JP3526417B2 - ベクトル量子化方法と音声符号化方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ベクトル量子化方
法と該ベクトル量子化方法を用いた音声符号化方法およ
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ベクトル量子化は、量子化したい要素を
組（ベクトル）にして目標ベクトルとし、これに最も近
いベクトルを予め用意した複数のベクトルの中から選択
することで量子化を行う方法である。こうして選択され
た目標ベクトルにより近いベクトルを量子化ベクトルと
呼ぶ。ベクトル量子化は少ないビット数で効率良く量子
化を行うことができるため、音声や画像などの情報の圧
縮符号化に広く用いられている。

【０００３】例えば、携帯電話用の音声コーデックなど
に広く用いられているＣＥＬＰ(Code Excited Linear P
rediction)方式の音声符号化（文献１：M.R.Schroeder
andB.S.Atal,“Code Excited Linear Prediction(CEL
P):High Quality Speech at Very Low Bit Rates,”Pro
c.ICASSP,pp.937-940,1985参照）では、ＬＰＣ(LinearP
redictive Coefficient)と呼ばれる線形予測係数の量子
化や、音源部（音源ベクトルやそのゲインなど）の量子
化などにベクトル量子化の技術が使われている。

【０００４】ベクトル量子化の方法の一つに、次式に示
す目標ベクトルｒと量子化ベクトルｇ・ｓ（ｉ）との間
の距離Ｄを量子化ベクトルの歪みを表す歪み尺度とし、
この距離Ｄを最小化する符号ベクトルｓ（ｉ）と、これ
に乗じるゲインｇを符号帳からそれぞれ探索する方法が
知られている。 Ｄ＝｜ｒ−ｇ・ｓ（ｉ）｜² …（１） 符号ベクトルｓ（ｉ）とゲインｇの候補が少ない場合に
は、ｓ（ｉ）とｇの全ての組合せに対して式（１）を計
算すればよいが、一般にはこれらの候補が各々数百パタ
ーン程度用意されている場合が多く、全ての組合せに対
して式（１）を計算すると数万パターン以上となり、計
算量が膨大となる。そこで、通常は符号ベクトルｓ
（ｉ）を先に決定し、その後にゲインｇを決定するか、
逆にゲインｇを先に決定し、その後に符号ベクトルｓ
（ｉ）を決定するという逐次探索の手法が用いられる。

【０００５】符号ベクトルｓ（ｉ）を先に決定する場
合、ゲインｇは目標ベクトルｒと量子化ベクトルｇ・ｓ
（ｉ）との間の距離Ｄが最小となるように設定される。
距離Ｄを最小にするゲインは、理想ゲイン（または最適
ゲイン）と呼ばれ、その値は次式により求められる。 ｇ＿opt＝＜ｒ，ｓ（ｉ）＞／｜ｓ（ｉ）｜² …（２） 量子化の手順としては、まず、式（１）の距離Ｄを最小
にする符号ベクトルｓ（ｉ）を符号帳の中から探索す
る。このとき、ゲインｇは上述した理想ゲインｇ＿opt
の値を用いる。こうして符号ベクトルｓ（ｉ）が決定す
ると、次に理想ゲインｇ＿optに最も近いゲインをゲイ
ン符号帳から探索する。ゲイン探索において理想ゲイン
ｇ＿optを求めずに式（１）を直接計算し、これを最小
化するゲインを求める方法もある。

【０００６】また、目標ベクトルｒを複数の符号ベクト
ルの線形結合で量子化する場合もある。２つの符号ベク
トルｓ１（ｉ），ｓ２（ｉ）を使う場合、 Ｄ＝｜ｒ−ｇ１・ｓ１（ｉ）−ｇ２・ｓ２（ｊ）｜² …（３） を最小化するように探索を行う。探索方法としては、例
えばｇ２・ｓ２（ｊ）を無視して、ｓ１（ｉ）だけで目
標ベクトルｒを量子化する。このとき、ゲインｇ１は理
想ゲインｇ１＿optとする。次に、ｒ＿res＝ｒ−ｇ１＿
opt・ｓ（ｉ）を計算し、これを新たな目標ベクトルと
して理想ゲインｇ２＿optを用いてｓ２（ｊ）を同様に
求める。最後に、式（３）の距離Ｄが最小となるように
ｇ１，ｇ２を量子化する。

【０００７】図９は、上述した従来のベクトル量子化方
法を説明するために、各ベクトルを幾何学的に表した図
である。目標ベクトルｒを１本の符号ベクトルｓ（ｉ）
とこれに乗じるゲインｇとで近似する場合を考える。理
想ゲインｇ＿optは、幾何学的にはｇ＿opt・ｓ（ｉ）が
目標ベクトルｒの符号ベクトルｓ（ｉ）に対する射影ベ
クトルとなるような値である。

【０００８】この理想ゲインｇ＿optの下で求めた式
（１）の距離Ｄは、目標ベクトルｒから量子化ベクトル
ｇ＿opt・ｓ（ｉ）に下ろした垂線の長さｈの自乗ｈ²
と等しい。従って、理想ゲインｇ＿optを仮定して符号
ベクトルｓ（ｉ）を探索することは、幾何学的には目標
ベクトルｒから符号ベクトルｓ（ｉ）に下ろした垂線の
長さが最小となるようなｓ（ｉ）を探索していることに
なる。このときの量子化ベクトルは、ｇ＿opt・ｓ
（ｉ）となる。

【０００９】ところで、図９から明らかなように、理想
ゲインｇ＿optを用いた場合、量子化ベクトルｇ＿opt・
ｓ（ｉ）の大きさは目標ベクトルｒの大きさよりも必ず
小さくなる。このベクトル量子化方法を音声符号化に適
用した場合、つまり目標ベクトルｒが音声符号化装置に
入力された音声信号のそれである場合、量子化ベクトル
は符号化音声信号（量子化された音声信号）であるの
で、符号化音声信号の大きさが入力音声信号の大きさよ
りも小さくなる。これは、聴覚的には符号化音声信号を
復号して得られる復号音声の音が小さく聞こえることを
意味する。

【００１０】この現象は図９から分かるように、目標ベ
クトルｒの方向と符号ベクトルｓの方向のずれが大きい
ほど顕著となり、このずれが大きくなり易い子音区間の
ような量子化の難しい区間では、復号音声の音量が小さ
くなってしまう。また、背景雑音区間などでは、入力音
声の音量は一定でもフレーム毎に量子化が適切に行われ
たり行われなかったりするため、復号音声に音量の揺ら
ぎが発生してしまい、音質低下の一因となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のベクトル量子化方法では量子化ベクトルの大きさが目
標ベクトルの大きさよりも必ず小さくなるという問題が
ある。

【００１２】このため、従来のベクトル量子化方法を音
声符号化に適用した場合、符号化音声信号の大きさが入
力音声信号の大きさよりも小さくなり、聴覚的には復号
音声の音が小さく聞こえるため、子音区間のような量子
化の難しい区間で非常に音量が小さくなったり、またフ
レーム毎の量子化が不安定な背景雑音区間などで復号音
声に音量の揺らぎが発生するなどの問題点があった。

【００１３】本発明の目的は、量子化ベクトルの大きさ
が目標ベクトルの大きさより小さくなるという問題点を
解決できるベクトル量子化方法を提供することにある。

【００１４】本発明の他の目的は、このベクトル量子化
方法を音声信号の符号化に適用して子音部の音量低下や
背景雑音部での音量の揺らぎなどの少ない良好な復号音
声を得ることができる音声符号化方法および装置を提供
することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係るベクトル量子化方法は、目標ベクトル
と該目標ベクトルとの間の距離が最小となる理想量子化
ベクトルとの大きさまたは方向の関係から求められる伸
長係数に従って該目標ベクトルを伸長し、符号ベクトル
に複数のゲインを乗じて得られる複数の量子化ベクトル
のうち前記伸長された目標ベクトルとの間の距離が最小
となる量子化ベクトルに対応するゲインを前記複数のゲ
インから探索し、探索したゲインを示すインデックスを
出力することを特徴とする。また、目標ベクトルと該目
標ベクトルとの間の距離が最小となる理想量子化ベクト
ルとの大きさまたは方向の関係から求められる伸長係数
に従って該目標ベクトルを伸長し、複数の符号ベクトル
から前記伸長された目標ベクトルとの間の距離が最小と
なる符号ベクトルを探索し、探索した符号ベクトルを示
すインデックスを出力することを特徴とする。

【００１６】また、複数のベクトルをそれぞれにゲイン
を乗じた後に足し合わせることにより生成される量子化
ベクトルによって目標ベクトルを近似するベクトル量子
化方法においては、目標ベクトルと該目標ベクトルとの
間の距離が最小となる理想量子化ベクトルとの大きさま
たは方向の関係から求められる伸長係数に従って該目標
ベクトルを伸長し、複数の符号ベクトルをそれぞれにゲ
インを乗じた後に足し合わせることにより生成される量
子化ベクトルと前記伸長された目標ベクトルとの間の距
離が最小となる量子化ベクトルを生成する際の複数の符
号ベクトルおよびゲインの少なくとも一方を求める。

【００１７】本発明に係る音声符号化方法は、入力音声
信号から目標ベクトルを生成するステップと、複数の音
源ベクトルをそれぞれにゲインを乗じた後に足し合わ
せ、かつ合成フィルタにより所定の周波数特性を与える
ことによって目標ベクトルとの間の距離が最小となる理
想合成音声ベクトルを生成するステップと、目標ベクト
ルと理想合成音声ベクトルとの大きさまたは方向の関係
から伸長係数を求めるステップと、この伸長係数に従っ
て目標ベクトルを伸長するステップと、複数の音源ベク
トルをそれぞれにゲインを乗じた後に足し合わせ、かつ
合成フィルタにより所定の周波数特性を与えることによ
って、伸長された目標ベクトルとの間の距離が最小とな
る合成音声ベクトルを生成すると共に、該合成音声ベク
トルを生成する際のゲインを求めるステップとを有す
る。

【００１８】本発明に係る音声符号化装置は、入力音声
信号から目標ベクトルを生成する目標ベクトル生成手段
と、複数の音源ベクトルをそれぞれにゲインを乗じた後
に足し合わせ、かつ合成フィルタにより所定の周波数特
性を与えることによって合成音声ベクトルを生成する合
成音声ベクトル生成手段と、目標ベクトルと、合成音声
ベクトル生成手段により生成される合成音声ベクトルの
うちの該目標ベクトルとの間の距離が最小となる理想合
成音声ベクトルとの大きさまたは方向の関係から伸長係
数を求める伸長係数算出手段と、この伸長係数に従って
目標ベクトルを伸長する目標ベクトル伸長手段と、合成
音声ベクトル生成手段によって目標ベクトル伸長手段に
より伸長された目標ベクトルとの間の距離が最小となる
合成音声ベクトルを生成する際のゲインを求める手段と
を有する。

【００１９】このように本発明では、伸長された目標ベ
クトルに対して量子化ベクトルやゲインを探索すること
により、量子化ベクトルの大きさが目標ベクトルの大き
さよりも小さくなる問題が解決される。従って、本発明
を音声符号化に適用した場合には、子音区間のような量
子化の難しい区間での音量低下や、フレーム毎の量子化
が不安定な背景雑音区間などでの音量の揺らぎといった
現象が緩和される。

【００２０】また、本発明ではこの問題解決の仕組みを
ゲイン探索のアルゴリズムに組み込むのではなく、探索
を始める前に目標ベクトルを伸長するという簡単な操作
により実現しているため、既存のゲイン探索のアルゴリ
ズムをそのまま使用できるというメリットがあり、計算
量や伝送量の増加といった副作用の問題もない。

【００２１】目標ベクトルを伸長する際の伸長係数とし
ては、目標ベクトルと理想合成音声ベクトルとの大きさ
の比、または目標ベクトルと理想合成音声ベクトルとの
なす角の余弦の逆数をそのまま用いてもよいし、これら
の値を所定の関数を用いて制限したものを伸長係数とし
てもよい。後者のように伸長係数の値を制限して用いる
ようにすると、関数の特性を適切に選ぶことで、聴覚的
な特性を向上させることが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、第１
の実施形態に係るベクトル量子化方法をゲイン量子化に
適用したベクトル量子化装置の構成を示している。この
ベクトル量子化装置は、入力端子１０１，１０２、伸長
係数算出部１０３、目標ベクトル伸長部１０４、ゲイン
符号帳１０５、ゲイン乗算器１０６および評価部１０７
から構成される。

【００２３】入力端子１０１，１０２には、それぞれ目
標ベクトルｒおよび符号ベクトルｓが入力される。伸長
係数算出部１０３では、後述するように目標ベクトルｒ
および理想量子化ベクトルｇ＿opt・ｓの大きさまたは
方向の関係から、目標ベクトルｒを伸長するための伸長
係数ａが求められる。目標ベクトル伸長部１０４では、
入力された目標ベクトルｒを伸長係数算出部１０３で算
出された伸長係数ａに従って伸長した目標ベクトルｒ＿
scaleが生成される。

【００２４】ゲイン符号帳１０５には、符号ベクトルｓ
に乗じるべきゲインの候補となるｍ個のゲインｇ
（１），ｇ（２），…，ｇ（ｍ）が格納されている。ゲ
イン乗算器１０６では、入力された符号ベクトルｓにゲ
インｇ（１），ｇ（２），…，ｇ（ｍ）を乗じ、量子化
ベクトルｇ（ｊ）・ｓ（＝１，２，…，ｍ）を評価部１
０７に出力する。

【００２５】評価部１０７では、ゲイン乗算器１０６か
ら出力される量子化ベクトルｇ（ｊ）・ｓと伸長された
目標ベクトルｒ＿scaleとの間の距離が最小となるゲイ
ンｇ（ｊ）がゲイン符号帳１０５から探索され、このゲ
インｇ（ｊ）を示すインデックスｊがゲイン量子化値と
して出力される。

【００２６】次に、図２を用いて伸長係数算出部１０３
での伸長係数ａの算出法について述べる。図２は、符号
ベクトルｓにゲインｇ（ｊ）を乗じて得られる量子化ベ
クトルｇ（ｊ）・ｓで目標ベクトルｒを近似する様子を
表している。量子化ベクトルｇ（ｊ）・ｓの歪みの程度
を表す歪み尺度として、式（１）に示した目標ベクトル
ｒと量子化ベクトルｇ（ｊ）・ｓとの間の距離Ｄを用い
た場合、理想ゲインｇ＿optは理想量子化ベクトルｇ＿o
pt・ｓが目標ベクトルｒの真下にくるような値であるこ
とは既に述べた。このときの理想ゲインｇ＿optは、数
学的には式（１）をゲインｇで偏微分して求めることが
でき、その値は式（２）に示した通りである。

【００２７】ところで、図２から分かるように、理想量
子化ベクトルｇ＿opt・ｓの大きさは必ず目標ベクトル
ｒの大きさよりも小さくなる。ゲインｇを量子化する場
合も理想ゲインｇ＿optに近いゲイン（ｇ′とする）が
選ばれ、目標ベクトルｒの大きさよりも小さい量子化ベ
クトルｇ′・ｓが得られてしまう。これが従来のベクト
ル量子化の問題点であった。

【００２８】本発明は、このような量子化ベクトルの大
きさが目標ベクトルの大きさよりも小さくなる現象を解
決するベクトル量子化方法であり、そのポイントは本実
施形態に係るゲイン量子化の場合、量子化ベクトルの大
きさが小さくなる分を見越して、ゲインの量子化を始め
る前に、予め目標ベクトルの大きさを伸長しておくこと
にある。

【００２９】具体的には、例えば伸長係数ａを目標ベク
トルｒに乗じて伸長した目標ベクトルａｒ＝ｒ＿scale
を新たな目標ベクトルとしてゲインの量子化を行う。伸
長係数ａは、伸長した目標ベクトルａｒを符号ベクトル
ｓに射影して得られるベクトルｇ＿scale・ｓが目標ベ
クトルｒと同じ大きさになるように定められる。このよ
うな伸長係数ａの値は、図２の二つの三角形の辺の比 ｜ｒ｜：｜ｇ＿opt・ｓ｜＝｜ａｒ｜：｜ｇ＿scale・ｓ｜ …（４） を用いて求めることができる。上述したように本発明で
は｜ｇ＿scale・ｓ｜＝｜ｒ｜としたいのだから、この
条件を式（４）の右辺の右側に代入すると、 ｜ｒ｜：｜ｇ＿opt・ｓ｜＝｜ａｒ｜：｜ｒ｜ …（５） が得られる。これより伸長係数ａは、 ａ＝｜ｒ｜／｜ｇ＿opt・ｓ｜ …（６） と求められる。すなわち、目標ベクトルｒの大きさと理
想量子化ベクトルｇ＿opt・ｓの大きさとの比を伸長係
数ａとして用いる。

【００３０】また、この伸長係数ａの値は目標ベクトル
ｒと理想量子化ベクトルｇ＿opt・ｓとのなす角（＝目
標ベクトルｒと符号ベクトルｓとのなす角）をθとする
と、１／ｃｏｓθに等しい。 ａ＝１／ｃｏｓθ …（７） すなわち、伸長係数ａは目標ベクトルｒの方向と理想量
子化ベクトルｇ＿opt・ｓの方向（符号ベクトルｓの方
向）とからｃｏｓθを計算し、さらにｃｏｓθの逆数を
とって求めることもできる。

【００３１】このように本実施形態によれば、目標ベク
トルｒと理想量子化ベクトルｇ＿opt・ｓの大きさまた
は方向の関係から求められる伸長係数ａに従って目標ベ
クトルｒを伸長することにより、量子化ベクトルの大き
さが目標ベクトルの大きさより小さくなるという問題を
回避することができる。

【００３２】また、本実施形態ではゲインの量子化を行
う前に目標ベクトルｒを予め伸長しておくという方法を
用いているため、既存のゲイン量子化技術をそのまま流
用することが可能である。従って、実現が簡単であり、
計算量の増加をほとんど伴うことなく、量子化ベクトル
の大きさが目標ベクトルの大きさより小さくなるという
問題を解決することができる。

【００３３】（第２の実施形態）図３に、本発明の第２
の実施形態に係るベクトル量子化方法を実現するベクト
ル量子化装置の構成を示す。図１と同一部分に同一符号
を付して説明すると、本実施形態では図１のゲイン符号
帳１０５が除去され、入力端子１０８に固定のゲインｇ
が入力される点と、複数の符号ベクトルを格納した符号
帳１０９が追加されている点が第１の実施形態と異なっ
ている。なお、ｇ＝１．０の場合は、ゲイン乗算器１０
６は不要である。

【００３４】入力端子１０１には、第１の実施形態と同
様に目標ベクトルｒが入力される。符号帳１０９には、
ｎ個の符号ベクトルｓ（１），ｓ（２），…，ｓ（ｎ）
が格納されている。伸長係数算出部１０３では、符号ベ
クトルｓ（ｉ）（ｉ＝１，２，…，ｎ）と目標ベクトル
ｒから伸長係数ｓが求められる。目標ベクトル伸長部１
０４では、目標ベクトルｒに伸長係数ａを乗じることで
伸長された目標ベクトルｒ＿scaleが求められる。

【００３５】評価部１０７では、目標ベクトル伸長部１
０４により伸長された目標ベクトルｒ＿scaleとの間の
距離が最小となる符号ベクトルｓ（ｉ）が符号帳１０９
から探索され、これを示すインデックスｉが符号ベクト
ルｓ（ｉ）のベクトル量子化値として出力される。

【００３６】第１の実施形態では、符号ベクトルを固定
にしてゲインを探索する方法であったのに対して、本実
施形態はゲインを固定にして符号ベクトルの探索を行う
例である。伸長係数ａについては、第１の実施形態と同
様に式（６）または式（７）により求めることができ
る。

【００３７】このように本実施形態によると、符号ベク
トルのベクトル量子化においても、目標ベクトルｒと理
想量子化ベクトルｇ＿opt・ｓの大きさまたは方向の関
係から求められる伸長係数ａに従って目標ベクトルｒを
伸長することにより、量子化ベクトルの大きさが目標ベ
クトルｒの大きさよりも小さくなる問題を解決すること
ができる。

【００３８】（第３の実施形態）図４に、本発明の第３
の実施形態に係るベクトル量子化方法を実現するベクト
ル量子化装置の構成を示す。このベクトル量子化装置
は、入力端子１０２に複数の符号ベクトルｓ１，ｓ２，
…，ｓｌが入力される点以外は、図１に示した実施形態
１の構成と同じである。

【００３９】すなわち、入力端子１０１には目標ベクト
ルｒが入力され、入力端子１０２には複数（ｌ本）の符
号ベクトルｓ１，ｓ２，…，ｓｌが入力される。ゲイン
符号帳１０５には符号ベクトルｓ１，ｓ２，…，ｓｌの
それぞれに乗じるべきゲインの候補が格納されている。

【００４０】伸長係数算出部１０３では、符号ベクトル
ｓ１，ｓ２，…，ｓｌと目標ベクトルｒから伸長係数ａ
が求められる。目標ベクトル伸長部１０４では、この伸
長係数ａを目標ベクトルｒに乗じることで伸長された目
標ベクトルｒ＿scaleが生成される。評価部１０７で
は、ゲイン乗算器１０６でゲインが乗じられて足し合わ
された量子化ベクトルｑ＝ｇ１（ｊ）ｓ１＋ｇ２（ｊ）
ｓ２＋…＋ｇｌ（ｊ）ｓｌと伸長された目標ベクトルｒ
＿scaleとの間の距離が最小となるようにゲインｇ１
（ｊ），ｇ２（ｊ），…，ｇｌ（ｊ）がゲイン符号帳１
０５から探索され、これを示すインデックスｊが出力さ
れる。

【００４１】ここでは、ゲインの候補を表す方法とし
て、インデックスｊを用いてｇ１〜ｇ１のうちの１個の
ゲインを表すベクトル量子化の表現を用いているが、１
個のゲイン毎にインデックスを割り当てるスカラー量子
化を行ってもよい。

【００４２】次に、図５を用いて本実施形態において伸
長係数算出部１０３で伸長係数ａを求める方法について
説明する。図５は、入力端子１０２に入力される符号ベ
クトルの数がｌ＝２の場合を示しているが、ｌ＝３以上
の場合も同様である。

【００４３】量子化ベクトルｑは、ゲインｇ１，ｇ２を
変えることで様々な方法を向くが、全て符号ベクトルｓ
１，ｓ２が張る平面上のベクトルである。この平面を図
ではπｓ１，ｓ２と表す。目標ベクトルｒが平面πｓ
１，ｓ２上にあれば、適当なゲインｇ１，ｇ２を選ぶこ
とで量子化ベクトルｑの歪みが０（ｒ＝ｑ）となるが、
一般的には目標ベクトルｒは平面πｓ１，ｓ２上にな
い。

【００４４】そこで、符号ベクトルｓ１，ｓ２の線形結
合で目標ベクトルｒとの間の距離が最小となる量子化ベ
クトルｑ＿opt＝ｇ１＿opt・ｓ１＋ｇ２＿opt・ｓ２を
求める。この量子化ベクトルｑ＿optは、目標ベクトル
ｒを平面πｓ１，ｓ２に射影したベクトルである。この
量子化ベクトルｑ＿optとゲインｇ１＿opt，ｇ２＿opt
をそれぞれ理想量子化ベクトル、理想ゲインと表すこと
にする。これが式（３）から計算で求まる理想ゲイン
（ｇ１＿opt，ｇ２＿opt）の幾何学的な解釈である。

【００４５】ところで、これまでの実施形態と同様に、
理想量子化ベクトルｑ＿optの大きさは目標ベクトルｒ
の大きさよりも小さい。そこで、第１の実施形態と同様
にゲインの量子化を始める前に予め目標ベクトルｒを伸
長しておき、量子化ベクトルの大きさの減少を抑止する
ようにする。この場合の伸長係数ａは、 ａ＝｜ｒ｜／｜ｑ＿opt｜ …（８） と、第１の実施形態と同様の考え方で求めることができ
る。また、目標ベクトルｒと理想ゲインｑ＿optとのな
す角をθとすれば、 ａ＝１／ｃｏｓθ …（９） と表せることも同じである。

【００４６】ここで、図６に示すフローチャートを用い
て本実施形態におけるベクトル量子化の処理の流れをま
とめると、次の通りである。

【００４７】（ステップＳ１）：目標ベクトルｒおよび
符号ベクトルｓ１，ｓ２から、理想ゲインｇ１＿opt，
ｇ２＿optを用いて理想量子化ベクトルｑ＿opt＝ｇ１＿
opt・ｓ１＋ｇ２＿opt・ｓ２を求める。

【００４８】（ステップＳ２）：式（８）に従い、目標
ベクトルｒの大きさ｜ｒ｜を理想量子化ベクトルｇ＿op
tの大きさ｜ｇ＿opt｜で割り、伸長係数ａを求める。

【００４９】（ステップＳ３）：伸長係数ａを目標ベク
トルｒに乗じて、伸長された目標ベクトルｒ＿scaleを
求める。

【００５０】（ステップＳ４）：伸長された目標ベクト
ルｒ＿scaleと量子化ベクトルｑ＝ｇ１（ｊ）・ｓ１＋
ｇ２（ｊ）・ｓ２との間の距離Ｄ＝（ｒ＿scale−ｇ１
（ｊ）・ｓ１−ｇ２（ｊ）・ｓ２）² が最小となるゲイ
ンｇ１（ｊ），ｇ２（ｊ）をゲイン符号帳１０５から探
索し、そのインデックスｊをゲインのベクトル量子化値
として出力する。

【００５１】このように本実施形態によると、複数の符
号ベクトルｓ１，ｓ２，…，ｓｌを用いて目標ベクトル
ｒを表す場合でも、１本の符号ベクトルを用いて目標ベ
クトルｒを表す場合と同様に、目標ベクトルｒと理想量
子化ベクトルｇ＿opt・ｓの大きさまたは方向の関係か
ら求められる伸長係数ａに従って目標ベクトルｒを伸長
することにより、パワーの減少を防ぐことができる。

【００５２】また、ゲインの量子化方法に関しては、ベ
クトル量子化や予測符号化など高度な技術を駆使した方
法が多く提案されているが、本発明は目標ベクトルｒを
予め伸長しておくという方法を用いているため、目標ベ
クトルｒのみを量子化前に伸長するだけで既存の量子化
方法に何ら手を加えることなく、利用することができる
という利点もある。

【００５３】本実施形態を第２の実施形態と同様にゲイ
ンを固定にし、複数の符号ベクトルを探索する符号ベク
トルの量子化に適用することも可能であるが、これは第
１、第２の実施形態から明らかであるので、詳しい説明
は省略する。

【００５４】（第４の実施形態）図７は、本発明の第４
の実施形態として、本発明によるベクトル量子化方法を
ゲイン量子化部に適用したＣＥＬＰ方式の音声符号化装
置の構成を示している。この音声符号化装置は入力端子
２０１、聴覚重み付け部２０２、ＬＰＣ分析部２０３、
ＬＰＣ量子化部２０４、目標ベクトル生成部２０５、適
応符号帳２０６、雑音符号帳２０７、聴覚重み付き合成
フィルタ２０８、ゲイン符号帳２０９、ゲイン乗算器２
１０，２１１、加算器２１２、伸長係数算出部２１３、
目標ベクトル伸長部２１４、切替器２１５、減算器２１
６および評価部２１７から構成されている。

【００５５】入力端子２０１には、符号化すべき音声信
号がフレーム単位で入力される。この入力音声信号は、
聴覚重み付け部２０２とＬＰＣ分析(Linear Predictive
Coding:線形予測分析）部２０３に入力される。聴覚重
み付け部２０２により入力音声信号に聴覚的な重み付け
が行われ後、目標ベクトル生成部２０５で符号化の目標
となる目標ベクトルが生成される。目標ベクトル生成部
２０５では、例えば前のフレームの影響を引き去るな
ど、符号化を始める前に必要な前処理が適宜行われ、目
標ベクトルが生成される。なお、このような前処理を必
要としない場合もある。

【００５６】ＬＰＣ分析部２０３では、入力音声信号が
線形予測分析され、これにより線形予測係数が得られ
る。この線形予測係数はＬＰＣ量子化部２０４で量子化
され、聴覚重み付き合成フィルタ２０８にフィルタ係数
として与えられると同時に、量子化値を指し示すインデ
ックスＡが符号化パラメータとして出力される。

【００５７】適応符号帳２０６および雑音符号帳２０７
には、音源ベクトルである複数の適応符号ベクトルおよ
び雑音符号ベクトルが格納されている。これらの適応符
号ベクトルおよび雑音符号ベクトルは、聴覚重み付き合
成フィルタ２０８によってフィルタリングされることに
より、声道特性に相当する所定の周波数特性が付与され
る。このフィルタリング後の適応符号ベクトルＳ１およ
び雑音符号ベクトルＳ２は、ゲイン乗算器２１０，２１
１によりゲイン符号帳２０９から出力されるゲインがそ
れぞれ乗じられた後、加算器２１２で足し合わせられ、
合成音声ベクトルが生成される。

【００５８】すなわち、聴覚重み付き合成フィルタ２０
８とゲイン乗算器２１０，２１１および加算器２１２に
よって、合成音声ベクトル生成部が構成される。なお、
聴覚重み付き合成フィルタ２０８を加算器２１２の後段
に配置して合成音声ベクトル生成部を構成してもよい。

【００５９】加算器２１２から出力される合成音声ベク
トルは減算器２１６に入力され、その歪み、つまり切替
器２１５で選択された目標ベクトル（ｒまたはｒ＿scal
e）との間の距離が求められる。減算器２１６の出力は
評価部２１７に入力され、この評価部２１７によって適
応符号帳２０６、雑音符号帳２０７およびゲイン符号帳
２０９から合成音声ベクトルと目標ベクトル（ｒまたは
ｒ＿scale）との間の距離が最小となる適応符号ベクト
ル、雑音符号ベクトルおよびゲインが探索され、それぞ
れのインデックスＢ，Ｃ，Ｇが符号化パラメータとして
出力される。

【００６０】ここで、従来の音声符号化装置では適応符
号ベクトル、雑音符号ベクトルおよびゲインのいずれの
探索においても、目標ベクトルｒとの差が最小となる候
補を探索していたが、本実施形態では少なくともゲイン
の探索に限っては、目標ベクトル伸長部２１４で伸長さ
れた目標ベクトルｒ＿scaleを用いて探索を行う。すな
わち、切替器２１５では適応符号帳２０６および雑音符
号帳２０７からの適応符号ベクトルおよび雑音符号ベク
トルの探索に際しては、目標ベクトルｒを選択して減算
器２１６に入力するが、ゲイン符号帳２０９からのゲイ
ンの探索に際しては伸長された目標ベクトルｒ＿scale
を選択して減算器２１６に入力する。

【００６１】目標ベクトル伸長部２１４で伸長された目
標ベクトルｒ＿scaleを得るために、本実施形態では目
標ベクトルｒと聴覚重み付き合成フィルタ２０８による
フィルタリングで周波数特性が与えられた適応符号ベク
トルＳ１および雑音符号ベクトルＳ２が伸長係数算出部
２１３に入力され、伸長係数ａが算出される。そして、
目標ベクトル伸長部２１４において伸長係数ａを目標ベ
クトルｒに乗じることにより、伸長された目標ベクトル
ｒ＿scaleが求められる。

【００６２】伸長係数ａの算出に際しては、聴覚重み付
き合成フィルタ２０８とゲイン乗算器２１０，２１１お
よび加算器２１２により構成される合成音声ベクトル生
成部において、聴覚重み付き合成フィルタ２０８により
フィルタリングされた適応符号ベクトルおよび雑音符号
ベクトルがゲイン乗算器２１０，２１１により理想ゲイ
ンが乗じられた後、加算器２１２で足し合わせられる。
これによって、合成音声ベクトル生成部では目標ベクト
ルｒとの距離が最小となる理想合成音声ベクトルが生成
される。

【００６３】そして、先の実施形態と同様の考えで、目
標ベクトルｒおよび理想合成音声ベクトルの大きさまた
は方向の関係から伸長係数ａが算出される。具体的に
は、例えば式（６）における理想量子化ベクトルｑ＿op
tを理想合成音声ベクトルに置き換え、あるいは式
（７）におけるθを目標ベクトルｒと理想音声合成ベク
トルとのなす角として、伸長係数ａを求めればよい。

【００６４】本実施形態によると、ゲインの探索に際し
て加算器２１２から出力される合成音声ベクトル（量子
化ベクトル）の大きさが目標ベクトルの大きさに比べて
小さくなる問題、言い換えれば合成音声信号（符号化音
声信号）の大きさが入力音声信号の大きさより小さくな
る問題を回避することができる。すなわち、こうして得
られた符号化音声信号は従来の量子化方法で得られた符
号化音声信号と比較して、波形の形状は同一でその大き
さだけが従来よりも大きくなっているため、音のスペク
トル情報は従来と変わらず、音量が小さくなる問題だけ
を解決することができる。

【００６５】従来のＣＥＬＰ方式の音声符号化装置で
は、量子化ベクトルの大きさが小さくなる問題は、主に
子音区間や背景区間などで量子化効率が下がり、目標ベ
クトルと量子化ベクトルの方向が大きくずれるために生
じていた。また、背景区間などでは量子化が正しく行わ
れる区間とそうでない区間が入り交じり、入力音声のパ
ワーは一定でも符号化音声のパワーはフレーム毎に変動
する結果となり、ＣＥＬＰ方式に特有のウネリ感を伴う
復号音声が生成される一因となっていた。ゲインのスム
ージングなどを行うことで、この問題を解決する方法も
提案されているが、完全とは言えない。

【００６６】本発明は、符号化音声、復号音声の音が小
さくなるメカニズムを解明し、この問題を根本的に解決
する一手法を提案するものであり、量子化効率の善し悪
しに関わらず、原理的に目標ベクトルのパワーと同じパ
ワーの符号化音声ベクトルを得ることができる。

【００６７】また、本発明は量子化ベクトルの大きさを
伸長された目標ベクトルの大きさに合わせる結果、従来
法の歪み尺度である式（３）に示される量子化ベクトル
と目標ベクトルとの直接の距離Ｄは増大している。この
ことが聴覚的にどのような印象を与えるかは、試聴試験
などを行って慎重に判断する必要がある。

【００６８】発明者らの行った実験によれば、上述のよ
うに例えば式（６）または（７）と同様にして求められ
た伸長係数ａ（目標ベクトルおよび理想合成音声ベクト
ルの大きさの比、または目標ベクトルおよび理想合成音
声ベクトルのなす角の余弦の逆数）に対し、図８に示し
た非線形特性に従って値の制限を加えた伸長係数ａ′を
用いる方法が最も主観評価値が高いことが確認された。

【００６９】すなわち、前述のようにして求められたａ
の値が１．０〜ｔｈ１の範囲では、ａ′＝１．０とする
（つまり、伸長は行わない）。ａの値が１．０に近いと
いうことは、目標ベクトルと量子化ベクトルの向きがほ
ぼ揃っていることを意味しており、有声区間などがこの
ような特徴を示す。このような区間では、目標ベクトル
の伸長は行わない。

【００７０】一方、ａの値がｔｈ１〜ｔｈ２の範囲では
徐々にａの値に応じて伸長を行う。音声では、主として
子音区間や背景部がこの範囲の区間に該当する。ａの値
がｔｈ２を越えた場合は、極端に量子化がうまくいって
おらず、場合によっては異音が発生している場合もある
ので、ａ′＝Ｓｍａｘとし、これ以上の伸長は行わない
ようにする。

【００７１】なお、図８に示した伸長係数の制限方法は
一例であって、コーデックの構成やビットレート、扱う
音声の種類によって制限の仕方は様々であり、制限を加
えず計算により求めた伸長係数ａをそのまま使う方法が
最良の場合も有り得る。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば量
子化ベクトルの大きさが目標ベクトルの大きさよりも小
さくなるという従来のベクトル量子化の問題を解決でき
る。従って、特に本発明を音声符号化に適用した場合、
子音部の音量低下や背景雑音部での音量の揺らぎなどを
抑止することができ、音質の改善が可能となるという効
果を期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るベクトル量子化
装置の構成を示すブロック図

【図２】同実施形態における伸長係数の算出法を説明す
るための図

【図３】本発明の第２の実施形態に係るベクトル量子化
装置の構成を示すブロック図

【図４】本発明の第３の実施形態に係るベクトル量子化
装置の構成を示すブロック図

【図５】同実施形態における伸長係数の算出法を説明す
るための図

【図６】同実施形態におけるゲイン探索の手順を示すフ
ローチャート

【図７】本発明の第４の実施形態に係る音声符号化装置
の構成を示すブロック図

【図８】同実施形態における伸長係数の制限方法を説明
するための図

【図９】従来のベクトル量子化方法を示す図

【符号の説明】

１０１…目標ベクトル入力端子 １０２…符号ベクトル入力端子 １０３…伸長係数算出部 １０４…目標ベクトル伸長部 １０５…ゲイン符号帳 １０６…ゲイン乗算器 １０７…評価部 １０８…ゲイン入力端子 １０９…符号帳 ２０１…音声入力端子 ２０２…聴覚重み付け部 ２０３…ＬＰＣ分析部 ２０４…ＬＰＣ量子化部 ２０５…目標ベクトル生成部 ２０６…適応符号帳 ２０７…雑音符号帳 ２０８…聴覚重み付き合成フィルタ ２０９…ゲイン符号帳 ２１０，２１１…ゲイン乗算器 ２１２…加算器 ２１３…伸長係数算出部 ２１４…目標ベクトル伸長部 ２１５…切替器 ２１６…減算器 ２１７…評価部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03M 3/00 - 11/00 G10L 19/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】目標ベクトルと該目標ベクトルとの間の距
   離が最小となる理想量子化ベクトルとの大きさまたは方
   向の関係から求められる伸長係数に従って該目標ベクト
   ルを伸長し、符号ベクトルに複数のゲインを乗じて得られる複数の量
   子化ベクトルのうち前記伸長された目標ベクトルとの間
   の距離が最小となる量子化ベクトルに対応するゲインを
   前記複数のゲインから探索し、 探索したゲインを示すインデックスを出力 することを特
   徴とするベクトル量子化方法。
2. 【請求項２】目標ベクトルと該目標ベクトルとの間の距
   離が最小となる理想量子化ベクトルとの大きさまたは方
   向の関係から求められる伸長係数に従って該目標ベクト
   ルを伸長し、 複数の符号ベクトルから前記伸長された目標ベクトルと
   の間の距離が最小となる符号ベクトルを探索し、 探索した符号ベクトルを示すインデックスを出力するこ
   とを特徴とするベクトル量子化方法。
3. 【請求項３】複数の符号ベクトルをそれぞれにゲインを
   乗じた後に足し合わせることにより生成される量子化ベ
   クトルによって目標ベクトルを近似するベクトル量子化
   方法において、 前記目標ベクトルと該目標ベクトルとの間の距離が最小
   となる理想量子化ベクトルとの大きさまたは方向の関係
   から求められる伸長係数に従って該目標ベクトルを伸長
   するステップと、 複数の符号ベクトルをそれぞれにゲインを乗じた後に足
   し合わせることにより生成される量子化ベクトルと前記
   伸長された目標ベクトルとの間の距離が最小となる量子
   化ベクトルを生成する際の複数の符号ベクトルおよびゲ
   インの少なくとも一方を求めるステップとを有すること
   を特徴とするベクトル量子化方法。
4. 【請求項４】入力音声信号から目標ベクトルを生成する
   ステップと、 複数の音源ベクトルをそれぞれにゲインを乗じた後に足
   し合わせ、かつ合成フィルタにより所定の周波数特性を
   与えることによって前記目標ベクトルとの間の距離が最
   小となる理想合成音声ベクトルを生成するステップと、 前記目標ベクトルと前記理想合成音声ベクトルとの大き
   さまたは方向の関係から伸長係数を求めるステップと、 前記伸長係数に従って前記目標ベクトルを伸長するステ
   ップと、 前記複数の音源ベクトルをそれぞれにゲインを乗じた後
   に足し合わせ、かつ前記合成フィルタにより所定の周波
   数特性を与えることによって、前記伸長された目標ベク
   トルとの間の距離が最小となる合成音声ベクトルを生成
   する際のゲインを求めるスップとを有することを特徴と
   する音声符号化方法。
5. 【請求項５】前記目標ベクトルと前記理想合成音声ベク
   トルとの大きさの比、または前記目標ベクトルと前記理
   想合成音声ベクトルとのなす角の余弦の逆数を求め、か
   つその値を所定の関数を用いて制限することにより前記
   伸長係数を求めることを特徴とする請求項４記載の音声
   符号化方法。
6. 【請求項６】入力音声信号から目標ベクトルを生成する
   目標ベクトル生成手段と、 複数の音源ベクトルをそれぞれにゲインを乗じた後に足
   し合わせ、かつ合成フィルタにより所定の周波数特性を
   与えることによって合成音声ベクトルを生成する合成音
   声ベクトル生成手段と、 前記目標ベクトルと、前記合成音声ベクトル生成手段に
   より生成される合成音声ベクトルのうちの該目標ベクト
   ルとの間の距離が最小となる理想合成音声ベクトルとの
   大きさまたは方向の関係から伸長係数を求める伸長係数
   算出手段と、 前記伸長係数に従って前記目標ベクトルを伸長する目標
   ベクトル伸長手段と、 前記合成音声ベクトル生成手段が前記目標ベクトル伸長
   手段により伸長された目標ベクトルとの間の距離が最小
   となる合成音声ベクトルを生成する際のゲインを求める
   手段とを有することを特徴とする音声符号化装置。
7. 【請求項７】前記伸長係数算出手段は、前記目標ベクト
   ルと前記理想合成音声ベクトルとの大きさの比、または
   前記目標ベクトルと前記理想合成音声ベクトルのなす角
   の余弦の逆数を求め、かつその値を所定の関数を用いて
   制限することにより前記伸長係数を求めることを特徴と
   する請求項６記載の音声符号化装置。