解文華肖進勝易本順黃正旭

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430079)

先進音頻編碼(AAC)屬于感知音頻編碼的一種，是MPEG-2音頻的非向后兼容部分，也是MPEG-4音頻部分的核心.AAC是一種極為全面的編碼方式，多聲道和高采樣率的特點使得它非常適合DVD-音頻，低碼率下的高音質(zhì)則使它也適合移動通信、網(wǎng)絡(luò)電話、在線廣播等領(lǐng)域.AAC編碼碼率模式的實現(xiàn)大致分為3種:固定碼率模式(CBR)、平均碼率模式(ABR)和可變碼率模式(VBR).CBR可以確保編碼后的音頻文件具有固定的大小，但不保證編碼后的音頻文件具有固定的音質(zhì);VBR正好與CBR相反;ABR在CBR和VBR之間找到了一個平衡點.CBR的編碼器被認(rèn)為是商業(yè)應(yīng)用中的默認(rèn)模式，在某些特定的、具有固定信道容量的應(yīng)用系統(tǒng)(如數(shù)字廣播和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))中，CBR是一種強制模式.

好的固定碼率控制算法在實現(xiàn)碼率平穩(wěn)的同時還能起到提高音質(zhì)、降低編碼計算復(fù)雜度的作用.ISO標(biāo)準(zhǔn)算法建議采用雙層迭代量化循環(huán)和比特緩沖池技術(shù)來實現(xiàn)固定碼率編碼，但該算法不但計算量大，而且容易造成碼率的異常波動和音質(zhì)的較大起伏.目前，國內(nèi)外對AAC編碼器的優(yōu)化研究主要集中在算法優(yōu)化、結(jié)構(gòu)改進、高效的硬件實現(xiàn)等方面，心理聲學(xué)模型、濾波器組和量化編碼模塊因計算量大、復(fù)雜度高成為了優(yōu)化研究的重點［1-7］.關(guān)于量化編碼模塊的改進，文獻［1］中提出了一種改進的基于比特估算數(shù)學(xué)模型的量化器迭代算法，有效地減少了量化器的迭代次數(shù).文獻［4］中提出利用前面幀的量化信息對當(dāng)前幀的初始量化步長作線性預(yù)測，同時采用BFOS算法來控制量化的步長，從而將雙層量化循環(huán)結(jié)構(gòu)簡化為單循環(huán)結(jié)構(gòu).上述算法明顯降低了量化模塊的計算復(fù)雜度，但沒有考慮固定碼率的實現(xiàn)，在數(shù)字信號處理器(DSP)等硬件平臺上實現(xiàn)時，仍存在計算量較大的問題.

為此，文中提出了一種高效的AAC固定碼率控制算法:在為當(dāng)前幀分配比特時，充分考慮比特緩沖池的使用情況和編碼復(fù)雜度，使比特緩沖池起到真正的緩沖作用，同時根據(jù)編碼所需比特數(shù)和感知熵的關(guān)系，在量化循環(huán)之前進行掩蔽閾值的預(yù)調(diào)整.文中還對ISO標(biāo)準(zhǔn)算法的比特緩沖池操作和量化編碼流程進行了改進，并通過在音質(zhì)評估序列庫(SAQM)測試序列上的實驗驗證了所提算法的有效性.

1 AAC協(xié)議中的CBR模型框架及分析

固定碼率編碼需要兼顧碼率和音質(zhì)的要求，即要在碼率恒定的情況下盡量實現(xiàn)音質(zhì)的最佳化.ISO標(biāo)準(zhǔn)算法采用比特緩沖池技術(shù)和雙層迭代量化循環(huán)來實現(xiàn)固定碼率編碼.在量化循環(huán)之前，AAC編碼器要進行掩蔽閾值和最大可用比特數(shù)等的計算.其中，掩蔽閾值由心理聲學(xué)模型根據(jù)人耳聽覺的掩蔽效應(yīng)計算得出［8-9］，當(dāng)量化噪聲小于掩蔽閾值時便不能被人耳感知;為了計算當(dāng)前幀的最大可用比特數(shù)，AAC編碼器先利用感知熵計算編碼所需比特數(shù):

式中:ni為第i個臨界頻帶的掩蔽閾值，即允許的最大量化失真;ei和wi分別為第i個臨界頻帶的能量和寬度;N為臨界頻帶的個數(shù);P為感知熵，用于表征編碼復(fù)雜度，決定編碼所需比特數(shù);Bc為編碼所需比特數(shù);AAC編碼器根據(jù)輸入音頻信號的特征將每幀信號再劃分為1個長塊或8個短塊進行處理，在長塊下p=0.3、q=6，在短塊下p=0.6、q=24.

則當(dāng)前幀的最大可用比特數(shù)Bmax為

式中，B為幀目標(biāo)比特數(shù)(文中采用當(dāng)前碼率下的平均比特數(shù))，T和L分別為比特緩沖池的大小和比特緩沖池中的剩余比特數(shù)，D=Bc-B.

然后將掩蔽閾值和可用比特數(shù)作為雙層迭代量化循環(huán)的兩個約束條件，雙層迭代循環(huán)由內(nèi)外兩層循環(huán)相互制約來完成比特數(shù)的分配，內(nèi)外層循環(huán)分別控制碼率和量化誤差［8-9］.

這種雙層循環(huán)的迭代結(jié)構(gòu)在使用時收斂速度較慢，往往無法滿足實時應(yīng)用的要求，在AAC LC規(guī)格下，量化循環(huán)的計算復(fù)雜度占整個編碼計算復(fù)雜度的64%以上［10］.同時，當(dāng)可用比特數(shù)小于編碼所需比特數(shù)時，量化循環(huán)無法保證所有比例因子帶的量化誤差均小于掩蔽閾值.由于音質(zhì)的要求和碼率的限制，內(nèi)層循環(huán)被反復(fù)調(diào)用，通過調(diào)整全局量化步長來降低編碼所需比特數(shù)，全局量化步長的調(diào)整所造成的量化誤差對各個比例因子帶的音質(zhì)的損傷不盡相同，而此時量化誤差的相對不均勻分布往往無法在外層循環(huán)中得到平衡，因此也就不能在有限的可用比特下得到最佳的音質(zhì)［11］.

另外，在固定碼率編碼模式的實現(xiàn)過程中，ISO標(biāo)準(zhǔn)算法采用了比特緩沖池技術(shù)，但對比特緩沖池的操作并未達到理想效果，特別是在壓縮比較高的情況下，由于標(biāo)準(zhǔn)算法總是最大程度地使用比特緩沖池，以致比特緩沖池幾乎失去了緩沖作用，這不但會造成音質(zhì)的較大波動，而且會引起碼率的異常起伏.因此，有必要對ISO標(biāo)準(zhǔn)算法中的固定碼率控制算法進行改進.

2 改進的固定碼率控制算法

在固定碼率編碼模式下，特別是在高壓縮比下(針對AAC LC編碼器而言，尤指當(dāng)壓縮比大于20時)，可用比特數(shù)往往小于編碼所需比特數(shù)，ISO標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議所建議的雙層量化循環(huán)更容易暴露出收斂速度慢等問題.如果根據(jù)比特緩沖池的使用情況和感知熵來重新確定當(dāng)前幀的目標(biāo)比特數(shù)，同時根據(jù)編碼所需比特數(shù)和感知熵的關(guān)系在量化循環(huán)之前對掩蔽閾值進行調(diào)整，可以減少量化循環(huán)的迭代次數(shù)，降低編碼計算復(fù)雜度，在不降低音質(zhì)的情況下獲得更穩(wěn)定的碼率.為了保證碼率平穩(wěn)，同時避免音質(zhì)出現(xiàn)較大波動，在重新確定當(dāng)前幀的目標(biāo)比特數(shù)時要考慮編碼復(fù)雜度，同時要使比特緩沖池能真正起到緩沖作用，因此可根據(jù)B、L和P來重新確定當(dāng)前幀的目標(biāo)比特數(shù)B*:

式中，Pmax和Pmin分別為編碼過程中的最大感知熵和最小感知熵的統(tǒng)計值，α、β和γ為經(jīng)驗值.為了實現(xiàn)碼率的平穩(wěn)性，若當(dāng)前幀的編碼復(fù)雜度比較小，比特緩沖池中的剩余比特也不足，則瞬時碼率不應(yīng)過小;若當(dāng)前幀的編碼復(fù)雜度比較大，比特緩沖池中的剩余比特很充裕，則瞬時碼率不應(yīng)過大.因此應(yīng)對α、β和γ的取值做一定的限制.

得到B*后應(yīng)使編碼實際所用比特數(shù)與B*相接近以實現(xiàn)碼率控制.編碼所需比特數(shù)與當(dāng)前幀的編碼復(fù)雜度P有關(guān)，對應(yīng)關(guān)系如式(1)所示;反之，根據(jù)B*可以得到一個目標(biāo)感知熵P*，當(dāng)通過調(diào)整掩蔽閾值使該幀的編碼復(fù)雜度與P*相當(dāng)時，可使編碼實際所用的比特數(shù)接近B*.于是，由式(2)可得關(guān)于P*的一元二次方程:

解方程得到

為了使估算更為精確，要對由式(6)計算出來的P*進行進一步修正:當(dāng)編碼實際所用比特數(shù)大于B*且其差值超過一個門限時，要減小P*;當(dāng)編碼實際所用比特數(shù)小于B*且其差值超過一個門限時，要增大P*.

當(dāng)P大于P*時，說明B*已無法保證透明編碼，標(biāo)準(zhǔn)算法的雙層迭代量化循環(huán)在迭代結(jié)束時，往往出現(xiàn)某些比例因子帶的量化誤差大于其掩蔽閾值的情況.為此，文中算法按一定規(guī)則預(yù)先提高掩蔽閾值以降低編碼復(fù)雜度，使最終的編碼所需比特數(shù)接近于B*，并保證音質(zhì)不下降.掩蔽閾值的提高是在響度域中進行的，首先將掩蔽閾值轉(zhuǎn)化到響度域，然后對每個頻帶的掩蔽閾值加上一個代表響度的常量r以提高全頻域的掩蔽閾值，最后將其轉(zhuǎn)換回能量域:

式中，nr，i為調(diào)整后的掩蔽閾值.

中，根據(jù)中值定理存在t(t代表平均總掩蔽門限ni的估算值)，有

若P＞P*，則說明當(dāng)前幀編碼復(fù)雜度較高，需要提高掩蔽閾值以降低編碼復(fù)雜度，使熵接近P*，根據(jù)式(7)有

利用式(9)得到r的一個解r1:

將r1代入式(7)和(2)即可得到調(diào)整后的掩蔽閾值和調(diào)整后的感知熵P1.

通常情況下P1＞P*，為了進一步降低編碼復(fù)雜度和避免量化后產(chǎn)生頻譜空洞，需進行第二次迭代計算，而此次迭代的目的是提高特定臨界頻帶的掩蔽閾值，其中特定頻帶是指滿足的頻帶，是根據(jù)頻域掩蔽效應(yīng)由e與擴散函數(shù)求卷積后i得到的結(jié)果，這些頻帶組成集合s.由s中的頻帶求as、bs、P1，s和P*s，則r2為

由r2可以得到一個新的掩蔽閾值和感知熵P2.假如P2和P*相差超過5%，則根據(jù)式(11)重復(fù)進行一次掩蔽閾值的調(diào)整.掩蔽閾值調(diào)整完成后，就可以采用新的掩蔽閾值來作為量化循環(huán)的約束條件，通過內(nèi)外兩層循環(huán)的相互制約來完成碼率控制和量化誤差的控制.在進行量化循環(huán)之前，由于根據(jù)當(dāng)前幀預(yù)分配的比特數(shù)對掩蔽閾值進行了合理的調(diào)整，因而可以減少量化循環(huán)的迭代次數(shù)，降低編碼計算復(fù)雜度，在低碼率下效果尤為顯著.改進的固定碼率控制算法流程如圖1所示.

圖1 固定碼率控制算法的流程圖Fig.1 Flowchart of constant bitrate control algorithm

3 實驗及結(jié)果分析

為驗證所提算法的有效性，文中使用SAQM中的測試序列(44.1 kHz，16 b采樣，雙聲道立體聲)進行了一系列實驗，其中實驗處理器平臺為TI公司的DSP處理器C64XX系列，在開源AAC編碼器FAAC基礎(chǔ)上進行了定點化及相關(guān)模塊的修改.

將SAQM中的測試序列分別用標(biāo)準(zhǔn)算法和文中算法以64 kb/s的碼率進行編碼，對編碼輸出碼率和編碼過程中比特緩沖池的使用情況進行了對比，3種音頻序列的輸出結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，文中算法的輸出碼率穩(wěn)定在目標(biāo)碼率附近的±1%范圍內(nèi)，而比特緩沖池中的剩余比特數(shù)始終維持在一個較高的水平并隨編碼復(fù)雜度的變化而變化;標(biāo)準(zhǔn)算法的輸出碼率在編碼開始和編碼過程中會出現(xiàn)異常波動，由于標(biāo)準(zhǔn)算法未對比特緩沖池的使用進行合理限制，因此其比特緩沖池中的剩余比特數(shù)幾乎始終維持在一個很低的水平，失去了緩沖作用.

對SAQM中的6種測試序列以64 kb/s的碼率進行編碼，文中算法和標(biāo)準(zhǔn)算法的量化循環(huán)平均迭代次數(shù)和編碼平均計算量的對比結(jié)果如表1所示.其中迭代次數(shù)是指每幀的迭代次數(shù)，編碼計算量是指編碼過程中平均每秒所需的CPU兆周期數(shù).由表1可以看出，由于文中算法根據(jù)當(dāng)前可用比特數(shù)來對掩蔽閾值進行合理的調(diào)整，因而可以提高量化迭代循環(huán)的收斂速度，進而大大降低了量化循環(huán)的平均迭代次數(shù)，使編碼平均計算量也得到了很大程度的降低.

圖2 3種音頻序列的測試結(jié)果Fig.2 Test results of three audio sequences

表1 2種算法的迭代次數(shù)與編碼計算量比較Table 1 Comparison of iteration times and encoding computational complexity between two algorithms

文中采用音頻質(zhì)量感知評價系統(tǒng)(PEAQ)［12］對由標(biāo)準(zhǔn)算法和文中算法在64 kb/s目標(biāo)碼率下得到的編碼后的音頻序列分別進行打分，結(jié)果如表2所示.該系統(tǒng)的輸出結(jié)果表征了編碼后的音頻文件與原始音頻文件的客觀差別大小(ODG)，客觀差別得分越接近0表示編碼后的音頻與原始音頻序列越接近.由表2可知，對于6個不同的音頻序列，文中算法的編碼質(zhì)量均高于標(biāo)準(zhǔn)算法.這是由于在目標(biāo)碼率下，可用比特數(shù)往往小于編碼所需比特數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)算法中的量化循環(huán)結(jié)束后，各比例因子帶的量化誤差不再滿足心理聲學(xué)模型的要求，且容易造成量化誤差的相對不均勻分布，而文中算法均勻地提高了全頻域的掩蔽閾值，使各比例因子帶的量化噪聲與由心理聲學(xué)模型計算得到的掩蔽閾值曲線保持相同的趨勢，從而在降低計算復(fù)雜度的同時保證了音質(zhì);同時文中算法對比特緩沖池的合理使用，使得文中算法的編碼音質(zhì)最終優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)算法的編碼音質(zhì).

表2 音頻質(zhì)量客觀評價系統(tǒng)的評分結(jié)果比較Teble 2 Comparison of score results obtained by PEAQ

4 結(jié)語

針對ISO標(biāo)準(zhǔn)算法在實現(xiàn)AAC固定碼率時存在的碼率不穩(wěn)定和計算量大的問題，文中提出了一種高效的固定碼率控制算法.該算法能夠有效地利用比特緩沖池，使比特緩沖池中的剩余比特數(shù)維持在一個較高的水平，真正起到了緩沖的作用，因而不會造成碼率和音質(zhì)的異常波動.當(dāng)可用比特數(shù)小于編碼所需比特數(shù)時，標(biāo)準(zhǔn)算法的雙層迭代量化循環(huán)不能保證所有比例因子帶的量化誤差均小于各自的掩蔽閾值，為此文中算法對掩蔽閾值進行了預(yù)調(diào)整，在大大降低編碼計算復(fù)雜度的同時不會造成編碼音質(zhì)的下降.實驗結(jié)果表明:文中所提算法對比特緩沖池的利用較標(biāo)準(zhǔn)算法更為有效，編碼輸出碼率基本維持在目標(biāo)碼率附近的±1%范圍內(nèi)，所以更適用于數(shù)字廣播等具有固定信道容量的系統(tǒng);文中算法能夠在不降低音質(zhì)的情況下顯著降低雙層量化循環(huán)的迭代次數(shù)，大大降低編碼計算復(fù)雜度，從而降低AAC編碼器對硬件處理器平臺性能的要求.

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