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基于波形重构的音频误码掩盖算法研究

作　者: 肖菲
导　师: 陈贺新
学　校: 吉林大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 音频误码掩盖波形重构曲线拟合模式匹配短时过零率小波
分类号: TN912.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

人们生活在各种声音的环境中,在社会交际活动中语言传递信息,而音乐则表达人们的感情。当压缩信号的音频在存储和传输过程中,发生丢失时,就利用音频误码掩盖技术(EC)去处理丢失的音频信号。这种技术是利用音频信号短时平稳特性,结合人的听觉系统特点,掩盖音频压缩数据中,存储介质受损和传输信道误码等差错引起的解码错误,提高音频的回放质量。至今为止,已有许多学者提出了音频误码掩盖的算法,即基于发送端的音频误码掩盖算法和基于接收端的音频误码掩盖算法两大类,这些算法各自有各自的优点和缺点。本文的研究内容主要是提出一种针对音频信号波形进行恢复的掩盖算法。在这种思想下,衍生出三种实现方案,即基于曲线拟合的音频误码掩盖算法、基于模式匹配和短时平均过零率检测的音频误码掩盖算法和基于小波分解与重构的音频误码掩盖算法。本文正是充分利用了音频信号间的相关性,当音频信号丢失时,利用本文提出的三种实现方案进行丢失信号的掩盖过程,最终目的是最大程度的恢复丢失信号的波形,完成音频信号的重构。本文的主要工作如下:首先,为了重构丢失信号的波形,本文提出了第一种实现方案,即基于曲线拟合的音频误码掩盖。利用拟合模型和音频信号间的相关性去拟合丢失信号的波形,这种方法是直接对音频的样值信号进行处理,比其他掩盖方法的优越处在于应用范围更广泛。具体做法是对丢失帧前后正确帧分别作拟合,分别得到拟合系数后做加权平均作为丢失帧的系数,然后再反求多项式值得到丢失帧的恢复,与原有的波形替代的掩盖算法在恢复音频信号效果上得到改善,但是由于拟合系数的增加会给音频信号的幅度带来波动,对音频信号的恢复会有影响。其次,针对以上方案对波形的影响,提出一种直接从音频信号波形及其时域下的特性出发,寻找对丢失信号的掩盖处理方法。即在已有文献的模式匹配方法上增加了短时过零率检测模块,因为短时过零率可以清晰地刻画出音频信号波形的发展趋势,因此将两者结合实现可以克服原有匹配方法在音频信号不规律或前后相关性不强时无法很好地重构丢失信号的缺点。通过大量的实验发现本方法在恢复丢失音频信号的效果上与现有的音频误码掩盖方法相比较,不止在客观评价标准SNR上有所提高,对波形的恢复也更接近原始信号,并且改善了本文的第一种实现方案的不稳定性。最后,针对第一种方案的不稳定性和第二种方案中由于匹配的搜索窗的长度有限致使匹配到的信号与丢失信号相似性不强的不足而提出了本文的第三种实现方案,即基于小波分解与重构的音频误码掩盖算法。这种方案是对丢失帧的前后正确帧做小波分解分别得到分解系数,然后对这两组系数矢量处理得到对应的丢失帧的小波系数,然后通过小波重构得到丢失帧的恢复。对系数的处理有两种方法,一种是对系数矢量整体做平均;另外一种则是对系数细化处理,即通过对丢失帧相邻帧进行小波分解后得到的系数进行分层的最大相关性的寻找,最后组合作为丢失帧的小波系数,根据寻找的范围分为单边处理和双边处理。经过大量实验结果表明,这种方法与原有掩盖方法和本文之前提出的两种方案相比提高了音频的恢复质量。综上所述,本文算法达到了对丢失帧波形重构的目的。为了使得本文提出的算法具有更好的通用性和得到质量更高的恢复音频,寻找适当的拟合模型、选择更为合理的匹配判定准则和根据小波各层系数对恢复音频效果不同而再细化处理,将是下一步研究工作的重点。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-14
  1.1 引言  10
  1.2 音频误码掩盖技术的产生背景  10-11
  1.3 音频误码掩盖技术的主要方法  11-12
    1.3.1 基于发送端的音频误码掩盖方法  12
    1.3.2 基于接收端的音频误码掩盖方法  12
  1.4 基于波形重构的音频误码掩盖技术的研究意义  12-13
  1.5 论文的主要内容  13-14
第2章音频误码掩盖技术研究现状  14-27
  2.1 差错的来源  14-15
  2.2 基于发送端的音频误码掩盖方法  15
  2.3 基于接收端的音频误码掩盖算法  15-25
    2.3.1 基于插入的音频误码掩盖算法  16-17
    2.3.2 基于插值的音频误码掩盖算法  17-18
    2.3.3 基于波形替代的音频误码掩盖算法  18
    2.3.4 基于重建的音频误码掩盖算法  18-25
  2.4 算法性能质量和复杂度  25
  2.5 本章小结  25-27
第3章曲线拟合和小波分解与重构的基本理论  27-37
  3.1 概述  27
  3.2 曲线拟合和小波分解与重构的基本理论  27-37
    3.2.1 曲线拟合  27-32
    3.2.2 小波理论  32-37
第4章基于波形重构的音频误码掩盖算法  37-51
  4.1 概述  37
  4.2 基于曲线拟合的音频误码掩盖算法  37-41
    4.2.1 算法概述和总体框图  37-38
    4.2.2 算法实现  38-40
    4.2.3 算法小结  40-41
  4.3 基于模式匹配和短时平均过零率检测的音频误码掩盖算法  41-46
    4.3.1 算法概述和总体框图  41-43
    4.3.2 算法实现  43-46
    4.3.3 算法小结  46
  4.4 基于小波分解与重构的音频误码掩盖算法  46-50
    4.4.1 算法概述  46-47
    4.4.2 算法实现  47-50
    4.4.3 算法小结  50
  4.5 本章小结  50-51
第5章实验结果与数据分析  51-67
  5.1 基于曲线拟合的音频误码掩盖算法的实验结果与分析  51-53
  5.2 基于模式匹配和短时平均过零率检测的音频误码掩盖算法的实验结果与分析  53-57
  5.3 基于小波分解与重构的音频误码掩盖算法的实验结果与分析  57-64
  5.4 三种实现方案间的比较结果  64-66
  5.5 本章小结  66-67
第6章总结与展望  67-69
  6.1 总结  67
  6.2 展望  67-69
参考文献  69-73
作者简介及科研结果  73-74
致谢  74

基于波形重构的音频误码掩盖算法研究

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