JP2009063761A - Linear prediction coefficient computing method, device, program, and recording medium - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a linear prediction coefficient computing method which reduces a residual code amount in linear regression analysis. <P>SOLUTION: The linear prediction coefficient computing method includes; a step (S13) in which a linear prediction coefficient A<SB>0</SB>is initialized; a step (S15) in which a residual vector is computed from an input signal and a linear prediction coefficient A<SB>k-1</SB>at the point of the input; a step (S16) of calculating an auxiliary variable B<SB>k</SB>for which an objective function, which represents a residual code amount with the linear prediction coefficient as the parameter, is equal to an auxiliary function which is equal to or larger than the objective function with the linear prediction coefficient A<SB>k-1</SB>and an auxiliary variable as the parameters; a step (S17) in which a linear prediction coefficient A<SB>k</SB>, which makes the auxiliary function minimum, is computed with the computed auxiliary variable; and a step (S18) in which it is determined whether a repetition satisfies prescribed conditions. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、線形回帰モデルの予測係数算出方法に係り、たとえば線形予測分析技術を利用して音声音響信号などの時系列信号の分析や符号化を行う音声予測符号化装置などに用いて好適な、線形予測係数算出方法、装置、プログラム及び記録媒体に関する。   The present invention relates to a method for calculating a prediction coefficient of a linear regression model, and is suitable for use in, for example, a speech prediction encoding apparatus that analyzes and encodes a time-series signal such as a speech acoustic signal using a linear prediction analysis technique. The present invention relates to a linear prediction coefficient calculation method, apparatus, program, and recording medium.

従来から線形予測分析手法のひとつとして自己相関法や共分散法がよく知られている。いずれも予測残差のエネルギー(残差の振幅値の二乗積分)を最小とすることを目的としている。この線形予測分析手法を音声音響信号に利用した一例として、音声予測符号化装置130を図10に示し、その動作を説明する。   Conventionally, autocorrelation method and covariance method are well known as one of linear prediction analysis methods. Both are aimed at minimizing the energy of the prediction residual (the square integral of the residual amplitude). As an example in which this linear prediction analysis method is used for a speech acoustic signal, a speech predictive coding device 130 is shown in FIG. 10 and its operation will be described.

音声予測符号化装置130は、入力端子132から入力される離散的時系列ディジタル信号xi(i:整数、以降、ディジタル信号xiあるいは入力信号xiと称す)を、所定サンプル数Nごとのフレームに分割するフレーム分割部134と、フレーム毎にディジタル信号xiの線形予測分析を行いp個の線形予測係数αj,(j=0,…,p)を計算して線形予測残差(あるいは線形予測誤差)信号diを出力する線形予測分析部136と、線形予測部136が出力する線形予測残差信号を符号化する残差符号化部138と、線形予測部136が出力する線形予測係数αjを符号化する係数符号化部140とから構成される。 The speech predictive coding apparatus 130 receives a discrete time series digital signal x i (i: integer, hereinafter referred to as a digital signal x i or an input signal x i ) input from the input terminal 132 for each predetermined number of samples N. A frame dividing unit 134 that divides the frame into frames, performs linear prediction analysis of the digital signal x i for each frame, calculates p linear prediction coefficients α j , (j = 0,..., P), and calculates a linear prediction residual ( or a linear prediction analysis unit 136 outputs the linear prediction error) signals d i, the residual coding unit 138 for coding the linear prediction residual signal linear prediction unit 136 outputs, linear to linear prediction unit 136 outputs The coefficient encoding unit 140 encodes the prediction coefficient α j .

線形予測分析部136は、全極型(自己回帰型前方予測)であり、線形予測残差信号diのエネルギー(二乗和)を最小にするp個の線形予測係数αjを計算する線形予測係数算出部136aと線形予測係数算出部136aで計算された線形予測係数αjとディジタル信号xiとから予測値を計算する線形予測部136bと、ディジタル信号xiから予測値を減算して線形予測残差信号diを生成する減算部136cとで構成される。 The linear prediction analysis unit 136 is an all-pole type (autoregressive type forward prediction) and calculates linear prediction coefficients α j that minimize the energy (sum of squares) of the linear prediction residual signal d i. A linear prediction unit 136b that calculates a prediction value from the linear prediction coefficient α j calculated by the coefficient calculation unit 136a and the linear prediction coefficient calculation unit 136a and the digital signal x i, and linearly subtracts the prediction value from the digital signal x i composed of the subtraction unit 136c for generating a prediction residual signal d i.

線形予測分析136は、ディジタル信号xiに対し、p個の線形予測係数αjにより式(1)に示すようにして線形予測残差信号を求める。 The linear prediction analysis 136 obtains a linear prediction residual signal from the digital signal x i by p linear prediction coefficients α j as shown in Expression (1).

Figure 2009063761
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線形予測残差信号系列をベクトル形式で書くと式(2)のようになる。   When the linear prediction residual signal sequence is written in the vector format, the following equation (2) is obtained.

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ただし、Dは線形予測残差信号系列のN次元の列ベクトル(式(3))、Aは線形予測係数列のp次元の列ベクトル(式(4))、Xはディジタル信号列のN次元の列ベクトル(式(5))である。それぞれを転置で示す。また、YはN行p列の行列である(式(6))。   Where D is an N-dimensional column vector of the linear prediction residual signal sequence (Equation (3)), A is a p-dimensional column vector of the linear prediction coefficient sequence (Equation (4)), and X is the N dimension of the digital signal sequence. Column vector (equation (5)). Each is indicated by transposition. Y is a matrix of N rows and p columns (Formula (6)).

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線形予測係数算出部136aは、式(7)に示す線形予測残差信号diの二乗和Jを最小にする線形予測係数αjを計算する。 The linear prediction coefficient calculation unit 136a calculates a linear prediction coefficient α j that minimizes the sum of squares J of the linear prediction residual signal d i shown in Expression (7).

Figure 2009063761
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Jを最小にするには、JについてAに関する偏微分を0と置いて解けばよい(式(8))。つまりp個の連立方程式を解く。   In order to minimize J, the partial differential with respect to A can be set to 0 with respect to J (formula (8)). That is, p simultaneous equations are solved.

Figure 2009063761
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この連立方程式の解は、式(6)に示すN行p列の行列Yと線形予測係数列Aとで表された正規方程式(式(9))の解として与えられる。   The solution of the simultaneous equations is given as a solution of a normal equation (Expression (9)) represented by an N-row p-column matrix Y and a linear prediction coefficient array A shown in Expression (6).

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正規方程式(式(9))より得られる最小二乗解である線形予測係数列Aは式(10)で求めることができる。   The linear prediction coefficient sequence A which is a least square solution obtained from the normal equation (equation (9)) can be obtained by equation (10).

Figure 2009063761
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線形予測部136bは、このようにして求められた線形予測係数αjと、ディジタル信号xiとで式(11)に示す畳み込み演算で予測値^xiを計算する。 Linear prediction unit 136b calculates the predictive value ^ x i In this way, the linear prediction coefficient alpha j obtained by the convolution shown in equation (11) in a digital signal x i calculation.

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減算部136cは、ディジタル信号xiから整数に四捨五入された予測値^xiを減算して線形予測残差信号diを生成する。 Subtraction unit 136c generates a linear prediction residual signal d i by subtracting the prediction value ^ x i that are rounded to an integer from digital signal x i.

減算部136cで生成された線形予測残差信号diは、残差符号化部138において、例えばライス符号化やハフマン符号化などでエントロピー符号化され、線形予測残差符号として出力される。 The linear prediction residual signal d i generated by the subtraction unit 136c is entropy-coded by, for example, Rice coding or Huffman coding in the residual coding unit 138, and is output as a linear prediction residual code.

線形予測係数算出部136aで算出された線形予測係数αjも、係数符号化部140で符号化されて出力される。 The linear prediction coefficient α j calculated by the linear prediction coefficient calculation unit 136a is also encoded by the coefficient encoding unit 140 and output.

符号化された線形予測残差符号と線形予測係数符号は、図示しない復号器に伝送され、復号器において式(12)に示す計算(式(11)と同じ整数への四捨五入を含む。今後、特に整数化についてはことわらない)が行われ、ディジタル信号xiが再生される。 The encoded linear prediction residual code and the linear prediction coefficient code are transmitted to a decoder (not shown), and include calculation in equation (12) (including rounding to the same integer as equation (11). In particular, no change is made to the integer), and the digital signal x i is reproduced.

Figure 2009063761
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中田和男、改定音声、1994年、コロナ社、53頁付録4.2Kazuo Nakata, revised speech, 1994, Corona, page 53, appendix 4.2 守谷健弘、音声符号化、1998年、電子情報通信学会、12〜13頁Takehiro Moriya, Speech Coding, 1998, IEICE, 12-13

しかしながら従来の線形予測係数算出方式は、残差振幅の二乗和を最小化するよう予測係数を求めるというように、残差符号量を直接的に最小化する規準での最適化方法となっていない。従って、予測係数の算出方法には符号量削減の余地が少なからず残されている。よく知られているようにエントロピー符号化は、発生頻度の対数に符号長を比例させるものである。つまり、発生頻度の大きな入力に、ビット数の少ない符号を割り当てることで、全体の符号量を減らす方法である。通常の音声の圧縮では、符号長が振幅にほぼ比例するゴロム・ライス符号(以後、ライス符号)が使われ、残差振幅値dに対して割り当てられる符号量g(d)は   However, the conventional linear prediction coefficient calculation method is not an optimization method based on a criterion for directly minimizing the residual code amount, such as obtaining a prediction coefficient so as to minimize the sum of squares of the residual amplitude. . Accordingly, there is not a little room for code amount reduction in the prediction coefficient calculation method. As is well known, entropy coding is such that the code length is proportional to the logarithm of occurrence frequency. That is, this is a method of reducing the overall code amount by assigning a code with a small number of bits to an input with a high occurrence frequency. In normal speech compression, Golomb-Rice code (hereinafter, “Rice code”) whose code length is approximately proportional to amplitude is used, and the code amount g (d) assigned to the residual amplitude value d is

Figure 2009063761
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で表すことができる。ただし、L・」は、数値・を小数点以下を切捨てて整数値化する整数化演算子を表す。また、rをライスパラメータと呼ぶ。r=4のときの残差振幅値dと符号量g(d)の関係式をグラフに表すと図11のようになる。残差振幅をdi(i=1,…,N)とすると、残差振幅符号に必要な全符号量は Can be expressed as However, L · ”represents an integerization operator that rounds down the numerical value • to an integer value. R is referred to as a rice parameter. A relational expression between the residual amplitude value d and the code amount g (d) when r = 4 is shown in FIG. If the residual amplitude is d i (i = 1,..., N), the total code amount required for the residual amplitude code is

Figure 2009063761
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と表され、二乗残差を最小とする関係から得られた線形予測残差信号diでは、明らかに全符号量L(A)を最小化することができない。直接的にL(A)を最小にする線形予測係数ベクトルAを求めるのは大変難しいが、L(A)の代わりに、例えば、残差振幅di(i=1,…,N)の絶対値和(残差ベクトルDのL1ノルム(L1ノルムはマンハッタン距離とも呼ばれる。)) In the linear prediction residual signal d i obtained from the relationship that minimizes the square residual, it is apparent that the total code amount L (A) cannot be minimized. Although it is very difficult to obtain a linear prediction coefficient vector A that directly minimizes L (A), instead of L (A), for example, the absolute value of residual amplitude d i (i = 1,..., N) is used. Sum of values (L1 norm of residual vector D (L1 norm is also called Manhattan distance))

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を最小にする線形予測係数αjは、従来の二乗残差を最小とする関係から得られた線形予測残差信号diよりも、符号量を小さくできる可能性がある。このように、g(d)を近似した関数を設計することを、「符号量をモデル化する」と言うことにし、近似関数gn(d)を「符号量モデル」と呼ぶ。また、同様に、L0(A)を「全符号量モデル」と呼ぶ。すなわち、n=0の場合、符号量モデルは絶対値関数をさし、全符号量モデルはDのL1ノルムをさすということである。 There is a possibility that the linear prediction coefficient α j that minimizes the code amount can be smaller than the linear prediction residual signal d i obtained from the conventional relationship that minimizes the square residual. Designing a function that approximates g (d) in this way is referred to as “modeling the code amount”, and the approximate function g n (d) is referred to as a “code amount model”. Similarly, L 0 (A) is referred to as an “all code amount model”. That is, when n = 0, the code amount model indicates an absolute value function, and the entire code amount model indicates the L1 norm of D.

線形予測分析を含む一般の線形回帰分析(線形予測分析は線形回帰分析の特殊例に相当する。)において、特に、残差ベクトル(線形予測分析における線形予測残差信号に対応)の要素の絶対値和を最小化する回帰係数の解法は古くから検討されている。その中でも代表的なのが、シンプレックス法(線形計画法)に基づくものであり、上記の、残差振幅の絶対値和最小化規準での線形予測分析の解法になりうる。しかしながら、この方式は、線形回帰モデルの説明変数行列および回帰係数ベクトルのサイズが大きくなる場合には計算量が膨大となるという特徴があり、即時性が求められる圧縮符号化への応用には必ずしも適していないという問題があった。一方、線形回帰モデルにおいてL1ノルムを最小化する回帰係数ベクトルを効率的に得るための方法として、反復的再重みつき最小二乗法(以後、IRLS法)がGreenによって提案されている。ただし、IRLS法は、残差ベクトルDのL1ノルムを含むある特定条件を満たす目的関数に対しては収束性が保証されるものの、一般に収束性が保証されないという問題がある。   In general linear regression analysis including linear prediction analysis (linear prediction analysis corresponds to a special case of linear regression analysis), in particular, the absolute value of the elements of the residual vector (corresponding to the linear prediction residual signal in linear prediction analysis) The solution of the regression coefficient that minimizes the sum of values has been studied for a long time. A typical example is based on the simplex method (linear programming), and can be a solution of the linear prediction analysis based on the above-described residual amplitude absolute value sum minimization criterion. However, this method has a feature that the amount of calculation becomes enormous when the size of the explanatory variable matrix and the regression coefficient vector of the linear regression model becomes large, and is not necessarily applied to compression coding that requires immediacy. There was a problem that it was not suitable. On the other hand, as a method for efficiently obtaining a regression coefficient vector that minimizes the L1 norm in a linear regression model, Green has proposed an iterative reweighted least square method (hereinafter referred to as IRLS method). However, the IRLS method has a problem that, although convergence is guaranteed for an objective function that satisfies a specific condition including the L1 norm of the residual vector D, generally, convergence is not guaranteed.

さて、r=1の場合にはたしかに残差ベクトルDのL1ノルムは符号量にまさに適合した目的関数となっているが、実際のところr>1と設定することが多く、g(d)は図11のように階段形の関数となる。図11において注目すべきは、d=0周辺の一定範囲内の値(r=4の場合はd=-8,…,+7)には等しい符号量が割り当てられる点であり、このことは、残差振幅の絶対値をできるだけ小さくすることだけに専念するよりも、残差振幅に適度な「遊び」を持たせ、その自由度の分だけ極端な外れ値を少なくする方が全体の符号量をより小さくできることを示している。残差振幅が通常0付近に集中する点を考慮すると、符号量関数をモデル化する際、d=0周辺のg(d)を良く近似したものであった方がより好ましいはずである。   In the case of r = 1, the L1 norm of the residual vector D is an objective function that exactly matches the code amount, but in reality, r> 1 is often set, and g (d) is As shown in FIG. 11, the function is a stepped function. It should be noted in FIG. 11 that the same code amount is assigned to values within a certain range around d = 0 (d = −8,..., +7 when r = 4). Rather than focusing on making the absolute value of the residual amplitude as small as possible, it is better to give the residual amplitude a moderate “play” and reduce the extreme outliers by the degree of freedom. It shows that the amount can be made smaller. Considering that the residual amplitude is normally concentrated around 0, it should be more preferable that g (d) around d = 0 be a good approximation when modeling the code amount function.

本発明は、以上の問題意識に基づきなされたもので、従来に比べて線形回帰分析における残差符号量を小さくすることができる線形予測係数算出方法、装置、プログラム及び記憶媒体を提供することを目的とするものである。より具体的には、たとえば残差ベクトルDのL1ノルムおよび、それよりも式(13)を良く近似した符号量モデルgn(d)(n=1,2,3)に基づいて設計される目的関数Ln(A)を最小化する線形予測係数を、収束性の保証された反復計算により効率良く算出することができる線形予測係数算出方法、装置、プログラム及び記憶媒体を提供することを目的とする。 The present invention has been made on the basis of the above problem awareness, and provides a linear prediction coefficient calculation method, apparatus, program, and storage medium capable of reducing the residual code amount in linear regression analysis as compared with the conventional case. It is the purpose. More specifically, for example the L1 norm of the residual vector D and it is designed based on equation code amount was well approximated (13) Model g n (d) (n = 1,2,3) than It is an object to provide a linear prediction coefficient calculation method, apparatus, program, and storage medium that can efficiently calculate a linear prediction coefficient that minimizes the objective function L n (A) by iterative calculation with guaranteed convergence. And

上記課題を解決するため、本願発明の線形予測係数算出方法は、線形予測係数を初期化する係数初期化過程と、入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出過程と、残差算出過程で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数及び補助変数をパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出過程と、補助変数算出過程で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出過程と、補助変数算出過程及び係数算出過程の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出過程、補助変数算出過程及び係数算出過程を行わせる判定過程とを含んでいることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a linear prediction coefficient calculation method according to the present invention includes a coefficient initialization process for initializing a linear prediction coefficient, and a residual calculation process for calculating a residual vector from an input signal and a linear prediction coefficient at that time. Then, using the residual vector calculated in the residual calculation process, the linear prediction coefficient at that time, the objective function representing the residual code amount with the linear prediction coefficient as a parameter, and the linear prediction coefficient and auxiliary variable as parameters An auxiliary variable calculation process that calculates an auxiliary variable that is equal to or substantially equal to the auxiliary function that is equal to or larger than the objective function, and an auxiliary variable calculated in the auxiliary variable calculation process calculates a linear prediction coefficient that makes the auxiliary function substantially minimum. Coefficient calculation process, auxiliary variable calculation process, and repetition of coefficient calculation process to determine whether or not a predetermined condition is satisfied, and if not, residual calculation process, auxiliary variable calculation Characterized in that and a determination step of causing the degree and the coefficient calculating step.

また、他の本願発明の線形予測係数算出方法は、前記補助関数が、前記目的関数に接する2次曲線に基づくものであることを特徴とする。   Another linear prediction coefficient calculation method according to the present invention is characterized in that the auxiliary function is based on a quadratic curve in contact with the objective function.

また、他の本願発明の線形予測係数算出方法は、前記目的関数が微分不能な点を有する場合に、該目的関数の微分不能な点の前後の点で滑らかに接する接点を有し、これら2つの接点区間で単調増加又は単調減少する関数により目的関数の接点区間を置き換えた関数を、目的関数とすることを特徴とする。   In another linear prediction coefficient calculation method according to the present invention, when the objective function has a non-differentiable point, the linear prediction coefficient calculation method has a contact point that smoothly contacts the points before and after the non-differentiable point of the objective function. A function in which the contact section of the objective function is replaced by a function that monotonously increases or decreases in one contact section is defined as an objective function.

また、本願発明の線形予測係数算出装置は、線形予測係数を初期化する係数初期化手段と、入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出手段と、残差算出手段で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数と補助変数とをパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出手段と、補助変数算出手段で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出手段と、補助変数算出手段による補助変数の算出及び係数算出手段による線形予測係数の算出の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出手段、補助変数算出手段及び係数算出手段による各算出を行わせる判定手段とを具備することを特徴とする。   The linear prediction coefficient calculation apparatus according to the present invention includes a coefficient initialization unit that initializes a linear prediction coefficient, a residual calculation unit that calculates a residual vector from an input signal and a linear prediction coefficient at that time, and a residual calculation Using the residual vector calculated by the means, the linear prediction coefficient at that time is equal to the objective function representing the residual code amount using the linear prediction coefficient as a parameter and the linear prediction coefficient and auxiliary variable as parameters. Or an auxiliary variable calculating means for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to the auxiliary function to be increased, and a coefficient calculating means for calculating a linear prediction coefficient that makes the auxiliary function substantially minimum by the auxiliary variable calculated by the auxiliary variable calculating means. And determining whether or not the repetition of the auxiliary variable calculation by the auxiliary variable calculation means and the linear prediction coefficient calculation by the coefficient calculation means satisfies a predetermined condition, and if not, Difference calculating means, characterized by comprising a determination means for causing each calculated by the auxiliary variable calculation means and the coefficient calculating means.

また、他の本願発明の線形予測係数算出装置は、前記補助関数が、前記目的関数に接する2次曲線に基づくものであることを特徴とする。   In another linear prediction coefficient calculation apparatus according to the present invention, the auxiliary function is based on a quadratic curve in contact with the objective function.

また、他の本願発明の線形予測係数算出装置は、前記目的関数が微分不能な点を有する場合に、該目的関数の微分不能な点の前後の点で滑らかに接する接点を有し、これら2つの接点区間で単調増加又は単調減少する関数により目的関数の接点区間を置き換えた関数を、目的関数とすることを特徴とする。   Another linear prediction coefficient calculation apparatus according to the present invention has a contact point that smoothly contacts at points before and after the non-differentiable point of the objective function when the objective function has a non-differentiable point. A function in which the contact section of the objective function is replaced by a function that monotonously increases or decreases in one contact section is defined as an objective function.

また、本願発明の線形予測係数算出プログラムは、線形予測係数を初期化する係数初期化過程と、入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出過程と、残差算出過程で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数及び補助変数をパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出過程と、補助変数算出過程で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出過程と、補助変数算出過程及び係数算出過程の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出過程、補助変数算出過程及び係数算出過程を行わせる判定過程とをコンピュータによって実行させるための指令を含んでいることを特徴とする。   The linear prediction coefficient calculation program of the present invention includes a coefficient initialization process for initializing a linear prediction coefficient, a residual calculation process for calculating a residual vector from an input signal and a linear prediction coefficient at that time, and a residual calculation. Using the residual vector calculated in the process, whether or not the current linear prediction coefficient is equal to the objective function that represents the residual code amount with the linear prediction coefficient as a parameter and the linear prediction coefficient and auxiliary variables as parameters Or an auxiliary variable calculating process for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to an increasing auxiliary function, and a coefficient calculating process for calculating a linear prediction coefficient that substantially minimizes the auxiliary function by the auxiliary variable calculated in the auxiliary variable calculating process. Determining whether the repetition of the auxiliary variable calculation process and the coefficient calculation process satisfies a predetermined condition, and if not, the residual calculation process, the auxiliary variable calculation process, and the coefficient Characterized in that it contains a command to execute a determination step of causing the exit process by the computer.

また、本願発明の記録媒体は、線形予測係数を初期化する係数初期化過程と、入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出過程と、残差算出過程で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数及び補助変数をパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出過程と、補助変数算出過程で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出過程と、補助変数算出過程及び係数算出過程の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出過程、補助変数算出過程及び係数算出過程を行わせる判定過程とをコンピュータによって実行させるための指令を含んでいることを特徴とする線形予測係数算出プログラムを記録している。   The recording medium of the present invention is calculated by a coefficient initialization process for initializing the linear prediction coefficient, a residual calculation process for calculating a residual vector from the input signal and the linear prediction coefficient at that time, and a residual calculation process. Using the generated residual vector, an objective function that represents the residual code amount with the linear prediction coefficient as a parameter and a linear prediction coefficient at that time, and equal to or larger than the objective function with the linear prediction coefficient and an auxiliary variable as parameters Auxiliary variable calculation process for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to the auxiliary function, a coefficient calculation process for calculating a linear prediction coefficient that substantially minimizes the auxiliary function with the auxiliary variable calculated in the auxiliary variable calculation process, and an auxiliary variable It is determined whether the repetition of the calculation process and the coefficient calculation process satisfies a predetermined condition, and if not, the residual calculation process, the auxiliary variable calculation process, and the coefficient calculation process are performed. Records the linear prediction coefficient calculation program, characterized in that it includes a command to execute a constant process by a computer.

本発明によれば、残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数及び補助変数をパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出過程と、補助変数算出過程で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出過程と、補助変数算出過程及び係数算出過程の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出過程、補助変数算出過程及び係数算出過程を行わせる判定過程とを含んでいるので、目的関数及び補助関数を適切に設計することで、二乗残差を基準としたものなどの従来のものに比べて線形回帰分析における残差符号量を小さくすることが可能となる。   According to the present invention, using a residual vector, an objective function representing a residual code amount using a linear prediction coefficient as a parameter, and a linear prediction coefficient at that time, and an objective function using a linear prediction coefficient and an auxiliary variable as parameters. An auxiliary variable calculation process for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to an auxiliary function that increases, or a coefficient calculation process for calculating a linear prediction coefficient that substantially minimizes the auxiliary function by the auxiliary variable calculated in the auxiliary variable calculation process. Determining whether or not the repetition of the auxiliary variable calculation process and the coefficient calculation process satisfies a predetermined condition, and if not, a determination process for performing a residual calculation process, an auxiliary variable calculation process, and a coefficient calculation process. Therefore, by appropriately designing the objective function and auxiliary function, the residual code amount in linear regression analysis can be reduced compared to conventional ones such as those based on the square residual. It is possible to fence.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態の構成を示すブロック図であり、図2は、その動作を説明するためのフローチャートである。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation thereof.

図1に示す線形予測係数算出装置は、残差算出部1、係数初期化部2、補助変数算出部3、係数算出部4および繰り返し回数判定部5から構成されている。図1に示す各構成は、たとえばコンピュータおよびその周辺装置とコンピュータによって実行されるプログラムとから構成されている。また、各部は、図示していない中央処理装置によって制御されているものとする。   The linear prediction coefficient calculation apparatus shown in FIG. 1 includes a residual calculation unit 1, a coefficient initialization unit 2, an auxiliary variable calculation unit 3, a coefficient calculation unit 4, and an iteration number determination unit 5. Each configuration shown in FIG. 1 includes, for example, a computer and its peripheral devices and a program executed by the computer. Each unit is controlled by a central processing unit (not shown).

残差算出部1は、ディジタル信号列のN次元の列ベクトルX(式(5)参照)を受け取るとともに、係数初期化部2からp次元の列ベクトルA(線形予測係数)(式(4)参照)を受け取って、式(2)によって、線形予測残差信号系列のN次元の列ベクトルD(残差ベクトル)(式(3))を算出して出力する。一方、係数初期化部2は、線形予測係数Aを所定の値に初期化して出力する。   The residual calculation unit 1 receives the N-dimensional column vector X (see Equation (5)) of the digital signal sequence, and also receives the p-dimensional column vector A (linear prediction coefficient) (Equation (4) from the coefficient initialization unit 2. (Reference) is received, and an N-dimensional column vector D (residual vector) (equation (3)) of the linear prediction residual signal sequence is calculated and output by equation (2). On the other hand, the coefficient initialization unit 2 initializes the linear prediction coefficient A to a predetermined value and outputs it.

補助変数算出部3は、残差算出部1で算出された残差ベクトルDの各要素の値とその時点の線形予測係数Aとに基づいて、目的関数と補助関数とが等しくなるような補助変数を解析的に算出する。目的関数は、線形予測係数Aをパラメータとして残差振幅符号に必要な全符号量である残差符号量を表す関数であり、補助関数は、線形予測係数Aと補助変数Bとをパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる関数である。すなわち、目的関数と補助関数には、目的関数≦補助関数という関係が成立する。ただし、実際には誤差を含むので目的関数と補助関数とがほぼ等しくなるように補助変数が算出される。   The auxiliary variable calculation unit 3 uses the auxiliary function such that the objective function becomes equal to the auxiliary function based on the value of each element of the residual vector D calculated by the residual calculation unit 1 and the linear prediction coefficient A at that time. Calculate variables analytically. The objective function is a function representing the residual code amount that is the total code amount necessary for the residual amplitude code with the linear prediction coefficient A as a parameter, and the auxiliary function is an object with the linear prediction coefficient A and the auxiliary variable B as parameters. A function that is equal to or greater than a function. That is, the relationship of objective function ≦ auxiliary function is established between the objective function and the auxiliary function. However, since an error is actually included, the auxiliary variable is calculated so that the objective function and the auxiliary function are substantially equal.

なお、目的関数と補助関数については後で詳細に説明する。   The objective function and auxiliary function will be described in detail later.

係数算出部4は、補助変数算出部3で算出された補助変数Bに基づいて、補助関数をほぼ最小とする線形予測係数Aを解析的に算出する。繰り返し回数判定部5は、補助変数算出部3による補助変数Bの算出および係数算出部4による線形予測係数Aの算出の繰り返し回数が所定の回数を越えている否かを判定し、この判定条件が満たされている場合(越えている場合)には係数Aを出力し、この判定条件が満たされていない場合には残差算出部1、補助変数算出部3および係数算出部4に対して再度、各算出を行わせる。   The coefficient calculation unit 4 analytically calculates a linear prediction coefficient A that substantially minimizes the auxiliary function based on the auxiliary variable B calculated by the auxiliary variable calculation unit 3. The iteration number determination unit 5 determines whether the number of iterations of the calculation of the auxiliary variable B by the auxiliary variable calculation unit 3 and the calculation of the linear prediction coefficient A by the coefficient calculation unit 4 exceeds a predetermined number. If the condition is satisfied (exceeded), the coefficient A is output. If the determination condition is not satisfied, the residual calculation unit 1, the auxiliary variable calculation unit 3, and the coefficient calculation unit 4 are output. Each calculation is performed again.

次に、図2を参照して、図1に示す線形予測係数算出装置の動作について説明する。
線形予測係数Aおよび補助変数Bは、複数回算出されることになるが、k回目に算出された線形予測係数および補助変数をそれぞれ線形予測係数Akおよび補助変数Bkで表すこととする。
Next, the operation of the linear prediction coefficient calculation apparatus shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
The linear prediction coefficient A and the auxiliary variable B are calculated a plurality of times, and the linear prediction coefficient and the auxiliary variable calculated for the kth time are represented by the linear prediction coefficient A k and the auxiliary variable B k , respectively.

線形予測係数Aの算出処理は、まず、図1の各部1〜5を制御する図示していない中央処理装置によって、算出処理の繰り返し回数kを「0」に初期化する処理から開始される(ステップS11)。次に、kが「0」に等しいかが判定される(ステップS12)。kが「0」に等しい場合(ステップS12で「Y」)、係数初期化部2によって線形予測係数A0が所定の値に初期化される(ステップS13)。一方、kが「0」に等しくない場合(ステップS12で「N」)と、ステップS13で線形予測係数A0が所定の値に初期化された場合、kが1増やされる(ステップS14)。 The calculation process of the linear prediction coefficient A is first started from a process of initializing the repetition count k of the calculation process to “0” by a central processing unit (not shown) that controls the respective units 1 to 5 in FIG. Step S11). Next, it is determined whether k is equal to “0” (step S12). When k is equal to “0” (“Y” in step S12), the coefficient predicting unit 2 initializes the linear prediction coefficient A 0 to a predetermined value (step S13). On the other hand, when k is not equal to “0” (“N” in step S12) and when the linear prediction coefficient A 0 is initialized to a predetermined value in step S13, k is incremented by 1 (step S14).

次に、残差算出部1によって、入力信号Xと線形予測係数Ak−1から残差ベクトルDが算出される(ステップS15)。次に、補助変数算出部3によって、線形予測係数Ak−1で目的関数と補助関数がほぼ等しくなる補助変数Bkが算出される(ステップS16)。 Next, a residual vector D is calculated from the input signal X and the linear prediction coefficient A k− 1 by the residual calculation unit 1 (step S15). Next, the auxiliary variable calculation unit 3 calculates an auxiliary variable B k that makes the objective function and the auxiliary function substantially equal with the linear prediction coefficient A k−1 (step S16).

次に、係数算出部4によって、ステップS16で算出された補助変数Bkで、補助関数をほぼ最小とする線形予測係数Akが算出される(ステップS17)。ここで、線形予測係数Akは線形予測係数Akの次の算出結果である。 Next, the coefficient calculation unit 4 calculates a linear prediction coefficient A k that substantially minimizes the auxiliary function with the auxiliary variable B k calculated in step S16 (step S17). Here, the linear prediction coefficient A k is the next calculation result of the linear prediction coefficient A k .

次に、繰り返し回数kが繰り返し回数設定値Hを越えたかが判定される(ステップS18)。kがHを越えていない場合(ステップS18で「N」)、ステップS12へ戻り、以降の処理が上述したようにして再び実行される。他方、kがHを越えていた場合(ステップS18で「Y」)、線形予測係数Ak-1が出力されて(ステップS19)、処理が終了する。 Next, it is determined whether the number of repetitions k has exceeded the number of repetitions setting value H (step S18). If k does not exceed H (“N” in step S18), the process returns to step S12, and the subsequent processing is executed again as described above. On the other hand, if k exceeds H (“Y” in step S18), the linear prediction coefficient A k−1 is output (step S19), and the process ends.

次に、図3を参照して、本実施の形態で用いる目的関数と補助関数についてまず定性的に説明する。   Next, with reference to FIG. 3, the objective function and auxiliary function used in the present embodiment will be first described qualitatively.

パラメータΘ=(Θ1,…ΘJ)に関して最小化したい目的関数をΦ(Θ)とすると、 If the objective function to be minimized with respect to the parameter Θ = (Θ 1 ,... Θ J ) is Φ (Θ),

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を満たすとき、Φ+(Θ,m)を目的関数Φ(Θ)の補助関数、m=(m1,…,mL)を補助変数と定義する。上式の右辺は、mを変数とするΘおよびmに対するΦ+(Θ,m)の下限を意味し、記号「+」はΦ+がΦの閉包であることを表している。 When satisfying, Φ + (Θ, m) is defined as an auxiliary function of the objective function Φ (Θ), and m = (m 1 ,..., M L ) is defined as an auxiliary variable. The right side of the above equation means Θ with m as a variable and the lower limit of Φ + (Θ, m) for m, and the symbol “+” indicates that Φ + is a closure of Φ.

上記の定義から、目的関数と補助関数との間には下式(F1)の不等式が成立する。したがって、図3に示すように、通常、目的関数Φ(Θ(i))は補助関数Φ+(Θ(i),m(i))よりも小さくなる。なお、図3は、目的関数Φ(Θ)と補助関数Φ+(Θ,m)が矢印の向きと反対の方向に向かって小さくなることを示している。また、変数iは、パラメータ更新回数を表し、たとえばi+1はiの1回後のパラメータ更新を示すものである。 From the above definition, the following inequality (F1) is established between the objective function and the auxiliary function. Therefore, as shown in FIG. 3, the objective function Φ (Θ (i) ) is usually smaller than the auxiliary function Φ +(i) , m (i) ). FIG. 3 shows that the objective function Φ (Θ) and the auxiliary function Φ + (Θ, m) decrease in the direction opposite to the direction of the arrow. The variable i represents the number of parameter updates. For example, i + 1 represents parameter update one time after i.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

補助関数Φ+(Θ(i),m(i))を最小化するように補助変数mを更新すると、パラメータ更新後の補助関数Φ+(Θ(i),m(i+1))と目的関数Φ(Θ(i))との間には等号が成立する。ここで補助関数Φ+(Θ(i),m(i+1))を最小化するようにパラメータΘを更新した場合、パラメータΘの変化にともなって目的関数Φ(Θ(i))も変化することになる。ただし、更新後の補助関数Φ+(Θ(i+1),m(i+1))と目的関数Φ(Θ(i+1))の間には不等式(F1)が成立するので、目的関数Φ(Θ(i+1))は、補助関数Φ+(Θ(i+1),m(i+1))よりも小さくなる、すなわちパラメータ更新にともなって自動的に降下することになる。 When the auxiliary variable m is updated so as to minimize the auxiliary function Φ +(i) , m (i) ), the auxiliary function Φ +(i) , m (i + 1) ) after the parameter update and An equal sign holds between the objective function Φ (Θ (i) ). Here, when the parameter Θ is updated so as to minimize the auxiliary function Φ +(i) , m (i + 1) ), the objective function Φ (Θ (i) ) also changes as the parameter Θ changes. Will do. However, the inequality (F1) is established between the updated auxiliary function Φ +(i + 1) , m (i + 1) ) and the objective function Φ (Θ (i + 1) ). The function Φ (Θ (i + 1) ) is smaller than the auxiliary function Φ +(i + 1) , m (i + 1) ), that is, it automatically drops as the parameter is updated. .

以上の更新を繰り返せば目的関数Φ(Θ)を間接的に小さくしていくことができる。この本実施の形態の最適化アルゴリズムは反復最適化法の一つである。なお、反復最適化法の他の例としてはたとえばEMアルゴリズム(Expectation Maximization アルゴリズム)がある。   If the above update is repeated, the objective function Φ (Θ) can be indirectly reduced. The optimization algorithm of this embodiment is one of iterative optimization methods. Another example of the iterative optimization method is an EM algorithm (Expectation Maximization algorithm).

なお、上記の目的関数と補助関数の関係を満たした補助関数を設計する上での要件はつぎのとおりである。(1)目的関数≦補助関数となるように補助関数を設計する。(2)等号が成立するときの補助変数が解析的に得られるようにする。(3)補助関数を最小化するΘが解析的に得られるようにする。   The requirements for designing an auxiliary function that satisfies the relationship between the objective function and the auxiliary function are as follows. (1) Design auxiliary functions so that objective function ≤ auxiliary function. (2) Ensure that the auxiliary variable when the equal sign holds is obtained analytically. (3) Ensure that Θ that minimizes the auxiliary function is obtained analytically.

次に、この補助関数を用いた反復最適化法を本実施の形態に適用する際の具体的構成について説明する。入力信号Xおよび線形予測係数AをそれぞれN次元およびP次元ベクトル、YをN行P列の行列とし、次のような線形回帰モデル   Next, a specific configuration when the iterative optimization method using the auxiliary function is applied to the present embodiment will be described. An input signal X and a linear prediction coefficient A are respectively N-dimensional and P-dimensional vectors, and Y is a matrix of N rows and P columns.

Figure 2009063761
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を考える。ただし、Dは雑音を表す確率ベクトル(残差(誤差)ベクトル)である。このもとで、線形予測係数Aの最尤推定値を求める問題を考える。もし残差ベクトルDの要素が独立なガウス性雑音であれば、この問題はL2ノルム(残差ベクトルDの要素の二乗和(L2ノルムはユークリッド距離とも呼ばれる。))   think of. Here, D is a probability vector (residual (error) vector) representing noise. Based on this, the problem of obtaining the maximum likelihood estimate of the linear prediction coefficient A will be considered. If the elements of the residual vector D are independent Gaussian noise, this problem is the L2 norm (the sum of squares of the elements of the residual vector D (L2 norm is also called Euclidean distance)).

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を線形予測係数Aに関して最小化する問題であり、N≧pならば   Is a problem with respect to the linear prediction coefficient A, and if N ≧ p

Figure 2009063761
Figure 2009063761

が線形予測係数Aの最適解となる。   Is the optimal solution for the linear prediction coefficient A.

これに対し、まず考えるのは、残差ベクトルDの各要素の絶対値和を最小化する線形予測係数Aを求める問題である。すなわち、符号量モデルg0(d)をdの絶対値関数|d|と置き、全符号量モデルを On the other hand, the first problem is to find a linear prediction coefficient A that minimizes the sum of absolute values of each element of the residual vector D. That is, the code amount model g 0 (d) is set as an absolute value function | d |

Figure 2009063761
Figure 2009063761

とし、これを最小化する線形予測係数Aを求めたい。   And want to obtain a linear prediction coefficient A that minimizes this.

式(16)が示す線形回帰モデルの特殊ケースの例として線形予測モデルがある。線形予測モデルとは、あるディジタル信号の時刻iにおけるサンプルxiを、時刻i−1から過去p個のサンプルxi-1,xi-2,…,xi-pの線形結合で表現するモデル There is a linear prediction model as an example of a special case of the linear regression model expressed by Equation (16). The linear prediction model is a model in which a sample x i of a digital signal at time i is expressed by a linear combination of p samples x i−1 , x i−2 ,..., X ip from time i−1.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

のことであり、自己回帰モデルとも呼ばれる。上記のモデルのもとで、N個の連続するサンプル系列x1,x2,…,xNを最も良く表す線形予測モデルのp個の線形予測係数(要素)αjを推定する問題を線形予測分析と呼ぶ。式(16)に対応させると、線形予測モデルは、 It is also called autoregressive model. Based on the above model, the problem of estimating p linear prediction coefficients (elements) α j of a linear prediction model that best represents N consecutive sample sequences x 1 , x 2 ,. This is called predictive analysis. Corresponding to equation (16), the linear prediction model is

Figure 2009063761
Figure 2009063761

と置いたことに相当する。   It is equivalent to placing.

本実施の形態が特徴とする点は、補助関数を用いた効率的な反復推定アルゴリズム(以降、補助関数法と称す)によって、各種全符号量モデルを最小化する方法である。そこで、まず、補助関数法の原理(補助関数法の原理自体は既存のものである。)を本実施の形態に即して以下に示し、そののちに、まず、式(19)の最小化を補助関数法によって行う方法について述べる。   The feature of this embodiment is a method of minimizing various total code amount models by an efficient iterative estimation algorithm using an auxiliary function (hereinafter referred to as an auxiliary function method). Therefore, first, the principle of the auxiliary function method (the principle of the auxiliary function method itself is an existing one) is shown below in accordance with the present embodiment, and then, first, the minimization of Expression (19) is performed. A method of performing the above by the auxiliary function method will be described.

線形予測係数Aをパラメータとする目的関数Ln(A)に対し、Ln(A)≦Ln +(A,B)が成り立つとき、Ln +(A,B)のことをLn(A)の補助関数と呼び、Bのことを補助変数と呼ぶ。 To the objective function L n (A) to the linear prediction coefficients A and parameter, when L n (A) ≦ L n + (A, B) holds, L n + (A, B ) that the L n ( A) is called an auxiliary function, and B is called an auxiliary variable.

以上の定義から、次の定理が成り立つ。   From the above definition, the following theorem holds.

定理1:目的関数Ln(A)は、補助関数Ln +(A,B)をAに関して最小化するステップと、Ln(A)=Ln +(A,B)となるBを求めるステップを繰り返すことで単調減少させていくことができる。 Theorem 1: The objective function L n (A) obtains B that minimizes the auxiliary function L n + (A, B) with respect to A and L n (A) = L n + (A, B). It can be decreased monotonically by repeating the steps.

証明:Ln(A0)=Ln +(A0,B)となるB、すなわち目的関数と補助関数とが等しくなるBを^Bとし、 Proof: Let B be L such that L n (A 0 ) = L n + (A 0 , B), that is, B where the objective function and auxiliary function are equal,

Figure 2009063761
Figure 2009063761

とする。すなわち、補助関数Ln +(A,B)を最小化するAを^Aとする。 And That is, A that minimizes the auxiliary function L n + (A, B) is represented by A.

定理1が示すAとBのそれぞれの更新が、目的関数Ln(A)を減少させることを示すために、A=A0、B=B0からA=^A、B=^Bに変更したときに、Ln(A)が非増加であることを確認する。 Change from A = A 0 , B = B 0 to A = ^ A, B = ^ B to show that each update of A and B indicated by Theorem 1 decreases the objective function L n (A) Confirm that L n (A) is not increased.

明らかにLn(A0)=Ln +(A0,^B)であり、Ln +(A0,^B)≧Ln +(^A,^B)であり、さらに定義より、Ln +(^A,^B)≧Ln(^A)なのだから、結局、Ln(A0)≧Ln(^A)である(証明終わり)。 Obviously L n (A 0 ) = L n + (A 0 , ^ B), L n + (A 0 , ^ B) ≧ L n + (^ A, ^ B), and further by definition, Since L n + (^ A, ^ B) ≧ L n (^ A), L n (A 0 ) ≧ L n (^ A) is finally obtained (end of proof).

補助関数法をある最適化問題に応用するにあたり、鍵となるのは、以下の点を満たす補助関数が設計できるか否かである。   The key to applying the auxiliary function method to an optimization problem is whether or not an auxiliary function that satisfies the following points can be designed.

要件1:Ln(A)=Ln +(A,B)となるBが解析的に求められる。
要件2:補助関数Ln +(A,B)を最小化するAが解析的に求められる。
Requirement 1: B that satisfies L n (A) = L n + (A, B) is analytically obtained.
Requirement 2: A that minimizes the auxiliary function L n + (A, B) is analytically determined.

この点を肯定的に満たすことができれば、最適化問題への応用の有効性が大である。全符号量モデルの最小化問題において以上の性質を満たす補助関数を設計するにあたり、符号量モデル(目的関数)より決して小さくなることがなく(補助関数の定義より)、かつ、符号量モデルに接する(要件1より)2次関数(要件2より)の中で、2次の係数が最小となるものを見つけることが補助関数設計の基本的方針となる。   If this point can be satisfied positively, the effectiveness of the application to the optimization problem is great. In designing an auxiliary function that satisfies the above properties in the minimization problem of the entire code quantity model, it never becomes smaller than the code quantity model (objective function) (from the definition of the auxiliary function) and touches the code quantity model. (From Requirement 1) The basic policy of auxiliary function design is to find a quadratic function (from Requirement 2) that minimizes the quadratic coefficient.

以下、目的関数及び補助関数設計の具体例について説明する。   Hereinafter, specific examples of objective function and auxiliary function design will be described.

[第1の実施例]
この実施例では目的関数L(A)を絶対値関数|d|からなる関数g0(d)として、補助関数L0 +(A,B)を目的関数と(b,g0(b))で接する2次関数(放物線)としている。
[First embodiment]
In this embodiment, the objective function L (A) is a function g 0 (d) composed of an absolute value function | d |, and the auxiliary function L 0 + (A, B) is an objective function and (b, g 0 (b)). A quadratic function (parabola) that touches at.

式(22)に示されるような絶対値関数で表される符号量モデルをg0(d) A code amount model represented by an absolute value function as shown in Expression (22) is expressed as g 0 (d)

Figure 2009063761
Figure 2009063761

とし、g0(d)より小さくなることがなく、点(b,g0(b))で接する2次関数の中で2次の係数が最小となるのは The quadratic coefficient is the smallest among the quadratic functions that contact at the point (b, g 0 (b)) without being smaller than g 0 (d).

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であり、∀dで、g0(d)≦h0(d,b)が成り立つ。g0(d)およびb=0.1,3,5のときのh0(d,b)を図4に示す。線形予測残差信号diを(X)i−(YA)iに対応させると、 And ∀d holds that g 0 (d) ≦ h 0 (d, b). FIG. 4 shows h 0 (d, b) when g 0 (d) and b = 0.1, 3, 5. When the linear prediction residual signal d i is made to correspond to (X) i − (YA) i ,

Figure 2009063761
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のような不等式が立てられる。行列MとベクトルWをまとめて補助変数Bと表記することにし、上記不等式右辺をL0 +(A,B)と置く。なお、行列Mは補助関数の2次の項の係数を表し、ベクトルWは中心位置を表すものである(以下、同様。)。ただし、 An inequality such as The matrix M and the vector W are collectively expressed as an auxiliary variable B, and the right side of the inequality is set as L 0 + (A, B). The matrix M represents the coefficient of the quadratic term of the auxiliary function, and the vector W represents the center position (the same applies hereinafter). However,

Figure 2009063761
Figure 2009063761

Figure 2009063761
Figure 2009063761

である。式(24)より、   It is. From equation (24)

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であるため、L0 +(A,B)は補助関数の定義を満たす。 Therefore, L 0 + (A, B) satisfies the definition of the auxiliary function.

上記の補助関数を用い、定理1の2つのステップを具体的に示す。まず、Bを固定したときに、L0 +(A,B)を最小化するAを求める。 Using the above auxiliary functions, the two steps of Theorem 1 are specifically shown. First, when B is fixed, A that minimizes L 0 + (A, B) is obtained.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を解くと、 And solving

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を得る。YTMYは正定値対称行列となるので、(YTMY)-1はコレスキー分解で求めるのが好適である。次に、L0(A)=L0 +(A,B)となる補助変数Bは、 Get. Since Y T MY is a positive definite symmetric matrix, (Y T MY) −1 is preferably obtained by Cholesky decomposition. Next, the auxiliary variable B that satisfies L 0 (A) = L 0 + (A, B) is

Figure 2009063761
Figure 2009063761

である。 It is.

以上をまとめると、Aの初期値を適当に設定し、式(29)と式(30)を繰り返し計算していけば、L0(A)を単調減少させていくことができる。この最適化問題は凸計画問題、すなわち凸集合の上で凸関数を最小化する問題なので、収束解は大域最適解に一致するはずである。 In summary, L 0 (A) can be monotonously decreased by appropriately setting the initial value of A and repeatedly calculating Equation (29) and Equation (30). Since this optimization problem is a convex programming problem, that is, a problem that minimizes a convex function on a convex set, the convergence solution should match the global optimal solution.

[第2の実施例]
この実施例では目的関数L1(A)を、絶対値関数|d|を3つの区間(たとえば区間a1、a2、a3)に分割し、絶対値関数|d|の微分不能な点(z=0)を含む区間をa2としたときに、区間a1および区間a3は絶対値関数|d|をそのまま使用し、区間a2は、区間a1とa2の分割点および区間a2とa3の分割点で接する2次曲線(放物線:但し区間は|Z|<ε)とする関数g1(d)とする。そして、補助関数L1 +(A,B)を目的関数と(b,g1(b))で接する2次関数(放物線)としている。
[Second Embodiment]
In this embodiment, the objective function L 1 (A) is divided into three intervals (for example, intervals a 1, a 2, a 3) by dividing the absolute value function | d | into the non-differentiable point (z = 0), the absolute value function | d | is used as it is for the section a1 and the section a3, and the section a2 touches the dividing points of the sections a1 and a2 and the dividing points of the sections a2 and a3. A function g 1 (d) with a quadratic curve (parabola: where | Z | <ε) is assumed. The auxiliary function L 1 + (A, B) is a quadratic function (parabola) in contact with the objective function at (b, g 1 (b)).

すなわち、本実施例では、符号量モデルとして、絶対値関数を式(31)に示されるように線形予測残差信号d=0付近で2次曲線に置き換えた関数g1(d)を考える。 That is, in this embodiment, a function g 1 (d) in which the absolute value function is replaced with a quadratic curve in the vicinity of the linear prediction residual signal d = 0 as shown in Expression (31) is considered as the code amount model.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

ただし、c>0である。すなわち、全符号量モデルを   However, c> 0. That is, the total code amount model is

Figure 2009063761
Figure 2009063761

と置いたことに相当する。ここでは、これを最小にするAを求める方法について述べる。 It is equivalent to placing. Here, a method for obtaining A that minimizes this will be described.

1(d)より決して小さくなることがなく点(b,g1(b))で接する2次関数の中で2次の係数が最小となるのは、 The quadratic coefficient is the smallest among the quadratic functions which are never smaller than g 1 (d) and touch at the point (b, g 1 (b)).

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であり、∀dで、g1(d)≦h1(d,b)が成り立つ。線形予測残差信号diを(X)i−(YA)iに対応させると、 And g 1 (d) ≦ h 1 (d, b) holds at bd. When the linear prediction residual signal d i is made to correspond to (X) i − (YA) i ,

Figure 2009063761
Figure 2009063761

のような不等式が立てられる。行列MとベクトルWをまとめて補助変数Bと表記することにし、上不等式右辺をL1 +(A,B)と置く。ただし、 An inequality such as The matrix M and the vector W are collectively expressed as an auxiliary variable B, and the right side of the upper inequality is set as L 1 + (A, B). However,

Figure 2009063761
Figure 2009063761

である。式(34)より、   It is. From equation (34)

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であるため、L1 +(A,B)はL1(A)の補助関数の定義を満たす。 Therefore, L 1 + (A, B) satisfies the definition of the auxiliary function of L 1 (A).

上記の補助関数を用い、定理1の2つのステップを具体的に示す。まず、Bを固定したときに、L1 +(A,B)を最小化するAを求める。 Using the above auxiliary functions, the two steps of Theorem 1 are specifically shown. First, when B is fixed, A that minimizes L 1 + (A, B) is obtained.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を解くと、   And solving

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を得る。YTMYは正定値対称行列なので、(YTMY)-1はコレスキー分解で求めるのが好適である。次に、L1(A)=L1 +(A,B)となる補助変数Bは、 Get. Since Y T MY is a positive definite symmetric matrix, (Y T MY) −1 is preferably obtained by Cholesky decomposition. Next, the auxiliary variable B that satisfies L 1 (A) = L 1 + (A, B) is

Figure 2009063761
Figure 2009063761

である。   It is.

以上をまとめると、線形予測係数Aの初期値を適当に設定し、式(38)と式(39)を繰り返し計算していけば、式(32)で与えられる全符号量モデルL1(A)を単調減少させていくことができる。 To summarize the above, if the initial value of the linear prediction coefficient A is appropriately set and the equations (38) and (39) are repeatedly calculated, the total code amount model L 1 (A ) Can be monotonously decreased.

[第3の実施例]
この実施例では目的関数L2(A)を、絶対値関数|d|に漸近する双曲線を表す関数g2(d)とする。そして、補助関数L2 +(A,B)を目的関数と(b,g2(b))で接する2次関数(放物線)としている。
[Third embodiment]
In this embodiment, the objective function L 2 (A) is a function g 2 (d) representing a hyperbola asymptotic to the absolute value function | d |. The auxiliary function L 2 + (A, B) is a quadratic function (parabola) in contact with the objective function at (b, g 2 (b)).

すなわち、符号量モデルとして、式(40)に示されるような関数g2(d)を考える。絶対値関数g0(d)と双曲線関数g2(d)(c=1)のグラフを併せて図5に示す。 That is, a function g 2 (d) as shown in Expression (40) is considered as a code amount model. A graph of the absolute value function g 0 (d) and the hyperbolic function g 2 (d) (c = 1) is shown together in FIG.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

すなわち、全符号量モデルを   That is, the total code amount model is

Figure 2009063761
Figure 2009063761

と置いたことに相当する。ここでは、これを最小にするAを求める方法について述べる。   It is equivalent to placing. Here, a method for obtaining A that minimizes this will be described.

2(d)より決して小さくなることがなく、点(b,g2(b))で接する2次関数の中で2次の係数が最小となるのは It is never smaller than g 2 (d), and the quadratic coefficient is the smallest among the quadratic functions that touch at the point (b, g 2 (b)).

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であり、∀dで、g2(d)≦h2(d,b)が成り立つ。g2(d)とb=0,3,5のときのh2(d,b)を図6に示す。線形予測残差信号diを(X)i−(YA)iに対応させると、 And g 2 (d) ≦ h 2 (d, b) holds at ∀d. FIG. 6 shows g 2 (d) and h 2 (d, b) when b = 0, 3, and 5. When the linear prediction residual signal d i is made to correspond to (X) i − (YA) i ,

Figure 2009063761
Figure 2009063761

のような不等式が立てられる。行列MとベクトルWをまとめて補助変数Bと表記することにし、上不等式右辺をL2 +(A,B)と置く。ただし、 An inequality such as The matrix M and the vector W are collectively expressed as an auxiliary variable B, and the right side of the upper inequality is set as L 2 + (A, B). However,

Figure 2009063761
Figure 2009063761

である。式(43)より、   It is. From equation (43)

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であるため、L2 +(A,B)はL2(A)の補助関数の定義を満たす。 Therefore, L 2 + (A, B) satisfies the definition of the auxiliary function of L 2 (A).

上記の補助関数を用い、定理1の2つのステップを具体的に示す。まず、補助変数Bを固定したときに、L2 +(A,B)を最小化するAを求める。 Using the above auxiliary functions, the two steps of Theorem 1 are specifically shown. First, when the auxiliary variable B is fixed, A that minimizes L 2 + (A, B) is obtained.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を解くと、   And solving

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を得る。YTMYは正定値対称行列なので、(YTMY)-1はコレスキー分解で求めるのが好適である。次に、L2(A)=L2 +(A,B)となる補助変数Bは、 Get. Since Y T MY is a positive definite symmetric matrix, (Y T MY) −1 is preferably obtained by Cholesky decomposition. Next, the auxiliary variable B that satisfies L 2 (A) = L 2 + (A, B) is

Figure 2009063761
Figure 2009063761

である。   It is.

以上をまとめると、線形予測係数Aの初期値を適当に設定し、式(47)と式(48)を繰り返し計算していけば、式(41)で与えられる全符号量モデルL2(A)を単調減少させていくことができる。 To summarize the above, if the initial value of the linear prediction coefficient A is appropriately set and the equations (47) and (48) are repeatedly calculated, the total code amount model L 2 (A ) Can be monotonously decreased.

なお、上記で示した補助関数法による反復アルゴリズムの効率を上げるには、Aの初期値は、式(18)で求まった値とするのが望ましい選択の一つである。   In order to increase the efficiency of the iterative algorithm based on the auxiliary function method described above, it is desirable that the initial value of A is a value obtained by Equation (18).

[第4の実施例]
この実施例では目的関数L3(A)を、複数の線分で構成される微分不可能な点に着目して複数の区間に分割し、微分不可能な点を含む区間を前後の区間との境界で接する2次曲線(放物線)を表す関数g3(d)とする。そして、補助関数L3 +(A,B)を目的関数と(b,g3(b))で接する2次関数(放物線)としている。
[Fourth embodiment]
In this embodiment, the objective function L 3 (A) is divided into a plurality of sections focusing on the non-differentiable points composed of a plurality of line segments, and the section including the non-differentiable points is defined as the preceding and following sections. A function g 3 (d) representing a quadratic curve (parabola) that touches at the boundary of. The auxiliary function L 3 + (A, B) is a quadratic function (parabola) that contacts the objective function at (b, g 3 (b)).

すなわち、符号量モデルとして、式(49)に示されるような区分的に0次、1次、2次関数が滑らかに接続する区分関数g3(d)を考える。 That is, a piece function g 3 (d) in which 0th-order, first-order, and second-order functions are smoothly connected piecewise as shown in Expression (49) is considered as the code amount model.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

ただし、cは0<c≦βを満たす範囲で自由に定めてよい定数であり、c→0でg3(d)はg0(d)=|d|に漸近する。微分不可能な点に着目する線分の例を図7に、関数g3(d)の概形を図8に示す。以上の符号量モデルより、全符号量モデルは However, c is a constant that can be freely determined within a range satisfying 0 <c ≦ β, and when c → 0, g 3 (d) gradually approaches g 0 (d) = | d |. FIG. 7 shows an example of a line segment focused on a point that cannot be differentiated, and FIG. 8 shows an outline of the function g 3 (d). From the above code quantity model, the total code quantity model is

Figure 2009063761
Figure 2009063761

で与えられる。g3(d)より決して小さくなることがなく、点(b,g3(b))で接する2次関数の中で2次の係数が最小となるのは Given in. It is never smaller than g 3 (d), and the quadratic coefficient is the smallest among the quadratic functions that touch at the point (b, g 3 (b)).

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であり、∀dで、g3(d)≦h3(d,b)が成り立つ(証明略)。この不等式と、式(49)、式(50)、式(51)より、 And g 3 (d) ≦ h 3 (d, b) holds for ∀d (proof omitted). From this inequality and Equation (49), Equation (50), Equation (51),

Figure 2009063761
Figure 2009063761

のような不等式が立てられる。上記の実施例と同様に、行列MとベクトルWはいずれもN個の補助変数bi(i=1,…,N)に依存するもので、これらをまとめて補助変数Bと表記することにし、上不等式右辺をL3 +(A,B)と置く。ただし、 An inequality such as As in the above embodiment, both the matrix M and the vector W depend on N auxiliary variables b i (i = 1,..., N), and are collectively referred to as auxiliary variables B. , The right side of the upper inequality is set as L 3 + (A, B). However,

Figure 2009063761
Figure 2009063761

である。式(52)より、   It is. From equation (52)

Figure 2009063761
Figure 2009063761

であるため、L3 +(A,B)はL3(A)の補助関数の定義を満たす。 Therefore, L 3 + (A, B) satisfies the definition of the auxiliary function of L 3 (A).

上記の補助関数を用い、定理1の2つのステップを具体的に示す。まず、補助変数Bを固定したときに、L3 +(A,B)を最小化するAを求める。 Using the above auxiliary functions, the two steps of Theorem 1 are specifically shown. First, when the auxiliary variable B is fixed, A that minimizes L 3 + (A, B) is obtained.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を解くと、   And solving

Figure 2009063761
Figure 2009063761

を得る。YTMYは正定値対称行列なので、(YTMY)-1はコレスキー分解で求めるのが好適である。次に、L3(A)=L3 +(A,B)となる補助変数Bは、式(57)のように、前段で求まったAにより得られる残差(X)i−(YA)iをbiに代入して行列MとベクトルWを計算することで得られる。 Get. Since Y T MY is a positive definite symmetric matrix, (Y T MY) −1 is preferably obtained by Cholesky decomposition. Next, an auxiliary variable B satisfying L 3 (A) = L 3 + (A, B) is a residual (X) i − (YA) obtained by A obtained in the previous stage as shown in Expression (57). It is obtained by substituting i into b i and calculating the matrix M and the vector W.

Figure 2009063761
Figure 2009063761

以上より、Aの初期値を設定し、式(56)と式(57)を繰り返し計算していけば、式(50)で与えられる全符号量モデルL3(A)を単調減少させていくことができる。実施例では、一例として目的関数の不連続点の前後に接する曲線として2次曲線により説明したが、2つの接点間で単調増加または、単調減少する関数であれば2次曲線以外の曲線を用いても本願発明は実施可能である。すなわち、目的関数が微分不能な点を有する場合に、その目的関数の微分不能な点の前後の点で滑らかに接する接点を有し、これら2つの接点区間で単調増加または単調減少する関数により目的関数の接点区間を置き換えた関数を、目的関数とすることが可能である。 From the above, if the initial value of A is set and the equations (56) and (57) are repeatedly calculated, the total code amount model L 3 (A) given by the equation (50) is monotonously decreased. be able to. In the embodiment, a quadratic curve has been described as an example of a curve that touches before and after the discontinuous point of the objective function, but a curve other than the quadratic curve is used as long as it is a function that monotonously increases or decreases monotonously between two contact points. However, the present invention can be implemented. That is, when the objective function has a non-differentiable point, the objective function has a contact point that touches smoothly at the points before and after the non-differentiable point of the objective function, and the objective function increases or decreases monotonically in these two contact sections. A function obtained by replacing the contact section of the function can be set as an objective function.

[発明によって生じる効果]
本発明による手法を用いると、線形回帰モデルにおいて誤差ベクトルの要素が独立にラプラス分布に従うという仮定のもとでの回帰係数ベクトルの最尤解(残差(誤差)ベクトルの要素の絶対値和を最小化する回帰係数ベクトル)ないしその近似解を効率良く求めることができる。この発明が特に効果を発揮する応用場面は、シンプレックス法では計算量が非現実的に膨大となってしまう大規模な(説明変数行列や回帰係数ベクトルのサイズが大きい)線形回帰分析の問題においてである。このような応用場面に直接的に当てはまる具体例は、上記「発明が解決しようとする課題」で示したとおり、線形予測分析に基づく無歪(ロスレス)圧縮符号化である。
[Effects of the invention]
When the method according to the present invention is used, the maximum likelihood solution of the regression coefficient vector (the absolute value sum of the elements of the residual (error) vector) under the assumption that the elements of the error vector independently follow the Laplace distribution in the linear regression model. The regression coefficient vector to be minimized) or its approximate solution can be obtained efficiently. The application scene in which the present invention is particularly effective is in the problem of large-scale linear regression analysis (the size of the explanatory variable matrix and the regression coefficient vector is large) in which the amount of calculation becomes unrealistically enormous in the simplex method. is there. A specific example directly applicable to such an application situation is distortion-free (lossless) compression coding based on linear prediction analysis, as shown in the above-mentioned “problem to be solved by the invention”.

この他に考えられるのは、音声スパース性に基づく多チャンネルブラインド音源分離、スパースコーディング、スパース非負行列因子分解など、スパース性を最適性の尺度として導入した問題等である(何らかのベクトルないし行列の要素のうち少数を除きすべてがほぼ0であるとき、そのベクトルないし行列は「スパースである」という。)。スパースコーディング、および、スパース非負行列因子分解は、スパースな係数ベクトルによる基底の線形結合(出来るだけ少ない基底だけ)で観測信号を良く表そうとする方法論であり、画像認識や音楽の音高認識など多方面の分野に応用されている。ベクトルのスパース性は、L1ノルムにより測ることができる(行列のスパース性に関しては、行列の各列ベクトルのL1ノルムの総和をとったものにより測ることができる)ことから、本発明が上記応用においても効果を発揮することが予想される。   Other possible problems include the introduction of sparsity as a measure of optimality, such as multi-channel blind source separation based on speech sparsity, sparse coding, and sparse non-negative matrix factorization (elements of some vector or matrix). When all but a few of them are nearly zero, the vector or matrix is said to be "sparse.") Sparse coding and sparse non-negative matrix factorization are methodologies that try to represent the observed signal well by linear combination of the basis by sparse coefficient vectors (only as few basis as possible), such as image recognition and music pitch recognition. It is applied to various fields. Since the sparsity of a vector can be measured by the L1 norm (the sparsity of a matrix can be measured by the sum of the L1 norms of each column vector of the matrix), the present invention is applied in the above application. Is expected to be effective.

[本発明のポイント]
本発明は、線形予測分析において予測誤差信号の符号量を小さくする予測係数の算出方法についてなされたものであり、振幅値に対するライス符号の符号量の関数を良く似せた関数を用いて目的関数を設計し、これを最小化する予測係数を効率良く求めるための方法である。この方法において、
1.補助関数法を用いているという点(上述した補助関数設計の基本的方針によって補助関数は目的関数に接する2次関数(2次曲線)に基づいて設計することができる)、
2.目的関数(最適化の規準となる尺度)を、
(ア)予測誤差ベクトルの要素の絶対値和として表した符号量関数、ないし、
(イ)台形関数に基づいて設計した符号量関数(式(46))、ないし、
(ウ)目的関数が微分不能な点を有する場合に、その目的関数の微分不能な点の前後の点で滑らかに接する接点を有し、これら2つの接点区間で単調増加または単調減少する関数により目的関数の接点区間を置き換えた関数を目的関数とする点、
具体例としては、
(ウ−1)絶対値関数を良く近似したものでありかつ不連続点のない滑らかな関数に基づいて設計した(ア)の近似関数、
(ウ−2)台形関数を良く近似したものでありかつ不連続点のない滑らかな関数に基づいて設計した(イ)の近似関数などがあり、
3.上記(ウ−1)のようにした場合に、絶対値関数を近似する滑らかな関数として、絶対値関数の不連続点付近だけを2次曲線に置き換えた関数(式(28))や、双曲線関数(式(37))などを採用する点、
4.上記(ウ−2)のようにした場合に、台形関数を近似する滑らかな関数として、0次、1次、2次関数が滑らかに接続する区分関数(式(48))などを採用する点、
5.補助関数を、上記(ア)〜(ウ)の関数に接する2次曲線に基づいて設計しているという点、
が本発明の主たるポイントである。
[Points of the present invention]
The present invention is a method for calculating a prediction coefficient that reduces the code amount of a prediction error signal in linear prediction analysis. The objective function is obtained by using a function that closely resembles the function of the code amount of the Rice code with respect to the amplitude value. It is a method for efficiently obtaining a prediction coefficient that is designed and minimizes this. In this way,
1. The use of the auxiliary function method (the auxiliary function can be designed based on a quadratic function (quadratic curve) in contact with the objective function according to the basic policy of the auxiliary function design described above),
2. The objective function (a standard for optimization)
(A) A code amount function expressed as a sum of absolute values of elements of a prediction error vector, or
(B) Code amount function designed based on trapezoidal function (formula (46)), or
(C) When the objective function has a non-differentiable point, it has a contact point that touches smoothly at points before and after the non-differentiable point of the objective function, The function that replaces the contact section of the objective function is the objective function,
As a specific example,
(C-1) An approximation function of (a) designed based on a smooth function that is a good approximation of an absolute value function and has no discontinuities.
(C-2) There is an approximation function of (a) designed based on a smooth function that is a good approximation of a trapezoidal function and has no discontinuities,
3. In the case of (c-1) above, as a smooth function approximating the absolute value function, a function (formula (28)) in which only the discontinuity of the absolute value function is replaced with a quadratic curve, or a hyperbola Point that adopts function (formula (37))
4). In the case of (c-2) above, as a smooth function approximating a trapezoidal function, a piecewise function (equation (48)) in which 0th-order, first-order, and second-order functions are smoothly connected is adopted. ,
5). The auxiliary function is designed based on a quadratic curve that touches the above functions (a) to (c),
These are the main points of the present invention.

[評価実験結果]
本発明の提案法の効果を確認するため、音響信号を対象として圧縮性能の評価実験を行った。本実験の目的は、提案法の原理を実証することだけでなく、LPC(Linear Predictive Coding − 線形予測符号化)に基づく可逆圧縮符号化において残差の符号量削減の余地がどの程度残されているのかを見極めることである。評価実験用に、サンプリング周波数44.1kHz、16ビットで収録されたステレオの音楽ファイル10個を実験データ(合計約432MB)として用いた。LPC分析フレーム長は2048サンプルとした。
[Results of evaluation experiment]
In order to confirm the effect of the proposed method of the present invention, an evaluation experiment of compression performance was performed for acoustic signals. The purpose of this experiment is not only to demonstrate the principle of the proposed method, but also how much room is left to reduce the residual code amount in lossless compression coding based on LPC (Linear Predictive Coding). It is to determine whether there is. For the evaluation experiment, 10 stereo music files recorded at a sampling frequency of 44.1 kHz and 16 bits were used as experimental data (total of about 432 MB). The LPC analysis frame length was 2048 samples.

L2ノルムを規準としたLPCをLevinson-Durbinアルゴリズムにより行う従来の方式を従来法、従来法で得られた予測係数を初期値として、L2(A)およびL3(A)を規準としたLPCを提案する反復最適化アルゴリズムにより行う方式をそれぞれ提案法1、提案法
2と略称する。提案法1および提案法2の反復計算回数は10とした。なお、各方式ではいずれもチャネル間相関に基づく圧縮は行っていない。また、LPCの予測次数(式(21)におけるpは固定とした。
Conventional methods conventional method which performs LPC in which the L2 norm criterion by Levinson-Durbin algorithm, prediction coefficients obtained by the conventional method as an initial value, and the criteria for L 2 (A) and L 3 (A) LPC Proposed method 1 and proposed method are respectively performed by the iterative optimization algorithm.
Abbreviated as 2. The number of iterations for proposed method 1 and proposed method 2 is 10. In each method, compression based on inter-channel correlation is not performed. The predicted order of LPC (p in equation (21) was fixed).

2(A)はL2ノルムに比べてRice符号量に則した目的関数となっているため、従来法に比べ、提案法1の圧縮率は向上するものと予想される。一方、L3(A)はL2(A)に比べてよりRice符号量に則した目的関数となっているため、提案法1に比べ、提案法2の圧縮率は若干向上するものと予想される。 Since L 2 (A) is an objective function in accordance with the Rice code amount as compared with the L 2 norm, the compression rate of the proposed method 1 is expected to be improved as compared with the conventional method. On the other hand, since L 3 (A) is an objective function that is more in line with the Rice code amount than L 2 (A), the compression rate of Proposed Method 2 is expected to be slightly improved compared to Proposed Method 1. Is done.

従来法、提案法1、提案法2それぞれについての、予測次数が7,15,31の場合の圧縮率を図9に示す。圧縮率は、次のように算出した。圧縮率(%)=圧縮後のファイルサイズ/元のファイルサイズ×100。図9から、予想通り、提案法2による圧縮率が最も高く、次いで提案法1による圧縮率が高いことが確認された。   FIG. 9 shows the compression rates when the predicted orders are 7, 15, and 31 for the conventional method, the proposed method 1, and the proposed method 2, respectively. The compression rate was calculated as follows. Compression rate (%) = compressed file size / original file size × 100. From FIG. 9, as expected, it was confirmed that the compression rate by the proposed method 2 was the highest, and then the compression rate by the proposed method 1 was high.

なお、本発明の実施の形態は、上記のものに限定されず、音声予測符号化における線形予測算出に限らず線形回帰モデル全般で利用可能であり、また、たとえば図1の各部を統合したり、あるいはさらに分割したりして構成することや、繰り返し回数判定部5の判定内容を、算出の繰り返し回数や算出結果に基づいて所定の条件を満たすか否かの判定を行うものに変更することなどが可能である。また、本発明の線形予測係数算出装置は、コンピュータとコンピュータで実行されるプログラムとを用いて構成することができるが、その場合のプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体または通信回線を介して頒布することが可能である。   The embodiment of the present invention is not limited to the above, but can be used not only for linear prediction calculation in speech predictive coding but also for general linear regression models, and for example, the units shown in FIG. Or, it can be further divided, or the determination content of the repetition number determination unit 5 can be changed to one that determines whether or not a predetermined condition is satisfied based on the number of repetitions of calculation and the calculation result. Etc. are possible. The linear prediction coefficient calculation apparatus of the present invention can be configured using a computer and a program executed by the computer. The program in that case is distributed via a computer-readable recording medium or a communication line. Is possible.

本発明の線形予測係数算出装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the linear prediction coefficient calculation apparatus of this invention. 図1の構成の動作を説明するためのフローチャートである。2 is a flowchart for explaining the operation of the configuration of FIG. 1. 図1の構成において利用する目的関数と補助関数を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the objective function and auxiliary function which are utilized in the structure of FIG. 本発明の第1の実施例における補助関数法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the auxiliary function method in 1st Example of this invention. 本発明の第3の実施例における補助関数法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the auxiliary function method in the 3rd Example of this invention. 本発明の第3の実施例における補助関数法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the auxiliary function method in the 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例における補助関数法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the auxiliary function method in the 4th Example of this invention. 本発明の第4の実施例における補助関数法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the auxiliary function method in the 4th Example of this invention. 本発明と従来法との符号量の比較を示す図であるIt is a figure which shows the comparison of the code amount of this invention and the conventional method. 従来の音声予測符号化装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional audio | voice prediction encoding apparatus. ライス符号で振幅値dに対して割り当てられる符号量g(d)を示す図である。It is a figure which shows the code amount g (d) allocated with respect to the amplitude value d with a Rice code.

符号の説明Explanation of symbols

1 残差算出部
2 係数初期化部
3 補助変数算出部
4 係数算出部
5 繰り返し回数判定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Residual calculation part 2 Coefficient initialization part 3 Auxiliary variable calculation part 4 Coefficient calculation part 5 Iteration number determination part

Claims (8)

線形予測係数を初期化する係数初期化過程と、
入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出過程と、
残差算出過程で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数及び補助変数をパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出過程と、
補助変数算出過程で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出過程と、
補助変数算出過程及び係数算出過程の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出過程、補助変数算出過程及び係数算出過程を行わせる判定過程と
を含んでいることを特徴とする線形予測係数算出方法。
A coefficient initialization process to initialize the linear prediction coefficients;
A residual calculation process for calculating a residual vector from the input signal and the linear prediction coefficient at that time;
Using the residual vector calculated in the residual calculation process, the linear prediction coefficient at that time, the objective function representing the residual code amount with the linear prediction coefficient as a parameter, and the objective function with the linear prediction coefficient and auxiliary variable as parameters An auxiliary variable calculation process for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to an auxiliary function that is equal to or greater than
A coefficient calculation process for calculating a linear prediction coefficient that substantially minimizes the auxiliary function with the auxiliary variable calculated in the auxiliary variable calculation process,
It is determined whether or not the repetition of the auxiliary variable calculation process and the coefficient calculation process satisfies a predetermined condition, and if not, the residual calculation process, the auxiliary variable calculation process, and the determination process for performing the coefficient calculation process are included. A linear prediction coefficient calculation method characterized by
前記補助関数が、前記目的関数に接する2次曲線に基づくものである
ことを特徴とする請求項1に記載の線形予測係数算出方法。
The linear prediction coefficient calculation method according to claim 1, wherein the auxiliary function is based on a quadratic curve in contact with the objective function.
前記目的関数が微分不能な点を有する場合に、該目的関数の微分不能な点の前後の点で滑らかに接する接点を有し、これら2つの接点区間で単調増加又は単調減少する関数により目的関数の接点区間を置き換えた関数を、目的関数とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の線形予測係数算出方法。   When the objective function has a non-differentiable point, the objective function has a contact point that touches smoothly at points before and after the non-differentiable point of the objective function, and the objective function is a function that monotonously increases or decreases monotonically in these two contact points. The linear prediction coefficient calculation method according to claim 1, wherein a function obtained by replacing the contact section is an objective function. 線形予測係数を初期化する係数初期化手段と、
入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出手段と、
残差算出手段で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数と補助変数とをパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出手段と、
補助変数算出手段で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出手段と、
補助変数算出手段による補助変数の算出及び係数算出手段による線形予測係数の算出の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出手段、補助変数算出手段及び係数算出手段による各算出を行わせる判定手段と
を具備することを特徴とする線形予測係数算出装置。
Coefficient initialization means for initializing linear prediction coefficients;
A residual calculation means for calculating a residual vector from the input signal and the linear prediction coefficient at that time;
Using the residual vector calculated by the residual calculation means, the objective function representing the residual code amount using the linear prediction coefficient as a parameter, the linear prediction coefficient as a parameter, and the linear prediction coefficient and auxiliary variable as parameters An auxiliary variable calculating means for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to an auxiliary function that is equal to or larger than the function;
Coefficient calculation means for calculating a linear prediction coefficient that makes the auxiliary function substantially minimum with the auxiliary variable calculated by the auxiliary variable calculation means;
It is determined whether the repetition of the calculation of the auxiliary variable by the auxiliary variable calculation unit and the calculation of the linear prediction coefficient by the coefficient calculation unit satisfies a predetermined condition, and if not, the residual calculation unit, the auxiliary variable calculation unit, A linear prediction coefficient calculation apparatus comprising: determination means for performing each calculation by a coefficient calculation means.
前記補助関数が、前記目的関数に接する2次曲線に基づくものである
ことを特徴とする請求項4に記載の線形予測係数算出装置。
The linear prediction coefficient calculation apparatus according to claim 4, wherein the auxiliary function is based on a quadratic curve in contact with the objective function.
前記目的関数が微分不能な点を有する場合に、該目的関数の微分不能な点の前後の点で滑らかに接する接点を有し、これら2つの接点区間で単調増加又は単調減少する関数により目的関数の接点区間を置き換えた関数を、目的関数とすることを特徴とする請求項4又は5に記載の線形予測係数算出装置。   When the objective function has a non-differentiable point, the objective function has a contact point that touches smoothly at points before and after the non-differentiable point of the objective function, and the objective function is a function that monotonously increases or decreases monotonically in these two contact points. 6. The linear prediction coefficient calculation apparatus according to claim 4, wherein a function obtained by replacing the contact section is an objective function. 線形予測係数を初期化する係数初期化過程と、
入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出過程と、
残差算出過程で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数及び補助変数をパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出過程と、
補助変数算出過程で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出過程と、
補助変数算出過程及び係数算出過程の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出過程、補助変数算出過程及び係数算出過程を行わせる判定過程と
をコンピュータによって実行させるための指令を含んでいることを特徴とする線形予測係数算出プログラム。
A coefficient initialization process to initialize the linear prediction coefficients;
A residual calculation process for calculating a residual vector from the input signal and the linear prediction coefficient at that time;
Using the residual vector calculated in the residual calculation process, the linear prediction coefficient at that time, the objective function representing the residual code amount with the linear prediction coefficient as a parameter, and the objective function with the linear prediction coefficient and auxiliary variable as parameters An auxiliary variable calculation process for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to an auxiliary function that is equal to or greater than
A coefficient calculation process for calculating a linear prediction coefficient that substantially minimizes the auxiliary function with the auxiliary variable calculated in the auxiliary variable calculation process,
It is determined whether the repetition of the auxiliary variable calculation process and the coefficient calculation process satisfies a predetermined condition. If not, the residual calculation process, the auxiliary variable calculation process, and the determination process for performing the coefficient calculation process are performed by a computer. A linear prediction coefficient calculation program characterized by including a command to be executed by.
線形予測係数を初期化する係数初期化過程と、
入力信号とその時点の線形予測係数から残差ベクトルを算出する残差算出過程と、
残差算出過程で算出された残差ベクトルを用いて、その時点の線形予測係数で、線形予測係数をパラメータとして残差符号量を表す目的関数と、線形予測係数及び補助変数をパラメータとして目的関数と等しいか又は大きくなる補助関数とが略等しくなる補助変数を算出する補助変数算出過程と、
補助変数算出過程で算出された補助変数で、補助関数を略最小とする線形予測係数を算出する係数算出過程と、
補助変数算出過程及び係数算出過程の繰り返しが所定の条件を満たすか否かを判定し、満たしていない場合には残差算出過程、補助変数算出過程及び係数算出過程を行わせる判定過程と
をコンピュータによって実行させるための指令を含んでいることを特徴とする線形予測係数算出プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
A coefficient initialization process to initialize the linear prediction coefficients;
A residual calculation process for calculating a residual vector from the input signal and the linear prediction coefficient at that time;
Using the residual vector calculated in the residual calculation process, the linear prediction coefficient at that time, the objective function representing the residual code amount with the linear prediction coefficient as a parameter, and the objective function with the linear prediction coefficient and auxiliary variable as parameters An auxiliary variable calculation process for calculating an auxiliary variable that is substantially equal to an auxiliary function that is equal to or greater than
A coefficient calculation process for calculating a linear prediction coefficient that substantially minimizes the auxiliary function with the auxiliary variable calculated in the auxiliary variable calculation process,
It is determined whether the repetition of the auxiliary variable calculation process and the coefficient calculation process satisfies a predetermined condition. If not, the residual calculation process, the auxiliary variable calculation process, and the determination process for performing the coefficient calculation process are performed by a computer. The computer-readable recording medium which recorded the linear prediction coefficient calculation program characterized by including the instruction | command for performing by this.
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