التنبؤ الخطي المُحفَّز بالرمز

التنبؤ الخطي المُحفَّز بالترميز ( CELP ) هو خوارزمية ترميز كلامي تنبؤي خطي، اقترحها مانفريد ر. شرودر وبيشنو س. أتال عام ١٩٨٥. في ذلك الوقت، قدمت هذه الخوارزمية جودةً أفضل بكثير من خوارزميات معدل البت المنخفض الموجودة آنذاك، مثل التنبؤ الخطي المُحفَّز بالبقايا (RELP) ومُشفِّرات الصوت الخطية التنبؤية (LPC) (مثل FS-1015 ). إلى جانب متغيراتها، مثل CELP الجبري ، و CELP المُرخَّص ، و CELP منخفض التأخير ، والتنبؤ الخطي المُحفَّز بمجموع المتجهات ، تُعد CELP حاليًا خوارزمية الترميز الكلامي الأكثر استخدامًا . كما تُستخدم أيضًا في ترميز الصوت MPEG-4 . يُستخدم مصطلح CELP عادةً كمصطلح عام لفئة من الخوارزميات وليس لبرنامج ترميز مُحدد.

تعتمد خوارزمية CELP على أربعة أفكار رئيسية:

• باستخدام نموذج المصدر والمرشح لإنتاج الكلام من خلال التنبؤ الخطي (LP) (انظر كتاب "خوارزمية ترميز الكلام")؛
• استخدام دفتر رموز تكيفي ودفتر رموز ثابت كمدخل (إثارة) لنموذج البرمجة الخطية؛
• إجراء بحث في حلقة مغلقة في "مجال مرجح إدراكياً".
• تطبيق التكميم المتجهي (VQ)

كانت الخوارزمية الأصلية، كما تمت محاكاتها عام 1983 بواسطة شرودر وأتال، تتطلب 150 ثانية لترميز ثانية واحدة من الكلام عند تشغيلها على حاسوب Cray-1 العملاق. ومنذ ذلك الحين، أتاحت طرق أكثر كفاءة لتنفيذ دفاتر الترميز والتحسينات في القدرات الحاسوبية إمكانية تشغيل الخوارزمية في الأجهزة المدمجة، مثل الهواتف المحمولة.

قبل الخوض في عملية التشفير المعقدة لـ CELP، نقدم هنا وحدة فك التشفير. يوضح الشكل 1 وحدة فك تشفير CELP عامة. يتم توليد الإثارة عن طريق جمع المساهمات من دفاتر الشفرات الثابتة (المعروفة أيضًا بالعشوائية أو الابتكارية) والتكيفية (المعروفة أيضًا بالدرجة اللونية).

${\displaystyle e[n]=e_{f[n]+e_{a}[n]\,}$

أين${\displaystyle e_{f}[n]}$وهي مساهمة دفتر الرموز الثابتة (المعروفة أيضًا باسم العشوائية أو الابتكارية) و${\displaystyle e_{a}[n]}$يمثل هذا مساهمة دفتر الترميز التكيفي ( للنغمة ). أما دفتر الترميز الثابت فهو قاموس تكميم متجهي مُضمّن (ضمنياً أو صراحةً) في برنامج الترميز. يمكن أن يكون هذا الدفتر جبرياً ( ACELP ) أو يُخزّن بشكل صريح (مثل Speex ). تتكون مدخلات دفتر الترميز التكيفي من نسخ مُؤجّلة من الإشارة المُثارة. وهذا يُتيح ترميز الإشارات الدورية بكفاءة، مثل الأصوات المجهورة.

يحتوي المرشح الذي يشكل الإثارة على نموذج قطبي بالكامل على الشكل التالي${\displaystyle 1/A(z)}$، أين${\displaystyle A(z)}$يُطلق عليه اسم مرشح التنبؤ، ويتم الحصول عليه باستخدام التنبؤ الخطي ( خوارزمية ليفينسون-دوربين ). يُستخدم مرشح جميع الأقطاب لأنه يمثل تمثيلاً جيداً للجهاز الصوتي البشري، ولأنه سهل الحساب.

يُطلق على المبدأ الأساسي وراء تقنية CELP اسم التحليل بالتركيب (AbS)، ويعني أن التشفير (التحليل) يتم من خلال تحسين الإشارة المُفكَّكة (التركيب) إدراكياً في حلقة مغلقة. نظرياً، يُفترض أن يتم إنتاج أفضل دفق CELP بتجربة جميع تركيبات البتات الممكنة واختيار التركيبة التي تُنتج أفضل إشارة مُفكَّكة صوتاً. من الواضح أن هذا غير ممكن عملياً لسببين: أولهما أن التعقيد المطلوب يتجاوز أي جهاز متوفر حالياً، وثانيهما أن معيار اختيار "أفضل صوت" يتطلب وجود مستمع بشري.

لتحقيق التشفير في الوقت الفعلي باستخدام موارد حاسوبية محدودة، يتم تقسيم عملية البحث في خوارزمية CELP إلى عمليات بحث متسلسلة أصغر وأكثر قابلية للإدارة باستخدام دالة ترجيح إدراكية بسيطة. وعادةً ما يتم التشفير بالترتيب التالي:

• يتم حساب معاملات التنبؤ الخطي (LPC) وتحديد كميتها، وعادة ما تكون على شكل أزواج طيفية خطية (LSPs).
• يتم البحث في دليل الترميز التكيفي (للنغمة) وإزالة مساهمته.
• يتم البحث في دليل الرموز الثابت (الابتكاري).

• الجزء الثالث من MPEG-4 (CELP كنوع كائن صوتي MPEG-4)
• G.728 – ترميز الكلام بسرعة 16  كيلوبت/ثانية باستخدام التنبؤ الخطي المُثار بواسطة ترميز منخفض التأخير
• يستخدم معيار G.718 تقنية CELP للطبقتين السفليتين للنطاق (50-6400  هرتز) في بنية ترميز ثنائية المراحل
• G.729.1 – يستخدم ترميز CELP للنطاق الترددي المنخفض (50-4000  هرتز) في بنية ترميز ثلاثية المراحل
• مقارنة بين تنسيقات ترميز الصوت
• CELT هو برنامج ترميز صوتي ذو صلة يستعير بعض الأفكار من CELP.

• BS Atal, "The History of Linear Prediction," IEEE Signal Processing Magazine , vol. 23, no. 2, March 2006, pp.  154–161.
• MR Schroeder و BS Atal، "التنبؤ الخطي المُثار بالرمز (CELP): الكلام عالي الجودة بمعدلات بت منخفضة للغاية"، في وقائع المؤتمر الدولي IEEE حول الصوتيات والكلام ومعالجة الإشارات (ICASSP)، المجلد 10، الصفحات  937-940، 1985.

• تستند هذه المقالة إلى ورقة بحثية عُرضت في مؤتمر Linux.Conf.Au
• بعض الأجزاء مستندة إلى دليل ترميز Speex
• تطبيقات مرجعية لمعيار CELP 1016A (CELP 3.2a) ومعيار LPC 10e. مؤرشفة بتاريخ 12 ديسمبر 2016 على موقع Wayback Machine.
• الترميز التنبؤي الخطي (LPC)