Audio data compression is necessary for efficient communication and data processing in multimedia applications. The AC-3 digital compression algorithm is one of the most popular standards for audio compression, which can encode 5.1 channels of source audio from a PCM representation into a serial bit stream at data rates ranging from 32 kbps to 640 kbps. Typical applications are satellite or terrestrial audio broadcasting, delivery of audio over metallic or optical cables, of storage of audio on magnetic, optical, or other storage media.
A real-time audio encoding is hard to implement because of its great amount of computation. KICS(KAIST Image Computing System) is under development to realize the real-time MPEG-2 encoding and decoding system utilizing the parallel architecture of multiple general purpose MVPs(Multimedia Video Processor), TMS320C80. This system employs the Dolby AC-3 audio coding algorithm.
In particular, the bit allocation of AC-3 algorithm requires many computations and iterations. The bit allocation may be considered to be the core of audio compression because it enables the compression of the audio information.
In this thesis, bit allocation part of AC-3 is implemented and tested using the MVP simulator. The specific features of the MVP are analyzed and the bit allocation is fully optimized to the MVP processor. The possibility of real-time system is verified and the required processor resources are determined for KICS.
멀티미디어에서 비디오의 품질이 향상되고, 디지털 TV나 HDTV 등의 개발에 의해 화면의 크기가 증가하면서 이에 어울리는 실감 있는 음향의 전송 및 재생이 요구된다. 따라서 멀티채널 오디오의 도입과 더불어 효율적이고 경제적인 방법으로 낮은 비트 율로 고품질의 멀티채널 오디오를 제공하기 위한 부호화 기술이 필요하다. 최근에는 인간의 청각 특성을 고려한 심리 음향 모델을 이용한 멀티채널 오디오의 압축 부호화 기술을 AC-3가 채용하고 있다. AC-3는 ATSC(Advanced Television Systems Committee)에서 미국 HDTV의 표준으로 선정된 오디오 부호화 기술이기도 하다.
AC-3 오디오 표준은 현장감을 필요로 하는 오디오를 위해 기본 스테레오 채널 외에 중앙 채널, 서라운드 채널, 그리고 저주파 효과 채널을 부가한 방식으로 다채널, 음성 다중 등의 부가 서비스를 제공하기에 적합하다.
AC-3(Audio Coding 3) 알고리듬에서 한 특징으로 생각할 수 있는 것은 비트 할당 루틴을 인코딩 및 디코딩에서 똑같이 사용하고 있다는 점이다. 비트 할당 루틴은 복원된 음향의 왜곡을 최소한으로 하는 한편 비트율을 사용 목적에 알맞도록 낮추기 위해 심리음향학적 모델을 적용하여 인코딩에서는 최적의 비트 할당을 위해 파라미터 계산을 수정해 가며 반복해 계산하도록 되어 있다. 이 파라미터들은 비트 스트림에 포함되어 디코더로 보내진다. 반면에 디코딩 과정에서는 단 한 번의 비트 할당 루틴을 거치면 된다.
현재 실시간 처리 MPEG-2 부호화/복호화 시스템인 KICS(KAIST Image Computing System)가 개발되었는데 이 시스템은 TMS320C80 5개를 병렬 구조로 하여 모듈 단위의 프로세싱을 하도록 되어 있다. 오디오부는 AC-3를 채용하고 있는 본 시스템에서의 실시간 음향 압축 및 복원의 구현 가능성을 검토하였다. 시스템에서 Master MVP에 속해 있는 PP(Parallel Processor) 1개를 써서 최적의 비트 할당이 가능하도록 하였는데, PP의 특성상 Tight Loop이 많이 들어가고 Instruction 수를 가능한 한 줄여서 Cache Miss를 방지하였다. AC-3의 비트 스트림은 싱크 프레임의 연속이며 싱크 프레임은 오디오 블럭 6개로 구성된다. 한 오디오 블럭은 채널별로 512개의 입력 샘플에 대한 계산이 수행 된다. 비트 할당에서는 연속된 오디오 블럭의 유사한 특성을 고려하여 요구하는 파라미터들을 프레임의 처음 블럭에서 여러 반복 계산으로 나온 결과를 다음 5개의 오디오 블럭의 기준으로 삼아 반복 계산을 줄이고 있다. 한 프레임에는 1536개의 입력 PCM 샘플레 대한 정보가 들어 가는데 44.1 kHz의 샘플링 주파수를 고용할 경우 28프레임이 1초의 입력 샘플에 해당한다. 40 MHz의 클럭을 가지는 PP에서 14만 사이클이 소요되어 PP 하나로 실시간 구현이 가능하였다.
