JP2009086661A - 楽音波形の情報圧縮方法、情報伸長方法、情報圧縮のためのコンピュータプログラム、情報圧縮装置、情報伸長装置及びデータ構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】標準振幅NX(i)は限界値Xtから差し引かれ、振幅差値RNX(i)が求められる(ステップ11)。
RNX(i)=SIG{NX(i)}×〔Xt−ABS{NX(i)}〕…(7)
SIG{NX(i)}:NX(i)が負なら「−1」、負ではないなら「1」
ABS{NX(i)}:{NX(i)}の絶対値
この振幅差値RNX(i)は、8ビットの浮動小数点表記FRNX(i)とされる。これにより、上記楽音波形の振幅値X(i)は、上記楽音波形の限界値Xと、上記楽音波形の振幅値X(i)との差に変換され、楽音波形の振幅Xが大きいときに、量子化の精度がより細かくされる。この圧縮楽音波形は図17、18、19の回路で伸長復元される。
【選択図】図16
Description
図1は、楽音波形の情報圧縮方法及び情報伸長方法を実現する全体回路、情報圧縮方法のためのコンピュータプログラムを実行する全体回路、並びに情報圧縮装置、情報伸長装置、楽音制御装置、自動演奏装置または電子楽器の全体回路1を示す。
図2は上記楽音信号発生部5を示す。アサインメントメモリ40の各チャンネルエリアから順次読み出された各チャンネルのキーナンバデータKN及びオン/オフデータに基づき、楽音波形読出回路41によって、楽音波形メモリ42(バッファ)から楽音波形データMWが読み出される。この読み出された楽音波形データMWは、乗算器43でエンベロープ波形データENが乗算され、累算器44で全チャンネル分が累算されて上記サウンドシステム6へ送られる。
図3は楽音波形の圧縮処理のフローチャートを示す。この処理は操作者によって所定の指示がなされたときに開始される。まず、上記マイク16またはミディ回路15を通じて取り込まれた楽音波形が所定周期でサンプリング(標本化)され、プログラム/データ記憶部4に記憶される(ステップ01)。
lim(1/T)∫s(k)・s(k+τ)dt
∫:一フレーム/一周期分の積分
T:一フレーム/一周期の長さ
k:フレーム内の全サンプルポイント数のk番目
τ:遅れ時間lag
s(k):サンプリング(標本化)された楽音波形のフレーム内でのk番目の振幅値(サンプル値)
c(i)=Σs(k)×exp(−j×2πik/n)…(1)
ここで離散コサイン変換でも同様の変換ができる。この離散コサイン変換は以下の式でコントローラ2によって演算される。
c(i)=Σs(k)×cos{i×π(2k+1)/2n}…(2)
n:フレーム内の全サンプルポイント数
k:フレーム内の全サンプルポイント数のk番目
i:各周波数成分の各スペクトル値のi番目
j:虚数単位(√−1)
c(i)=X(i):i番目の周波数成分のスペクトル値(フーリエ変換では複素数、コサイン変換では実数)、振幅値
2πi:i番目の周波数成分(角周波数)の周期
Σ:k=0〜n−1の全累計
X(i)=√(RE(i)2+IM(i)2)…(3)
P(i)=tan-1{IM(i)/RE(i)}…(4)
√は続く()内の平方根を求めることを示す。
NX(i)=X(i)×Xt/Xmax…(5)
NX(i):標準化された振幅値データ
Xmax:最大値または最大絶対値(離散コサイン変換)
最大値Xmax及び限界値Xtはプログラム/データ記憶部4などに、後述する圧縮された楽音波形データの一部として記憶されている。
Xt=2m−1…(6)
RNX(i)=SIG{NX(i)}×〔Xt−ABS{NX(i)}〕…(7)
RNX(i):振幅差値データ
SIG{NX(i)}:NX(i)が負なら「−1」、負ではないなら「1」
ABS{NX(i)}:{NX(i)}の絶対値
図5及び図6は圧縮された楽音波形データのデータ構造の半フレームずれた二フレームを示す。離散フーリエ変換などを用いた場合、8ビットの振幅差値FRNX(i)は一周期分の変換結果である、16ワード全てではなく、前半の9ワードのみが記憶される。残りの後半の7ワードは、記憶される前半の9ワードから再現される。離散コサイン変換などを用いた場合、一フレーム分の変換結果である16ワード全てが記憶される。
上記振幅差値RNX(i)は、上述の下記(5)式で求められ、標準振幅NX(i)がマイナスの逆特性にされる。
RNX(i)=SIG(NX(i))×〔Xt−ABS{NX(i)}〕…(5)
図7は差分圧縮の演算処理のフローチャートを示す。この処理は操作者によって所定の指示がなされたときに開始されたり、上記図3の楽音波形圧縮処理の後に続けて実行されたりする。この処理では、上記図3の楽音波形の圧縮処理によって求められた、図5及び図6の圧縮記憶された楽音波形データにつき、1フレームごとの差分が求められてさらに圧縮記憶される。
図8及び図9は上記図7の処理によって差分圧縮された楽音波形データのデータ構造の半フレームずれた二フレームを示す。この楽音波形データは8ビット×19ワード=152ビットを示す。差分振幅ΔFRNX(0)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(1)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(2)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(3)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(4)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(5)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(6)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(7)(4ビット)、差分振幅ΔFRNX(8)は、2つずつ一緒に8ビット形式で記憶される。
図10、図11、図12、図13、図14、図15は上記圧縮された楽音波形データ及び差分圧縮された楽音波形データのデータ構造の具体例を示す。図10は、図11に示す楽音波形についての各データを示す。図13は、図14に示す余弦波形の楽音波形についての各データを示す。
図17は上記楽音伸長復元回路46を示す。上記プログラム/データ記憶部4または情報記憶部7からコントローラ2などによって読み出された、圧縮された楽音波形データMW(振幅データ)は、楽音波形展開回路21で展開つまり差分形式FRNX(i)から真値形式RNX(i)に変換され、奇数番目のフレームと偶数番目のフレームに分けられる。
s(k)=(1/n)Σc(i)×exp{−(j×2πik/n)}…(11)
上記逆変換回路26、36における、コサイン逆変換、以下の式であらわされる。
s(k)=(2/n)〔c(0)/2+Σc(i)×cos{i×π(2k+1)/2n}〕…(12)
n:フレーム内の全サンプルポイント数
k:フレーム内の全サンプルポイント数のk番目
i:各周波数成分の各スペクトル値のi番目
j:虚数単位(√−1)
c(i)=X(i):i番目の周波数成分のスペクトル値(フーリエ変換では複素数、コサイン変換では実数)(上記c(i)と同じ)、振幅値
2πi:i番目の周波数成分(角周波数)の周期
Σ:i=0〜n−1の全累計
図18は上記楽音波形展開回路21を示す。アドレスジェネレータ51で発生された読み出しアドレスは、上記プログラム/データ記憶部4または情報記憶部7に送られ、差分形式の圧縮された楽音波形データMW(振幅データ)が読みだされ、セレクタ52、62を経て、差分バッファ53、63にストアされ、浮動小数点形式の加算器54、64でそれまで累算されてきた振幅データ(楽音波形データMW)にさらに累算され、上記リニア化回路22、32に送られる。
図19は上記クロスフェード回路28を示す。アドレスジェネレータ71で発生された読み出しアドレスは、コサインテーブル72、82に送られ、コサイン波形が読み出され、上記バッファメモリ27、37からの上記伸長復元された楽音波形データMW(振幅データ)に乗算器73、83で乗算され、加算器74で加算合成されて、上記楽音波形メモリ(バッファ)42に出力されストアされる。
コサインテーブル72のコサイン波形は以下の通りである。
1+(1/2)cos(2πt/T)…(13)
T:一フレーム/一周期の長さ
t:楽音波形データMW(実時間)の読み出しアドレス
コサインテーブル82のコサイン波形は以下の通りである。
1−(1/2)cos(2πt/T)…(14)
したがって、コサインテーブル72のコサイン波形とコサインテーブル82のコサイン波形とは加算すると、常に「1」となる。
図21はコントローラ(CPU)2によって実行される全体処理のフローチャートを示す。この処理全体は本成分音合成装置の電源オンによって開始され、電源オフまで繰り返し実行される。まず、コントローラ(CPU)2内のメモリの初期化など種々の後述するイニシャライズ処理が行われる(ステップ01)。
図22は上記ステップ03のイベント処理のフローチャートを示す。上記検出されたイベントが音色の設定であれば(ステップ11)、音色の設定処理が行われる(ステップ12)。また、検出されたイベントがキーボード11のキーのオンであれば(ステップ13)、発音処理が開始される(ステップ14)。
図23は上記ステップ12の音色設定処理のフローチャートを示す。上記設定された音色のトーンナンバデータがコントローラ2内のRAMなどに記憶される(ステップ21)。そして、このトーンナンバデータに応じた圧縮楽音波形データMWがプログラム/データ記憶部4または情報記憶部7が読み出され、図17、図18、図19の楽音伸長復元回路46で伸長復元が開始され、楽音波形メモリ(バッファ)42に先頭フレームの伸長復元された楽音波形データMWがストアされる(ステップ22)。楽音波形展開回路21の圧縮楽音波形データMWの展開(伸長復元)も開始
図24は上記ステップ14の発音処理のフローチャートを示す。まず、空きチャンネルがサーチされ、割り当てるチャンネルが決定され、このチャンネルに当該音色に関するデータが移動され(ステップ31)、アタック、ディケイ、サスティーンなどのエンベロープなどのパラメータ演算等が行われ(ステップ32)、発音開始の指示が行われ、上記一番目の奇数番目フレームの楽音波形データMWに基づいて発音が開始され、次の二番目の偶数番目フレームの楽音波形データMWの伸長復元が開始され、以降順次、奇数番目フレームと偶数番目フレームとが交互に伸長復元されていき、これにアタック、ディケイ、サスティーンのエンベロープが乗算合成されていく(ステップ32)。
図25は上記ステップ16の消音処理のフローチャートを示す。まず、キーオフに係る楽音が割り当てられているチャンネルがサーチされ、このチャンネルの楽音がオフに切り換えられ(ステップ41)、リリースのエンベロープなどのパラメータ演算等が行われ(ステップ42)、発音終了の指示が行われ、伸長復元されている楽音波形データMWに、リリースのエンベロープが乗算合成されていく(ステップ42)。
本件発明は上記実施例に限定されず、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記フーリエ変換、コサイン変換は、「時間軸に沿ったデータから周波数軸に沿ったデータへの変換」を意味し、「時間軸に沿ったデータから周波数軸に沿ったデータへの変換」ができれば、フーリエ変換、コサイン変換以外の変換が、上記フーリエ変換、コサイン変換の代わりに実行されてもよい。
[1]コントローラが、 所定の時間長で切り出された楽音波形をフーリエ変換させ、 このフーリエ変換された情報につき、振幅成分及び位相成分を量子化させ、 この量子化を上記楽音波形の振幅が小さいときに比べて大きいときに、より細かくさせることを特徴とする楽音波形の情報圧縮方法。
上記請求項5における楽音波形の伸長処理は、この重複して圧縮された複数の楽音波形につき並行して実行され、 この伸長された複数の楽音波形は合成されて出力され、この合成される各楽音波形の重み付けは、上記位相のずれた各時間長の中央付近で大きくされ、当該時間長の端付近で小さくされることを特徴とする請求項3または5記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。これにより、楽音波形データ(振幅データ)の伸長復元で、ノイズの出る各時間長(フレーム)の端付近で重み付けが小さくされ、ノイズが出にくくなる。
RNX(i)=SIG{NX(i)}×〔Xt−ABS{NX(i)}〕…(7)
ABS{NX(i)}:{NX(i)}の絶対値
この振幅差値RNX(i)は、8ビットの浮動小数点表記FRNX(i)とされる。これにより、上記楽音波形の振幅値X(i)は、上記楽音波形の限界値Xと、上記楽音波形の振幅値X(i)との差に変換され、楽音波形の振幅Xが大きいときに、量子化の精度がより細かくされる。この圧縮楽音波形は図17、18、19の回路で伸長復元される。
3…タイミング発生部、4…プログラム/データ記憶部、
5…楽音信号発生部、6…サウンドシステム、7…情報記憶部、
11…キーボード、12…キーボードスキャン回路、
13…パネルスイッチ群、14…スイッチスキャン回路、
15…ミディ回路、16…マイク、17…音響変換回路、
21…楽音波形展開回路、22、32…リニア化回路、
23、33…加算器(減算器)、24、34…乗算器、
25、35…バッファメモリ、26、36…逆変換回路、
27、37バッファメモリ、28…クロスフェード回路、
40…アサインメントメモリ、41…楽音波形読出回路、
42…楽音波形メモリ(バッファ)、43…乗算器、44…累算器、
45…エンベロープジェネレータ、46…楽音伸長復元回路、
51…アドレスジェネレータ、52、62…セレクタ、
53、63…差分バッファ、54、64…加算器、
55、65…セレクタ、56、66…トップバッファ、
71…アドレスジェネレータ、72、82…コサインテーブル
73、83…乗算器、74…加算器74。
Claims (17)
- コントローラが、
所定の時間長で切り出された楽音波形をフーリエ変換またはコサイン変換させ、
このフーリエ変換またはコサイン変換された情報につき、振幅成分を量子化させ、場合によって位相成分も量子化させ、
この量子化を上記楽音波形の振幅が小さいときに比べて大きいときに、より細かくさせることを特徴とする楽音波形の情報圧縮方法。 - コンピュータに対して、
所定の時間長で切り出された楽音波形をフーリエ変換またはコサイン変換させる処理と、
このフーリエ変換またはコサイン変換された情報につき、振幅成分を量子化させ、場合によって位相成分も量子化させる処理と、
この量子化を上記楽音波形の振幅が小さいときに比べて大きいときに、より細かくさせる処理とを実行させること特徴とする楽音波形の情報圧縮のためのコンピュータプログラム。 - 所定の時間長で切り出された楽音波形をフーリエ変換またはコサイン変換する手段と、
このフーリエ変換またはコサイン変換された情報につき、振幅成分を量子化し、場合によって位相成分も量子化する手段と、
この量子化を上記楽音波形の振幅が小さいときに比べて大きいときに、より細かくする手段を備えたことを特徴とする楽音波形の情報圧縮装置。 - 上記請求項1の情報圧縮方法、上記請求項2の情報圧縮のためのコンピュータプログラム、または上記請求項3の情報圧縮装置によって圧縮された量子化された楽音波形を伸長し、場合によって量子化された位相成分も付加し、
この伸長された楽音波形の復元において、上記楽音波形の振幅が小さいときに比べて大きいときに、より細かくされた量子化の復元を行い、
この復元された楽音波形をフーリエ逆変換またはコサイン逆変換することを特徴とする楽音波形の情報伸長方法。 - 上記請求項1の情報圧縮方法、上記請求項2の情報圧縮のためのコンピュータプログラム、または上記請求項3の情報圧縮装置によって圧縮された量子化された楽音波形を伸長し、場合によって量子化された位相成分も付加し、
この伸長された楽音波形の復元において、上記楽音波形の振幅が小さいときに比べて大きいときに、より細かくされた量子化の復元を行う手段と、
この復元された楽音波形をフーリエ逆変換またはコサイン逆変換する手段とを備えたことを特徴とする楽音波形の情報伸長装置。 - 上記量子化を、上記楽音波形の位相成分に対して振幅成分をより細かくすることを特徴とする請求項3または5記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。
- 上記所定の時間長は、上記楽音波形の一周期にほぼ一致していることを特徴とする請求項3、5または6記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。
- 上記楽音波形の取り得る最大振幅の限界値に対する当該楽音波形の最大値の比率が、上記楽音波形の振幅成分に演算されることを特徴とする請求項3、5、6または7記載の情報圧縮装置または情報伸長装置または情報伸長装置。
- 上記楽音波形の振幅成分は、上記楽音波形の取り得る最大振幅の限界値と、上記楽音波形の振幅成分との差に変換されることを特徴とする請求項3、5、6、7または8記載の情報圧縮装置または情報伸長装置または情報伸長装置。
- 上記楽音波形は周期的であり、このうちのある周期の楽音波形と、この周期の前または後の周期の楽音波形とにつき、当該両周期上の同じ位置における振幅成分の差分を求めることを特徴とする請求項3、5、6、7、8または9記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。
- 上記楽音波形は周期的であり、このうちのある周期の楽音波形と、この周期の前または後の周期の楽音波形とにつき、当該両周期上の同じ位置における位相成分の差分を求めることを特徴とする請求項3、5、6、7、8、9または10記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。
- 上記楽音波形の最大値が量子化される、またはある周期の楽音波形の最大値と、この周期の前または後の周期の楽音波形の最大値とにつき差分を求めることを特徴とする請求項3または5記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。
- 上記請求項3における楽音波形の圧縮処理は、上記楽音波形につき重複して実行され、この重複して実行される圧縮処理における上記時間長は同じで位相がずれており、
上記請求項5における楽音波形の伸長処理は、この重複して圧縮された複数の楽音波形につき並行して実行され、
この伸長された複数の楽音波形は合成されて出力され、この合成される各楽音波形の重み付けは、上記位相のずれた各時間長の中央付近で大きくされ、当該時間長の端付近で小さくされることを特徴とする請求項3または5記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。 - 圧縮された楽音波形の先頭の時間長の楽音波形は、音色指定があったときに伸長され、 圧縮された楽音波形の先頭の次以降の時間長の楽音波形は、発音指示があったときに伸長されることを特徴とする請求項13記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。
- 上記フーリエ変換によって、実数部と虚数部とが求められ、この実数部と虚数部とが周波数軸変換されて振幅成分と位相成分とに変換され、
上記フーリエ逆変換によって、この振幅成分と位相成分とが周波数軸逆変換されて、実数部と虚数部とが求められ、この実数部と虚数部とから位相成分に応じた移相処理された振幅が復元されることを特徴とする請求項3または5記載の情報圧縮装置または情報伸長装置。 - 上記請求項1記載の楽音波形の情報圧縮方法によって処理された、圧縮され記憶された楽音波形のデータ構造、または上記請求項4の楽音波形の情報伸長方法によって処理される、圧縮され記憶された楽音波形のデータ構造。
- 請求項3、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15または16記載の情報圧縮装置によって処理された、圧縮され記憶された楽音波形のデータ構造、または請求項5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15または16記載の情報伸長装置によって処理される、圧縮され記憶された楽音波形のデータ構造。
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