JP2005173607A - 時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法と装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】該音声信号が第1のサンプリングレートによりサンプリングされ、音声信号の分析された信号を与えられ(2001,2003)る。該分析された信号は、L個のチャネル分析フィルタバンクにより得られたL個の分析サブバンド信号を含み、L個の低域チャネルとL(Q−1)個の高域チャネルとを有するQL個のチャネル合成フィルタバンクを使用して音声信号の分析された信号をフィルタリング(2005,2007)して、該時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を形成する。音声信号のアップサンプリングされた信号は該音声信号と同一の帯域幅を持つようにし、L個の低域チャネルのサブバンド信号の数を高域チャネルの数にパッチングして、音声信号のアップサンプリングした信号の帯域を拡大する。
【選択図】図20
Description
SBR法は次のステップを含む。
・ 初めの信号から得た信号を符号化し、信号の周波数帯域を廃棄する。廃棄は符号化の前か途中に行い、第1信号を形成する。
・ 第1信号の復号中またはその後で、第1信号の周波数帯域を置換して第2信号を形成する。
・ スペクトル包絡線を調整する。
・ 復号された信号と第2信号を組み合わせて出力信号を形成する。
・ 置換される信号を、それぞれ周波数[f1,...,fN]を含む通過帯域を持つN(≧2)個の通過帯域フィルタの集合で濾波して、N個の帯域信号を形成する。
・ 帯域信号の周波数を周波数M[f1,...,fN]を含む領域にシフトする。ただし、M≠1は置換係数である。
・ シフトされた帯域信号を結合して置換信号を形成する。
または、本発明ではこの基本的多帯域置換を次のように行う。
・ 置換される信号を、低域型の実数値または複素値サブバンド信号を生成する性質の分析フィルタバンクまたは変換を用いて帯域濾波する。
・ 任意のチャンネル数kの前記分析フィルタバンクまたは変換を、合成フィルタバンクまたは変換内のMk(M≠1)チャンネルに接続する。
・ 合成フィルタバンクまたは変換を用いて、置換された信号を形成する。
・ 第1信号の過渡検出を行う。
・ 過渡検出の結果に従って、第1信号の一部を複写/廃棄するときに、第1信号のどのセグメントを用いるかを決定する。
・ 過渡検出の結果に従って、状態ベクトルとコードブック特性を調整する。
・ 前の同期点探索で見出された同期点に基づいて、第1信号の選択されたセグメント内の同期点を探す。
1. この方法と装置はスペクトル領域内の信号冗長性の新しい概念を活用する。
2. この方法と装置は任意の信号に適用することができる。
3. 各調波集合は個々に作成して制御することができる。
4. 全ての複製された高調波は既存の調波系列の延長を形成するようにして生成する。
5. スペクトル複製プロセスは置換に基づくもので、人工音は全くまたは殆ど知覚されない。
6. スペクトル複製は多数の小帯域および/または広い周波数範囲をカバーすることができる。
7. SBR−1法では、処理はデコーダ側だけで行う。すなわち、全ての標準およびプロトコルを修正せずに用いることができる。
8. SBR−2法は修正を全くまたは殆どせずに、殆どの標準やプロトコルに従って実現することができる。
9. SBR−2法はコーデック設計者に新しい強力な圧縮ツールを提供する。
10. 符号化利得は顕著である。
以下に本発明について添付の図面を参照して例を用いて説明するが、これは本発明の範囲や精神を制限するものではない。
本発明で述べる置換はスペクトル複製の理想的な方法であって、従来の方法に比べていくつかの大きな利点を持つ。すなわち、ピッチ検出は必要なく、単一ピッチで多音のプログラム材料において同じ高性能が得られ、置換は音信号にも非音信号にも同じように良く適用できる。他の方法とは異なり、本発明の置換は任意の信号の種類において任意のオーディオ原始コーディング装置に用いることができる。
ただしNは正弦波の数(以後は部分音と呼ぶ)、fiとei(n)とαiはそれぞれ個々の入力周波数と時間包絡線と位相定数、βiは任意の出力位相定数、fsはサンプリング周波数、そして0≦Mfi≦fs/2である。
・ 通常は、複製された高調波と既存の部分音の間に周波数領域の重なりが起こらない。
・ 複製された部分音は入力信号の部分音と調波的に関係があり、耳障りな不協和音すなわち人工音を一切生じない。
・ 複製された高調波のスペクトル包絡線は入力信号スペクトル包絡線の滑らかな継続を形成し、初めの包絡線と知覚的に一致する。
必要なトランスポーザを設計するには種々の方法がある。一般的な時間領域実現では、ピッチ周期に基づいて信号セグメントを複製することにより信号を時間的に伸張する。次にこの信号を異なる速度で読み出す。残念ながらこの方法は、信号セグメントを正確に時間接続するのにピッチ検出に厳密に依存する。更に、ピッチ周期に基づく信号セグメントには制約があるので、過渡信号に敏感になる。検出されたピッチ周期は実際の過渡信号よりかなり長いことがあるので、全過渡信号を単に時間的に伸張するのではなく複写するという危険が大きいことは明らかである。別の種類の時間領域アルゴリズムでは、出力信号のパターン探索予測を用いて音声信号の時間伸張/圧縮を得る[非特許文献4や、非特許文献5]。これは粒状合成(granular synthesis) の1つの形であって、入力信号を小さな部分(細粒)に分割し、これを用いて出力信号を合成する。この合成には通常は信号セグメントの相関を取って、最良の接続点を決定する。これは、出力信号を形成するのに用いるセグメントがピッチ周期に依存しないのでピッチ検出という厄介なタスクを必要としないことを意味する。しかしこの方法にも信号振幅が急速に変わるときの問題がまだあり、高品質の置換のためには高速計算が必要になる。しかし改善された時間領域のピッチシフタ/トランスポーザをここに提示する。この方式は過渡検出と動的システムパラメータを用いることにより、定常音(音または非音)でも過渡音でも、高い置換係数の一層正確な置換を低い計算コストで行うことができる。
・ サブバンドフィルタバンク内の各サブバンド内で時間領域トランスポーザを用いて、各トランスポーザの信号の複雑さを減らす。
・ 時間領域トランスポーザと周波数領域トランスポーザを共に用いて、処理中の入力信号の特性に従ってシステムが異なる置換法を用いることができるようにする。
・ 広帯域音声コーデック内で時間領域トランスポーザを用いて、例えば直線予測の後に得られる残留信号に作用する。
認識すべきことは、上に述べた方法は、サンプルレート変換を単に省略してタイムスケール修正に用いるときだけ優れているということである。更に理解すべきことは、上述の方法はより高いピッチへのピッチ置換(すなわち時間伸張)に焦点を当てているが、当業者に明らかなように、同じ原理はより低いピッチへの置換(すなわち時間圧縮)にも適用できることである。
種々の新しい革新的なフィルタバンクを用いた置換技術について以下に説明する。置換される信号を一連のBP信号またはサブバンド信号に分割する。次にサブバンド信号を正確にまたは近似的に置換する。これを行うには、分析サブバンドと合成サブバンドを再接続する(以後、「パッチ」と呼ぶ)とよい。この方法について、まず短時間フーリエ変換(STFT)を用いて説明する。
これから次が得られる。
ksource=1または低帯域チャンネルksource>1にマッピングしてよく、これは上述の関係のよい近似を作る(図15にはM=2,3,4,5における非素数接続だけを示す)。
arg{Xk (rR)}は図16の原理に従って接続する。このようにして、低帯域周波数を置換し、図2の置換から得られる伸張包絡線ではなく原始領域包絡線の周期的繰返しを生成する。「空の」原始チャンネルを増幅しないようにするため、ゲートや他の手段を用いてよい。図17は別の応用であって、高位のサブバンドから低位のサブバンドへの接続を用いて、高域濾波信号または低音限定信号に分数高調波を生成する。上記の置換を用いるとき、信号の特性に基づいてパッチの適応切替えを用いるとよい。
を生成する。合成フィルタをFk(z)で示す。更に、本発明は
にスペクトル複製を行い、強化信号y(n)を生じる。
をアップサンプリングしたものを再構築するだけである。しかしL個のサブバンド信号を高帯域フィルタにパッチングした場合は、
の帯域幅は係数Qだけ増えてy(n)を生成する。これは本発明の基本的多帯域トランスポーザの最大10進化フィルタバンク版である。この方式を用いると、アップサンプリングプロセスは前に説明した合成濾波に統合される。注意したいのは、どんな大きさのフィルタバンクを用いても、出力信号のサンプルレートは異なり、したがって帯域幅伸張係数は異なることである。整数置換係数Mを持つ本発明の基本的多帯域置換法を用いて
にスペクトル複製を行うには、次式でサブバンド信号をパッチングする。
1. L個の受信サブバンド信号をQLチャンネルのフィルタバンク2101、2201、2203で合成して信号x1(n)を形成する(L(Q−1)上部チャンネルにはゼロを与える)。したがって、信号x1(n)は帯域幅伸張係数Qでオーバーサンプリングされる。
2. 2103、2205でx1(n)を係数Qでダウンサンプリングして信号x2(n’)を形成する。すなわち、x2(n’)=x1(Qn’)である。
3. 2207、2209、2211で、T=KM/Qで整数になるように整数値Kを合成フィルタバンクの大きさとして選択する。ただし、Tは修正された分析フィルタバンクの大きさ、Mは置換係数である。好ましくは、Kは定常(音)信号では大きく、動的(過渡的)信号では小さくなるように選ぶ。
4. 2107、2213で、Tチャンネルの修正された分析フィルタバンクでx2(n’)を濾波し(T分析フィルタは指数関数的に変調される)、複素値のサブバンド信号の集合を生成する。サブバンド信号を係数T/Mでダウンサンプリングし、サブバンド信号vk (M)(n”)(k=0,1,...,T−1)を生成する。したがって、フィルタバンクは係数Mでオーバーサンプリングされる。
5. サンプルvk (M)(n”)を極座標表現(振幅と位相角)に変換する。2109、2215で、位相角に係数Mを掛けて、サンプルを図11の方法で変換して直角座標表現に戻す。複素値サンプルの実数部を取り、信号sk (M)(n”)を生成する。この操作の後、信号sk (M)(n”)を厳密にサンプリングする。
6. 2111、2217で、SBR−1またはSBR−2の原理に従って信号sk (M)(n”)の利得を調整する。
7. 2105、2221で、サブバンド信号sk (M)(n”)(ただし、k∈[T/M,min(K,T)−1])を通常のコサイン変調Kチャンネルフィルタバンクで合成して、チャンネル0乃至T/M−1にゼロを与える。これにより、信号x3 (M)(n)を生成する。
8. 2223で、最終的にx3 (M)(n)とx1(n)を加算してy(n)を得る。これが所望のスペクトル複製信号である。
式24と式25を結合すると次式が得られる。
非特許文献10および式1によると、音声や音楽など殆どの音は緩やかに変化する包絡線と急速に変化する一定振幅のキャリヤの積で特徴づけられる。
過渡信号に関連する人工音はオーディオコーデックの共通の問題であり、同様な人工音は本発明でも発生する。一般に、パッチングを行うと時間領域の前エコーと後エコー(すなわち「真の」過渡信号の前か後の疑似過渡信号)に相当するスペクトル「ゼロ」すなわちノッチを生成する。Pブロックはゆっくり変化する音信号の「ゼロを埋める」が、前エコーと後エコーは残る。改善された多帯域法は、正弦波の数がサブバンド当たり1個に制限された離散的正弦波に作用するものである。サブバンド内の過渡信号すなわち雑音は、そのサブバンド内の多数の離散的正弦波と見ることができる。これは相互変調歪みを生成する。これらの人工音は、複製された高帯域チャンネルに過渡期間中に接続された追加の量子化雑音源と考えられる。したがって、知覚オーディオコーダ内の前エコーおよび後エコー人工音を避ける従来の方法(例えば適応窓切替え)を用いえば、改善された多帯域法の主観的品質を高めることができる。コーデックまたは別個の検出器による過渡検出を用い、また過渡状態にあるチャンネル数を減らせば、「量子化雑音」は時間に依存するマスキングしきい値を超えない。過渡信号の通過中は少数のチャンネルを用い、音の通過中は多数のチャンネルを用いる。このような適応的な窓切替えはコーデック内で普通に用いられており、周波数分解能と時間分解能の間で取引する。フィルタバンク大きさが固定されている応用には別の方法を用いてよい。1つの方法は、スペクトル領域内の直線予測により「量子化雑音」を時間で成形することである。次に残留信号に置換を行う。これが直線予測フィルタの出力である。その後で反転予測フィルタを、初めのチャンネルとスペクトル複製チャンネルに同時にかける。別の方法はコンパンダシステム(すなわち、置換または符号化の前の過渡信号の動的振幅圧縮と、置換の後の補足的な伸張)を用いる。また、信号に依存して置換法の間で切り替えることもできる。例えば定常信号に高分解能フィルタバンク置換法を用い、過渡信号に時変パターン探索予測法を用いる。
標準の信号プロセッサまたは強力PCを用いると、SBR強化コーデックを実時間で動作させることができる。SBR強化コーデックはカスタムチップにハードで符号化してもよい。また図27や図28のように任意のコーデックを用いて種々のシステムでこれを実現して、アナログ信号またはディジタル信号の記憶または伝送に用いてよい。SBR−1法は、デコーダに組み込んでも、付加的なハードウエアまたはソフトウエア後処理モジュールとして供給してもよい。SBR−2法はエンコーダを更に修正する必要がある。図27において、アナログ入力信号がA/D変換器2701に入り、ディジタル信号を形成して任意のエンコーダ2703に与え、ここで原始コーディングを行う。この装置に入る信号は、聴覚範囲内のスペクトル帯域をすでに廃棄した、またはスペクトル帯域を任意のエンコーダ内で廃棄した低域信号でよい。得られる低帯域信号をマルチプレクサ2705に与えて直列ビットストリームを形成し、2707で伝送または記憶する。デマルチプレクサ2709は信号を回復して任意のデコーダ2711に与える。スペクトル包絡線情報2715をデコーダ2711で評価してSBR−1ユニット2713に与える。ユニット2713は低帯域信号を高帯域信号に置換して、包絡線を調整した広帯域信号を生成する。最後に、2717でディジタル広帯域信号をアナログ出力信号に変換する。
107 デコーダ
2001 分析フィルタ
2003 デシメータ
2005 補間回路
2007 合成フィルタ
Claims (9)
- 時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法であって、該音声信号が第1のサンプリングレートによりサンプリングされる方法において、前記方法は、
音声信号の分析された信号を与えるステップであって、該分析された信号は、L個のチャネル分析フィルタバンクにより得られたL個の分析サブバンド信号を含み、該LはL個のチャネル分析フィルタバンクのフィルタバンクチャネルの個数を表している前記与えるステップと、
L個の低域チャネルとL(Q−1)個の高域チャネルとを有するQL個のチャネル合成フィルタバンクを使用して音声信号の分析された信号をフィルタリングして、該時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を得るステップであって、該アップサンプリングした信号が前記第1のサンプリングレートにQ(Qは係数)を乗じた値である第2のサンプリングレートを有する前記フィルタリングするステップとを有し、
前記フィルタリングのステップにおいて、前記合成フィルタバンクのL個の低域チャネルのみを使用することによって、音声信号のアップサンプリングされた信号は該音声信号と同一の帯域幅を持つようにし、
前記フィルタリングのステップの前に、L個の低域チャネルのサブバンド信号の数を高域チャネルの数にパッチングして、音声信号のアップサンプリングした信号の帯域を拡大する
ことを特徴とする前記方法。 - 請求項1に記載の時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法において、前記与えるステップにおいて、
時間的に離散した音声信号をL個のチャネル分析フィルタバンクに供給し、L個のチャネルの1つがバンドパスフィルタとそれの後に接続されるデシメータとを含み、該デシメータがLに等しいデシメーション係数を有することを特徴とする前記方法。 - 請求項1に記載の時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法において、前記与えるステップは、
量子化サブバンドサンプルをビットストリームでデマルチプレクシングするステップと、
量子化サブバンドサンプルを再量子化して音声信号の分析された信号を得るステップと
を含むことを特徴とする前記方法。 - 請求項1から3のいずれかに記載の時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法において、前記フィルタリングのステップは、L個の低域チャネルのチャネルについて、
QL個の補間係数によりチャネル信号を補間して補間チャネル信号を得るステップと、
補間チャネル信号をチャネルのバンドパスフィルタによりフィルタリングするステップと
を含む前記方法。 - 請求項1から4のいずれかに記載の時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法において、前記フィルタリングのステップは、L(Q−1)個の高域チャネルのチャネルについて、
チャネルのバンドパスフィルタにゼロを与えるステップを含むことを特徴とする前記方法。 - 請求項4に記載の時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法において、前記フィルタリングのステップは、L個の低域チャネルのフィルタ出力を合成するステップを含むことを特徴とする前記方法。
- 請求項1から6のいずれかに記載の時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法において、係数Qは、QとLの積が整数値となるような条件から選択されることを特徴とする前記方法。
- 請求項1から7のいずれかに記載の時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する方法において、前記QLチャネル合成フィルタバンクは、フィルタバンクとしてQL個の周波数係数入力を有する周波数/時間変換により実施することを特徴とする前記方法。
- 時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を発生する装置であって、該音声信号が第1のサンプリングレートによりサンプリングされる装置において、前記装置は、
音声信号の分析された信号を与えるステップであって、該分析された信号は、L個のチャネル分析フィルタバンクにより得られたL個の分析サブバンド信号を含み、該LはL個のチャネル分析フィルタバンクのフィルタバンクチャネルの個数を表している前記与える手段と、
音声信号の分析された信号をフィルタリングして、該時間的に離散した音声信号のアップサンプリングした信号を得るL個の低域チャネルとL(Q−1)個の高域チャネルとを有するQL個のチャネル合成フィルタバンクであって、該アップサンプリングした信号が前記第1のサンプリングレートにQ(Qは係数)を乗じた値である第2のサンプリングレートを有する前記フィルタリングするQL個のチャネル合成フィルタバンクとを有し、
前記合成フィルタバンクのL個の低域チャネルのみを使用することによって、音声信号のアップサンプリングされた信号は該音声信号と同一の帯域幅を持つようにし、
L個の低域チャネルのサブバンド信号の数を高域チャネルの数にパッチングして、音声信号のアップサンプリングした信号の帯域を拡大する
ことを特徴とする前記装置。
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