信号多速率点阵矢量量化的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于诸如数字传输和存储系统中的表示来自源信号的帧的源矢量ｘ的多速率点阵矢量量化的方法和系统。该多速率点阵量化编码方法包括如下步骤：将无穷点阵∧中的点阵点ｙ与ｘ关联；验证ｙ是否包括在从点阵∧导出的基本码本Ｃ中；如果是这种情况，那么为Ｃ中的ｙ编索引以便得到量化索引。如果不是，那么使用诸如基于Ｖｏｒｏｎｏｉ的扩展方法扩展基本码本，得到扩展的码本；将扩展码本中的码矢ｃ与ｙ关联，为扩展码本Ｃ中的ｙ编索引。与现有技术中的量化方法和系统相比，该扩展方法可从基本码本获得更高比特率码本。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号的编码和解码。尤其是，本专利技术涉及信号多速率点阵矢量(lattice vector)量化的方法和系统，其可用于诸如数字传输和存储系统中。
技术介绍
现有技术传统的数字语音和音频信号的编码技术是变换编码，其中将待编码的信号分成称为帧的采样块，且用诸如离散傅立叶变换或离散余弦变换等线性正交变换对每帧进行处理，以获得变换系数，之后对其进行量化。附图1表示变换编码中的高层结构图。在该结构中，在编码器中将变换T应用于输入帧，给出变换系数。用量化器Q对变换系数进行量化，以获得表征该帧的量化的变换系数的一个索引(index)或一组索引。通常将索引编为二进制码，将其以二进制形式存储在存储介质中，或通过通信信道传输。在解码器中，由量化器Q-1的解码器将从通信信道接收的或从存储介质获取的二进制码用于重建量化的变换系数。之后将逆变换T-1应用于这些量化的变换系数，以重建合成帧。在矢量量化(VQ)中，将几个采样或系数在矢量中组块在一起(blockedtogether)，且以一个码本(codebook)项(entry)对每个矢量进行近似(量化)。为量化输入矢量所选择的项通常是根据距离准则得出的码本中最近的邻点。在码本中增加更多的项会增加比特率和复杂性，但会降低平均失真。将码本项称为码矢(codevector)。为适应源的不断变化的特征，通常使用自适应比特分配。通过自适应比特分配，可使用不同的码本尺寸来量化源矢量。变换编码中，在不超过量化所有系数的可用比特数的最大值的情况下，分配给源矢量的比特数通常取决于该矢量相对于同一帧中其它矢量的能量。图2a和2b详细描述常见多速率量化器环境下图1中的量化方框图。该多速率量化器使用几个码本，它们通常具有不同的比特率以量化源矢量x。通常通过对信号进行变换并取所有的变换系数或其子集来获得该源矢量。图2(a)表示多速率量化器的编码器，用Q表示，其选择一个码本号n和一个码矢索引i来表征源矢量x的量化值(quantized representation)y。码本号n指明编码器选择的码本，而索引i表示在该特定码本中选择的码矢。通常，将适当的无损编码技术分别应用于块En和Ei中的n和i，以便在将它们复合(multiplexing，MUX)以存储或通过通信信道传输之前，减小所编码的码本号nE和索引iE的平均比特率。图2(b)表示多速率量化器的解码过程。首先，将二进制码nE和iE分离(demultiplex，DEMUX)，且分别在块Dn和Di中解码其无损编码。将所获取的码本号n和索引i送给多速率量化器中的解码器，用Q-1表示，其使用它们来恢复源矢量x的量化值y。不同的n值通常产生不同的比特分配，同样对索引i而言，产生不同的比特率。将以每维所需比特数给出的码本比特率定义为分配给源矢量的比特数与源矢量的维数的比值。可使用几种方法构建码本。一种流行的方法是根据源的分布，采用训练算法(如k均值算法)来优化码本项。该方法得到非结构化码本，其对于待量化的每个源矢量通常必须进行存储和穷举搜索。因而，该方法的缺点是内存需求大且计算复杂，它随码本比特率的增加而成指数增长。如果多速率量化方案基于非结构化的码本，该缺陷会更加扩大，因为通常要为每个可能的位分配使用特定的码本。另一种做法是使用约束或结构化的码本，其降低了搜索复杂程度，且在许多情况下，减少了存储需求。现在更详细描述两个结构化矢量量化的例子多阶段和点阵矢量量化。在多阶段矢量量化中，用第一阶段码本C1将源矢量x量化为码矢y1。为减小量化误差，之后用第二阶段码本C2将其为输入矢量x和所选择的第一阶段码矢y1的差值的第一阶段的残差e1＝x-y1量化为码矢y2。在后续阶段中，重复该过程直到最后阶段，其中用第n阶段的码本Cn将第(n-1)阶段的残差en-1＝x-yn-1量化为码矢yn。当使用了n个阶段时(n＞＝2)，重建就可写为这些码矢的和y＝y1+...yn，其中y1是第1阶段码本C1中的项，l＝1，...，n。总比特率是所有n个码本的比特率之和。在点阵矢量量化中，为简洁起见也简称为点阵VQ或代数VQ，码本是通过选择给定点阵(lattice)中的点阵点的子集形成的。点阵是一种N维线性结构，其中所有点或矢量可通过N个基本矢量的整数组合来获得，即作为具有有符号整数加权的基本矢量的加权和。图3是二维空间中的例子，其中基本矢量是v1和v2。该例中使用的点阵是所熟悉的六角形点阵，用A2表示。该图中用十字标记的所有点可如下获得y＝k1v1+k2v2(等式1)其中y是点阵点，且k1和k2可以是任何整数。注意到图3只表示该点阵的一个子集，因为该点阵本身可无穷扩展。我们也可以把等式l表示为矩阵形式y=y1y2=k1k2v1v2=k1k2v11v12v21v22]]>(等式2)其中基本矢量v1＝和v2＝构成生成矩阵的行。之后，通过这些行矢量的整数组合来获得点阵矢量。当选择一个点阵来构造量化码本时，选择点的子集来获得具有给定(有限)比特数的码本。这通常采用一种称为成形的技术来实现。成形是根据成形边界对该点阵截取来完成的。成形边界通常以原点为中心，但不必总是如此，且可以是诸如矩形、球形或塔形。图3是球形成形边界的示例。使用点阵的好处是在确定码本内的所有点阵点中源矢量x的最近邻点时，存在快速码本搜索算法，其与非结构化码本相比，可以极大减小复杂性。事实上也不需要存储点阵点，因为可从生成矩阵中获得它们。快速搜索算法通常涉及将受某些约束的x中的元素舍入(rounding off)为最近的整数，以便所有舍入元素的和是偶数或奇数，或等于模运算中的某个整数。一旦量化了该矢量，即一旦确定了码本内最近的点阵点，通常一个更复杂的操作包括对所选择的点阵点进行索引。一种特殊类型的快速点阵码本搜索和索引算法涉及引导项(leader)的概念，在下面的参考文献中对其详细描述·C.Lamblin and J.-P.Adoul.Algorithme de quantification vectoriellespherique a partir du reseau de Gosset d′ordre 8.Ann.Telecommun.，vol.43，no.3-4，pp.172-186，1988(Lamblin，1988)；·J.-M.Moureaux，P.Loyer，and M.Antonini.Low-complexity indexing method for Znand Dnlattice quantizers.IEEE Trans.Communications，vol.46，no.12，Dec.1998(Moureaux，1998)；以及在下面的参考文献中对其详细描述 ·P.Rault and C.Guillemot.Indexing algorithms for Zn，AnDn，and Dn++latticevector quantizers. IEEE Transactions on Multimedia，vol.3，no.4，pp.395-404，Dec.2001(Rault，2001). 引导项是一种其分量按常规的降序排列的点阵点。绝对引导项是一种所有分量非负的引导项。有符号引本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多速率点阵量化编码方法，包括：　　　　ｉ）提供用于表示来自源信号的帧的源矢量ｘ；　　　　ｉｉ）提供从点阵∧中导出的基本码本Ｃ；　　　　ｉｉｉ）将所述点阵∧中的点阵点ｙ与ｘ关联；　　　　ｉｖ）如果ｙ包括在所述基本码本Ｃ中，则为所述基本码本Ｃ中的ｙ编索引，得到量化索引，并且结束该方法，如果不包括，则　　　　ｖ）扩展所述基本码本，以得到扩展的码本；　　　　ｖｉ）将来自所述扩展码本的码矢ｃ与ｙ关联；以及　　　　ｖｉｉ）为所述扩展码本中的ｙ编索引，以得到量化索引。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁诺贝塞特，斯蒂芬拉戈特，让皮埃尔阿道尔，
申请(专利权)人：沃伊斯亚吉公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]