在无损编码器中边信息的有效编码方法 |
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申请号 | CN99805783.5 | 申请日 | 1999-12-24 | 公开(公告)号 | CN1299536A | 公开(公告)日 | 2001-06-13 |
申请人 | 皇家菲利浦电子有限公司; | 发明人 | A·A·M·L·布吕克尔斯; A·J·里恩博格; | ||||
摘要 | 对于“超声频CD”(SACD),DSD 信号 被利用成 帧 、预测和 熵编码 方法进行无损编码。除了被有效地编码的信号外,大量的参数,也就是边信息,也必须存储在SACD上。边信息包括已被用于编码,并应被传送到 解码器 的预测 滤波器 系数和概率表。边信息所需的存储容量越小,总的编码增量越好,因而编码技术也应用于边信息,以便压缩边信息的数据总量。帧可被分段,每段有它自己的滤波器系数组和概率表。 | ||||||
权利要求 | 1.用于对例如n信道的数字声频信号的数字信息信号编码的设备, 其中n是大于1的整数,包括 |
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说明书全文 | 本发明涉及一种用于对数字信息信号无损编码,用于一种无损编 码方法的设备,涉及一种用于解码的设备和一种记录载体。对于“超声频CD”(SACD),DSD信号被利用成帧、预测和熵编 码方法进行无损编码。除了被有效地编码的信号外,大量的参数,也 就是边信息,也必须存储在SACD上,为边信息所需的存储容量越小, 则总的编码增益越佳。因而,编码技术也用于边信息。F.Bruekers等 于1997年9月26-29日期间在纽约召开的第103届AES会议上提出 的预印本4563(I-6)刊物“改进的1位声频信号的无损编码方法” 中给出对DSD信号无损编码的描述。 本发明的目的在于提供可用于,例如SACD中,节省为存储边信息 必须使用的位的数目的方法。在以下的描述中这些方法将被提出。 本发明的各个方面在此以后将用图形描述的方法作进一步解释, 其中 图1a示出一种无损编码器的电路图,图1b示出一种相应的解码 器的电路图,采用的是线性预测和算术编码方法, 图2示出一种多信道信息信号的连续帧, 图3示出将多信道信息信号分割为时间等效的帧,和 图4示出编码设备输出信号一个帧的内容。 无损编码和解码的过程,对于1位过采样的声频信号的例子,在 此之后将藉助图1作简明的解释,在图1a中示出编码设备的一种实施 方案且在图1b中示出解码设备的一种实施方案。 图1a设备中的无损编码是在声频信号的隔离部分(帧)上实施的。 这样一个帧的典型长度是37632位。输入信号F的两种可能的位值‘1’ 和‘0’,分别代表样本值+1和-1。每帧,用4标记的预测滤波器Z-1·A (Z)的系数组是在滤波器系数发生器单元12中通过例如自相关方法 被确定的。滤波器输出信号Z的符号确定被预测位Fp的值,而滤波器 输出信号Z的幅度是预测是正确的概率的一种指示。通过在量化器10 中对过滤器输出信号Z的量,得到被预测的输入信号Fp,在组合单元2 中被异或,得到残差信号E,正确的预测,或F=Fp,在残差信号中等 效于E=0。概率表,p(|.|)的内容每帧被这样设计,使得对于Z的每 个可能的值,Po是E=0的概率。对于|Z|较小的值,正确预测的概率 接近0.5,对于|Z|较大的值,正确预测的概率接近1.0。显然,不正 确预测,F≠Fp或E=1的概率,是P1=1-P0。 对于帧(或段,以后要描述)的概率表由单元13确定。利用由单 元13加给单元8的这个概率表,单元8产生概率值P0对其输入信号, 即信号Z作出响应。 在图1a设备中,用6标记的算术编码器(AC Enc.)对E的位序 列编码,使得码(D)需要较少的位。为此,算术编码器利用信号E的 位n,E(n),具有特定值的概率。对位E[n]=0编码的位数是: dn=-2log(P0)+M(位) (等式1) 实际上不大于1位,因为P0≥1/2。对位E[n]=1编码的位数是: dn=-2log(P1)+M=-2log(1-P0)+M(位) (等式2) 位数不少于1位。在两个等式中的M表示算术编码器的非最佳状 态,但在实际上可被忽略。 在码(D)中,正确预测((E[n]=0)结果少于1位,不正确预测 (E[n]=1)结果大于1位。概率表被设计成在整个帧期间进行平均,码D 的位数为最少。 除了码D以外,由系数发生器单元12产生的预测滤波器4的系数, 由概率表确定单元13产生的概率表的内容也必须从编码器传送到解码 器。为此目的,编码器设备包括一个多路转换器单元14,接收编码器 6的输出信号,以及来自发生器单元12和13的边信息。这种边信息包 括预测滤波器系数和概率表。多路转换器单元14将串行数据流提供给 传输媒介,例如一种记录载体。 在图1b的解码器设备中,精确地实现编码器的逆过程从而建立一 种无损编码系统。逆多路转换器单元20接收包括数据D和边信息的串 行数据流。由此重新得到数据D并将数据D提供给算术解码器22。用 与算术编码器相同的概率提供给算术解码器(AC Dec.),以便重新得 到信号E的正确值。因此逆多路转换器单元从接收到的串行数据流重 新得到与编码器所用的相同的预测滤波器系数和概率表并将预测滤波 器系数供给预测滤波器24和将概率表供给概率值发生器单元26。 图1中所示的电路结构是为对单一串行数据流信息编码/解码用 的。对多重信道信息信号编码/解码需要参考图1进行上述的处理,用 图1的电路在时间多路复用中实现,或者可用多个这样的电路平行地 实现。在国际专利申请IB99/00313(对应于美国序号09/268252(PHN 16.805))中可以找到另一种解决办法。 在此应该指出,依据本发明,编码设备可以没有量化器Q和组合 单元2。参考文件是讨论这个方面的较早的专利出版物。 在SACD中,1位的声频信道被分割成恒定长度的帧,每帧将采用 最佳的编码策略。这些帧可被与邻近的帧独立地解码。因此,我们可 以在一个单一的帧内讨论数据结构。 图2示出两个信道信号的时间等效帧B,例如一个数字立体声信号 的左和右边的信号组分,对于左边的信号组分用…,B(1,m-1),B(1, m),B(1,m+1),…表示,对于右边的信号组分用…,B(r,m-1),B(r,m), B(r,m+1),…表示。正如在此以后将要解释的那样,帧可被分段。 如果不分段,帧将以它们的整体进行编码,对全部的帧使用一组滤波 器系数和一个概率表。如果分段,在一个帧中的每段可有它自己的滤 波器系数组和概率表。而且,在一个帧中对滤波器系数的分段不需要 与对概率表的分段相同。作为一个例子,图3示出被分段的两个信道 信号的两个时间等效帧B(1,m),B(r,m)。帧B(1,m)被分成三段fs (1,1),fs(1,2),和fs(1,3)以便实施在帧中的三个不同的预测 滤波段。然而应该指出,在两个段中的滤波,例如段fs(1,1)和fs(1,3) 可以是相同的。帧B(1,m)进一步分成两段ps(1,1)和ps(1,2),使这 些段可有两个不同的概率表。 帧B(r,m)被分成三段fs(r,1),fs(r,2)和fs(r,3),以便在帧中 实施三个不同的预测滤波。然而,应再次指出,在两个段中的滤波, 例如段fs(r,1)和fs(r,3)可以是相同的。帧(r,m)进一步分成四段 ps(r,1),ps(r,2),ps(r,3)和ps(r,4),使这些段可有四个不同的 概率表。应再次指出,某些段可有相同的概率表。 在对段中的信号进行信号分析以后,由设备的用户事先作出决定, 使不同的段具有相同的概率表。或者设备可有能力实施这种信号分析 并对此作出响应做决定。在某些情况下。对两个段实施的信号分析可 得到只是稍有差别的概率表。在这些情况下,可决定对两个段具有一 个相同的概率表。这一个概率表可以是等于为两个段建立的两个概率 表中的一个,或者可以是两个表的一种平均的版本。对于不同段中的 滤波器参数组来说,相同的推论是成立的。 概括地说:为了对声频信道信号中较小部分的声频信号编码,SACD 中的编码算法既需要预测滤波器(滤波器)也需要概率表(表)。 为了改进编码增益,在不同的信道中利用不同的滤波器可能是有 效的。但在相同的信道中利用不同的滤波器可能也是有好处的。这就 是为什么引入分段的概念。一个信道被分割为段并在一个段中使用一 种特定的滤波器。来自其他信道的几个段也可利用相同的或不同的滤 波器。除了存储被使用的滤波器以外,关于段的信息(分段)和关于 哪个滤波器被用于哪个段中的信息(映象)也必须被存储。 对于表,相同的思路是适用的,然而,分段和映象可以与用于滤 波器的分段和映象不同。在对滤波器和表相同分段的情况下指明这点。 相同的思路用于映象。如果对滤波器的分段所有信道相同,也指明这 点。相同思路用于映象。 首先,将描述包括已编码信道信号和相应的边信息的传输信号一 个帧的内容。图4示出帧的简图。除了同步信息(未示出)以外,帧 包括两个字W1和W2,随后是预测滤波器上的分段信息。接着出现字W3, 随后是概率表上的分段信息,接着是两个字W4和W5,随着是预测滤波 器上的映象信息。接着是字W6,随后是概率表上的映象信息。接着是 分别由发生器单元12和13提供的滤波器系数和概率表。帧用由算术 编码器6提供的数据D结束。 在本例中的字W1是一位长,可有值‘0’或‘1’,并指明是否用 于滤波器系数和概率表的分段信息是相同的(‘1’)或是不同的(‘0’)。 在本例中的字W4是1位长,可有值‘0’或‘1’,并指明是否用于滤 波器系数和概率表的映象信息是相同的(‘1’),或是不同的(‘0’)。 字W2,也是1位长,可有值‘0’或‘1’,并指明是否信道信号具有 对预测滤波器系数相同的分段信息(‘1’)或不同的(‘0’)。字W3 (1位长)可有值‘0’或‘1’,并指明是否信道信号具有对概率表相 同的分段信息(‘1’)或不同的(‘0’)。字W5可有值‘0’或‘1’, 并指明是否信道信号具有对预测滤波器系数相同的映象信息(‘1’), 或不同的(‘0’)。字W6可有值‘0’或‘1’,并指明是否信道信号 对概率表具有相同的映象信息(‘1’),或不同的(‘0’)。 首先,在一个帧中段S的总数的表示方法将被描述。 为了对一个数,例如在一个特定的信道信号中的一个帧的段总数, 编码,采用一种运行长度编码。对于S的较小值码比较短是重要的。 因为在一个信道中段的数目S≥1,S=0不需要被编码,在SACD中使用 以下的码。 表1: S 码(S) 1 1 2 01 3 001 4 0001 S 0(s-1)1 注:在此“1”被用作定义符,很清楚,通常“0”和“1”的作用 可被互换。定义符的基本思路是某个序列被扰乱;“0”的序列被一个 “1”扰乱。一种替代方案是,例如对下一个符号“取反”和“不取反” 被用作定义符。用这种方法将长的恒定序列扰乱。从“1”开始的取反 序列的一个例子是(不用在SACD中): S 码(S) 1 0 2 11 3 100 4 1011 5 10100 6 101011 第二,将描述段的规模的表示法。一个段的长度将用信道信号的 字节数来表达。在一个信道信号一个帧中的B个字节被分割为S段。 对于第一个S-1段,每段的字节数必须被说明。对于第S段,字节数 被含蓄地说明,它是信道中其余的字节数。在段i中的字节数等于Bi, 所以在上一个段中的字节数是: 因为在第一个S-1段中的字节数是R的倍数,分辨率R≥1,我们 规定: Bi=biR因此: 只有如S>1,并当并未已为另一个信道存储时,bi的S-1个值和 R被存储在一个信道中。 为存储bi所需的位数取决于它的可能值。 0≤bi≤bimax利用,例如 所以存储bi所需的位数为: #位(bi)=_2log(bi,max)」+1 这样的优点是,为段长度所需的位数对于帧结束处的段可减少。 如果对,例如,段的最小长度有限制,可相应地适配位数的计算。存 储分辨率R的位数是:#位(R) 第三,将描述在串行数据流中分段信息的表示法。将利用表1以 上给出的表示法。将通过几个例子加以说明。 为了在滤波器和概率表之间进行区分,采用下标f和t。为了在不 同信道的段之间进行区分,采用双宗量:(信道数,段数)。 下面是第一个例子,对于2信道的情况,我们对滤波器和概率表 有不同的分配,并且对两个信道分段是不同的。下表示出流中的参数。 表2 值 #位 说明 (W1=)0 1 滤波器的分段信息与概率表的分段不 同 滤波器分段 (W2=)0 1 信道具有自己的滤波器分段信息 在信道0中的滤波器分段 (Y1=)0 1 码(Sf(0))的第一位指明Sf(0)≥2 Rf #位(Rf) 滤波器分辨率 bf(0,0) #位(bf(0,0)) 在信道0中的第一段具有长度 Rfbf(0,0)字节 (Y2=)1 1 码(Sf(0))的最后位指明Sf(0)=2 在信道1中的滤波器分段 (Y1=)0 1 码(Sf(1))的第一位指明Sf(1)≥2 bf(1,0) #位(bf(1,0) 在信道1中的第一段具有长度 Rfbf(1,0)字节 (Y2=)0 1 码(Sf(1))的第二位指明Sf(1)≥3 bf(1,1) #位(bf(1,1)) 在信道1中的第二段具有长度 Rfbf(1,1)字节 (Y3=)1 1 码(Sf(1))的最后位指明Sf(1)=3 概率表分段 (W3=)0 1 信道具有自己的表分段说明 在信道0中的概率表分段 (Y1=)1 1 码(St(0))的最后位指明St(0)=1 在信道1中的概率表分段 (Y1=)0 1 码(St(1))的第一位指明St(1)≥2 Rt #位(Rt) 表的分辨率 bt(1,0) #位(bt(1,0)) 在信道1中的第一段具有长度 Rtbt(1,0)字节 (Y2=)0 1 码(St(1))的第二位指明(St(1)≥3 bt(1,1) #位bt(1,1) 信道1中的第二段具有长度Rtbt(1,1) 字节 (Y3=)1 1 码(St(1))的最后位指明St(1)=3 在上表2中,等于(0,1)的第一组合(Y1,Y2)是以上表1中的 码字码(S),并指明在编号为0的信道信号中帧被分为两段用于预测 滤波。而且,等于(0,0,1)的组合(Y1,Y2,Y3)是以上表1中的 码字码(S),并指明在编号为1的信道信号中帧被分为三段用于预测 滤波。接着我们找到等于(1)的组合(Y1),它是表1中的第一码字, 指明编号为0的信道信号,其帧并未为概率表分割。最后,我们找到 等于(0,0,1)的组合(Y1,Y2,Y3),它指明第二信道信号的帧被 分为三段,每段用于一个相应的概率表。 下面是对于一个5信道情况的另一个例子。对于这个5信道的情 况假定,对于滤波器和表我们有相等的分段,并且对于所有信道分段 是相等的。 值 #位 说明 (W1=)1 1 预测滤波器和概率表的分段信息是相 同的 滤段器分段 (W2=)1 1 信道具有相等的滤波器分段信息 在信道0中的滤波器分段 (Y1=)0 1 码(Sf(0))的第一位指明Sf(0)≥2 Rf #位(Rf) 滤波器的分辨率 bf(0,0) #位(bf(0,0) 在信道0中的第一段具有长度 Rfbf(0,0)字节 (Y2=)0 1 码(Sf(0))的第二位指明Sf(0)≥3 bf(0,1) #位(bf(0,1) 在信道0中的第二段具有长度 Rfbf(0,1)字节 (Y3=)1 1 码(Sf(0))的最后位指明Sf(0)=3 在信道C中的滤波器分段 bf(c,0)=bf(0,0)和bf(c,1)= bf(0,1),对于1≤c<5的情况 在信道C中的概率表分段 bt(c,0)=bf(0,0) 和 bt(c,1)=bf(0,1),对于0≤c<5的情况 注:插入分段信息中的码(S)的单一位,在“0”的情况下可被 解释为“将规定另一个段”或在“1’的情况下可被解释为“没有更多 的段要规定”。 往下,将解释映象。 所有信道的所有段一起考虑,对于每个段,必须规定哪个滤波器 或表被使用。段被排序;首先信道0的段,随后是信道1的段,依此 类推。 对于段S的滤波器或表的数目,N(S)被定义为: Nmax(S),对于一个给定段的最大允许数,定义为: Nmax(s)=1+max(N(i)) 0≤i<s 存储N(S)所需的位数等于 #位(N(S))=_2log(Nmax(s))」+1 依据本方法存储一个滤波器或表的数目所需的位数取决于已被分 配的数目组。 如果表采用与滤波器相同的映象,这并不总是可能的,这点被指 明。当所有信道采用相同的映象时,这点也被指明。 将用两个例子来说明这种思路。 例3 假定我们总共有7段(0到6),某些段使用相同的滤波器,某些 使用独特的滤波器。而且,假定表采用与滤波器相同的映象技术规范。 信道号 段号 滤波器号 可能的滤波器号 #位 0 0 0 - 0 1 1 0 0或1 1 1 2 1 0或1 1 1 3 2 0,1或2 2 1 4 3 0,1,2或3 2 2 5 3 0,1,2,3或4 3 3 6 1 0,1,2,3或4 3 总的#位 12 段号0按定义使用滤波器数0,所以不需要位用于这种情况的技术 说明,段号1可使用以前被分配的滤波器(0)或下一个更高的还未被 分配的滤波器(1),所以需要1位用于这种情况的规范。在本例中段 号1使用滤波器号0。段号2可使用以前被分配的滤波器(0)或下一 个更高的还未被分配的滤波器(1),所以需要1位用于这种情况的规 范。本例中,段号2使用滤波器号1。 段号3可使用以前被分配的滤波器(0或1)或下一个更高的还未 被分配的滤波器(2),所以需要2位用于这种情况的规范。本例中, 段号3使用滤波器号2。 段号4可使用以前被分配的滤波器(0,1或2)或下一个更高的 还未被分配的滤波器(3),所以需要2位用于这种情况的规范。段号 4在本例中使用滤波器号3。段号5可用以前被分配的滤波器(0,1, 2或3)或下一个更高的还未分配的滤波器(4),所以需要3位用于 这种情况的说明。段号5在本例中使用滤波器号3。 段号6可用以前被分配的滤波器(0,1,2或3)或下一个更高的 还未分配的滤波器(4),所以需要3位用于这种情况的规范。段号6 在本例中使用滤波器号1。 总共需要12位用于存储此映象。在流中的这一点上段的总数(在 本例中是7段)是已知的。 值 #位 说明 (W4=)1 1 概率表具有与预测滤波器相同的映象信息 预测滤波器映象 (W5=)0 1 信道具有自己的滤波器分段信息 0 对于段0的滤波器号按定义为0 Nf(1) #位(Nf(1)) 对于段1的滤波器号 Nf(2) #位(Nf(2)) 对于段2的滤波器号 Nf(3) #位(Nf(3)) 对于段3的滤波器号 Nf(4) #位(Nf(4)) 对于段4的滤波器号 Nf(5) #位(Nf(5)) 对于段5的滤波器号 Nf(6) #位(Nf(6)) 对于段6的滤波器号 概率表映象 Nt(i)=Nf(i)对于0≤i<7 另一个例子。假定总共我们有6个信道,每个1段,每段使用相 同的预测滤波器和相同的概率表。 值 #位 说明 (W4=)1 1 概率表具有与预测滤波器相同的映象信息 预测滤波器映象 (W5=)1 1 信道具有自己的滤波器映象技术规范 0 对于段0的滤波器号按定义为0 对于段i的预测滤波器映象 Nf(i)=0,对于1≤i<6 对于段i的概率表映象 Nt(i)=Nf(i),对于0≤i<6 总共需要2位用于存储全部映象。 注:指明以下的技术说明也用于其他应用(例如,对于表采用与 滤波器相同的分段)的理由是这样简化解码器。 虽然本发明已经参考优选实施方案作了描述,应该理解,这些不 是有限制的例子。因而,本发明的范围由权利要求所规定。作为一个 例子,本发明也可并入一种实施方案中,在其中对时间等效信号方框 编码,不使用分段。在这样的一种实施方案中,所获得的串行数据流, 像图4的数据流一样,将没有在此用于滤波器和概率表所描述的段信 息,以及某些指示器字,例如指示器字W1,W2和W3。此外,本发明在 于每个和每种新的特点和特点的组合。 |