Codificación de señal de información.

Dispositivo para codificar una señal de información en una señal de información codificada,

con:

medios (16) para determinar una representación de un umbral motivado de psicopercepción, que indica una porción de la señal de información irrelevante con respecto a perceptibilidad, utilizando un modelo perceptual; medios (18) para filtrar la señal de información, para normalizar la señal de información sobre el umbral motivado de psicopercepción, para obtener una señal prefiltrada;

medios (20) para predecir la señal prefiltrada en una forma adaptativa hacia delante para obtener una señal predicha, un error de predicción para la señal prefiltrada y una representación de coeficientes de predicción, basándose en los cuales puede reconstruirse la señal prefiltrada; y

un medio (22) para cuantificar el error de predicción, para obtener un error de predicción cuantificado, comprendiendo la señal de información codificada información sobre la representación del umbral motivado de psicopercepción, la representación de los coeficientes de predicción y el error de predicción cuantificado.

Codificación de señal de información La presente invención se refiere a la codificación de señal de información, como por ejemplo codificación de audio o vídeo.

El uso de codificación de audio digital en nuevas redes de comunicaciones así como en producciones de audio profesionales para comunicación en tiempo real bidireccional, requiere una codificación algorítmica muy económica así como un retardo de codificación muy corto. Un escenario típico en donde la aplicación de codificación de audio digital se vuelve crítica en el sentido del tiempo de retardo existe cuando se usan simultáneamente señales directas, es decir no codificadas, y transmitidas, es decir codificadas y descodificadas. Son ejemplos de esto producciones en vivo que utilizan micrófonos inalámbricos y producciones de monitorización (en oído) o "dispersas" simultáneas en las que los artistas reproducen simultáneamente en diferentes estudios. El periodo de tiempo de retardo total tolerable en estas aplicaciones es menor a 10 ms. Si, por ejemplo se emplean líneas de abonado asimétricas para la comunicación, la tasa de transmisión de bits resulta un factor limitante.

El retardo algorítmico de codificadores de audio convencionales, tales como MPEG-1 3 (MP3) , MPEG-2 AAC y MPEG2/4 Low Delay, va de 20 ms a varios centenares de ms, haciéndose referencia a este respecto por ejemplo al artículo de M. Lutzky, G. Schuller, M. Gayer; U. Kraemer, S. Wabnik: "A guideline to audio codec delay", presentado en la 116 Convención AES en Berlín, mayo 2004. Los codificadores de voz funcionan a menores tasas de transmisión de bits y con menos retardo algorítmico pero sólo proporcionan una calidad de audio limitada.

El espacio anteriormente establecido entre los codificadores de audio convencionales por una parte y los codificadores de voz por otra parte se cierra por ejemplo por un tipo de esquema de codificación descrito en el artículo de B. Edler, C. Faller y G. Schuller, "Perceptual Audio Coding Using a Time-Var y ing Linear Pre and Postfilter", presentado en la 109 Convención AES en Los Angeles, septiembre 2000, según el cual la señal a codificar se filtra con la inversa del umbral de enmascarado en el lado del codificador y a continuación se cuantifica para realizar una reducción de irrelevancia, y la señal cuantificada se suministra a una codificación de entropía para realizar una reducción de redundancia separada de la reducción de irrelevancia mientras que la señal prefiltrada cuantificada se reconstruye en el lado del descodificador y se filtra en un postfiltro con el umbral de enmascarado como función de transmisión. Tal esquema de codificación denominado esquema de codificación ULD a continuación, da como resultado una calidad perceptual que puede compararse con los codificadores de audio convencionales, tales como MP3, para tasas de transmisión de bits de aproximadamente 80 kBit/s por canal y superiores. Un codificador de este tipo se describe por ejemplo también en WO 2005/078703 A1 y en el artículo de G. Schuller y A. HÃrmid "Low Delay Audio Compression Using Predictive Coding", presentado en la conferencia ICASSP, mayo de 2002.

Particularmente, los codificadores ULD descritos aquí, utilizan filtros lineales controlados psicoacústicamente para conformar el ruido de cuantificación. Debido a su estructura, el ruido de cuantificación siempre se encuentra en el umbral dado, incluso cuando no hay ninguna señal en un intervalo de frecuencia dado. El ruido permanece inaudible, siempre que corresponda al umbral de enmascarado psicoacústico. Sin embargo, para obtener una tasa de transmisión de bits que sea incluso más pequeña que la tasa de transmisión de bits predeterminada por este umbral, el ruido de cuantificación tiene que incrementarse, lo que hace audible el ruido. Particularmente, el ruido se nota en intervalos en los que no se encuentra ninguna porción de señal. Son ejemplos de esto frecuencias de audio muy bajas y muy altas. Normalmente sólo hay porciones de señal muy bajas en estos intervalos, mientras que el umbral de enmascarado es muy alto en los mismos. Si se incrementa ahora, sin embargo, el umbral de enmascarado de manera uniforme por todo el intervalo de frecuencia, el ruido de cuantificación se encuentra en el umbral ahora incrementado e incluso cuando no hay ninguna señal en el mismo, de modo que el ruido de cuantificación es audible como una señal audible espuria. Los codificadores basados en subbanda no presentan este problema, ya que éstos simplemente cuantifican a cero una subbanda con señales más pequeñas que el umbral.

El problema anteriormente mencionado que ocurre cuando la tasa de transmisión de bits permitida se sitúa por debajo de la tasa de transmisión de bits mínima que no provoca ruido de cuantificación espuria y que se establece por el umbral de enmascarado, no es sin embargo el único. Además, los codificadores ULD descritos en las referencias anteriores sufren de un modo de proceder complejo para obtener una tasa de transmisión de datos constante, ya que particularmente se utiliza un bucle de iteración, que debe pasarse a fin de determinar, por bloque de muestreo, un valor de factor de amplificación que ajusta un tamaño de paso de descuantificación.

El objetivo de la presente invención es crear un esquema de codificación de información que haga posible permitir el tiempo de retardo corto típico de codificadores de tipo ULD a una baja tasa de transmisión de bits pero con una alta calidad de codificación.

Este objetivo se logra mediante los dispositivos según la reivindicación 1 ó 24, y un procedimiento según la reivindicación 44 ó 45.

La idea central de la presente invención consiste en el hallazgo de que es posible una cuantificación extremadamente gruesa más allá de la medida establecida por el umbral de enmascarado sin o sólo con muy pocas pérdidas de calidad, pero sin cuantificar directamente la señal prefiltrada sino un error de predicción obtenido mediante una predicción adaptativa hacia delante de la señal prefiltrada. Debido a la capacidad de adaptación hacia delante, el error de cuantificación no tiene efecto negativo en los coeficientes de predicción.

Según un ejemplo de realización adicional, la señal prefiltrada incluso se cuantifica ahora en una forma no lineal o incluso recortada, es decir cuantifica mediante una función de cuantificación que mapea valores no cuantificados del error de predicción a índices de cuantificación de escalones de cuantificación y cuya evolución es más empinada por debajo de un valor umbral que por encima de un valor umbral. De esta manera, la PSD de ruido incrementada en relación con el umbral de enmascarado debido a la baja tasa de transmisión de bits disponible se ajusta a la PSD de señal de tal manera que el incumplimiento del umbral de enmascarado no ocurre en partes espectrales en las que no se encuentran porciones de señal, lo que mejora aún más la calidad de audición o mantiene la calidad de audición mejor a pesar de una tasa de transmisión de bits disponible decreciente.

Según un ejemplo de realización adicional de la presente invención, la cuantificación se cuantifica o limita incluso por recorte, es decir mediante cuantificación a un número limitado y fijo de niveles o escalones de cuantificación. Mediante la predicción de la señal prefiltrada mediante una predicción adaptativa hacia delante, la cuantificación gruesa no tiene efecto negativo en los propios coeficientes de predicción. Mediante la cuantificación a un número fijo de niveles de cuantificación se hace posible inherentemente evitar una iteración para obtener una tasa de transmisión de bits constante.

Según un ejemplo de realización adicional de la presente invención, una altura de escalón o tamaño de paso de cuantificación entre el número fijo de niveles de cuantificación se determina en una forma adaptativa hacia atrás a partir de índices de nivel de cuantificación previos obtenidos por la cuantificación, de tal manera que, por una parte, a pesar de un número muy bajo de niveles de cuantificación, puede obtenerse una cuantificación mejor o al menos la mejor posible para ese número del error de predicción o de la señal residual, sin tener que proporcionar información secundaria adicional al lado del descodificador. Por otra parte, es posible garantizar que errores de transmisión durante la transmisión de la señal residual cuantificada al lado del descodificador sólo tiene un efecto a corto plazo en el lado del descodificador con una configuración apropiada del ajuste de tamaño de paso adaptativo hacia atrás.

Ejemplos... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para codificar una señal de información en una señal de información codificada, con:

medios (16) para determinar una representación de un umbral motivado de psicopercepción, que indica una porción de la señal de información irrelevante con respecto a perceptibilidad, utilizando un modelo perceptual;

medios (18) para filtrar la señal de información, para normalizar la señal de información sobre el umbral motivado de psicopercepción, para obtener una señal prefiltrada;

medios (20) para predecir la señal prefiltrada en una forma adaptativa hacia delante para obtener una señal predicha, un error de predicción para la señal prefiltrada y una representación de coeficientes de predicción, basándose en los cuales puede reconstruirse la señal prefiltrada; y un medio (22) para cuantificar el error de predicción, para obtener un error de predicción cuantificado, comprendiendo la señal de información codificada información sobre la representación del umbral motivado de psicopercepción, la representación de los coeficientes de predicción y el error de predicción cuantificado.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que los medios (22) para cuantificar están configurados para cuantificar el error de predicción mediante una función de cuantificación, que mapea valores no cuantificados del error de predicción a índices de cuantificación de escalones de cuantificación, y cuya evolución por debajo de un valor umbral es más empinada que por encima de un valor umbral.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, en el que los medios (22) para cuantificar están configurados para obtener una altura de escalón de cuantificación (L (n) ) de la función de cuantificación en una forma adaptativa hacia atrás a partir del error de predicción cuantificado.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios para cuantificar el error de predicción están configurados de tal manera que los valores no cuantificados del error de predicción se cuantifican mediante recorte por la función de cuantificación, que mapea los valores no cuantificados del error de predicción a índices de cuantificación de un primer número constante y limitado de escalones de cuantificación, para obtener el error de predicción cuantificado.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, en el que los medios (22) para cuantificar están configurados para obtener una altura de escalón de cuantificación L (n) de la función de cuantificación, para cuantificar un valor (r (n) ) del error de predicción en una forma adaptativa hacia atrás a partir de dos índices de cuantificación pasados ic (n-1) e ic (n-2) del error de predicción cuantificado según L (n) = ºL (n-1) + o (n) , con ºE[0, 0;1, 0], o (n) = o0 para lic (n-1) + ic (n-2) l: I y o (n) = o1 para lic (n-1) + ic (n-2) l > I con parámetros constantes o0, o1, I, donde 1 (n1) representa una altura de escalón de cuantificación que se obtiene para cuantificar un valor previo del error de predicción.

6. Dispositivo según las reivindicaciones 4 ó 5, en el que los medios para cuantificar están configurados para cuantificar el error de predicción en una forma no lineal.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 a 6, en el que el primer número constante y limitado es 3.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios (16) para determinar están configurados para determinar el umbral motivado de psicopercepción por bloques a partir de la señal de información.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios (16) para determinar están configurados para representar el umbral motivado de psicopercepción en el dominio LSF.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios (16) para determinar están configurados para determinar el umbral motivado de psicopercepción por bloques y para representarlo en coeficientes de filtrado, para someter los coeficientes de filtrado a una predicción y para someter una señal residual de coeficiente de filtrado resultante de la predicción a una cuantificación mediante una función de cuantificación adicional, que mapea valores no cuantificados de la señal residual de coeficiente de filtrado a índices de cuantificación de escalones de cuantificación, y cuya evolución por debajo de un valor umbral adicional es más empinada que por encima del valor umbral adicional, para obtener una señal residual de coeficiente de filtrado cuantificada, incluyendo la señal de información codificada también información sobre la señal residual de coeficiente de filtrado cuantificada.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, en el que los medios (16) para determinar están configurados de tal manera que los valores no cuantificados de la señal residual de coeficiente de filtrado se cuantifican mediante recorte por la función de cuantificación adicional, que mapea los valores no cuantificados de la señal residual de coeficiente de filtrado a índices de cuantificación de un segundo número constante y limitado de

escalones de cuantificación.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, en el que los medios (16) para determinar están configurados de tal manera que la predicción se realiza en una forma adaptativa hacia atrás, basándose en índices de cuantificación de la señal residual de coeficiente de filtrado cuantificada.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 10 a 12, en el que los medios (16) para determinar están configurados de tal manera que la predicción de los coeficientes de filtrado se realiza utilizando un filtro de predicción con coeficientes constantes.

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 13, en el que los medios (16) para determinar además están configurados para someter los coeficientes de filtrado para representar el umbral motivado de psicopercepción a una sustracción con un valor constante, antes de someterlos a la predicción.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios (20) para predecir la señal prefiltrada en una forma adaptativa hacia delante presentan además:

medios (36) para determinar coeficientes de filtrado de predicción a partir de la señal prefiltrada; y medios (44, 46, 48) para predecir la señal prefiltrada mediante un filtro (44) controlado por los coeficientes de filtrado de predicción.

16. Dispositivo según la reivindicación 15, en el que los medios para determinar están configurados para determinar los coeficientes de filtrado de predicción por bloques a partir de la señal prefiltrada.

17. Dispositivo según la reivindicación 15 ó 16, en el que los medios (36) para determinar están configurados para representar los coeficientes de filtrado de predicción en el dominio LSF.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 15 a 17, en el que los medios (36) para determinar están configurados para determinar los coeficientes de filtrado de predicción por bloques, para someter los coeficientes de filtrado de predicción a una predicción, y para someter una señal residual de coeficiente de filtrado de predicción resultante de la predicción a una cuantificación mediante una tercera función de cuantificación, que mapea valores no cuantificados de la señal residual de coeficiente de filtrado de predicción a índices de cuantificación de escalones de cuantificación, y cuya evolución por debajo de un tercer valor umbral es más empinada que por encima del tercer valor umbral, para obtener una señal residual de coeficiente de filtrado de predicción cuantificada, comprendiendo la señal de información codificada también información sobre la señal residual de coeficiente de filtrado de predicción cuantificada.

19. Dispositivo según la reivindicación 18, en el que los medios (36) para determinar están configurados de tal manera los valores no cuantificados de la señal residual de coeficiente de filtrado de predicción se cuantifican por la tercera función de cuantificación, que mapea los valores no cuantificados de la señal residual de coeficiente de filtrado de predicción a índices de cuantificación de un tercer número constante y limitado de escalones de cuantificación, mediante recorte a índices de cuantificación del tercer número de escalones de cuantificación.

20. Dispositivo según la reivindicación 18, en el que los medios (36) para determinar están configurados de tal manera que la predicción se realiza en una forma adaptativa hacia atrás, basándose en índices de cuantificación de la señal residual de coeficientes de filtrado de predicción cuantificada para uno o varios bloques previos de la señal prefiltrada.

21. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 a 19, en el que los medios (36) para determinar están configurados de tal manera que la predicción de los coeficientes de filtrado de predicción se realiza utilizando un filtro de predicción con coeficientes constantes.

22. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 a 21, en el que los medios (36) para determinar además están configurados para someter los coeficientes de filtrado de predicción a una sustracción con un valor constante, antes de someterlos a la predicción.

23. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, que está diseñado para codificar una señal de audio o una señal de vídeo como señal de información, siendo el modelo perceptual un modelo psicoacústico y el umbral motivado de psicopercepción un umbral motivado psicoacústicamente, siendo o el modelo perceptual un modelo psicovisual y el umbral motivado de psicopercepción un umbral motivado psicovisualmente.

24. Dispositivo para descodificar una señal de información codificada, que comprende información sobre una representación de un umbral motivado de psicopercepción, una representación de coeficientes de predicción y un error de predicción cuantificado, en una señal de información descodificada, con:

medios (206) para descuantificar el error de predicción cuantificado, para obtener un error de predicción descuantificado;

medios (208) para determinar una señal predicha basándose en los coeficientes de predicción;

medios (210) para reconstruir una señal prefiltrada basándose en la señal predicha y el error de predicción descuantificado; y medios (212) para filtrar la señal prefiltrada para invertir una normalización con respecto al umbral motivado de psicopercepción, para obtener la señal de información descodificada.

25. Dispositivo según la reivindicación 24, en el que los medios (206) para descuantificar están configurados para descuantificar el error de predicción cuantificado a un número limitado y constante de escalones de cuantificación.

26. Dispositivo según la reivindicación 25, en el que los medios (206) para descuantificar están configurados para obtener una altura de escalón de cuantificación (L (n) ) entre los escalones de cuantificación en una forma adaptativa hacia atrás a partir de índices de cuantificación ya descuantificados del error de predicción cuantificado.

27. Dispositivo según la reivindicación 25 ó 26, en el que los medios (206) para descuantificar están configurados para obtener una altura de escalón de cuantificación (L (n) ) entre los escalones de cuantificación para descuantificar un índice de cuantificación del error de predicción cuantificado en una forma adaptativa hacia atrás a partir de dos índices de cuantificación previos ic (n-1) e ic (n-2) del error de predicción cuantificado según L (n) = L (n-1) + o (n) , con E[0, 0;1, 0], o (n) = o0 para lic (n-1) + ic (n-2) l: I y o (n) = o1 para lic (n-1) + ic (n-2) l > I con parámetros constantes o0, o1, I, donde 1 (n-1) representa una altura de escalón de cuantificación que se obtiene para descuantificar ic (n-1) .

28. Dispositivo según una de las reivindicaciones 25 a 27, en el que el número constante y limitado es menor que o igual a 32.

29. Dispositivo según una de las reivindicaciones 25 a 28, en el que el número constante y limitado es 3.

30. Dispositivo según una de las reivindicaciones 24 a 29, en el que los medios (212) para filtrar presentan:

medios (230) para determinar coeficientes de filtrado de umbral perceptual a partir de la información sobre la representación del umbral motivado de psicopercepción por bloques para bloques de una secuencia de bloques de la señal prefiltrada; y un postfiltro (232) para filtrar la señal prefiltrada utilizando los coeficientes de filtrado de umbral perceptual.

31. Dispositivo según una de las reivindicaciones 24 a 30, en el que los medios (230) para determinar están configurados para obtener los coeficientes de filtrado de umbral perceptual por reconversión desde un dominio LSF.

32. Dispositivo según una de las reivindicaciones 24 a 31, en el que los medios (230) para determinar están configurados para obtener índices de cuantificación de una señal residual de coeficiente de filtrado cuantificada, a partir de la representación del umbral motivado de psicopercepción, para descuantificarla a un segundo número limitado y constante de niveles de cuantificación, con el fin de obtener una señal residual de coeficiente de filtrado descuantificada, para predecir los coeficientes de filtrado que representan el umbral motivado de psicopercepción y sumarlos a la señal residual de coeficiente de filtrado descuantificada y para convertir una señal residual de coeficiente de filtrado reconstruida resultante de la adición por reconversión en los coeficientes de filtrado de umbral perceptual.

33. Dispositivo según la reivindicación 32, en el que los medios (230) para determinar están configurados de tal manera que la predicción se realiza en una forma adaptativa hacia atrás basándose en coeficientes de filtrado ya predichos que representan el umbral motivado de psicopercepción.

34. Dispositivo según la reivindicación 32 ó 33, en el que los medios (230) para determinar están configurados de tal manera que la predicción de los coeficientes de filtrado que representan el umbral motivado de psicopercepción se realiza utilizando un filtro de predicción con coeficientes constantes.

35. Dispositivo según una de las reivindicaciones 32 a 34, en el que los medios (230) para determinar además están configurados para someter la señal residual de coeficiente de filtrado reconstruida resultante de la adición a una adición con un valor constante antes de la reconversión.

36. Dispositivo según una de las reivindicaciones 24 a 37, en el que los medios (208) para determinar una

señal predicha además presentan:

medios (224) para determinar coeficientes de filtrado de predicción a partir de la representación de coeficientes de predicción comprendidos en la señal de información codificada; y medios (226, 228) para predecir la señal prefiltrada mediante un filtro (226) controlado por los coeficientes de filtrado de predicción.

37. Dispositivo según la reivindicación 36, en el que los medios (224) para determinar coeficientes de filtrado de predicción están configurados para determinar los mismos por bloques, para bloques de una secuencia de bloques de la señal prefiltrada.

38. Dispositivo según una de las reivindicaciones 36 ó 37, en el que los medios (224) para determinar están configurados para obtener los coeficientes de filtrado de predicción por reconversión desde un dominio LSF.

39. Dispositivo según una de las reivindicaciones 36 a 38, en el que los medios (224) para determinar están configurados para obtener índices de cuantificación de una señal residual de coeficiente de predicción cuantificada a partir de la representación de los coeficientes de predicción, para descuantificarlos a un tercer número limitado y constante de niveles de cuantificación con el fin de obtener una señal residual de coeficiente de predicción descuantificada, para predecir coeficientes de filtrado de predicción y sumarlos a la señal residual de coeficiente de predicción descuantificada y para convertir una señal residual de coeficiente de predicción reconstruida resultante de la adición por reconversión en los coeficientes de filtrado de predicción.

40. Dispositivo según la reivindicación 39, en el que los medios (224) para determinar están configurados de tal manera que la predicción se realiza en una forma adaptativa hacia atrás, basándose en coeficientes de predicción ya predichos.

41. Dispositivo según la reivindicación 39 ó 40, en el que los medios (224) para determinar están configurados de tal manera que la predicción de los coeficientes de predicción se realiza utilizando un filtro de predicción con coeficientes constantes.

42. Dispositivo según una de las reivindicaciones 39 a 41, en el que los medios (224) para determinar además están configurados para someter la señal residual de coeficiente de predicción reconstruida resultante de la adición a una adición con un valor constante antes de la reconversión.

43. Dispositivo según una de las reivindicaciones 24 a 42, que está diseñado para descodificar una señal de audio o una señal de vídeo como señal de información, y el umbral motivado de psicopercepción es un umbral de enmascarado acústico o un umbral de enmascarado visual.

44. Procedimiento para codificar una señal de información en una señal de información codificada, con las siguientes etapas:

utilizando un modelo de percepción, determinar una representación de un umbral motivado de psicopercepción que indica una porción de la señal de información irrelevante con respecto a la percepción;

filtrar la señal de información para normalizar la señal de información sobre el umbral motivado de psicopercepción, para obtener una señal prefiltrada;

predecir la señal prefiltrada en una forma adaptativa hacia delante, para obtener una señal prefiltrada, un error de predicción para la señal prefiltrada y una representación de coeficientes de predicción, basándose en los cuales puede reconstruirse la señal prefiltrada; y cuantificar el error de predicción para obtener un error de predicción cuantificado, comprendiendo la señal de información codificada información sobre la representación del umbral motivado de psicopercepción, la representación de los coeficientes de predicción y el error de predicción cuantificado.

45. Procedimiento para descodificar una señal de información codificada, que comprende información sobre una representación de un umbral motivado de psicopercepción, una representación de coeficientes de predicción y un error de predicción cuantificado, en una señal de información descodificada, con las siguientes etapas:

descuantificar el error de predicción cuantificado para obtener un error de predicción descuantificado;

determinar una señal predicha basándose en los coeficientes de predicción que se obtuvieron mediante una predicción en una forma adaptativa hacia delante;

reconstruir una señal prefiltrada basándose en la señal predicha y el error de predicción descuantificado; y filtrar la señal prefiltrada para invertir una normalización con respecto al umbral motivado de psicopercepción para obtener la señal de información descodificada.

46. Programa informático con un código de programa para realizar el procedimiento según la reivindicación 44 ó 45, cuando se ejecuta el programa informático en un ordenador.