电子毕业设计-无损音频压缩算法论文设计

1 基于变换的无损音频压缩算法设计 QQ 64134703 QQ 64134703 2 摘要 数字化音频带给人们更多方便的同时也由于其数据的海量性，给信息的存储和 传输造成较大困难，成为阻碍人类有效获取和使用多媒体信息的瓶颈问题之一。解 决这一问题的办法，单纯从扩大存储器容量、增加通信干线的传输速率考虑是不现 实的，而对数据信息进行压缩，以压缩编码形式存储和传输，在解码端和接收端再 对数据解压缩恢复原来信息则是一个行之有效的方法。事实，多媒体数据压缩 不仅是必要的而且是可行的，原因是声音、图像等信源数据有较强的相关性，即存 在大量的冗余信息。可通过去掉冗余信息（去除数据间的相关性）、保留独立信息 分量来实现压缩。因此，研究开发高效的音频编码方法，以压缩的形式存储和传输 音频信息是很好的选择。随着人们对音频质量要求的提高，如何在保留全部音频信 息的条件下，以尽可能大的压缩比压缩音频，从而给人们提供真正透明的音质，成 为当前无损音频压缩所面临的主要课题. 关键词： 无损音频压缩，整数变换，整数改进离散余弦变换，嫡编码 QQ 64134703 QQ 64134703 3 目 录 摘要......................................................................... 2 关键词：..................................................................... 2 1 第一章绪论............................................................... 6 1.1 课题背景与意义....................................................... 6 1.2 无损音频压缩的现状................................................... 8 1.3 无损音频压缩（MPEG 一 4 ALS ）简介 ............................... 9 1.4 本论文研究内容与主要价值............................................ 11 1.5 论文的结构安排...................................................... 13 2 第二章无损音频压缩的原理和关键技术...................................... 13 2.1 无损压缩的原理...................................................... 13 2.2 无损音频压缩的.................................................. 13 2.3 无损音频压缩的关键技术.............................................. 15 2.3.1 分帧.......................................................... 16 2.3.2 预测编码...................................................... 17 2.3.3 变换编码...................................................... 18 2.3.4 嫡编码........................................................ 21 2.3.5 算术编码...................................................... 22 2.3.6 Golomb 一 Ricc 码 ............................................. 24 2.3.7 Elias 一 Gamma 码 ............................................. 25 2.4 本章小结............................................................ 26 3 MDCT 变换的整数实现算法................................................. 26 3.1 提升格式............................................................ 27 3.1.1 经典提升格式.................................................. 27 3.2 整数 DCT ............................................................ 27 3.2.1 经典提升实现整数 DCT .......................................... 27 3.2.2 多维提升实现整数 DCT .......................................... 28 3.3 立体声.............................................................. 28 3.4 单声道.............................................................. 28 3.5 整数 MDCT ........................................................... 29 3.5.1 MDCT 分解..................................................... 29 3.5.2 整数 MDCT 的实现 .............................................. 29 3.6 本章小结............................................................ 30 QQ 64134703 QQ 64134703 4 4 基于 IntMDCT 的无损音频压缩算法设计 ..................................... 30 4.1 编码算法............................................................ 31 4.2 Golomb 一 Ricc 编码器 ............................................... 31 4.3 CRC 检验............................................................ 33 4.4 立体声编码.......................................................... 34 4.5 解码算法............................................................ 34 4.6 比特流结构设计...................................................... 35 4.6.1 音频帧........................................................ 35 4.6.2 头信息........................................................ 36 4.6.3 CRC 校验信息.................................................. 37 4.6.4 音频数据...................................................... 37 4.7 本章小结............................................................ 39 5 算法实现和性能分析...................................................... 39 5.1 算法实现............................................................ 40 5.1.1 分帧长度的确定................................................ 40 5.1.2 模式的选择.................................................... 41 5.2 整数 MDCT 的实现 .................................................... 42 5.2.1 子带划分...................................................... 43 5.3 CRC 校验的实现...................................................... 43 5.4 算法的压缩效率...................................................... 44 5.5 实验结果............................................................ 52 5.5.1 算法的压缩效率................................................ 52 5.5.2 算法的鲁棒性.................................................. 59 5.5.3 算法的复杂度.................................................. 59 5.6 与现有算法压缩性能的比较............................................ 60 6 总结和展望.............................................................. 65 6.1 研究........................................................ 65 6.2 进一步工作的展望.................................................... 66 7 致谢.................................................................... 66 8 参考文献................................................................ 71 9 英文缩写说明 ............................................................ 75 10 附录................................................................ 76 QQ 64134703 QQ 64134703 5 [ABSTRACT]: Digital audio bring people more convenient but also because of its massive data, and give the information storage and transmission of greater difficulties, become an obstacle to effective access to and use of human multi-media information, one of the bottleneck problem. Solution to this problem, simply from the expansion of memory capacity, increase the transmission speed communication lines to consider are unrealistic, and the data compressed information to the form of compressed storage and transmission encoding, decoding at the receiving end client and the data re-solution compressed to restore the original information is an effective way. Facts have proved that the multimedia data compression is not only necessary but also feasible, the reasons are sound, images and other data source has a strong correlation, that is, there are a lot of redundant information. By removing redundant information (to remove the correlation between data), to retain a separate information component to achieve compression. Therefore, the research and development of highly efficient audio coding methods to compress the form of audio storage and transmission of information is a good choice. As for audio quality requirements improve, how to retain all the audio information of the conditions to the greatest possible compression ratio of compressed audio, which give people a truly transparent sound quality, lossless audio compression has become the face of the main topics. [KEY WORDS] : Lossless audio compression, integer transform, discrete cosine transform integer to improve, entropy coding QQ 64134703 QQ 64134703 6 1 第一章绪论 1.1 课题背景与意义 从 1971 年英国 BBC 将数字技术用于声音录制开始到现在，数字音频技术已经 发展了三十多年，其中具有划时代意义的是八十年代初出现的 CD 和数字音频磁带 （DAT ) ，它们在诞生之际便向大众展示了数字音频的优点，高保真的质量和高稳 定度，但这些优点都建立在大容量的数据存储基础上，传统的 CD 和 DAT 录制的音 频信号是经过 44 . 1 或 48kHz 采样，每个采样点用 16 比特进行 PCM 编码。这样， 单声道每秒要 705 . 6 / 768 Kbit ，立体声每秒要 1 . 41 / 1 . 54Mbit 。虽然 数据量如此高，但作为第一代数字音频产品的 CD 和 DAT 主要面向存储，所以依然 采纳了这种技术。紧接着出现的第二代多媒体产品，特别是无线系统，受限于带宽 和产品成本，无法支持高速率的数据。因此，为开辟新的无线广播和网络多媒体应 用，要求在接近透明声音质量的情况下压缩数据量，即编码后重建的声音质量与原 始声音对人耳感知上具有不可区分的特性。正是由于这种需求的存在，推动了有损 音频压缩技术的迅猛发展。但是由于有损编码后的音质与原声 CD 存在区别，并随 着压缩码率的降低质量下降，这对追求完美的听众来说难以接受，更无法应用于专 业领域和存档系统。现在，随着大容量存储设备的研制、高速宽带网的建设，大大 推动了无损音频压缩算法的研究和应用。音频编码从信息是否有所损失的角度可以 分为两类：有损音频压缩和无损音频压缩。有损音频压缩也称信息量压缩，这种压 缩方法利用了人类听觉对声音中的某些频率成分不敏感的特性，从原始数据中将这 一部分人类听觉不敏感的数据去除，以达到压缩的目的。所损失的部分对聆听原始 声音的影响较小，却换来较大的压缩比，但是不能完全恢复原始数据是有损压缩方 法最大的缺点。顾名思义，无损音频压缩是指在不损失任何音频信息的前提下实现 QQ 64134703 QQ 64134703