentados para o multiplexador 607, formando um fluxo de bites serial a ser transmitido ou armazenado.
[0052] O lado de decodificador da invenção está mostrado na figura 7, usando transposição SBR de um exemplo de geração do sinal residual perdido. O desmultiplexador 701 recupera os sinais e alimenta a parte apropriada para um decodificador de áudio 7 02, que produz um sinal de áudio digital de banda baixa. A informação de envelope é alimentada a partir do desmultiplexador para um bloco de decodificação de envelope 703, que usando dados de controle determina em qual direção o envelope correspondente deve ser codificado e decodifica os dados. O sinal de banda baixa a partir do decodificador de áudio é roteado para o módulo de transposição 7 04, que gera um sinal de banda alta replicado a partir da banda baixa. O sinal de banda alta é alimentado para um banco de filtros de análise 70 6 que é do mesmo tipo que do lado codificador. Os sinais de sub-banda são alimentados para a unidade de agrupamento de fator de escala 707. Usando dados de controle a partir do desmultiplexador, o mesmo tipo de combinação e distribuição de tempo-frequência de amostras de sub-bandas é adotado como no lado codificador. A informação de envelope a partir do desmultiplexador e a informação a partir da unidade de agrupamento de fator de escala são processadas no módulo de controle de ganho 708. O módulo computa os fatores de ganho a serem aplicados às amostras de sub-bandas antes da recombinação no bloco de banco de filtros de sintese 709. A saida do banco de filtros de sintese se trata assim de um sinal de áudio de banda alta ajustado ao envelope. Este sinal é adicionado à saida a partir da unidade de atraso 705, que é alimentado para o sinal de áudio de banda baixa. O atraso compensa tempo de processamento do sinal de banda alta. Finalmente, o sinal digital de banda larga resultante é convertido em sinal analógico de áudio no conversor digital/ analógico 710.

Claims (16)

1- Método de codificação de envelope espectral em um sistema de codificação fonte, tal sistema compreendendo um codificador representando todas as operações realizadas antes de armazenamento ou transmissão, e um decodificador representando todas as operações realizadas depois do armazenamento ou transmissão, e onde um sinal residual correspondente a certas regiões de frequência é excluido dos dados armazenados ou transmitidos e um novo sinal residual sendo resintetizado no citado decodificador (703), uma análise estatística sendo realizada de um sinal de entrada no codificador e baseado no resultado da citada análise estatística, uma grade de tempo-frequência instantânea é selecionada para ser usada para uma representação do envelope espectral, citada grade de tempo-frequência instantânea sendo usada para gerar dados de envelope para a citada representação de envelope espectral, caracterizado pelo fato de: obter os referidos dados de envelope os quais consistem em amostras de tempo-frequência não uniformes do envelope espectral, cada amostra sendo obtida pelo agrupamento adaptativo em bandas de frequência e segmentos de tempo de amostras de sub-bandas a partir de um banco de filtros de tamanho fixo, sendo uma amostra calculada por banda e segmento; calcular um fator de escala para cada um dos elementos agrupados em bandas e segmentos, citado dados de envelope sendo transmitido junto com um sinal de controle descrevendo citada grade de tempo- frequência e, realizar no decodificador a reconstrução de um sinal de saída utilizando citado sinal de controle e citado dados de envelope.
2- Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a citada representação de tempo-frequência ser gerada por um banco de filtros.
3- Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o citado banco de filtros ser de tamanho fixo invariável no tempo.
4- Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a citada análise estatística empregar um detector de transiente.
5- Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a citada grade de tempo-frequência instantânea sofrer mudança a partir de uma combinação "default" de resolução de frequência mais alta e resolução de tempo mais baixa para uma combinação de resolução de frequência mais baixa e resolução de tempo mais alta no estabelecimento de transiente.
6- Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de o citado sinal de controle descrever posições dentro de um grânulo com taxa de atualização constante, geradas pela citada análise estatística, e a citada grade de tempo-frequência instantânea ser escolhida com base em posições dentro de grânulos correntes e próximos, usando regras disponíveis a ambos, os citados codificador e decodificador.
7- Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de não mais que uma das citadas posições ser sinalizada por grânulo.
8- Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de serem usados grânulos de comprimento variável.
9- Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de serem usadas quatro classes de grânulos, sendo que : a primeira classe tem limites de grânulos com posição fixa, e comprimento L; a segunda classe tem um limite de inicio com posição fixa e um limite de término com posição variável; a terceira classe tem um limite de inicio com posição variável e um limite de término com posição fixa; a quarta classe tem limites de inicio e término variáveis, e as citadas posições fixas coincidem com posições de referência, separadas de uma distância L, e as citadas posições variáveis podendo ser deslocadas de [-a, b] em relação às citadas posições de referência.
10- Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de os citados fatores de escala serem codificados em ambas direções de tempo e frequência, a direção momentaneamente mais vantajosa ser determinada, e a citada direção mais vantajosa ser usada para a citada transmissão.
11- Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de ser escolhida a direção que gerar o menor erro de codificação para um dado número de bites.
12- Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de ser escolhida a direção que gerar o menor número de bites para um dado erro de codificação.
13- Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pelo fato de codificação sem perda ser empregada e serem usadas tabelas separadas para as citadas direções de tempo e frequência, em particular, onde as citadas tabelas são usadas para selecionar a direção de codificação.
14- Aparelho para codificar um envelope espectral de um sinal a ser decodificado por um decodificador, onde um sinal residual correspondente a certas regiões de frequências é excluído dos dados armazenados ou transmitidos, sendo usados meios para realizar uma análise estatística de um sinal de entrada, sendo usados meios para selecionar uma grade de tempo-frequência instantânea a ser usada para uma representação de envelope espectral do citado sinal de entrada com base no resultado da citada análise estatística, caracterizado pelo fato de compreender: meios para gerar dados de envelope representando citado envelope espectral usando citada grade de tempo-frequência instantânea, os referidos dados de envelope consistindo em amostras de tempo-frequência não uniformes do envelope espectral, cada amostra sendo obtida por agrupamento adaptativo em bandas de frequência e segmentos de tempo de amostras de sub-bandas a partir de um banco de filtros de tamanho fixo, sendo uma amostra calculada por banda e segmento, meios para calcular um fator de escala para cada um dos citados elementos agrupados de bandas e segmentos, meios para transmissão dos citados dados de envelope junto com um sinal de controle, descrevendo citada grade de tempo-frequência instantânea.
15- Aparelho para decodificação de envelope espectral de um sinal codificado, codificado por um codificador, o sinal codificado incluindo uma versão codificada de fonte de um sinal original, o sinal original tendo uma largura de banda incluindo certas regiões de frequência, a versão codificada de fonte tendo uma largura não incluindo certas regiões de frequência, o sinal codificado incluindo dados de uma representação de envelope espectral grosseira para certas regiões de frequência, os dados na representação de envelope espectral grosseira representando o envelope espectral com uma resolução de tempo variável ou uma resolução de frequência variável, o sinal codificado contendo um sinal de controle indicando a resolução de tempo variável ou a resolução de frequência variável, o sinal codificado de fonte resultando, após a decodificação de fonte (702), em uma versão decodificada do sinal original, a versão decodificada do sinal original tendo uma largura de banda não incluindo certas regiões de frequência, caracterizado pelo fato de compreender: um meio para interpretar um sinal de controle a fim de determinar a resolução de tempo variável ou a resolução de frequência variável da grade de tempo-frequência instantânea usada para a representação do envelope espectral do citado sinal codificado; um meio para decodificar dados de envelope recebidos com base na citada representação de envelope espectral, usando o citado sinal de controle; e um meio para usar os citados dados de envelope decodificados na reconstrução de um sinal de saida, meios de utilização compreendendo: meios (704) para gerar um sinal de banda espectral replicado para certas regiões de frequência; meios (708, 709) para ajustar envelope do sinal de banda espectral replicado usando os dados de informação do envelope espectral grosseira e as resoluções de tempo variável ou as resoluções de frequência variável; e meios para adicionar o sinal de envelope ajustado e a versão decodificada do sinal original para obter o sinal de saida tendo uma largura de banda incluindo certas regiões de frequência.
16- Método para decodificação de envelope espectral de um sinal codificado, codificado por um codificador, o sinal codificado incluindo uma versão codificada de fonte de um sinal original, o sinal original tendo uma largura de banda incluindo certas regiões de frequência, a versão codificada de fonte tendo uma largura de banda não incluindo certas regiões de frequência, o sinal codificado incluindo dados de uma representação de envelope espectral grosseira para certas regiões de frequência, os dados na representação de envelope espectral grosseira representando o envelope espectral com uma resolução de tempo variável ou uma resolução de frequência variável, o sinal codificado contendo um sinal de controle indicando a resolução de tempo variável ou a resolução de frequência variável, o sinal codificado de fonte resultando, após a decodificação de fonte (702), em uma versão decodificada do sinal original, a versão decodificada do sinal original tendo uma largura de banda não incluindo as certas regiões de frequência caracterizado pelo fato de compreender: interpretar (703) o sinal de controle de maneira a determinar a resolução de tempo variável ou a resolução de frequência variável da grade de tempo-frequência instantânea usada para a representação do envelope espectral do citado sinal codificado; decodificar os dados de envelope recebidos com base na citada representação de envelope espectral, usando citado sinal de controle, e usando os citados dados de envelope decodificados na reconstrução de um sinal de saida, o uso compreendendo: gerar um sinal de banda espectral replicado para certas regiões de frequência; ajustar o envelope (708, 709) do sinal de banda espectral replicada usando os dados sobre a informação grosseira de envelope espectral e a resolução de tempo variável ou a resolução de frequência variável; e adicionar o sinal de envelope ajustado e a versão decodificada do sinal original para obter o sinal de saida tendo uma largura de banda incluindo certas regiões de frequência.
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