專利名稱：Mdct域信號能量與相位補償方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間音頻技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及MDCT域信號能量與相位補償方 法及其裝置。
技術(shù)背景傳統(tǒng)音頻編碼技術(shù)是對每個聲道獨立進行編碼，適合單聲道編碼。在多聲 道立體聲編碼中，利用傳統(tǒng)音頻編碼技術(shù)，會導致碼率隨聲道數(shù)成線性增長?？臻g音頻編碼技術(shù)是針對傳統(tǒng)音頻編碼的問題而出現(xiàn)的，現(xiàn)有空間音頻編 解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖l所示:首先在編碼端將輸入信號進行聲源分離和下混。空 間參數(shù)提取模塊針對分離出來的單一聲源，提取聲場空間信息。然后，由空間 參數(shù)編碼器將提取出來的聲場空間信息進行量化編碼。下混模塊將左右聲道混 合成單聲道信號送入傳統(tǒng)編碼器；在解碼端空間參數(shù)解碼器將空間參數(shù)解碼，還 原聲場空間信息。傳統(tǒng)解碼器將經(jīng)過編碼的下混信號解碼，并輸出給上混模塊。 上混模塊通過去相關(guān)等技術(shù)獲得兩路信號。結(jié)合還原出來的聲場空間信息和獲 得的兩路信號由合成模塊重建原始音頻信號，得到輸出信號?？臻g信息是通過空間參數(shù)來表征的，也就是說，通過度量空間參數(shù)的信息 來表達信號的空間信息量。信號的能量能反應信號所含信息量的大小，空間參 數(shù)的能量也反應了其表達的空間信息量大小。空間參數(shù)主要描述信號的方位信 息和聲像寬度。心理聲學研究結(jié)果表明，聲源定位最重要的依據(jù)是兩耳之間聲 音信號的差別，通常用耳間時間差(Intemural Time Difference, ITD)和耳間聲級差(Interauml Level Difference, ILD)兩個參數(shù)來描述兩耳之間聲音 信號的差別；另一個描述人耳接收聲音信號特性的是雙耳接聽信號的相似度， 用耳間相關(guān)性(Interaural Coherence, IC)來表示，主要反應了人耳對聽覺事 件聲場寬度的感知。其他的一些空間參數(shù)還包括確定聲源遠近的距離信息和確 定聲源垂直位置的高度角信息等。空間心理聲學所指的空間參數(shù)都是針對單一聲源的，而通常的立體聲信號 在同一時刻包含多個聲源，這就需要進行聲源分離。附圖1中的聲源分離模塊 正是為空間參數(shù)提取模塊服務的?，F(xiàn)有空間音頻編解碼系統(tǒng)中，聲源分離模塊 通常是綜合考慮信號的短時特性和人耳的非線性頻率感知特性，采用獨立的時 頻劃分技術(shù)來實現(xiàn)虛擬聲源的分離。主要的時頻劃分工具有混合鏡像濾波器組 HQMF，短時DFT、以及人工耳蝸濾波器CFB。傳統(tǒng)編碼器主要是利用通過降低聲 道內(nèi)的冗余和消除主觀冗余來提高編碼效率，主要采用的是基于MDCT域的感知 編碼。時頻分析是編碼系統(tǒng)中復雜度較高的部分， 一個編碼系統(tǒng)存在兩種不同的 時頻變換更加提高了編碼系統(tǒng)的復雜度。若傳統(tǒng)編碼器和聲源分離模塊都采用 相同的時頻分析工具，便能較大幅度降低編碼系統(tǒng)的復雜度。CFB、 HQMF以及短時DFT由于復雜度、與心理聲學的匹配性等原因不適合用 于傳統(tǒng)編碼。而傳統(tǒng)編碼器的時頻分析工具主要是MDCT(修正離散余弦變換)。 所以在MDCT域進行聲源分離，提取空間參數(shù)，降低編碼系統(tǒng)復雜度是當前研究 的熱點。MDCT是實變換，基于MDCT域的立體聲空間參數(shù)提取，存在著兩大困難第 一，通過MDCT變換后，存在能量抖動，導致變換前后空間參數(shù)能量不一致。例如記錄了左右聲道能量信息的ILD，若輸入信號經(jīng)過MDCT變換后產(chǎn)生能量抖動， 那么ILD就不能正確反映左右聲道信號間的能量差異。第二， MDCT譜線不存在 直接的相位信息，導致提取帶有相位的空間參數(shù)很困難。例如記錄了具有最大 互相關(guān)的時間偏移的ITD，若輸入信號經(jīng)過MDCT變換后不存在相位信息，那么 就不能獲得左右聲道信號間的時間差異。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供MDCT域信號能量與相位補償方 法及其裝置，以統(tǒng)一編碼系統(tǒng)中的時頻分析工具，降低空間音頻編解碼系統(tǒng)的 復雜度。
本發(fā)明的技術(shù)方案包含以下步驟 步驟1，對輸入信號進行MDCT變換，獲得每一幀信號的MDCT譜JT 、前一幀MDCT
譜JT1，以及后一幀MDCT譜JT+';
步驟2，利用步驟1所得的前一幀MDCT譜Z"和后一幀MDCT譜r"，計算差矩
陣系數(shù)x丄及矩陣系數(shù)《，義=(1'+1-1'-')/2，《-(;r"+x'-')/2;
利用MDCT和MDST的變換基特性以及相互關(guān)系，從MDCT和MDST的矩陣定 義式出發(fā)，得到MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，所述轉(zhuǎn)換矩陣包括和矩陣T+及差矩 陣1， T+ 二^(sfC。+S:C,)， H^^(SfC。-Sjq)，其中C。、 C,分別為MDCT的 變換基的前半部分和后半部分的子向量，S 、 S分別為MDST的變換基的前半部 分和后半部分的子向量，MDCT和MDST的變換基為2NxN的矩陣，MDCT和MDST 分別的前半部分和后半部分的子向量均為NxN的矩陣；對和矩陣T+進行稀疏近
似化，得到近似化和矩陣i;;
步驟3，結(jié)合差矩陣系數(shù)zl、和矩陣系數(shù);c、差矩陣H和近似化和矩陣i;，合成當前幀的MDST譜r ， r' = T—Z丄+TmX:;
步驟4，由信號的MDCT譜和MDST譜，構(gòu)造MDFT譜，MDFT譜的構(gòu)造方式為將MDCT 譜作為實部，MDST譜作為虛部，即
z("=;m ，)
其中X(的為輸入信號的MDCT譜，r("為輸入信號的MDST譜，Z(W為輸入信 號的MDFT譜;j表示虛部；/t = 0,l,...,iV—1;
步驟5，利用步驟4所獲輸入信號的MDFT譜Z("，在MDCT域上提取能量信息， 提取方式為依據(jù)如下公式求取信號MDFT譜能量^
1 1 w-i i
其中《表示輸入信號的時域信號能量A;
利用步驟4所獲輸入信號的MDFT譜Z("，在MDCT域上提取相位信息，提取方 式為將MDFT譜延時d個采樣點，得到線性相位3，即3 =鄉(xiāng)(-/^^("*))
其中hO，l，…,iV-1， exp表示指數(shù)運算，j表示虛部; 步驟6，結(jié)合步驟5所提取的能量信息和相位信息，在MDCT域上提取空間參數(shù)。
而且，步驟2中，將MDCT的變換基q和MDST的變換基^分解為N維列向量
表示，即
(cXW)1 (《 (&)t,)t⑥t
其中，q-cosf!(w +丄+豈)(A +丄))，^-sinf!(" +丄+ ^)(A: +丄)〕，A: = O,l，...,iV — l ，
iV 2 2 2
、W 2 2 2 乂
"=0,l,...，2iV-l，上標"T"表示轉(zhuǎn)置，上標"0"和"1"分別用于標識變換基的
前半部分和后半部分的子向量；
從而得到以下四個^^矩陣形式的子向量<formula>formula see original document page 11</formula> 。1 … ^
所述提取MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，包括和矩陣T+和差矩陣T—，通過將上述四
水
子向量帶入下列公式求得
t+^(s〖Co+s:C,) t_=^(s;c0-sx) 。
而且，所述步驟2中，對和矩陣T+進行稀疏近似化，得到近似化和矩陣i;的
具體實施方式
如下，
(1)和矩陣T+的表達式:
(T+)w^(S〖C。+SX)w Re{/+M}
iVsin[豐-/)]，
A — / = o必
iVsin[^(A: + / + l)]，
其中，"W(2A0， k, l分別表示行列標號，Re表示實部，odd表示奇數(shù)， even表示偶數(shù)；
(2)保留以上表達式呈現(xiàn)的稀疏對角陣中絕對值最大的2m個元素值，m取小 于NXN/2的任意自然數(shù)，其它元素均置為O，從而實現(xiàn)對和矩陣T+稀疏近似化，
得到近似化和矩陣i;。
而且，所述步驟5中，在MDCT域上提取能量信息的具體方式如下，
(1)提取時域輸入信號與變換域的對應關(guān)系， 對于時域輸入信號x(")，" = 0,l，...,2iV-l，
有對應關(guān)系如式= (x(O)， x(l)，…,x(2iV -1)) = A U (X(AOc^ + y("^)，
其中，^ "os〔！(w +丄+ :^)(^; +丄))，& :sin〔！(w +丄+ ^)(A: +丄))，A:-0,l，…，iV-l ， * (iV 2 2 2」 * 2 2 2 j
11ZW為輸入信號的MDCT譜，為輸入信號的MDST譜；
(2)根據(jù)時域輸入信號與變換域之間的對應關(guān)系，通過計算能量，找到時域{: 號能量《與信號MDFT譜能量&之間對應的關(guān)系，具體方式如下
，—
2W-1
1 ,W-1 W-l 、
、"0 "0 乂
根據(jù)上式得到與時域信號能量《相應的MDCT域上的能量信息，即信號MDFT譜 Hbi￡m 。
而且，所述步驟6中，結(jié)合步驟5所提取的能量信息和相位信息，在MDCT 域上提取空間參數(shù)的具體方式如下，
若提取代表左右聲道能量差異的空間參數(shù)，則利用時域和MDCT域的能量關(guān)系 ￡,=丄&，在MDCT域上提取與時域等價的空間參數(shù)。
若提取代表左右聲道相位差異的空間參數(shù)，則利用時域到MDCT域產(chǎn)生的線性相 位3，在MDCT域上提取與時域等價的空間參數(shù)。
本發(fā)明還提供了實現(xiàn)上述MDCT域信號能量與相位補償方法的相應裝置，包 含以下部分-包含以下部分，
MDCT變換模塊，用于對輸入信號進行MDCT變換，獲得信號的MDCT譜； 譜運算模塊，用于計算差矩陣系數(shù)r、和矩陣系數(shù)《； MDST轉(zhuǎn)換模塊，用于獲取MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，得到MDST譜； MDFT構(gòu)造模塊，用于根據(jù)信號的MDCT譜和MDST譜，構(gòu)造MDFT譜； 能量提取模塊，用于提取能量信息；相位提取模塊，用于提取相位信息；
空間參數(shù)提取模塊，用于根據(jù)能量信息和相位信息，在MDCT域上提取空間參數(shù);
其中，MDCT變換模塊將輸入信號的MDCT譜輸出到譜運算模塊和MDFT構(gòu)造 模塊，譜運算模塊輸出差矩陣系數(shù)I:、和矩陣系數(shù)《到MDST轉(zhuǎn)換模塊，MDST 轉(zhuǎn)換模塊輸出MDST譜到MDFT構(gòu)造模塊；MDFT構(gòu)造模塊輸出MDFT譜到能量提取 模塊和相位提取模塊；能量提取模塊輸出的能量信息、相位提取模塊輸出的相 位信息接入空間參數(shù)提取模塊。
本發(fā)明的技術(shù)方案通過引入MDST (修正離散正弦變換)譜，并提出MDCT譜 到MDST譜的轉(zhuǎn)換矩陣，最后構(gòu)成MDFT (修正離散傅立葉變換)譜。達到引入 MDST譜同時不增加系統(tǒng)復雜度的目的，從而可以補償信號在MDCT域的能量抖動， 并解決相位缺失問題。


圖1 為現(xiàn)有空間音頻編解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2 為本發(fā)明的方法流程圖； 圖3 為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖
圖4 本發(fā)明在空間音頻編解碼系統(tǒng)中的應用示意圖。
具體實施例方式
參見附圖2，本發(fā)明提供的MDCT域信號能量與相位補償方法完成了低復雜 度下MDCT譜到MDST譜的轉(zhuǎn)換。并且，通過引入MDST譜，結(jié)合MDCT譜，構(gòu)造 了具有恒定能量和線性相位的MDFT譜。最終完成在MDCT域上，提取與時域信 號等價的空間參數(shù)。MDCT域信號能量與相位補償方法包括以下步驟
步驟l，對輸入信號進行MDCT變換，獲得每一幀信號的MDCT譜義'、前幀MDCT譜X'-'，以及后一幀MDCT譜r+1。在音頻信號處理中，總是分幀進行處 理，當前幀為第Z幀時，前一幀就是第/-l幀，后一幀就是第/ + 1幀。具體實施時， 根據(jù)MDCT定義求取JT、 JT1、 Z'"即可。MDCT是一種2W點到W點的實變換，具
體定義如下
<formula>formula see original document page 14</formula>(1. 1)
其中《(")表示立體聲輸入信號的第i幀信號，《("代表;c,^)的MDCT譜線， "=0,1， ，2^-1。
步驟2，利用步驟1所得的前一幀MDCT譜X'-'和后一幀MDCT譜;T1，計算差矩
陣系數(shù)《及矩陣系數(shù)X"義=(1'+1-義")/2, —jr+t+X'-1)";
利用MDCT和MDST的變換基特性以及相互關(guān)系，從MDCT和MDST的矩陣定 義式出發(fā)，得到MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，所述轉(zhuǎn)換矩陣包括和矩陣T+及差矩 陣T-， T+ :+(s〖C。+S^)， T_=^(S[C。-S:q)，其中C。、 C,分別為MDCT的 變換基的前半部分和后半部分的子向量，S。、 S,分別為MDST的變換基的前半部 分和后半部分的子向量，MDCT和MDST的變換基為2NxN的矩陣，MDCT和MDST 分別的前半部分和后半部分的子向量均為NxN的矩陣；對和矩陣T+進行稀疏近
似化，得到近似化和矩陣i;。
具體實施時，可以按以下子流程逐步完成步驟2:
步驟2.1，利用步驟l的MDCT譜;r"和;r-、計算差矩陣系數(shù)《。計算公式為
xi=(n')/2 (1.2)
其中Z'-1為前一幀MDCT譜，廣1為后一幀MDCT譜。
步驟2.2，利用步驟l的MDCT譜;r+'和;r-1 ，計算和矩陣系數(shù)x(。計算公式為
《f+'+Z'-1)" (1.3)其中義"為前一幀MDCT譜，為后一幀MDCT譜。
步驟2. 3，利用MDCT和MDST的變換基特性以及相互關(guān)系，從MDCT和MDST的矩 陣定義式出發(fā)，得到取得MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣?？梢詮膶ΨQ性和正交性兩 個方面，考究MDCT的變換基&和MDST的變換基&之間的關(guān)系，具體方式如下 1)將MDCT的變換基c4和MDST的變換基^分解為N維列向量表示。艮P
(<formula>formula see original document page 15</formula>"=0,1，...,27V-1，上標"T"表示轉(zhuǎn)置，上標"0"和"1"分別表示基向量的前半 部分和后半部分的子向量。于是，得到四個^x^的矩陣
1<formula>formula see original document page 15</formula>Si =( A … -i) (15) 2)關(guān)注MDCT的基函數(shù)&和MDST的基函數(shù)&分解后的向量的正交性。具體過 程如下
<cvW*, (16) 〈W&,-, (L7)
<W=0 (1.8) 其中<，>代表內(nèi)積操作，《—、是狄拉克符號，當且僅當i二j時，《、=1，
其余為0。對MDCT的基函數(shù)&和MDST的基函數(shù)&分別進行內(nèi)積操作后會發(fā)現(xiàn)，
c,和A各自在^取不同值(采用下標《和、表示)時是互相正交的，符合公式1.6
和1.7所描述的。以q和^為參數(shù)進行內(nèi)積操作后，發(fā)現(xiàn)^和4也是互相正交。
153) 關(guān)注MDCT的基函數(shù)^和MDST的基函數(shù)&分解后的向量的對稱性，具體過 程如下
JC。=-C0, JC,q (1.9) JS0=S0, JS,-S, (1.10)
其中J是iVx7V的反對角單位陣。通過分別乘以一個反對角陣，發(fā)現(xiàn)C。的列 向量《和St的列向量《是奇對稱的，d的列向量《和S。的列向量《是偶對稱的。
4) 找到MDCT和MDST的基函數(shù)之間的關(guān)系。具體計算過程如下
;r 1 W 1
(w + AO = cos[— (" + W + — + —+ —)]
(1. 11)
「；r,1 _/V、〃 1、 ,, 1、， =cos[- (w + — + + —) + + —)] W 2 2 2 2
=(一1廣、《("+會+爭(4)] =(-1廣、(")
同理，
&(" + A0 = (-l)、(") (1, 12)
其中q (" + AO為延時#點的& , ^ (" + AO為延時N點的^ 。 &和&分別為MDCT 和MDST的基函數(shù)。用矩陣表示它們之間的關(guān)系如下
(1. 13)
S0=-C， S' = C0P
其中，P是7VxiV的符號單位陣，其僅在對角線上有數(shù)值+l,-l,+l,-l，....。 5)對比MDCT和MDST的矩陣定義式，根據(jù)變換基的基本性質(zhì)，以及它們之
間的關(guān)系，實現(xiàn)MDCT向MDST譜的轉(zhuǎn)換，具體過程如下
A.用矩陣形式表示MDCT的定義式。X。1'
、xl y—4
W+c0x'+1
(1. 14)公式1. 14利用了 MDCT的重疊相加特性，用矩陣表示了 MDCT的定義式。即 對于第i幀2N點的時域信號，可通過第i-l幀MDCT譜線JT-1 、第i幀MDCT譜 線X'，以及第i+1幀MDCT譜線X'+'完美重建。其中，；c〖和x;分別為時域信號的 前N點和后N點組成的N維列向量。
B.利用1.9、 1. IO以及反對角單位陣J的性質(zhì)JTJ:JJ-I，有
S〖C! = J1 JC! = (JS, )T (JC, ) = -S!TC,，
根據(jù)l. 15，以及1.8所示&和a的正交性，有
sjc。 = Ci = 0 ，
C.將MDST譜線的定義式用矩陣形式表示，同時將1.14、 入化簡有
(1. 15)
(1. 16) 1. 15和1. 16代
X。 、(
=^(s〖c。 - s〖q)z丄++柳。十sX)A
(1.17)
其中，r為差矩陣系數(shù)，X:為和矩陣系數(shù)。通過上式可以發(fā)現(xiàn)第i幀MDST
譜線r能夠由相鄰的MDCT譜線f和+1構(gòu)成，而與當前幀MDCT譜線義'無關(guān)。 D，根據(jù)公式1. 17，提取MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣。即和矩陣T+和差矩陣t ，
即:
T+j(S〖C。+S〖CJ
T—=+(S〖C0—S〖q)
(1.18)
(1.19)
以上過程在具體實施時可以簡化，直接根據(jù)MDCT的變換基q和MDST的變 換基a代入結(jié)果公式，而不需重復考究關(guān)系的整個過程。因此，本發(fā)明提供進一步技術(shù)方案為步驟2中，將MDCT的變換基q和MDST的變換基^分解為N維列 向量表示，即
<formula>formula see original document page 18</formula>w = 0,l,...,27V-l，上標"T"表示轉(zhuǎn)置，上標"0"和"1"分別用于標識變換基的
前半部分和后半部分的子向量；
從而得到以下四個^x^矩陣形式的子向量
<formula>formula see original document page 18</formula>所述提取MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，包括和矩陣1+和差矩陣l
通過將上述四
水
子向量帶入下列公式求得 T+j(S〖C。+S〖C,)
T^(S〖C。-SX)
步驟2.4，將和矩陣T+進行稀疏近似化。
獲得MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，即差矩陣^(S[C。-S〖C,)、和矩陣
AT
丄(SfC。+S〖C,)之后，考察到差矩陣l是一個符號單位陣的轉(zhuǎn)置，和矩陣T+是-
水
稀疏對角陣。因此本發(fā)明提出針對和矩陣T+進行稀疏近似化，
具體實施例方式
如下:
首先，得到和矩陣T+的表達式，如下所示:
18—Re{/+M}
7Vsin[豐-/)]'
"/ = 0必 (1.20)
Re{/_'+2},,
iVsin
:
其中，P = ;r/(2A0，分子僅是一個正負1的變化，k， 1分別表示行列標號，odd 表示奇數(shù)，even表示偶數(shù)。
其次，保留公式1.20所示稀疏對角陣中絕對值最大的2m個元素值，其它 元素均置為0值，即忽略矩陣元素的順序、符號和非0值元素，稀疏近似化和
矩陣T+，得到近似化矩陣i;。矩陣i;的任意行或列中組成如下序列，
1 1
7Vsin(9 ' iVsin^ 1 1
iVsin3P ' iVsin3P (1.21)
7Vsin[(2w-l)0] Wsin[(2m — 其中，稀疏對角陣中保留的元素值可以根據(jù)具體實施需要設(shè)定，因此m可取小 于NXN/2的任意自然數(shù)。
步驟3，結(jié)合步驟2. 1，步驟2.2，步驟2.3和步驟2.4所得結(jié)果，由MDCT 譜合成MDST譜，合成公式為
r=T—Z丄+TJ丄 (1,22) 其中r為當前幀的MDST譜，《為步驟2. 1得到的差矩陣系數(shù)，《為步驟2.2 得到的和矩陣系數(shù)，T—為步驟2.3獲得的差矩陣，l為步驟2.4獲得的稀疏近 似化后的和矩陣。
步驟4，由信號的MDCT譜和MDST譜，構(gòu)造MDFT譜?？蓪DCT看作實部， MDST看作虛部，構(gòu)造MDFT，具體構(gòu)造式如下<formula>formula see original document page 20</formula>其中％W為輸入信號的MDCT譜，W)為輸入信號的MDST譜，Z("為輸入信
號的MDFT譜;j表示虛部;h0，l,…,〃-l。
步驟5，利用步驟4獲得的MDFT譜，在MDCT域上提取能量信息和相位信息。
可分以下兩個步驟實現(xiàn)
步驟5. 1，根據(jù)構(gòu)造的MDFT譜，對比輸入信號在時域的能量《(稱為時域信號能 量)和MDFT譜包含的能量^ (稱為信號MDFT譜能量)，找到它們之間的對應關(guān)
系^!^^gl雄)12。然后根據(jù)對應關(guān)系計算出信號MDFT譜能量&，作為
MDCT域上的能量信息。具體過程可參見如下
1.記；為原2N維空間，c^展成的N維空間為Q， ^展成的N維空間為^， 根據(jù)線性空間理論，以及公式1.6、 1.7、 1.8描述的正交性。找到時域輸 入信號與變換域的對應關(guān)系-
對于時域輸入信號;c(w)，" = 0，l，...,2iV-l，有對應關(guān)系如式
<formula>formula see original document page 20</formula>其中，
<formula>formula see original document page 20</formula>為構(gòu)成的一組完備正交基。義W為信號的MDCT譜，y&)為 信號的MDST譜。
2.根據(jù)信號之間的關(guān)系，相應計算能量，找到《和&之間對應的關(guān)系，具 體計算過程如下<formula>formula see original document page 21</formula>
其中ZW為信號的MDCT譜，rw為信號的MDST譜。x(")為時域輸入信號。 hO，l，…,iV-1。
步驟5.2，將輸入信號延時d個采樣點，將MDFT譜延時d個采樣點，得到線性 相位3，即^exp(-/^d("^)，其中"0,l,…,iV-1， exp表示指數(shù)運算，j表示虛 部。通過得到延時信號的MDCT譜和MDST譜，然后得到延時信號的MDFT譜，找 到延時前后MDFT譜的關(guān)系，即可得到線性相位3，作為相位信息。具體過程可 參見如下
1.延時MDCT譜，關(guān)注延時后的MDCT譜的變化。
<formula>formula see original document page 21</formula>
其中Y("為延時d個樣點后的MDCT譜，x(")為原輸入信號。d為延時的樣 點。"0,l,…,iV-l。
2.延時MDST譜，關(guān)注延時后的MDST譜的變化。2W—1
y' (" = x(" 一力Sin[l +丄+上)"+丄)]
2W-1 7 1 TV 1
Z sin[— + " — + —+ —)]
W 2 2
W V《，、r" 1 W、" 1、，
=sin[^ + S cos[^ (" + 5 + +
(1.27)
+ cos[! + —)] ， sin[! (w + — + —+ —)l
其中/(A)為延時d個樣點后MDST譜，x(")為原輸入信號。d為延時的樣點。 A; = 0，l，...,iV-l。
3. 結(jié)合公式1.26和1.27，計算延時后MDFT譜的變化。
Z'(" = X'(A:)- Z(A:)eXp(-y|^+*)) (1.28)
其中Z'("為延時d個樣點后MDFT譜，Jt("為延時d個樣點后MDCT譜， 為延時d個樣點后MDST譜，Z("為原MDFT譜。d為延時的樣點。yfc-O,l，...,iV-l 。
4. 提取相位信息3。
根據(jù)公式1.28可以看出，延時前后的MDFT譜只有一個線性相位的差別， 并且此線性相位只與延時點數(shù)d有關(guān)。通過調(diào)節(jié)延時的點數(shù)可以提取需要的相 位信息。即:
"xp(《母+會》 (1.29) 其中d為延時的樣點數(shù)，A = 0,1，...，7V-1。具體實施時直接采用公式1.29即可提 取相位信息。
步驟6，結(jié)合步驟5. 1所得能量信息和步驟5. 2所得相位信息，在MDCT域 上提取空間參數(shù)。具體實施時一般用多個空間參數(shù)來衡量空間信息的，有代表 空間相位信息的，有代表空間能量信息的。若提取代表左右聲道能量差異的空 間參數(shù)，則利用時域和MDCT域的能量關(guān)系E,丄&，在MDCT域上提取與時域等
價的空間參數(shù)。若提取代表左右聲道相位差異的空間參數(shù)，則利用時域到MDCT域產(chǎn)生的線性相位3 ，在MDCT域上提取與時域等價的空間參數(shù)。
為了具體說明空間參數(shù)的提取，本步驟以雙耳線索ILD， ITD為例具體說明。
具體實施方式
為-
1、 在MDCT域提取ILD信息。
A = 10 log10 (JV(W/ J"x，,) ( 1.30 )
^201og,。^20bg,。jjljl (1.31)
其中/ ,為ILD在時域的值，A,為在MDCT域提取的ILD的值。x々)和;c々)分 別是左右聲道輸入信號，x,和Xf分別表示左右接收的信號能量，/和r分別表示 左右耳。ILD記錄了左右聲道信號的能量比。Z,和Z,分別代表左右聲道的MDFT譜線。
2、 在MDCT域提取ITD信息。
A = arg max (p (/)~ 0 + r)&) (1.32)
/L=4arg(Z,("Z/W) (1.33)
說
其中A為ITD在時域的值，A,為在MDCT域提取的ITD的值。通過計算左右 聲道輸入信號MDFT譜線Z,W和Z^)相位差的群延時提取MDCT域的ITD值。 Z/W為Z,W的共軛。x々)和x々)分別是左右聲道輸入信號。ITD記錄了最大互 相關(guān)的時間偏移""0,l,…,iV-l。 arg為取相角操作。
具體實施時，除了以軟件方式通過計算機實現(xiàn)上述MDCT域信號能量與相位 補償方法，還可以模塊化方式提供MDCT域信號能量與相位補償裝置。如附圖3 所示，所述包含以下部分.-
MDCT變換模塊，用于對輸入信號進行MDCT變換，獲得信號的MDCT譜； 譜運算模塊，用于計算差矩陣系數(shù)義:、和矩陣系數(shù)MDST轉(zhuǎn)換模塊，用于獲取MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，得到MDST譜； MDFT構(gòu)造模塊，用于根據(jù)信號的MDCT譜和MDST譜，構(gòu)造MDFT譜； 能量提取模塊，用于提取能量信息； 相位提取模塊，用于提取相位信息；
空間參數(shù)提取模塊，用于根據(jù)能量信息和相位信息，在MDCT域上提取空間參數(shù);
其中，MDCT變換模塊將輸入信號的MDCT譜輸出到譜運算模塊和MDFT構(gòu)造 模塊，譜運算模塊輸出差矩陣系數(shù)r、和矩陣系數(shù)X:到MDST轉(zhuǎn)換模塊，MDST 轉(zhuǎn)換模塊輸出MDST譜到MDFT構(gòu)造模塊；MDFT構(gòu)造模塊輸出MDFT譜到能量提取 模塊和相位提取模塊；能量提取模塊輸出的能量信息、相位提取模塊輸出的相 位信息接入空間參數(shù)提取模塊。具體實施時，轉(zhuǎn)換矩陣模塊可分C/S矩陣形成 單元和稀疏近似化單元兩部分實現(xiàn)，其中C/S矩陣形成單元獲得轉(zhuǎn)換矩陣，由 稀疏近似化單元對和矩陣1;進行稀疏近似化。
本發(fā)明通過在MDCT域上提取空間參數(shù)，與傳統(tǒng)編碼器采用統(tǒng)一的時頻分析 工具，達到降低編碼系統(tǒng)復雜度的目的。由于MDCT是實變換，所以在MDCT域 上提取空間參數(shù)存在兩大困難，第一，通過MDCT變換后，存在能量抖動，導致 變換前后空間參數(shù)能量不一致。第二， MDCT譜線不存在直接的相位信息，導致 提取帶有相位的空間參數(shù)很困難。本發(fā)明提供了引入MDST譜的方法，來解決能 量抖動和相位缺失的問題。如果直接引用MDST變換獲取MDST譜，又會增加一 種變換，使系統(tǒng)復雜度增加，失去意義。因此本發(fā)明提供了不經(jīng)過MDST變換， 直接從MDCT譜轉(zhuǎn)換到MDST譜的方法，最終達到在MDCT域成功提取空間參數(shù)， 同時達到降低系統(tǒng)復雜度的目的。
附圖4將應用本發(fā)明前后的空間音頻編解碼系統(tǒng)進行對比。附圖4上方是現(xiàn)有的空間音頻編碼系統(tǒng)，其中的空間參數(shù)提取模塊和傳統(tǒng)編碼器需要運用獨
立的MDCT時頻分析工具，傳統(tǒng)編碼器中包括了 MDCT變換部分和量化編碼部分。 附圖4下方是基于本發(fā)明的空間音頻編解碼系統(tǒng)，其中的空間參數(shù)提取模塊按 照本發(fā)明提供方案實現(xiàn)，不僅有原有的空間參數(shù)提取模塊，還在前擴展了 MDCT 變換模塊、譜運算模塊、MDST轉(zhuǎn)換模塊、MDFT構(gòu)造模塊、能量提取模塊和相位 提取模塊；新的空間參數(shù)提取模塊和傳統(tǒng)編碼器共享MDCT時頻變換，傳統(tǒng)編碼 器中只設(shè)量化編碼部分即可。統(tǒng)一時頻變換工具后，整個編碼端只需進行一次 MDCT時頻變換，較大幅度降低了編碼系統(tǒng)的復雜度。
權(quán)利要求
1. 一種MDCT域信號能量與相位補償方法，其特征在于，包含以下步驟步驟1，對輸入信號進行MDCT變換，獲得每一幀信號的MDCT譜Xi、前一幀MDCT譜Xi-1，以及后一幀MDCT譜Xi+1；步驟2，利用步驟1所得的前一幀MDCT譜Xi-1和后一幀MDCT譜Xi+1，計算差矩陣系數(shù)及矩陣系數(shù)利用MDCT和MDST的變換基特性以及相互關(guān)系，從MDCT和MDST的矩陣定義式出發(fā)，得到MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，所述轉(zhuǎn)換矩陣包括和矩陣T+及差矩陣T-，其中C0、C1分別為MDCT的變換基的前半部分和后半部分的子向量，S0、S1分別為MDST的變換基的前半部分和后半部分的子向量，MDCT和MDST的變換基為2N×N的矩陣，MDCT和MDST分別的前半部分和后半部分的子向量均為N×N的矩陣；對和矩陣T+進行稀疏近似化，得到近似化和矩陣Tm；步驟3，結(jié)合差矩陣系數(shù)、和矩陣系數(shù)差矩陣T-和近似化和矩陣Tm，合成當前幀的MDST譜Yi，步驟4，由信號的MDCT譜和MDST譜，構(gòu)造MDFT譜，MDFT譜的構(gòu)造方式為將MDCT譜作為實部，MDST譜作為虛部，即Z(k)＝X(k)-jY(k)其中X(k)為輸入信號的MDCT譜，Y(k)為輸入信號的MDST譜，Z(k)為輸入信號的MDFT譜；j表示虛部；k＝0，1，...，N-1；步驟5，利用步驟4所獲輸入信號的MDFT譜Z(k)，在MDCT域上提取能量信息，提取方式為依據(jù)如下公式求取信號MDFT譜能量Em其中Et表示輸入信號的時域信號能量Et；利用步驟4所獲輸入信號的MDFT譜Z(k)，在MDCT域上提取相位信息，提取方式為將MDFT譜延時d個采樣點，得到線性相位即其中k＝0，1，. ..，N-1，exp表示指數(shù)運算，j表示虛部；步驟6，結(jié)合步驟5所提取的能量信息和相位信息，在MDCT域上提取空間參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的MDCT域能量與相位補償方法，其特征在于步驟2中，將MDCT的變換基c,和MDST的變換基&分解為N維列向量表示，艮P(ct)T=((c:)T (el)1")具中，=cos|—("+—+—)(& + —) I ， A=sm —(" + — —)(& + —)、1 I, 1 、W 2 2 2，A; = 0,l,...，iV —1，AT2 2 2 —"=0,1,...,2JV-1，上標"T"表示轉(zhuǎn)置，上標"0"和"1"分別用于標識變換基的前半部分和后半部分的子向量；從而得到以下四個^^矩陣形式的子向量c — L。
e。 fO )Ci = (c。 … j) S。 二(s。 si … —,) Si =(s。
A ... 一i)所述提取MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，包括和矩陣T+和差矩陣H ，通過將上述四個子向量帶入下列公式求得T,+(S〖C。+S〖q) T_= + (S〖C。—S:C,) 。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的MDCT域能量與相位補償方法，其特征在于所述 步驟2中，對和矩陣T+進行稀疏近似化，得到近似化和矩陣i;的具體實施方式
如下，<formula>formula see original document page 4</formula>(1)和矩陣T+的表達式<formula>formula see original document page 4</formula>其中，^ = :/(2^)， k， l分別表示行列標號，Re表示實部，odd表示奇數(shù)， even表示偶數(shù)；(2)保留以上表達式呈現(xiàn)的稀疏對角陣中絕對值最大的2m個元素值，m取小 于NXN/2的任意自然數(shù)，其它元素均置為0，從而實現(xiàn)對和矩陣T+稀疏近似化，得到近似化和矩陣i;。
4、根據(jù)權(quán)利要求書1所述的MDCT域信號能量和相位補償方法，其特征在于 所述步驟5中，在MDCT域上提取能量信息的具體方式如下，(1)提取時域輸入信號與變換域的對應關(guān)系， 對于時域輸入信號，" = 0， 1，2JV -1 ，有對應關(guān)系如式0c("))-O(0),Jc(l),…,;c(2iV-l)) =4^(X(A:)Ca ，其中，<formula>formula see original document page 4</formula>IW為輸入信號的MDCT譜，為輸入信號的MDST譜；(2)根據(jù)時域輸入信號與變換域之間的對應關(guān)系，通過計算能量，找到時域信 號能量《與信號MDFT譜能量&之間對應的關(guān)系，具體方式如下<formula>formula see original document page 5</formula>根據(jù)上式得到與時域信號能量《相應的MDCT域上的能量信息，即信號MDFT譜 能量&。
5、 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的MDCT域信號能量與相位補償方法中，其特征在于 所述步驟6中，結(jié)合步驟5所提取的能量信息和相位信息，在MDCT域上提取空 間參數(shù)的具體方式如下，若提取代表左右聲道能量差異的空間參數(shù)，則利用時域和MDCT域的能量關(guān)系 在MDCT域上提取與時域等價的空間參數(shù)；若提取代表左右聲道相位差異的空間參數(shù)，則利用時域到MDCT域產(chǎn)生的線性相 位3，在MDCT域上提取與時域等價的空間參數(shù)。
6、 一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述MDCT域信號能量與相位補 償方法的裝置，其特征在于包含以下部分，MDCT變換模塊，用于對輸入信號進行MDCT變換，獲得信號的MDCT譜； 譜運算模塊，用于計算差矩陣系數(shù)r、和矩陣系數(shù)《； MDST轉(zhuǎn)換模塊，用于獲取MDCT到MDST的轉(zhuǎn)換矩陣，得到MDST譜； MDFT構(gòu)造模塊，用于根據(jù)信號的MDCT譜和MDST譜，構(gòu)造MDFT譜； 能量提取模塊，用于提取能量信息； 相位提取模塊，用于提取相位信息；空間參數(shù)提取模塊，用于根據(jù)能量信息和相位信息，在MDCT域上提取空間參數(shù)； 其中，MDCT變換模塊將輸入信號的MDCT譜輸出到譜運算模塊和MDFT構(gòu)造模塊，譜運算模塊輸出差矩陣系數(shù)X:、和矩陣系數(shù)《到MDST轉(zhuǎn)換模塊，MDST 轉(zhuǎn)換模塊輸出MDST譜到MDFT構(gòu)造模塊；MDFT構(gòu)造模塊輸出MDFT譜到能量提取 模塊和相位提取模塊；能量提取模塊輸出的能量信息、相位提取模塊輸出的相 位信息接入空間參數(shù)提取模塊。
全文摘要
本發(fā)明提出了MDCT域信號能量與相位補償方法及其裝置，通過分析MDCT變換基和MDST變換基之間的關(guān)系，利用稀疏化近似矩陣，提取并簡化MDCT至MDST的轉(zhuǎn)換矩陣；利用轉(zhuǎn)換矩陣實現(xiàn)MDCT譜至MDST譜的轉(zhuǎn)換，并聯(lián)合兩者構(gòu)造具有恒定能量及線性相位的MDFT譜；依據(jù)MDFT譜提取空間參數(shù)。本發(fā)明有效解決了信號在MDCT域的能量抖動及相位缺失問題，實現(xiàn)了在空間音頻編碼系統(tǒng)中低復雜度的MDCT域空間參數(shù)提取合成。
文檔編號G10L19/00GK101521012SQ200910061439
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者胡瑞敏, 冰 陳, 琪 陳, 陳水仙 申請人:武漢大學