MPEG-4无损音频压缩算法改进

MPEG-4无损音频压缩算法改进 文章编号:1002~684(2005)10一o054—03 MPEG一4无损音频压缩算法改进 李力利,方向忠,徐盛,胡剑凌 (上海交通大学电子工程系,上海200030) ? 论文? 【摘要】介绍了MPEG-4无损音频压缩标准,并提出了2个改进 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 .一是在原有 预测器的基础上增加一种新 的预测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 以供选择;二是在熵编码中精确搜索最优参数,并引入分组打包机制以 更有效地利用编码比特.在运算 压缩效率有明显提高. 复杂度增加不多的情况下, 【关键词】无损音频压缩;预测;熵编码;打包 【中图分类号】TN912【文献标识码】A ImprovementonMPEG-4LosslessAudioCodingAlgorithm LILi-li,FANGXiang—zhong,XUSheng,HUJian—ling (DepartmentofElectronicEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,C hina) 【Abstract】Inthispaper,aframeworkofMPEG一 4losslessaudioencoderisintroduced.Twoimprovementsare proposedforenhancingthecompressionperformancewhilelowcomplexityisremained.On eisanewefficient predictor,andtheotherisfinesearchingfortheoptimalparameterandgroupingdatainentropy encoding. 【Keywords】losslessaudiocompression;prediction;entropyencoding;packing 1引言 目前以MP3为代表的有损音频压缩算法得到了 广泛的应用,但由于其音质与原声CD存在明显差别, 对追求完美的听众来说难以接受,更无法应用于专业 领域和存档系统.随着高容量存储设备的出现和网络 带宽的提高,无损压缩将会有越来越广阔的应用前景. 作为音频标准的扩展,MPEG一4已在2004年年底制定 了纯无损音频压缩标准(简写为MPEG一4ALS),并正 在致力于有损和无损相结合的可分级音频压缩标准的 研制.为了完全不失真地重建原始信号,无损音频压缩 的压缩比一般都不高于2.笔者在MPEG一4A【s的基 础上提出了一些改进措施,力图在运算复杂度增加不 多的情况下提高压缩效率. 2MPEG一4无损音频压缩标准简介 对于无损音频压缩,为了使编解码一致,需对编码 器作部分规定.MPEG一4A【s建议的编码器主要模块 如图1所示 其压缩过程如下:首先利用线性预测(LPC)技术 以去除信号间的相关性,再对残差 得到预测残差信号, 信号进行熵编码.其中,预测器采用Levinson—Durbin 算法,自适应地选择最优阶数和系数,再对系数进行量 圃皇塾查2QQ 化和编码,作为参数放人码流中.对残差的熵编码可动 态地在Golomb—Rice码和高效块码中选择效率较高的 一 种,选择索引放人码流. 另外标准中还包括3个附加选项:(1)随机存取, 即可从任意帧开始解码或剪辑,因此需要对音频信号 分帧,每帧独立处理,帧长与采样率有关,根据音频工 程师协会和欧洲广播联合会的推荐,帧长选192的整 数倍;(2)块长切换,即每帧自适应地决定是否细分成 4个子块,分别选择预测和熵编码方案;(3)联合立体 声编码,即从左声道,右声道和左一右声道中选择效率 高的2个进行编码. AudioPaK是一种低复杂度的音频无损压缩算法, 是MPEG一4A【s允许的一个版本[21,同样包含预测器 和熵编码2个模块.其中预测器是在4个整数系数滤 波器中选一个最好的;熵编码则采用Golomb—Rice码; 没有采用联合立体声编码以去除信道间的相关性.该 编码器的算法复杂度低,效率比较高. 该算法的改进在AudioPaK的基础上进行,对2个 模块分别提出一些改进措施,复杂度虽有少许提高,但 压缩效率却得到了明显改善. 3MPEG一4无损音频压缩算法的改进 3.1对预测算法的改进 AudioPaK采用的4个候选滤波器分别得到如下 的预测值[ 0[n]-0 x~[n]=x[n-1 (1) 互[nl_2xIn-1]-xEn-2] 3 [n]=3x[n一1]-3x[n一2】+[n一3] 实际值减预测值得到预测残差,不难发现4个预 测器的预测残差可以递推得到[ (2) 由式(1)和式(2)可见整个预测过程只涉及减法. 选择预测方案的作法是:在一帧内对4种预i见0残 差分别绝对值求和得到,|s,|s和|s,,然后选择其中 绝对值和最小的. 笔者发现大多数情况都是选择最后2种,第一种 几乎没有被选中过,因此改进措施就是,将第一种代之 以另一个效率更高的预测器,该预测器取最后2种预 测结果的加权平均,即 x4M=2In]'p/16.O+x3M?(16-p/16.0)J(3) 其中,权重系数P由|s和|s,决定 C pL丽o3×16J(4) 这样得到的权重系数是一个整数,满足 O<p?15(5) 只需4bit编码放入码流中.另外,式(3)只增加了 2个整数乘法,在DSP芯片中乘法运算相当于加法,除 法可以用移位实现. 在实际编程中,绝大多数情况下改进的预测器都 会被选中,压缩效率提高了1%左右. ?6@@@晌响?0?V 语音技术nn 3.2对熵编码的改进 Golomb—Rice码是一种特殊的Huffman码,适用于 几何分布的正整数信号,如图2中实线所示.而 Robinson已经观察到,线性预测得到的残差信号近似 按拉普拉斯(即双边几何)分布,如图2中虚线所示.因 此要采用Golomb—Rice码,需将残差信号负数映射到 正数,映射公式如下『11 M?U(6) ]<0一 Rice码只有一个参数s需要编在码流中.s确定 后,对映射后的残差的编码分成3部分:第一部分是 "0"比特串,串长等于除以的商,即ri.右移s比特后 的数值作为"0"的比特数;第二部分是比特"1"作为分 隔符;第三部分是s比特表示除以2的余数,即r的 低s比特. 若s=3,则编码情况如表1所示. 表1RICE码举例 19t.0ii101t 确定参数s需要利用预测残差的统计特性,设r 的绝对值平均为,则? s=Llog./.t+0.97d(7) 很显然,s取值的准确性对压缩效率起关键作用, 笔者改进算法的宗旨就是得到更适合信号统计特性的 s.第1个措施是每帧分成4个子帧,分别估计参数s, 如果当前子帧的s与上一子帧的相同,则用比特"0"表 示不传送其s,反之用比特"1"表示后面紧跟s的编码. 上下调整由式(7)估 第2个措施是在分子帧的基础上, 皇垫查QQ墨:】Q国圜 n 计的S,与参考文献f4】不同的是调整的精度精确 到小数点后2bit.下面详细说明调整过程. 假设通过式(7)得到了估值S,参数S分别 取(s+1),(s+O.5),(s+O.25),S,(s一0.25),(s一0.5) 和(s-1),分别计算编码预测残差需要的比特数, 选择比特数最小的s作为该子帧的参数. 仍采用Golomb—Rice码编码,只是对非整数 S的处理采取分组打包方法,将2个或4个残差 作为一组统一编码.设S取(s+O.25),则4个一 组,比特流格式为: for(j=0;j<4;j++) {0:(r+[n+jllm)bits 1:1bit 表2编码效果比较 J g:S*4bits 其中"/"表示整除,m是一个整数,与s的关系是 re=L2(8) 当St为整数时,(r+[nl/m)就等同于(r+[n1>).g是4个 余数的打包: g=(r+】%m)'m.m+(r[n+l1%m).m+ (r+[n+2】%m)?m+(r+[n+3】%m)(9) 其中"%"表示模除.很显然g满足 g<m4<2(10) 所以可用4s即(4s+1)bit编码,而对于不打包的4 个余数共需4Ls+1即(4s+4)bit. 解码端解包得到余数的过程是: for(j=3;j>0;j----) {(r+】%m)g%m g=g/m } (r+[n】%m)g 为了使编码器程序减少分支,可以对任何情况都 打成4个一包.在打包时少数情况会遇到包超过32位 的情况,这对32位微机来说要增加编程复杂度,但对 于40位以上的DSP芯片来说则一点都不成问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .S编 码精确到小数点后2位,所以比原先多2bit. 程得到的,其中对每帧开始的3个采样值采用了参考 文献[5】所述的预测方法,分别作零阶,一阶和二阶预 测,帧长采用1152. 5结束语 笔者针对符合MPEG一4ALS标准的音频无损压 缩编码器AudioPaK,从预测和Golomb—Rice码的参数 选择2个方面作了改进,效果良好:平均压缩比提高了 1.59%左右;运算量方面,每个预测值增加2个整数乘 法,熵编码时每4个残差增加3个整数乘法和4个整 数除法;码流数据量方面,一帧增加4bit编码预测加 权的权重系数,Rice码参数在原基础上增加2bit编 码.总之,文中的改进算法是简单易行的. 参考文献 【1】LiebchenT,ReznikYA.MPEG-4ALS:AnEmerg- ingStandardforLosslessAudioCoding.DataCompres- sionConference,2004,Proceedings(DCC'04).439-448. 【2】VasiloglouN,SchaferR.W,Hans,M.C..Lossless AudioCodingwithMPEG-4StructuredAudio.WebDe- liveringofMusic,2002,Proceedings(WEDELMU- SIC,02).184—191. 【3】HansM,SchaferRW.LosslessCompressionof DigitalAudio.SignalProcessingMagazine,IEEE,2001, 18:21—32. 【4】LinXiao,TanWeeHong,GeeCheinWoei,LiGang. 4结果分析【5】 分别采用AudioPaK和基于此改进的2种方案,对 几首音频测试CD中的文件进行压缩,结果如表2所 示,最后一列括号内为总的效率提高百分比.为了确保 与未改进部分完全一致,AudioPaK编码器也是笔者编 国雹.皇!塾查全QQ曼:!Q ALosslessAudioCompressionSoftwareforWindowsAp' plication.IEEEProceedingsofthefourthInternational ConferenceonSignalProcessing,1998,2:12-16. MoriyaT,YangDT,LiebchenT.ExtendedLinear PredictionToolsforLosslessAudioCoding.Acoustics, Speech,andSignalProcessing,Proceedings.(ICAS- SP'04).iii一1008—1011. [收稿日期】2005-04-06