一种用于数字音频信号压缩的快速量化方法技术

本发明专利技术“一种用于数字音频信号压缩的快速量化方法”是一种用于数字音频压缩的比特分配方法及算法，该方法基于双层循环迭代的比特分配模型，根据输入数字音频信号和待分配的比特数目，采用比特估算的数学模型，不必经量化编码过程转而直接估算各个音频子带所占用的比特数，计算量化器外层循环迭代初始化参数，并根据量化后实际消耗比特数目和待分配比特数之差动态调整外层循环参数迭代步长；根据基于子带的噪声能量判断准则，计算内层循环参数迭代初始化参数，根据量化后各个子带的实际能量和阈值能量之差，动态调整迭代步长，搜索最佳量化参数。本发明专利技术可以有效降低量化模块的计算量，减少编码器的运行时间，且对于不同曲目风格的音频信号的编码速度相对稳定，能够提高编码器效率，有利于实现音频信号的快速与实时压缩。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种量化编码方法，特别涉及一种应用于数字音频压缩编码系统的快速 量化编码方法，该方法能够有效应用于采用时-频变换方法的基于频域子带模型的音频编 码算法中。
技术介绍
随着第三代移动通信网和数字广播技术的发展与普及，以音频压缩算法为核心的 音频编码技术在无线通信领域得到了广泛的应用。与传统的基于光盘和互联网数据包的变 速率编码应用不同，为有效利用信道，无线通信传输标准对音频数据的编码速率与长度进 行了严格定义。自适应量化模块在音频编码算法开销中占有较高比重。音频编码器中量化器模块 的作用是对频谱数据根据心理声学特性进行加权比特分配及量化，在尽量保证音质的前提 下达到所要求的编码比特数。量化模块通常采用内外双层迭代循环控制方式。量化算法的 内外循环均为先设定量化参数初始值，再经迭代搜索到最佳点的过程。每一次外层循环的 调用都会对此调用内层循环，同时，现有音频编码器量化算法内外层参数的初始化通常采 用固定的初始值，且迭代过程较慢，导致每一次量化过程都要经过多次循环进而导致整个 编码器运行速度下降。综上所述，目前数字音频信号量化编码的算法存在计算量大、耗时长，浪费计算资 源等问题，在视频通信伴音压缩传输和电视电声现场转播等实时引用场景下，上述问题成 为系统设计的关键因素。
技术实现思路
本专利技术是一种应用于数字音频压缩编码系统中的快速量化编码方法，该方法可以 减少计算量、提高量化器的计算效率，减少量化器的运行时间。本专利技术采用的技术方案是基于比特估算数学模型，在量化编码过程前可直接估算所消耗的比特数，即基于 数学模型并根据输入信号特征估算量化器迭代初值，然后根据迭代误差动态调整迭代步 长。具体包括以下6个步骤第一步计算每一帧待分配的比特数B。根据设定的比特率、声道数、帧长、采样率 计算待分配的比特数，若固定码率为64千位每秒，采样率为每秒48000样本，单声道，帧长 为1024个样本，则每一帧待分配比特数为(64千位每秒/48000个样本)*1024样本。待分 配比特数目判决，判断计算出来的待分配比特数是否为8的倍数，若是则输出，若不是，将 比特数补齐。第二步，估算量化编码当前帧所需比特数bitf。根据带有品质因子Qtl的初始能量 阈值下限Emin，设k = QcZQ1,其中，量化外层循环参数的初始化Q1, Nsb为每一个子带的 宽度，α sb为码本效率，bitf表示估算得出估算量化编码当前帧所需比特数，采用如下公式估算量化编码当前帧所需比特数。 其中δ为待定系数，需要经过大量的听觉实验来测定，δ的取值为 第三步计算量化外层循环参数的初始化值。根据估算量化编码当前帧所需比特 数bitf和每一帧待分配的比特数B，根据量化外层循环判断准则bitf = B,计算得出量化外 层循环参数的初始值。设Cisb为码本效率，Nsb为每一个子带的宽度，采用以下公式来计算 量化外层循环参数的初始化Q1。 第四步根据量化外层循环参数的初始化值Q1计算能量阈值下限Xmin。根据 带有品质因子Qtl的初始能量阈值下限Emin，采用以下公式，计算带有品质因子Q1的能量 阈值下限Xmin 。 第五步计算量化内层循环参数的初始化值。根据噪声能量判断准则计算出内层 循环参数的初始值。根据能量阈值下限Xmin计算内层循环参数的初始化值。采用以下 公式计算内层循环参数的初始化值。 第六步计算量化内层循环参数的调整准则。根据量化后实际的能量阈值函数 值EtJsb]和能量阈值函数下限Xmin的差值的符号，判断本次迭代是否进入迭代搜索 的临界区域，然后根据ECT成比例调整缩放系数，判定依据为若两次迭代能量差值的 正负性发生变化，则进入临界区，否则未进入临界区，设定义差值ECT和能量阈值下限 Xfflin的比值为Rsb，采用以下公式 若迭代进入临界区，则将下次迭代的迭代步长st印定为Rsb的-0. 5倍，即从正负 两个方向且逐步减小迭代步长来逼近最佳值，从而可以避免产生迭代振荡影响收敛。若迭 代未进入临界区，则将下次迭代的迭代步长保持原来迭代步长方向，且迭代步长step = Rsb 从而加快收敛速度，保证尽快进入临界区域。第七步计算量化外层参数的调整准则。根据每一帧量化编码后实际所需比特数和待分配平均比特数的差值，调整外层循环参数的迭代步长；根据实际比特数和可用比特 数差值成比例调节品质因子Q值，设Q·为本次迭代的品质因子，B表示每一帧待分配的比 特数，bitscur表示实际量化编码当前帧所用比特数。采用以下公式来计算量化外层参数的 调整准则。 本专利技术可以使用通用计算机系统通过软件编程实施，也可以采用嵌入式计算机通 过软件编程实施。本专利技术对于多种格式的音频编码标准的量化过程均可以有针对性的进行 实施。本专利技术产生的有益效果是本专利技术在保证音质不变的前提下，从减少计算量、突破单帧编码的时间瓶颈出发， 提出新的改进算法，能够有效减少量化器迭代次数和运算量，并且在不同类型的音频曲目 与音频帧之间的编码时间相对稳定。为满足实时性需求，编码器的实时性能将取决于单帧 编码的最长时间而不是统计意义上的性能。因此本专利技术更有利于提高编码器的实时性能， 针对应用于播出现场的编码系统该专利技术具有一定的实施优势。以下结合附图和实施例对本专利技术作一详细的说明。附图说明图1是本专利技术的原理框图即根据当前子带的输入数字音频信号和设定的目标比 特率快速搜索量化参数最佳值的流程图。图2是将图1所示方法用于先进音频编码(AAC)编码器，以目前通用的开源版本 音频编码器FAAC作为对比算法，对于等时长的8种不同风格曲目，在2种不同的目标码率 下，对最大单帧迭代次数的统计。图3是将图1所示方法用于先进音频编码(AAC)编码器，以目前通用的开源版本 音频编码器FAAC作为对比算法，对于等时长的8种不同风格曲目，经感知音频质量评价系 统PEAQ给出的本改进算法和对比算法分别与无压缩版本音频对比后的客观音质损失评价 (分数越接近0越好)。图中输入数字音频信号1，估算量化编码当前帧所需比特数2，计算量化外层循 环参数的初始化值3，计算能量阈值下限4，计算内层循环参数的初始化值5，谱线和能量阈 值判决6，量化后谱线变长编码7，计算量化内层循环参数的调整准则8，计算每一帧待分配 的比特数9，待分配比特数目判决10，将比特数补齐11，实际比特数是否和待分配比特数判 决12，计算量化外层参数的调整准则13，将比特数补齐至待分配的比特数14。具体实施例方式本专利技术可以使用通用计算机系统通过软件编程实施，也可以采用嵌入式计算机通 过软件编程实施。本专利技术对于多种格式的音频编码标准的量化过程均可以有针对性的进行实施。图1所示为本专利技术的原理框图即根据当前子带的输入数字音频信号和设定的目 标比特率快速搜索量化参数最佳值的流程图。具体包含以下步骤步骤a)计算每一帧待分配的比特数9。在本实施例中，根据设定的比特率、声道数、帧长、采样率计算待分配的比特数，若 固定码率为64千位每秒，采样率为每秒48000样本，单声道，帧长为1024个样本。则每一 帧待分配比特数为(64千位每秒/48000个样本)*1024样本。记为B，单位为比特。步骤b)待分配比特数目判决10，判断计算出来的待分配比特数是否为8的倍数， 若是，则执本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于数字音频信号压缩的快速量化方法，其特征在于所述方法包括：ａ）计算每一帧待分配的比特数（９）；根据设定的比特率、声道数、帧长、采样率计算待分配的比特数，进行待分配比特数目判决（１０），判断计算出来的待分配比特数是否为８的倍数，若不是，将比特数补齐（１１）；ｂ）根据输入的数字音频信号（１）计算量化外层循环参数的初始化值（３）；利用步骤ａ）输出的每一帧待分配比特数和初始能量阈值下限，计算量化外层循环参数的初始化值（３）；ｃ）计算能量阈值下限（４）；根据量化外层循环参数的初始化值（３）计算符合量化外层循环参数的初始化值（３）的能量阈值下限（４）；ｄ）计算内层循环参数的初始化值（５）；根据噪声能量判断准则计算内层循环参数的初始化值（５）。ｅ）谱线和能量阈值判决（６），判断量化后的谱线能量是否大于等于能量阈值的下限，若不是，计算量化内层循环参数的调整准则（８），调整量化内层循环参数的迭代步长，否则则进行量化后谱线变长编码（７）；ｆ）实际比特数是否和待分配比特数判决（１１），判断每一帧量化编码后实际所用比特数是否大于每一帧待分配比特数，若是，则计算量化外层参数的调整准则（１３）调整外层循环参数的迭代步长。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕锐，张雪，杜伟韬，侯亚辉，沈向辉，徐伟掌，杨占昕，
申请(专利权)人：中国传媒大学广播电视数字化教育部工程研究中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]