CN101494054B - 一种音频码率控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种音频码率控制方法及系统。所述方法包括：根据可用比特数确定进行初次编码的子带；根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值；根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；当编码所需比特数大于所述可用比特数时，通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数，使编码所需比特数小于或等于所述可用比特数。能够在降低算法复杂度的基础上兼顾声音质量。
Description
技术领域
本发明主要涉及音频编解码领域，尤其涉及一种音频码率控制方法及系统。
背景技术
传统的数字音频压缩技术主要采用波形编码，通过降低数据的熵冗余度，实现对数据的压缩。这种方法没有考虑到人耳听觉效果的主观特性，算法压缩率较低，音质也较差，其主要用于窄带音频信号的压缩，如A律编码。为了在有限的网络带宽上传输更好的声音质量，一种基于人耳主观感知特征的音频压缩技术得到了发展，相关方面先后制定了MPEG-1 Audio、MPEG-2 Audio、MPEG-2 AAC(Advanced Audio Coding，高级音频编码)、Dolby(AC-3)、MPEG-4AAC等音频压缩标准。这种音频数据压缩方法充分利用人耳听觉系统的感知特性，在原始数据中去掉人耳无法听到的信号细节，从而实现了较低码率下的宽频语音或音频信号的编码。经过这种方法压缩的音频信号虽然存在失真，但是这些失真人耳是听不到的，对人耳是“透明”的，也就是说对人耳的听觉是没有影响的。
现有技术在比特分配和量化的过程中，AAC规范中采用一种被广泛使用的基于两层嵌套循环的比特分配方案，ACC标准通过两层循环来调整各个子带的比例因子的大小，并以此来实现各个子带间的比特分配，其中外层循环用来控制各个子带的量化噪声不超过掩蔽阈值，内层循环用来控制量化编码频域系数所需要的比特数不超过当前可用比特数，这两层循环交替进行，直到两层循环的控制条件都被满足或别的退出条件被满足。如图1所示，内层循环根据全局比例因子对频域系统进行量化和编码，并统计编码比特数，若编码所需比特数大于可用比特数，则增大全局比例因子，重复上述过程直到编码所需比特数小于可用比特数。如图2所示，外层循环计算每个比例因子带的量化噪声， 并将每个比例因子带的量化噪声控制在心理声学模型计算出的掩蔽阈值范围内。当某个比例因子带的量化噪声超过掩蔽阈值时，则增加该比例因子带的比例因子，通过降低量化步长来减少量化噪声，尽可能地使该比例因子带的量化噪声小于掩蔽阈值。在所述的外层循环中，各子带的频域系数被由比例因子所确定的量化步长进行量化，得到量化系数，接着量化系数又被反量化得到反量化系数，然后由频域系数与反量化系数相减得到各个子带的量化噪声。在内层循环中，同样，各个子带的频域系数被量化成量化系数，然后量化系数被编码成相应的码字，再统计这些码字的总长度，这个长度加上其它一些辅助信息的编码长度后就得到了编码所需的比特数。
发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下缺点：现有技术需要进行大量的运算，计算复杂。内层循环对频域系数进行量化和编码，各比例因子带遍历一次，计算复杂；外层循环计算每个比例因子带的量化噪声，只要有一个子带不满足要求，就会再次调用内层循环，导致内层循环运行次数增多，算法运算量增大。
发明内容
本发明实施例提出一种音频码率控制方法及系统，能够在降低算法复杂度的基础上兼顾声音质量。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种音频码率控制方法，包括：
根据可用比特数确定进行初次编码的子带；
根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值；
根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；
当编码所需比特数大于所述可用比特数时，通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数。
一种音频码率控制系统，包括：
第一确定单元，用于根据可用比特数确定进行初次编码的子带；
第一计算单元，用于根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值；
第一编码单元，用于根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；
判断单元，用于判断编码所需比特数是否大于所述可用比特数；
调整单元，用于当编码所需比特数大于所述可用比特数时，通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数，使编码所需比特数小于或等于所述可用比特数。
本发明实施例所述技术方案将比特分配、量化编码过程拆分成两个独立的循环，大大降低了计算复杂度，在量化噪声、编码码率不能同时满足要求时，通过分步调整各个子带的有效比例因子来降低编码比特数，从而有利于保持较高的语音质量，在降低算法复杂度的基础上兼顾了声音质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术AAC规范中比特分配方法的内层循环示意流程图；
图2为现有技术AAC规范中比特分配方法的外层循环示意流程图；
图3为子带编码示意图；
图4为现有技术中MPEG-4AAC的编码流程示意图；
图5为本发明一种音频码率控制方法第一实施例的流程图；
图6为本发明一种音频码率控制方法第二实施例的流程图；
图7为本发明一种音频码率控制方法第三实施例的流程图；
图8为本发明一种音频码率控制方法第四实施例的流程图；
图9为本发明一种音频码率控制系统第一实施例的组成结构图；
图10为本发明一种音频码率控制系统第二实施例的组成结构图；
图11为本发明一种音频码率控制系统第三实施例的组成结构图；
图12为本发明一种音频码率控制系统第四实施例的组成结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更清楚的阐述本发明实施例的技术方案，下面先以MPEG-4AAC音频编码算法为例，阐述基于人耳听觉系统感知特性的音频编码器的关键技术点和编码过程。
1、所述关键技术点包括心理声学模型和子带编码。
(1)心理声学模型主要用来描述人耳听觉系统对声音的感知特性，是所有基于感知音频编码算法的核心。其主要利用了人耳听觉的两个特性来进行压缩编码：听觉阈度、掩蔽效应。
听觉阈度：人耳对声音的感知在频率、响度上都有一定范围。频率方面，正常人可以听到20Hz～20000Hz的声音信号；响度方面，人耳对不同频率的响度有一条听阈曲线，在这条曲线之下的对应频率的信号是听不到的。此外人耳对不同频率的声音敏感程度差别很大，其中对2000Hz～4000Hz范围的信号最敏感，幅度很低的信号都能被人耳听到，而对于高频信号，敏感程度明显降低。
掩蔽效应：一种频率的声音阻碍听觉系统感知另一种频率的声音的现象称为掩蔽效应。两个声音的频率越接近，相互的掩蔽效应越明显；低频信号对高频信号掩蔽作用明显，但高频信号对低频信号的掩蔽效应不明显。对于被掩蔽的信号可以不参与编码，从而降低编码速率。
(2)子带编码
如图3所述，子带编码将信号在频域划分成N个子带(比例因子带)，每个比例因子带内包含若干条谱线，同一个比例因子带内的各条谱线，采用相同的量化阶(相同的比例因子)进行量化。各比例因子带的量化误差等于子带内 各条谱线量化误差之和。利用心理声学模型计算出各个比例因子带的掩蔽阈值，在对谱线进行量化编码时，只要比例因子带的量化噪声小于掩蔽阈值，量化噪声就不会人耳察觉，从而实现对人耳的“无损压缩”。
2、MPEG-4AAC简化的编码流程如图4所示。
1、心理声学模型模块根据人耳的听觉特性计算出各个比例因子带的掩蔽阈值；
2、音频时域信号经过时频变换得到频域的MDCT(Modified discrete cosinetransform，改进型的离散余弦变换)谱系数；
3)量化编码模块根据全局比例因子、各子带比例因子对MDCT谱系数进行量化和编码，AAC中MDCT谱系数量化公式为
其中有效比例因子＝全局比例因子-子带比例因子；
4)码率控制模块根据量化编码模块的量化噪声及编码所需比特数，调整全局比例因子、各子带比例因子，使得每个比例因子带的量化噪声小于该比例因子带的掩蔽阈值，同时编码所需比特数小于可用比特数，。在量化噪声、编码所需比特数不能同时满足要求时，就需要在声音效果、编码比特数之间作出平衡，以保证在较低的码率下提供更好的声音质量。
5)比特流格式器将MDCT谱系数的Huffman编码值及相关边信息按照AAC的码流格式写入码流。
参照图5，示出了本发明一种音频码率控制方法第一实施例的流程图，包括步骤：
步骤510、根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
根据可用比特数选择初次编码的子带数，即确定该码率下优先保证的频带宽度。例如在48kHz采样率、64kbps网络带宽限制下，在选择初次编码子带数时，可以使其仅覆盖到14kHz频带宽度，即优先保证14kHz频带宽度内的声音质量。因为人类听觉系统对低频的声音比对高频的声音更加敏感，因此在有带宽限制的情况下，优先量化编码低频的子带，这样对声音的压缩损失会少很多，甚至对听觉系统没有影响。
为了完成对音频信号的编码处理，首先需要对输入音频信号进行时频转换，时频变化除了前面描述的MDCT外，现有技术中还有多种实现方式，参照相关现有的描述即可，得到所述音频信号的频域系数，然后将所述频域系数按固定的频带划分为若干个频域子带，此过程在前面进行了详细描述，在此不再赘述。
根据目标码率等参数计算出可用比特数，根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
步骤520、根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
通过心理声学模型对时域信号进行分析，得到各个频域子带的噪声掩蔽阈值。所述通过心理声学模型计算出所述子带掩蔽阈值的过程为现有技术，在此不再赘述。
利用心理声学模型确定各子带的掩蔽阈值后，利用待编码子带的掩蔽阈值计算出各子带的有效比例因子的初始值。所述有效比例因子的初始值在进行量化编码时会不断进行调整，因此所述计算不必太精确，利用各子带的掩蔽阈值估计出各子带有效比例因子的初始值即可。
步骤530、根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
对待编码的各个子带进行初次量化，调整各子带的有效比例因子，使得待编码的每个子带的频域系数量化噪声小于该子带的掩蔽阈值。根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行Huffman编码，并统计所需比特数。
为了使音频编码达到感知透明的效果，必须使各个子带系数的编码噪声(量化噪声)小于对应的噪声阈值(掩蔽阈值)。
步骤540、当所需比特数大于所述可用比特数时，通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数，使所需比特数小于或等于所述可用比特数。
若初次编码所需比特数大于可用比特数，则表明需要进行码率控制，通过 分步调整各个子带的有效比例因子来调整编码所需比特数，直到满足可用比特数的要求。分步调整有效比例因子的方法可以有多种，将在后面的实施例中进行详细描述，本领域技术人员可以理解，也并不局限于后面各实施例所描述的方法，其它分步调整有效比例因子的方法也在本发明的保护范围之内。
当所需比特数小于所述可周比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
若初次编码所需比特数小于可用比特数，则说明在优先保证了低频带宽效果的前提下，仍有剩余比特数可以利用。此时遵循由低频到高频的原则，逐个量化、编码高频子带，直到用完剩余的比特数或覆盖所有频率范围。
本发明实施例所述技术方案将比特分配、量化编码过程拆分成两个独立的循环，大大降低了计算复杂度，在量化噪声、编码码率不能同时满足要求时，通过分步调整各个子带的有效比例因子来降低编码比特数，从而有利于保持较高的语音质量，在降低算法复杂度的基础上兼顾了声音质量。
参照图6，示出了本发明一种音频码率控制方法第二实施例的流程图，包括步骤：
步骤610、根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
根据可用比特数选择初次编码的子带数，即确定该码率下优先保证的频带宽度。例如在48kHz采样率、64kbps网络带宽限制下，在选择初次编码子带数时，可以使其仅覆盖到14kHz频带宽度，即优先保证14kHz频带宽度内的声音质量。因为人类听觉系统对低频的声音比对高频的声音更加敏感，因此在有带宽限制的情况下，优先量化编码低频的子带，这样对声音的压缩损失会少很多，甚至对听觉系统没有影响。
为了完成对音频信号的压缩处理，首先需要对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数，然后将所述频域系数按固定的频带划分为若干个频域子带，此过程在前面进行了详细描述，在此不再赘述。
根据目标码率等参数计算出可用比特数，根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
步骤620、根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
通过心理声学模型对时域信号进行分析，得到各个频域子带的噪声掩蔽阈值。所述通过心理声学模型计算出所述子带掩蔽阈值的过程为现有技术，在此不再赘述。
利用心理声学模型确定各子带的掩蔽阈值后，利用待编码子带的掩蔽阈值计算出各子带的有效比例因子的初始值。所述有效比例因子的初始值在进行量化编码时会不断进行调整，因此所述计算不必太精确，利用各子带的掩蔽阈值估计出各子带有效比例因子的初始值即可。
步骤630、根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
对待编码的各个子带进行初次量化，调整各子带的有效比例因子，使得待编码的每个子带的频域系数量化噪声小于该子带的掩蔽阈值。根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行huffman编码，并统计所需比特数。
为了使音频编码达到感知透明的效果，必须使各个子带系数的编码噪声(量化噪声)小于对应的噪声阈值(掩蔽阈值)。
步骤640、判断所需比特数是否大于所述可用比特数，如果所需比特数大于所述可用比特数，则进入步骤650；否则进入步骤690。
步骤650、当所需比特数大于所述可用比特数时，确定有效比例因子最小值的子带。
根据各子带能量的大小，优先调整能量小的子带。根据人耳听觉感知特性中的掩蔽效应可知，音量大的信号可以掩蔽音量小的信号，故优先调整能量小的子带，可以最大限度将量化噪声的影响降到最低。一般而言，子带的能量越大，则有效比例因子也就越大，因此可以用有效比例因子的大小反应子带能量的大小。
步骤660、放大所述子带的有效比例因子。
调整所述有效比例因子最小值的子带的有效比例因子(量化步长)，由于所需比特数大于所述可用比特数，因此需要放大所述子带的有效比例因子。
步骤670、对所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确 定其所需比特数。
根据放大后的有效比例因子对该子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
步骤680、判断所需比特数是否大于可用比特数，如果所需比特数大于所述可用比特数，则进入步骤650；否则结束流程。
步骤690、当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
若初次编码所需比特数小于可用比特数，则说明在优先保证了低频带宽效果的前提下，仍有剩余比特数可以利用。此时遵循由低频到高频的原则，逐个量化、编码高频子带，直到用完剩余的比特数或覆盖所有频率范围。
本实施例在所需比特数大于可用比特数时，优先调整能量小的子带的有效比例因子，从而在同样的可用比特数时能最大程度的兼顾声音质量。
参照图7，示出了本发明一种音频码率控制方法第三实施例的流程图，包括步骤：
步骤710、根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
根据可用比特数选择初次编码的子带数，即确定该码率下优先保证的频带宽度。例如在48kHz采样率、64kbps网络带宽限制下，在选择初次编码子带数时，可以使其仅覆盖到14kHz频带宽度，即优先保证14kHz频带宽度内的声音质量。因为人类听觉系统对低频的声音比对高频的声音更加敏感，因此在有带宽限制的情况下，优先量化编码低频的子带，这样对声音的压缩损失会少很多，甚至对听觉系统没有影响。
为了完成对音频信号的压缩处理，首先需要对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数，然后将所述频域系数按固定的频带划分为若干个频域子带，此过程在前面进行了详细描述，在此不再赘述。
根据目标码率等参数计算出可用比特数，根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
步骤720、根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
通过心理声学模型对时域信号进行分析，得到各个频域子带的噪声掩蔽阈 值。所述通过心理声学模型计算出所述子带掩蔽阈值的过程为现有技术，在此不再赘述。
利用心理声学模型确定各子带的掩蔽阈值后，利用待编码子带的掩蔽阈值计算出各子带的有效比例因子的初始值。所述有效比例因子的初始值在进行量化编码时会不断进行调整，因此所述计算不必太精确，利用各子带的掩蔽阈值估计出各子带有效比例因子的初始值即可。
步骤730、根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
对待编码的各个子带进行初次量化，调整各子带的有效比例因子，使得待编码的每个子带的频域系数量化噪声小于该子带的掩蔽阈值。根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行huffman编码，并统计所需比特数。
为了使音频编码达到感知透明的效果，必须使各个子带系数的编码噪声(量化噪声)小于对应的噪声阈值(掩蔽阈值)。
步骤740、判断所需比特数是否大于所述可用比特数，如果所需比特数大于所述可用比特数，则进入步骤750；否则进入步骤790。
步骤750、当所需比特数大于所述可用比特数时，确定频率最高的子带。
当所需比特数大于所述可用比特数时，按照先高频后低频的原则，逐个调整各子带的有效比例因子。人耳对不同频率的声音敏感度差别很大，其中对2000Hz～4000Hz范围的信号最敏感，幅度很低的信号都能被人耳听到，而对于高频信号，敏感程度明显降低。因此，在声音效果和码率之间需要做出平衡的时候，优先调整高频子带，使噪声更多的分布在高子带，减少由于码率控制对声音质量的影响程度。
步骤760、放大所述子带的有效比例因子。
调整所述频率最高的子带的有效比例因子(量化步长)，由于所需比特数大于所述可用比特数，因此需要放大所述子带的有效比例因子。
步骤770、对所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定其所需比特数。
根据放大后的有效比例因子对该子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
步骤780、判断所需比特数是否大于所述可用比特数，如果所需比特数大于所述可用比特数，则进入步骤750；否则结束流程。
步骤790、当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
若初次编码所需比特数小于可用比特数，则说明在优先保证了低频带宽效果的前提下，仍有剩余比特数可以利用。此时遵循由低频到高频的原则，逐个量化、编码高频子带，直到用完剩余的比特数或覆盖所有频率范围，结束流程。
本实施例在所需比特数大于可用比特数时，优先调整频率最高的子带的有效比例因子，从而在同样的可用比特数时能最大程度的兼顾声音质量。
参照图8，示出了本发明一种音频码率控制方法第四实施例的流程图，包括步骤：
步骤810、根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
根据可用比特数选择初次编码的子带数，即确定该码率下优先保证的频带宽度。例如在48kHz采样率、64kbps网络带宽限制下，在选择初次编码子带数时，可以使其仅覆盖到14kHz频带宽度，即优先保证14kHz频带宽度内的声音质量。因为人类听觉系统对低频的声音比对高频的声音更加敏感，因此在有带宽限制的情况下，优先量化编码低频的子带，这样对声音的压缩损失会少很多，甚至对听觉系统没有影响。
为了完成对音频信号的压缩处理，首先需要对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数，然后将所述频域系数按固定的频带划分为若干个频域子带，此过程在前面进行了详细描述，在此不再赘述。
根据目标码率等参数计算出可用比特数，根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
步骤820、根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
通过心理声学模型对时域信号进行分析，得到各个频域子带的噪声掩蔽阈值。所述通过心理声学模型计算出所述子带掩蔽阈值的过程为现有技术，在此 不再赘述。
利用心理声学模型确定各子带的掩蔽阈值后，利用待编码子带的掩蔽阈值计算出各子带的有效比例因子的初始值。所述有效比例因子的初始值在进行量化编码时会不断进行调整，因此所述计算不必太精确，利用各子带的掩蔽阈值估计出各子带有效比例因子的初始值即可。
步骤830、根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
对待编码的各个子带进行初次量化，调整各子带的有效比例因子，使得待编码的每个子带的频域系数量化噪声小于该子带的掩蔽阈值。根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行huffman编码，并统计所需比特数。
为了使音频编码达到感知透明的效果，必须使各个子带系数的编码噪声(量化噪声)小于对应的噪声阈值(掩蔽阈值)。
步骤840、判断所需比特数是否大于所述可用比特数，如果所需比特数大于所述可用比特数，则进入步骤850；否则进入811。
步骤850、当所需比特数大于所述可用比特数时，确定有效比例因子最小值的子带。
步骤860、当有效比例因子最小值的子带有多个时，确定所述多个子带中频率最高的子带。
步骤870、放大所述子带的有效比例因子。
步骤880、对所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定其所需比特数。
根据放大后的有效比例因子对该子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
步骤890、判断所需比特数是否大于所述可用比特数，如果所需比特数大于所述可用比特数，则进入步骤850；否则进入步骤811。
步骤811、当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
若初次编码所需比特数小于可用比特数，则说明在优先保证了低频带宽效果的前提下，仍有剩余比特数可以利用。此时遵循由低频到高频的原则，逐个量化、编码高频子带，直到用完剩余的比特数或覆盖所有频率范围，结束流程。
本实施例通过子带的能量大小与先高频后低频相结合的方法，分步调整有效比例因子，这种分步调整方法综合考虑了掩蔽效应、以及人耳对不同频率的敏感度。
参照图9，示出了本发明一种音频码率控制系统第一实施例的组成结构图。所述音频码率控制系统包括：第一确定单元910、第一计算单元920、第一编码单元930、判断单元940和调整单元950。
所述第一确定单元910、用于根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
所述第一计算单元920、用于根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
所述第一编码单元930、用于根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
所述判断单元940、用于判断所需比特数是否大于所述可用比特数。
所述调整单元950、用于当所需比特数大于所述可用比特数时，通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数，使所需比特数小于或等于所述可用比特数。
本发明实施例所述技术方案将比特分配、量化编码过程拆分成两个独立的循环，大大降低了计算复杂度，在量化噪声、编码码率不能同时满足要求时，通过分步调整各个子带的有效比例因子来降低编码比特数，从而有利于保持较高的语音质量，在降低算法复杂度的基础上兼顾了声音质量。
参照图10，示出了本发明一种音频码率控制系统第二实施例的组成结构图。所述音频码率控制系统包括：第一确定单元910、第一计算单元920、第一编码单元930、判断单元940和调整单元950；所述调整单元950包括：第二确定模块951、第一放大模块952、第二编码模块953。
所述第一确定单元910、用于根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
根据可用比特数选择初次编码的子带数，即确定该码率下优先保证的频带宽度。例如在48kHz采样率、64kbps网络带宽限制下，在选择初次编码子带数时，可以使其仅覆盖到14kHz频带宽度，即优先保证14kHz频带宽度内的声音质量。因为人类听觉系统对低频的声音比对高频的声音更加敏感，因此在有带宽限制的情况下，优先量化编码低频的子带，这样对声音的压缩损失会少很多，甚至对听觉系统没有影响。
为了完成对音频信号的压缩处理，首先需要对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数，然后将所述频域系数按固定的频带划分为若干个频域子带，此过程在前面进行了详细描述，在此不再赘述。
因此，所述音频码率控制系统还包括转换单元960、用于对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数。
划分单元970、用于将所述频域系数按固定的频带划分为频域子带。
所述第一计算单元920、用于根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
通过心理声学模型对时域信号进行分析，得到各个频域子带的噪声掩蔽阈值。所述通过心理声学模型计算出所述子带掩蔽阈值的过程为现有技术，在此不再赘述。
因此，所述音频码率控制系统还包括：第二计算单元980、用于根据心理声学模型计算出所述子带的掩蔽阈值。
利用心理声学模型确定各子带的掩蔽阈值后，利用待编码子带的掩蔽阈值计算出各子带的有效比例因子的初始值。所述有效比例因子的初始值在进行量化编码时会不断进行调整，因此所述计算不必太精确，利用各子带的掩蔽阈值估计出各子带有效比例因子的初始值即可。
所述第一编码单元930、用于根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
对待编码的各个子带进行初次量化，调整各子带的有效比例因子，使得待编码的每个子带的频域系数量化噪声小于该子带的掩蔽阈值。根据所述有效比 例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行huffman编码，并统计所需比特数。
为了使音频编码达到感知透明的效果，必须使各个子带系数的编码噪声(量化噪声)小于对应的噪声阈值(掩蔽阈值)。
所述判断单元940、用于判断所需比特数是否大于所述可用比特数。
所述调整单元950包括：
第二确定模块951、用于确定有效比例因子最小值的子带。
第一放大模块952、用于放大所述子带的有效比例因子。
第二编码模块953、用于对所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定其所需比特数。
当所需比特数大于所述可用比特数时，确定有效比例因子最小值的子带。根据各子带能量的大小，优先调整能量小的子带。根据人耳听觉感知特性中的掩蔽效应可知，音量大的信号可以掩蔽音量小的信号，故优先调整能量小的子带，可以最大限度将量化噪声的影响降到最低。一般而言，子带的能量越大，则有效比例因子也就越大，因此可以用有效比例因子的大小反应子带能量的大小。
当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
若初次编码所需比特数小于可用比特数，则说明在优先保证了低频带宽效果的前提下，仍有剩余比特数可以利用。此时遵循由低频到高频的原则，逐个量化、编码高频子带，直到用完剩余的比特数或覆盖所有频率范围。
因此，所述音频码率控制系统还包括第五编码单元990、用于当所需比特数小于所述可用比特数时，对所述频域系数的其它子带按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
本实施例在所需比特数大于可用比特数时，优先调整能量小的子带的有效比例因子，从而在同样的可用比特数时能最大程度的兼顾声音质量。
参照图11，示出了本发明一种音频码率控制系统第三实施例的组成结构图。所述音频码率控制系统包括：第一确定单元910、第一计算单元920、第一编码单元930、判断单元940和调整单元950；所述调整单元950包括：第 三确定模块954、第二放大模块955、第三编码模块956。
所述第一确定单元910、用于根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
所述音频码率控制系统还包括转换单元960、用于对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数。
以及划分单元970、用于将所述频域系数按固定的频带划分为频域子带。
所述第一计算单元920、用于根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
所述音频码率控制系统还包括：第二计算单元980、用于根据心理声学模型计算出所述子带的掩蔽阈值。
所述第一编码单元930、用于根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定所需比特数。
对待编码的各个子带进行初次量化，调整各子带的有效比例因子，使得待编码的每个子带的频域系数量化噪声小于该子带的掩蔽阈值。根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行huffman编码，并统计所需比特数。
为了使音频编码达到感知透明的效果，必须使各个子带系数的编码噪声(量化噪声)小于对应的噪声阈值(掩蔽阈值)。
所述判断单元940、用于判断所需比特数是否大于所述可用比特数。
所述调整单元950包括：
第三确定模块954、用于确定频率最高的子带。
第二放大模块955、用于放大所述子带的有效比例因子。
第三编码模块956、用于对所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定其所需比特数。
当所需比特数大于所述可用比特数时，按照先高频后低频的原则，逐个调整各子带的有效比例因子。人耳对不同频率的声音敏感度差别很大，其中对2000Hz～4000Hz范围的信号最敏感，幅度很低的信号都能被人耳听到，而对 于高频信号，敏感程度明显降低。因此，在声音效果和码率之间需要做出平衡的时候，优先调整高频子带，使噪声更多的分布在高子带，减少由于码率控制对声音质量的影响程度。
当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
若初次编码所需比特数小于可用比特数，则说明在优先保证了低频带宽效果的前提下，仍有剩余比特数可以利用。此时遵循由低频到高频的原则，逐个量化、编码高频子带，直到用完剩余的比特数或覆盖所有频率范围。
因此，所述音频码率控制系统还包括第五编码单元990、用于当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
本实施例在所需比特数大于可用比特数时，优先调整频率最高的子带的有效比例因子，从而在同样的可用比特数时能最大程度的兼顾声音质量。
参照图12，示出了本发明一种音频码率控制系统第四实施例的组成结构图。所述音频码率控制系统包括：第一确定单元910、第一计算单元920、第一编码单元930、判断单元940和调整单元950；所述调整单元950包括：第四确定模块957、第五确定模块961、第三放大模块958、第四编码模块959。
所述第一确定单元910、用于根据可用比特数确定进行初次编码的子带。
所述音频码率控制系统还包括转换单元960、用于对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数。
以及划分单元970、用于将所述频域系数按固定的频带划分为频域子带。
所述第一计算单元920、用于根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值。
所述音频码率控制系统还包括：第二计算单元980、用于根据心理声学模型计算出所述子带的掩蔽阈值。
所述第一编码单元930、用于根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确 定所需比特数。
对待编码的各个子带进行初次量化，调整各子带的有效比例因子，使得待编码的每个子带的频域系数量化噪声小于该子带的掩蔽阈值。根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行huffman编码，并统计所需比特数。
为了使音频编码达到感知透明的效果，必须使各个子带系数的编码噪声(量化噪声)小于对应的噪声阈值(掩蔽阈值)。
所述判断单元940、用于判断所需比特数是否大于所述可用比特数。
所述调整单元950包括：
第四确定模块957、用于确定有效比例因子最小值的子带。
第五确定模块961、用于当有效比例因子最小值的子带有多个时，确定所述多个子带中频率最高的子带。
第三放大模块958、用于放大所述子带的有效比例因子。
第四编码模块959、用于对所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定其所需比特数。
当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
若初次编码所需比特数小于可用比特数，则说明在优先保证了低频带宽效果的前提下，仍有剩余比特数可以利用。此时遵循由低频到高频的原则，逐个量化、编码高频子带，直到用完剩余的比特数或覆盖所有频率范围。
因此，所述音频码率控制系统还包括第五编码单元990、用于当所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码。
本实施例通过子带的能量大小与先高频后低频相结合的方法，分步调整有效比例因子，这种分步调整方法综合考虑了掩蔽效应、以及人耳对不同频率的敏感度。
本发明各实施例中的第一编码单元、第二编码模块、第三编码模块、第四编码模块、第五编码单元可以是同一个编码装置，也可以是独立的多个编码装置，本发明各实施例为了表明不同的功能将其分为多个编码装置，不能因此理 解为不同的编码装置。
本发明各系统实施例是与方法实施例对应的，因此，在系统实施例中未详细描述的部分参照方法实施例相应部分的描述即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种音频码率控制方法，其特征在于，包括：
根据可用比特数确定进行初次编码的子带；
根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值；
根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；
当编码所需比特数大于所述可用比特数时，通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数；
当编码所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码，所述其它子带指除去所述初次编码的子带以外的子带。
2.根据权利要求1所述的音频码率控制方法，其特征在于，所述通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数包括：
确定有效比例因子最小值的子带；
放大有效比例因子最小值的所述子带的有效比例因子；
对有效比例因子最小值的所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；
上述过程循环进行直至编码所需比特数小于或等于所述可用比特数。
3.根据权利要求1所述的音频码率控制方法，其特征在于，所述通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数包括：
确定频率最高的子带；
放大频率最高的所述子带的有效比例因子；
对频率最高的所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；
上述过程循环进行直至编码所需比特数小于或等于所述可用比特数。
4.根据权利要求1所述的音频码率控制方法，其特征在于，所述通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数包括：
确定有效比例因子最小值的子带；
当有效比例因子最小值的子带有多个时，确定所述多个子带中频率最高的子带；
放大频率最高的所述子带的有效比例因子；
对频率最高的所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；
上述过程循环进行直至编码所需比特数小于或等于所述可用比特数。
5.根据权利要求1至4任一项所述的音频码率控制方法，其特征在于，在所述根据可用比特数确定进行初次编码的子带前还包括：
对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数；
将所述音频信号的频域系数按固定的频带划分为频域子带。
6.根据权利要求5所述的音频码率控制方法，其特征在于，在所述根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值前还包括：
根据心理声学模型计算出所述初次编码的子带的掩蔽阈值。
7.一种音频码率控制系统，其特征在于，包括：
第一确定单元，用于根据可用比特数确定进行初次编码的子带；
第一计算单元，用于根据所述子带的掩蔽阈值计算所述子带的有效比例因子的初始值；
第一编码单元，用于根据所述子带的有效比例因子的初始值调整所述有效比例因子，使得所述子带频域系数的量化噪声小于所述掩蔽阈值，根据所述有效比例因子对所述子带进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数；
判断单元，用于判断编码所需比特数是否大于所述可用比特数；
调整单元，用于当编码所需比特数大于所述可用比特数时，通过分步调整子带的有效比例因子来调整编码所需比特数，使编码所需比特数小于或等于所述可用比特数；
第五编码单元，用于当编码所需比特数小于所述可用比特数时，对其它子带的频域系数按照频率从低到高的顺序进行量化，对量化后的频域系数进行编码，所述其它子带指除去所述初次编码的子带以外的子带。
8.根据权利要求7所述的音频码率控制系统，其特征在于，所述调整单元包括：
第二确定模块，用于确定有效比例因子最小值的子带；
第一放大模块，用于放大有效比例因子最小值的所述子带的有效比例因子；
第二编码模块，用于对有效比例因子最小值的所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数。
9.根据权利要求7所述的音频码率控制系统，其特征在于，所述调整单元包括：
第三确定模块，用于确定频率最高的子带；
第二放大模块，用于放大频率最高的所述子带的有效比例因子；
第三编码模块，用于对频率最高的所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数。
10.根据权利要求7所述的音频码率控制系统，其特征在于，所述调整单元包括：
第四确定模块，用于确定有效比例因子最小值的子带；
第五确定模块，用于当有效比例因子最小值的子带有多个时，确定所述多个子带中频率最高的子带；
第三放大模块，用于放大频率最高的所述子带的有效比例因子；
第四编码模块，用于对频率最高的所述子带重新进行量化，对量化后的频域系数进行编码，确定编码所需比特数。
11.根据权利要求7至10任一项所述的音频码率控制系统，其特征在于，还包括：
转换单元，用于对输入音频信号进行时频转换，得到所述音频信号的频域系数；
划分单元，用于将所述音频信号的频域系数按固定的频带划分为频域子带。
12.根据权利要求11所述的音频码率控制系统，其特征在于，还包括：
第二计算单元，用于根据心理声学模型计算出所述初次编码的子带的掩蔽阈值。
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