JP3765622B2 - オーディオ符号化復号化システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーディオデータを圧縮して伝送あるいは記録媒体に記録するとともに、圧縮されたオーディオデータを再生の際に伸張するオーディオ符号化復号化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、オーディオ信号の符号化方式については、様々な方式が知られている。その一例として、時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する時間／周波数変換を用いてオーディオ信号を変換し、周波数領域で符号化を行う方法がある。時間／周波数変換としては、例えば、サブバンドフィルタやＭＤＣＴ(Modified Discrete Cosine Transform)を用いた方式が挙げられる。
【０００３】
なお、サブバンドフィルタ符号化方式およびＭＤＣＴ符号化方式の概要については、例えば、MARCEL DEKKAR 社（New York）1991年出版、 FURUI＆SONDHI編の“ Adbances in Speech Signal Processing ”の109 ページから140 ページに記載されている。サブバンドフィルタ符号化方式の一例として、ＭＰＥＧオーディオ方式と呼ばれる国際標準規格であるＩＳＯ／ＩＥＣ １１１７２−３の方式があり、ＭＤＣＴ符号化方式の一例として、ＡＣ−３符号化方式がある。
【０００４】
図８は、従来のオーディオ符号化装置の一例を示す図である。
図８において、入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、時間／周波数変換回路３２により、所定時間毎に（この時間間隔を変換ブロック長と呼ぶことにする）時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換され、符号化の効率を上げるために複数の周波数帯域に分割される。
【０００５】
このようにして変換された周波数領域のオーディオ信号は、量子化回路３３に供給される。量子化回路３３では、分割された各周波数帯域ごとにフローティング処理と量子化処理とが行われる。ここで、フローティング処理とは、その後の量子化処理の精度を高くするために、上記分割された帯域内の各データに共通の値をかけて、その値を大きくする処理である。なお、量子化精度を考慮しない場合には、このフローティング処理は行われない。
【０００６】
具体的には、各帯域に含まれる各データの絶対値が最大のものを探し出し、この最大値が飽和しない、すなわち“１”を越えない範囲でなるべく大きな値とするようなフローティング係数を用いてフローティング処理を行うのが一例としてある。表１に、上記ＩＳＯ／ＩＥＣ １１１７２−３の方式で使用されるフローティング係数の一例を示す。
【０００７】
【表１】
【０００８】
図８の符号化装置では、表１のフローティング係数の中から適当な値を用いてフローティング処理を行う。例えば、ある周波数帯域内の各データの最大の絶対値が 0.75 であった場合、表１のフローティング係数の中の１つで、その逆数を 0.75 に乗じた値が“１”を越えない範囲で最大となるもの、すなわち 0.79370052598410 をフローティング係数として選択し、そのフローティング係数の逆数を当該帯域内の各データにかけ算することで、フローティング処理を行う。
【０００９】
なお、符号化装置内で使用するフローティング係数は、実際には対応するインデックス値（上述の例の場合は“４”）により代表され、伝送される。すなわち、量子化回路３３のフローティング処理で選択されたフローティング係数として、インデックス値“４”が多重化回路３４に伝送される。復号化の際には、同じフローティング係数の表１を用いることになる。
【００１０】
上記入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、適応的ビット割り当て回路３５へも供給される。適応的ビット割り当て回路３５では、入力信号の特性を計算し、その信号特性を用いて各周波数帯域毎のビット割り当て数を決定する。例えば、人の聴覚特性を利用して聞こえにくさに応じて量子化精度を適応的に変化させるように、各周波数成分へのビット割り当て数を決定する。
【００１１】
ここで、人の聴覚特性とは、例えば周波数が低い領域では人の聴覚があまり敏感でないため、音量レベルが小さいときには低周波の音が聞きづらくなるという最小可聴特性や、ある周波数スペクトルのピーク近傍の周波数では聴感度が低下するというマスキング特性のことを言う。
【００１２】
このように人の聴覚特性を利用してビット割り当てを行っているのは、各周波数成分に対して人の聴覚の聞こえやすさ聞こえにくさをモデル化し、比較的聞こえにくい周波数成分に対してはビット割り当て数を少なくすることで、情報量の削減を実現するためである。
【００１３】
上記適応的ビット割り当て回路３５で決定されたビット割り当て数は、ビット長情報として量子化回路３３に出力される。量子化回路３３では、フローティング処理を施した後のデータに対して、各周波数帯域毎に適応的なビット長で量子化を行う。そして、この量子化回路３３で量子化されたオーディオデータ、フローティング係数およびビット長情報が多重化回路３４で多重化され、符号化データとして出力端子３７より出力される。
【００１４】
図９は、従来のオーディオ復号化装置の一例を示す図であり、上記図８のオーディオ符号化装置で圧縮されたオーディオデータを伸長するための構成を示す。また、図１０は、図９中のオーディオデータ復号回路５１の詳しい構成を示す図である。
【００１５】
図９において、符号化されたオーディオデータは、入力端子１を介してオーディオデータ復号回路５１に入力される。このオーディオデータ復号回路５１の入力段には、図１０に示すように、多重分離回路１１が備えられており、上記符号化されたオーディオデータは、まず最初にこの多重分離回路１１に入力される。多重分離回路１１では、複数の周波数帯域毎に多重化されている各帯域毎のオーディオデータとフローティング係数とビット長情報とを分離する。
【００１６】
ここで分離されたオーディオデータは、逆量子化回路１２に供給され、各周波数帯域ごとに逆量子化処理と逆フローティング処理とが行われる。逆量子化処理は、多重分離回路１１で分離された各周波数成分毎のビット長情報をもとに行われる。また、逆フローティング処理は、各周波数帯域毎に逆量子化されたデータに対して、多重分離回路１１で分離された表１のインデックス値で示されるフローティング係数をかけ算することによって行われる。
【００１７】
上記逆量子化回路１２で逆量子化処理、逆フローティング処理が施されたオーディオデータは、次に周波数／時間変換回路１４で周波数領域の信号から時間領域の信号に変換される。そして、このようにして時間領域の信号へと復号されたディジタルオーディオ信号は、出力端子１５を介して次段のＤＡ変換回路３に供給される。
【００１８】
上記オーディオデータ復号回路５１で再構成されたディジタルオーディオ信号は、ＤＡ変換回路３でアナログ信号に変換されるとともに、音量調整回路４で音量レベルが調整された後、出力補正回路５２を介して出力端子５から出力される。ここで、音量調整は、オーディオ復号化装置の利用者が、図示しないボリューム等を使って好みの音量に自由に調整するものである。
【００１９】
上述したように、人の聴覚には、周波数の低い領域の成分が音量の小さいときに聞こえづらくなるという性質があるため、小音量でオーディオ信号を再生する場合には、低音の周波数成分が削れたように聞こえてしまい、聴感上の音質が悪くなるという現象が生じる。これを解消するために、出力補正回路５２では、設定された出力音量情報に応じて低域の周波数成分を強調するような補正がかけられる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような出力補正回路５２の一例としては、米国特許第４７３９５１４号が挙げられる。この特許では、時間領域の信号に対して低周波成分をアナログ処理によって動的補正するバンドパスフィルタを利用している。しかしながら、このような回路では、オペアンプ等のアナログ回路素子を多数必要とし、回路規模が大きく複雑になってしまうという問題があった。
【００２１】
また、人の聴覚には、低周波成分だけでなく、高周波成分についても同様に小音量再生時に音が聞こえづらくなるという性質もあるが、上述の特許では、低周波成分しか補正を行っていない。このように、高周波成分に関する補正を行っていないために、低周波成分に関する補正を行っていても全体としては聴感上の音質が悪くなってしまうという問題があった。
【００２２】
さらに、オーディオ信号を符号化する際に、上述のような人の聴覚特性を利用してビット割り当てを行っているが、再生時に出力補正回路５２で低周波成分を本来の信号成分の性質とは無関係に強調しているため、再生信号が符号化時に計算した聴覚モデルとは異なる性質を持つようになってしまう。このため、低域の量子化雑音が強調されてしまってその量子化雑音が聴感され、聴感上の音質が却って悪くなってしまう場合があるという問題もあった。
【００２３】
本発明はこのような問題を解決するための成されたものであり、簡単な回路構成で聴感上の音質が優れた出力補正を実現するオーディオ符号化復号化システムを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るオーディオ符号化復号化システムは、オーディオ信号を時間／周波数変換処理により周波数領域の信号に変換して量子化処理を用いて符号化する符号化装置と、上記符号化装置によって符号化されたオーディオデータを復号する復号化装置とを有するオーディオ符号化復号化システムであって、上記符号化装置は、上記量子化処理のために各周波数成分の信号に対してビット割り当てを行う際に、人の聴覚特性に基づいて計算されるビット割り当て数よりも多いビット数を低周波成分および高周波成分の信号に対して割り当てるようにするビット割り当て手段を備え、上記復号化装置は、周波数／時間変換処理を行う前の逆量子化処理の際に、周波数領域の信号に対して上記低周波成分および高周波成分を強調補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記復号化装置は、出力音量の調整を行う音量調整手段を更に備え、上記復号化装置内の補正手段は、上記音量調整手段に小音量の出力音量情報が設定されているときに、周波数／時間変換処理を行う前の周波数領域の信号に対して、人の聴覚特性上小音量時に聞こえにくくなる低周波成分および高周波成分を強調補正することが好ましい。
【００２６】
上記符号化装置で行われる量子化処理は、フローティング処理を伴う量子化処理であって、上記復号化装置内の補正手段は、逆量子化処理を行う際に上記低周波成分および高周波成分の量子化データ又はフローティング係数を強調補正することが好ましい。
【００３６】
符号化装置側において、人の聴覚特性に基づいて計算されるビット割り当て数に対して、追加のビット数が低周波成分および高周波成分の信号に対してあらかじめ割り当てられるようになるので、復号化装置側における強調補正で本来の信号成分とは異なる成分が強調されることによって生じる低周波成分や高周波成分の量子化雑音が抑制されるようになる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の詳細を一実施形態に基づき説明する。
図１は、本実施形態のオーディオ復号化装置の構成を示す図である。また、図２は、図１中に示される補正機能付オーディオデータ復号回路２の詳しい構成例を示す図である。
【００３８】
図１において、符号化されたオーディオデータは、入力端子１を介して補正機能付オーディオデータ復号回路２に入力される。補正機能付オーディオデータ復号回路２では、符号化されたオーディオデータの復号を行う。この復号の際、後段の音量調整回路４から設定されている出力音量の大きさを表す出力音量情報を受け取り、後で述べるような補正を行う。
【００３９】
この補正機能付オーディオデータ復号回路２で再成されたディジタルオーディオ信号は、ＤＡ変換回路３でアナログ信号に変換されるとともに、音量調整回路４で音量レベルが調整された後、出力端子５を介して出力される。ここで、音量調整は、オーディオ復号化装置の利用者が、図示しないボリューム等を使って好みの音量に自由に調整するものである。
【００４０】
次に、図２を用いてオーディオデータの復号および補正の方法を詳しく説明する。図２において、上記符号化されたオーディオデータは、入力端子１を介して多重分離回路１１に入力される。多重分離回路１１では、複数の周波数帯域毎に多重化されている各帯域毎のオーディオデータとビット長情報とを分離する。符号化装置側でフローティング処理が行われている場合は、フローティング係数も分離する。
【００４１】
ここで分離されたオーディオデータは、逆量子化回路１２に供給され、各周波数帯域ごとに逆量子化処理と逆フローティング処理とが行われる。逆量子化処理は、多重分離回路１１で分離された各周波数成分毎のビット長情報をもとに行われる。また、逆フローティング処理は、各周波数帯域毎に逆量子化されたデータに対して、多重分離回路１１で分離された表１のインデックス値で示されるフローティング係数をかけ算することによって行われる。
【００４２】
上記逆量子化回路１２で逆量子化処理、逆フローティング処理が施された周波数領域のオーディオ信号は、補正回路１３に供給され、周波数の低い成分と高い成分とに強調補正がかけられる。このようにして補正されたオーディオ信号は、次に周波数／時間変換回路１４で周波数領域の信号から時間領域の信号に変換され、このように再構成されたディジタルオーディオ信号が出力端子１５を介して次段のＤＡ変換回路３に供給される。
【００４３】
ところで、上記補正回路１３での補正処理は、入力端子１６を介して入力される出力音量情報に応じて所定の周波数成分に強調補正を施すことである。
図３は、この強調補正を実現するための補正回路１３の一構成例を示す図であり、この例は、逆量子化回路１２で逆量子化処理および逆フローティング処理を行って復号した後のオーディオ信号に対して補正を行う場合を示している。
【００４４】
図３において、入力端子２１を介して入力された逆量子化されたオーディオ信号は、かけ算回路２２へと送られる。また、かけ算回路２２には、選択回路２４により補正乗数テーブル回路２３から読み出された補正乗数も供給される。
【００４５】
上記補正乗数テーブル回路２３には、出力音量と周波数とに応じた補正乗数が種々記憶されている。つまり、出力音量レベルが小さいときに低周波成分と高周波成分とを強調補正するような補正乗数がテーブル情報として記憶されている。この場合、ある値より小さい出力音量レベルに対して固定の補正乗数（例えば２．０）を記憶するようにしても良いし、出力音量レベルが小さいもの程大きな値の補正乗数を記憶するようにしても良い。
【００４６】
選択回路２４は、入力端子１６より入力される出力音量情報に基づいて、補正乗数テーブル回路２３に記憶されている種々の補正乗数の中から何れかを選択し、それを読み出してかけ算回路２２に供給する。このとき、低周波成分と高周波成分とで異なる値の補正乗数を読み出して供給するようにしても良い。
【００４７】
かけ算回路２２は、上記逆量子化されたオーディオ信号と、選択回路２４により選択された補正乗数とをかけ算し、その結果得られる補正されたオーディオ信号を出力端子２５を介して出力する。ここで、補正の必要がないとき（例えば、出力音量レベルがそれほど小さくないとき、あるいは低周波領域および高周波領域以外の領域であるとき）、つまり補正乗数が１．０であるときは、かけ算処理は行わず、逆量子化されたオーディオ信号をそのまま出力する。
【００４８】
なお、この例では、かけ算回路２２を示したが、より簡単な構成のシフト回路を用いることも可能である。また、補正乗数テーブル回路２３の規模を小さく構成するために、周波数領域で逆量子化されたオーディオ信号を所定の単位毎にブロック化し、補正乗数の値をブロック内で共通化して記憶することで、補正乗数の数を減らすようにすることも可能である。
【００４９】
このように、本実施形態では、周波数領域の信号に対して低周波成分と高周波成分とをディジタル処理によって強調補正しているので、従来よりも回路規模を小さく簡単にすることができる。また、本実施形態では、低周波成分だけでなく高周波成分についても強調補正を行っているので、低周波成分の音声も高周波成分の音声も共に聞き取りやすくすることができ、聴感上の音質を向上させることができる。
【００５０】
図４は、上記補正機能付オーディオデータ復号回路２の他の構成例を示す図である。
図４において、多重分離回路１１で分離されたオーディオデータは、補正を伴う逆量子化回路１７に供給され、各周波数帯域ごとに逆量子化処理と逆フローティング処理とが行われる。さらに、この補正を伴う逆量子化回路１７では、周波数領域のオーディオ信号に対して、周波数の低い成分と高い成分とに強調補正がかけられる。
【００５１】
このようにして補正の施されたオーディオ信号は、次に周波数／時間変換回路１４で周波数領域の信号から時間領域の信号に変換され、このように再構成されたディジタルオーディオ信号が出力端子１５を介して次段のＤＡ変換回路３に供給される。
【００５２】
上記補正を伴う逆量子化回路１７での補正処理の方法としては、例えば、▲１▼逆フローティング処理を行う前の逆量子化されたオーディオ信号に対して、出力音量レベルに応じてあらかじめ決められた係数を乗算する方法と、▲２▼フローティング係数に対してあらかじめ決められた係数を乗算する方法とが挙げられる。
【００５３】
ここで、上記▲２▼の方法のように、フローティング係数に対して補正処理を施す場合は、更に回路規模の小さい補正回路を構成することが可能である。すなわち、従来例で説明したように、符号化の際にオーディオデータと一緒に多重化されるのは、フローティング係数そのものではなく、参照するテーブルのインデックス値である。
【００５４】
そのため、例えば表１に示したテーブルを利用する場合にフローティング係数を２．０倍しようとするときは、補正を行う際にこの多重化されたインデックスの値を３だけ小さくすることにより、フローティング係数に２．０を乗算したことと同様の結果が得られる。この処理では、乗算回路ではなく加算回路だけで補正が可能となるので、回路規模をかなり小さく抑えることができる。
【００５５】
図５に、上述のような強調補正処理による周波数成分の変化の様子の一例を示す。例えば、図２に示した補正回路１３に、図５（Ａ）のような周波数成分を持つ逆量子化されたオーディオ信号が入力されたとする。この場合、補正回路１３では、図５（Ｂ）の太線で表した周波数成分を強調補正する。一例としては、１ＫＨｚ以下の周波数成分と１０ＫＨｚ以上の周波数成分とを４〜１０ｄＢ強調することにより、小音量再生時の音質を向上させることができる。
【００５６】
なお、以上の説明では、本実施形態のオーディオ復号化装置はＤＡ変換回路３を含むものとして、すなわち、オーディオ復号化装置の出力はアナログ信号であるものとして述べたが、これは必ずしも必要なことではなく、装置全体がディジタル回路で構成されていても良い。
【００５７】
次に、本実施形態のオーディオ符号化装置の構成例を、図６に示す。
図６において、入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、時間／周波数変換回路３２により、所定時間毎に時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換され、符号化効率を上げるために複数の周波数帯域に分割される。
【００５８】
このようにして変換された周波数領域のオーディオ信号は、量子化回路３３に供給される。量子化回路３３では、分割された各周波数帯域ごとにフローティング処理と量子化処理とが行われる。なお、図６の符号化装置では、表１のフローティング係数の中から適当な値を用いてフローティング処理が行われる。
【００５９】
上記入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、適応的ビット割り当て回路３５へも供給される。適応的ビット割り当て回路３５では、入力信号の特性を計算し、その信号特性を用いて各周波数帯域毎のビット割り当て数を決定する。すなわち、人の聴覚特性を利用して聞こえにくさに応じて量子化精度を適応的に変化させるように、各周波数成分へのビット割り当て数を決定する。以上の処理は、図８の従来例と同じである。
【００６０】
このように人の聴覚特性を利用してビット割り当てを行った場合、低周波成分と高周波成分との量子化精度が粗くなる。そのため、復号化装置側で上述のような強調補正を行った場合、量子化雑音が強調されて聴感され、音質が却って悪くなってしまう場合がある。これを解決するために、ビット割り当て補正回路３６では、低周波成分と高周波成分とに対して追加のビット（例えば１ビット）を割り当てることにより、量子化精度をあらかじめ向上させている。
【００６１】
図７は、上記ビット割り当て補正回路３６の一構成例を示す図である。
図７において、適応的ビット割り当て回路３５より入力端子４１を介して入力される各周波数帯域毎の人の聴覚特性に基づくビット割り当て数は、加算回路４２へと送られる。
【００６２】
また、この加算回路４２には、補正ビット数テーブル回路４３に各周波数帯域毎に格納されている補正ビット数が読み出し回路４４により読み出されて供給される。なお、補正の必要がないときは、補正ビット数は０となる。また、低周波領域と高周波領域とで異なる補正ビット数を設定することも可能である。
【００６３】
加算回路４２では、周波数帯域毎に、上記人の聴覚特性に基づくビット割り当て数と上記補正ビット数とを加算し、その加算結果を出力端子４５より量子化回路３３および多重化回路３４に出力する。量子化回路３３では、フローティング処理を施した後のデータに対して、各周波数帯域毎に補正されたビット長で量子化を行う。
【００６４】
なお、図６の構成例では、適応的ビット割り当て回路３５とビット割り当て補正回路３６とを別個に設けているが、量子化雑音を考慮した補正量も含めたビット割り当て数を初めから設定するようにするビット割り当て回路を１つだけ設けるようにしても良い。
【００６５】
このように、本実施形態では、符号化装置側で低周波成分と高周波成分とのビット割り当て数を上方補正した上で、復号化装置側で上述したような強調補正を行うようにしている。これにより、再生時に低周波成分と高周波成分とを本来の信号成分の性質と無関係に強調してしまう従来の不都合を防止することができ、量子化雑音を抑制することができる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、オーディオ符号化装置内に、量子化処理のために各周波数成分の信号に対してビット割り当てを行う際に、人の聴覚特性に基づいて計算されるビット割り当て数よりも多いビット数を低周波成分および高周波成分の信号に対して割り当てるようにするビット割り当て手段を備えるとともに、オーディオ復号化装置内に、周波数／時間変換処理を行う前の逆量子化処理の際に、周波数領域の信号に対して上記低周波成分および高周波成分を強調補正する補正手段を備えたので、復号化装置側における強調補正で本来の信号成分とは異なる成分が強調されることによって生じる低周波成分や高周波成分の量子化雑音を抑制することができ、音質を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるオーディオ復号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示した補正機能付オーディオデータ復号回路の一構成例を示すブロック図である。
【図３】図２に示した補正回路の構成例を示すブロック図である。
【図４】図１に示した補正機能付オーディオデータ復号回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図５】強調補正処理による周波数成分の変化の様子の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるオーディオ符号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示したビット割り当て補正回路の構成例を示すブロック図である。
【図８】従来のオーディオ符号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】従来のオーディオ復号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】図９に示したオーディオデータ復号回路の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
２ 補正機能付オーディオデータ復号回路
１３ 補正回路
１７ 補正を伴う逆量子化回路
２２ かけ算回路
２３ 補正乗数テーブル回路
２４ 選択回路
３６ ビット割り当て補正回路
４２ 加算回路
４３ 補正ビット数テーブル回路
４４ 読み出し回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーディオデータを圧縮して伝送あるいは記録媒体に記録するとともに、圧縮されたオーディオデータを再生の際に伸張するオーディオ符号化復号化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、オーディオ信号の符号化方式については、様々な方式が知られている。その一例として、時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する時間／周波数変換を用いてオーディオ信号を変換し、周波数領域で符号化を行う方法がある。時間／周波数変換としては、例えば、サブバンドフィルタやＭＤＣＴ(Modified Discrete Cosine Transform)を用いた方式が挙げられる。
【０００３】
なお、サブバンドフィルタ符号化方式およびＭＤＣＴ符号化方式の概要については、例えば、MARCEL DEKKAR 社（New York）1991年出版、 FURUI＆SONDHI編の“ Adbances in Speech Signal Processing ”の109 ページから140 ページに記載されている。サブバンドフィルタ符号化方式の一例として、ＭＰＥＧオーディオ方式と呼ばれる国際標準規格であるＩＳＯ／ＩＥＣ １１１７２−３の方式があり、ＭＤＣＴ符号化方式の一例として、ＡＣ−３符号化方式がある。
【０００４】
図８は、従来のオーディオ符号化装置の一例を示す図である。
図８において、入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、時間／周波数変換回路３２により、所定時間毎に（この時間間隔を変換ブロック長と呼ぶことにする）時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換され、符号化の効率を上げるために複数の周波数帯域に分割される。
【０００５】
このようにして変換された周波数領域のオーディオ信号は、量子化回路３３に供給される。量子化回路３３では、分割された各周波数帯域ごとにフローティング処理と量子化処理とが行われる。ここで、フローティング処理とは、その後の量子化処理の精度を高くするために、上記分割された帯域内の各データに共通の値をかけて、その値を大きくする処理である。なお、量子化精度を考慮しない場合には、このフローティング処理は行われない。
【０００６】
具体的には、各帯域に含まれる各データの絶対値が最大のものを探し出し、この最大値が飽和しない、すなわち“１”を越えない範囲でなるべく大きな値とするようなフローティング係数を用いてフローティング処理を行うのが一例としてある。表１に、上記ＩＳＯ／ＩＥＣ １１１７２−３の方式で使用されるフローティング係数の一例を示す。
【０００７】
【表１】
図８の符号化装置では、表１のフローティング係数の中から適当な値を用いてフローティング処理を行う。例えば、ある周波数帯域内の各データの最大の絶対値が 0.75 であった場合、表１のフローティング係数の中の１つで、その逆数を 0.75 に乗じた値が“１”を越えない範囲で最大となるもの、すなわち 0.79370052598410 をフローティング係数として選択し、そのフローティング係数の逆数を当該帯域内の各データにかけ算することで、フローティング処理を行う。
【０００９】
なお、符号化装置内で使用するフローティング係数は、実際には対応するインデックス値（上述の例の場合は“４”）により代表され、伝送される。すなわち、量子化回路３３のフローティング処理で選択されたフローティング係数として、インデックス値“４”が多重化回路３４に伝送される。復号化の際には、同じフローティング係数の表１を用いることになる。
【００１０】
上記入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、適応的ビット割り当て回路３５へも供給される。適応的ビット割り当て回路３５では、入力信号の特性を計算し、その信号特性を用いて各周波数帯域毎のビット割り当て数を決定する。例えば、人の聴覚特性を利用して聞こえにくさに応じて量子化精度を適応的に変化させるように、各周波数成分へのビット割り当て数を決定する。
【００１１】
ここで、人の聴覚特性とは、例えば周波数が低い領域では人の聴覚があまり敏感でないため、音量レベルが小さいときには低周波の音が聞きづらくなるという最小可聴特性や、ある周波数スペクトルのピーク近傍の周波数では聴感度が低下するというマスキング特性のことを言う。
【００１２】
このように人の聴覚特性を利用してビット割り当てを行っているのは、各周波数成分に対して人の聴覚の聞こえやすさ聞こえにくさをモデル化し、比較的聞こえにくい周波数成分に対してはビット割り当て数を少なくすることで、情報量の削減を実現するためである。
【００１３】
上記適応的ビット割り当て回路３５で決定されたビット割り当て数は、ビット長情報として量子化回路３３に出力される。量子化回路３３では、フローティング処理を施した後のデータに対して、各周波数帯域毎に適応的なビット長で量子化を行う。そして、この量子化回路３３で量子化されたオーディオデータ、フローティング係数およびビット長情報が多重化回路３４で多重化され、符号化データとして出力端子３７より出力される。
【００１４】
図９は、従来のオーディオ復号化装置の一例を示す図であり、上記図８のオーディオ符号化装置で圧縮されたオーディオデータを伸長するための構成を示す。また、図１０は、図９中のオーディオデータ復号回路５１の詳しい構成を示す図である。
【００１５】
図９において、符号化されたオーディオデータは、入力端子１を介してオーディオデータ復号回路５１に入力される。このオーディオデータ復号回路５１の入力段には、図１０に示すように、多重分離回路１１が備えられており、上記符号化されたオーディオデータは、まず最初にこの多重分離回路１１に入力される。多重分離回路１１では、複数の周波数帯域毎に多重化されている各帯域毎のオーディオデータとフローティング係数とビット長情報とを分離する。
【００１６】
ここで分離されたオーディオデータは、逆量子化回路１２に供給され、各周波数帯域ごとに逆量子化処理と逆フローティング処理とが行われる。逆量子化処理は、多重分離回路１１で分離された各周波数成分毎のビット長情報をもとに行われる。また、逆フローティング処理は、各周波数帯域毎に逆量子化されたデータに対して、多重分離回路１１で分離された表１のインデックス値で示されるフローティング係数をかけ算することによって行われる。
【００１７】
上記逆量子化回路１２で逆量子化処理、逆フローティング処理が施されたオーディオデータは、次に周波数／時間変換回路１４で周波数領域の信号から時間領域の信号に変換される。そして、このようにして時間領域の信号へと復号されたディジタルオーディオ信号は、出力端子１５を介して次段のＤＡ変換回路３に供給される。
【００１８】
上記オーディオデータ復号回路５１で再構成されたディジタルオーディオ信号は、ＤＡ変換回路３でアナログ信号に変換されるとともに、音量調整回路４で音量レベルが調整された後、出力補正回路５２を介して出力端子５から出力される。ここで、音量調整は、オーディオ復号化装置の利用者が、図示しないボリューム等を使って好みの音量に自由に調整するものである。
【００１９】
上述したように、人の聴覚には、周波数の低い領域の成分が音量の小さいときに聞こえづらくなるという性質があるため、小音量でオーディオ信号を再生する場合には、低音の周波数成分が削れたように聞こえてしまい、聴感上の音質が悪くなるという現象が生じる。これを解消するために、出力補正回路５２では、設定された出力音量情報に応じて低域の周波数成分を強調するような補正がかけられる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような出力補正回路５２の一例としては、米国特許第４７３９５１４号が挙げられる。この特許では、時間領域の信号に対して低周波成分をアナログ処理によって動的補正するバンドパスフィルタを利用している。しかしながら、このような回路では、オペアンプ等のアナログ回路素子を多数必要とし、回路規模が大きく複雑になってしまうという問題があった。
【００２１】
また、人の聴覚には、低周波成分だけでなく、高周波成分についても同様に小音量再生時に音が聞こえづらくなるという性質もあるが、上述の特許では、低周波成分しか補正を行っていない。このように、高周波成分に関する補正を行っていないために、低周波成分に関する補正を行っていても全体としては聴感上の音質が悪くなってしまうという問題があった。
【００２２】
さらに、オーディオ信号を符号化する際に、上述のような人の聴覚特性を利用してビット割り当てを行っているが、再生時に出力補正回路５２で低周波成分を本来の信号成分の性質とは無関係に強調しているため、再生信号が符号化時に計算した聴覚モデルとは異なる性質を持つようになってしまう。このため、低域の量子化雑音が強調されてしまってその量子化雑音が聴感され、聴感上の音質が却って悪くなってしまう場合があるという問題もあった。
【００２３】
本発明はこのような問題を解決するための成されたものであり、簡単な回路構成で聴感上の音質が優れた出力補正を実現するオーディオ符号化復号化システムを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るオーディオ符号化復号化システムは、オーディオ信号を時間／周波数変換処理により周波数領域の信号に変換して量子化処理を用いて符号化する符号化装置と、上記符号化装置によって符号化されたオーディオデータを復号する復号化装置とを有するオーディオ符号化復号化システムであって、上記符号化装置は、上記量子化処理のために各周波数成分の信号に対してビット割り当てを行う際に、人の聴覚特性に基づいて計算されるビット割り当て数よりも多いビット数を低周波成分および高周波成分の信号に対して割り当てるようにするビット割り当て手段を備え、上記復号化装置は、周波数／時間変換処理を行う前の逆量子化処理の際に、周波数領域の信号に対して上記低周波成分および高周波成分を強調補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記復号化装置は、出力音量の調整を行う音量調整手段を更に備え、上記復号化装置内の補正手段は、上記音量調整手段に小音量の出力音量情報が設定されているときに、周波数／時間変換処理を行う前の周波数領域の信号に対して、人の聴覚特性上小音量時に聞こえにくくなる低周波成分および高周波成分を強調補正することが好ましい。
【００２６】
上記符号化装置で行われる量子化処理は、フローティング処理を伴う量子化処理であって、上記復号化装置内の補正手段は、逆量子化処理を行う際に上記低周波成分および高周波成分の量子化データ又はフローティング係数を強調補正することが好ましい。
【００３６】
符号化装置側において、人の聴覚特性に基づいて計算されるビット割り当て数に対して、追加のビット数が低周波成分および高周波成分の信号に対してあらかじめ割り当てられるようになるので、復号化装置側における強調補正で本来の信号成分とは異なる成分が強調されることによって生じる低周波成分や高周波成分の量子化雑音が抑制されるようになる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の詳細を一実施形態に基づき説明する。
図１は、本実施形態のオーディオ復号化装置の構成を示す図である。また、図２は、図１中に示される補正機能付オーディオデータ復号回路２の詳しい構成例を示す図である。
【００３８】
図１において、符号化されたオーディオデータは、入力端子１を介して補正機能付オーディオデータ復号回路２に入力される。補正機能付オーディオデータ復号回路２では、符号化されたオーディオデータの復号を行う。この復号の際、後段の音量調整回路４から設定されている出力音量の大きさを表す出力音量情報を受け取り、後で述べるような補正を行う。
【００３９】
この補正機能付オーディオデータ復号回路２で再成されたディジタルオーディオ信号は、ＤＡ変換回路３でアナログ信号に変換されるとともに、音量調整回路４で音量レベルが調整された後、出力端子５を介して出力される。ここで、音量調整は、オーディオ復号化装置の利用者が、図示しないボリューム等を使って好みの音量に自由に調整するものである。
【００４０】
次に、図２を用いてオーディオデータの復号および補正の方法を詳しく説明する。図２において、上記符号化されたオーディオデータは、入力端子１を介して多重分離回路１１に入力される。多重分離回路１１では、複数の周波数帯域毎に多重化されている各帯域毎のオーディオデータとビット長情報とを分離する。符号化装置側でフローティング処理が行われている場合は、フローティング係数も分離する。
【００４１】
ここで分離されたオーディオデータは、逆量子化回路１２に供給され、各周波数帯域ごとに逆量子化処理と逆フローティング処理とが行われる。逆量子化処理は、多重分離回路１１で分離された各周波数成分毎のビット長情報をもとに行われる。また、逆フローティング処理は、各周波数帯域毎に逆量子化されたデータに対して、多重分離回路１１で分離された表１のインデックス値で示されるフローティング係数をかけ算することによって行われる。
【００４２】
上記逆量子化回路１２で逆量子化処理、逆フローティング処理が施された周波数領域のオーディオ信号は、補正回路１３に供給され、周波数の低い成分と高い成分とに強調補正がかけられる。このようにして補正されたオーディオ信号は、次に周波数／時間変換回路１４で周波数領域の信号から時間領域の信号に変換され、このように再構成されたディジタルオーディオ信号が出力端子１５を介して次段のＤＡ変換回路３に供給される。
【００４３】
ところで、上記補正回路１３での補正処理は、入力端子１６を介して入力される出力音量情報に応じて所定の周波数成分に強調補正を施すことである。
図３は、この強調補正を実現するための補正回路１３の一構成例を示す図であり、この例は、逆量子化回路１２で逆量子化処理および逆フローティング処理を行って復号した後のオーディオ信号に対して補正を行う場合を示している。
【００４４】
図３において、入力端子２１を介して入力された逆量子化されたオーディオ信号は、かけ算回路２２へと送られる。また、かけ算回路２２には、選択回路２４により補正乗数テーブル回路２３から読み出された補正乗数も供給される。
【００４５】
上記補正乗数テーブル回路２３には、出力音量と周波数とに応じた補正乗数が種々記憶されている。つまり、出力音量レベルが小さいときに低周波成分と高周波成分とを強調補正するような補正乗数がテーブル情報として記憶されている。この場合、ある値より小さい出力音量レベルに対して固定の補正乗数（例えば２．０）を記憶するようにしても良いし、出力音量レベルが小さいもの程大きな値の補正乗数を記憶するようにしても良い。
【００４６】
選択回路２４は、入力端子１６より入力される出力音量情報に基づいて、補正乗数テーブル回路２３に記憶されている種々の補正乗数の中から何れかを選択し、それを読み出してかけ算回路２２に供給する。このとき、低周波成分と高周波成分とで異なる値の補正乗数を読み出して供給するようにしても良い。
【００４７】
かけ算回路２２は、上記逆量子化されたオーディオ信号と、選択回路２４により選択された補正乗数とをかけ算し、その結果得られる補正されたオーディオ信号を出力端子２５を介して出力する。ここで、補正の必要がないとき（例えば、出力音量レベルがそれほど小さくないとき、あるいは低周波領域および高周波領域以外の領域であるとき）、つまり補正乗数が１．０であるときは、かけ算処理は行わず、逆量子化されたオーディオ信号をそのまま出力する。
【００４８】
なお、この例では、かけ算回路２２を示したが、より簡単な構成のシフト回路を用いることも可能である。また、補正乗数テーブル回路２３の規模を小さく構成するために、周波数領域で逆量子化されたオーディオ信号を所定の単位毎にブロック化し、補正乗数の値をブロック内で共通化して記憶することで、補正乗数の数を減らすようにすることも可能である。
【００４９】
このように、本実施形態では、周波数領域の信号に対して低周波成分と高周波成分とをディジタル処理によって強調補正しているので、従来よりも回路規模を小さく簡単にすることができる。また、本実施形態では、低周波成分だけでなく高周波成分についても強調補正を行っているので、低周波成分の音声も高周波成分の音声も共に聞き取りやすくすることができ、聴感上の音質を向上させることができる。
【００５０】
図４は、上記補正機能付オーディオデータ復号回路２の他の構成例を示す図である。
図４において、多重分離回路１１で分離されたオーディオデータは、補正を伴う逆量子化回路１７に供給され、各周波数帯域ごとに逆量子化処理と逆フローティング処理とが行われる。さらに、この補正を伴う逆量子化回路１７では、周波数領域のオーディオ信号に対して、周波数の低い成分と高い成分とに強調補正がかけられる。
【００５１】
このようにして補正の施されたオーディオ信号は、次に周波数／時間変換回路１４で周波数領域の信号から時間領域の信号に変換され、このように再構成されたディジタルオーディオ信号が出力端子１５を介して次段のＤＡ変換回路３に供給される。
【００５２】
上記補正を伴う逆量子化回路１７での補正処理の方法としては、例えば、▲１▼逆フローティング処理を行う前の逆量子化されたオーディオ信号に対して、出力音量レベルに応じてあらかじめ決められた係数を乗算する方法と、▲２▼フローティング係数に対してあらかじめ決められた係数を乗算する方法とが挙げられる。
【００５３】
ここで、上記▲２▼の方法のように、フローティング係数に対して補正処理を施す場合は、更に回路規模の小さい補正回路を構成することが可能である。すなわち、従来例で説明したように、符号化の際にオーディオデータと一緒に多重化されるのは、フローティング係数そのものではなく、参照するテーブルのインデックス値である。
【００５４】
そのため、例えば表１に示したテーブルを利用する場合にフローティング係数を２．０倍しようとするときは、補正を行う際にこの多重化されたインデックスの値を３だけ小さくすることにより、フローティング係数に２．０を乗算したことと同様の結果が得られる。この処理では、乗算回路ではなく加算回路だけで補正が可能となるので、回路規模をかなり小さく抑えることができる。
【００５５】
図５に、上述のような強調補正処理による周波数成分の変化の様子の一例を示す。例えば、図２に示した補正回路１３に、図５（Ａ）のような周波数成分を持つ逆量子化されたオーディオ信号が入力されたとする。この場合、補正回路１３では、図５（Ｂ）の太線で表した周波数成分を強調補正する。一例としては、１ＫＨｚ以下の周波数成分と１０ＫＨｚ以上の周波数成分とを４〜１０ｄＢ強調することにより、小音量再生時の音質を向上させることができる。
【００５６】
なお、以上の説明では、本実施形態のオーディオ復号化装置はＤＡ変換回路３を含むものとして、すなわち、オーディオ復号化装置の出力はアナログ信号であるものとして述べたが、これは必ずしも必要なことではなく、装置全体がディジタル回路で構成されていても良い。
【００５７】
次に、本実施形態のオーディオ符号化装置の構成例を、図６に示す。
図６において、入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、時間／周波数変換回路３２により、所定時間毎に時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換され、符号化効率を上げるために複数の周波数帯域に分割される。
【００５８】
このようにして変換された周波数領域のオーディオ信号は、量子化回路３３に供給される。量子化回路３３では、分割された各周波数帯域ごとにフローティング処理と量子化処理とが行われる。なお、図６の符号化装置では、表１のフローティング係数の中から適当な値を用いてフローティング処理が行われる。
【００５９】
上記入力端子３１に入力されたディジタルオーディオ信号は、適応的ビット割り当て回路３５へも供給される。適応的ビット割り当て回路３５では、入力信号の特性を計算し、その信号特性を用いて各周波数帯域毎のビット割り当て数を決定する。すなわち、人の聴覚特性を利用して聞こえにくさに応じて量子化精度を適応的に変化させるように、各周波数成分へのビット割り当て数を決定する。以上の処理は、図８の従来例と同じである。
【００６０】
このように人の聴覚特性を利用してビット割り当てを行った場合、低周波成分と高周波成分との量子化精度が粗くなる。そのため、復号化装置側で上述のような強調補正を行った場合、量子化雑音が強調されて聴感され、音質が却って悪くなってしまう場合がある。これを解決するために、ビット割り当て補正回路３６では、低周波成分と高周波成分とに対して追加のビット（例えば１ビット）を割り当てることにより、量子化精度をあらかじめ向上させている。
【００６１】
図７は、上記ビット割り当て補正回路３６の一構成例を示す図である。
図７において、適応的ビット割り当て回路３５より入力端子４１を介して入力される各周波数帯域毎の人の聴覚特性に基づくビット割り当て数は、加算回路４２へと送られる。
【００６２】
また、この加算回路４２には、補正ビット数テーブル回路４３に各周波数帯域毎に格納されている補正ビット数が読み出し回路４４により読み出されて供給される。なお、補正の必要がないときは、補正ビット数は０となる。また、低周波領域と高周波領域とで異なる補正ビット数を設定することも可能である。
【００６３】
加算回路４２では、周波数帯域毎に、上記人の聴覚特性に基づくビット割り当て数と上記補正ビット数とを加算し、その加算結果を出力端子４５より量子化回路３３および多重化回路３４に出力する。量子化回路３３では、フローティング処理を施した後のデータに対して、各周波数帯域毎に補正されたビット長で量子化を行う。
【００６４】
なお、図６の構成例では、適応的ビット割り当て回路３５とビット割り当て補正回路３６とを別個に設けているが、量子化雑音を考慮した補正量も含めたビット割り当て数を初めから設定するようにするビット割り当て回路を１つだけ設けるようにしても良い。
【００６５】
このように、本実施形態では、符号化装置側で低周波成分と高周波成分とのビット割り当て数を上方補正した上で、復号化装置側で上述したような強調補正を行うようにしている。これにより、再生時に低周波成分と高周波成分とを本来の信号成分の性質と無関係に強調してしまう従来の不都合を防止することができ、量子化雑音を抑制することができる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、オーディオ符号化装置内に、量子化処理のために各周波数成分の信号に対してビット割り当てを行う際に、人の聴覚特性に基づいて計算されるビット割り当て数よりも多いビット数を低周波成分および高周波成分の信号に対して割り当てるようにするビット割り当て手段を備えるとともに、オーディオ復号化装置内に、周波数／時間変換処理を行う前の逆量子化処理の際に、周波数領域の信号に対して上記低周波成分および高周波成分を強調補正する補正手段を備えたので、復号化装置側における強調補正で本来の信号成分とは異なる成分が強調されることによって生じる低周波成分や高周波成分の量子化雑音を抑制することができ、音質を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるオーディオ復号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示した補正機能付オーディオデータ復号回路の一構成例を示すブロック図である。
【図３】図２に示した補正回路の構成例を示すブロック図である。
【図４】図１に示した補正機能付オーディオデータ復号回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図５】強調補正処理による周波数成分の変化の様子の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるオーディオ符号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示したビット割り当て補正回路の構成例を示すブロック図である。
【図８】従来のオーディオ符号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】従来のオーディオ復号化装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】図９に示したオーディオデータ復号回路の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
２ 補正機能付オーディオデータ復号回路
１３ 補正回路
１７ 補正を伴う逆量子化回路
２２ かけ算回路
２３ 補正乗数テーブル回路
２４ 選択回路
３６ ビット割り当て補正回路
４２ 加算回路
４３ 補正ビット数テーブル回路
４４ 読み出し回路
Claims (4)
- オーディオ信号を時間／周波数変換処理により周波数領域の信号に変換して量子化処理を用いて符号化する符号化装置と、上記符号化装置によって符号化されたオーディオデータを復号する復号化装置とを有するオーディオ符号化復号化システムであって、上記符号化装置は、上記量子化処理のために各周波数成分の信号に対してビット割り当てを行う際に、人の聴覚特性に基づいて計算されるビット割り当て数よりも多いビット数を低周波成分および高周波成分の信号に対して割り当てるようにするビット割り当て手段を備え、上記復号化装置は、周波数／時間変換処理を行う前の逆量子化処理の際に、周波数領域の信号に対して上記低周波成分および高周波成分を強調補正する補正手段を備えたことを特徴とするオーディオ符号化復号化システム。
- 上記復号化装置は、出力音量の調整を行う音量調整手段を更に備え、上記復号化装置内の補正手段は、上記音量調整手段に小音量の出力音量情報が設定されているときに、周波数／時間変換処理を行う前の周波数領域の信号に対して、人の聴覚特性上小音量時に聞こえにくくなる低周波成分および高周波成分を強調補正することを特徴とする請求項１に記載のオーディオ符号化復号化システム。
- 上記符号化装置で行われる量子化処理は、フローティング処理を伴う量子化処理であって、上記復号化装置内の補正手段は、逆量子化処理を行う際に上記低周波成分および高周波成分の量子化データを強調補正することを特徴とする請求項１または２に記載のオーディオ符号化復号化システム。
- 上記符号化装置で行われる量子化処理は、フローティング処理を伴う量子化処理であって、上記復号化装置内の補正手段は、逆量子化処理を行う際に上記低周波成分および高周波成分のフローティング係数を強調補正することを特徴とする請求項１または２に記載のオーディオ符号化復号化システム。
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