JP3010652B2

JP3010652B2 - 適応変換符号化の方法及び装置

Info

Publication number: JP3010652B2
Application number: JP1285803A
Authority: JP
Inventors: 昭彦杉山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 2000-02-21
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: JPH03145824A

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伝送するために、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・コーディ
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 TRANSACTI
ONS 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に従って簡単に説明する。

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に等しい力サン
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、
ウォルシューアダマール変換（WAT）、離散フーリエ変
換（DFT）、離散コサイン変換（DCT）、KL変換（KLT）
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器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へ供給す
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。逆量子化器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
間した値を用いて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へ伝達され、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 TRANSACTI
ONS 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。正規化に用いた規準値は多重化回路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Ｎ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
求に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、予め定め
られたしきい値を越える変換係数振幅の平均値と該振幅
の最大値の差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。

また本発明は、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該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
けて予め定められたしきい値を越える変換係数振幅の平
均値と該振幅の最大値の差を複数のブロック長に対して
計算し、得られた前記差の最小値を与える最適ブロック
長を出力する最大・平均計算回路と、該最大・平均計算
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に対して、予め定めら
れたしきい値を越える変換係数振幅の平均値と該振幅の
最大値の差を計算してブロック長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る場合には
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、得られた変換
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、2
6、セレクタ27、28、29、最大・平均計算回路34及びブ
ロック長指定信号入力端子17が備えられている。

大きいブロック長を採用した際の復号信号の劣化は、
入力信号振幅の急激な増大及び減少に際して著しい。こ
のような場合、前記振幅の急変動を引起こす変換係数成
分によって、Ｎ個の変換係数の振幅のバラツキが大きく
なる。Ｎ個の変換係数の振幅のバラツキ、すなわちダイ
ナミックレンジが大きいほど、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個の変換係数の振幅のバラツキ
を調べて、バラツキ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、このバラツキとして、
予め定められたしきい値を越える変換係数振幅の平均値
と該振幅の最大値の差を用いている。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れ
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最大・平均計算回路34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、最大・平均計
算回路34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
いて入力信号による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、
変換係数はまた最大・平均計算回路34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、最大・平均
計算回路34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_i）（ｊ＝１……N_i）の振幅の最大値
max｛|y_j（N_i）｜｝と平均値の差δ（N_i）が計算される。但し、はy_j（N_i）＞y_thのｊに対する平均値である。y_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N_m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
合は最大・平均計算回路34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、
前記の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は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。

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、入力バ
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）に示す。ブロック長N₁に対する線形変
換を行ない、変換係数及び補助情報は記憶装置に記憶さ
れる。時刻N₂Tには、バッファに第２のブロック長N₂（N
₁＜N₂）に等しいサンプルが蓄積される。この様子を第
２図（ｂ）に示す。以下、線形変換が行なわれて、N₁の
場合と同様にして変換係数及び補助情報が記憶装置に記
憶される。バッファは時刻N₃Tに第２図（ｃ）に示した
ようになり、N₁、N₂の場合と同様にして、変換係数及び
補助情報が計算される。今、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。）の場合を仮定すると、N₃に対する変換係数及び補
助情報の計算が終了した時点で、最適ブロック長が決定
される。最適ブロック長がN₁であった場合には、バッフ
ァに蓄積されたサンプル値のうち古い物からN₁個のサン
プルが廃棄され、第２図（ｄ）に示すように（N₃−N₁）
個のサンプルがバッファ内に残る。引続きバッファ内の
最初のN₁サンプル（第２図（ｄ）中Ｉで示される部分）
を用いて、次の最適ブロック長を選択するための変換係
数及び補助情報の計算が開始される。N₁についての変換
係数及び補助情報の計算が終了した時点では、変換係数
及び補助情報の計算にΔNT秒要すると仮定すれば、バッ
ファ内に蓄積されたサンプルは第２図（ｅ）に示す通り
となる。次にバッファ内の最初のN₂サンプル（第２図
（ｅ）中ＩとIIで示される部分）を用いて、N₂に対応す
る変換係数及び補助情報の計算が行なわれる。以下同様
にN₃に対応する変換係数及び補助情報が計算され、２番
目の最適ブロック長が決定される。一方、１番目の最適
ブロック長がN₂であった場合には、バッファに蓄積され
たサンプル値のうち古い物からN₂個のサンプルが廃棄さ
れ、第２図（ｆ）に示すように（N₃−N₂）個のサンプル
がバッファ内に残る。引続きバッファ内の最初のN₁サン
プル（第２図（ｆ）中Ｉで示される部分）を用いて、次
の最適ブロック長を選択するための変換係数及び補助情
報の計算が開始される。N₁についての変換係数及び補助
情報の計算が終了した時点では、変換係数及び補助情報
の計算にΔNT秒要すると仮定すれば、バッファ内に蓄積
されたサンプルは第２図（ｇ）に示す通りとなる。次に
バッファ内の最初のN₂サンプル（第２図（ｇ）中ＩとII
で示される部分）を用いて、N₂に対応する変換係数及び
補助情報の計算が行なわれる。以下同様にN₃に対応する
変換係数及び補助情報が計算され、２番目の最適ブロッ
ク長が決定される。以上の処理により、入力信号サンプ
ルに対して各ブロック毎に異なったブロック長を適用し
たことになる。第２図（ｈ）に選択された最適ブロック
長の一例を示す。

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
分散で正規化する過程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
ック長で線形変換を行なって得られる変換係数に対し
て、予め定められたしきい値を越える変換係数振幅の平
均値と該振幅の最大値の差を計算し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は正規化回路、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、2
8、29はセレクタ、34は最大・平均計算回路をそれぞれ
示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03M 7/30 G10L 9/18

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、予め定められたし
きい値を越える変換係数振幅の平均値と該振幅の最大値
の差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
のブロック長で該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
予め定められたしきい値を越える変換係数振幅の平均値
と該振幅の最大値の差を複数のブロック長に対して計算
し、得られた前記差の最小値を与える最適ブロック長を
出力する最大・平均計算回路と、該最大・平均計算回路
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
回路を具備することを特徴とする適応変換符号化装置。