JP2569842B2

JP2569842B2 - 適応変換符号化の方法及び装置

Info

Publication number: JP2569842B2
Application number: JP1297010A
Authority: JP
Inventors: 昭彦杉山; 正宏岩垂; 隆夫西谷
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: JPH03156500A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、音声／音楽等の信号の帯域圧縮技術、特に
時間領域で得られる入力信号を他の領域に線形変換して
から行なう帯域圧縮技術に関する。

（従来の技術）限られた伝送容量の回線を使用して、音声／音楽等の
信号に含まれる情報を効率良く転送するために、その情
報量を減少させることを帯域圧縮といい、主として適応
差分パルス符号変調［ADPCM］（ディジタル・コーティ
ング・オブ・ウェーブフォームズ、（Digital Coding o
f Waveforms）、プレンティス・ホール社（Prentice−H
all）、1984年、308ページ参照；以下「文献１」）と適
応変換符号化［ATC］（アイイーイーイー・トランザク
ションズ・オン・エイエスエスピー（IEEE TRANSACTION
S ON ASSP）27巻、１号、1979年、89−95ページ参照；
以下、「文献２」）が知られている。以下に、ATCの概
要を文献２に従って簡単な説明する。

第３図は、ATCの一構成例を示したブロック図であ
る。線形変換、ビット配分、量子化からなる符号化器で
は、入力信号が入力端子１を経て線形変換回路３に供給
される。入力端子１には一般に離散的な値が供給され、
線形変換回路３で予め定められた整数Ｎに等しい名サン
プルを単位としたＮ点離散線形変換が施される。Ｎはブ
ロック長と呼ばれる。このＮ点離散線形変換としては、
ウォルッシュ−アダマール変換（WAT）、離散フーリエ
変換（DFT）、離散コサイン変換（DTC）、KL変換（KL
T）等が用いられる。線形変換回路３の出力である総数
Ｎの変換係数は後述するビット配分に従って量子化４で
それぞれ量子化され、多重化回路５へ供給される。量子
化器４内にはブロック長Ｎに等しい数の量子化器が含ま
れており、各変換係数はそれぞれ専用の量子化器で量子
化される。ビット配分回路６では、変換係数の振幅に対
応した量子化ビット割当てを計算し、量子化器４へ対応
する。多重化回路５では、量子化器４から供給される量
子化された変換係数とビット配分回路６から供給される
ビット配分に用いた情報を多重化し、伝送路８に送出す
る。

ビット配分、逆量子化、線形逆変換からなる復号化器
では、伝送路８からの多重化信号が分離回路９で分離さ
れ、量子化器４からの信号は逆量子化器10に、ビット配
分回路６からの信号は、ビット配分回路11へ供給され
る。ビット配分回路11では符号化器のビット配分回路６
と全く同様な方法で、各変換係数に対するビット配分が
決定される。量子化器10で、ビット配分回路11で決定さ
れたビット配分に従って逆量子化された変換係数は、線
形逆変換回路12で再び総数Ｎの時間領域の信号サンプル
に変換され、出力端子14に供給される。

ビット配分回路における配分方法には、いくつかの種
類があるが、ここでは文献２に述べられている方法を第
４図（ａ），（ｂ）を参照して説明する。この方法は、
復号化器において逆量子化したときの量子化二乗誤差が
最小になるようにするもので、ビット配分に関する補助
情報量を削減するために変換係数を１度間引き、続いて
補間した値を用いたビット数の最適化を行なう。第３図
に示されるビット配分回路Ｉは、第４図（ａ）に示すよ
うに構成される。第３図の線形変換回路３で得られた変
換係数は、第４図（ａ）の入力端子41を経て、間引き回
路42に供給される。間引き回路42では、Ｎ個の変換係数
をそれぞれ二乗し、整数値Ｍ毎（ＭはＮの約数）の平均
値を代表値として1/Mの間引きを行なう。得られたＬ−N
/Mのサンプル値は量子化器43でそれぞれ量子化され、出
力端子44と逆量子化器45へ供給される。量子化器43、逆
量子化器45は省略される場合もある。補間回路46におい
ては、２を底とする対数をとった後、対数領域でＭ倍の
線形補間が行なわれる。補間された信号を用いて第３図
の量子化器４におけるビット配分が、次式によりビット
数最適化回路47で行なわれる。

ここに、R_iはｉ番目の変換係数（ｉ＝1,2…Ｎ）に対す
る割当てビット数、は１変換係数当たりの平均割当て
ビット数、σ_i ²は補間回路46における補間で近似的に復
元されたｉ番目変換係数の二乗値である。結果は出力端
子48へ伝送され、量子化器４に供給される。式（１）を
用いてビット配分を行なうことにより、量子化二乗誤差
を最小にできることがアイイーイーイー・トランザクシ
ョンズ・オン・エイエスエスピー（IEEE TRANSACTIONS
ON ASSP）25巻４号、1977年、299−309ページ参照；
（以下、「文献３」）に示されている。出力端子44で得
られた間引かれた信号は、第３図の多重化回路５を経て
補助情報として伝送路８へ送出される。一方、第３図の
ビット配分回路11は第４図（ｂ）に示すように構成され
る。第３図の分離回路９からの信号は入力端子49を経て
補間回路46に供給される。符号化器内のビット配分回路
６が量子化器43及び逆量子化器45を有する場合には、復
号化器内のビット配分回路11も対応して逆量子化器45を
有する。補間回路46、ビット数最適化回路47では、既に
説明した符号化器内の前記補間回路46、ビット数最適化
回路47と全く同様な補間及びビット数最適化が行なわれ
る。従って、第４図（ａ）の出力端子48と第４図（ｂ）
の出力端子50には、全く等しいビット配分のための信号
が得られ、符号化器側と復号化器側で対応のとれた量子
化／逆量子化が行なわれる。

これまでの説明では、ビット配分回路６から多重化回
路５へ補助情報として供給される信号は第４図（ａ）の
出力端子44で得られる間引かれた変換係数の二乗値とし
てきた。しかし、この信号を復号化器へ伝送する目的
は、ビット配分に利用される変換係数の概略値を符号化
器と復号化器で共有することである。このための補助情
報の伝送方法として、間引かれた変換係数の二乗値以外
にも、PARCOR係数、ADPCM及びベクトル量子化による方
法等が知られている。

符号化器において、第３図の線形変換回路３の出力に
振幅が入力信号のパワーに依存しない変換係数を求める
目的で、入力信号を正規化することもできる。この場合
は、第５図に示すように入力信号は正規化回路２を経て
正規化された後、線形変換回路３へ供給される。復号化
器では、線形逆変換回路12の出力は逆正規化回路13で正
規化回路２と反対の処理を施されてから、出力端子14へ
伝達される。正規化に用いた基準値は多重化回路５で量
子化器４、ビット配分回路６からの信号と多重化され、
伝送路８を経て復号化器へ伝達される。復号化器側では
分離回路９で逆量子化器10、ビット配分回路11へ供給さ
れる信号と分離された後、逆正規化回路13へ伝達され
る。第６図（ａ），（ｂ）に、正規化回路２及び逆正規
化回路13の構成をそれぞれ示す。第６図（ａ）の入力端
子61には、第５図の入力端子１から入力信号サンプルが
供給される。入力信号サンプルはバッファ62に一時蓄積
された後、Ｎサンプル毎にまとめて乗算器63でスケーリ
ングを施され、出力端子65へ供給される。出力端子65か
らの出力信号は、第３図の線形変換回路３へ供給され
る。乗算器63の乗数は、入力サンプルの電力の１ブロッ
ク分の平均値の逆数である。この値は、平均零の入力信
号に対しては分散の逆数となり、分散計算回路64にて求
められた分散値から計算することができる。分散計算回
路64にて求められた分散値は乗算器63で入力サンプルの
正規化に使用されると同時に、出力端子66を経て第５図
の多重化回路５へ供給され、多重化の後、補助情報とし
て復号化器へ伝達される。一方、第６図（ｂ）の逆正規
化回路では、第５図の線形逆変換回路12からの信号が入
力端子67を経て乗算器68に供給される。乗算器68では入
力端子69を経て得られた分散値を用いて出力信号を逆正
規化し、バッファ70に蓄積する。入力端子69に得られる
分散値は、第５図の多重化回路５、伝送路８及び分離回
路９を経て、符号化器から伝達される。バッファ70はＮ
個の復号化サンプル値を順に、出力端子71を経て第５図
の出力端子14に伝達する。

（発明が解決しようとする課題）ブロック数Ｎは第３図及び第５図に示した線形変換回
路３及び線形逆変換回路12で行なわれる演算の分解能に
影響し、Ｎが大きいほど分解能が高くなり符号化復号化
による誤差が減少する。また、ビット配分に関する補助
情報は一定時間に含まれるブロック数に反比例し、Ｎが
大きいほど補助情報量は削減される。これは、一定の伝
送容量に対してより多くの主情報を送ることができるこ
とを意味し、符号化品質向上につながる。一方、非定常
信号に対しては、必ずしも大きなＮが少ない誤差を与え
るとは限らない。同一ブロック内の入力サンプルに対し
ては同一の処理がなされるが、ブロックが長いと非定常
信号は同一ブロック内でその特性が変化してしまう可能
性があるからである。従って、非定常性の強い信号に対
しては、小さいブロック長で入力信号の性質の変化に追
随するような符号化を行なった方が良い。従来のATCで
は、ブロック長Ｎが固定されていたために、前記の分解
能と入力信号の性質の変化への追従という相反する要求
を答えることができなかった。

本発明の目的は、分解能と入力信号の性質の変化への
追従という相反する要求を満足しつつ、補助情報量を圧
縮して符号化品質を向上できる適応変換符号化の方法及
び装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明は、ブロック長が指定されている場合には該指
定されたブロック長で線形変換を行ない、それ以外の場
合には、入力信号サンプルをバッファに蓄積し、複数の
ブロック長で線形変換を行ない、得られた変換係数及び
補助情報をそれぞれ独立に記憶すると同時に、変換係数
の高域成分振幅を用いて最適ブロック長を決定し、該最
適ブロック長に対応した前記記憶された変換係数及び補
助情報を選択し、該選択された変換係数に対しては変換
係数を用いて計算したビット配分により量子化を行な
い、該量子化出力とビット配分情報と前記選択された補
助情報を前記最適ブロック長と共に伝送／蓄積すること
を特徴とする。

また本発明、入力サンプルを蓄積するバッファと、複
数のブロック長で線形変換を行なう線形変換回路と、得
られた変換係数を記憶する第１の記憶装置と、えられた
補助情報を記憶する第２の記憶装置と、複数のブロック
長に対応した前記変換係数を受けて変換係数の高域成分
振幅を用いて最適ブロック長を出力する高域成分検出回
路と、該高域成分検出回路から供給される最適ブロック
長と外部から供給されるブロック長指定信号とを受けて
該ブロック長指定信号に応じて出力を選択する第１のセ
レクタと、前記第１の記憶装置の出力を受けて前記第１
のセレクタの出力に対応した値を選択する第２のセレク
タと、前記第２の記憶装置の出力を受けて前記第１のセ
レクタの出力に対応した値を選択する第３のセレクタ
と、前記第２のセレクタの出力に基づいて変換係数に対
するビット配分を計算するビット配分回路と、該ビット
配分回路で得られたビット配分に従って前記第２のセレ
クタで選択された変換係数を量子化する量子化器と、前
記第１のセレクタの出力と前記量子化器の出力と前記ビ
ット配分回路の出力と前記第３のセレクタの出力を多重
化して伝送／蓄積する多重化回路を少なくとも具備する
ことを特徴とする。

（作用）本発明の適応変換符号化の方法及び装置は、入力信号
を線形変換して得られる変換係数の高域成分振幅を用い
てブロック長Ｎを可変とすることにより、分解能と入力
信号の性質の変換への追従という相反する要求を満足し
つつ、補助情報量を圧縮して符号化品質を向上すること
ができる。

（実施例）次に図面を参照して本発明について詳細に説明する。
第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図である。
同図においては、ブロック長が指定されていない場合に
は該指定されたブロック長で符号化を行ない、それ以外
の場合には、入力信号に線形変換を行ない、得られた変
数係数を用いて最適ブロック長を決定し、最適ブロック
長を用いて符号化を行なう。このために、記憶装置25、
26、セレクタ27、28、29、高域成分検出回路35及びブロ
ック長指定信号入力端子17が備えられている。

信号の定常性は変換係数成分の分布には対応し、非定
常性の強い信号ほど高域成分を多く含む。低域成分が同
程度ならば、高域成分を多く含むほど、一定の符号化品
質を得るための必要ビット数が増大する。従って、一定
ビット数で符号化する際には、Ｎ個の変換係数の高域成
分のパワーが最も小さいブロック長を選択して用いるこ
とにより、最大の符号化品質を得ることができる。第１
図の実施例においては、この変換係数の高域成分パワー
を複数のブロック長に対して計算している。以下、第１
図の動作について説明する。

ブロック長指定信号入力端子17に入力信号が供給さな
いときは、入力端子１に供給された入力信号は、ブロッ
ク長の一つの候補N₁を用いて正規化回路２で入力信号の
分散値で正規化される。正規化された信号は線形変換回
路３においてN₁点離散線形変換を施された後、記憶装置
25に記憶されると同時に高域成分検出回路35に供給され
る。また、正規化に用いた分散値は記憶装置26に記憶さ
れる。次に第２のブロック長N₂に等しいサンプルに対し
て、N₁の場合と同様にして正規化線形変換が行なわれ、
結果が記憶装置25、26に記憶され、高域成分検出回路35
に供給される。以上説明したN₁、N₂の場合と同様にし
て、複数のブロック長N₃，N₄，…N_nの場合について入力
信号により正規化及び線形変換が行なわれて対応する変
換係数と分散値が記憶回路25、26に記憶され、変換係数
はまた高域成分検出回路35に供給される。但し、通常N₁
＜N₂＜N₃＜N₄…N_nで、２N_i＝N_i+1（１≦ｉ≦ｎ）とす
る。ブロック長N₁，N₂，N₃，N₄…N_nに対する変換係数の
計算が全て終了したとき、高域成分検出回路35で各ブロ
ック長候補値N_i（１≦ｉ≦ｎ）に対して変換係数y
_j（N_j）（ｊ＝１……N_i）に対して高域成分のパワーδ
（N_i）が計算される。但し、｜・｜は絶対値演算子である。j
_thは予め定められたしきい値で、経験によって決定され
る。min｛δ（N_i）｝を与えるN_iがNmとして選択されセ
レクタ27に供給される。但し、min｛・｝は最小値演算
子を表す。セレクタ27にはまた、ブロック長選択信号が
供給されている。セレクタ27は、ブロック長選択信号が
供給されているときは該ブロック長選択信号を、それ以
外の場合は高域成分検出回路35から供給される最適ブロ
ック長N_mを選択して、出力信号とする。セレクタ27の出
力信号により、セレクタ28及び29において最適ブロック
長N_mに対応した変換係数及び補助情報が選択されて、変
換係数は量子化器４とビット配分回路７へ、補助情報で
ある入力信号の分散値と最適ブロック長N_mは多重化回路
15へ、それぞれ供給される。最適ブロック長N_mは量子化
されてから多重化回路15に伝達される場合もある。ビッ
ト配分回路６では、ブロック長選択回路７から供給され
た変換係数を用いてビット配分を行ない、得られたビッ
ト配分情報を用いて量子化器４はセレクタ28から供給さ
れる変換係数の量子化を行なう。量子化された変換係
数、前記ビット配分情報は多重化回路15で、前記最適ブ
ロック長N_m及び入力信号の分散値と多重化されて、伝送
路８へ送出される。

ブロック長指定信号入力端子17に入力信号が供給され
たときは、セレクタ27に供給されたブロック長N_sを選択
して、最適ブロック長N_mに設定する。従って、以降の量
子化は供給されたブロック長N_sに基づいて行なわれる。
次に、第２図を参照して実際の最適ブロック長選択の手
続について、ｎ種類のブロック長から最適ブロック長を
決定する場合を例にとって説明する。ここでは説明を簡
単にするために、第２図に示したようにｎ＝３（３通り
のブロック長から最適ブロック長を選択する）と仮定す
る。

符号化器が動作を開始した時点の時刻ｔ＝０とする。
時刻N₁Ｔ（Ｔはサンプリング周期）においては、第１図
の正規化回路内のバッファにN₁個の入力信号サンプルが
蓄積される。この様子を第２図（ａ）の（Ａ）に示す。
同図でN₁（１）と表示された入力信号サンプル、すなわ
ちＩと示されてハッチングを施された部分にたいしてブ
ロック長N₁による線形変換を行ない、変換係数を記憶装
置に記憶する。時刻N₂Ｔには、バッファに第２のブロッ
ク長N₂（N₁＜N₂）に等しいサンプルが蓄積される。この
様子を第２図（ａ）の（Ｂ）に示す。このとき、同図で
N₁（２）と表示されたに信号サンプル、すなわちIIと示
されてハッチングを施された部分に対してブロック長N₁
による線形変換を行ない、さらにN₂（１）と表示された
入力信号サンプル、すなわちＩと示されてハッチングを
施された部分とIIと示されてハッチングを施された部分
に対してブロック長N₂よる線形変換を行ない、それぞれ
の変換係数を記憶装置に記憶する。時刻（N₁＋N₂）Ｔに
は、バッファにN₁＋N₂に等しいサンプルが蓄積される。
この様子を第２図（ａ）の（Ｃ）に示す。このときに
は、同図でN₁（３）と表示された入力信号サンプル、す
なわちIIIと示されてハッチングを施された部分に対し
てブロック長N₁による線形変換を行ない、変換係数を記
憶装置に記憶する。さらに、時刻N₃Ｔには、バッファの
第３のブロック長N₃（N₁＜N₂＜N₃）に等しいサンプルが
蓄積される。この様子を第２図（ａ）の（Ｄ）に示す。
このとき、同図でN₁（４）と表示された入力信号サンプ
ル、すなわちIVと示されてハッチングを施された部分に
対してブロック長N₁による線形変換を行ない、またN
₂（２）と表示された入力信号サンプル、すなわちIIIと
示されてハッチングを施された部分とIVと示されてハッ
チングを施された部分に対してブロック長N₂による線形
変換を行ない、さらにN₃（１）と表示された入力信号サ
ンプル、すなわちI,II,III,IVと示されてハッチングを
施された部分に対してブロック長N₃による線形変換を行
ない、それぞれの変換係数を記憶装置に記憶する。以
下、記憶装置に記憶された、N₁（１）、N₁（２）、N
₁（３）、N₁（４）に対応する変換係数、N₂（１）とN₂
（２）に対応する変換係数、及びN₃（１）に対応する変
換係数を用いて、ブロック長N₁、N₂、N₃に対応する変換
係数の分散δ（N₁）、δ（N₂）、δ（N₃）を計算し、そ
の最小値を検出することにより最適ブロック長N_mが決定
される。

以上の処理手続をまとめて、第２図（ｂ）に示す。N₃
＝２N₂＝４N₁の場合を例にとると、最大ブロック長N₃は
I,II,III,IVの４つの最小ブロック長N₁で表すことがで
きる。I,II,III,IVのブロックの入力データに対するブ
ロック長N₁を用いた線形変換はそれぞれII,III,IV,I′
のブロックにおいて行なわれる。Ｉ＋IIとIII＋IVのブ
ロックの入力データに対するブロック長N₂を用いた線形
変換はそれぞれIIIとＩ′のブロックにおいて行なわれ
る。さらに、Ｉ＋II＋III＋IVのブロックの入力データ
に対するブロック長N₃を用いた線形変換はＩ′のブロッ
クにおいて行なわれる。従って、最も処理量が多いＩ′
のブロックでは、IVに対するブロック長N₁を用いた線形
変換、III＋IVのブロック長N₂を用いた線形変換、Ｉ＋I
I＋III＋IVに対するブロック長N₃を用いた線形変換、さ
らに変換係数の分散δ（N₁）、δ（N₂）、δ（N₃）の計
算と、その最小値検出による最適ブロック長N_mの検出を
行なわなければならない。すなわち、これら全ての処理
に要する時間はN₁Ｔより短いことが前提となる。

第２図（ｂ）から明らかなように、正規化回路２内の
バッファは最低N₃Ｔの容量を持たねばならず、N₃Ｔ毎に
リセットされる。選択された最適ブロック長に対応した
変換係数がN₃サンプルづつ記憶装置から取り出され、量
子化器４で量子化された後、第１図の伝送路８に送出さ
れる。従って、伝送路８に送出されるデータは、第２図
（ｃ）に示すように、N₃を単位として同じブロック長が
連続する。

これまでの実施例の説明では、正規化回路２が存在す
ることを前提としていたが、既に従来のATCの説明で第
３図と第５図を参照して述べたように、入力信号をその
分散で正規化する仮定は省略することもできる。しか
し、従来例と異なりバッファは省略することはできな
い。なお、第１図において第５図に示した入力信号の正
規化を行なわないときは、記憶装置26及びセレクタ29は
不用となる。

（発明の効果）以上詳細に述べたように、本発明によれば異なるブロ
ック長線形変換を行なって得られる変換係数の高域成分
振幅を用いて最適ブロック長を選択し、最適ブロック長
に対応した変換係数を量子化して情報を伝送するため
に、分解能と入力信号の性質の変化への追従という相反
する要求を満足しつつ、補助情報量を圧縮して符号化品
質を向上できる適応変換符号化の方法及び装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示すブロック図、第２図
（ａ）〜（ｃ）は入力サンプルを格納するバッファの状
態の一例と最適ブロック長を選択する手続を示す図、第
３図は従来例を示すブロック図、第４図（ａ），（ｂ）
は第３図のビット配分回路Ｉ及びビット配分回路IIの詳
細を示す図、第５図は他の従来例を示す図、第６図
（ａ），（ｂ）は第５図における正規化回路及び逆正規
化回路の詳細を示す図である。図において、1,17は入力端子、２世紀化回路、３は線形
変換回路、４は量子化器、６はビット配分回路、８は伝
送路、15は多重化回路、25,26は記憶装置、27,28,29は
セレクタ、35は高域成分検出回路をそれぞれ示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】音声／音楽等の信号の情報量を圧縮して伝
送／蓄積するために入力信号を適応変換符号化する際
に、ブロック長が指定されている場合には該指定された
ブロック長で線形変換を行ない、それ以外の場合には、
入力信号サンプルをバッファに蓄積し、複数のブロック
長で線形変換を行ない、得られた変換係数及び補助情報
をそれぞれ独立に記憶すると同時に、変換係数の高域成
分振幅を用いて最適ブロック長を決定し、該最適ブロッ
ク長に対応した前記記憶された変換係数及び補助情報を
選択し、該選択された変換係数に対しては変換係数を用
いて計算したビット配分により量子化を行ない、該量子
化出力とビット配分情報と前記選択された補助情報を前
記最適ブロック長と共に伝送／蓄積することを特徴とす
る適応変換符号化の方法。
【請求項２】入力サンプルを蓄積するバッファと、複数
のブロック長で線形変換を行なう線形変換回路と、得ら
れた変換係数を記憶する第１の記憶装置と、得られた補
助情報を記憶する第２の記憶装置と、複数のブロック長
に対応した前記変換係数を受けて変換係数の高域成分振
幅を用いて最適ブロック長を出力する高域成分検出回路
と、該高域成分検出回路から供給される最適ブロック長
と外部から供給されるブロック長指定信号とを受けて該
ブロック長指定信号に応じて出力を選択する第１のセレ
クタと、前記第１の記憶装置の出力を受けて前記第１の
セレクタの出力に対応した値を選択する第２のセレクタ
と、前記第２の記憶装置の出力を受けて前記第１のセレ
クタの出力に対応した値を選択する第３のセレクタと、
前記第２のセレクタの出力に基づいて変換係数に対する
ビット配分を係数に対数ビット配分を計算するビット配
分回路と、該ビット配分回路で得られたビット配分に従
って前記第２のセレクタで選択された変換係数を量子化
する量子化器と、前記第１のセレクタの出力と前記量子
化器の出力と前記ビット配分回路の出力と前記第３のセ
レクタの出力を多重化して伝送／蓄積する多重化回路を
具備することを特徴とする適応変換符号化装置。