JP2918021B2 - ベクトル量子化装置 - Google Patents

ベクトル量子化装置

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JP2918021B2
JP2918021B2 JP8055248A JP5524896A JP2918021B2 JP 2918021 B2 JP2918021 B2 JP 2918021B2 JP 8055248 A JP8055248 A JP 8055248A JP 5524896 A JP5524896 A JP 5524896A JP 2918021 B2 JP2918021 B2 JP 2918021B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はベクトル量子化装置
に関し、特に音声信号や画像信号などの時系列信号を低
ビットレートで符号化するためのベクトル量子化装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】音声信号などの時系列信号を一定間隔の
フレーム(或いは一定領域のブロック)に分割して量子
化する代表的な手法としてベクトル量子化がある。ベク
トル量子化は、割り当てられビット数に対する量子化歪
みを小さくするという意味で、優れた量子化特性を持
つ。しかし、被量子化信号を最も良く表す、最適な量子
化出力ベクトルを探索するのに、極めて多くの演算量と
記憶容量を必要とする。
【0003】例えば、サンプル当たり0.5ビットでベ
クトル次元40のベクトル量子化を考えると、探索に要
する演算量(積和回数)とメモリ容量は、ベクトル当た
り40×2020となる。これは、8kHzサンプリング
の音声信号を対象にした場合、1秒間に約1660×1
6 強の演算量となり、現状利用できるDSP(ディジ
タルシグナルプロセッサ)1チップでは、動作不可能な
規模である。
【0004】また、たとえ高速なDSPを並列に適用で
きたとしても、価格,消費電力,実装面積などでの増加
は避けられず、携帯端末などへの適用は不可能になって
しまう。
【0005】そこで、これまで、ベクトル量子化を少な
い演算規模で実行するための数々の手法が検討されてき
ている。この演算規模削減のための基本手法は、ベクト
ル量子化器を構成するコードベクトル間に何らかの制約
を設ける“構造化”である。
【0006】構造化の手法として代表的なものに、ベク
ターサムベクトル量子化があり、特開平2−50213
5号公報に開示されている。また、ラティスベクトル量
子化(J.H. Conway and N.J.A. Sloane,“First quanti
zing and decoding algorit-hms for lattice quantize
rs and codes, ”IEEE TARANS. Inf. Theory, Vol.IT-2
8, pp.227-232, 1982., 或いはR. M. Gray, Source Cod
ing Theory, Ch. 5.5,Kluwer Academic Publishers, 19
90)等がある。
【0007】これ等のベクトル量子化器では、コードベ
クトルを予め定められた基底ベクトルの加減算或いは整
数乗数を掛けた加減算で生成させることを特徴とする。
すなわち、M個の基底ベクトルを{ai ,i=1,…,
M}とすると第k番目のコードブックvk
【数1】 の様に表される。そして、ベクタサムベクトル量子化で
は、係数ukiの値として±1を取り、2M 通りのコード
ベクトルを生成させている。
【0008】この様なベクトル量子化では、基底ベクト
ルの個数Mがベクトル次元Lよりかなり小さければ上記
の加減算の性質や、探索順序を工夫することで、大幅な
演算量の削減が可能となる。例えば、ベクターサムベク
トル量子化では、探索過程で次のような工夫を施すこと
で演算量を削減している。
【0009】今、nフレーム目の入力ベクトルをxn
基底ベクトルを{ai ,i=1,…,M}、第k番目の
コードベクトルの係数ベクトル{uki,i=1,…,
M}とおくと、第k番目のコードブックを探索するため
の評価関数Jk は、
【数2】 で表される。尚、ai に付されている“t”の意味は転
置を示す。
【0010】ここで、ukiとして、kをバイナリ表現し
た場合のi番目のビットが“0”の時、uki=+1と
し、i番目のビットが“1”の時、uki=−1とし、更
に、 u(k+1) i =−uki(k+1) j =ukj (j≠i) なる関係に設定するとする。
【0011】すると、(k+1)番目の評価関数Jk+1
とJk との間には、
【数3】 なる関係が存在することになる。
【0012】従って、ベクトル次元をLと置くと、この
場合に探索に要する演算量(積和回数)Cvsumは、 Cvsum=L+ML+(1/2)M(M+1)L +(2M-1 −1)+M(2M-1 −1)…(4) となる。
【0013】一方、通常のベクトル量子化器が必要とす
る積和回数Cnormは、 Cnorm=L2M であるから、M<<Lであれば、 Cvsum<<Cnorm なる関係が成立することになる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したベクタサ
ムベクトル量子化の演算量は、通常のベクトル量子化と
比較して大幅に少なくなっているが、上記第(4)式に
示すように、2M-1 のオーダーを必要とするため、例え
ばサンプル当たり0.5ビットの場合を考えると、24
次元で、基底ベクトル数M=12程度が実時間動作の限
界である。
【0015】よって、ベクトル次元数を上げることによ
りベクトル量子化器の特性を向上させるという手段を取
ることができないという問題がある。もし、より高いベ
クトル次元、すなわち基底ベクトル数で適用するには、
複数基底ベクトル毎に係数探索するという手法を組込む
必要がある。
【0016】しかし、音声符号化におけるCELP(コ
ード励起リニア予測:code−exited lin
ear predictive)系への適用を考えた場
合、基底ベクトル間に相関が生ずるので、複数基底ベク
トルを独立に部分選択する方法では特性の劣化が避けら
れない。
【0017】本発明の目的は、ベクタサムベクトル量子
化を高次元で適用する際に必要な複数基底ベクトル毎の
独立な係数探索による特性劣化を抑えることができるベ
クトル量子化装置を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、一定間
隔のブロックに分割された入力ベクトルを量子化するに
際して、予め定められた複数の基底ベクトルとインデッ
クスに応じて変化する整数係数との線形結合にてコード
ベクトルを形成するベクトル量子化装置であって、前記
基底ベクトルを前記入力ベクトルに応じて相互に直交化
せしめる直交化手段と、これ等直交化された基底ベクト
ル上で複数の基底ベクトル毎に互いに独立に係数決定を
行う係数決定手段とを含むことを特徴とするベクトル量
子化装置が得られる。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の作用を述べると、ベクタ
サムベクトル量子化器の基底ベクトルを、入力ベクトル
から予め定められた手順によって定まる評価基準のもと
で相互に直交化させることで、複数基底ベクトル毎の独
立な部分選択による特性劣化を抑えることができる。
【0020】以下、本発明の実施例について図面を参照
しつつ説明する。
【0021】図1は本発明の実施例であるベクトル量子
化装置のブロック図である。以下ブロック長をLとす
る。入力端子1から供給される入力ベクトルはバッファ
メモリ2に蓄えられる。このバッファメモリ2には当該
ブロックを含む複数の入力ベクトルが蓄えられている。
【0022】重み係数計算部3は図2のフローチャート
に示す如く、バッファメモリ2にある入力ベクトルを線
形予測分析し(ステップ21)、その結果定まる線形予
測係数{αi ,i=1,…,I}を係数に持つ線形予測
合成フィルタのインパルス応答{h(n)}を求め(ス
テップ22)、入力ベクトルウェイティング部4と基底
ベクトルウェイティング部6とへ出力する。
【0023】入力ベクトルウェイティング部4は、図3
のフローチャートに示す如く、当該ブロックの入力ベク
トル{x(n)}をバッファメモリ2から読出し(ステ
ップ31)、インパルス応答{h(n)}を重み係数計
算部3から入力し(ステップ32)、重み付き入力ベク
トルxw (n)を、
【数4】 の如く計算する(ステップ33)。
【0024】計算された重み付き入力ベクトルは部分選
択部8,9へ夫々出力される。
【0025】基底ベクトルウェイティング部6は、図4
のフローチャートに示す如く、基底ベクトルメモリ5か
ら供給されるM個の基底ベクトル{ai (n),i=
1,…,M,n=0,…,L−1}を(ステップ4
1)、重み係数計算部3から供給されるインパルス応答
{h(n)}で、
【数5】 の様に変換して、重み付き基底ベクトル{bi (n),
i=1,…,M,n=0,…,L−1}を求める(ステ
ップ42)。
【0026】求めた重み付き基底ベクトルは直交化部7
へ出力される。直交化部7では、図5のフローチャート
に示す如く、重み付き基底ベクトル{bi (n)}を
(ステップ51)互いに直交化し(ステップ52)、正
規直交系列{di (n)}を求める。直交化には次式で
示すグラム・シュミットの直交化が適用できる。すなわ
ち、
【数6】 なる式をi=1,…,Mへと順次計算していく。
【0027】{di (n)}は互いに直交しているた
め、{di (n)}の係数はdi (n)毎に独立して探
索できる。本実施例では、以下{di (n)}を2組に
分けて係数探索する場合の説明を行う。
【0028】図6(A)のフローチャートに示す如く、
部分選択部8は直交化部7からM/2個の正規直交系列
{di (n),i=1,…,M/2}を、部分選択部9
は直交化部7から他のM/2個の正規直交系列{d
i (n),i=M/2+1,…,M}を夫々入力する
(ステップ61)。部分選択部8,9は、直交化部7か
ら供給されるM/2個の正規直交系列とインデックス生
成部10,11から供給されるインデックスkに応じて
定まる整数係数とを用い(ステップ62)、入力ベクト
ルウェイティング部4から供給される重み付き入力ベク
トル{xw (n)}を最も良く表す前記インデックスを
独立に夫々選択し、それらをインデックス統合部12へ
出力する(ステップ63)。
【0029】部分選択部8,9における評価関数は以下
のようである。部分選択部8においては、
【数7】 である。
【0030】また部分選択部9においては、
【数8】 である。
【0031】ここで、uki (1) ,uki (2) は、共に、k
をバイナリ表現した場合のi番目のビットが“0”の場
合“+1”であり、“1”の場合“−1”であるので、
{Jk (1) }及び{Jk (2) }の計算は上記第(3)式
の漸化式を用いて効率的に実行できる。
【0032】部分選択部8,9においては、図6(B)
のフローチャートに示す如く、最も小さい{Jk (1)
及び{Jk (2) }を与えるインデックスkb (1) 及びk
b (2 ) を夫々選択し、各々をインデックス統合部12へ
出力する(ステップ64,65)。インデックス統合部
12では、図7のフローチャートに示す如く、供給され
るインデックス{kb (1) ,kb (2) }から、
【数9】 を計算し、この結果を出力端子13より出力する(ステ
ップ71〜73)。
【0033】以上説明したように本発明では、ベクタサ
ムベクトル量子化において、基底ベクトルを直交し、直
交化された基底ベクトルの部分集合毎に係数探索を行う
ものであり、本発明における演算量Corthは、分割する
部分集合の数をDとすると、 Corth=L+ML+(1/6)M3 +3(M2 /2)+
M/3+D×{1/2(M/D)(M/D+1)L+
(2M/D-1 −1)+(M/D)(2M/D −1)} となる。
【0034】CvsumのリーディングオーダーはM・2
M-1 であるが、CorthのリーディングオーダーはM・2
M/D-1 である。よって、Mが大きい場合、Dを2以上に
取ることにより、従来方式よりも少ない演算量で、係数
探索ができる。
【0035】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、分割
された基底ベクトル毎に独立に係数探索する処理を、直
交化した基底ベクトル上で行うようにしたので、分割に
よる特性劣化がなく、演算量も少ないという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例のブロック図である。
【図2】重み係数計算部3の動作を示すフローチャート
である。
【図3】入力ベクトルウェイティング部4の動作を示す
フローチャートである。
【図4】基底ベクトルウェイティング部6の動作を示す
フローチャートである。
【図5】直交化部7の動作を示すフローチャートであ
る。
【図6】部分選択部8,9の動作を示すフローチャート
である。
【図7】インデックス統合部12の動作を示すフローチ
ャートである。
【符号の説明】
2 バッファメモリ 3 重み係数計算部 4 入力ベクトルウェイティング部 5 基底ベクトルメモリ 6 基底ベクトルウェイティング部 7 直交化部 8,9 部分選択部 10,11 インデックス生成部 12 インデックス統合部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−209499(JP,A) 特開 昭58−207099(JP,A) 特開 昭64−29032(JP,A) 特開 平6−209262(JP,A) 特開 平8−6600(JP,A) 特開 平8−263100(JP,A) 特開 平8−44400(JP,A) 特開 平3−222521(JP,A) 電子情報通信学会技術研究報告,SP 94−53〜62[音声]p.1−6;SP94 −53 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H03M 7/30 G10L 9/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一定間隔のブロックに分割された入力ベ
    クトルを量子化するに際して、予め定められた複数の基
    底ベクトルとインデックスに応じて変化する整数係数と
    の線形結合にてコードベクトルを形成するベクトル量子
    化装置であって、前記基底ベクトルを前記入力ベクトル
    に応じて相互に直交化せしめる直交化手段と、これ等直
    交化された基底ベクトル上で複数の基底ベクトル毎に互
    いに独立に係数決定を行う係数決定手段とを含むことを
    特徴とするベクトル量子化装置。
  2. 【請求項2】 前記直交化手段は、前記入力ベクトルの
    線形予測を行ってこの線形予測による線形予測係数を係
    数として有する線形予測合成フィルタのインパルス応答
    を算出する手段と、このインパルス応答に従って前記基
    底ベクトルの重み付けを行う手段と、この重み付けられ
    た基底ベクトルを互いに直交化する手段とを有すること
    を特徴とする請求項1記載のベクトル量子化装置。
  3. 【請求項3】 前記係数決定手段は、前記インパルス応
    答に従って前記入力ベクトルの重み付けを行う手段と、
    前記直交化された基底ベクトルの各々と前記インデック
    スにより定まる整数係数とを用いて、この重み付けられ
    た入力ベクトルを最も良く表すインデックスを夫々選択
    する第1及び第2の選択手段と、これ等第1及び第2の
    選択手段による選択インデックスに従った整数係数を求
    める手段とを有することを特徴とする請求項2記載のベ
    クトル量子化装置。
  4. 【請求項4】 前記第1及び第2の選択手段は、前記直
    交化された基底ベクトルの各々と、前記インデックスに
    より定まる整数係数と、前記重み付けられた入力ベクト
    ルとにより決定される評価関数を夫々算出し、この評価
    関数が最小となるインデックスを夫々選択するようにし
    たことを特徴とする請求項3記載のベクトル量子化装
    置。
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