JP2006345063A - 量子化装置、符号化装置、量子化方法および符号化方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 余剰ビットをチャンネル間でやりとりできる量子化装置/量子化方法に関するものである。
【解決手段】 本発明による量子化装置は、入力されるスペクトルf1をスケールファクタsf1で量子化し、ビット数の予測値b1を求める量子化器4と、入力されるスペクトルf2をスケールファクタsf2で量子化し、ビット数の予測値b2を求める量子化器5と、予測値bと要求ビット数rqとの差が許容範囲内であれば、信号yによりONとなり、量子化スペクトルq1と量子化スペクトルq2を出力するスイッチ10とスイッチ11を備える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、量子化装置(符号化装置)および量子化方法(符号化方法)に関するものである。本発明は、音、特にディジタルオーディオの量子化装置(符号化装置)/量子化方法(符号化方法)などに用いられ、マルチチャンネルの信号に対するビット割り当て、および量子化ループの終了判定に関する。
従来、時間―周波数変換を用いたオーディオ符号化では、図4に示すように、スペクトルを量子化する過程が存在する。図4において、s1、s2は符号化するオーディオ信号であり、s1、s2は1組のステレオ信号であるものとする。つまり、s1は左チャンネルの信号、S2は右チャンネルの信号となる。1は、変形離散コサイン変換(MDCT) などの時間−周波数変換装置である。時間−周波数変換装置1は、信号s1を変換してスペクトルf1を得る。時間−周波数変換装置1は、同様に、信号s2を変換してスペクトルf2を得る。2は量子化部である。量子化部2は、スペクトルf1を量子化して量子化スペクトルq1を得る。量子化部2は、同様に、スペクトルf2を量子化して量子化スペクトルq2を得る。量子化部2は、スペクトルを量子化する際、要求ビット数rqに基づいてスペクトルを要求ビット数に近いビット数で量子化する。ここで、要求ビット数rqは、最終的に得られるビットストリームbsのビット数を指定するパラメータである。3はビットストリーム生成部である。ビットストリーム生成部3は、決められたシンタックスに従って、量子化スペクトルq1、量子化スペクトルq2をビットストリーム bsに変換する。ビットストリーム生成部3は、符号化方式によって、ビットストリームbsに対してハフマン符号等の処理も含むものとする。
なお、MPEG−2 AAC、MPEG−4 AAC(MPEG−2 AAC、MPEG−4 AACは、以下では2つをまとめてAACと記載)のように、時間−周波数変換装置1と量子化部2の間にミッド/サイド符号化ツール、インテンシティ符号化ツール等のスペクトル処理部が挿入される場合もある。ここで、ミッド/サイド(Mid/Side)符号化ツールやインテンシティステレオ符号化ツールとは、特開2003−15697号公報、段落0003に記載されるように、信号の特性に基づき、チャンネル毎に必要なビットリソース(資源)に偏りを持たせる仕組みである。ミッド/サイド(Mid/Side)符号化ツールは、L信号、R信号の替わりに、M信号=L信号+R信号、S信号=L信号−R信号を符号化することである。インテンシティステレオ符号化ツールは、L信号、R信号の替わりに、M信号=L信号+R信号、a=R信号/L信号のエネルギー比を符号化することである。
Technology−Generic Coding of Audiovisual Objects,ISO/IEC 14496−3 Subpart4(1998年)、222〜228頁、あるいはAACのリファレンスソフトにおいて、量子化部の構成は、図5のようになっている。量子化器4、量子化器5は、量子化を行う装置である。量子化器4は、スペクトルf1を量子化幅で除算し、量子化スペクトルq1を生成する。量子化器5は、スペクトルf2を量子化幅で除算し、量子化スペクトルq2を生成する。量子化幅は、オーディオ符号化においてはスケールファクタとも呼ばれ、それぞれ量子化幅sf1、量子化幅sf2で与えられる。量子化器4、量子化器5は、符号化後のビット数を予測する機能も持つものとする。量子化器4におけるq1の予測ビット数はb1、量子化器5におけるq2の予測ビット数をb2とする。
一方、要求ビット数rqから、各チャンネルへの要求ビット数rq1、要求ビット数rq2が算出される。この算出はビット割り当て器14により行われ、左右の2チャンネルのオーディオ信号の場合に要求ビット数rqを左右のチャンネルで均等割りする。左チャンネルにおいては、要求ビット数rq1と予測ビット数b1との差が判断部12へ渡される。要求ビット数rq1と予測ビット数b1との差が許容範囲内であれば、信号y1によりスイッチ10がONとなり、量子化スペクトルq1が出力されて処理が終了する。逆に、要求ビット数rq1と予測ビット数b1との差が許容範囲外であれば、信号n1によりスイッチ8がONとなり、再量子化が行われる。同様に、右チャンネルにおいては、要求ビット数rq2と予測ビット数b2との差が判断部13へ渡される。要求ビット数rq2と予測ビット数b2との差が許容範囲内であれば、信号y2によりスイッチ11がONとなり、量子化スペクトルq2が出力されて処理が終了する。逆に、要求ビット数rq2と予測ビット数b2との差が許容範囲外であれば、信号n2によりスイッチ9がONとなり、再量子化が行われる。
スペクトルf1の再量子化は、スケールファクタ更新器6が、前回量子化で使用されたスケールファクタを増減させることで実現される。同様に、スペクトルf2の再量子化は、スケールファクタ更新器7が、前回量子化で使用されたスケールファクタを増減させることで実現される。ただし、初期値は上位から与えられるもの(図示せず)とする。なお、図5では、便宜的にチャンネル毎に分けて描いてあるが、量子化器4と量子化器5は等価な装置であり、実際には同じ装置を両チャンネルが使用する。同様に、スケールファクタ更新器6とスケールファクタ更新器7、スイッチ8とスイッチ9、スイッチ10とスイッチ11、および判断部12と判断部13に関しても、等価な装置であり、実際には同じ装置を両チャンネルが使用する。
特開2003−015697号公報 Technology−Generic Coding of Audiovisual Objects,ISO/IEC 14496−3 Subpart4(1998年)
従来技術におけるビット割り当ての問題点は、余剰ビットをチャンネル間でやりとりできない点である。つまり、ビット割り当て器14によって割り当てられたビットは、チャンネル内で固定的であり、当該チャンネル内で使い切らなければ、量子化のループから脱しない構成になっている。したがって、このビット割り当てが有効なのは、各チャンネルが必要とするビットがほぼ等しい場合に限られる。しかし、現実にはそうではない。帯域幅、エネルギー、純音声などの観点から、全てのチャンネルがほぼ等しいという場合は少ない。また、AACのミッド/サイド符号化ツール、インテンシティ符号化ツールのように、右チャンネルが必要とするビットを意図的に削減する場合もありうる。このような場合、従来技術では適切なビット配分が実現できず、結果として最適なパフォーマンスを発揮することができなかった。
なお、ビット割当て器14では、要求ビット数rqを左右のチャンネルで均等割りするのが一般的であるが、特開2003−15697号公報に記載のように、スペクトル構成から各チャンネルへの要求ビット数を算出する方法も提案されている。しかしこの場合でも、各チャンネル内で固定的であることには変わりなく、各チャンネルへの要求ビット数の算出方法が正確に現実に則していなければ、最適なパフォーマンスを発揮することはできない。
かかる課題を解決するため、本発明による量子化装置(符号化装置)は、第1の信号を量子化して、第1の量子化スペクトルを求め、量子化後の第1の量子化長を予測する第1の量子化部と、第2の信号を量子化して、第2の量子化スペクトルを求め、量子化後の第2の量子化長を予測する第2の量子化部と、第1の量子化長と第2の量子化長の和を求めて、第3の量子化長を出力する演算部と、第3の量子化長と所定の量子化長とを比較して、比較した結果が所定の第1の条件を満たすとき、第1の量子化スペクトルと第2の量子化スペクトルを出力する比較部とを有する。
かかる課題を解決するため、本発明による量子化方法(符号化方法)は、第1の信号を量子化して、第1の量子化スペクトルを求め、量子化後の第1の量子化長を予測する第1の量子化ステップと、第2の信号を量子化して、第2の量子化スペクトルを求め、量子化後の第2の量子化長を予測する第2の量子化ステップと、第1の量子化長と第2の量子化長の和を求めて、第3の量子化長を出力する演算ステップと、第3の量子化長と所定の量子化長との比較して、比較した結果が所定の第1の条件を満たすとき、第1の量子化スペクトルと第2の量子化スペクトルを出力する比較ステップとを有する。
本発明による量子化装置/量子化方法(符号化装置/符号化方法)によれば、両チャンネルの予測量子化長を一括し、量子化長の比較を一箇所に集約したことにより、余剰となる量子化長がチャンネルの枠を越えて、量子化長の割り当てが必要なチャンネルに流用ができるので、適切な量子化長の割り当てが可能となる。
(A)実施形態
(A−1)実施形態の構成
本発明のオーディオ符号化の構成を図1に示す。図1のオーディオ符号化の構成は、図4の一般的なオーディオ符号化の構成と同じである。但し、図1の量子化部2の処理構成は、図4の量子化部2の処理構成と異なり、後述、図2を用いて説明される。
図1において、s1、s2は符号化するオーディオ信号であり、s1、s2は1組のステレオ信号であるものとする。つまり、s1は左チャンネルのオーディオ信号、S2は右チャンネルのオーディオ信号となる。
1は、変形離散コサイン変換(MDCT) などの時間−周波数変換装置である。時間−周波数変換装置1は、信号s1を時間領域から周波数領域に変換して、スペクトルf1を得る。時間−周波数変換装置1は、同様に、信号s2を時間領域から周波数領域に変換して、スペクトルf2を得る。
2は量子化部である。量子化部2は、スペクトルf1を量子化して量子化スペクトルq1を得る。量子化部2は、同様に、スペクトルf2を量子化して量子化スペクトルq2を得る。量子化部2は、スペクトルを量子化する際、要求ビット数rqに基づいてスペクトルを要求ビット数に近いビット数で量子化する。ここで、要求ビット数rqは、最終的に得られるビットストリームbsのビット数を指定するパラメータである。
3はビットストリーム生成部である。ビットストリーム生成部3は、決められたシンタックスに従って、量子化スペクトルq1、量子化スペクトルq2をビットストリーム bsに変換する。
本発明の量子化部の構成を図2に示す。図2の量子化部の構成は、図5の従来の量子化部の構成と同じ構成であるとき、同じ番号を用いて説明される。
図2において、量子化器4、量子化器5は、量子化を行う装置である。量子化器4は、スペクトルf1を量子化幅で除算し、量子化スペクトルq1を生成する。量子化器5は、スペクトルf2を量子化幅で除算し、量子化スペクトルq2を生成する。量子化幅は、オーディオ符号化においてはスケールファクタとも呼ばれ、それぞれ量子化幅sf1、量子化幅sf2で与えられる。量子化器4、量子化器5は、ビット予測機能(:ビット予測機能の一構成例は、ビットカウンター)を持ち、量子化スペクトルを符号化した後のビット数を予測する機能も持つものとする。量子化器4におけるq1の予測ビット数はb1、量子化器5におけるq2の予測ビット数をb2とする。一方、本発明において、要求ビット数rqは、各チャンネルへの要求ビット数を合計したビット数となる。
左チャンネルの予測ビット数を予測ビット数b1、右チャンネルの予測ビット数を予測ビット数b2、予測ビット数b1と予測ビット数b2の和を予測ビット数bとしたとき、左チャンネル、右チャンネルにおいては、要求ビット数rqと予測ビット数bとの差が判断部15へ渡される。(予測ビット数b1と予測ビット数b2の和を演算する演算部は、図示せず。また、要求ビット数rqと予測ビット数bとの差を演算する演算部は、図示せず。)
判断部15は、要求ビット数rqと予測ビット数bとの差が許容範囲内であるか許容範囲外であるか判断する。判断部15において、要求ビット数rqと予測ビット数bとの差が許容範囲内であれば、信号yによりスイッチ10とスイッチ11がONとなり、量子化スペクトルq1と量子化スペクトルq2が出力されて処理が終了する。
逆に、判断部15において、要求ビット数rqと予測ビット数bとの差が許容範囲外であれば、信号nによりスイッチ8、スイッチ9がONとなり、再量子化が行われる。スペクトルf1の再量子化は、スケールファクタ更新器6が、前回量子化で使用されたスケールファクタを増減させることで実現される。同様に、スペクトルf2の再量子化は、スケールファクタ更新器7が、前回量子化で使用されたスケールファクタを増減させることで実現される。ただし、初期値は上位から与えられるもの(図示せず)とする。
なお、図2では、便宜的に2つのチャンネルにおいて、チャンネル毎に分けて描いてあるが、量子化器4と量子化器5は等価な装置であり、実際には、複数のチャンネルにおいて、同じ装置を複数のチャンネルが使用する。同様に、スケールファクタ6とスケールファクタ7、スイッチ8とスイッチ9、およびスイッチ10とスイッチ11に関しても等価な装置であり、実際には、複数のチャンネルにおいて、同じ装置を複数のチャンネルが使用する。
(A−2)実施形態の動作
本発明のオーディオ符号化の動作を説明する。
[ステップ:S11]
時間−周波数変換装置1(図1)は、信号s1を時間−周波数変換してスペクトルf1を得て、信号s2を時間−周波数変換して、スペクトルf2を得る。
[ステップ:S12]
量子化部2(図1)は、スペクトルf1を量子化して量子化スペクトルq1を得て、スペクトルf2を量子化して量子化スペクトルq2を得る。量子化部2(図1)は、スペクトルを量子化する際、要求ビット数rqに基づいてスペクトルを要求ビット数に近いビット数で量子化する。ステップ:S12の詳細は、後述されるステップ:S21〜ステップ:S31にて説明される。
[ステップ:S13]
ビットストリーム生成部3(図1)は、決められたシンタックスに従って、量子化スペクトルq1、量子化スペクトルq2をビットストリーム bsに変換する。
ステップ12の詳細であるステップ:S21〜ステップ:S31は、図2と図3(本発明の量子化部のフローチャート)を用いて説明される。
[ステップ:S21(図3)]
各チャンネルにおいて、量子化器は、入力されるスペクトルをスケールファクタで量子化し、量子化スペクトルを出力する。また、ビットストリーム化する際に必要となるであろうビット数の予測値も出力する。
[ステップ:S22(図3)]
左チャンネルにおける量子化スペクトルとビット数の予測値を求める。量子化器4(図2)は、入力されるスペクトルf1を、スケールファクタsf1で量子化し、量子化スペクトルq1を出力する。また、量子化器4(図2)は、ビット数の予測値b1を求める。
[ステップ:S23(図3)]
同様に右チャンネルにおける量子化スペクトルとビット数の予測値を求める。量子化器5(図2)は、入力されるスペクトルf2をスケールファクタsf2で量子化し、量子化スペクトルq2を出力する。また、量子化器5(図2)は、ビット数の予測値b2を求める。
[ステップ:S24(図3)]
量子化スペクトルを符号化した後のビット数の予測である予測値b1、予測値b2を足し合わせ、これを予測値bとする。
[ステップ:S25(図3)]
求める量子化スペクトルに係わる当該フレームに対する要求ビット数は要求ビット数rqである。予測値bと要求ビット数rqとの差(例えば、予測値b−要求ビット数rq)を求め、予測値bと要求ビット数rqとの差は判断部15へ渡される。
[ステップ:S26(図3)]
判断部15(図2)は、予測値bと要求ビット数rqとの差は、許容範囲内であるか許容範囲外であるかが判断される。
[ステップ:S27(図3)]
予測値bと要求ビット数rqとの差が許容範囲内であるときは、次のステップ:S28を処理した後、現在処理を実行している量子化スペクトルq1、量子化スペクトルq2を求めるものに係る処理を終了する。
[ステップ:S28(図3)]
予測値bと要求ビット数rqとの差が許容範囲内であれば、スイッチ10(図2)とスイッチ11(図2)は、信号yによりONとなり、量子化スペクトルq1と量子化スペクトルq2を出力し、一連の処理は終了する。
[ステップ:S29(図3)]
逆に、予測値bと要求ビット数rqとの差が許容範囲外であるときは、次のステップ:S30〜ステップ:S31を処理した後、再度、ステップ:S21からのステップを実行する。
[ステップ:S30(図3)]
予測値bと要求ビット数rqとの差が許容範囲外であれば、スイッチ8(図2)とスイッチ9(図2)は信号nによりONとなり、スケールファクタは更新され、両チャンネルの信号(スペクトルf1、スペクトルf2)とも再量子化することとなる。スケールファクタの更新は、スケールファクタ更新器6(図2)において、前回量子化で用いたスケールファクタを増減させることで実現される。同様に、スケールファクタの更新は、スケールファクタ更新器7(図2)において、前回量子化で用いたスケールファクタを増減させることで実現される。ただし、スケールファクタの初期値は上位(図示せず)から与えられている。
[ステップ:S31(図3)]
スケールファクタが更新された後、両チャンネルの信号(スペクトルf1、スペクトルf2)とも再量子化を行う。
(A−3)実施形態の効果
以上で示したように、実施形態による符号化装置/符号化方法によれば、両チャンネルの予測ビット数を一括し、ビット数の判定を判断部の一箇所に集約したことにより、余剰ビットがチャンネルの枠を越えて流動的に移動するため、各チャンネルが必要とするビットに偏りがあっても、適切なビット割り当てが可能となる。
例えば、本発明による符号化装置/符号化方法によれば、AACのインテンシティ符号化ツールを用いた場合、右チャンネルのスペクトルの多くは0になるが、この分の余ったビットが左チャンネルに自動的に配分されることになり、結果として左右で過不足のないビット割り当てが実現できる。
(B)他の利用形態
本発明の実施形態ではステレオ信号であったが、マルチチャンネル信号に対しても同様に適用することができる。マルチチャンネル信号全体に対して本発明を適用することもできるし、マルチチャンネル信号の内の一部のチャンネルに対して適用することもできる。
本発明のオーディオ符号化の構成 本発明の量子化部の構成 本発明の量子化部のフローチャート 一般的なオーディオ符号化の構成 従来の量子化部の構成
符号の説明
1…時間―周波数変換部、2…量子化部、3…ビットストリーム生成部、4…量子化器、5…量子化器、6…スケールファクタ更新器、7…スケールファクタ更新器、8…スイッチ、9…スイッチ、10…スイッチ、11…スイッチ、15…判断部。

Claims (8)

  1. 第1の信号を量子化して、第1の量子化スペクトルを求め、量子化後の第1の量子化長を予測する第1の量子化部と、
    第2の信号を量子化して、第2の量子化スペクトルを求め、量子化後の第2の量子化長を予測する第2の量子化部と、
    前記第1の量子化長と前記第2の量子化長の和を求めて、第3の量子化長を出力する演算部と、
    前記第3の量子化長と所定の量子化長とを比較して、比較した結果が所定の第1の条件を満たすとき、前記第1の量子化スペクトルと前記第2の量子化スペクトルを出力する比較部と
    を有することを特徴とする量子化装置。
  2. 請求項1に記載の量子化装置において、
    前記第1の量子化部の出力端に接続される第1のスイッチと、
    前記第2の量子化部の出力端に接続される第2のスイッチとを有し、
    前記比較部が比較した結果が所定の第1の条件を満たすとき、
    前記第1のスイッチと前記第2のスイッチが導通して、前記第1の量子化スペクトルと前記第2の量子化スペクトルを出力すること
    を特徴とする量子化装置。
  3. 請求項1に記載の量子化装置において、
    前記第1の量子化部の量子化の大きさを増減させる第1の更新部と、
    前記第2の量子化部の量子化の大きさを増減させる第2の更新部とを有し、
    前記比較部にて、比較した結果が所定の第2の条件を満たすとき、
    前記第1の量子化部は、前記第1の更新部で求めた量子化の大きさを用いて、再度、前記第1の信号を量子化して、前記第1の量子化スペクトルを求め、量子化後の前記第1の量子化長を予測し、
    前記第2の量子化部は、前記第2の更新部で求めた量子化の大きさを用いて、再度、前記第2の信号を量子化して、前記第2の量子化スペクトルを求め、量子化後の前記第2の量子化長を予測すること
    を特徴とする量子化装置。
  4. 請求項3に記載の量子化装置において、
    前記第1の更新部の入力端と出力端に接続される第3のスイッチと、
    前記第2の更新部の入力端と出力端に接続される第4のスイッチとを有し、
    前記比較部が比較した結果が所定の第2の条件を満たすとき、
    前記第3のスイッチと前記第4のスイッチが導通して、前記第1の更新部は、前記第1の量子化部の量子化の大きさを増減させ、前記第2の更新部は、前記第2の量子化部の量子化の大きさを増減させること
    を特徴とする量子化装置。
  5. 請求項1に記載の前記量子化装置を備える符号化装置において、
    第3の信号を時間領域から周波数領域に変換して、前記第1の信号を出力する第1の時間−周波数変換部と、
    第4の信号を時間領域から周波数領域に変換して、前記第2の信号を出力する第2の時間−周波数変換部と、
    前記量子化装置と、
    前記第1の量子化スペクトルと前記第2の量子化スペクトルを変換して、第5の信号を出力する第1の変換部と
    を有することを特徴とする符号化装置。
  6. 第1の信号を量子化して、第1の量子化スペクトルを求め、量子化後の第1の量子化長を予測する第1の量子化ステップと、
    第2の信号を量子化して、第2の量子化スペクトルを求め、量子化後の第2の量子化長を予測する第2の量子化ステップと、
    前記第1の量子化長と前記第2の量子化長の和を求めて、第3の量子化長を出力する演算ステップと、
    前記第3の量子化長と所定の量子化長とを比較して、比較した結果が所定の第1の条件を満たすとき、前記第1の量子化スペクトルと前記第2の量子化スペクトルを出力する比較ステップと
    を有することを特徴とする量子化方法。
  7. 請求項6に記載の量子化方法において、
    前記第1の量子化部の量子化の大きさを増減させる第1の更新ステップと、
    前記第2の量子化部の量子化の大きさを増減させる第2の更新ステップとを有し、
    前記比較ステップにて、比較した結果が所定の第2の条件を満たすとき、
    前記第1の量子化ステップは、前記第1の更新部で求めた量子化の大きさを用いて、再度、前記第1の信号を量子化して、前記第1の量子化スペクトルを求め、量子化後の前記第1の量子化長を予測し、
    前記第2の量子化ステップは、前記第2の更新部で求めた量子化の大きさを用いて、再度、前記第2の信号を量子化して、前記第2の量子化スペクトルを求め、量子化後の前記第2の量子化長を予測すること
    を特徴とする量子化方法。
  8. 請求項6に記載の前記量子化方法を備える符号化方法において、
    第3の信号を時間領域から周波数領域に変換して、前記第1の信号を出力する第1の時間−周波数変換ステップと、
    第4の信号を時間領域から周波数領域に変換して、前記第2の信号を出力する第2の時間−周波数変換ステップと、
    前記量子化方法のステップと、
    前記第1の量子化スペクトルと前記第2の量子化スペクトルを変換して、第5の信号を出力する第1の変換ステップと
    を有することを特徴とする符号化方法。
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