JP2004180017A

JP2004180017A - 量子化ビット拡張処理プログラム

Info

Publication number: JP2004180017A
Application number: JP2002344374A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Mori; 晴之森; Toshiharu Kuwaoka; 俊治桑岡; Kazuhito Okayama; 一仁岡山
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【目的】コンピュータをデジタル信号データの量子化ビット拡張手段として機能させる処理プログラムを提供する。
【構成】コンピュータを、Ｎビットデータのサンプリング毎のレベルの差分値を取り、正負変化点として抽出し、所定数サンプリング時間にわたって差分値ゼロが連続した時点を無変化点として抽出する抽出手段と、前記正負変化点乃至無変化点を連続して４点抽出した時点でこれら抽出点の波形変化形態パターンを生成する手段と、メモリ装置に記録された全波形変化形態パターンのテーブルから該当パターンを抽出する手段と、パターンと対応させて予め設定されたＭビット（Ｍ＞Ｎ）のコーディング演算処理又は無処理の一つに振り分ける処理振り分け手段と、Ｍビットのコーディング演算処理を行う手段と、エネルギー等価変換の平均値化処理を行う手段と、Ｍビットデータ波形を出力する手段として機能させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮されたデジタルオーディオ信号又はデジタルビジュアル信号やＣＤ等の圧縮されていないデジタルオーディオ信号の量子化ビット数をコンピュータにおいてソフトウェアプロセスのみによって拡張するためのプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルオーディオ信号やデジタルビジュアル信号の圧縮されたデジタルデータは多くの情報量が欠落しており、品質の改善が求められている。また、ＣＤの１６ビットデジタルデータのような一般的なデジタルデータのＨｉＦｉレベルへの品質改善も強く要請されている。
【０００３】
この点、所謂ハイビット方式のような量子化ビット数１６の１６ビットデジタルデータをより大きな２０ビットデジタルデータに変換するためのデジタル信号処理回路は既に実現している。つまり、ＤＡコンバータ等の専用ＬＳＩの追加といった新たなハードウェアによって量子化ビット数をＮビットからＭビット（Ｍ＞Ｎ）のデジタルデータに拡張するデジタル信号処理回路はある（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−６４７５０号公報
【特許文献２】
特開平１０−２４２８５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術ではデジタル信号の品質改善のための量子化ビット数の拡張を行う際には、別途新たなハードウェアが必要であり、それなりの動作環境を用意しなければならなかった。
【０００６】
この点、例えば量子化ビット数の拡張を新たなハードウェア（ＬＳＩ等）の追加なしにソフトウェアのみの追加によって実現することができれば、既存のパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣとも略する。）、デジタルオーディオシステム、デジタルオーディオビジュアルシステム等に対して、量子化ビット数の拡張によるデジタル信号の品質改善が実現できるであろう。現在のところこのような発想に基づいてコンピュータをデジタル信号データの量子化ビット数の拡張手段として機能させるデジタル信号処理プログラムは無い。
【０００７】
即ち、コンピュータのＣＰＵによる演算処理のみで、新たなハードウェア（ＬＳＩ等）の追加なしに量子化ビット数の拡張を実現するデジタル信号処理プログラムは無い。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ハードウェアによらずにソフトウェアのみによってコンピュータを一般的なデジタルデータのＨｉＦｉレベルへの品質改善のための量子化ビット拡張処理手段として機能させることを目的とする処理プログラムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コンピュータを、量子化ビット数Ｎのデジタル信号のＮビットデータのサンプリング毎のデータレベルの差分値を取ることによってその正負を生じた時点を正負変化点として抽出するとともに所定数サンプリング時間にわたって差分値ゼロが連続した時点を無変化点として抽出するＮビットデータ波形変化点抽出手段と、前記正負変化点及び無変化点のうちの少なくとも一方を連続して所定数（例えば４点）抽出した時点でこれら抽出点の波形変化形態パターンを生成する手段と、予めメモリ装置に記録された全波形変化形態パターンのテーブルから前記生成された波形変化形態パターンに該当するパターンを抽出する手段と、前記抽出された波形変化形態パターンに対する処理を、前記全波形変化形態パターンと対応して予め設定されている量子化ビット数ＮからＭビット（Ｍ＞Ｎ）への複数のコーディング演算処理又は無処理の一つに振り分ける処理振り分け手段と、量子化ビット数ＮビットからＭビットへの前記振り分けられたコーディング演算処理を行う手段と、前記コーディング演算処理後のＭビットデジタル波形にエネルギー等価変換の平均値化処理を行う手段と、生成されたＭビットデータ波形を出力する手段として機能させるための量子化ビット拡張処理プログラムを提供することにより、上記課題を達成する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るデジタル信号の量子化ビット拡張処理プログラムの実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本発明の処理プログラムを実行するハードウェアについて、ＰＣのハードウェア構成例である。
【００１２】
図２は本発明のＮビットデジタルデータをＭビットデジタルデータ（Ｍ＞Ｎ）に量子化ビット拡張処理を行うソフトウェアのフローチャートである。
【００１３】
図３は本発明のＮビットからＭビット（Ｍ＞Ｎ）に量子化ビット拡張処理を行う手段を説明するためのデジタル信号波形の例である。
【００１４】
図４は全波形変化形態パターンのテーブルである。
【００１５】
図５は基本的な波形変化形態パターン数例とそのコーディング演算処理の対応を示した図である。
【００１６】
図６は量子化ビット拡張処理前の１６ビットデジタルデータ波形と、その２４ビットへの量子化ビット拡張処理後のデータ波形実測図である。
【００１７】
本発明の実施の形態の例においては、典型例として、デジタルオーディオ信号データを、ＰＣ本体のＣＰＵによる演算処理で、新たなハードウェア（ＬＳＩ）の追加なしに量子化ビット拡張を実現する処理プログラムの場合について説明する。勿論、本処理プログラムはデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等を搭載したデジタルオーディオシステム、デジタルオーディオビジュアルシステムにおいても、搭載されているコンピュータのＣＰＵに対する処理プログラムとして利用できる。なお、量子化ビット拡張の例としては、サンプリング周波数４４．１ＫＨｚのＣＤのような１６ビットデータからＤＶＤオーディオのような２４ビットデータへの拡張が典型的であり、本実施の形態もこれを念頭に説明している。
【００１８】
先ず、図１において、ＰＣ２は既存のプログラム実行によってＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体１に記録されているＮビットデジタルデータをメモリ装置５に読み込むか、もしくは一旦ＨＤＤ３に書き込む。次に、前記Ｎビットデジタルデータ及びＨＤＤ３上にある本量子化ビット拡張処理プログラムをメモリ装置５にロードして、ＣＰＵ４上で前記デジタルデータに本発明に係る量子化ビット拡張処理のプログラム実行によるコーディング演算処理を施し、量子化ビット拡張処理後の高品質化したデジタルデータをインターフェイス７を介してオーディオアウト（ＡｕｄｉｏＯｕｔ）８からアナログオーディオ信号としてスピーカ９から出力するという手順を踏む。
【００１９】
次に、上記ＰＣ２によるＮビットデジタルデータをＭビットデジタルデータ（Ｍ＞Ｎ）に量子化ビット拡張処理を行うソフトウェアプロセス実行においては、以下の（イ）〜（ヌ）の処理は図２のフローの（イ）〜（ヌ）に対応する。
【００２０】
先ず、（イ）既存のプログラムでメモリ装置５から読み込んだＮビットデジタルデータが、（ロ）圧縮データか否かを判定し、（ハ）圧縮データであればデコード処理をした後、圧縮データでなければそのまま本発明の量子化ビット拡張処理プログラムの処理フロー１０に入る。
【００２１】
次に、本量子化ビット拡張処理プログラムは、ＰＣ２のＣＰＵ４を、（ニ）量子化ビット数Ｎのデジタルデータのサンプリング毎のデータレベルの差分値（（差分値）＝（現サンプリングのデータレベル）−（前回のサンプリングのデータレベル））を取ることによってその正又は負を生じた時点を正変化点又は負変化点として抽出するとともに所定数サンプリング時間（例えば１６サンプリング）にわたって差分値ゼロが連続した時点を無変化点として抽出するＮビットデータ波形変化点抽出手段として機能させる。次に、（ホ）前記正負変化点及び無変化点のうちの少なくとも一方を連続して４点抽出した時点で、これら４点の抽出点の波形変化形態パターンを生成する手段として機能させ、次に、（ヘ）予め前記メモリ装置５に記録された図４に示されるような全ての波形変化形態パターンのテーブルから前記生成された波形変化形態パターンに該当するパターンを抽出する手段として機能させ、次に、（ト）前記抽出された波形変化形態パターンに対する処理を、前記全波形変化形態パターンと対応して予め設定されている量子化ビット数ＮからＭビット（Ｍ＞Ｎ）への複数のコーディング演算処理又は無処理の一つに振り分ける処理振り分け手段として機能させ、次に、（チ）振り分けられた量子化ビット数ＮビットからＭビットへのコーディング演算処理を行う手段として機能させ、更に、前記コーディング演算処理の後に（リ）デジタル波形をスムーズに変化させるエネルギー等価変換の平均値化処理を行う手段として機能させ、最後に、（ヌ）生成されたＭビットデータ波形をインターフェイス７を介して出力する手段として機能させる。
【００２２】
なお、上記（ト）において無処理に振り分けられた場合は、（チ）、（リ）の処理は行わない。
【００２３】
上記（ニ）の処理は、例えば図３におけるＮビットデータ波形（点線波形）のレベルが変化した点（番号１、２、３、４）を抽出することを意味し、番号１はレベルが１ＬＳＢ上がっているので正変化点、番号２は４サンプリング後にレベルが１ＬＳＢ上がっているので正変化点、番号３は５サンプリング後に１ＬＳＢ上がっているので正変化点、番号４は３サンプリング後に１ＬＳＢ下がっているので負変化点として抽出される。また、１６サンプリング経過しても変化せずレベルが一定の場合はその時点で無変化点として抽出する。換言すれば、必ず１６サンプリング期間の間に一回は変化点乃至無変化点を抽出するのである。この無変化点を何時抽出するかはデジタルオーディオ信号の実態に則して適宜設定されるべきものである。本実施の形態では４４．１ＫＨｚのサンプリング周波数における１６サンプリングの時間経過で無変化であれば無変化点として抽出するに適当であると考察している。
【００２４】
上記（ホ）の処理は、（ニ）でのＮビットデータ波形変化点を４つ抽出した時点で、それぞれの変化点が正変化点もしくは負変化点もしくは無変化点であるかによってＮビットデータ波形１〜４区間の波形変化形態パターンとみなす。例えば図３の波形の抽出された４点の場合は、（正、正、正、負）という波形変化形態パターンを生成する。
【００２５】
上記（へ）の処理は、（ホ）で生成した波形変化形態パターンを図４の波形変化形態パターンテーブルから抽出する処理である。４つの変化点に対して、それぞれ３変化（正、負、無変化（以下、無と略記する。））が存在する為、３の４乗で全８１パターン存在することになる。図４中の１〜４の抽出点で正変化点は上矢印、負変化点は下矢印、無変化区間は×で表されている。
【００２６】
上記（ト）の処理は、（ヘ）で抽出した波形変化形態パターンを処理内容別に振り分ける。この振り分けられる処理内容は、各波形変化形態パターンに対応してどのようなＭビットのコーディング演算処理をどの区域で行うのかが予め決められている。図４の全８１個の波形変化形態パターンのテーブルにおいて、斜め線の入った領域（変化点２〜３間の区間又は変化点１と２の間から変化点３と４の間の区間）がコーディング演算処理を表している。このコーディング演算処理には、（０）凸処理、（１）凹処理、（２）直線処理、（３）前半直線処理、（４）後半直線処理の５種がある。尤も、波形変化形態パターンによってはコーディング演算処理をしない無処理に振り分けられる場合も少なくない。例えば図４のＮｏ．８０（無、無、無、無）、Ｎｏ．２４（正、無、無、負）等のパターンは無処理である。また、無変化点を含まない１６個のパターン（Ｎｏ．０、１、３、４、９、１０、１２、１３、２７、２８、３０、３１、３６、３７、３９、４０）は基本波形パターンとして、これらのコーディング演算処理は前コーディング演算処理又は前々コーディング演算処理の内容に依存させて、複数のコーディング演算処理（無処理を含む）の一つに振り分けている。例えば、図５に示された以下の（例１）〜（例４）のように判断する。
（例１）波形パターンＮｏ．０（正、正、正、正）では、（ａ）前コーディングが凸処理をしていた場合にはコーディング演算処理を行わず、（ｂ）前コーディングが直線処理をしていた場合には変化点２−３間で直線コーディング演算処理を行う。
（例２）波形パターンＮｏ．１（正、正、正、負）では、（ｃ）前コーディングが凸処理をしていた場合にはコーディング演算処理を行わず、（ｄ）前コーディングが直線処理をしていた場合には変化点２−３間の前半直線コーディング演算処理を行う。
（例３）波形パターンＮｏ．９（正、負、正、正）では、（ｅ）前コーディングが凹処理をしていた場合にはコーディング演算処理を行わず、（ｆ）前コーディングが凸処理をしていた場合には変化点２−３間の後半直線コーディング演算処理を行う。また、（ｇ）前々コーディング演算処理が凹処理をしていた場合には凹コーディング演算処理を行う。
（例４）波形パターンＮｏ．１３（正、負、負、負）では、（ｈ）前コーディングが凹処理をしていた場合にはコーディング演算処理を行わず、（ｉ）前コーディングが凸処理をしていた場合には変化点２−３間の後半直線コーディング演算処理を行う。また、（ｊ）前コーディング演算処理が半直線処理をしていた場合には直線コーディング演算処理を行う。
【００２７】
なお、上記基本波形パターン及び他の波形パターンのコーディング演算処理（乃至無処理）の振り分けは、現実の波形変化形態パターンの解析と処理結果の妥当性を実験的乃至経験的に割り出して予め設定される。
【００２８】
上記（チ）の処理は、（ト）で振り分けられたコーディング演算処理を実行する。その演算自身は従来のハードウェアによる手法と変わらない。結果は図３におけるＭビットデータ波形（実線波形）で示されるような細かな階段状にＮビットデータ波形（点線波形）の品質改善が実現する。
【００２９】
上記（リ）の処理は、（チ）で実行されたコーディング演算処理後のＭビットデータ波形では、急激なレベル変化があるＮビットデータ波形に対しては好ましいコーディング結果が得られないことから、Ｍビットデジタル波形をスムーズに変化させるためにエネルギー等価変換に基づく平均値化処理を行うものである。この平均値化処理は簡略に言えば前後の点との平均値、又は前後２点づつとの平均値をその点の値とする数値処理である。
【００３０】
最後の（ヌ）の処理で出力された２４ビットデータ波形は例えば図６の１ＫＨｚ、９０ｄＢ（サンプリング周波数４４．１ＫＨｚ）のデータ波形における右側のｓｉｎ波形のようになり、左側の元の１６ビットデータ波形と比べると格段に品質改善が為されていることが判る。
【００３１】
以上、本発明の量子化ビット拡張処理プログラムによれば、新たなハードウェアの追加なしに既存のハードウェアに対してソフトウェアプロセスのみで圧縮デジタルデータ又は一般の圧縮されていないデジタルデータについて量子化ビット拡張処埋を行える為、低コストでデジタルデータの高品質化を図ることができる。
【００３２】
なお、上記実施の形態における（ホ）の処理は連続する抽出点４点で一つの波形変化形態パターンを生成しているが、この抽出点の数は５点以上であってもよいし（但し、この場合は予めメモリ装置５に記録する全波形変化形態パターンが１点増える毎に×３で増大する。）、更には、抽出点２点若しくは３点で波形変化形態パターンを生成することも可能である。但し抽出点が２点若しくは３点の場合には、予め記録する全波形変化形態パターン数は少なくなるものの、より望ましい量子化ビット拡張を行うためには、以前の波形変化形態パターンとそのコーディング演算処理の内容に以後の（ト）の処理が大きく依存することになる。即ち、（ト）の振り分け処理における全波形変化形態パターンと対応して予め設定すべき量子化ビット数ＮからＭビット（Ｍ＞Ｎ）への複数のコーディング演算処理又は無処理の場合分けが増大する。以上のことから、一つの波形変化形態パターンを生成するに必要な抽出点数は本実施の形態のように４点、若しくは５点程度が妥当と考えられる。
【００３３】
また、本発明の量子化ビット拡張処理プログラムが特に有効に機能する場合は、聴覚上、レベル変化の微妙な上下変動が認識される得る程度の小さな音が比較的長く続く場合であり、特に音量変化の緩やかな時間が多いクラシック音楽のデジタルオーディオデータに対して有益である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係るデジタル信号の量子化ビット拡張処理プログラムは、上記のように構成されているため、ＰＣその他のハードウェアにおいてソフトウェアのみで、高品質化を実現するデジタル信号処理（量子化ビット拡張処理）が行われるため、新たなハードウェアは不要である。
【００３５】
したがって、ＰＣやオーディオシステム、オーディオビジュアルシステムでの動作環境そのままで圧縮デジタルデータ等の品質改善等を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理プログラムを実行するハードウェアについて、ＰＣのハードウェア構成例である。
【図２】本発明のＮビットデジタルデータをＭビットデジタルデータ（Ｍ＞Ｎ）に量子化ビット拡張処理を行うソフトウェアのフローチャートである。
【図３】本発明のＮビットからＭビット（Ｍ＞Ｎ）に量子化ビット拡張処理を行う手段を説明するためのデジタル信号波形の例である。
【図４】全波形変化形態パターンのテーブルである。
【図５】基本的な波形変化形態パターン数例とそのコーディング演算処理の対応を示した図である。
【図６】量子化ビット拡張処理前の１６ビットデジタルデータ波形と、その２４ビットへの量子化ビット拡張処理後のデータ波形実測図である。
【符号の説明】
１記録媒体
２パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
３ＨＤＤ
４ＣＰＵ
５メモリ装置
７インターフェイス
８オーディオアウト
９スピーカ
１０量子化ビット拡張処理プログラムの処理フロー
Ｍ、Ｎ量子化ビット数

Claims

コンピュータを、
量子化ビット数Ｎのデジタル信号のＮビットデータのサンプリング毎のデータレベルの差分値を取ることによってその正負を生じた時点を正負変化点として抽出するとともに所定数サンプリング時間にわたって差分値ゼロが連続した時点を無変化点として抽出するＮビットデータ波形変化点抽出手段と、
前記正負変化点及び無変化点のうちの少なくとも一方を連続して所定数抽出した時点でこれら抽出点の波形変化形態パターンを生成する手段と、
予めメモリ装置に記録された全波形変化形態パターンのテーブルから前記生成された波形変化形態パターンに該当するパターンを抽出する手段と、
前記抽出された波形変化形態パターンに対する処理を、前記全波形変化形態パターンと対応して予め設定されている量子化ビット数ＮからＭビット（Ｍ＞Ｎ）への複数のコーディング演算処理又は無処理の一つに振り分ける処理振り分け手段と、
量子化ビット数ＮビットからＭビットへの前記振り分けられたコーディング演算処理を行う手段と、
前記コーディング演算処理後のＭビットデジタル波形にエネルギー等価変換の平均値化処理を行う手段と、
生成されたＭビットデータ波形を出力する手段として機能させるための量子化ビット拡張処理プログラム。