Brevet FR2706053A1 — publié le 19941209

" Procédé pour réduire la redondance des données " Etat de la technique. La présente invention concerne un procédé de réduction des données pour une transmission de données d'au moins deux canaux audio et/ou vidéo. On connaît déjà des procédés de réduction de la redondance stéréophonique selon les documents de J.D. Johnston, " Perceptual Transform Coding of Wideband Stereo Signais ", Proc. Of the ICASSP 1990 et de R.G. van der Waal, R.N.J. Veldhuis, " Subband Coding of Stereophonic Digital Audio Signals ", Proc. Of the ICASSP 1991. Selon ces documents on n'utilise toutefois que les relations statistiques entre les valeurs de détection qui se produisent simultanément dans les deux canaux. La présente invention concerne un procédé ca- ractérisé en ce qu'on détermine les liaisons statistiques entre les canaux, servant à un codage commun et on transmet un signal d'un canal et une erreur de prédiction avec les coefficients de prédiction et les différences de temps de parcours déterminés à partir des liaisons statistiques et à partir du signal transmis d'un canal et de l'erreur de pré- diction ainsi que des coefficients de prédiction et des différences de temps de parcours, un récepteur reconstruit le signal de l'autre canal, en déterminant les corrélations croisées décalées dans le temps et les différences de temps de parcours correspondantes entre les signaux des deux ca- naux, en transmettant un canal de signal et les coeffi- cients de prédiction obtenus à partir des corrélations croisées déterminées et des différences de temps de par- cours et à partir du signal transmis, de l'erreur de pré- diction, des coefficients de prédiction et des différences de temps de parcours, le récepteur reconstruit le signal du second canal. Avantages de l'invention. Le procédé selon l'invention offre l'avantage d'utiliser les corrélations croisées existant pour tenir compte des différences de temps de parcours dans la prédic- tion adaptative intercanal. Cela augmente le coefficient de réduction des données, c'est-à-dire que cela réduit la re- dondance des données. La conséquence en est une meilleure qualité pour un même coefficient de réduction ou encore la même qualité pour un coefficient de réduction plus grand. Dessins. Un exemple de réalisation de l'invention est représenté dans les dessins et sera décrit ci-après de ma- nière plus détaillée. Ainsi: - la figure 1 montre un système de transmission à deux canaux, - la figure 2 est un schéma par blocs d'un pré- dicteur adaptatif intercanal, - la figure 3 montre une réalisation d'un pré- dicteur intercanal. Description de l'exemDle de réalisation. La figure 1 montre deux canaux de transmission de signaux. Le premier canal de signal correspond au signal x(n) détecté aux instants n. Ce signal est transmis par une ligne de données 21 à une unité de calcul 1 comprenant une mémoire. Le second canal de signal correspond au signal y(n) détecté aux instants de détection n. Ce signal est transmis par une autre ligne de données 22 à l'unité de calcul 1. Partant des valeurs actuelles et des valeurs précédentes de détection du signal x(n) et en utilisant une compensation de temps de parcours de la différence de temps de parcours d entre les deux signaux x(n) et y(n) une pré- diction avec des coefficients de prédiction ak, l'unité de calcul 1 détermine, comme cela sera exposé ci-après, une valeur évaluée y' (n) de la valeur détectée actuelle y(n) du second canal. Puis on calcule l'erreur de prédiction e(n) comme différence entre la valeur de détection actuelle y(n) et la valeur évaluée y'(n), c'est-à-dire e(n)=y(n)-y'(n). L'unité de calcul 1 fournit le signal détecté x(n) du pre- mier canal, la différence de temps de parcours (retard) d, les coefficients de prédiction ak et l'erreur de prédiction e(n) par la ligne de données 20 au récepteur équipé d'une unité de calcul 2. La transmission des données peut toute- fois se faire également par des ondes électromagnétiques. Le récepteur avec l'unité de calcul 2 recons- truit le signal y(n) du second canal avec le signal x(n) détecté du premier canal, le retard d, les coefficients de prédiction ak et les erreurs de prédiction e(n); ce signal y(n) est transmis avec le signal x(n) détecté pour la suite du traitement. La figure 2 montre schématiquement la prédic- tion intercanal, adaptative de l'unité de calcul 1. Dans une unité de calcul 3 on transmet, comme cela sera décrit ci-après, pour des blocs correspondant chaque fois à N va- leurs de détection successives, des signaux x(n) et y(n), les coefficients de prédiction ak optimums et le retard op- timum d et on transmet ces informations au circuit de tem- porisation 3 ou au prédicteur 4 ainsi qu'à l'unité de calcul 6. Le signal détecté x(n) est fourni à un circuit de temporisation 3 puis à un prédicteur 4. Ainsi, selon la 3 formule 1 donnée dans la description on calcule une valeur évaluée y'(n) pour la valeur détectée actuelle y(n) du se- cond canal. La valeur évaluée y' (n) et la valeur détectée y(n), actuelles, sont appliquées à un additionneur 7, la valeur évaluée y'(n) étant assortie d'un signe algébrique négatif. L'addition de la valeur évaluée y' (n) et de la va- leur détectée actuelle y(n) donne selon la formule 2 l'erreur de prédiction e(n), qui est également transmise à l'unité de calcul 6. L'unité de calcul 6 exécute les traitements né- cessaires à la transmission comme par exemple le codage et le multiplexage en-dehors de la prédiction intercanal adap- tative, opérations qui ne seront pas détaillées ici. L'unité de calcul 6 fournit finalement le signal détecté x(n), le retard d, les coefficients de prédiction ak et l'erreur de prédiction par la ligne de données 20 au récep- teur. L'unité de calcul 3 détermine les coefficients de prédiction ak, optimums et la différence de temps de parcours d optimale pour un bloc comprenant chaque fois N valeurs de détection consécutives, en minimisant le rende- ment de l'erreur de prédiction. En utilisant la prescrip- tion donnée dans la formule (10) on calcule selon les formules (4), (5), (6), (7), (8) le rendement d'erreur de prédiction que l'on minimise en modifiant le retard d et les coefficients de prédiction ak. La figure 3 montre une réalisation pratique du prédicteur intercanal comprenant le circuit de temporisa- tion 3 et le prédicteur 4. La valeur de signal x(n), détec- tée du premier canal 21 est fournie à un premier circuit de retard 8. Le circuit de retard 8 enregistre la valeur de signal x(n) détectée pour un nombre fixe de cadences de dé- tection, à savoir la différence de temps de parcours d. Puis la valeur de signal x(n-d) est fournie à un second circuit de temporisation 10 et à un multiplicateur numéro zéro 9. Le multiplicateur d'ordre zéro 9, multiplie la valeur de signal x(n-d) par un coefficient de prédiction a0 pour être transmise à un premier additionneur 12. Dans le second circuit de temporisation 10, on enregistre la valeur de signal x(n-d) pour une cadence de détection puis on fournit la valeur de signal x(n-d-1) à un premier multipli- cateur 11 et à un autre circuit de temporisation ce qui est représenté à la figure 3 par des points de suspension. Le premier multiplicateur 11 multiplie la valeur de signal x(n-d-1) par un premier coefficient de prédiction a, et transmet le produit à un premier additionneur 12. Le premier additionneur 12 additionne le pro- duit (x(n-d)*a0) fourni par le multiplicateur d'ordre zéro 9 avec le produit (n(n-d-l)*aj) du premier multiplicateur 1l et transmet la somme à un autre additionneur ce qui est également représenté par des points de suspension à la fi- gure 3. Ce montage réalise la somme donnée dans la formule (1) qui représente la valeur évaluée y'(n) de la valeur de détection actuelle du signal y(n). Entre le premier circuit de temporisation 10 et le circuit de temporisation 13 d'ordre k on a d'autres circuits de temporisation K-2. Les circuits de temporisation sont respective- ment reliés à un multiplicateur, qui multiplie le signal temporisé par un coefficient de prédiction et transmet le produit à un additionneur. L'additionneur additionne le produit fourni par le multiplicateur avec la somme fournie par l'additionneur précédent; la somme résultante est transmise à un autre additionneur. On a ainsi K branches reliées au multiplicateur 11 de façon analogue au circuit de temporisation 10 et le multiplicateur 11 est relié à l'additionneur 12. Dans la dernière branche K, le signal fourni par le circuit de temporisation précédent à un circuit de temporisation 13 d'ordre k est mis en mémoire pour une ca- dence de détection et le signal x(n-d-K) est transmis à un multiplicateur d'ordre K, 14. Ce multiplicateur d'ordre K, 14 multiplie le signal reçu par le coefficient de prédic- tion aK d'ordre K; le produit (x(n-d-K)*aK) est transmis à un additionneur 15 d'ordre K. L'additionneur 15 d'ordre K additionne le pro- duit reçu du multiplicateur 14 d'ordre K et la somme four- nie par un additionneur d'ordre (K-1) pour donner la valeur évaluée y'(n) représentée dans la formule (1). L'additionneur 15 d'ordre K transmet la valeur évaluée y' (n) à l'additionneur 7. L'additionneur 7 partant de la valeur actuelle détectée du signal y(n) et de la valeur évaluée y'(n) détermine l'erreur de prédiction e(n). L'unité de calcul 1 avec la mémoire, optimise alors l'erreur de prédiction e(n). Le procédé représenté schématiquement à la fi- gure 3 pour déterminer l'erreur de prédiction e(n) en uti- lisant les coefficients de prédiction ak et la différence de temps de parcours (retard) d se fait comme la détermina- tion déjà décrite du retard optimum d et des coefficients de prédiction optimums ak, par l'unité de calcul 1 équipée d'une mémoire. Le prédicteur 4 est de préférence réalisé par une structure de filtre à réponse impulsionnelle rapide (FIR) connue selon le document Kammeyer " Nachrichten- technik ", Teubner Stuttgart, 1992, page 487. Le procédé de prédiction intercanal, adapta- tive, ainsi proposé permet une réduction de la redondance au codage de signaux vidéo et audio à plusieurs canaux en ce que l'on utilise les liaisons statistiques entre les ca- naux lorsque celles-ci ne sont pas codées indépendamment les unes des autres mais en commun. Dans le cas du codage de signaux stéréophoni- ques, l'état de la technique correspond à la solution de standardisation ISO/IEC [1] connue sous la dénomination MPEG/Audio. Le procédé appliqué dans ce cas pour la réduc- tion de la redondance stéréophonique repose sur les travaux objet des publications [2] et [3] données en fin de des- cription. Un signal stéréophonique se caractérise notamment en ce que les signaux de différentes sources de sons dans les deux canaux arrivent à des instants différents et avec des niveaux différents, ce qui n'est pris en compte que de manière insuffisante par tous les procédés connus actuelle- ment car ils n'utilisent que les relations statistiques en- tre les deux valeurs de détection simultanées du canal gauche et du canal droit. La solution améliorée, à savoir la prédiction intercanal adaptative, contient une prédic- tion d'ordre supérieur, compensée dans le temps de parcours qui calcule à partir des valeurs détectées du signal dans un canal, une valeur évaluée pour la valeur détectée ac- tuelle dans l'autre canal. De façon analogue, on transpose cette solution à des signaux dans plus de deux canaux. La figure 2 montre le schéma-blocs et la figure 3 montre une réalisation du prédicteur intercanal. A partir de plusieurs valeurs de détection suc- cessives du signal x(n) dans un canal on calcule la valeur évaluée: K y' (n) = a,. x(n d k) (1) k=o pour la valeur de détection actuelle du signal y(n) chaque fois dans l'autre canal. K calcule ainsi le degré du pré- dicteur, ak représente les coefficients de prédiction et d un retard permettant de compenser les différences de temps de parcours. L'erreur de prédiction est donnée par la for- mule: e(n) = y(n)- y' (n) (2) Comparée à la variance du signal y(n), celle du signal d'erreur de prédiction e(n) est plus faible. Si à la place du signal y(n), on code et on transmet le signal d'erreur de prédiction e(n), cela conduit à une réduction du flux de données; le gain de prédiction est défini par le rapport des variances: E[y2()] Gy2 G E[e2(n)]2 (3) Sans limiter le caractère général on supposera ci-après que x(n), y(n), y'(n) et e(n) sont des valeurs stationnaires et sans moyenne. Pour un retard prédéterminé d on peut calculer les coefficients de prédiction optimums ak en minimisant la variance du signal d'erreur de prédic- tion (%2 = E[e2(n)]. Cela conduit au système d'équations linéaires suivant: ak.,. X = ci. c; 0 de détection du signal x(n) sont donnés par la formule sui- vante: rki = r E[x(n - d - k)x(n - d - i)] (6) xx x' Les coefficients de corrélation croisés des va- leurs de détection des signaux x(n) et y(n) sont donnés par la formule suivante: E[y(n)x(n - d - i)] c-= ci =,y (7)x Pour les coefficients de prédiction optimums ak on minimise l'erreur de prédiction: K Ci2 = Cy -ar CY *ak Ck- Cx (8) k=O et on rend maximum le gain de prédiction pour la valeur proposée du retard d: G = (9) 1 L I ak. Ck.Xx y k=o Le retard d peut être par exemple une valeur évaluée à partir d'une analyse préalable pour la différence de temps de parcours entre les signaux x(n) et y(n). Le gain de prédiction maximum s'obtient par l'optimisation si- multanée des coefficients de prédiction ak et du retard d. Pour des signaux d'entrée non stationnaires, les paramètres de prédiction optimums sont dépendants des caractéristiques actuelles du signal, c'est- à-dire qu'ils varient dans le temps. De ce fait il est avantageux d'adapter la prédiction aux caractéristiques actuelles du signal. Pour cela on code les signaux x(n), y(n) dans des blocs {x(mN)...x(mN+N-l)} ou {y(mN)...y(mN+N-l)}; on cal- cule les paramètres de prédiction optimums correspondants en utilisant les valeurs moyennes à court terme N--1 f(mN + j) à laplace des valeurs prévisibles E[f(mN)] (10) N j=0 De cette manière on minimise le rendement de l'erreur de prédiction pour chaque bloc. Il faut transmet- tre également les paramètres de prédiction en plus du si- gnal x(n) et du signal d'erreur de prédiction e(n) pour chaque bloc. Pour augmenter l'efficacité de la prédiction intercanal adaptative on n'applique pas celle-ci à un si- gnal d'entrée en bande large, mais aux composantes spectra- les en bande étroite. On utilise pour cela le fait, que la prédiction est particulièrement efficace pour les composan- tes de signal phonique, distinctes. L'application de la prédiction intercanal adaptative à des composantes spectra- les en bande étroite assure que seulement quelques compo- santes du signal sonore ou un faible nombre de telles composantes soient contenues dans une composante spectrale, ce qui permet d'utiliser des prédicteurs d'ordre inférieur. De plus, les paramètres de prédicteur peuvent s'adapter à la répartition des composantes du signal sonores dépendant du signal dans la plage spectrale, si bien que l'on peut couper la prédiction par exemple dans les composantes spec- trales qui ne contiennent pas de composantes de signal so- nores. Dans une première étape on a intégré la prédic- tion intercanal adaptative dans un ISO MPEG Layer II Codec [1], les composantes spectrales étant obtenues à l'aide d'un ensemble de filtres de même forme à 32 bandes partiel- les. Dans ce cas x(n) et y(n) sont les signaux de sous- détection du signal stéréophonique dans la bande partielle d'ordre i. Pour x(n) = l(n) et y(n) = r(n), on a la prédic- tion du signal gauche vers le signal droit. Si l'on échange l'association on obtient un sens de prédiction inverse. Les coefficients de prédiction ak et le retard d sont chaque fois définis pour de courts intervalles de temps (T=24ms). Une particularité du prédicteur intercanal adaptatif est que la structure de prédiction à la fois dans le codeur et dans le décodeur est une structure FIR de sorte qu'il n'y a aucune difficulté de mise en oscillation et de stabilité. Cela est particulièrement important pour commencer le déco- dage à un endroit quelconque du signal. A la place de x(n) et y(n) il faut coder et transmettre x(n) et e(n). De plus, l'information auxiliaire nécessaire au prédicteur (temporisation d, coefficients de prédiction ak) doit être transmise. La direction de la pré- diction, c'est-à-dire l'association de l(n) et r(n) à x(n) et y(n) peut être fixe ou variable et doit être transmise. Dans le codeur, les valeurs d'entrée du prédicteur sont les valeurs quantifiées de x(n). Cela garantit que les prédic- teurs utilisent les mêmes signaux d'entrée à la fois dans le codeur et dans le décodeur. Les erreurs de quantifica- tion du signal y(n) sont ainsi identiques à celles du si- gnal d'erreur de prédiction e(n). Au cas contraire, on au- rait une adjonction supplémentaire de l'erreur de quantifi- cation du signal x(n). Des premiers essais ont montré qu'en particu- lier pour une classe de signaux d'essais, qui s'est avérée particulièrement critique pour les tests d'écoute [4] pour la standardisation ISO0 (signaux d'essais avec des caracté- ristiques d'instruments isolés, qui présentent des compo- santes spectrales sonores nombreuses d'énergie partiellement relativement importante même dans la plage des fréquences supérieures comme par exemple la clarinette ou le clavecin) il s'en suit des rendements de prédiction importants. Pour le signal d'essai " clarinette " on a ob- tenu, par exemple dans les différentes bandes partielles, et sur des segments de signaux importants, des gains de prédiction de l'ordre de 30 à 40 dB ce qui conduit à une amélioration significative de la qualité de l'audition. Le gain de prédiction se concentre principalement sur les ban- des partielles 6-12 inférieures. Les différents signaux d'essais ont donné des gains de prédiction moyens dans ces bandes partielles inférieures, compris entre 3 et 16 dB alors que dans les bandes partielles supérieures les gains sont inférieurs à 3 dB et par rapport au signal total pris en moyenne, le gain de prédiction est compris entre 0,5 et 6,5 dB. Une particularité importante de la prédiction intercanal adaptative réside dans l'obtention de gains de prédiction importants notamment dans les segments de si- gnaux dont le codage est particulièrement difficile, c'est- à-dire qui nécessitent des flux de données importants. Références de l'art antérieur. [1] ISO/IEC, " Draft International Standard DIS 11172: Information technology - coding of moving pictures ans as- sociated audio for digital storage media at up to about 1,5 Mbit/s ", ISO/IEC JTC1/SC29/WGll, Genève, Avril 1992. [2] J.D. Johnston, " Perceptual Transform Coding of Wide- band Stereo Signals ", Proc. Of the ICASSP 1990. [3] R.G. van der Waal, R.N.J. Veldhuis, " Subband Coding of Stereophonic Digital Audio Signals ", Proc. of the ICASSP 1991. [4] H. Fuchs, " Report on the MPEG/Audio subjective liste- ning tests in Hannover ", ISO/IEC JTC1/SC29/WG11: Doc.- No.MPEG 91/331, Novembre 1991. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Procédé de réduction des données pour une transmission de données d'au moins deux canaux audio et/ou vidéo, caractérisé en ce qu'on détermine les liaisons sta- tistiques entre les canaux, servant à un codage commun et on transmet un signal d'un canal et une erreur de prédic- tion avec les coefficients de prédiction et les différences de temps de parcours déterminés à partir des liaisons sta- tistiques et à partir du signal transmis d'un canal et de l'erreur de prédiction ainsi que des coefficients de pré- diction et des différences de temps de parcours, un récep- teur reconstruit le signal de l'autre canal, en déterminant les corrélations croisées décalées dans le temps et les différences de temps de parcours correspondantes entre les signaux des deux canaux, en transmettant un canal de signal et les coefficients de prédiction obtenus à partir des cor- rélations croisées déterminées et des différences de temps de parcours et à partir du signal transmis, de l'erreur de prédiction, des coefficients de prédiction et des différen- ces de temps de parcours, le récepteur reconstruit le si- gnal du second canal. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on utilise la corrélation croisée entre les deux canaux de signal en déterminant une valeur évaluée y' (n) à partir des valeurs de signal détectées x(n) du pre- mier canal selon la formule d'addition suivante: YI (n = E a,, * x(n - d k) k=o formule dans laquelle y' (n) est une valeur évaluée de la valeur y(n) du signal du second canal à l'instant de détec- tion n, ak est un coefficient de prédiction, d une diffé- rence de temps de parcours composée d'un nombre fixe de ca- dences de détection, k est une variable courante et K un nombre fixe qui donne le degré du prédiction et x(n-d-k) représente la valeur de détection du signal du premier ca- nal à l'instant de détection (n-d-k), on compare la valeur évaluée y'(n) à la valeur de détection y(n) du second canal, on détermine une erreur de prédiction e(n), on optimise les coefficients de prédiction ak et la différence de temps de parcours d par minimisation de l'erreur de prédiction e(n) et on transmet l'erreur de pré- diction e(n),- les coefficients de prédiction ak, la diffé- rence de temps de parcours d et le signal x(n) du premier canal et à partir de ces données le récepteur reconstruit le signal du second canal.