Brevet FR2857552A1 — publié le 20050114

Procédé de décodage d'un signal permettant de reconstituer une scène sonore à transformation temps-fréquence faible complexité, et dispositif correspondant. Le domaine de l'invention est celui du décodage de signaux, et notamment de signaux représentatifs d'une scène sonore. L'invention s'inscrit notamment, mais non exclusivement, dans le cadre de la norme MPEG-4 Audio (et plus précisément MPEG-4 Extension 2) pour le codage audionumérique haute qualité à faible débit. Une scène sonore est classiquement constituée d'un ensemble d'objets sonores, d'intensités différentes, caractérisés par leur position au sein de la scène. On peut ainsi imaginer une scène sonore représentative d'un orchestre, dans lequel les violons, les clarinettes et le piano sont chacun associés à un emplacement précis de la scène. En outre, les sons issus de chacun des instruments sont plus ou moins puissants, en fonction de l'instrument considéré et de la partition jouée. Afin de restituer fidèlement une telle scène sonore, après enregistrement et transmission par exemple, il est donc nécessaire de reconstruire les effets stéréophoniques associés à cette scène. Les techniques actuelles mises en oeuvre pour la représentation paramétrique des effets stéréophoniques reposent sur l'extraction, dans un signal complexe, des objets sonores dominants et de leurs indices de localisation dans la scène sonore. Les indices de localisation ainsi extraits sont donnés, le plus souvent, sous la forme de différences d'intensité et de déphasages temporels entre les différents objets sonores de la scène, encore appelés différences d'intensité et déphasages temporels interauraux . Au lieu de construire un signal complexe correspondant à la somme brute de tous les sons de la scène sonore, on peut utiliser ces indices pour combiner les objets constituants la scène sonore afin de former un signal moins complexe que le signal analysé. On peut ainsi réduire le nombre de canaux en passant d'un signal stéréophonique à deux canaux à un signal monophonique. A l'inverse, lorsque l'on cherche à restituer la scène sonore à partir du signal ainsi construit, il est possible de re-séparer les objets sonores à partir du signal combiné pour reconstituer une scène sonore proche de l'originale. Ces techniques, en permettant une réduction du nombre de canaux à traiter, typiquement de deux vers un, pour un surcoût faible par rapport à une approche purement monophonique, sont particulièrement avantageuses pour réaliser une compression audionumérique. Ce surcoût, de l'ordre de 2 à 4 kbit/s, est principalement lié à l'encodage et à la transmission des indices de localisation extraits et ayant servi à construire le signal combiné. Il est ainsi possible, grâce à ces techniques, de disposer d'un signal codé en stéréo à très bas débit (c'est-à-dire en deçà de 24 kbit/s). Ces techniques font l'objet de la phase dite MPEG-4 Extension 2 pour le codage audionumérique haute qualité à faible débit (24 kbit/s par voie pleine bande) du comité MPEG (pour Moving Picture Experts Group , en français Groupe d'Experts en Codage d'Images ) de l'ISO (pour International Standardisation Organisation , en français Organisation de normalisation internationale ). Notamment, une technique, appelée Parametric Stereo (PS, en français Stéréo paramétrique ) s'appuie sur un codage paramétrique de type sinusoïdal (SSC pour SinuSoidal Coding , en français codage sinusoïdal ) pour encoder le signal combiné qui est monophonique. Par rapport aux techniques traditionnelles, le PS permet de prendre aussi en compte la corrélation inter objets sonores, en plus de leurs indices de localisation. Le schéma générique de fonctionnement de cette technique est illustré sur la figure 1. On capture, à partir de la scène sonore, les signaux 1(n) et r(n) correspondant respectivement aux échantillons temporels gauche et droite du 30 signal sonore global associé à la scène. Ces signaux 1(n) et r(n) sont analysés par un bloc d'analyse 10, afin d'identifier quels sont les objets sonores dominants, quelles sont les corrélations existant entre les différents objets de la scène, ainsi que leurs indices de localisation. En sortie du bloc d'analyse 10, on récupère ainsi les paramètres ild, itd et rho, qui sont respectivement les différences de niveaux, les déphasages temporels et les corrélations interauraux. Ces paramètres sont donnés par bande de fréquences (b) et par trame (nT). Ils alimentent, avec les signaux 1(n) et r(n), une matrice 11, délivrant en 10 sortie un signal simple, par exemple monophonique m(n), et un signal décorrélé d(n) obtenu par filtrage du signal m(n). Le signal m(n) et les paramètres ild, itd et rho sont ensuite codés par le codeur SSC 12, et transmis le long d'un canal de transmission qui n'a pas été représenté sur la figure 1. Le signal transmis est ensuite reçu et décodé par le décodeur SSC 13, qui en extrait une estimation ild', itd' et rho' des paramètres ild, itd et rho, ainsi qu'un signal estimé m' (n). Par filtrage du signal m'(n) dans le décorrélateur 14, on récupère un signal décorrélé d'(n) qui, avec le signal m'(n) et les paramètres ild', itd' et rho', alimente une matrice 15 inverse de la matrice 11 utilisée lors du codage. Cette matrice inverse 15 délivre en sortie les signaux droite et gauche r' (n) et l' (n) estimés permettant de reconstruire la scène sonore. La figure 2 illustre plus en détail le principe mis en oeuvre lors du décodage du signal reçu, en vue de la restitution de la scène sonore. Le signal d(n) qui était présent à l'encodeur, est reconstruit au décodeur par décorrélation temporelle 14 du signal m(n) décodé, i.e. m'(n) . Ensuite les deux signaux m'(n) et d'(n) sont traités à l'aide d'une transformée de Fourier (FFT) 20, 21 par signal afin de calculer leur spectre M'(k) et D'(k). Les spectres M'(k) et D'(k) sont fournis, avec les paramètres ild', itd' et 30 rho', en entrée de la matrice inverse M- 15, qui délivre les spectres des signaux gauche et droite L'(k) et R'(k). Ces spectres subissent ensuite une transformée de Fourier inverse IFFT 22, 23, permettant de récupérer les échantillons temporels gauche et droite 1' (n) et r' (n). L'opération de matriçage mise en oeuvre au décodeur (M-') 15 utilise des coefficients complexes, calculés à partir des coefficients de localisation et dé-corrélation décodés, ild', itd' et rho'. En particulier, ces coefficients complexes ne sont pas purement réels aux indices 0 et N/2, où N est la taille de la FFT inverse utilisée. Ceci a pour conséquence que les signaux fréquentiels obtenus en sortie de matriçage 15 ne sont pas purement réels aux indices 0 et N/2. Les signaux temporels l'(n) et r'(n) délivrés en sortie des opérateurs de Fourier inverses 22, 23 ne sont donc pas purement réels. Selon la technique de l'art antérieur proposée par la norme MPEG-4 Audio, on utilise donc une transformation fréquence-temps (de type transformation de Fourier inverse) par canal (droite et gauche) et on prend la partie réelle en sortie pour obtenir les signaux temporels droite r'(n) et gauche 1' (n). Un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est qu'elle est complexe à mettre en oeuvre. Notamment, un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est qu'elle est coûteuse en opérations puisqu'elle impose de réaliser deux transformées fréquence-temps, associées respectivement à chacun des canaux droite et gauche. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir une technique de décodage d'un signal permettant de reconstituer une scène sonore qui soit moins complexe que les techniques de l'art antérieur. L'invention a notamment pour objectif de simplifier l'opération de transformation fréquence-temps mise en oeuvre dans une telle technique de décodage. Un autre objectif de l'invention est de mettre en oeuvre une telle technique qui soit moins coûteuse en termes de ressources (mémoire, capacité de calcul,...) que les techniques de l'art antérieur. L'invention a encore pour objectif de fournir une telle technique qui ne 5 dégrade pas de façon sensible la qualité de la scène sonore restituée par rapport aux techniques de l'art antérieur. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un procédé de décodage d'un signal, permettant de reconstituer une scène sonore, comprenant une étape de génération, à partir dudit signal, d'au moins deux spectres fréquentiels correspondant chacun à une partie de ladite scène sonore. Selon l'invention, on annule la partie imaginaire d'au moins certaines composantes desdits spectres, de façon à simplifier la transformation ultérieure desdits spectres dans le domaine temporel. Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive du décodage d'un signal sonore. En effet, l'invention permet de fortement simplifier l'opération de transformation fréquence-temps des spectres traités dans le cadre de ce décodage, grâce à la mise à zéro de certaines composantes fréquentielles de ces spectres. Ainsi, on choisit de dégrader certaines raies du spectre, ce qui va à l'encontre des préjugés de l'Homme du Métier qui considère cette opération comme nuisible à la qualité de la restitution ultérieure de la scène sonore. Une telle annulation de certaines des composantes permet avantageusement de garantir que les spectres traités sont à symétrie hermitienne, 25 et facilite donc leur transformation dans le domaine temporel. Préférentiellement, on annule la partie imaginaire des composantes continue et à Fe/2 desdits spectres, où Fe est une fréquence d'échantillonnage desdits spectres. On agit ainsi sur les composantes très basse et très haute fréquences 30 desdits spectres, qui ne sont pas ou très peu audibles pour l'oreille humaine. Avantageusement, un tel procédé de décodage comprend également une étape de pré-matriçage d'au moins certains desdits spectres groupés par paires, permettant d'élaborer un spectre combiné à partir de chacune desdites paires de spectres. On crée ainsi un spectre complexe, dont les parties réelle et imaginaire sont une combinaison astucieuse des spectres de départ. Cette combinaison est réalisée comme suit: pour les raies fréquentielles représentant la première partie du spectre, de la raie 0 à la raie N/2 -1, N étant le nombre de raies de la représentation de Fourier des spectres, la partie réelle du spectre combiné est obtenue en ajoutant la partie réelle du premier desdits spectres à l'opposée de la partie imaginaire du second desdits spectres et la partie imaginaire du spectre combiné est obtenue en ajoutant la partie imaginaire du premier desdits spectres à la partie réelle du second desdits spectres; - pour les raies fréquentielles représentant la deuxième partie du spectre, de la raie N/2 à la raie N-1, la partie réelle du spectre combiné est obtenue en ajoutant la partie réelle du premier desdits spectres à la partie imaginaire du second desdits spectres, en inversant le sens de lecture des raies de ces deux derniers spectres, et la partie imaginaire du spectre combiné est obtenue en ajoutant l'opposé de la partie imaginaire du premier desdits spectres à la partie réelle du second desdits spectres, en inversant également le sens de lecture des raies de ces deux derniers spectres. Préférentiellement, un tel procédé de décodage comprend également une étape de transformation fréquence-temps dudit spectre combiné, de façon à obtenir un signal temporel combiné. De façon avantageuse, un tel procédé de décodage comprend une étape de post-matriçage dudit signal temporel combiné, de façon à obtenir deux signaux temporels associés respectivement à chacun desdits spectres. Ces deux signaux temporels correspondent respectivement aux parties 30 réelle et imaginaire du signal temporel combiné. Selon une variante avantageuse de l'invention, lesdits signaux temporels sont les signaux droite et gauche d'une représentation stéréophonique de ladite scène sonore. Avantageusement, ledit signal permettant de générer lesdits spectres 5 fréquentiels est un signal monophonique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, lorsque N paires de spectres fréquentiels sont générées à partir dudit signal, lesdites étapes de transformation fréquence-temps et de post-matriçage sont mises en oeuvre sur chacune desdites N paires de spectres. En effet, on peut envisager de travailler, non pas sur une représentation stéréophonique de la scène sonore, présentant deux voies droite et gauche, mais sur une représentation multi-canaux de type 5.1 ou 6.1 par exemple. L'ensemble des opérations de pré-matriçage, transformation fréquencetemps et post-matriçage sont alors réalisées sur des paires de spectres: on peut par exemple grouper les signaux arrière-droite et arrière-gauche dans un premier spectre combiné, et les signaux avant-droite et avantgauche dans un second spectre combiné. Seule la voie centrale est alors traitée de manière indépendante. A l'issue de l'opération de post-matriçage, on récupère deux paires de signaux temporels ((arrière-droite, arrière-gauche) et (avant-droite, avant-gauche)) représentatifs des différentes parties de la scène sonore. L'invention concerne aussi un dispositif de décodage d'un signal, permettant de reconstituer une scène sonore, comprenant des moyens de génération d'au moins deux spectres fréquentiels à partir dudit signal. Selon l'invention, un tel dispositif comprend des moyens d'annulation de la partie imaginaire d'au moins certaines composantes desdits spectres, de façon à simplifier la transformation ultérieure desdits spectres dans le domaine temporel. Préférentiellement, un tel dispositif comprend des moyens de: pré-matriçage desdits spectres en un spectre combiné ; - transformation fréquence-temps dudit spectre combiné, de façon à obtenir 30 un signal temporel combiné ; - post-matriçage dudit signal temporel combiné, de façon à obtenir deux signaux temporels associés respectivement à chacun desdits spectres. L'invention concerne encore un programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé de décodage décrit précédemment lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1, déjà commentée en relation avec l'art antérieur, présente un synoptique du schéma de codage-décodage mis en oeuvre selon la technique dite de PS, proposée dans le cadre de la norme MPEG; - la figure 2, également décrite précédemment, illustre plus en détail le principe de décodage mis en oeuvre dans le schéma de la figure 1; - la figure 3 présente un synoptique des moyens de transformation fréquence-temps d'un décodeur selon l'invention; la figure 4 décrit plus en détail les traitements appliqués aux signaux dans le décodeur de la figure 3. Le principe général de l'invention repose, dans le cadre du décodage d'un signal sonore, sur la mise à zéro de la partie imaginaire de certaines composantes de spectres fréquentiels permettant de simplifier la transformation fréquence-temps ultérieure de ces spectres. On présente, en relation avec la figure 3, un mode de réalisation d'un 25 décodeur selon l'invention. Comme illustré précédemment en relation avec la figure 2, la matrice inverse M-' 15 est alimentée par les spectres du signal monophonique M' (k) et du signal décorrélé D'(k), ainsi que par les paramètres de différence d'intensité, de déphasage temporel et de corrélation entre les objets sonores de la scène ild', itd' et rho'. Cette matrice inverse M-' 15 délivre en sortie deux spectres fréquentiels L'(k) et R'(k) correspondant respectivement aux canaux gauche et droite de la scène sonore, et permettant d'en restituer les effets stéréophoniques. Une pré-matrice 30, qui sera décrite plus en détail en relation avec la figure 4, traite les spectres L' (k) et R' (k) de façon à pouvoir les combiner en un spectre combiné unique C(k), auquel on applique une unique transformée fréquence-temps 31 (par exemple de type IFFT pour Inverse Fast Fourier Transform , ou en français transformée de Fourier rapide inverse ). Après transformation 31, le signal temporel combiné résultant c(n) est fourni en entrée d'une post-matrice 32, qui sépare, au sein de ce signal combiné c(n), les canaux temporels droite r'(n) et gauche l'(n) permettant de restituer les effets stéréophoniques de la scène sonore. La figure 4 décrit plus en détail les traitements appliqués dans les prématrice 30 et post-matrice 32. Les spectres L' (k) et R' (k) sont par exemple organisés en blocs de 4096 raies fréquentielles. On notera que, sur la figure 4, on ne s'intéresse qu'aux raies d'indice 0 à 2048 des spectres L'(k) et R'(k), en raison des propriétés de symétrie des spectres M' (k) et D' (k). Lors du pré-matriçage 30, on force à zéro les parties imaginaires des composantes L' (0), R' (0), L' (2048) et R' (2048), de façon que les spectres L' (k) et R'(k) puissent présenter une symétrie hermitienne. On peut alors construire un signal combiné C(k), à partir de ces deux spectres à symétrie hermitienne, selon l'algorithme présenté dans le bloc référencé 30 de la figure 4. On a: Pour k=0,...2047 Re(C(k)=Re(L'(k))Im(R'(k)) Im(C(k)=Im(L' (k))+Re(R' (k)) et Pour k=1,...2048 { Re(C(4096-k) =Re(L' (k))+Im(R' (k)) Im(C(4096-k)=-Im(L' (k))+Re(R' (k)) On notera que l'on ne modifie donc que les raies à très haute (k=2048) ou 5 très basse (k=0) fréquence, de sorte que, l'oreille humaine étant peu sensible à ces fréquences, la modification apportée aux signaux est inaudible. La transformation fréquence-temps 31 subie par le spectre combiné C(k) est de préférence une FFT inverse d'ordre 12, qui délivre un signal temporel combiné c(n) organisé en blocs de 4096 échantillons. Le post-matriçage 32 permet ensuite, à partir du signal temporel combiné c(n) de récupérer les signaux droite et gauche r'(n) et 1'(n) de la scène sonore. Le signal gauche 1'(n) est la partie réelle du signal combiné c(n) et le signal droite r' (n) est la partie imaginaire du signal combiné c(n). L'invention permet donc de simplifier l'opération de passage du domaine fréquentiel au domaine temporel en forçant les spectres L' (k) et R' (k) à être purement réels à l'indice 0 et à fe/2 (k=N/2), où fe est la fréquence d'échantillonnage considérée. Grâce à cette annulation des composantes d'ordre 0 et N/2, les sorties des opérateurs de Fourier inverses sont purement réelles et peuvent être calculées de manière avantageuse à l'aide d'un seul opérateur 31, d'un pré-matriçage 30 et d'un post-matriçage 32. Les voies gauche et droite l' (n) et r' (n) ainsi obtenues sont différentes de celles obtenues selon les techniques de l'art antérieur. Cependant, la méthode proposée est parfaitement adaptée à la re-synthèse des effets stéréophoniques à partir des coefficients de localisation et décorrélation décodés, ild', itd' et rho' ainsi que l'ont montré des tests subjectifs par écoutes comparées des méthodes de l'invention d'une part (figure 3) et de l'art antérieur d'autre part (figure 2). Ainsi, alors que le calcul des signaux 1'(n) et r'(n) proposé selon les techniques de l'art antérieur se faisait en prenant la partie réelle des signaux obtenus en sortie des deux opérateurs de Fourier inverses 22, 23 sur les signaux L'(k) et R'(k), la mise en oeuvre de la présente invention permet de n'utiliser qu'un seul opérateur de Fourier inverse 31 en utilisant les pré- et post-matriçages 30 et 32 de la figure 4. REVENDICATIONS 1. Procédé de décodage d'un signal, permettant de reconstituer une scène sonore, comprenant une étape de génération, à partir dudit signal, d'au moins deux spectres fréquentiels correspondant chacun à une partie de ladite scène sonore, caractérisé en ce qu'on annule la partie imaginaire d'au moins certaines composantes desdits spectres, de façon à simplifier la transformation ultérieure desdits spectres dans le domaine temporel. 2. Procédé de décodage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on annule la partie imaginaire des composantes continue et à Fe/2 desdits spectres, où Fe est une fréquence d'échantillonnage desdits spectres. 3. Procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend également une étape de pré-matriçage d'au moins certains desdits spectres groupés par paires, permettant d'élaborer un spectre combiné à partir de chacune desdites paires de spectres. 4. Procédé de décodage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite étape de pré-matriçage comprend des sous étapes de: - pour des raies fréquentielles 0 à N/2-1 dudit spectre combiné : * obtention de la partie réelle dudit spectre combiné par addition de la partie réelle du premier spectre de ladite paire et de l'opposée de la partie imaginaire du second spectre de ladite paire; obtention de la partie imaginaire dudit spectre combiné par addition de la partie imaginaire du premier spectre de ladite paire et de la partie réelle du second spectre de ladite paire; pour des raies fréquentielles N/2 à N-1 dudit spectre combiné : * obtention de la partie réelle dudit spectre combiné par addition de la partie réelle du premier spectre de ladite paire et de la partie imaginaire du second spectre de ladite paire en inversant le sens de lecture des raies desdits premier et second spectres de ladite paire; * obtention de la partie imaginaire dudit spectre combiné par addition de l'opposée de la partie imaginaire du premier spectre de ladite paire et de la partie réelle du second spectre de ladite paire en inversant le sens de lecture des raies desdits premier et second spectres de ladite paire; où N est le nombre de raies d'une représentation de Fourier desdits spectres. 5. Procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend également une étape de transformation fréquence-temps dudit spectre combiné, de façon à obtenir un signal temporel combiné. 6. Procédé de décodage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de post-matriçage dudit signal temporel combiné, de façon à obtenir deux signaux temporels associés respectivement à chacun desdits spectres. 7. Procédé de décodage selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits signaux temporels sont les signaux droite et gauche d'une représentation stéréophonique de ladite scène sonore. 8. Procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit signal permettant de générer lesdits spectres fréquentiels est un signal monophonique. 9. Procédé de décodage selon les revendications 3 à 6, caractérisé en ce que, lorsque N paires de spectres fréquentiels sont générées à partir dudit signal, lesdites étapes de transformation fréquence-temps et de post-matriçage sont mises en oeuvre sur chacune desdites paires N de spectres. 10. Dispositif de décodage d'un signal, permettant de reconstituer une scène sonore, comprenant des moyens de génération d'au moins deux spectres 25 fréquentiels à partir dudit signal, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'annulation de la partie imaginaire d'au moins certaines composantes desdits spectres, de façon à simplifier la transformation ultérieure desdits spectres dans le domaine temporel. 11. Dispositif de décodage selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il 30 comprend des moyens de: - pré-matriçage desdits spectres en un spectre combiné ; transformation fréquence-temps dudit spectre combiné, de façon à obtenir un signal temporel combiné ; - post-matriçage dudit signal temporel combiné, de façon à obtenir deux signaux temporels associés respectivement à chacun desdits spectres. 12. Programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.