Линейное предсказание с кодовым возбуждением

Линейное предсказание с кодовым возбуждением ( CELP ) — это с линейным прогнозированием, алгоритм кодирования речи первоначально предложенный Манфредом Р. Шредером и Бишну С. Аталом в 1985 году. В то время он обеспечивал значительно лучшее качество, чем существующие алгоритмы с низкой скоростью передачи данных, такие как остаточный линейным предсказанием с возбуждением (RELP) и кодированием с линейным предсказанием (LPC) Вокодеры с (например, FS-1015 ). Наряду со своими вариантами, такими как алгебраический CELP , расслабленный CELP , CELP с малой задержкой и линейное предсказание с возбуждением векторной суммы , в настоящее время это наиболее широко используемый алгоритм кодирования речи. . Он также используется при MPEG-4 Audio кодировании речи . CELP обычно используется как общий термин для класса алгоритмов, а не для конкретного кодека.

Предыстория

Алгоритм CELP основан на четырех основных идеях:

• Использование модели исходно-фильтрационного производства речи посредством линейного предсказания (ЛП) (см. учебник «Алгоритм кодирования речи»);
• Использование адаптивной и фиксированной кодовой книги в качестве входных данных (возбуждения) модели LP;
• Выполнение поиска в замкнутом цикле в «перцепционно взвешенной области».
• Применение векторного квантования (VQ)

Исходному алгоритму, смоделированному в 1983 году Шредером и Аталом, требовалось 150 секунд для кодирования 1 секунды речи при запуске на суперкомпьютере Cray-1 . С тех пор более эффективные способы реализации кодовых книг и улучшения вычислительных возможностей позволили запустить алгоритм во встроенных устройствах, таких как мобильные телефоны.

CELP-декодер

Рисунок 1: CELP-декодер

Прежде чем исследовать сложный процесс кодирования CELP, мы познакомим вас с декодером. На рисунке 1 описан общий декодер CELP. Возбуждение производится путем суммирования вкладов фиксированных (также известных как стохастические или инновационные) и адаптивных (также известных как шаг) кодовых книг:

$e[n]=e_{f}[n]+e_{a}[n]\,$

где $e_{f}[n]$ - это фиксированный (он же стохастический или инновационный) вклад кодовой книги и $e_{a}[n]$ — это вклад адаптивной ( шаговой ) кодовой книги. Фиксированная кодовая книга — это словарь векторного квантования , который (явно или неявно) жестко закодирован в кодеке. Эта кодовая книга может быть алгебраической ( ACELP ) или храниться явно (например, Speex ). Записи в адаптивной кодовой книге состоят из задержанных версий возбуждения. Это позволяет эффективно кодировать периодические сигналы, например вокализованные звуки.

Фильтр, формирующий возбуждение, имеет всеполюсную модель вида $1/A(z)$, где $A(z)$ называется фильтром прогнозирования и получается с помощью линейного прогнозирования ( алгоритм Левинсона-Дурбина ). Всеполюсный фильтр используется потому, что он хорошо отображает речевой тракт человека и его легко вычислить.

CELP-кодер

Основной принцип CELP называется анализом путем синтеза (AbS) и означает, что кодирование (анализ) выполняется путем перцепционной оптимизации декодированного (синтеза) сигнала в замкнутом контуре. Теоретически лучший поток CELP можно получить, перепробовав все возможные комбинации битов и выбрав ту, которая создает декодированный сигнал с лучшим звучанием. Очевидно, что на практике это невозможно по двум причинам: требуемая сложность превосходит любое доступное в настоящее время оборудование, а критерий выбора «наилучшего звучания» предполагает присутствие человека-слушателя.

Чтобы обеспечить кодирование в реальном времени с использованием ограниченных вычислительных ресурсов, поиск CELP разбивается на более мелкие, более управляемые последовательные поиски с использованием простой функции взвешивания по восприятию. Обычно кодирование выполняется в следующем порядке:

• Коэффициенты линейного предсказания (LPC) вычисляются и квантуются, обычно как линейные спектральные пары (LSP).
• Производится поиск в адаптивной (шаговой) кодовой книге и удаляется ее вклад.
• Осуществляется поиск фиксированной (инновационной) кодовой книги.

Взвешивание шума

Большинство (если не все) современных аудиокодеков пытаются формировать шум кодирования так, чтобы он появлялся в основном в тех диапазонах частот, где ухо не может его обнаружить. Например, ухо более терпимо к шуму в более громких частях спектра и наоборот. Вот почему вместо минимизации простой квадратичной ошибки CELP минимизирует ошибку для области, взвешенной по восприятию . Весовой фильтр W(z) обычно получается из фильтра LPC путем расширения полосы пропускания :

$W(z)={\frac {A(z/\gamma _{1})}{A(z/\gamma _{2})}}$

где $\gamma _{1}>\gamma _{2}$.

См. также

• MPEG-4, часть 3 (CELP как тип аудиообъекта MPEG-4)
• G.728 – Кодирование речи со скоростью 16 кбит/с с использованием линейного предсказания, возбуждаемого кодом с малой задержкой.
• G.718 – использует CELP для двух нижних уровней диапазона (50–6400 Гц) в двухэтапной структуре кодирования.
• G.729.1 - использует кодирование CELP для нижней полосы (50–4000 Гц) в трехступенчатой ​​структуре кодирования.
• Сравнение форматов кодирования звука
• CELT — это родственный аудиокодек, который заимствует некоторые идеи у CELP.

Ссылки

• Б.С. Атал, «История линейного предсказания», журнал IEEE Signal Processing Magazine , vol. 23, нет. 2, март 2006 г., стр. 154–161.
• М. Р. Шредер и Б. С. Атал, «Линейное предсказание с кодовым возбуждением (CELP): высококачественная речь при очень низких скоростях передачи данных», в материалах Международной конференции IEEE по акустике, речи и обработке сигналов (ICASSP), том. 10, стр. 937–940, 1985.

Внешние ссылки

• Эта статья основана на статье, представленной на Linux.Conf.Au.
• Некоторые детали основаны на Speex . по кодеку руководстве
• эталонные реализации CELP 1016A (CELP 3.2a) и LPC 10e. Архивировано 12 декабря 2016 г. в Wayback Machine.
• Линейное прогнозирующее кодирование (LPC)

Избранные чтения

• Введение в кодирование CELP
• Обработка речи: теория анализа и синтеза LPC. Архивировано 15 июня 2014 г. в Wayback Machine.