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TWI404050B - 多聲道音頻信號解碼方法與裝置 - Google Patents

多聲道音頻信號解碼方法與裝置 Download PDF

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TWI404050B
TWI404050B TW098119112A TW98119112A TWI404050B TW I404050 B TWI404050 B TW I404050B TW 098119112 A TW098119112 A TW 098119112A TW 98119112 A TW98119112 A TW 98119112A TW I404050 B TWI404050 B TW I404050B
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Chu Feng Lien
Wei Jan Wang
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Description

多聲道音頻信號解碼方法與裝置
本發明係為一種多聲道音頻信號解碼方法與裝置，尤指應用於一種播放系統之多聲道音頻信號解碼方法與裝置。
為能有效降低數位編碼音頻信號之資料量，許多資料壓縮方法被發展出來，其中進階音頻編碼技術(Advanced Audio Coding，以下簡稱AAC)是發展相當快速且應用相當廣泛的一種。而為能追求更低的位元率與更高的聲音品質，高效率進階音頻編碼技術(High Efficiency Advanced Audio Coding，簡稱HE-AAC)便應運而生。高效率進階音頻編碼技術主要是在進階音頻編碼技術的基礎上，增加了頻段複製(Spectral Band Replication，簡稱SBR)演算法來達到很高的壓縮效率，大約可以節省30%的位元率(bit-rates)，進而於低位元率的條件下仍能保有高品質的聲音。
請參見第一圖(a)，其係一HE-AAC之習用解碼器功能方塊示意圖，以原始取樣頻率fs、音頻範圍0～fa為例，其中待解碼音頻信號先經過一AAC解碼器10後，進而解出取樣頻率僅有fs/2之脈衝碼調變(pulse code modulation，PCM)信號，然後將該信號送入一高效率模組11進行處理。該高效率模組11中之正交鏡像濾波器組分析模組(Quadrature Mirror Filters Banks analysis)111對該等音頻資料進行解調分析，進而在頻域(frequency domain)上產生頻帶範圍在0～fa/2之低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料(頻帶範圍在fa/2～fa)之一組係數，接著把該低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之該組係數送入頻段複製模組(SBR module)112進行頻段複製，進而產生出一高頻帶音頻資料，而該低頻帶音頻資料與該高頻帶音頻資料經過合併模組113以及正交鏡像濾波器組合成模組(Quadrature Mirror Filters Banks Synthesis)114後，還原產生出取樣頻率為fs之脈衝碼調變信號。
而在現今的影音播放系統中，環繞音效(Surround)已是必備的功能，而可提供環繞音效之多聲道數位編碼音頻信號有許多種格式，其中常見的有5.1聲道格式，其係將分屬6個聲道之音頻信號編碼成一多聲道數位編碼音頻信號來進行儲存與傳送。而播放系統在解碼還原成6個聲道之音頻信號後，再利用如第一圖(b)所示之一對前置揚聲器L與R、一中置揚聲器C、一對後環繞揚聲器RL與RR以及一超重低音揚聲器Sub來進行播放。每個揚聲器各自負責獨立的聲音效果，如前置揚聲器L與R負責主聲道，提供前方音場。中置揚聲器C負責影片中的人聲對白，後環繞揚聲器RL與RR產生完整的音場包圍感，超重低音揚聲器Sub負責低頻輸出的任務。
而將上述兩種技術結合之HE-AAC 5.1音頻編碼技術，目前廣泛應用於數位影音光碟(DVD)、數位廣播及數位電視等方面，但是，在習用解碼過程中，必須將待解碼信號輸入第一圖(a)所示之解碼器，並利用正交鏡像濾波器組分析模組111、頻段複製模組112、合併模組113與正交鏡像濾波器組合成模組114重複進行6次解碼動作，方能將屬於6個聲道之音頻信號分別解碼還原出來進行播放，過多的運算程序將造成播放系統的負擔，而如何改善上述缺失，係為發展本案之主要目的。
本案揭示一種多聲道音頻信號解碼方法，應用於一播放系統，該方法包含下列步驟：接收待解碼多聲道音頻信號；對待解碼多聲道音頻信號進行第一解碼程序而產生一多聲道音頻信號；因應多聲道音頻信號中一第一單聲道音頻資料屬於第一分類而利用第一單聲道音頻資料進行第二解碼程序，進而產生第一單聲道音頻信號；以及因應多聲道音頻信號中一第二單聲道音頻資料屬於第二分類而利用該第二單聲道音頻資料進行第三解碼程序，進而產生第二單聲道音頻信號，其中該第三解碼程序所需之指令數目少於該第二解碼程序所需之指令數目，較佳地，待解碼多聲道音頻信號為一待解碼HE-AAC 5.1音頻信號，而第一解碼程序係利用AAC解碼器來進行，而多聲道音頻信號係為6聲道脈衝碼調變信號。較佳地，第一分類係為左聲道、右聲道、後左聲道與後右聲道之音頻資料，而該第二分類係為中置聲道與超重低音聲道之音頻資料，而透過解析該待解碼HE-AAC 5.1音頻信號中每一個訊框之表頭來判斷其屬於該第一分類或該第二分類。
根據上述構想，本案所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第二解碼程序包含下列步驟：對第一單聲道音頻資料進行解調分析，進而在頻域上產生一低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之一組係數；利用該低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之該組係數進行頻段複製，進而產生出一高頻帶音頻資料；以及將該低頻帶音頻資料與該高頻帶音頻資料合併後進行合成，還原產生出第一單聲道音頻信號。
根據上述構想，本案所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第三解碼程序包含下列步驟：將第二單聲道音頻資料之每個取樣點間置入數值為0之取樣點，進而形成取樣點增加信號；以及將取樣點增加信號進行低通濾波處理，用以將該信號中之高頻成份濾除，進而產生出第二單聲道音頻信號。
根據上述構想，本案所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第二單聲道音頻資料係為一選定頻率範圍之低頻音頻資料，而該第三解碼程序更包含下列步驟：對該選定頻率範圍之低頻音頻資料進行處理而捨棄該第二單聲道音頻資料之一高頻率係數及資料。
本案之另一方面係為一種多聲道音頻信號解碼裝置，應用於一播放系統，多聲道音頻信號解碼裝置包含：解碼器，用以接收一待解碼多聲道音頻信號並對待解碼多聲道音頻信號進行第一解碼程序而產生一多聲道音頻信號；高效率模組，信號連接於解碼器，用以對該多聲道音頻信號中屬於第一分類之第一單聲道音頻資料進行第二解碼程序，進而產生第一單聲道音頻信號；以及低頻模組，信號連接於解碼器，用以對多聲道音頻信號中屬於第二分類之第二單聲道音頻資料進行第三解碼程序，進而產生第二單聲道音頻信號，其中該第三解碼程序所需之指令數目少於該第二解碼程序所需之指令數目。較佳地，待解碼多聲道音頻信號為一待解碼HE-AAC 5.1音頻信號，而解碼器係為AAC解碼器，而多聲道音頻信號係為一6聲道脈衝碼調變信號，而第一分類係為左聲道、右聲道、後左聲道與後右聲道之音頻資料，而該第二分類係為中置聲道與超重低音聲道之音頻資料，該解碼器透過解析該待解碼HE-AAC 5.1音頻信號中每一個訊框之表頭來判斷其屬於該第一分類或該第二分類。較佳地，高效率模組包含：正交鏡像濾波器組分析模組，信號連接於解碼器，用以對第一單聲道音頻資料進行解調分析，進而在頻域上產生一低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之一組係數；頻段複製模組，信號連接於正交鏡像濾波器組分析模組，利用該低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之該組係數進行頻段複製，進而產生出一高頻帶音頻資料；合併模組，信號連接於正交鏡像濾波器組分析模組與頻段複製模組，用以將低頻帶音頻資料與高頻帶音頻資料進行合併；以及正交鏡像濾波器組合成模組，信號連接於合併模組，用以將合併後之低頻帶音頻資料與高頻帶音頻資料進行合成，還原產生出第一單聲道音頻信號。
根據上述構想，本案所述之多聲道音頻信號解碼裝置，其中低頻模組包含：取樣點增加器，信號連接於解碼器，用以於該第二單聲道音頻資料之每個取樣點間置入數值為0之取樣點，進而形成一取樣點增加信號；以及內插濾波器，信號連接於取樣點增加器，將取樣點增加信號進行低通濾波處理，用以將該信號中之高頻成份濾除，進而產生出第二單聲道音頻信號。
根據上述構想，本案所述之多聲道音頻信號解碼裝置，其中該低頻模組係對該第二單聲道音頻資料之一選定頻率範圍之低頻音頻資料進行處理，而該解碼器係將該選定頻率範圍之低頻音頻資料送給該低頻模組而捨棄該第二單聲道音頻資料之一高頻率係數及資料。
請參見第二圖，其係本案為改善習用手段所發展出來之一HE-AAC 5.1解碼器功能方塊示意圖，首先，待解碼HE-AAC 5.1音頻信號經過一AAC解碼器20之處理後，可解出取樣頻率為fs/2而分屬於6個聲道之脈衝碼調變(pulse code modulation，PCM)信號。其中屬於左聲道、右聲道、後左聲道與後右聲道之音頻資料將分別被送入高效率模組21進行處理。該高效率模組21中之正交鏡像濾波器組分析模組(Quadrature Mirror Filters Banks analysis)211對該等音頻資料進行解調分析，進而在頻域(frequency domain)上產生頻帶範圍在0～fa/2之低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料(頻帶範圍在fa/2～fa)之一組係數，接著把該低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之該組係數送入頻段複製模組(SBR module)212進行頻段複製，進而產生出一高頻帶音頻資料，而該低頻帶音頻資料與該高頻帶音頻資料經過合併模組213以及正交鏡像濾波器組合成模組(Quadrature Mirror Filters Banks Synthesis)214後，還原產生出屬於左聲道、右聲道、後左聲道與後右聲道之取樣頻率為fs之脈衝碼調變信號。
但是，由於6個聲道中之中置聲道(central channel)及超重低音聲道(Low Frequency Effect Channel)分別負責影片中的人聲對白與低頻效果，其頻率上限分別為8kHz與200Hz，相較於整體音頻範圍上限fa(約24kHz)之中點fa/2(約12kHz)為低，於此實施例中，不將兩者送入上述之高效率模組21中之正交鏡像濾波器組分析模組211、頻段複製模組212、合併模組213以及正交鏡像濾波器組合成模組214來進行複雜解碼運算，而轉送至其他運算量較低之替代方式來進行處理。於是，利用AAC解碼器20對上述待解碼HE-AAC 5.1音頻信號中每一個訊框(frame)之表頭(header)進行解析(parse)，進而知道該訊框(frame)是屬於6個聲道中之中置聲道及超重低音聲道後，將相關訊框(frame)改送到本案增設之一低頻模組22來進行處理，舉例而言，AAC解碼器20將選定頻率範圍之低頻音頻資料送給低頻模組22進行處理而捨棄高頻率係數及/或資料，用以將人聲與低音之中置聲道及超重低音聲道直接進行簡單的插點處理，用以省去高效率模組21之複雜解碼運算，藉以降低系統之負擔。
於第二圖中，低頻模組22中包含有一取樣點增加器221與一內插濾波器222，由於送入取樣點增加器221的中置聲道及超重低音聲道信號之取樣頻率為fs/2，而取樣點增加器221於每個取樣點中置入一數值為0之取樣點，進而形成如第三圖(a)所示，取樣頻率為fs之一取樣點增加信號波形示意圖，然後再將該取樣點增加信號送入內插濾波器222，由於該內插濾波器222為一低通濾波器，用以將信號中之高頻成份濾除，進而產生出如第三圖(b)所示，取樣頻率為fs且分屬於中置聲道及超重低音聲道信號之脈衝碼調變信號波形示意圖。而上述高效率模組21與低頻模組22都可利用數位信號處理器(Digital Signal Processor，簡稱DSP)來完成。
再請參見第四圖，其係本案所發展出來之多聲道數位編碼音頻信號之解碼方法流程示意圖，首先，利用AAC解碼器20將待解碼HE-AAC 5.1音頻信號進行一第一解碼程序後，解出取樣頻率為fs/2而分屬於6個聲道之脈衝碼調變信號(步驟41)。並解析該待解碼HE-AAC 5.1音頻信號中每一個訊框之表頭，判斷其是否屬於中置聲道信號或超重低音聲道信號(步驟42)；若否，將該訊框送到高效率模組21進行一第二解碼程序(步驟43)來產生取樣頻率為fs之脈衝碼調變信號；若是，則將該訊框(frame)改送到本案增設之低頻模組22來進行第三解碼程序(步驟44)，用以產生取樣頻率為fs之脈衝碼調變信號，藉以降低系統之負擔。
而以第二圖之高效率模組21與低頻模組22來進行比較，利用相同的數位信號處理器(Digital Signal Processor，簡稱DSP)處理相同的信號，低頻模組22所進行之第三解碼程序所需之每秒百萬指令(Million Instructions per second，簡稱MIPS)較高效率模組21所進行之第二解碼程序所需之MIPS約少掉30MIPS。因此，本實施例可有效降低系統之運算量，進而改善習用手段之缺失。
綜上所述，本發明有效降低多聲道數位編碼音頻信號播放系統之硬體複雜度與成本，可廣泛運用於數位影音光碟(DVD)、數位廣播及數位電視等領域。故本發明得由熟習此技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
本案圖式中所包含之各元件列示如下：
10．．．AAC解碼器
11．．．高效率模組
111．．．正交鏡像濾波器組分析模組
112．．．頻段複製模組
113．．．合併模組
114．．．正交鏡像濾波器組合成模組
20．．．AAC解碼器
21．．．高效率模組
211．．．正交鏡像濾波器組分析模組
212．．．頻段複製模組
213．．．合併模組
214．．．正交鏡像濾波器組合成模組
22．．．低頻模組
221．．．取樣點增加器
222．．．內插濾波器
本案得藉由下列圖式及說明，俾得更深入之了解：
第一圖(a)係HE-AAC之習用解碼器功能方塊示意圖。
第一圖(b)係5.1聲道之揚聲器系統方塊示意圖。
第二圖係本案為改善習用手段所發展出來之一HE-AAC 5.1解碼器功能方塊示意圖。
第三圖(a)係取樣頻率為fs之一取樣點增加信號波形示意圖。
第三圖(b)係取樣頻率為fs之脈衝碼調變信號波形示意圖。
第四圖係本案所發展出來之多聲道數位編碼音頻信號解碼方法之流程示意圖。
20．．．AAC解碼器
21．．．高效率模組
211．．．正交鏡像濾波器組分析模組
212．．．頻段複製模組
213．．．合併模組
214．．．正交鏡像濾波器組合成模組
22．．．低頻模組
221．．．取樣點增加器
222．．．內插濾波器

Claims (14)

  1. 一種多聲道音頻信號解碼方法，應用於一播放系統，該解碼方法包含下列步驟：接收一待解碼多聲道音頻信號；對該待解碼多聲道音頻信號進行一第一解碼程序而產生一多聲道音頻信號；因應該多聲道音頻信號中一第一單聲道音頻資料屬於一第一分類，而利用該第一單聲道音頻資料進行一第二解碼程序，進而產生一第一單聲道音頻信號，其中該第二解碼程序包含下列步驟：對該第一單聲道音頻資料進行解調分析，進而在頻域上產生一低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之一組係數；利用該低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之該組係數進行頻段複製，進而產生出一高頻帶音頻資料；以及將該低頻帶音頻資料與該高頻帶音頻資料合併後進行合成，還原產生出該第一單聲道音頻信號；以及因應該多聲道音頻信號中一第二單聲道音頻資料屬於一第二分類，而利用該第二單聲道音頻資料進行一第三解碼程序，進而產生一第二單聲道音頻信號，其中該第三解碼程序所需之指令數目少於該第二解碼程序所需之指令數目。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該待解碼多聲道音頻信號為一待解碼高效率進階音頻編碼技術(HE-AAC)5.1音頻信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第一解碼程序係為利用一AAC解碼器來進行，而該多聲道音頻信號係為一6聲道脈衝碼調變信號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第三解碼程序包含下列步驟：將該第二單聲道音頻資料之每個取樣點間置入一數值為0之取樣點，進而形成一取樣點增加信號；以及將該取樣點增加信號進行低通濾波處理，用以將該信號中之高頻成份濾除，進而產生出該第二單聲道音頻信號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第一分類係為左聲道、右聲道、後左聲道與後右聲道之音頻資料，而該第二分類係為中置聲道與超重低音聲道之音頻資料，而透過解析該待解碼HE-AAC 5.1音頻信號中每一個訊框之表頭來判斷其屬於該第一分類或該第二分類。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第二單聲道音頻資料係為一選定頻率範圍之低頻音頻資料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多聲道音頻信號解碼方法，其中該第三解碼程序更包含下列步驟：對該選定頻率範圍之低頻音頻資料進行處理而捨棄該第二單聲道音頻資料之一高頻率係數及資料。
  8. 一種多聲道音頻信號解碼裝置，應用於一播放系統，該解碼裝置包含：一解碼器，用以接收一待解碼多聲道音頻信號並對該待解碼多聲道音頻信號進行一第一解碼程序而產生一多聲道音頻信號；一高效率模組，信號連接於該解碼器，用以對該多聲道音頻信號中屬於一第一分類之一第一單聲道音頻資料進行一第二解碼程序，進而產生一第一單聲道音頻信號，其中該高效率模組包含：一正交鏡像濾波器組分析模組，信號連接於該解碼器，用以對該第一單聲道音頻資料進行解調分析，進而在頻域上產生一低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之一組係數；一頻段複製模組，信號連接於該正交鏡像濾波器組分析模組，利用該低頻帶音頻資料以及代表高頻帶音頻資料之該組係數進行頻段複製，進而產生出一高頻帶音頻資料；一合併模組，信號連接於該正交鏡像濾波器組分析模組與該頻段複製模組，用以將該低頻帶音頻資料與該高頻帶音頻資料進行合併；以及一正交鏡像濾波器組合成模組，信號連接於該合併模組，用以將合併後之該低頻帶音頻資料與該高頻帶音頻資料進行合成，還原產生出該第一單聲道音頻信號；以及一低頻模組，信號連接於該解碼器，用以對該多聲道 音頻信號中屬於一第二分類之一第二單聲道音頻資料進行一第三解碼程序，進而產生一第二單聲道音頻信號，其中該第三解碼程序所需之指令數目少於該第二解碼程序所需之指令數目。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多聲道音頻信號解碼裝置，其中該待解碼多聲道音頻信號為一待解碼HE-AAC 5.1音頻信號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多聲道音頻信號解碼裝置，其中該解碼器係為一AAC解碼器，而該多聲道音頻信號係為一6聲道脈衝碼調變信號。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之多聲道音頻信號解碼裝置，其中該低頻模組包含：一取樣點增加器，信號連接於該解碼器，用以將該第二單聲道音頻資料之每個取樣點間置入一數值為0之取樣點，進而形成一取樣點增加信號；以及一內插濾波器，信號連接於該取樣點增加器，將該取樣點增加信號進行低通濾波處理，用以將該信號中之高頻成份濾除，進而產生出該第二單聲道音頻信號。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之多聲道音頻信號解碼裝置，其中該第一分類係為左聲道、右聲道、後左聲道與後右聲道之音頻資料，而該第二分類係為中置聲道與超重低音聲道之音頻資料，該解碼器透過解析該待解碼HE-AAC 5.1音頻信號中每一個訊框之表頭來判斷其屬於該第一分類或該第二分類。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之多聲道音頻信號解碼裝 置，其中該低頻模組係對該第二單聲道音頻資料之一選定頻率範圍之低頻音頻資料進行處理。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之多聲道音頻信號解碼裝置，其中該解碼器係將該選定頻率範圍之低頻音頻資料送給該低頻模組而捨棄該第二單聲道音頻資料之一高頻率係數及資料。
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