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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
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
Scalable and perceptual audio compression
This thesis deals with scalable perceptual audio compression. Two scalable perceptual solutions as well as a scalable to lossless solution are proposed and investigated. One of the scalable perceptual solutions is built around sinusoidal modelling of the audio signal whilst the other is built on a transform coding paradigm. The scalable coders are shown to scale both in a waveform matching manner as well as a psychoacoustic manner. In order to measure the psychoacoustic scalability of the systems investigated in this thesis, the similarity between the original signal\u27s psychoacoustic parameters and that of the synthesized signal are compared. The psychoacoustic parameters used are loudness, sharpness, tonahty and roughness. This analysis technique is a novel method used in this thesis and it allows an insight into the perceptual distortion that has been introduced by any coder analyzed in this manner
Advanced Television and Signal Processing Program
Contains an introduction and reports on two research projects.Advanced Television Research Progra
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