JP2004246038A - 音声楽音信号符号化方法、復号化方法、符号化装置、復号化装置、符号化プログラム、および復号化プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】音声楽音信号の周波数帯域を分割して帯域毎に残差係数に対するベクトル長、ビット割当てを行い高能率にディジタル符号に変換符号化復号化する。
【解決手段】周波数帯域を分割して帯域毎に残差係数に対するベクトル長およびビット割り当てを行い音声楽音信号を高能率にディジタル符号に変換符号化して音声楽音信号に復元復号化する符号化復号化方法、装置、符号化復号化プログラムであり、特に、ベクトル量子化は、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行ない、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求め、ベクトル量子化復号化は帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックス、および必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスから再生残差係数を求める音声楽音信号符号化・復号化方法、装置、プログラム。
【選択図】 図１
【解決手段】周波数帯域を分割して帯域毎に残差係数に対するベクトル長およびビット割り当てを行い音声楽音信号を高能率にディジタル符号に変換符号化して音声楽音信号に復元復号化する符号化復号化方法、装置、符号化復号化プログラムであり、特に、ベクトル量子化は、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行ない、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求め、ベクトル量子化復号化は帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックス、および必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスから再生残差係数を求める音声楽音信号符号化・復号化方法、装置、プログラム。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は音声楽音信号符号化方法、復号化方法、符号化装置、復号化装置、符号化プログラム、および復号化プログラムに関し、特に、音声楽音の周波数帯域を分割して帯域毎に残差係数に対するベクトル長およびビット割り当てを行い音声楽音信号を高能率にディジタル符号に変換符号化して、このディジタル信号を音声楽音信号に復元復号化する音声楽音信号符号化方法、復号化方法、符号化装置、復号化装置、および符号化プログラム、復号化プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声信号および楽音信号を圧縮する従来方法として、入力信号をＭＤＣＴ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｓｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：変形離散コサイン変換）により一定サンプルの入力毎に時間／周波数変換し、周波数領域の一連の係数に変換してから符号化を行なう変換符号化方法が知られている。一例として、図１に示されるが如きＴｗｉｎＶＱ方式（ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｄｏｍａｉｎ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ：周波数領域重み付けインタリーブベクトル量子化）（非特許文献１、特許文献１ 参照）は、ＭＤＣＴにより変換した周波数領域ＭＤＣＴ係数をＬＰＣ（ｌｉｎｅａｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：線形予測係数）スペクトル包絡、２段階のパワーにより平坦化を行ない、得られる出力信号、即ち、残差信号を重み付けベクトル量子化により量子化する方法である。
【０００３】
ベクトル量子化は、目標ベクトルとの間の距離が最小となるコードベクトルをコードブックから選択し、復号化装置でベクトルを先のコードベクトルから再生する方法である。この符号化方法は、低いビットレートでも高音質な符号化がなされるが、効率的に符号化するには符号化するベクトルを或る程度の長さの、即ち、５〜６次元の長さのベクトルに設定する必要がある。しかし、ベクトル長を長くするとパワー変動が急峻なデータを符号化する際に大きな符号化歪が発生するという問題がある。また、ベクトル長を短くすると、各ベクトルを符号化するに使用することができるビットが減るところから、目標ベクトルに近いコードベクトルがコードブック中に存在しない状態になりやすく、これが大きな符号化歪を発生させる原因となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−０４４３９９号公報
【非特許文献１】
岩上、守谷、三樹、「周波数領域重み付けインターリーブベクトル量子化によるオーディオ符号化」、日本音響学会秋季講演論文、ｐｐ．３３９−３４０、１９９４−１０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、広帯域入力信号のスペクトルを符号化する音声楽音信号の変換符号化方法において帯域毎に異なる形状を持つスペクトルを効率的に符号化する方法およびこの符号化された信号を復号化する帯域分割音声楽音信号符号化方法、復号化方法およびこれらの方法を実行するプログラム記憶媒体を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
離散音声楽音信号サンプルを入力としてディジタル符号を出力する音声楽音信号符号化方法において、時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割フィルタにより帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求め、帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求め、帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出し、帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求め、帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワーで正規化し、パワー正規化インデックスおよび残差入力係数を求め、帯域毎の残差入力係数をそれぞれベクトル量子化によりベクトル量子化インデックスを求め、このベクトル量子化は、帯域毎にＬＰＣスペクトル包絡、或はパワー正規化インデックス、或いは残差入力係数からベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行い、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求める音声楽音信号符号化方法を構成した。
【０００７】
そして、ディジタル符号を入力して音声楽音信号を再生する音声楽音信号復号化方法において、帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求め、帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求め、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行い、帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求め、帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求め、帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求め、複数の帯域別時間系列信号から帯域合成フィルタにより時間系列の再生音声楽音信号を求める音声楽音信号復号化方法を構成した。
【０００８】
また、離散音声楽音信号サンプルを入力としてディジタル符号を出力する音声楽音信号符号化装置において、時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求める帯域分割フィルタを具備し、帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求めるＭＤＣＴ変換部２１０、２１１、２１２を具備し、帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出するＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２を具備し、帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求めるＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２を具備し、帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワー成分で正規化し、正規化パワーおよびパワー正規化インデックスを求めるパワー正規化部２４０、２４１、２４２を具備し、帯域毎の入力平坦化係数を正規化パワーにより正規化し、残差入力係数を計算する残差計算部２５０、２５１、２５２を具備し、ＬＰＣスペクトル包絡、或いは正規化パワー、或いは残差入力係数から各帯域のベクトル量子化で使用するベクトル長とベクトル量子化に使用するビットの割り当てを計算するベクトル長量子化ビット割り当て部２７０を具備し、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行ない、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求めるベクトル量子化部２６０、２６１、２６２を具備する音声楽音信号符号化装置を構成した。
【０００９】
更に、ディジタル符号を入力して音声楽音信号を再生する音声楽音信号復号化装置において、帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求めるパワー逆正規化部４４０、４４１、４４２を具備し、帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求めるＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２を具備し、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行うベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２を具備し、帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求める残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２を具備し、帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求めるＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２を具備し、帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求める逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２を具備し、複数の帯域別時間系列信号から時間系列の再生音声楽音信号を求める帯域合成フィルタ４００を具備する音声楽音信号復号化装置を構成した。
【００１０】
ここで、時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割フィルタにより帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求め、帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求め、帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出し、帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求め、帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワーで正規化し、パワー正規化インデックスおよび残差入力係数を求め、帯域毎の残差入力係数をそれぞれベクトル量子化によりベクトル量子化インデックスを求め、このベクトル量子化は、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行ない、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求める指令を実行する音声楽音信号符号化プログラムを構成した。
【００１１】
そして、帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求め、帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求め、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行い、帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求め、帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求め、帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求め、複数の帯域別時間系列信号から帯域合成フィルタにより時間系列の再生音声楽音信号を求める指令を実行する音声楽音信号復号化プログラムを構成した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
符号器は、入力された信号系列を一定時間毎に帯域分割フィルタにより複数帯域に分割し、それぞれの時間系列信号をＭＤＣＴにより周波数領域のＭＤＣＴ係数に変換し、ＬＰＣスペクトル包絡により正規化を行ない平坦化入力係数を算出した後、パワーにより正規化を行ない、残差入力係数を得る。帯域毎に計算されるＬＰＣスペクトル包絡とパワー正規化係数と残差入力係数より、各帯域においてベクトル量子化に使用するビット数およびベクトル長を計算し、各帯域毎に算出される残差入力係数をベクトル量子化する。
復号器は、ベクトル量子化復号を行ない再生平坦化係数を算出する。この再生平坦化係数を再生正規化パワーおよび再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化を行なった後、周波数／時間変換により帯域別出力時間領域信号を得て、これら出力時間領域信号を帯域合成フィルタにより合成し、出力信号を得る。この方法は、各帯域の重要度に応じた品質の制御を特に低ビットレートの符号化に効果のあるベクトル量子化により実現することができる。
【００１３】
【実施例】
この発明の実施例を図を参照して説明する。
図２および図４はこの発明の第１の実施例を説明する図である。図２に示される第１の実施例における符号化装置は、帯域分割フィルタ部２００とＭＤＣＴ変換部２１０、２１１、２１２と、ＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２と、ＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２と、パワー正規化部２４０、２４１、２４２と、残差計算部２５０、２５１、２５２と、ベクトル量子化部２６０、２６１、２６２と、ベクトル長量子化ビット割り当て部２７０より構成される。入力端子２０１から入力した入力信号である音声楽音信号の離散サンプル列は、帯域分割フィルタ部２００に入力される。（・おいて帯域分割され、符号化したビット列をＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２、パワー正規化部２４０、２４１、２４２、ベクトル量子化部２６０、２６１、２６２より出力する。即ち、・）入力信号は帯域分割フィルタ部２００において帯域別時間系列信号に変換される。この実施例において、入力信号は３帯域に分割している。一例として、０ｋＨｚから１６ｋＨｚに亘る広帯域の音声楽音信号を３２ｋＨｚでサンプリングして入力信号とし、この入力信号をＯｋＨｚから４ｋＨｚ迄の帯域、４ｋＨｚから８ｋＨｚ迄の帯域、８ｋＨｚから１６ｋＨｚ迄の帯域の３帯域に分割すると効果が高い。この通りに３分割された帯域別時間系列信号は、各帯域のＭＤＣＴ変換部２１０、２１１、２１２に入力され、ここにおいて変形離散コサイン変換によりそれぞれ周波数領域の入力ＭＤＣＴ係数に変換されて、各帯域のＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２に送信される。３分割された帯域別時間系列信号は、また、各帯域のＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２にも入力され、ここにおいてこの入力信号に基づいてＬＰＣスペクトル包絡が算出され、各帯域のＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２とベクトル長量子化ビット割り当て部２７０に送信される。ここで、ベクトル長、量子化ビット割り当てには、以下の３通りがある。
（Ａ）ＬＰＣスペクトル包絡より求める。
（Ｂ）パワー正規化インデックスより求める。
（Ｃ）残差入力係数から求める。この場合のみベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスが必要とされる。
【００１４】
入力ＭＤＣＴ係数については、効率的な量子化を行なうために、各帯域のＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２においてＬＰＣスペクトル包絡により平坦化された平坦化入力係数が計算され、それぞれ各帯域のパワー正規化部２４０、２４１、２４２と残差計算部２５０、２５１、２５２とに送信される。各帯域のパワー正規化部２４０、２４１、２４２は、平坦化入力係数からのパワー成分を計算し、正規化パワーをそれぞれの残差計算部２５０、２５１、２５２とベクトル長量子化ビット割り当て部２７０に送信する。以上の計算は、一定数サンプルにおける平均パワーの平方根、一定数サンプル内での最大振幅の絶対値を使用すると効果的である。
各帯域の残差計算部２５０、２５１、２５２は、入力平坦化係数を正規化パワーにより正規化し、残差入力係数を計算し、計算結果をそれぞれのベクトル量子化部２６０、２６１、２６２に送信する。ベクトル長量子化ビット割り当て部２７０は、ＬＰＣスペクトル包絡と正規化パワーから各帯域のベクトル量子化で使用するベクトル長とベクトル量子化に使用するビットの割り当てを計算し、計算結果を各帯域のベクトル量子化部２６０、２６１、２６２に送信する。ここで、例えば、ベクトル長の上限をＶｓ−ｔ、下限をＶｓ−ｂとし、各帯域の正規化パワーの平均をＰ（ｋ）（ｋは帯域番号）とすると、帯域番号ｋにおけるベクトル量子化部で使用するベクトル長Ｖ（ｋ）は、
【数１】
但し、（ｉｎｔ）は整数化を表す。
により計算することができる。ここで、例えば、Ｖｓ−ｔ＝６、Ｖｓ−ｂ＝２とすることにより、効果的なベクトル長を決定することができる。また、ベクトルＶｓ−ｔ（ｋ、ｎ）（ｋは帯域番号、ｎはベクトル番号）のビット割り当てＢｉｔ（Ｖ−ｔ（ｋ、ｎ））は、帯域別に符号化に使用することができるビット数をＢｉｔ−ｔｏｔａｌ（ｋ）とし、ＬＰＣスペクトルをＬＰＣ（ｋ、ｓ）（ｋは帯域番号、ｓはサンプル番号）とすると、
【数２】
により計算することができる。各帯域のベクトル量子化部２６０、２６１、２６２は、残差入力係数を、ベクトル長、ビット割り当て情報を用いてベクトル量子化して、ベクトル量子化インデックスを計算する。
ベクトル長を、その帯域の正規化残差パワーの全帯域パワーの合計に対する比に基づいて決められることにより、パワーが大きくなる程ベクトル長を短く設定することができる。そして、式（２）および後で説明される式（４）の内のｓ∈Ｖ＿ｔ（ｋ、ｎ）とは、Ｖ＿ｔ（ｋ、ｎ）（帯域ｋにおけるｎ番目のベクトル）に含まれるベクトル長個分あるベクトル要素サンプルｓを示し、式（２）（４）においてベクトル要素サンプルｓに関するＬＰＣスペクトル和を計算することにより、ベクトルのパワーが大きい程多くの情報量が割り当てられる。以上のことから、パワーが大きな帯域ほどベクトル長を短くし、ビット割り当てを多く設定することにより、帯域内パワー変動が激しくとも符号化品質劣化を抑制することができる。ここで、ベクトル長は帯域毎に決定され、帯域別で且つビット割り当て応じた符号帳を使用する。符号帳にはビット割り当てに応じた個数の符号ベクトルが符号と対応付けて記憶されている。この個数は、一般に、２のビット割り当て個数乗個であり、ビット割り当てが多いほどベクトル個数が大きい。復号化においても、ベクトル長、ビット割り当て決定後にこの様な符号帳を使用し、入力符号に対するベクトルを再生する。
【００１５】
図４に示される第１の実施例における復号化装置は、帯域合成フィルタ４００と、逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２と、ＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２と、ＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２と、パワー逆正規化部４４０、４４１、４４２と、残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２と、ベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２と、ベクトル長量子化ビット割り当て部４７０から構成される。ＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２、パワー逆正規化部４４０、４４１、４４２、ベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２から入力された符号ビット列を復号し、時間領域の離散サンプル列である音声楽音信号を出力端子４０１から出力する。即ち、各帯域のＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２は入力されたＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を算出し、ＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２とベクトル長量子化ビット割り当て部４７０に送信する。また、パワー逆正規化部４４０、４４１、４４２は入力されたパワー正規化インデックスから正規化パワーを計算して、残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２とベクトル長量子化ビット割り当て部４７０に送信する。ベクトル長量子化ビット割り当て部４７０は、図２に示されるベクトル長量子化ビット割り当て部２７０と同様の計算により、各帯域でベクトル量子化に使用するベクトル長およびビット割り当てを計算し、計算結果を各帯域のベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２に送信する。各帯域のベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２は、ベクトル量子化インデックスと以上において計算されたベクトル長、量子化ビット割り当てを使ってベクトル量子化復号を行ない、再生残差係数を計算し、計算結果をそれぞれの残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２に送信する。各帯域の残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２は、再生残差係数を正規化パワーにより逆正規化し、再生平坦化係数を算出し、計算結果をそれぞれのＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２に送信する。各帯域のＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２は、再生平坦化係数を再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を計算して、それぞれの逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２に送信する。各帯域の逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２は、再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ計算することで、帯域別時間系列信号を計算し、計算結果を帯域合成フィルタ部４００に送信する。帯域合成フィルタ部４００は、各帯域から出力された時間系列信号を合成し、時間領域の出力サンプル系列に変換し、復号結果として出力端子４０１から出力される。
以上の図２および図４による第１の実施例の場合は、ベクトル長、ビット割り当てを、帯域毎に、符号化の対象となるパワー正規化係数、包絡成分から算出するので、ベクトル長、ビット割り当てに関する情報を符号化出力とする必要はない。従って、復号化においては、伝送したパワー正規化係数、包絡成分に基づいてベクトル長、ビット割り当てを行った上で伝送符号からの残差成分の再生を行っている。
【００１６】
図３および図５はにこの発明の第２の実施例を説明する図である。
図３に示される符号化装置は、帯域分割フィルタ部３００と、ＭＤＣＴ変換部３１０、３１１、３１２と、ＬＰＣ分析部３２０、３２１、３２２と、ＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２と、パワー正規化部３４０、３４１、３４２と、残差計算部３５０、３５１、３５２と、ベクトル量子化部３６０、３６１、３６２と、ベクトル長量子化ビット割り当て部３７０より構成され、音声楽音信号の離散サンプル列を端子３０１に入力し、符号化したビット列をＬＰＣ分析部３３０、３３１、．３３２、パワー正規化部３４０、３４１、３４２、ベクトル量子化部３６０、３６１、３６２より出力する。即ち、入力信号は入力端子３０１を介して帯域分割フィルタ部３００に入力され、ここにおいて帯域別時間系列信号に変換される。この実施例においては、入力信号は３帯域に分割される。一例として、０ｋＨｚから１６ｋＨｚに亘る広帯域の音声楽音信号を３２ｋＨｚでサンプリングして入力信号とし、この入力信号を０ｋＨｚから４ｋＨｚ迄の帯域、４ｋＨｚから８ｋＨｚ迄の帯域、８ｋＨｚから１６ｋＨｚ迄の帯域の３帯域に分割すると効果が高い。この通りに３分割された帯域別時間系列信号は、各帯域のＭＤＣＴ変換部３１０、３１１、３１２において、変形離散コサイン変換によりそれぞれ周波数領域の入力ＭＤＣＴ係数に変換され、変換結果を対応するＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２に送信する。３分割された帯域別時間系列信号は、また、対応するＬＰＣ分析部３３０、３３１、３３２にも送信され、ここにおいてＬＰＣスペクトル包絡が入力信号より算出され、ＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２に送信される。入力ＭＤＣＴ係数について、効率的な量子化を行なうために、対応するＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２においてＬＰＣスペクトル包絡により平坦化されて平坦化入力係数が計算され、対応する残差計算部３５０、３５１、３５２とパワー正規化部３４０、３４１、３４２に送信される。各帯域のパワー正規化部３４０、３４１、３４２は平坦化入力係数からのパワー成分を計算し、残差計算部３５０、３５１、３５２に送信する。以上の計算は、一定数サンプルにおける平均パワーの平方根、一定数サンプル内での最大振幅の絶対値を使用すると効果的である。各帯域の残差計算部３５０、３５１、３５２は、入力平坦化係数を正規化パワーにより正規化し、残差入力係数を計算し、対応するベクトル量子化部２６０、２６１、２６２とベクトル長量子化ビット割り当て部３７０に送信する。ベクトル長量子化ビット割り当て部３７０は、残差入力係数から各帯域のベクトル量子化で使用するベクトル長とベクトル量子化に使用するビットの割り当てを計算し、ベクトル長および量子化ビット割り当てを対応するベクトル量子化部３６０、３６１、３６２に送信する。そして、これらベクトル量子化部３６０、３６１、３６２はベクトル量子化インデックスを計算する。ここで、例えば、ベクトル長の上限をＶｓ−ｔ、下限をＶｓ−ｂとし、各帯域の残差入力信号のパワーをＰ（ｋ、ｓ）（ｋは帯域番号、ｓはサンプル番号）とすると、帯域番号ｋのベクトル量子化におけるベクトル長Ｖ（ｋ）は
【数３】
但し、（ｉｎｔ）は整数化を表す。
により計算することができる。ここで、例えばＶｓ−ｔ＝６、Ｖｓ−ｂ＝２とすることにより、効果的なベクトル長を決定することができる。また、各帯域におけるベクトルＶ−ｔ（ｋ、ｎ）（ｋは帯域番号、ｎはベクトル番号）のビット割り当てＢｉｔ（Ｖ−ｔ（ｋ、ｎ））は、帯域別に符号化に使用することができるビット数をＢｉｔ−ｔｏｔａｌ（ｋ）としたとき、
【数４】
により計算することができる。各帯域のベクトル量子化部３６０、３６１、３６２は、残差入力係数を、ベクトル長、ビット割り当て情報を用いてベクトル量子化し、ベクトル量子化インデックスを計算する。
図５に示される第２の実施例における復号化装置は各帯域の帯域合成フィルタ５００と、逆ＭＤＣＴ変換部５１０、５１１、５１２と、ＬＰＣ合成部５２０、５２１、５２２と、ＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２と、パワー逆正規化部５４０、５４１、５４２と、残差逆平坦化部５５０、５５１、５５２と、ベクトル量子化復号部５６０、５６１、５６２から構成されて、ＬＰＣ合成部５２０、５２１、５２２、パワー逆正規化部５４０、５４１、５４２、ベクトル量子化復号部５６０、５６１、５６２から入力された符号ビット列を復号し、時間領域の離散サンプル列である音声楽音信号を出力端子５０１から出力する。即ち、各帯域のＬＰＣ合成部５２０、５２１、５２２は、入力されたＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を算出し、対応するＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２に送信する。また、各帯域のパワー逆正規化部５４０、５４１、５４２は、パワー正規化インデックスから正規化パワーを計算し、残差逆平坦化部５５０、５５１，５５２に送信する。各帯域のベクトル量子化復号部５６０、５６１、５６２は、ベクトル量子化インデックスとベクトル長および量子化ビット割り当てからベクトル量子化復号を行ない、再生残差係数を計算し、残差逆平坦化部５５０、５５１、５５２に送信する。各帯域の残差逆平坦化部５５０、５５１、５５２は、再生残差係数を正規化パワーにより逆正規化し、再生平坦化係数を算出し、ＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２に送信する。ＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２は、再生平坦化係数を再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を計算して、逆ＭＤＣＴ変換部５１０、５１１、５１２に送信する。逆ＭＤＣＴ変換部５１０、５１１、５１２は再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ計算することで、帯域別時間系列信号を計算し、帯域合成フィルタ部５００に送信する。帯域合成フィルタ部５００は、各帯域から出力された時間系列信号を合成し、時間領域の出力サンプル系列に変換し、復号結果として出力端子５０１に出力する。
以上の図３および図５による第２の実施例の場合は、残差成分に対するベクトル長、ビット割り当てを量子化前の値に基づいて行うので、ベクトル長、ビット割り当て情報を符号化し、復号においてはこれらを再生してベクトル長、ビット割り当てを決めてから残差成分を再生するところが、第１の実施例と異なるところである。
【００１７】
図６はこの発明による符号化方法および復号化方法をコンピュータで実施する場合の構成を示す。コンピュータ６００は、バス６８０を介して互いに接続されたＣＰＵ６１０、ＲＡＭ６２０、ＲＯＭ６３０、入出カインタフェース６４０、ハードディスク６５０を含んでいる。ＲＯＭ６３０にはコンピュータ６００を動作させる基本プログラムが格納されており、ハードディスク６５０は前述したこの発明による符号化方法および復号化方法を実行するプログラムが予め格納されている。
符号化時には、ＣＰＵ６１０はハードディスク６５０から符号化プログラムをＲＡＭ６２０にロードし、インタフニース６４０から入力されたオーディオ信号サンプルを符号化プログラムに従って処理することにより符号化し、インタフェース６４０から出力する。復号時には、復号プログラムをハードディスク６５０からＲＡＭ６２０にロードし、入力信号を復号プログラムに従って処理してオーディオ信号サンプルを出力する。
【００１８】
この発明による符号化方法および復号化方法を実行するプログラムは、内部バス６８０に駆動装置６６０を介して接続された外部ディスク装置６７０に記録されたものを使用しても良い。或いは、インタフェース６４０を介して外部ネットワークからプログラムをダウンロードしてハードディスク６５０に格納したものでも良い。この発明による符号化、復号化方法を実行するプログラムが記録された記憶媒体としては、磁気記録媒体、ＩＣメモリ、コンパクトディスクなどの形態の記憶媒体であっても良い。
【００１９】
【発明の効果】
上述した通りであって、この発明は、帯域毎に異なる形状を持つ広帯域音声楽音信号を効率的に符号化、復号化することができる。音声楽音信号は、これを周波数を横軸にとり、パワーを縦軸にとって一例として帯域に分割して示した場合、これら３帯域はそれぞれ各別の異なる形状のスペクトルを持つ。ベクトル量子化に使用する全体として一定量のビット数およびベクトル長を、各帯域別の一定値により固定的に割り当てることをしないで、各帯域の重要度、必要性を勘案しこれに対応した適正な分配、割り当てを行うことにより、広帯域の音声楽音信号を効率的に符号化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ベクトル量子化利用の変換符号化方法の一例を説明する図。
【図２】第１の実施例における符号化器を説明する図。
【図３】第２の実施例における符号化器を説明する図。
【図４】第１の実施例における復号化器を説明する図。
【図５】第２の実施例における復号化器を説明する図。
【図６】符号化、復号化方法を実施するコンピュータを示す図。
【符号の説明】
２０１ 帯域分割フィルタ
２１０、２１１、２１２ ＭＤＣＴ変換部
２２０、２２１、２２２ ＬＰＣ分析部
２３０、２３１、２３２ ＬＰＣ平坦化部
２４０、２４１、２４２ パワー正規化部
２５０、２５１、２５２ 残差計算部
２６０、２６１、２６２ ベクトル量子化部
２７０ ベクトル長量子化ビット割り当て部
４００ 帯域合成フィルタ
４１０、４１１、４１２ 逆ＭＤＣＴ変換部
４２０、４２１、４２２ ＬＰＣ合成部
４３０、４３１、４３２ ＬＰＣ逆平坦化部
４４０、４４１、４４２ パワー逆正規化部
４５０、４５１、４５２ 残差逆平坦化部
４６０、４６１、４６２ ベクトル量子化復号部
【産業上の利用分野】
この発明は音声楽音信号符号化方法、復号化方法、符号化装置、復号化装置、符号化プログラム、および復号化プログラムに関し、特に、音声楽音の周波数帯域を分割して帯域毎に残差係数に対するベクトル長およびビット割り当てを行い音声楽音信号を高能率にディジタル符号に変換符号化して、このディジタル信号を音声楽音信号に復元復号化する音声楽音信号符号化方法、復号化方法、符号化装置、復号化装置、および符号化プログラム、復号化プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声信号および楽音信号を圧縮する従来方法として、入力信号をＭＤＣＴ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｓｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：変形離散コサイン変換）により一定サンプルの入力毎に時間／周波数変換し、周波数領域の一連の係数に変換してから符号化を行なう変換符号化方法が知られている。一例として、図１に示されるが如きＴｗｉｎＶＱ方式（ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｄｏｍａｉｎ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ：周波数領域重み付けインタリーブベクトル量子化）（非特許文献１、特許文献１ 参照）は、ＭＤＣＴにより変換した周波数領域ＭＤＣＴ係数をＬＰＣ（ｌｉｎｅａｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：線形予測係数）スペクトル包絡、２段階のパワーにより平坦化を行ない、得られる出力信号、即ち、残差信号を重み付けベクトル量子化により量子化する方法である。
【０００３】
ベクトル量子化は、目標ベクトルとの間の距離が最小となるコードベクトルをコードブックから選択し、復号化装置でベクトルを先のコードベクトルから再生する方法である。この符号化方法は、低いビットレートでも高音質な符号化がなされるが、効率的に符号化するには符号化するベクトルを或る程度の長さの、即ち、５〜６次元の長さのベクトルに設定する必要がある。しかし、ベクトル長を長くするとパワー変動が急峻なデータを符号化する際に大きな符号化歪が発生するという問題がある。また、ベクトル長を短くすると、各ベクトルを符号化するに使用することができるビットが減るところから、目標ベクトルに近いコードベクトルがコードブック中に存在しない状態になりやすく、これが大きな符号化歪を発生させる原因となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−０４４３９９号公報
【非特許文献１】
岩上、守谷、三樹、「周波数領域重み付けインターリーブベクトル量子化によるオーディオ符号化」、日本音響学会秋季講演論文、ｐｐ．３３９−３４０、１９９４−１０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、広帯域入力信号のスペクトルを符号化する音声楽音信号の変換符号化方法において帯域毎に異なる形状を持つスペクトルを効率的に符号化する方法およびこの符号化された信号を復号化する帯域分割音声楽音信号符号化方法、復号化方法およびこれらの方法を実行するプログラム記憶媒体を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
離散音声楽音信号サンプルを入力としてディジタル符号を出力する音声楽音信号符号化方法において、時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割フィルタにより帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求め、帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求め、帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出し、帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求め、帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワーで正規化し、パワー正規化インデックスおよび残差入力係数を求め、帯域毎の残差入力係数をそれぞれベクトル量子化によりベクトル量子化インデックスを求め、このベクトル量子化は、帯域毎にＬＰＣスペクトル包絡、或はパワー正規化インデックス、或いは残差入力係数からベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行い、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求める音声楽音信号符号化方法を構成した。
【０００７】
そして、ディジタル符号を入力して音声楽音信号を再生する音声楽音信号復号化方法において、帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求め、帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求め、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行い、帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求め、帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求め、帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求め、複数の帯域別時間系列信号から帯域合成フィルタにより時間系列の再生音声楽音信号を求める音声楽音信号復号化方法を構成した。
【０００８】
また、離散音声楽音信号サンプルを入力としてディジタル符号を出力する音声楽音信号符号化装置において、時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求める帯域分割フィルタを具備し、帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求めるＭＤＣＴ変換部２１０、２１１、２１２を具備し、帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出するＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２を具備し、帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求めるＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２を具備し、帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワー成分で正規化し、正規化パワーおよびパワー正規化インデックスを求めるパワー正規化部２４０、２４１、２４２を具備し、帯域毎の入力平坦化係数を正規化パワーにより正規化し、残差入力係数を計算する残差計算部２５０、２５１、２５２を具備し、ＬＰＣスペクトル包絡、或いは正規化パワー、或いは残差入力係数から各帯域のベクトル量子化で使用するベクトル長とベクトル量子化に使用するビットの割り当てを計算するベクトル長量子化ビット割り当て部２７０を具備し、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行ない、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求めるベクトル量子化部２６０、２６１、２６２を具備する音声楽音信号符号化装置を構成した。
【０００９】
更に、ディジタル符号を入力して音声楽音信号を再生する音声楽音信号復号化装置において、帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求めるパワー逆正規化部４４０、４４１、４４２を具備し、帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求めるＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２を具備し、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行うベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２を具備し、帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求める残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２を具備し、帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求めるＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２を具備し、帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求める逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２を具備し、複数の帯域別時間系列信号から時間系列の再生音声楽音信号を求める帯域合成フィルタ４００を具備する音声楽音信号復号化装置を構成した。
【００１０】
ここで、時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割フィルタにより帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求め、帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求め、帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出し、帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求め、帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワーで正規化し、パワー正規化インデックスおよび残差入力係数を求め、帯域毎の残差入力係数をそれぞれベクトル量子化によりベクトル量子化インデックスを求め、このベクトル量子化は、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行ない、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求める指令を実行する音声楽音信号符号化プログラムを構成した。
【００１１】
そして、帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求め、帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求め、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行い、帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求め、帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求め、帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求め、複数の帯域別時間系列信号から帯域合成フィルタにより時間系列の再生音声楽音信号を求める指令を実行する音声楽音信号復号化プログラムを構成した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
符号器は、入力された信号系列を一定時間毎に帯域分割フィルタにより複数帯域に分割し、それぞれの時間系列信号をＭＤＣＴにより周波数領域のＭＤＣＴ係数に変換し、ＬＰＣスペクトル包絡により正規化を行ない平坦化入力係数を算出した後、パワーにより正規化を行ない、残差入力係数を得る。帯域毎に計算されるＬＰＣスペクトル包絡とパワー正規化係数と残差入力係数より、各帯域においてベクトル量子化に使用するビット数およびベクトル長を計算し、各帯域毎に算出される残差入力係数をベクトル量子化する。
復号器は、ベクトル量子化復号を行ない再生平坦化係数を算出する。この再生平坦化係数を再生正規化パワーおよび再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化を行なった後、周波数／時間変換により帯域別出力時間領域信号を得て、これら出力時間領域信号を帯域合成フィルタにより合成し、出力信号を得る。この方法は、各帯域の重要度に応じた品質の制御を特に低ビットレートの符号化に効果のあるベクトル量子化により実現することができる。
【００１３】
【実施例】
この発明の実施例を図を参照して説明する。
図２および図４はこの発明の第１の実施例を説明する図である。図２に示される第１の実施例における符号化装置は、帯域分割フィルタ部２００とＭＤＣＴ変換部２１０、２１１、２１２と、ＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２と、ＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２と、パワー正規化部２４０、２４１、２４２と、残差計算部２５０、２５１、２５２と、ベクトル量子化部２６０、２６１、２６２と、ベクトル長量子化ビット割り当て部２７０より構成される。入力端子２０１から入力した入力信号である音声楽音信号の離散サンプル列は、帯域分割フィルタ部２００に入力される。（・おいて帯域分割され、符号化したビット列をＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２、パワー正規化部２４０、２４１、２４２、ベクトル量子化部２６０、２６１、２６２より出力する。即ち、・）入力信号は帯域分割フィルタ部２００において帯域別時間系列信号に変換される。この実施例において、入力信号は３帯域に分割している。一例として、０ｋＨｚから１６ｋＨｚに亘る広帯域の音声楽音信号を３２ｋＨｚでサンプリングして入力信号とし、この入力信号をＯｋＨｚから４ｋＨｚ迄の帯域、４ｋＨｚから８ｋＨｚ迄の帯域、８ｋＨｚから１６ｋＨｚ迄の帯域の３帯域に分割すると効果が高い。この通りに３分割された帯域別時間系列信号は、各帯域のＭＤＣＴ変換部２１０、２１１、２１２に入力され、ここにおいて変形離散コサイン変換によりそれぞれ周波数領域の入力ＭＤＣＴ係数に変換されて、各帯域のＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２に送信される。３分割された帯域別時間系列信号は、また、各帯域のＬＰＣ分析部２２０、２２１、２２２にも入力され、ここにおいてこの入力信号に基づいてＬＰＣスペクトル包絡が算出され、各帯域のＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２とベクトル長量子化ビット割り当て部２７０に送信される。ここで、ベクトル長、量子化ビット割り当てには、以下の３通りがある。
（Ａ）ＬＰＣスペクトル包絡より求める。
（Ｂ）パワー正規化インデックスより求める。
（Ｃ）残差入力係数から求める。この場合のみベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスが必要とされる。
【００１４】
入力ＭＤＣＴ係数については、効率的な量子化を行なうために、各帯域のＬＰＣ平坦化部２３０、２３１、２３２においてＬＰＣスペクトル包絡により平坦化された平坦化入力係数が計算され、それぞれ各帯域のパワー正規化部２４０、２４１、２４２と残差計算部２５０、２５１、２５２とに送信される。各帯域のパワー正規化部２４０、２４１、２４２は、平坦化入力係数からのパワー成分を計算し、正規化パワーをそれぞれの残差計算部２５０、２５１、２５２とベクトル長量子化ビット割り当て部２７０に送信する。以上の計算は、一定数サンプルにおける平均パワーの平方根、一定数サンプル内での最大振幅の絶対値を使用すると効果的である。
各帯域の残差計算部２５０、２５１、２５２は、入力平坦化係数を正規化パワーにより正規化し、残差入力係数を計算し、計算結果をそれぞれのベクトル量子化部２６０、２６１、２６２に送信する。ベクトル長量子化ビット割り当て部２７０は、ＬＰＣスペクトル包絡と正規化パワーから各帯域のベクトル量子化で使用するベクトル長とベクトル量子化に使用するビットの割り当てを計算し、計算結果を各帯域のベクトル量子化部２６０、２６１、２６２に送信する。ここで、例えば、ベクトル長の上限をＶｓ−ｔ、下限をＶｓ−ｂとし、各帯域の正規化パワーの平均をＰ（ｋ）（ｋは帯域番号）とすると、帯域番号ｋにおけるベクトル量子化部で使用するベクトル長Ｖ（ｋ）は、
【数１】
により計算することができる。ここで、例えば、Ｖｓ−ｔ＝６、Ｖｓ−ｂ＝２とすることにより、効果的なベクトル長を決定することができる。また、ベクトルＶｓ−ｔ（ｋ、ｎ）（ｋは帯域番号、ｎはベクトル番号）のビット割り当てＢｉｔ（Ｖ−ｔ（ｋ、ｎ））は、帯域別に符号化に使用することができるビット数をＢｉｔ−ｔｏｔａｌ（ｋ）とし、ＬＰＣスペクトルをＬＰＣ（ｋ、ｓ）（ｋは帯域番号、ｓはサンプル番号）とすると、
【数２】
ベクトル長を、その帯域の正規化残差パワーの全帯域パワーの合計に対する比に基づいて決められることにより、パワーが大きくなる程ベクトル長を短く設定することができる。そして、式（２）および後で説明される式（４）の内のｓ∈Ｖ＿ｔ（ｋ、ｎ）とは、Ｖ＿ｔ（ｋ、ｎ）（帯域ｋにおけるｎ番目のベクトル）に含まれるベクトル長個分あるベクトル要素サンプルｓを示し、式（２）（４）においてベクトル要素サンプルｓに関するＬＰＣスペクトル和を計算することにより、ベクトルのパワーが大きい程多くの情報量が割り当てられる。以上のことから、パワーが大きな帯域ほどベクトル長を短くし、ビット割り当てを多く設定することにより、帯域内パワー変動が激しくとも符号化品質劣化を抑制することができる。ここで、ベクトル長は帯域毎に決定され、帯域別で且つビット割り当て応じた符号帳を使用する。符号帳にはビット割り当てに応じた個数の符号ベクトルが符号と対応付けて記憶されている。この個数は、一般に、２のビット割り当て個数乗個であり、ビット割り当てが多いほどベクトル個数が大きい。復号化においても、ベクトル長、ビット割り当て決定後にこの様な符号帳を使用し、入力符号に対するベクトルを再生する。
【００１５】
図４に示される第１の実施例における復号化装置は、帯域合成フィルタ４００と、逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２と、ＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２と、ＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２と、パワー逆正規化部４４０、４４１、４４２と、残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２と、ベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２と、ベクトル長量子化ビット割り当て部４７０から構成される。ＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２、パワー逆正規化部４４０、４４１、４４２、ベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２から入力された符号ビット列を復号し、時間領域の離散サンプル列である音声楽音信号を出力端子４０１から出力する。即ち、各帯域のＬＰＣ合成部４２０、４２１、４２２は入力されたＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を算出し、ＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２とベクトル長量子化ビット割り当て部４７０に送信する。また、パワー逆正規化部４４０、４４１、４４２は入力されたパワー正規化インデックスから正規化パワーを計算して、残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２とベクトル長量子化ビット割り当て部４７０に送信する。ベクトル長量子化ビット割り当て部４７０は、図２に示されるベクトル長量子化ビット割り当て部２７０と同様の計算により、各帯域でベクトル量子化に使用するベクトル長およびビット割り当てを計算し、計算結果を各帯域のベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２に送信する。各帯域のベクトル量子化復号部４６０、４６１、４６２は、ベクトル量子化インデックスと以上において計算されたベクトル長、量子化ビット割り当てを使ってベクトル量子化復号を行ない、再生残差係数を計算し、計算結果をそれぞれの残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２に送信する。各帯域の残差逆平坦化部４５０、４５１、４５２は、再生残差係数を正規化パワーにより逆正規化し、再生平坦化係数を算出し、計算結果をそれぞれのＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２に送信する。各帯域のＬＰＣ逆平坦化部４３０、４３１、４３２は、再生平坦化係数を再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を計算して、それぞれの逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２に送信する。各帯域の逆ＭＤＣＴ変換部４１０、４１１、４１２は、再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ計算することで、帯域別時間系列信号を計算し、計算結果を帯域合成フィルタ部４００に送信する。帯域合成フィルタ部４００は、各帯域から出力された時間系列信号を合成し、時間領域の出力サンプル系列に変換し、復号結果として出力端子４０１から出力される。
以上の図２および図４による第１の実施例の場合は、ベクトル長、ビット割り当てを、帯域毎に、符号化の対象となるパワー正規化係数、包絡成分から算出するので、ベクトル長、ビット割り当てに関する情報を符号化出力とする必要はない。従って、復号化においては、伝送したパワー正規化係数、包絡成分に基づいてベクトル長、ビット割り当てを行った上で伝送符号からの残差成分の再生を行っている。
【００１６】
図３および図５はにこの発明の第２の実施例を説明する図である。
図３に示される符号化装置は、帯域分割フィルタ部３００と、ＭＤＣＴ変換部３１０、３１１、３１２と、ＬＰＣ分析部３２０、３２１、３２２と、ＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２と、パワー正規化部３４０、３４１、３４２と、残差計算部３５０、３５１、３５２と、ベクトル量子化部３６０、３６１、３６２と、ベクトル長量子化ビット割り当て部３７０より構成され、音声楽音信号の離散サンプル列を端子３０１に入力し、符号化したビット列をＬＰＣ分析部３３０、３３１、．３３２、パワー正規化部３４０、３４１、３４２、ベクトル量子化部３６０、３６１、３６２より出力する。即ち、入力信号は入力端子３０１を介して帯域分割フィルタ部３００に入力され、ここにおいて帯域別時間系列信号に変換される。この実施例においては、入力信号は３帯域に分割される。一例として、０ｋＨｚから１６ｋＨｚに亘る広帯域の音声楽音信号を３２ｋＨｚでサンプリングして入力信号とし、この入力信号を０ｋＨｚから４ｋＨｚ迄の帯域、４ｋＨｚから８ｋＨｚ迄の帯域、８ｋＨｚから１６ｋＨｚ迄の帯域の３帯域に分割すると効果が高い。この通りに３分割された帯域別時間系列信号は、各帯域のＭＤＣＴ変換部３１０、３１１、３１２において、変形離散コサイン変換によりそれぞれ周波数領域の入力ＭＤＣＴ係数に変換され、変換結果を対応するＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２に送信する。３分割された帯域別時間系列信号は、また、対応するＬＰＣ分析部３３０、３３１、３３２にも送信され、ここにおいてＬＰＣスペクトル包絡が入力信号より算出され、ＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２に送信される。入力ＭＤＣＴ係数について、効率的な量子化を行なうために、対応するＬＰＣ平坦化部３３０、３３１、３３２においてＬＰＣスペクトル包絡により平坦化されて平坦化入力係数が計算され、対応する残差計算部３５０、３５１、３５２とパワー正規化部３４０、３４１、３４２に送信される。各帯域のパワー正規化部３４０、３４１、３４２は平坦化入力係数からのパワー成分を計算し、残差計算部３５０、３５１、３５２に送信する。以上の計算は、一定数サンプルにおける平均パワーの平方根、一定数サンプル内での最大振幅の絶対値を使用すると効果的である。各帯域の残差計算部３５０、３５１、３５２は、入力平坦化係数を正規化パワーにより正規化し、残差入力係数を計算し、対応するベクトル量子化部２６０、２６１、２６２とベクトル長量子化ビット割り当て部３７０に送信する。ベクトル長量子化ビット割り当て部３７０は、残差入力係数から各帯域のベクトル量子化で使用するベクトル長とベクトル量子化に使用するビットの割り当てを計算し、ベクトル長および量子化ビット割り当てを対応するベクトル量子化部３６０、３６１、３６２に送信する。そして、これらベクトル量子化部３６０、３６１、３６２はベクトル量子化インデックスを計算する。ここで、例えば、ベクトル長の上限をＶｓ−ｔ、下限をＶｓ−ｂとし、各帯域の残差入力信号のパワーをＰ（ｋ、ｓ）（ｋは帯域番号、ｓはサンプル番号）とすると、帯域番号ｋのベクトル量子化におけるベクトル長Ｖ（ｋ）は
【数３】
により計算することができる。ここで、例えばＶｓ−ｔ＝６、Ｖｓ−ｂ＝２とすることにより、効果的なベクトル長を決定することができる。また、各帯域におけるベクトルＶ−ｔ（ｋ、ｎ）（ｋは帯域番号、ｎはベクトル番号）のビット割り当てＢｉｔ（Ｖ−ｔ（ｋ、ｎ））は、帯域別に符号化に使用することができるビット数をＢｉｔ−ｔｏｔａｌ（ｋ）としたとき、
【数４】
図５に示される第２の実施例における復号化装置は各帯域の帯域合成フィルタ５００と、逆ＭＤＣＴ変換部５１０、５１１、５１２と、ＬＰＣ合成部５２０、５２１、５２２と、ＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２と、パワー逆正規化部５４０、５４１、５４２と、残差逆平坦化部５５０、５５１、５５２と、ベクトル量子化復号部５６０、５６１、５６２から構成されて、ＬＰＣ合成部５２０、５２１、５２２、パワー逆正規化部５４０、５４１、５４２、ベクトル量子化復号部５６０、５６１、５６２から入力された符号ビット列を復号し、時間領域の離散サンプル列である音声楽音信号を出力端子５０１から出力する。即ち、各帯域のＬＰＣ合成部５２０、５２１、５２２は、入力されたＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を算出し、対応するＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２に送信する。また、各帯域のパワー逆正規化部５４０、５４１、５４２は、パワー正規化インデックスから正規化パワーを計算し、残差逆平坦化部５５０、５５１，５５２に送信する。各帯域のベクトル量子化復号部５６０、５６１、５６２は、ベクトル量子化インデックスとベクトル長および量子化ビット割り当てからベクトル量子化復号を行ない、再生残差係数を計算し、残差逆平坦化部５５０、５５１、５５２に送信する。各帯域の残差逆平坦化部５５０、５５１、５５２は、再生残差係数を正規化パワーにより逆正規化し、再生平坦化係数を算出し、ＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２に送信する。ＬＰＣ逆平坦化部５３０、５３１、５３２は、再生平坦化係数を再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を計算して、逆ＭＤＣＴ変換部５１０、５１１、５１２に送信する。逆ＭＤＣＴ変換部５１０、５１１、５１２は再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ計算することで、帯域別時間系列信号を計算し、帯域合成フィルタ部５００に送信する。帯域合成フィルタ部５００は、各帯域から出力された時間系列信号を合成し、時間領域の出力サンプル系列に変換し、復号結果として出力端子５０１に出力する。
以上の図３および図５による第２の実施例の場合は、残差成分に対するベクトル長、ビット割り当てを量子化前の値に基づいて行うので、ベクトル長、ビット割り当て情報を符号化し、復号においてはこれらを再生してベクトル長、ビット割り当てを決めてから残差成分を再生するところが、第１の実施例と異なるところである。
【００１７】
図６はこの発明による符号化方法および復号化方法をコンピュータで実施する場合の構成を示す。コンピュータ６００は、バス６８０を介して互いに接続されたＣＰＵ６１０、ＲＡＭ６２０、ＲＯＭ６３０、入出カインタフェース６４０、ハードディスク６５０を含んでいる。ＲＯＭ６３０にはコンピュータ６００を動作させる基本プログラムが格納されており、ハードディスク６５０は前述したこの発明による符号化方法および復号化方法を実行するプログラムが予め格納されている。
符号化時には、ＣＰＵ６１０はハードディスク６５０から符号化プログラムをＲＡＭ６２０にロードし、インタフニース６４０から入力されたオーディオ信号サンプルを符号化プログラムに従って処理することにより符号化し、インタフェース６４０から出力する。復号時には、復号プログラムをハードディスク６５０からＲＡＭ６２０にロードし、入力信号を復号プログラムに従って処理してオーディオ信号サンプルを出力する。
【００１８】
この発明による符号化方法および復号化方法を実行するプログラムは、内部バス６８０に駆動装置６６０を介して接続された外部ディスク装置６７０に記録されたものを使用しても良い。或いは、インタフェース６４０を介して外部ネットワークからプログラムをダウンロードしてハードディスク６５０に格納したものでも良い。この発明による符号化、復号化方法を実行するプログラムが記録された記憶媒体としては、磁気記録媒体、ＩＣメモリ、コンパクトディスクなどの形態の記憶媒体であっても良い。
【００１９】
【発明の効果】
上述した通りであって、この発明は、帯域毎に異なる形状を持つ広帯域音声楽音信号を効率的に符号化、復号化することができる。音声楽音信号は、これを周波数を横軸にとり、パワーを縦軸にとって一例として帯域に分割して示した場合、これら３帯域はそれぞれ各別の異なる形状のスペクトルを持つ。ベクトル量子化に使用する全体として一定量のビット数およびベクトル長を、各帯域別の一定値により固定的に割り当てることをしないで、各帯域の重要度、必要性を勘案しこれに対応した適正な分配、割り当てを行うことにより、広帯域の音声楽音信号を効率的に符号化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ベクトル量子化利用の変換符号化方法の一例を説明する図。
【図２】第１の実施例における符号化器を説明する図。
【図３】第２の実施例における符号化器を説明する図。
【図４】第１の実施例における復号化器を説明する図。
【図５】第２の実施例における復号化器を説明する図。
【図６】符号化、復号化方法を実施するコンピュータを示す図。
【符号の説明】
２０１ 帯域分割フィルタ
２１０、２１１、２１２ ＭＤＣＴ変換部
２２０、２２１、２２２ ＬＰＣ分析部
２３０、２３１、２３２ ＬＰＣ平坦化部
２４０、２４１、２４２ パワー正規化部
２５０、２５１、２５２ 残差計算部
２６０、２６１、２６２ ベクトル量子化部
２７０ ベクトル長量子化ビット割り当て部
４００ 帯域合成フィルタ
４１０、４１１、４１２ 逆ＭＤＣＴ変換部
４２０、４２１、４２２ ＬＰＣ合成部
４３０、４３１、４３２ ＬＰＣ逆平坦化部
４４０、４４１、４４２ パワー逆正規化部
４５０、４５１、４５２ 残差逆平坦化部
４６０、４６１、４６２ ベクトル量子化復号部
Claims (6)
- 離散音声楽音信号サンプルを入力としてディジタル符号を出力する音声楽音信号符号化方法において、
時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割フィルタにより帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求め、
帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求め、
帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出し、
帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求め、
帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワーで正規化し、パワー正規化インデックスおよび残差入力係数を求め、
帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡、或いはパワー正規化インデックス、或いは残差入力係数からベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、帯域毎の残差入力係数をベクトル長と量子化ビット割り当てによりベクトル量子化し、ベクトル量子化インデックスと、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求める、
ことを特徴とする音声楽音信号符号化方法。 - ディジタル符号を入力して音声楽音信号を再生する音声楽音信号復号化方法において、
帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求め、
帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求め、
帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行い、
帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求め、
帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求め、
帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求め、
複数の帯域別時間系列信号から帯域合成フィルタにより時間系列の再生音声楽音信号を求める、
ことを特徴とする音声楽音信号復号化方法。 - 離散音声楽音信号サンプルを入力としてディジタル符号を出力する音声楽音信号符号化装置において、
時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求める帯域分割フィルタを具備し、
帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求めるＭＤＣＴ変換部を具備し、
帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出するＬＰＣ分析部を具備し、
帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求めるＬＰＣ平坦化部を具備し、
帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワー成分で正規化し、正規化パワーおよびパワー正規化インデックスを求めるパワー正規化部を具備し、
帯域毎の入力平坦化係数を正規化パワーにより正規化し、残差入力係数を計算する残差計算部を具備し、
ＬＰＣスペクトル包絡或いは正規化パワーから各帯域のベクトル量子化で使用するベクトル長とベクトル量子化に使用するビットの割り当てを計算するベクトル長量子化ビット割り当て部、或いは各帯域毎の残差入力係数から帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当ておよびベクトル量子化を行ない、ベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求めるベクトル量子化部を具備する、
ことを特徴とする音声楽音信号符号化装置。 - ディジタル符号を入力して音声楽音信号を再生する音声楽音信号復号化装置において、
帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求めるパワー逆正規化部を具備し、
帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求めるＬＰＣ合成部を具備し、
帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行うベクトル量子化復号部を具備し、
帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求める残差逆平坦化部を具備し、
帯域毎の再生平坦化係数を、帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求めるＬＰＣ逆平坦化部を具備し、
帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求める逆ＭＤＣＴ変換部を具備し、
複数の帯域別時間系列信号から時間系列の再生音声楽音信号を求める帯域合成フィルタを具備する、
ことを特徴とする音声楽音信号復号化装置。 - 時間系列の信号を一定数の入力サンプル毎に帯域分割フィルタにより帯域分割し、複数の帯域別時間系列の信号を求め、帯域別時間系列の信号を帯域毎に一定数の入力サンプル毎にＭＤＣＴ変換して周波数領域ＭＤＣＴ係数を求め、帯域別時間系列の信号から帯域毎に線形予測分析を行なってＬＰＣスペクトル包絡およびＬＰＣインデックスを算出し、帯域毎の周波数領域ＭＤＣＴ係数を帯域毎のＬＰＣスペクトル包絡により平坦化して平坦化入力係数を求め、帯域毎の平坦化入力係数を一定数の入力サンプル係数毎にパワーで正規化し、パワー正規化インデックスおよび残差入力係数を求め、帯域毎の残差入力係数をそれぞれベクトル量子化によりベクトル量子化インデックスを求め、このベクトル量子化は、帯域毎にＬＰＣスペクトル包絡、或いはパワー正規化インデックス、或いは残差入力係数からベクトル長と量子化ビット割り当てを行った後、ベクトル量子化を行い、必要に応じてベクトル長インデックスと量子化ビット割り当てインデックスを求める指令を実行する音声楽音信号符号化プログラム。
- 帯域毎のパワー正規化インデックスから再生正規化パワーを求め、帯域毎のＬＰＣインデックスから再生ＬＰＣスペクトル包絡を求め、帯域毎にベクトル長と量子化ビット割り当てを行い、ベクトル量子化インデックスにより再生残差係数を求めてベクトル量子化復号化を行い、帯域毎の再生残差係数を再生正規化パワーにより逆平坦化し、再生平坦化係数を求め、帯域毎の再生平坦化係数を帯域毎の再生ＬＰＣスペクトル包絡により逆平坦化し、再生ＭＤＣＴ係数を求め、帯域毎の再生ＭＤＣＴ係数を逆ＭＤＣＴ変換して複数の帯域別時間系列信号を求め、複数の帯域別時間系列信号から帯域合成フィルタにより時間系列の再生音声楽音信号を求める指令を実行する音声楽音信号復号化プログラム。
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