Audio Compression using a Modified Vector Quantization algorithm for Mastering Applications

Audio data compression is used to reduce the transmission bandwidth and storage requirements of audio data. It is the second stage in the audio mastering process with audio equalization being the first stage. Compression algorithms such as BSAC, MP3 and AAC are used as standards in this paper. The challenge faced in audio compression is compressing the signal at low bit rates. The previous algorithms which work well at low bit rates cannot be dominant at higher bit rates and vice-versa. This paper proposes an altered form of vector quantization algorithm which produces a scalable bit stream which has a number of fine layers of audio fidelity. This modified form of the vector quantization algorithm is used to generate a perceptually audio coder which is scalable and uses the quantization and encoding stages which are responsible for the psychoacoustic and arithmetical terminations that are actually detached as practically all the data detached during the prediction phases at the encoder side is supplemented towards the audio signal at decoder stage. Therefore, clearly the quantization phase which is modified to produce a bit stream which is scalable. This modified algorithm works well at both lower and higher bit rates. Subjective evaluations were done by audio professionals using the MUSHRA test and the mean normalized scores at various bit rates was noted and compared with the previous algorithms

Audio Coding Based on Integer Transforms

Die Audiocodierung hat sich in den letzten Jahren zu einem sehr populären Forschungs- und Anwendungsgebiet entwickelt. Insbesondere gehörangepasste Verfahren zur Audiocodierung, wie etwa MPEG-1 Layer-3 (MP3) oder MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC), werden häufig zur effizienten Speicherung und Übertragung von Audiosignalen verwendet. Für professionelle Anwendungen, wie etwa die Archivierung und Übertragung im Studiobereich, ist hingegen eher eine verlustlose Audiocodierung angebracht. Die bisherigen Ansätze für gehörangepasste und verlustlose Audiocodierung sind technisch völlig verschieden. Moderne gehörangepasste Audiocoder basieren meist auf Filterbänken, wie etwa der überlappenden orthogonalen Transformation "Modifizierte Diskrete Cosinus-Transformation" (MDCT). Verlustlose Audiocoder hingegen verwenden meist prädiktive Codierung zur Redundanzreduktion. Nur wenige Ansätze zur transformationsbasierten verlustlosen Audiocodierung wurden bisher versucht. Diese Arbeit präsentiert einen neuen Ansatz hierzu, der das Lifting-Schema auf die in der gehörangepassten Audiocodierung verwendeten überlappenden Transformationen anwendet. Dies ermöglicht eine invertierbare Integer-Approximation der ursprünglichen Transformation, z.B. die IntMDCT als Integer-Approximation der MDCT. Die selbe Technik kann auch für Filterbänke mit niedriger Systemverzögerung angewandt werden. Weiterhin ermöglichen ein neuer, mehrdimensionaler Lifting-Ansatz und eine Technik zur Spektralformung von Quantisierungsfehlern eine Verbesserung der Approximation der ursprünglichen Transformation. Basierend auf diesen neuen Integer-Transformationen werden in dieser Arbeit neue Verfahren zur Audiocodierung vorgestellt. Die Verfahren umfassen verlustlose Audiocodierung, eine skalierbare verlustlose Erweiterung eines gehörangepassten Audiocoders und einen integrierten Ansatz zur fein skalierbaren gehörangepassten und verlustlosen Audiocodierung. Schließlich wird mit Hilfe der Integer-Transformationen ein neuer Ansatz zur unhörbaren Einbettung von Daten mit hohen Datenraten in unkomprimierte Audiosignale vorgestellt.In recent years audio coding has become a very popular field for research and applications. Especially perceptual audio coding schemes, such as MPEG-1 Layer-3 (MP3) and MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC), are widely used for efficient storage and transmission of music signals. Nevertheless, for professional applications, such as archiving and transmission in studio environments, lossless audio coding schemes are considered more appropriate. Traditionally, the technical approaches used in perceptual and lossless audio coding have been separate worlds. In perceptual audio coding, the use of filter banks, such as the lapped orthogonal transform "Modified Discrete Cosine Transform" (MDCT), has been the approach of choice being used by many state of the art coding schemes. On the other hand, lossless audio coding schemes mostly employ predictive coding of waveforms to remove redundancy. Only few attempts have been made so far to use transform coding for the purpose of lossless audio coding. This work presents a new approach of applying the lifting scheme to lapped transforms used in perceptual audio coding. This allows for an invertible integer-to-integer approximation of the original transform, e.g. the IntMDCT as an integer approximation of the MDCT. The same technique can also be applied to low-delay filter banks. A generalized, multi-dimensional lifting approach and a noise-shaping technique are introduced, allowing to further optimize the accuracy of the approximation to the original transform. Based on these new integer transforms, this work presents new audio coding schemes and applications. The audio coding applications cover lossless audio coding, scalable lossless enhancement of a perceptual audio coder and fine-grain scalable perceptual and lossless audio coding. Finally an approach to data hiding with high data rates in uncompressed audio signals based on integer transforms is described

Survey of error concealment schemes for real-time audio transmission systems

This thesis presents an overview of the main strategies employed for error detection and error concealment in different real-time transmission systems for digital audio. The “Adaptive Differential Pulse-Code Modulation (ADPCM)”, the “Audio Processing Technology Apt-x100”, the “Extended Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB+)”, the “Advanced Audio Coding (AAC)”, the “MPEG-1 Audio Layer II (MP2)”, the “MPEG-1 Audio Layer III (MP3)” and finally the “Adaptive Transform Coder 3 (AC3)” are considered. As an example of error management, a simulation of the AMR-WB+ codec is included. The simulation allows an evaluation of the mechanisms included in the codec definition and enables also an evaluation of the different bit error sensitivities of the encoded audio payload.Ingeniería Técnica en Telemátic

Investigation of Different Video Compression Schemes Using Neural Networks

Image/Video compression has great significance in the communication of motion pictures and still images. The need for compression has resulted in the development of various techniques including transform coding, vector quantization and neural networks. this thesis neural network based methods are investigated to achieve good compression ratios while maintaining the image quality. Parts of this investigation include motion detection, and weight retraining. An adaptive technique is employed to improve the video frame quality for a given compression ratio by frequently updating the weights obtained from training. More specifically, weight retraining is performed only when the error exceeds a given threshold value. Image quality is measured objectively, using the peak signal-to-noise ratio versus performance measure. Results show the improved performance of the proposed architecture compared to existing approaches. The proposed method is implemented in MATLAB and the results obtained such as compression ratio versus signalto- noise ratio are presented

Entropy coding of Quantized Spectral Components in FDLP audio codec

Audio codec based on Frequency Domain Linear Prediction (FDLP) exploits auto-regressive modeling to approximate instantaneous energy in critical frequency sub-bands of relatively long input segments. Current version of the FDLP codec operating at 66 kbps has shown to provide comparable subjective listening quality results to the state-of-the-art codecs on similar bit-rates even without employing strategic blocks, such as entropy coding or simultaneous masking. This paper describes an experimental work to increase compression efficiency of the FDLP codec provided by employing entropy coding. Unlike traditionally used Huffman coding in current audio coding systems, we describe an efficient way to exploit Arithmetic coding to entropy compress quantized magnitude spectral components of the sub-band FDLP residuals. Such approach outperforms Huffman coding algorithm and provides more than 3 kbps bit-rate reduction

Audio Compression using a Modified Vector Quantization algorithm for Mastering Applications

Audio data compression is used to reduce the transmission bandwidth and storage requirements of audio data. It is the second stage in the audio mastering process with audio equalization being the first stage. Compression algorithms such as BSAC, MP3 and AAC are used as standards in this paper. The challenge faced in audio compression is compressing the signal at low bit rates. The previous algorithms which work well at low bit rates cannot be dominant at higher bit rates and vice-versa. This paper proposes an altered form of vector quantization algorithm which produces a scalable bit stream which has a number of fine layers of audio fidelity. This modified form of the vector quantization algorithm is used to generate a perceptually audio coder which is scalable and uses the quantization and encoding stages which are responsible for the psychoacoustic and arithmetical terminations that are actually detached as practically all the data detached during the prediction phases at the encoder side is supplemented towards the audio signal at decoder stage. Therefore, clearly the quantization phase which is modified to produce a bit stream which is scalable. This modified algorithm works well at both lower and higher bit rates. Subjective evaluations were done by audio professionals using the MUSHRA test and the mean normalized scores at various bit rates was noted and compared with the previous algorithms

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Complexity-scalable bit detection with MP3 audio bitstreams

Master'sMASTER OF SCIENC