Научная статья на тему 'Метод повышения компрессии аудиосигналов на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка'

Метод повышения компрессии аудиосигналов на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
199
38
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОМПРЕССИЯ / АУДИО / ДЕЛЬТА-ПРЕОБРАЗОВАНИЕ / COMPRESSION / AUDIO / DELTA-TRANSFORMATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Каграманянц Виктор Александрович

В статье рассматривается метод повышения степени компрессии аудиосигналов, закодированных при помощи оптимизированного дельта-преобразования второго порядка со сглаживанием.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Каграманянц Виктор Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A METHOD OF INCREASED COMPRESSION OF AUDIO-SIGNALS BASED ON OPTIMIZED DELTA-TRANSFORMATIONS OF SECOND ORDER

The paper discusses a method of increasing compression ratio of audio signals, encoded with optimized delta-modulation of second order with anti-aliasing.

Текст научной работы на тему «Метод повышения компрессии аудиосигналов на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка»

5. Шароглазов Б.А., Фарафонтов М.Ф., Клеменьтев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: теория моделирование и расчет процессов. - Челябинск: ЮУрГУ, 2004. - 344 с.

6. Пшихопов В.К, Дорух КВ., Береснев А.Л., Береснев MA. Решение о выдаче патента от 26.01.10 на полезную модель №2009148514 «Система зажигания автомобиля».

7. Береснев А.Л., Береснев MA. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2010610643 от 15.01.10 «Программа расчета параметров рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания».

Береснев Максим Алексеевич

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный » . .

E-mail: toe@tsure.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

.: 88634393750.

Beresnev Maksim Alekseevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: toe@tsure.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 88634393750.

УДК 681.3.069

B.A. Каграманянц

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КОМПРЕССИИ АУДИОСИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ

ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ДЕЛЬТА-ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ВТОРОГО

ПОРЯДКА

В статье рассматривается метод повышения степени компрессии аудиосигналов, закодированных при помощи оптимизированного дельта-преобразования второго порядка со сглаживанием.

Компрессия; аудио; дельта-преобразование.

V.A. Kagramanyants

A METHOD OF INCREASED COMPRESSION OF AUDIO-SIGNALS BASED

ON OPTIMIZED DELTA-TRANSFORMATIONS OF SECOND ORDER

The paper discusses a method of increasing compression ratio of audio signals, encoded with optimized delta-modulation of second order with anti-aliasing.

Compression; audio; delta-transformation.

Постоянно увеличивающиеся объемы передаваемых по коммуникационным каналам мультимедийных данных вызывают необходимость разработки методов эффективной компрессии сигналов для обеспечения кодирования и декодирования аудио- и видеоданных в реальном времени, что особенно актуально для многока-.

Известен метод компрессии аудиосигналов, основанный на дельтапреобразованиях второго порядка и отличающийся малой вычислительной трудоемкостью, суть которого состоит в следующем [1]. Входной сигнал в виде последовательности отчетов импульсно-кодовой модуляции, разделенной во временной области на неперекрывающиеся фрагменты (окна), поступает на вход кодера. Для

каждого окна производится расчет веса кванта преобразования и выбирается промежуточная частота дискретизации. Условия стыковки и начальные условия соседних аудиофрагментов пересчитываются в зависимости от соотношения весов квантов цифрового преобразования и значений промежуточных частот дискретизации. После этого к звуковым отсчетам фрагмента применяется алгоритм оптимизированного дельта-преобразования второго порядка со сглаживанием, который может быть представлен в следующем виде [1]:

ъ = ?- у, ;

V? = ? -

Уу ‘,-1 = У +П - У ; п > 1;

п

^ =4?, -^Уг-1.

А,.+1 = - sign( + 1.5VzI*+(0.5VzI*2/c - 0.125c)sign(Vz*));

с > с; с > 0;

где у1 = у(У, 1 = 0,1,2... - значения амплитуды входного сигнала, У1 - значения аппроксимирующей функции, ^ - ошибка преобразования, с* - постоянная величи, .

Выбор веса кванта преобразования оказывает влияние на возникновение перегрузок по крутизне и появление шума квантования. Ошибка, связанная с перегрузкой по крутизне, коррелирована с исходным сигналом и имеет составляющие, идентичные по частоте и близкие по фазе основным компонентам входного сигнала [2, 3]. Это ослабевает влияние перегрузки по крутизне на качество кодирования. Шум квантования практически не коррелирован с исходным сигналом и, следова-, , при эквивалентном уровне мощности [3, 4].

Принцип кодирования звуковых данных по отдельным фрагментам позволяет выбрать наилучшую величину веса кванта преобразования для каждого из , , , изменения исходных амплитуд аудиоданных. В качестве метода определения веса модуля кванта преобразования с* можно воспользоваться следующими соотношениями [1]:

£ »V2 у ;

п,ср п, ср

£

* п,ср

с =--------—;

п к

к = 0,2 0,3,

2

где V2 у - среднее значение V уна фрагменте п а £ - среднее значе-

п,ср п, ср

ние максимального уровня наихудших воздействий на этом фрагменте.

Частота дискретизации в процессе всей продолжительности преобразований может быть постоянной. Однако использование управления промежуточной частотой дискретизации в процессе компрессии и передачи информации имеет сле-:

♦ повышение компрессии при до статочном качестве кодирования;

;

♦ обеспечение компрессии, соответствующей текущей пропускной способности сети передачи данных при возможном временном ухудшении или улучшении качества кодирования.

( ),

и как следствие, управление качеством кодирования и скоростью выходного битового потока кодера возможно посредством добавления промежуточных отсчетов ()

( ).

На принимающей стороне полученные компрессированные данные, представляющие собой дельта-последовательность - последовательность знаков кван-

( - ), - , -полняет восстановление значений отсчетов аудиофрагмента следующим образом:

V 2У = с*А •

У 1, + 1 ° /Л,+15

VУ+, = VY +V2У+.; >

г +1 г г+1 ’

у =у+VY ;

1 ,+1 у 1,+1 ’

где У. - предыдущее значение аппроксимирующей функции, у - текущее зна-

, г +1

чение аппроксимирующей функции, VY и V 2У - первая и вторая разности

, +1 г +1

соответственно. Типичный вид исходного аудиосигнала и сигнала, восстановленного после дельта-преобразования со сглаживанием, представлен на рис. 1.

Рис. 1. Исходный аудиосигнал и сигнал, восстановленный после дельта-преобразования со сглаживанием (по оси абсцисс - время, по оси ординат - амплитуда сигнала)

К достоинствам указанного метода следует отнести малую вычислительную , - , -. - -зость распределения дельта-бит к равновероятному, что затрудняет дальнейшее

.

возможности повышения степени компрессии дельта-последовательности.

В данной работе предлагается метод повышения степени компрессии без существенного снижения качества декодированного сигнала и повышения вычислительной трудоемкости алгоритма.

Разобьем исходную дельта-последовательность на 4-битные отрезки. Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что распределение вероятностей появления этих отрезков примерно одинаково для подавляющего большинства различных дельта-последовательностей (рис. 2).

0.16----------------------------------------------------------------------

0.14--------------------------------------------- -----------------------

0.12--------------------------------------------- ------------------------

0.1--------------------------------------------- ------------------------

0.08

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 2. Типичный вид распределения вероятностей появления 4-битных отрезков в дельта-последовательности (по оси абсцисс номером от 0 до 15 обозначен условный номер 4-битного отрезка)

4- -

, -

дами кодирования данных.

, , -ним. Теоретическая энтропийная оценка показывает, что в идеальном случае экономия при дополнительной компрессии составит не более 8-9 %. Реальная экономия будет еще меньше, поскольку кодирование кодом Хаффмана подразумевает, что значения вероятностей должны примерно соответствовать отрицательным степеням числа "2". В то же время реальные значения вероятности для 4-битных от- . код Хаффмана дает отличие от теоретической оценки не более чем 1 бит на 1 символ, что является существенным для рассматриваемой длины символа 4 бита.

С целью повышения степени дополнительной компрессии предлагается метод модификации исходной дельта-последовательности, не приводящий к заметному снижению качества выходного аудиосигнала. Среди 16 возможных 4-битных - , -кодировании идентичные значения первой производной сигнала и значения ам-, -ния с* при условии совпадения начальных условий.

Поэтому появляется возможность кодировать такие пары отрезков одним , -16 11. -порядка со сглаживанием без каких-либо модификаций автоматически обрабатывает указанное выше отклонение амплитуды сигнала (рис. 3).

Рис. 3. сравнение изменения формы аудиосигнала при модификации дельтапоследовательности: а) восстановленный сигнал после обычного дельтапреобразования, б) восстановленный сигнал после модификации исходной дельтапоследовательности (по оси абсцисс - время, по оси ординат - амплитуда

сигнала)

Благодаря этому рассматриваемый метод модификации дельтапоследовательности приводит к незначительному ухудшению качества декодированного аудиосигнала. Полученный сокращенный алфавит из 11 символов затем кодируется с применением методов статистического кодирования с учетом распределения вероятностей символов.

Экспериментальная проверка рассмотренного метода модификации дельтапоследовательности показывает обеспечение дополнительной экономии кодирования в 20-25% при снижении отношения сигнал/^м выходного аудиосигнала около 1 дБ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кравченко ПЛ. Основы теории оптимизированных дельта-преобразований второго порядка. Цифровое управление, сжатие и параллельная обработка информации: Монография. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - 194 с.

2. Венедиктов М.Д., Женевский ЮМ., Марков В.В., Эйдус Г.С. Дельта-модуляция. Теория и применение. - М.: Связь, 1976. - 224 с.

3. Cm ил Р. Принци пы дельта-модуляции / Под ред. ВБ. Маркова. - М.: Связь, 1979. - 368 с.

4. Феер К. Беспроводная цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

Каграманянц Виктор Александрович

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Email: vict@mopevm.tsure.ru.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

347928, г. Таганрог, Некрасовский, 44.

Тел.: 88634314945.

Kagramanyants Alexandrovich Victor

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

Email: vict@mopevm.tsure.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 88634314945.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.