編碼裝置、編碼方法和碼本的製作方法

2023-10-08 14:15:54

專利名稱：編碼裝置、編碼方法和碼本的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種編碼裝置、一種用於有效地編碼音頻信號和視頻信號的編碼方法以及用於編碼的碼本。
背景技術：
以霍夫曼編碼(Huffman coding)方法為代表的多種有效的可變長度編碼方法，已經被音頻信號和視頻信號編碼所採用。例如通常被稱為MPEG-2AAC(Moving Picture Coding Experts Group-2，AdvancedAudio Coding運動圖像編碼專家組-2，先進音頻編碼)等的國際標準ISO/IEC 13818-7，就作為一種音頻信號編碼方法而聞名。在該編碼方法中，採用多種霍夫曼編碼方法，這是因為它們的編碼效率非常高。
在AAC的情況下，為了獲得數據量的壓縮，MDCT(ModifiedDiscrete Cosine Transform改進的離散餘弦變換)係數被縮放和量化為整數，然後，量化過的係數被表示為霍夫曼碼字。這裡，在AAC霍夫曼編碼中，霍夫曼碼字被分配給在一個確定的最大和最小量化整數值範圍內作為量化代表點的所有整數。類似這樣的霍夫曼碼字的分配意味著通過均勻間隔的代表點，對某一最大和最小值之間的距離表示為歐幾裡得距離。結果，可以僅在每個空間中無誤地控制量化誤差，而不考慮將要量化對象的分布。另外，使用多個具有不同量化精度的霍夫曼碼本，提供了在對於更大量化誤差的更少比特消耗以及對於更小量化誤差的更多比特消耗之間的選擇。
圖1示出利用常規AAC方法來編碼音頻信號的編碼裝置100的結構。編碼裝置100包括縮放單元101、量化單元102、碼字生成單元103、碼本保存單元104和碼流生成單元105。通過以固定頻率來採樣模擬音頻信號獲得的時域中的數字音頻信號，被以規則的時間間隔分割成多組固定數目的採樣，所述採樣被通過MDCT轉換成作為頻域中的數據的MDCT係數，然後被作為輸入數位訊號Y輸入到編碼裝置100中。輸入數位訊號Y被輸入到縮放單元101，該縮放單元101用對於每個被稱為縮放因子頻帶的頻帶的某一增益A，對包含於每個頻帶內的MDCT係數進行縮放。縮放單元101輸出縮放增益A到碼流生成單元105中，並將作為縮放結果所獲得的MDCT係數X輸出到量化單元102中。量化單元102使用預定的變換公式，量化縮放過的MDCT係數X。更具體地說，在AAC方法的情況下，對以浮點數表示的MDCT係數進行捨入得到整數值，就是其量化。碼字生成單元103參考存儲在碼本保存單元104中的碼本，對量化過的MDCT係數進行編碼，並輸出其碼字C到碼流生成單元105中。碼流生成單元105將頭信息等添加到增益A和在該縮放因子頻帶內的碼字C中，並將它們作為碼流輸出，其中，增益A從縮放單元101輸入，碼字C從碼字生成單元103輸入。在碼本保存單元104中，存儲了具有不同量化精度的多個碼本。如果參考存儲在碼本保存單元104中的多個碼本中具有較低量化精度的碼本來執行編碼，碼流比特數可以被減少，但作為代價，引入更大的量化誤差。相反，如果參考具有較高量化精度的碼本來進行編碼，量化誤差可以被減小，但作為代價，需要更多的碼流比特數。總之，該編碼裝置100通過從具有不同量化精度的多個碼本中選擇適合於編碼的碼本，提高了編碼效率。
圖2示出在如圖1所示的常規編碼裝置100的碼本保存單元104中存儲的具有不同量化精度的碼本201至204的例子。在碼本201中，量化值可以是在最大值「1」和最小值「-1」之間的任意整數「-1」、「0」和「1」，並且量化值的碼字被用0和1表示為二進位數。在碼本202中，量化值可以是在最大值「2」和最小值「-2」之間的任意整數「-2」、「-1」、「0」、「1」和「2」，並且量化值的碼字被用0和1表示為二進位數。在碼本203中，量化值可以是在最大值「3」和最小值「-3」之間的任意整數「-3」、「-2」、「-1」、「0」、「1」、「2」和「3」，並且量化值的碼字被用0和1表示為二進位數。在碼本204中，量化值可以是在最大值「4」和最小值「-4」之間的任意整數「-4」、「-3」、「-2」、「-1」、「0」、「1」、「2」、「3」和「4」，並且量化值的碼字被用0和1表示為二進位數。這些碼字僅僅是一些例子，本發明不局限於此。
圖3示出用於參考圖2中的每個碼本，對將要量化的對象X進行量化的代表點(量化值X』)的分布，即作為代表點的整數集。如圖2和圖3所示，碼本201示出碼字被分配到三個代表點「1」、「0」和「-1」上。在該情況下，作為將要量化的對象X1的MDCT係數被縮放，從而成為大約在最大值「1」和最小值「-1」之間的值(但不局限於那些值)。如上所述，在參考碼本201進行編碼的情況下，為表示各自的代表點，碼字僅需要三個值，因此僅需要很少數目的比特。碼本202示出碼字被分配到作為量化值X2』的五個代表點「2」、「1」、「0」、「-1」和「-2」上。在該情況下，作為將要量化的對象X2的MDCT係數被縮放，從而成為大約在最大值「2」和最小值「-2」之間的值(但不局限於那些值)。如上所述，在參考碼本202進行編碼的情況下，為表示五個量化值X2』，需要具有比在碼本201中表示三個量化值X1』的情況下更多比特數的碼字。類似地，在參考碼本203進行編碼的情況下，碼字被分配到從「-3」到「3」的七個量化值X3』上，並且作為將要量化的對象X3的MDCT係數被縮放，從而成為大約在最大值「3」和最小值「-3」之間的值。在參考碼本204進行編碼的情況下，碼字被分配到從「-4」到「4」的九個量化值X4』上，並且作為將要量化的對象X4的MDCT係數被縮放，從而成為大約在最大值「4」和最小值「-4」之間的值。在AAC作為音頻編碼方法的情況下，使用如上所述方法來進行量化和編碼。
另外，如圖2所示，設計碼本201至204，使得較短比特形式的碼字被分配到頻繁出現的量化值上。
然而，在常規方法中，將要量化的對象僅僅被量化成多個代表點，這些代表點均勻間隔分布在以0為中心的正方向和負方向上，而不考慮對象的實際分布情況。例如，由圖3顯見，對應於碼本201至204的代表點301至304，以相同的間隔分布在以0為中心的正方向和負方向上。將要量化的對象以相同的間隔分布，這在統計上是常見的，但很難說它們總是以0為中心均勻間隔分布並且從不偏向正方向或負方向。
此外，在常規方法中，使用多個具有不同量化精度的霍夫曼碼本來量化將要量化的對象，以提高編碼效率。然而，當從一個碼本切換到另一個具有不同量化精度的碼本時，將要量化的對象需要被重新縮放，以適合另一個碼本的精度。圖4是示出在常規編碼裝置100使用具有不同量化精度的碼本進行編碼的情況下，編碼處理過程的例子的流程圖。這裡，作為編碼方法的一個例子，將對首先參考具有最高量化精度的碼本進行編碼的情況進行說明。假定在該情況下，當縮放因子頻帶中的比特數超過作為使用具有最高量化精度的碼本進行編碼的結果的參考值時，參考具有低一級量化精度的碼本進行編碼，然後，這樣的編碼被重複進行，直至該縮放因子頻帶中的比特數成為參考值或更小或不存在具有更低量化精度的碼本為止。首先，在每個縮放因子頻帶中的「N」(其中，N是自然數)個MDCT係數(y1，y2，y3，......，yN)被輸入到縮放單元101中(S401)。縮放單元101對輸入的MDCT係數進行縮放，使得其值落入到具有最高量化精度的碼本中的代表點範圍內(S402)。例如，在參考碼本204進行編碼的情況下，當等式-4＜(yk/A)＝xk＜+4(其中k＝1，2，......，n)對所有這些MDCT係數成立時，縮放單元101以增益A對第「k」個MDCT係數yk進行縮放。量化單元102對縮放過的MDCT係數xk進行捨入，並且碼字生成單元103從碼本204中讀出碼字Ck，其中碼字Ck將被分配給通過捨入獲得的量化值xk』。碼字生成單元103計算該縮放因子頻帶中N個碼字(C1，C2，C3......，CN)的總比特數(S403)，並且判斷計算出的總比特數是否是目標比特數或者小於目標比特數(S404)。
當在步驟S404中該縮放因子頻帶中的碼字的總比特數目標比特數或者更小時(S404中「是」)，碼字生成單元103把用於編碼該縮放因子頻帶的碼本ID(或者序號等)和該縮放因子頻帶中的碼字(C1，C2，C3，......，CN)輸出到碼流生成單元105中。碼流生成單元105輸出碼流，包括從碼字生成單元103輸出的碼本ID和在該縮放因子頻帶中的碼字(C1，C2，C3，......，CN)；從縮放單元101輸出的縮放增益A(S405)。在下一個縮放因子頻帶中的MDCT係數被輸入到編碼裝置100中，編碼裝置100從步驟S401開始上述處理。
當在步驟S404中該縮放因子頻帶中的N個碼字(C1，C2，C3，......，CN)的總比特數大於目標比特數時(S404中「否」)，碼字生成單元103命令縮放單元101在同一縮放因子頻帶中，對MDCT係數(y1，y2，y3，......，yN)進行重新縮放，使得其值落入到具有低一級量化精度的碼本的代表點的值範圍內。根據該指令，縮放單元101返回步驟S402中的處理並重新縮放係數(S402)。更具體地講，出於參考具有比碼本204低一級量化精度的碼本203進行編碼的目的，當等式-3＜(yk/A)＝xk＜+3(其中k＝1，2，......，n)對所有這些MDCT係數成立時，縮放單元101用增益A對第「k」個MDCT係數yk進行縮放。量化單元102對縮放過的MDCT係數xk進行捨入，碼字生成單元103從碼本203中讀出碼字Ck，其中該碼字Ck將被分配給通過捨入獲得的量化值xk』。碼字生成單元103計算在該縮放因子頻帶中的N個碼字(C1，C2，C3，......，CN)的總比特數(S403)，並且判斷計算出的總比特數是否是目標比特數或者更小(S404)。在該縮放因子頻帶中的N個碼字(C1，C2，C3，......，CN)的總比特數在這次仍然大於目標比特數的情況下，編碼裝置100返回步驟S402中的處理，修改增益A的值，並且重複步驟S402至S404的處理，直到不存在具有更低量化精度的碼本或者在縮放因子頻帶中的總比特數成為目標比特數或者更小。
如上所述，為了重複縮放，不但需要對包含於每個縮放因子頻帶中的N個MDCT係數進行分割，而且需要將這N個MDCT係數的每個實數值與代表點的值範圍進行比較。這些分割和比較需要大量的計算，這給編碼帶來了問題。
與上文所述背景相反，本發明的目的是提供一種編碼裝置和一種解碼裝置，其中該編碼裝置允許更有效的編碼，而不增加由重新縮放引起的處理負載。

發明內容
為了解決該問題，根據本發明的編碼裝置是一種用於參考碼本來編碼數位訊號的編碼裝置，包括保存單元，用於保存第一碼本和至少一個第二碼本；編碼單元，用於參考保存在保存單元中的多個碼本之一，用碼字替換數位訊號，其中，第一碼本示出在N(N是自然數)個碼字和N個連續整數之間的一一對應關係，所述至少一個第二碼本示出在M(M是小於N的自然數)個碼字和M個整數之間的一一對應關係，並且編碼單元使用由數位訊號指示的整數值來參考保存在保存單元中的第一和第二碼本之一。
根據如上所述的本發明，使用了不同類型的碼本，集中注意在該事實，即用於量化的代表點並不總是需要由在最大值和最小值之間的值範圍內均勻間隔分布的代表點來表示。更具體地講，在常規碼本中，代表點由在最大值和最小值之間的值範圍內的所有整數值來表示，而在本發明的碼本中，它們可以由較少數目的整數值來表示，少於在最大值和最小值之間的值範圍內的所有整數值。結果，在同一範圍內的代表點的分布可以被作為一個新的特性添加到本發明的碼本中。另外，代表點數目的變化意味著具有不同量化精度的多個碼本，其中所述代表點數目少於在最大值和最小值之間的值範圍內所有整數的數目。因此，通過根據將要生成的碼流的比特數來切換量化精度，可以提高編碼效率。此外，由於對所有的碼本來說，最大值和最小值是相同的，即使從具有一個量化精度的一個碼本切換到具有另一個量化精度的另一個碼本，也無需進行重新縮放，這樣，就可以減少切換碼本所需的計算量。結果，可以預期，本發明的編碼裝置提供了各種優點，如它被實現在LSI和軟體中時，可以減少功耗。
作為關於本申請技術背景的更多信息，2003年6月16日提交的日本專利申請No.2003-170287的公開，包括說明書、附圖和權利要求，在此被全部引入作為參考。
附圖簡述從以下結合附圖對本發明進行的描述中，本發明的這些和其它目的、優點和特性將變得顯而易見，其中


了本發明的一個特定實施例。在這些附圖中圖1示出利用常規ACC方法來編碼音頻信號的編碼裝置的結構；
圖2示出在如圖1所示的常規編碼裝置的碼本保存單元中存儲的具有不同量化精度的多個碼本的例子；圖3示出用於參考圖2中的每個碼本對將要量化的對象X進行量化的量化代表點(量化值X』)的分布；圖4是示出在常規編碼裝置使用具有不同量化精度的碼本進行編碼的情況下的編碼處理過程的一個例子的流程圖；圖5是示出第一實施例中的編碼裝置的結構的方框圖；圖6示出縮放後的量化代表點的分布的一種形式和其中代表點的分布偏向「+2」的一組碼本中的量化精度之間的關係；圖7示出縮放後的量化代表點的分布的另一種形式和其中代表點均勻間隔分布在「0」周圍的碼本中的量化精度之間的關係；圖8示出縮放後的量化代表點的分布的另一種形式和其中代表點的分布偏向「-2」的一組碼本中的量化精度之間的關係；圖9示出代表如圖6所示的量化方法的本實施例的碼本的例子；圖10是示出本實施例中的編碼裝置的操作的流程圖；圖11是示出第一實施例中的解碼裝置的結構的方框圖；圖12示出用於第二實施例中編碼裝置進行的編碼的碼本的代表點的二維分布的例子；以及圖13示出在諸如ACC這樣的常規編碼方法中使用的碼本的代表點的二維分布的例子。
具體實施例方式
下面將參考

本發明的實施例中的編碼裝置和解碼裝置。
(第一實施例)圖5是示出第一實施例中的編碼裝置500的結構的方框圖。在圖5中，相同的參考號碼被分配給編碼裝置500中與如圖1所示的編碼裝置100中相同的部分。編碼裝置500是一種參考具有不同量化精度的多個碼本之一來進行編碼的編碼裝置。這裡，這些碼本在相同的整數值範圍內具有不同的量化代表點分布，並且由於在那一整數範圍內的代表點數目不同，因此具有不同的量化精度。編碼裝置500包括量化單元102、碼流生成單元105、縮放單元501、碼字生成單元503和碼本保存單元504。除了當碼字生成單元503從一個碼本切換到另一個碼本時縮放單元501不進行重新縮放之外，縮放單元501與縮放單元101相同。與縮放單元101的情況相同，縮放單元501使用等式1等把諸如(多個)MDCT係數Y這樣的將要進行編碼的數位訊號分解成增益A和作為將要量化的(多個)對象的(多個)因子X。
Y＝A·X......等式1這裡，A和X可以是整數值，也可以是浮點數值。為簡化起見，X是浮點數值。量化單元102通過捨入等把所輸入的X量化成整數值X』。碼字生成單元503在碼本504中搜索分別對應於所輸入的整數值X』的碼字，並且將其作為碼字C輸出。然而，碼字生成單元503與碼字生成單元103的不同之處在於，前者通過獲得從量化單元102輸入的量化值X』的均值和離差(dispersion)，來檢查將要量化的對象的分布偏差，並且根據分布偏差從多組碼本中選出一組，用以編碼量化值。對應於將要量化的對象的分布偏差的每組碼本包括具有不同量化精度的多個碼本。碼字生成單元503首先使用在所選碼本組中具有最高量化精度的碼本進行編碼，計算在一個縮放因子頻帶中的碼字的總比特數，並且判斷所計算出的總比特數是否是目標比特數或者更小。當它是目標比特數或者更小時，碼字生成單元503將ID或者用於識別用於編碼的碼本的碼本號以及通過編碼獲得的碼字C輸出到碼流生成單元105中。當在該縮放因子頻帶中的碼字的總比特數大於目標比特數時，碼字生成單元503將該碼本切換到另一個具有低一級編碼量化精度的碼本。此時，和碼字生成單元103不同，碼字生成單元503並不命令縮放單元501進行重新縮放。以這種方式，碼字生成單元503重複編碼並計算總比特數，直至在該縮放因子頻帶中的碼字總比特數成為目標比特數或者更小或者不存在具有更低量化精度的碼本為止。碼流生成單元105利用從縮放單元501輸出的增益A(或者指示增益A的索引)、從碼字生成單元503輸出的碼字C以及用於識別碼本的ID，來生成比特流。碼本保存單元504保存具有不同量化精度的多組碼本，並且每組碼本具有自己的將要量化的對象的分布偏差，而不像碼本保存單元104那樣，僅保存具有不同量化精度的一組碼本。
由於本實施例的特點在於如何構造多組碼本，因此將通過與常規碼本進行比較，對如上所述構造的編碼裝置500中使用的碼本進行詳細說明。將使用圖6、圖7、圖8和圖9說明本實施例中的量化方法和編碼方法。將使用圖2和圖3說明常規技術。此外，在本實施例中的情況是，輸入到量化單元502中的值(將要量化的對象)X是一維值。
圖6示出縮放後的量化代表點的分布的一種形式601至604和其中代表點的分布偏向「+2」的一組碼本中的量化精度之間的關係。圖7示出縮放後的量化代表點的分布的另一種形式701至704和其中代表點均勻間隔分布在「0」周圍的碼本中的量化精度之間的關係。圖8示出縮放後的量化代表點的分布的另一種形式801至804和其中代表點的分布偏向「-2」的一組碼本中的量化精度之間的關係。圖6、圖7和圖8中的每個陰影塊指示每個代表點。
圖6示出在代表點的分布偏向「+2」的碼本組中，量化代表點的分布情況601至604，碼字被分配到這些量化代表點上。在代表點的分布601中，碼字被分配到從「-4」到「4」的九個值中的代表點的整數值「4」、「2」和「0」上。在分布602中，碼字被分配到代表點「4」、「2」、「1」、「0」和「-4」上。在分布603中，碼字被分配到代表點「4」、「2」、「1」、「0」、「-1」、「-3」和「-4」上。在分布604中，碼字被分配到從「-4」到「4」的所有九個整數值上，這與常規碼本204的情況相同。
圖7示出在代表點均勻間隔分布在「0」周圍的碼本組中，量化代表點的分布701至704，碼字被分配到這些量化代表點上。在代表點的分布701中，碼字被分配到代表點的整數值「2」、「0」和「-2」上。在分布702中，碼字被分配到代表點「4」、「2」、「0」、「-2」和「-4」上。在分布703中，碼字被分配到代表點「4」、「2」、「1」、「0」、「-1」、「-2」和「-4」上。在分布704中，碼字被分配到從「-4」到「4」的所有九個整數值上，這與常規碼本204的情況相同。
圖8示出在代表點的分布偏向「-2」的碼本組中，量化代表點的分布801至804，碼字被分配到這些量化代表點上。在代表點的分布801中，碼字被分配到代表點的整數值「0」、「-2」和「-4」上。在分布802中，碼字被分配到代表點「4」、「0」、「-1」、「-2」和「-4」上。在分布803中，碼字被分配到代表點「4」、「3」、「1」、「0」、「-1」、「-2」和「-4」上。在分布804中，碼字被分配到從「-4」到「4」的所有九個整數值上，這與常規碼本204的情況相同。
在圖6、圖7和圖8中代表點的分布601、701和801的每一個中，作為代表點的陰影塊的數目是三，這與圖3的分布301中陰影塊的數目相同。在圖6、圖7和圖8中代表點的分布602、702和802的每一個中，作為代表點的陰影塊的數目是五，這與圖3的分布302中陰影塊的數目相同。在圖6、圖7和圖8中代表點的分布603、703和803中，作為代表點的陰影塊的數目是七，這與圖3的分布303中陰影塊的數目相同。在圖6、圖7和圖8中代表點的分布情況604、704和804的每一個中，代表點的數目和其分布與圖3的分布304中的是相同的。這裡將注意力集中在的陰影塊的數目上，該數目指示每個量化精度的碼本中碼字的數目。
在圖6、圖7、圖8和圖3中，對碼本中相同數目的碼字進行描述，這些碼本具有以下各自對應於量化精度的分布形式(1)代表點的分布601、701、801和301；(2)分布602、702、802和302；(3)分布603、703、803和303；(4)分布604、704、804和304。換句話說，這意味著在圖6、圖7、圖8和圖3中，具有相同量化精度的用於量化的碼本具有相同數目的碼字。
接著，僅關注在圖6中的代表點分布下，分布601中的陰影塊總是分布602中的陰影塊，分布602中的陰影塊總是分布603中的陰影塊，分布603中的陰影塊總是分布604中的陰影塊。簡而言之，在分布604中，在最大值和最小值範圍內的所有塊都是陰影塊。這對於圖7和圖8中的分布701至704和801至804同樣成立。分布701和801中的陰影塊總是分布702和802中的陰影塊，分布702和802中的陰影塊總是分布703和803中的陰影塊，分布703和803中的陰影塊總是分布704和804中的陰影塊。簡而言之，在分布704和804中，在最大值和最小值範圍內的所有塊都是陰影塊。這裡，使用其中量化值按照如分布601、701或801所示分布的碼本進行的量化被稱為「第一層量化」。同樣地，使用分布602、702或802的量化被稱為「第二層量化」，使用分布603、703或803的量化被稱為「第三層量化」，使用分布604、704或804的量化被稱為「第四層量化」。此外，用於該第一、第二、第三和第四層量化的碼本分別被稱為「第一層碼本」、「第二層碼本」、「第三層碼本」和「第四層碼本」。
從第一層到第四層的任一種量化方法可以被應用到下面的情況，即將要量化的對象被縮放從而成為在最大值「4」和最小值「-4」之間的值。因此，即使量化方法改變成從第一層到第四層的任一種方法，也就是即使從第一層到第四層碼本中的一個切換成其中的另一個，也無需進行重新縮放。另外，隨著從第一到第四層數的增加，量化精度可以被安全地放大。在本實施例的第四層量化方法中，使用與常規分布304中的量化方法中相同的碼本進行編碼。因此，例如在預定通過具有最高精度的量化方法進行編碼的情況下，無需由於在最高解析度上進行編碼而進行重新縮放，這不同與常規方法。所有要做的只是切換碼本。另外，在將要量化的對象的信號分布提前給定的情況下，各層的量化值不局限於整數值序列，與常規技術相比，還可以根據分布，被更加靈活地設定。
圖9示出本實施例中的碼本的一個例子，代表如圖6所示的量化方法。圖2示出常規碼本，代表如圖3所示的量化方法。
在碼本901中，作為量化代表點的量化值可以是在最大值「4」和最小值「-4」之間的任意三個整數(如「4」、「2」和「0」)，所有這三個量化值的碼字被用0和1表示為二進位值(如111、100和0)。在碼本902中，作為量化代表點的量化值可以是在最大值「4」和最小值「-4」之間的任意五個整數(如「4」、「2」、「1」、「0」和「-4」)，所有這五個量化值的碼字被用0和1表示為二進位值(如1010、100、00、01和1011)。在碼本903中，量化值可以是在最大值「4」和最小值「-4」之間的任意七個整數(如「4」、「2」、「1」、「0」、「-1」、「-3」和「-4」)，所有這七個量化值的碼字被用0和1表示為二進位值(如10101、10100、100、00、01、10110和10111)。在碼本904中，量化值可以是在最大值「4」和最小值「-4」之間的任意整數(「4」、「3」、「2」、「1」、「0」、「-1」、「-2」、「-3」和「-4」)，所有量化值的碼字被用0和1表示為二進位值(如1010001、10101、1010000、100、00、01、10110、10111和1010010)。這些碼字僅僅是舉例，本發明不局限於此。
碼本904中的量化值總是包括碼本903中的量化值。碼本903中的量化值總是包括碼本902中的量化值。碼本902中的量化值總是包括碼本901中的量化值。因此，如果使用碼本902而不是碼本901進行量化，可以減小量化誤差，或者至少避免量化誤差的增加。同樣地，如果使用碼本903而不是碼本902進行量化，可以減小量化誤差，或者至少避免量化誤差的增加。同樣地，如果使用碼本904而不是碼本903進行量化，可以減小量化誤差，或者至少避免量化誤差的增加。因此，在本實施例中，當切換碼本時，只要編碼裝置500縮放MDCT係數使得其值落入到最大值「4」和最小值「-4」之間的範圍內，就無需進行重新縮放。另外，隨著層數從碼本901到碼本904的增加，量化誤差可以被減小。
另一方面，圖9示出在具有最低量化精度的碼本901中的碼字的比特數較小，而在具有較高量化精度的碼本中的碼字比特數較大。例如，量化值「4」在具有最低量化精度的碼本901中由3個比特111表示，但在具有較高量化精度的碼本902中由4個比特1010表示。在具有更高量化精度的碼本903中由5個比特10101表示，在具有最高量化精度的碼本904中由7個比特1010001表示。如上所述，隨著碼本號從碼本901到碼本904的增加，代表點的數目增加，因此，比特消耗通常增長。換句話說，可以通過使用具有較少數目量化代表點的碼本為編碼進行量化，來減少比特消耗，或者可以通過使用具有較多數目量化代表點的碼本為編碼進行量化，來減小量化誤差，雖然這樣比特消耗會增加。
圖10是示出本實施例中的編碼裝置500的操作的流程圖。首先，每個頻帶中的「N」(N是自然數)個信號值(y1，y2，y3，......，yN)被輸入到縮放單元501中(S1001)，該縮放單元501對信號值(y1，y2，y3，......，yN)進行縮放，使得其值落入到一個預定的值範圍內(S1002)。更具體地講，縮放單元501對信號值(y1，y2，y3，......，yN)進行縮放，使得縮放過的信號值xk＝yk/A(其中，k＝1，2，......，N)落入到一個預定的範圍內，即，例如在最大值「4」和最小值「-4」之間的範圍內。量化單元102以預定的方法，例如，將大於1/2的部分計為1而捨去其餘的部分，對縮放後的信號值Xk進行捨入。碼字生成單元503分析由捨入獲得的量化值Xk』的分布(S1003)。更具體地講，它計算在該頻帶內量化值xk』(k＝1，2，......，N)的均值和分布。該均值示出量化值xk』的偏差集中在何處。該分布示出該頻帶內量化值Xk』偏離偏差中心的程度。碼字生成單元503根據分析結果，切換碼本組到最適合量化值Xk』的分布的一組碼本(S1004)。碼字生成單元503從碼本保存單元504中讀出屬於合適碼本組的所有層的碼本，並且從每層的碼本中讀出碼字Ck，碼字Ck將被分配到量化值Xk』(k＝1，2，......，N)上。碼字生成單元503還將讀出的碼字Ck分配到該頻帶內的N個量化值Xk』(k＝1，2，......，N)上，並且計算該頻帶內每層碼字的總比特數(S1005)。
這裡，假定從第一層到第四層的處理是並行進行的。更具體地講，在碼字生成單元503中，(1)用於進行第一層處理的處理單元讀出第一層的碼字Ck1，碼字Ck1將被分配給量化值Xk』(k＝1，2，......，N)。(2)與處理(1)並行，用於進行第二層處理的處理單元讀出第二層的碼字Ck2，碼字Ck2將被分配到量化值Xk』(k＝1，2，......，N)上。(3)與處理(2)並行，用於進行第三層處理的處理單元讀出第三層的碼字Ck3，碼字Ck3將被分配到量化值Xk』(k＝1，2，......，N)上。(4)與處理(3)並行，用於進行第四層處理的處理單元讀出第四層的碼字Ck4，碼字Ck4將被分配到量化值Xk』(k＝1，2，......，N)上。接著，碼字生成單元503計算在該縮放因子頻帶中「N」個碼字(C1，C2，C3，......，CN)的總比特數。更具體地講，(1)用於進行第一層處理的處理單元計算該頻帶內第一層碼字Ck1(k＝1，2，......，N)的總比特數。(2)與處理(1)並行，用於進行第二層處理的處理單元計算該頻帶內第二層碼字Ck2(k＝1，2，......，N)的總比特數。(3)與處理(2)並行，用於進行第三層處理的處理單元計算該頻帶內第三層碼字Ck3(k＝1，2，......，N)的總比特數。(4)與處理(3)並行，用於進行第四層處理的處理單元計算該頻帶內第四層碼字Ck4(k＝1，2，......，N)的總比特數。碼字生成單元503選擇某一層碼本，其中對於該層計算出的總比特數是目標比特數或者更小。或者，在沒有任一層的總比特數是目標比特數或者更小的情況下，碼字生成單元503選擇第一層碼本(S1006)。
碼字生成單元503利用在步驟S1006(S1007)中選擇出的碼本對頻帶中的信號值進行編碼，並且把用於編碼頻帶內的信號值的碼本ID(或者序號等)和頻帶內的碼字(C1，C2，C3，......，CN)輸出到碼流生成單元105中。碼流生成單元105輸出碼流，包括從碼字生成單元503輸出的碼本ID和縮放因子頻帶中的碼字(C1，C2，C3，......，CN)；以及從縮放單元501輸出的縮放增益A(S1008)。此後，下一個頻帶中的信號值被輸入編碼裝置500，從步驟S1001開始如上所述的相同的處理過程。
如上所述，根據本實施例中的編碼裝置500，在每次碼字生成單元503切換碼本時，無需進行重新縮放，因此編碼裝置500中的處理負載可以被降低。另外，由於編碼裝置500保存了多組具有不同量化代表點分布的碼本，因此在量化值的分布提前給定的情況下，可以依靠其分布選擇出最優碼本，這樣，可以實現更加精確的量化和編碼。此外，由於每組碼本擁有多個具有不同量化精度的碼本，因此可以進行更加有效的編碼。
圖11是示出第一實施例中的解碼裝置1100的結構的方框圖。在第一實施例中的解碼裝置1100是一種解碼裝置，用於解碼由第一實施例中的編碼裝置500編碼的碼流。該解碼裝置1100包括碼流分離單元1101、解碼單元1102、反向縮放單元1103和碼本保存單元1104。在解碼裝置1100中，比特流經由記錄媒體或傳輸路徑，從外部被輸入到碼流分離單元1101中。碼流分離單元1101根據預定的碼流語法，從碼流中分離出增益A、碼字C和用於識別碼本的序號或者ID。所分離出的碼字C和用於識別碼本的序號被輸入到解碼單元1102中。所分離出的增益A被輸入到反向縮放單元1103中。存儲在碼本保存單元1104中的碼本與存儲在如圖5所示的編碼裝置500中的碼本保存單元504中的碼本相同。解碼單元1102基於用於識別碼本的序號，識別出存儲在碼本保存單元1104中的一個碼本。參考被識別的碼本，解碼單元1102基於該碼本中描述的量化值X』和相應的碼字C，進一步將碼字C解碼為量化值X』。從解碼單元1102輸出的量化值X』和從碼流中分離出來的增益A被輸入到反向縮放單元1103中。例如，反向縮放單元1103根據等式2等，以增益A放大從解碼單元1102中輸出的量化值X』，從而獲得MDCT係數的值Y』。
Y』＝A·X』......等式2如上所述，根據本實施例，只要存儲在編碼裝置500的碼本保存單元504中的碼本轉變為具有如圖6至8所示的不同代表點分布的任一個碼本，編碼裝置500中的編碼效率就可以被提高，而不會明顯增加其計算量。另外，當解碼在編碼裝置500中生成的比特碼流時，解碼裝置1100可以基於在該碼流中描述的增益A、碼字C和用於識別碼本的序號或者ID，毫無困難地把碼流解碼成數位訊號。
(第二實施例)在第一實施例中，已經說明了將要量化的對象是一維信號值的情況。然而，將要量化的對象無需總是一維的，也可以是多維的。為了簡便起見，作為一個例子，將在下面參考圖12和圖13說明將要量化的對象是二維信號值的情況。圖12示出用於第二實施例中編碼裝置進行的編碼的碼本的代表點的二維分布的例子。圖13示出在諸如ACC這樣的常規編碼方法中使用的碼本的代表點的二維分布的例子。圖12和圖13示意性地示出了在水平軸是x，垂直軸是y並且包括分量x和y的二維向量(x，y)給定的情況下，量化代表點的分布。這裡，例如，兩次連續採樣的量化值可以被應用於該二維向量分量。
在本實施例中，例如，使用如圖12所示的量化方法。更具體地講，在第一層分布1201、第二層分布1202和第三層分布1203中的任一個中，x和y分量的最大值和最小值都是相同的，-3≤x≤3和-3≤y≤3，並且只有代表點的數目隨著層數從第一層分布1201到第三層分布1203的增加而增加。在該結構下，一旦將要量化的對象被縮放並且發現它們被包含於第三層分布1203的任何區域，就可以選擇具有最高編碼效率的層的碼本，從而使用這樣被縮放過的值進行編碼，而無需對其進行重新縮放。例如，將要量化的對象和代表點在第二層分布1202中或者第一層分布1201中並不總是相互匹配的。在那種情況下，可以判斷在第二層分布1202或者第一層分布1201中，每個將要量化的對象靠近哪個陰影區域(代表點)，並且確定最近陰影區域內的代表點作為將要編碼的量化值。如同一維分布的情況一樣，隨著用於量化的層的序號的增加，從第一層分布1201到第三層分布1203的代表點的數目也增加。因此，為了減少量化誤差，對於量化，可以使用具有較大數目的代表點的碼本，但隨之帶來比特消耗的增加。另一方面，為了減少比特消耗，對於量化，可以使用具有較小數目的代表點的碼本，但隨之帶來量化錯誤的可能增加。另外，碼本中的量化代表點可以被基於將要量化的對象的分布來任意創建，而不受均勻間隔分布的限制，因此可以預期編碼效率的提高。
相反，根據如AAC這樣的常規編碼方法，量化代表點的分布，例如，第一層分布1301，被通過確定在x軸方向和y軸方向中的每一個上的最大值和最小值，並且將最大值和最小值之間的距離分割成三個區域，而分割成九個區域。當將要量化的對象被縮放並被劃分到這九個區域中的任一個時，它被使用那個區域的代表點(量化值)進行量化。例如，在第一層分布1301中，當縮放後的最大值和最小值分別是「1」和「-1」時，9個點(-1，-1)、(-1，-0)、(-1，1)、(0，-1)、(0，0)、(0，1)、(1，-1)、(1，0)和(1，1)被用作量化代表點。同樣地，在第二層分布1302中，最大值和最小值之間的距離被分割成五個區域，在第三層分布1303中，最大值和最小值之間的距離被分割成七個區域。在常規碼本中，在任一種情況下，量化代表點的多維分布與其一維分布的情況類似，由均勻間隔分布的代表點來表示。另外，在從一個碼本切換到另一個碼本的情況下(例如，從第一層碼本切換到第二層碼本)，必須進行重新量化，並因此增加了計算量。
值得注意的是，在第二個實施例中，僅說明了如圖12所示的一種形式的代表點分布偏差的情況，但是，本發明不局限於該情況。不用說，與第一實施例的情況相同，對於多種形式的分布，本發明可以保存多組碼本。
此外，已經在上述實施例中說明了將要編碼的輸入信號(將要量化的對象)是音頻信號的情況，但是，本發明不局限於該情況，只要本發明的編碼方法可以應用於這些信號，那麼可以輸入任何種類的信號。例如，可以輸入視頻信號。在所輸入的將要編碼的信號是視頻信號的情況下，對於輸入的DCT係數不進行縮放處理，但是根據將要量化的對象的不同分布，可以使用包含於編碼裝置中的多個碼本實現更高效的編碼。
雖然上文僅對本發明的一些示例性實施例進行了詳細的描述，但是本領域的技術人員將很容易地明白可以在該示例性實施例中進行許多修改，而不從本質上背離本發明的新穎啟示和優點。因此，所有這樣的修改試圖被包含在本發明的範圍內。
工業實用性作為包含於具有壓縮和編碼音頻和視頻信號功能的個人計算機、個人數字助理(PDA)、數字廣播的廣播站、行動電話等中的編碼裝置，根據本發明的編碼裝置是很有價值的。
作為包含於用於壓縮和編碼音頻和視頻信號的編碼裝置中的碼本，和作為包含於用於解碼由編碼裝置編碼的比特碼流的解碼裝置中的碼本，根據本發明的碼本是很有價值的。
權利要求
1.一種編碼裝置，用於參考碼本編碼數位訊號，包括保存單元，用於保存第一碼本和至少一個第二碼本；以及編碼單元，用於參考保存在所述保存單元中的所述碼本之一，用碼字替換數位訊號，其中，所述第一碼本示出在N(N是自然數)個碼字和N個連續整數之間的一一對應關係，所述至少一個第二碼本示出在M(M是小於N的自然數)個碼字和M個整數之間的一一對應關係，以及所述編碼單元使用由所述數位訊號指示的整數值來參考保存在所述保存單元中的所述第一和第二碼本之一。
2.如權利要求1所述的編碼裝置，其中，所述M個整數是所述N個整數的一個子集。
3.如權利要求2所述的編碼裝置，其中，在所述保存單元保存多個第二碼本的情況下，所述第二碼本分別示出在M1，M2，...(M1，M2，...是自然數)個碼字和M1，M2，...個整數之間的一一對應關係，所述M1，M2，...是彼此互不相同的數字，並且所述M1，M2，...個整數包括對所有所述第二碼本公用的一個整數集。
4.如權利要求3所述的編碼裝置，其中，所述保存單元還保存至少一個第三碼本，所述至少一個第三碼本示出在K(K是小於N的自然數)個碼字和K個整數之間的一一對應關係，所述K個整數是所述N個整數的一個子集，所述至少一個第三碼本包括所述K個整數中的一個整數集，所述整數集不同於包含在任何一個所述第二碼本中的整數集，以及在所述保存單元保存多個第三碼本的情況下，所述第三碼本分別示出在K1，K2，...(K1，K2，...是自然數)個碼字和K1，K2，...個整數之間的一一對應關係，所述K1，K2，...是彼此互不相同的數字，並且所述K1，K2，...個整數包括對所有所述第三碼本公用的一個整數集。
5.如權利要求4所述的編碼裝置，還包括縮放單元，用於縮放輸入的信號值，使得所述信號值落入到包括所述N個整數的預定的值範圍內；量化單元，用於分別將所述縮放過的信號值量化到所述N個整數的值範圍內的數位訊號值上；以及選擇單元，用於根據所述量化過的信號值集來選擇所述至少一個第二碼本或者所述至少一個第三碼本，其中，所述編碼單元參考所述選擇出的至少一個第二碼本或者至少一個第三碼本中的一個碼本，用碼字替換所述量化過的信號值。
6.如權利要求5所述的編碼裝置，其中，所述選擇單元計算所述數位訊號值的均值和分布，檢查所述量化過的信號值集，並且基於所述檢查的結果，選擇所述至少一個第二碼本或者所述至少一個第三碼本。
7.如權利要求6所述的編碼裝置，其中，所述編碼單元包括比特計數單元，用於計算每個包括預定數目的採樣的數位訊號中的所述替換的碼字的比特數；以及判斷單元，用於判斷所述計算出的比特數是否是目標比特數或者更小，以及在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的比特數是所述目標比特數或者更小的情況下，所述編碼單元參考所述第一碼本；在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的比特數大於所述目標比特數的情況下，所述編碼單元參考所述選擇出的至少一個第二碼本或者至少一個第三碼本中的一個碼本。
8.如權利要求7所述的編碼裝置，其中，所述編碼單元參考所述選擇出的至少一個第二碼本或者至少一個第三碼本中的一個碼本，在所述一個碼本中的所述碼字的比特數不超過所述目標比特數的情況下，所述一個碼本包括M1，M2，...中最大數目個碼字或者K1，K2，...中最大數目個碼字。
9.如權利要求3所述的編碼裝置，其中，所述編碼單元包括比特計數單元，用於計算每個包括預定數目的採樣的數位訊號中的所述替換的碼字的比特數；以及判斷單元，用於判斷所述計算出的比特數是否是目標比特數或者更小，以及在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的比特數是所述目標比特數或者更小的情況下，所述編碼單元參考所述第一碼本；在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的總比特數大於所述目標比特數的情況下，所述編碼單元參考所述至少一個第二碼本中的一個碼本。
10.如權利要求9所述的編碼裝置，其中，所述編碼單元參考所述至少一個第二碼本中的一個碼本，在所述一個碼本中的所述碼字的比特數不超過所述目標比特數的情況下，所述一個碼本包括M1，M2，...中最大數目個碼字。
11.一種編碼方法，用於參考保存在保存單元中的第一碼本和至少一個第二碼本中的一個碼本來編碼數位訊號，所述編碼方法包括編碼步驟，所述編碼步驟用於參考保存在所述保存單元中的所述碼本之一，用碼字替換數位訊號，其中，所述第一碼本示出N(N是自然數)個碼字和N個連續整數之間的一一對應關係，所述至少一個第二碼本示出M(M是小於N的自然數)個碼字和M個整數之間的一一對應關係；以及在所述編碼步驟中，通過使用由所述數位訊號指示的整數值來參考保存在所述保存單元中的所述第一和第二碼本之一。
12.如權利要求11所述的編碼方法，其中，所述M個整數是所述N個整數的一個子集。
13.如權利要求12所述的編碼方法，其中，在所述保存單元保存多個第二碼本的情況下，所述第二碼本分別示出在M1，M2，...(M1，M2，...是自然數)個碼字和M1，M2，...個整數之間的一一對應關係，所述M1，M2，...是彼此互不相同的數字，並且所述M1，M2，...個整數包括對所有所述第二碼本公用的一個整數集。
14.如權利要求13所述的編碼方法，其中，所述保存單元還保存至少一個第三碼本，所述至少一個第三碼本示出在K(K是小於N的自然數)個碼字和K個整數之間的一一對應關係，所述K個整數是所述N個整數的一個子集，所述至少一個第三碼本包括所述K個整數中的一個整數集，所述整數集不同於包含在任何一個所述第二碼本中的整數集，以及在所述保存單元保存多個第三碼本的情況下，所述第三碼本分別示出在K1，K2，...(K1，K2，...是自然數)個碼字和K1，K2，...個整數之間的一一對應關係，所述K1，K2，...是彼此互不相同的數字，並且所述K1，K2，...個整數包括對所有所述第三碼本公用的一個整數集。
15.如權利要求14所述的編碼方法，還包括縮放步驟，用於縮放輸入的信號值，使得所述信號值落入到包括所述N個整數的預定的值範圍內；量化步驟，用於分別將所述縮放過的信號值量化到所述N個整數的值範圍內的數位訊號值上；以及選擇步驟，用於根據所述量化過的信號值集來選擇所述至少一個第二碼本或者所述至少一個第三碼本，其中，在所述編碼步驟中，參考所述選擇出的至少一個第二碼本或者至少一個第三碼本中的一個碼本，用碼字替換所述量化過的信號值。
16.如權利要求15所述的編碼方法，其中，在所述選擇步驟中，計算所述數位訊號值的均值和分布，檢查所述量化過的信號值集，並且基於所述檢查的結果，選擇所述至少一個第二碼本或者所述至少一個第三碼本。
17.如權利要求16所述的編碼方法，其中，所述編碼步驟包括比特計數步驟，用於計算每個包括預定數目的採樣的數位訊號中的所述替換的碼字的比特數；以及判斷步驟，用於判斷所述計算出的比特數是否是目標比特數或者更小，以及在所述編碼步驟中，在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的比特數是所述目標比特數或者更小的情況下，參考所述第一碼本；在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的比特數大於所述目標比特數的情況下，參考所述選擇出的至少一個第二碼本或者至少一個第三碼本中的一個碼本。
18.如權利要求17所述的編碼方法，其中，在所述編碼步驟中，參考所述選擇出的至少一個第二碼本或者至少一個第三碼本中的一個碼本，在所述一個碼本中的所述碼字的比特數不超過所述目標比特數的情況下，所述一個碼本包括M1，M2，...中最大數目個碼字或者K1，K2，...中最大數目個碼字。
19.如權利要求13所述的編碼方法，其中，所述編碼步驟包括比特計數步驟，用於計算每個包括預定數目的採樣的數位訊號中的所述替換的碼字的比特數；以及判斷步驟，用於判斷所述計算出的比特數是否是目標比特數或者更小，以及在所述編碼步驟中，在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的比特數是所述目標比特數或者更小的情況下，參考所述第一碼本；在參考所述第一碼本而替換的所述碼字的總比特數大於所述目標比特數的情況下，參考所述至少一個第二碼本中的一個碼本。
20.如權利要求19所述的編碼方法，其中，在所述編碼步驟中，參考所述至少一個第二碼本中的一個碼本，在所述一個碼本中的所述碼字的比特數不超過所述目標比特數的情況下，所述一個碼本包括M1，M2，...中最大數目個碼字。
21.一種解碼裝置，用於參考碼本將由碼字表示的碼流解碼成數位訊號，包括提取單元，用於從輸入碼流的每個預定數目的採樣中，提取出以下部分表示所述數位訊號的所述碼字；增益，用於放大作為解碼所述碼字的結果而獲得的所述數位訊號；以及識別信息，用於識別在將所述碼字轉換成整數數位訊號值中使用的碼本；保存單元，用於保存多個碼本；解碼單元，用於識別保存在所述保存單元中的多個碼本中的一個碼本，並且參考所述被識別的碼本，將所述提取出的碼字轉換成所述整數數位訊號值；放大單元，用於利用所述提取出的增益，放大作為所述轉換的結果而獲得的所述數位訊號值。
22.一種解碼方法，用於參考保存在保存單元中的多個碼本中的一個碼本，將由碼字表示的碼流解碼成數位訊號，包括提取步驟，用於從輸入碼流的每個預定數目的採樣中，提取出以下部分表示所述數位訊號的所述碼字；增益，用於放大作為解碼所述碼字的結果而獲得的所述數位訊號；以及識別信息，用於識別在將所述碼字轉換成整數數位訊號值中使用的碼本；解碼步驟，用於識別保存在所述保存單元中的多個碼本中的一個碼本，並且參考所述被識別的碼本，將所述提取出的碼字轉換成所述整數數位訊號值；放大步驟，用於利用所述提取出的增益，放大作為所述轉換的結果而獲得的所述數位訊號值。
23.一個碼本，其被參考以用於用碼字替換數位訊號，所述碼本表示在N(N是自然數)個連續整數範圍內M(M是小於N的自然數)個碼字和M個整數之間的一一對應關係，其中，所述M個整數是所述N個整數的一個子集。
全文摘要
一種編碼裝置(500)包括一個四層碼本，其示出唯一指示以一遞增的各個N(N是自然數)個整數的N個碼字；以及第一到第三層碼本，其示出唯一指示作為N個整數的一個子集的各個M(M是自然數，滿足M＜N)個整數的M個碼字，並且使用第一到第四層碼本中的任意一個來編碼數位訊號。因此，即使從第一到第四層碼本中的一個切換到其中的另一個時，編碼裝置(500)也無需進行重新縮放。
文檔編號H04N7/50GK1806445SQ20048001679
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月7日 優先權日2003年6月16日
發明者津島峰生 申請人:松下電器產業株式會社