专利名称：：一种可分级矢量量化编解码方法
技术领域：
：本发明涉及音频信号编解码
技术领域：
，尤其是涉及一种可分级矢量量化编解码方法。
背景技术：
：音频编码技术涉及矢量量化技术，目前较为常用的量化技术是格型矢量量化技术，在低码率的情况下用得相当普及。在3GPP(第三代合作伙伴)组织推荐的AMR-WB+(自适应多速率宽带)音频编码标准中TCX(变换码激励编码)部分所运用的量化技术就是建立在8维高斯格点上的多位率格型矢量量化技术。它作用于预整形后的频谱数裙，以八个数为一组，根据就近原则将这八个数量化为8维格集合上的点。之后选取不同的码本，输出对应的基本码本标识位，基本码本索引和扩展码本的值。经过对现有及技术文献的检索发现，美国专利US2005/0285764《Methodandsystemformulti-ratelatticevectorquantizationofasignal》(多码率格型矢量量化方法和装置)中提出的Voronoi扩展(最近邻扩展)方法已经在AMR-WB+标准总采用，即编码器通过Voronoi扩展装置来量化大值的矢量，即在矢量量化中遇到较大矢量值的时候，使用Voronoi扩展装置将基础码本按指数扩大，直到码本达到能将大矢量值包含进来。求Voronoi扩展码本值时，需要首先对输入的样点和生成矩阵做乘法运算得到矢量v，然后再通过公式y=mc+v(其中y为待量化矢量，c为其对应的基础码本中的码字，m为基础码本的放大倍数，v为其对应的Voronoi码本的码字)球的扩展后的码本c，并判断c是否位于基础码本中。但这种方法大量使用了乘法和加法操作，从而导致计算复杂度大增。检索中还发现，中国专利200810038192.x《基于变长分裂表的矢量量化高阶码本扩展编码及解码系统》采用的是变长分裂表实现高阶码本扩展编码和解码。该系统采用将大值分裂为低阶核心值和高阶分裂量之和的策略，低阶核心值采用格型矢量量化，高阶分裂量采用了基于变长分裂表的两级扩展方法，该方法避免了大量乘法运算。但随着扩展级数的增加，扩展分裂表的存储量也将随之成指数增加，将较大程度上消耗存储空间。
发明内容本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种可分级矢量量化编解码方法。本发明的编码技术方案包括以下步骤步骤l.l，提取表示源信号的帧的点阵矢量I;步骤1.2，对点阵矢量^进行点阵压縮得到格点矢量y;步骤i.3，判断目标矢量r是否包括在基础码本c中；如果目标矢量F包括在基础码本C中，对目标矢量F在基础码本C中进行矢量量化索引査找，得到基础码本量化索引I并编码输出；如果目标矢量y不包括在基础码本C中，分裂目标矢量r得到基础部分矢量6me—r和扩展部分矢量extend—r，所述扩展部分矢量extend—7按照扩展层数"分裂为各层扩展部份矢量extend—K，1《Kn;对基础部分矢量kwe—r在基础码本C中进行矢量量化索引査找，得到基础码本量化索引I，对各层扩展部份矢量extend一《分别在扩展码本E中进行矢量量化索引查找，得到相应各层扩展量化索引extend—/,，1《/《"；最后将所得基础码本量化索引I、各层扩展量化索引extend—和扩展层数"编码输出；所述扩展部分矢量extend一y按照扩展层数"分裂为各层扩展部份矢量extend_"，具体方式如下，(1)计算扩展部分矢量extend—:T的扩展层数""=L!ogz(max(extend一_y,,extendj2，…，extendj》/+1其中，L，」表示上限取整，R为基础码本球壳半径，z为扩展码本球壳半径，extend—少,表示扩展部分矢量extend—y的第々维元素，A取1K，K为总维数；(2)根据扩展层数n计算得到每层扩展部份矢量{extend_K,extend—72，…，extend—7n}其中，第一层的扩展部份矢量extend—K计算如下，extend一K=mod((extend—r/Z)其中，第二层及以上的扩展部份矢量extend—^计算如下，i-lextend—y=mod(((extend—)7/i)-^ZJextend—"),Z')其中2^z^"，且i为整数。本发明的相应解码技术方案包括以下步骤步骤2.1，从编码码流中提取基础码本量化索引I以及扩展层数"；步骤2.2，根据扩展层数"解码量化索引，方式如下；如果11=0，使用基础码本C解码基础码本量化索引I，得到目标矢量y;如果nx)，根据基础码本解码索引i得到基础部分矢量^;^一:r，根据各层扩展量化索引extend—/,合成扩展部分矢量extend—:r，1^/2";合成基础部分矢量^we一:r和扩展部分矢量extend—r，得到目标矢量y;所述根据各层扩展量化索引extend—/,合成扩展部分矢量extend一:r，具体方式如下，(1)根据扩展层数"，读入extend—/^extend—/.."extend—/(2)根据各层扩展量化索引extend—/,査找得到各层扩展部份矢量extencL;^，，1《"，扩展部分矢量extend一r由各层扩展部份矢量extend一i;合成，其合成公式extend—;r^i^Z"extend—兀，R为基础码本球壳半径，Z为扩展码本球壳半径。本发明采用多层扩展部份矢量量化编码，根据实际矢量球壳半径大小分配最少的比特数，实现多级矢量量化。并且提供了相应的解码方案。因为采用精细的分级粒度进行高阶码本扩展，既避免随着级数增加造成的存储空间耗损，又节省了对较小码字进行矢量量化时开销的比特数，同时降低了编解码量化算法的复杂度，因此本发明技术方案能适用于不同网络带宽。图l本发明实施例的可分级矢量量化编码流程图；图2本发明实施例的可分级矢量量化解码流程图；图3本发明的基础码本索引分配示意图。具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例做详细说明。本实施例在本发明方法前提下进行实施，给出了详细的实施方式与具体的操作过程，但本发明的实施例不限于下述的实施例。音频领域上一般涉及4，8，16维，本实施例中选取的是8维浮点矢量输入，实现基础码本和多层扩展编码过程，但本发明技术方案对其它数目维也适用。在比特数充足的情况下，实施例实现了叫格点到编码输出的无损编码；在比特数不充分或者是网络带宽限制的情况下，根据调整扩展层数，实现M格点的粗编码。为了降低码率，实施例还在本发明技术方案基础上进行了全零校验和奇偶变换。参见附图l，可分级矢量量化编码流程如下歩骤IOI，提取表示源信号的帧的点阵矢量i，将输入的每帧源信号切断为N维矢量Z，本实施例选取的维数1^=8。歩骤102，对输入浮点8维矢量压缩为i^8格点，即格点矢量F。步骤102具体实施时，/^8格型结构的格点具有两个特性，特性一是i^;格点8维矢量的分量和为4的倍数;特性二是iA格点8维矢量分量全部为奇数或者全部为偶数。i^8格点的定义如下碼=2Z^U+(U,1,1，U,1,1)〉，其中￡>8=((X,…，X8)eZ81;q,…,X8为偶数l;根据朋8格点定义，将输入浮点8维矢量压縮为朋8格点，7={力,少2,...，3^。A为Y的第H隹值，A取1K，总维数K二8。步骤103，实施例对朋8格点做全零矢量判定。步骤103具体实施时，对1^0^，h,…，W作全零判定，如果对于任意"{1，2,...，8},均冇力=0，那么r为全零矢量，全零标志位^ra—ykg=l，直接转到步骤110;否则为非全零矢量，全零标志位zera一y^g-0。这样即可实现对格点矢量y进行全零校验。步骤104，对非全零的及￡8格点进行全奇全偶判定，计算奇偶标记位o必—y/"g。步骤104具体实施时，根据7^8格点的第二特性，/^8格点y的每维矢量将全部是奇数或者全部是偶数，奇偶校验位o^/—y/flg为，ocW一^/7ag二」Y为全奇格点；j)Y为全偶格点；步骤105，根据奇偶标记位o^^一y"g对非全零的i^8格点进行奇偶算法变换。步骤105具体实施时，具体的奇偶变换算法如下，得到变换后输出8维格点矢量y，0^，^，…,少Jodd—flag=l;l+"，^,…,yjodd—flag=0;步骤106，根据矢量半径，确定是否进行多层扩展编码。步骤106具体实施时，在基础矢量量化编码中选择的码本矢量半径限制在一定的范围内，通过8维格点矢量F半径的判定，确定是否基础码本能完全覆盖编码格点矢量r。本发明实施例设置的基础码本C的半径为R=4，即如果^<4,r^max(l少」，l少2l，…，l;;81)，那么格点矢量7在基础码本c之内，基础部份矢量6"^—:r-:r，并设置扩展层数"=0，进入步骤ios。否则格点矢量r不在基础码本C之内，则进入步骤107。步骤107，确定进行多层扩展，作8维矢量分裂，分裂为8维基础部分矢量和8维扩展部份矢量。步骤107具体实施时，将8维格点矢量y分裂成基础部份矢量Z)"se—:r和扩展部份矢量extend—r，其中基础部份矢量6"化—r转入步骤108，扩展部份矢量extend一F转入步骤109，具体的分裂算法如下，可见y由基础部份矢量^we一;r和扩展部份矢量extend—y合成，其分解算法为Zw化—:r=mod(7，4)和extend一7=|7-mod(J，4)|。例如，如果8维矢量1^{-7，-5,-3，-1，1，3，5，7}，由—F=mod(7，4)得，基础部份矢量&"—y={-3，-1，-3，-1，1，3，1，3}，根据公式extend—]7-}"—mod(y，4)，J广展咅卩伤、矢量extend—F={4，4，0，0，0，0，4}。步骤108，对基础部份矢量^se一;r或是不需扩展编码的s维格点矢量y进行格式矢量量化索引编码。步骤108具体实施时，本发明实施例设置的基础码本最大球壳半径为R=4，艮卩(kwe一力,k^U2，…，6ose一7j中|kzse_j^|<4，卜asuj表示基础部份矢量Zwwe—y的第A维元素，A取l8。本发明实施例的基础码本C分为Q1,Q2,Q3三个码本，一共有N=9个绝对引导项，绝对引导项包括半径从1一4的所有奇数引导项。绝对引导项每维矢量均为非负整数，而且按照从大至小的顺序进行排列。基础码本C的4个子码本，所对应的绝对引导项如表1所示，其中X表示绝对引导项在码本Q1,Q2,Q3之一选中表l绝对引导项表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>基础码本的矢量量化索引方式采用了三级索引,绝对引导项索引，符号引导项索引和全局索引表。如附图3，第一层是符号变化，第二层是矢量的排列变化，因此对于任意一个在基础码本之中的输入矢量，可以先求取其绝对引导项，与绝对引导项表中的第一项、第二项...第N项绝对引导项进行对比，找出索引表的起始点绝对引导项；然后确定符号变化信息，找到符号引导项的第二层入口地址，即在绝对引导项的基础上增加符号后的符号引导项；最后经过矢量的轶，即增加排列变化，来找到矢量的索引值，将该索引值作为基础码本量化索引/值转入步骤109。举例说明三级索引的具体步骤，如果输入矢量为{-3，1，3，1，-1，3，1，3}，那么一级索引得到第五项绝对引导项，即{3，3,3,3，1,1，1，1};符号变化后的二级索引是将符号引导项{3，3，3，-3，1，1，1，-1}对应绝对引导项{3，3，3,3，1，1，1，1}，即査表得到索引号；三级索引是将{3，3，3，-3，1，1，1，-1}进行排列计算得到全局索引表中的索引值，此时实现了矢量{-3，1，3，1，-1，3，1，3}的索引值査找。步骤109，对8维扩展部份矢量进行分级量化得到分级层数n和每层索引值。步骤109具体实施时，扩展部份矢量extend—r采用多级扩展的矢量量化方法，对基础码本不能覆盖的部分进行扩展编码，设置扩展部份矢量量化的半径为Z=2，具体的可分级扩展方法如下，计算扩展部份矢量extend一y的扩展层数"<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中，L，」表示上限取整，如果矢量球壳半径越大，扩展层数"越大。如表2所示，所谓矢量球壳半径即为max(extend—x，extend—y2,.."extend—少8)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>n=04n=l8n=216n=332n=464n-5128n=6256512…计算得到每层扩展部份矢量{extend—,extend—&，…,extend_i;}第一层的扩展部份矢量extend一i;计算如下，extend—K=mod((extend—F/4),2)第二层以上的扩展部份矢量extend_计算如下，i一lextend—"=mod(((extend—7/i)—^"extend—)，Zj)其中2SK"，且/为整数；中间变量j用于标识已经算出来的数层扩展部分矢量，以便基于这个基础之上计算下一层的扩展部分矢量。本发明对每层扩展部份矢量采用矢量量化编码方法，每层编码耗费8bitS，W层扩展部份矢量耗费比特数为8X";每层扩展部份矢量量化索引值extend—/,为，extend—=S2k"extend—>^hi，其中1^'S",且f为整数。本发明以一级扩展码本的码本矢量为例，一级扩展码本共有256项矢量，需要8比特进行编码。选取一级扩展码本的码本矢量和基础码本，能够覆盖所有的球壳半径不大于8的矢量。对于目标矢量1^(^，_F2，...，A},|^|||<-8，而基础码本可以查找所有球壳半径不大于4的矢量，因此基础码本可生成的矢量为6a"—r，kwe—&||<=4，由于扩展码本中extend—h取值有两种，分别是0和4。例如，F={-7，-5，-3，-1，1,3，5，7}，由歩骤107得到的扩展部份矢量为{4，4，0，0，0，0，0，4},用w=log2(max(extend一j,,extend—少2，...,extend一y8)/4)+1，i十算f寻至ij扩展层数"=1,第一层扩展部份矢量为extend—K={1，1，0，0，0，0，0，1}，根据扩展码本E的球壳半径Z=2，矢量量化索引计算公式为extend—/,.=^2k"extend—&，搜索计算得到第一层扩展量化索引为extend—/=131，艮卩f取l;为便于理解本发明技术方案，另以二级扩展码本的码本矢量为例，对于目标矢量7={^，72，…，少8}，叫<=16。以7={-15,-13，-11,-9，9,11,13,15}为例，基础码本可以查找所有球壳半径不大于4的矢量，艮卩6""—f={-3，-1，-3，-1，1，3，1，3}，用w=log2(max(extend一^，extend—>>2，…，extend一;v8),4)」+1，计算得至ij扩展层数"=2，扩展部分矢量为extend—7={12,12，8，8，8,8，12，12}，第一层扩展部份矢量extend—]^={1，1，0，0，0，0，1，1}，第二层扩展部份矢量extend—72={1，l，1，1，1，1，1，1}。扩展码本E的球壳半径Z=2，矢量量化索引计算公式为extend—/,=Z2k—、xtendj,t，量化后的索引为extend—A=195，extend—/2=255，艮P/分别取1、2。步骤IIO，编码端输出，包括奇偶校验位oc^—yZag、全零标志位zero—yag、索引值、分级层数n打包输出。所谓索引值分两种情况如果目标矢量y包括在基础码本C中，未进行扩展，直接将基础码本量化索引I编码输出。否则对应扩展的情况，则是将所得基础码本量化索引I、各层扩展量化索引extend—/,和扩展层数"编码输出。针对按照以上方式生成的量化编码结果，本发明实施例的可分级矢量量化解码流程参见附图2:步骤201，将编码端传输过来的数据解包得到各个参数。步骤201具体实施时，将编码端传送来的打包作为输入，解包得到全零标志位^ra—y"g,奇偶校验位o必一/唯,基础码本索引I值，扩展层数"。步骤202，判定输出全零标志位zwo—/7%值。步骤202具体实施时，如果zm—y/"g为1，输出8维矢量7为{0，0，0，0，0，0，0，0}，直接进入步骤208结束该8维矢量解码，进入下一8维矢量解码；如果zero—y。g为0，那么进行后续步骤。步骤203，判定编码端是否进行了扩展编码。步骤203具体实施时，如果进行了扩展编码，将进行歩骤204和步骤205，否则只进行步骤204，具体判定方法如下，如果"=0，那么判定为该编码输入端作了基础编码，如果">0，那么该解码输入端作了基础编码和扩展编码两部分。步骤204，根据基础码本量化索引I査找基础码本C到/t^格点的基础部份14矢量&化—7。步骤204实现基础部分解码具体实施时，根据基础码本量化索引I的索引值査找格型矢量量化索引到i^8格点的基础部份矢量^"—r，索引码本是半径为R=4的基础码本C，和编码端所用码本一致。步骤205，从编码码流提取每层扩展编码输出的各层扩展量化索引extend_/;,l&^";根据扩展层数"和各层扩展部份矢量extend—};得到扩展部分矢量extend一;r，1S/S"。步骤205扩展部分解码具体实施时，根据扩展层数"，读入extend/={extend—/,extend—/2,...，extend—/}利用逆扩展算法得到各层扩展部份矢量extend—K，具体算法如下，8extend一《=Z2M((extend—/a)JM)(2卜1》"i，总的扩展部份矢量extend—r由各层扩展部份矢量extend—j;合成，其合成算法为，extend—F"f2"extend一《'■=i步骤206，由基础部份矢量^化—y和扩展部分矢量extend—y合成8维格点矢量r。步骤206具体实施时，8维格点矢量F-extend—F+kwe—y。步骤207，根据输出奇偶标志位o^/—刀"g值，对输出8维格点矢量r作奇偶校验。步骤207具体实施时，根据输出奇偶标志位oc^Ly"g值，对输出8维格点矢量r作奇偶校验，具体奇偶变换算法如下，7=7+|認jag-1|步骤20S，将解码结果输出，输出结果为格点矢量:r。步骤208具体实施时，将解码结果输出，输出的格点矢量y为8维矢量。权利要求1.一种可分级矢量量化编码方法，其特征在于包括以下步骤，步骤1.1，提取表示源信号的帧的点阵矢量X；步骤1.2，对点阵矢量X进行点阵压缩得到格点矢量Y；步骤1.3，判断目标矢量Y是否包括在基础码本C中；如果目标矢量Y包括在基础码本C中，对目标矢量Y在基础码本C中进行矢量量化索引查找，得到基础码本量化索引I并编码输出；如果目标矢量Y不包括在基础码本C中，分裂目标矢量Y得到基础部分矢量base_Y和扩展部分矢量extend_Y，所述扩展部分矢量extend_Y按照扩展层数n分裂为各层扩展部份矢量extend_Yi，1≤i≤n；对基础部分矢量base_Y在基础码本C中进行矢量量化索引查找，得到基础码本量化索引I，对各层扩展部份矢量extend_Yi分别在扩展码本E中进行矢量量化索引查找，得到相应各层扩展量化索引extend_Ii，1≤i≤n；最后将所得基础码本量化索引I、各层扩展量化索引extend_Ii和扩展层数n编码输出；所述扩展部分矢量extend_Y按照扩展层数n分裂为各层扩展部份矢量extend_Yi，具体方式如下，(1)计算扩展部分矢量extend_Y的扩展层数n其中，id="icf0002"file="A2009100631710002C2.tif"wi="5"he="5"top="217"left="43"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>表示上限取整，R为基础码本球壳半径，Z为扩展码本球壳半径，extend_yk表示扩展部分矢量extend_Y的第k维元素，k取1～K，K为总维数；(2)根据扩展层数n计算得到每层扩展部份矢量{extend_Y1，extend_Y2，...，extend_Yn}其中，第一层的扩展部份矢量extend_Y1计算如下，extend_Y1＝mod((extend_Y/R)，Z)其中，第二层及以上的扩展部份矢量extend_Yi计算如下，<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mrow><mi>extend</mi><mo>_</mo><mi>Y</mi></mrow><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mi>mod</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>(</mo><mi>extend</mi><mo>_</mo><mi>Y</mi><mo>/</mo><mi>R</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><msup><mi>Z</mi><mi>j</mi></msup><msub><mrow><mi>extend</mi><mo>_</mo><mi>Y</mi></mrow><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msup><mi>Z</mi><mi>i</mi></msup><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中2≤i≤n，且i为整数。2.—种可分级矢量量化解码方法，其特征在于包括以下步骤，步骤2.1，从编码码流中提取基础码本量化索引I以及扩展层数"；步骤2.2，根据扩展层数"解码量化索引，方式如下；如果r^0，使用基础码本C解码基础码本量化索引I，得到目标矢量r;如果nX)，根据基础码本解码索引i得到基础部分矢量6""一r，根据各层扩展量化索引extend—/,合成扩展部分矢量extend一r，1SK";合成基础部分矢量6"化—F和扩展部分矢量extencL;r，得到目标矢量F;所述根据各层扩展量化索引extend—,.合成扩展部分矢量extend—y，具体方式如下，(1)根据扩展层数"，读入extend—extend—/"."extend—/"(2)根据各层扩展量化索引extend—/,査找得到各层扩展部份矢量extend—K，，1，扩展部分矢量extend一:r由各层扩展部份矢量extend—"合成，其合成公式extend—l^W^Zi-Extend—《，R为基础码本球壳半径，Z为扩展码本球壳半径。全文摘要本发明提出了一种可分级矢量量化编解码方法。编码时，提取表示源信号的帧的点阵矢量X；对点阵矢量X进行点阵压缩得到格点矢量Y；判断目标矢量Y是否包括在基础码本C中，根据判断结果进行多级扩展。解码时，从编码码流中提取基础码本量化索引I以及扩展层数n；根据扩展层数n解码量化索引。本发明根据具体的码本半径，确定扩展层数，实现了精细的可分级矢量量化。文档编号G10L19/00GK101599273SQ20091006317公开日2009年12月9日申请日期2009年7月14日优先权日2009年7月14日发明者刘元元,成周,希杜,杨玉红,胡瑞敏,昭谢申请人:武汉大学