JP3942523B2

JP3942523B2 - ディジタル信号符号化方法、復号化方法、符号器、復号器及びこれらのプログラム

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Publication number: JP3942523B2
Application number: JP2002303056A
Authority: JP
Inventors: 明夫神; 健弘守谷; 和永池田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2022-10-17
Also published as: JP2004138789A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は音声、音楽などの音響信号や画像信号などディジタル信号を、要求品質、伝送速度、蓄積容量などに応じて、スケーラブルに符号化し、または復号化する方法、その符号器、復号器、およびこれらのプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のディジタル信号符号化、復号化方法として、圧縮率の高い非可逆の符号化を行い、その再生信号と原信号との誤差信号を可逆に圧縮することを組み合わせることで圧縮率の高い非可逆符号化と可逆の圧縮との両方を柔軟に使い分ける方法が提案されている（例えば特許文献１）。これを改良し、圧縮のスケーラビリティを更に柔軟に変更可能とした方法が、例えば非特許文献１に提案されている。この従来法を図１を参照して説明する。
【０００３】
符号器１０では、ディジタル入力信号の時系列（以下「ディジタル入力信号系列」と称する）が、入力端子１００から入力され、フレーム分割部１１０で、ディジタル入力信号系列が、例えば１０２４個のディジタル入力信号（即ち、１０２４点のサンプル）からなるフレーム単位に、順次分割される。
非可逆圧縮部１２０で、フレーム分割部１１０の出力が非可逆圧縮符号化される。この符号化は、復号化時に元のディジタル入力信号をある程度再現できる方法であれば、入力信号に適した如何なる方法でもよい。例えば、上記ディジタル入力信号が音声であればＩＴＵ−Ｔの音声符号化などが利用でき、音楽であればＭＰＥＧまたはＴwin ＶＱなどが利用でき、映像であればＭＰＥＧなどが利用できる。その他、前記特許文献１で示す各種非可逆量子化法を用いることもできる。なお、非可逆圧縮部１２０の出力を「非可逆圧縮符号Ｉ（ｎ）」と称する。
【０００４】
非可逆圧縮部１２０に対応する復号部（即ち、非可逆伸張部２３０）と同様構成の局部復号化部１３０で、非可逆圧縮符号Ｉ（ｎ）から局部再生信号が生成される。局部再生信号と元のディジタル入力信号との誤差信号が減算部１４０で求められる。通常、この誤差信号の振幅は、元のディジタル入力信号の振幅よりもかなり小さい。よって、ディジタル入力信号を可逆圧縮符号化するよりも、誤差信号を可逆圧縮符号化する方が情報量を小さくできる。
この可逆圧縮符号化の効率を上げるために、ならびかえ部１６２で、誤差信号（即ち、ビット列）のビットをならびかえるが、誤差信号を２の補数表現（各サンプルが正負の整数で表現）によるビット列から、極性符号と絶対値の２進数表現に極性絶対値変換部１６１で変換し、その後、ならびかえ部１６２で、各サンプルの同一桁位置のビットをサンプルを跨いでフレーム内のビットからなるビット列として伝送記録単位分割部３１０に供給され、このビット列は伝送単位あるいは記録単位のデータに分割される。これら各分割された伝送記録単位データは、可逆圧縮部１５０により可逆圧縮され、パケット化部３２０により、分割された伝送記録単位データを、復号時に１つのフレームとして再構成可能なようにヘッダが取付けられ、パケットとして出力端子１７０に出力される。例えば図２Ａに示すように、誤差信号の１フレームの１０２４サンプルＳ１，…，Ｓ１０２４はそれぞれ１６ビットのＰＣＭ信号、つまり最上位ビット（ＭＳＢ）で極性符号が、他の１５ビットで振幅の絶対値の２進数が表わされ、この２進数はＭＳＢ側が上位桁とされている。この各サンプルＳ１，…，Ｓ１０２４の同一桁位置のビットの１フレーム分、つまり１０２４ビットでビット列が構成され、つまりこの例では１６個のビット列Ｂ１，…，Ｂ１６が作られる。これらビット列Ｂ１，…，Ｂ１６が伝送記録単位で分割され、例えば各ビット列に分割され、それぞれ１つのパケットＰ１，…，Ｐ１６とされる。
【０００５】
パケット化部３２０で、例えば図２Ｂに示すようにヘッダ３１がその伝送記録単位データ（ペイロード）３２に付けられる。ヘッダ３１は例えばフレーム番号とフレーム内の伝送記録単位データの番号よりなるパケット番号３３と、パケットの優先順位３４及びデータ長３５が設けられ、復号側で各フレームごとにディジタル信号列を再構成できるようにされる。
データ長３５は伝送記録単位データ３２のデータ長が固定であれば必要ないが、可逆圧縮部１５０で圧縮された場合などはデータ長がパケットにより異なる。
【０００６】
更に一般にはパケット全体に誤りが生じているか否かを検出するためのＣＲＣ符号などの誤り検出符号３６が最後に付加されて１つのパケット３０が構成され、このパケット３０が出力端子１７０に出力される。
可逆圧縮部１５０は、例えば、連続する系列がある場合や頻繁に出現する系列がある場合を利用した、ハフマン符号化や算術符号化などのエントロピィ符号化などによりビット列（分割データ）を可逆圧縮符号化する。テキスト等を可逆に圧縮するユニバーサル符号化を適用してもよい。
【０００７】
非可逆圧縮部１２０よりの非可逆圧縮符号Ｉ（ｎ）もパケット化部３２０でパケットＰ０とされ、このパケットＰ０に第１優先順位が与えられ符号列（ＭＳＢのビット列）の可逆圧縮符号Ｉ（ｅ）のパケットＰ１に第２優先順位が与えられ、以下、下位桁位置のビット列の可逆圧縮符号Ｉ（ｅ）のパケットになるに従って、順次優先順位が低くされる。
これらパケットＰ０，…，Ｐ１６は出力部３３０により伝送又は蓄積される。
復号器２０では入力部４００によりパケットが受信され、又は蓄積部から読み取られて入力端子２００より非パケット化部４４０に入力される。非パケット化部４４０ではパケットが誤りがないか、誤りがあった場合に利用可能か否か判定され、また優先順位と、パケット番号が判定され、非可逆圧縮符号Ｉ（ｎ）と可逆圧縮符号Ｉ（ｅ）とに分離され、かつフレームの再構成が可能なように、順に各所要のデータが取出される。
【０００８】
可逆圧縮符号Ｉ（ｅ）は可逆伸張部２１０で可逆復号され、各伝送記録単位データは伝送記録単位統合部４１０でそのパケット番号に基づき、複数のパケットより１フレーム分を各ビット列Ｂ１，…，Ｂ１６が区別できるように統合し、この統合されたデータはならびかえ部２２１で、各ビット列Ｂ１，…，Ｂ１６から順番に各１ビットずつを取り出して、サンプル列として順次変換され、符号器で図２Ａに示した変換と逆の変換が行われ、つまりサンプル列Ｓ１，…，Ｓ１０２４が得られ、これらは２の補数変換部２２２で２の補数表現に変換されて誤差信号が再生される。
【０００９】
一方非パケット化部４４０からの非可逆圧縮符号Ｉ（ｎ）は非可逆伸張部２３０で非可逆復号化されて伸張され、この非可逆伸張信号と２の補数変換部２２２よりのフレーム単位の再生誤差信号とが加算部２４０で加算される。パケット番号からパケット欠落が生じている場合は欠落検出部４２０でこれが検出され、欠落情報補正部４３０へ供給され、欠落情報に対する補正が行われて、加算部２４０へ供給される。パケット欠落が生じていない場合は誤差信号は加算部２４０へ直ちに供給される。フレーム合成部２５０では入力された信号を順次連結して再生されたディジタル信号系列として出力端子２６０に出力する。
【００１０】
伝送路の特性、蓄積する場合の蓄積容量、あるいは利用者の要求などに応じて、優先順位の低いパケットだけを出力しない、又は入力しない。例えば図２４Ａ中のパケットＰ１５とＰ１６を出力せず又は入力せず、復号器２０では図２Ｃに示すように再生された符号絶対値表現のサンプル列の下位に“０”を２ビット付加して誤差信号を再生する。このようにして要求される品質が低い程、優先順位の低い方から順に多くのパケットを省略することにより、スケーラブル機能をもたせることができる。
【００１１】
なお上述では誤差信号に対し、スケーラブルにしたが、図１中において符号器１０では非可逆圧縮部１２０、非可逆伸張部１３０、加算部を省略してフレーム分割部１１０の出力を極性絶対値変換部１６１へ直接供給し、復号器２０では非可逆伸張部２３０、加算部２４０を省略して２の補数変換部２２２の出力をフレーム合成部２５０又は欠落情報補正部４３０へ直接、切り替え供給するようにして、入力ディジタル信号時系列を直接スケーラブルな符号化をすることもできる。
【００１２】
前記非特許文献１にはパケット欠落に対する対策として次のことも記載されている。補助情報生成部３５０中のスペクトル包絡算出部３５１でフレームごとの誤差信号のスペクトル包絡を表現するパラメータＬＰＣが、例えば線形予測分析により線形予測係数として求められ、またパワー算出部３５２でフレームごとの誤差信号の平均パワーが算出される。これら線形予測係数ＬＰＣ及び平均パワーは補助情報符号化部３５３により、例えば３０〜５０ビット程度の低ビットで符号化されて補助情報符号とされる。この補助情報符号はパケット化部３２０で優先順位の高いパケット、例えば極性符号を含む伝送記録単位データが格納されたパケット内に付加され、あるいは独立したパケットとして出力される。なお復号器２０においては非パケット化部４４０において、補助情報符号は分離されて補助情報復号部４５０へ供給され、補助情報復号部４５０は当該フレームの誤差信号のスペクトル包絡を表すパラメータ及び平均パワーを復号し、スペクトル包絡パラメータ及び平均パワーを欠落補正部４３０へ供給する。
【００１３】
欠落情報補正部４３０の処理について以下に説明する。
図３にその処理手順を示す。まず２の補数変換部２２２から入力された確定しているビットのみを使ってフレーム内の暫定波形（暫定的なサンプル列）を再生する（Ｓ１）。この暫定波形の再生は欠落しているビットは例えば０に固定するか、欠落ビットが取り得る値の中間値とする。例えば下位４ビットが欠落しているとすると、０〜１５までのレベルのどれかが正しい値であるが、仮に８または７に設定する。
【００１４】
次にこの暫定波形のスペクトル包絡を計算する（Ｓ２）。例えば音声分析で使われている全極型の線形予測分析を暫定波形に対し行えばスペクトル包絡を推定できる。この推定したスペクトル包絡と補助情報として送られた誤差信号のスペクトル包絡、つまり補助情報復号部４５０で復号されたスペクトル包絡とを、比較して誤差が許容範囲内であれば暫定波形を出力波形（補正された誤差信号波形）信号として加算部２４０へ出力する（Ｓ３）。
ステップＳ３において、推定スペクトル包絡形状が復号スペクトル包絡形状と大きく異なるときにはまず推定したスペクトル包絡の逆特性を暫定波形に与える（Ｓ４）。具体的にはステップＳ２で求めたスペクトル包絡を表すパラメータを用いて、例えば全極型の線形予測の逆フィルタ（全零型）に暫定波形を通過させることでスペクトルを平坦化して平坦化信号とする。この平坦化信号の平均パワーを計算し、この平均パワーと、補助情報復号部４５０からの復号された平均パワーとから補正量を計算し、例えば両者の比又は差をとり、その補正量により、前記平坦化信号に対し振幅補正を行う、つまり、平坦化信号に対し補正量を乗算又は加算して、復号パワーに合せる（Ｓ５）。
【００１５】
次にこの振幅補正された平坦化信号に対して補助情報のスペクトル包絡の特性を与えてスペクトル包絡を補正する（Ｓ６）。すなわち補助情報の復号スペクトル包絡を表わすパラメータＬＰＣを用いた全極型の合成フィルタにパワー補正された平坦化信号を通してスペクトル補正波形を作る。この結果の波形のスペクトル包絡は原音に近いものになる。
ただしこのスペクトル補正波形はすでにわかっている振幅のビットと矛盾する可能性があるので、その場合は正しい値に修正する（Ｓ７）。例えば１６ビット精度の振幅の値のうち、下位４ビットが不明である場合、各サンプルのとりうる値には１６の範囲の不確定があるが、スペクトル補正波形と最も近い値に修正する。つまり各サンプルにおいて補正したサンプル値がとり得る範囲から外れた場合はとり得る範囲の限界値に修正する。この修正で振幅値の確定しているビットはすべて一致して同時にスペクトル包絡も原音に近い波形が再生できる。
この修正波形をステップＳ１の暫定波形としてステップＳ２以後の処理を繰り返すことができる。
【００１６】
【特許文献１】
特開２００１−４４８４７公報（第１図）
【非特許文献１】
T.Moriya 外４名著“Lossless scalable audiocoder and quality enhancement”ICASPP 2002,＃2440，2002
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来法における課題は、音響信号の伝送時または蓄積時にスケーラブルに情報ビット列を複数個のパケットに分割した場合、再生する際にパケット全部を再生すれば最高品質で音が聞こえて良いが、一部分のパケットだけからそれなりの品質の音を再生しようとすれば、劣化する音の品質が、対象とする原信号の性質に応じてばらつきがあり、場合によっては非常に聞き苦しい大きなノイズを発生することである。
【００１８】
例えば入力原信号の波形の一部が１６ビットＰＣＭ信号で図４Ａに示す場合に、下位６ビット分の各パケットを復号器２０に入力しない場合は再生信号は図４Ｂに示すように各サンプルの下位６ビットが“０”とされたものとなり、そのサンプルＳ４〜Ｓ７の包絡波形は図４Ｃに示すようになだらかな山状となるが、下位７ビット分の各パケットを復号器２０に入力しない場合は再生信号は図４Ｄに示すように各サンプルの下位７ビットが“０”とされたものとなり、そのサンプルＳ４〜Ｓ７の包絡波形は図４Ｅに示すようにパルス状となり、大きな雑音の原因となる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
（１）この発明の符号化方法によれば入力ディジタル信号をフレームごとに分割し、各フレームごとにディジタル信号の符号絶対値表現における各符号のサンプルを跨ぐ符号列をパケットとし、上記ディジタル信号の絶対値における各桁番号及び／又は連続する複数の桁番号ごとに、そのビットのサンプルを跨いだビット列をそれぞれパケットとし、上記符号列のパケットに高い優先順位を与え、上記ビット列のパケットには上記符号列のパケットより低く、かつ桁番号が大きくなる程、低い優先順位を与えて出力する。
（２）前記（１）項において好ましくは出力すべき必要桁数を決定し、上記各サンプルの絶対値において、下位より上記必要桁数部分の上位桁にビット１があれば、その必要桁数部分のビットを全て１とし、その後、上記必要桁数部分についてのみ上記ビット列のパケットを生成する。
【００２０】
（３）前記（１）又は（２）項において好ましくは符号列、上記各ビット列をそれぞれ可逆圧縮符号化した後それぞれパケットとする。
（４）前記（１）〜（３）項の何れかにおいて好ましくは原信号を非可逆圧縮符号化して、非可逆圧縮符号を生成し、この非可逆圧縮符号を上記符号列のパケットより優先順位が高いパケットとし、上記非可逆圧縮符号を局部復号し、得られた局部復号信号と上記原信号との誤差信号を上記ディジタル信号とする。
（５）この発明の復号化方法によれば入力された符号列のパケットから符号列を求め、入力されたビット列の複数のパケットからそれぞれビット列を求め、上記ビット列の各ビットを用い、そのパケットの優先順位が最も高いもので最下位桁位置を再生し、優先順位の順に下位より２桁目以後の各位置を再生して各サンプルの絶対値を再生し、これら各サンプルの最上位桁位置を上記符号列の対応する符号で再生し、上記各サンプルの再生された符号と絶対値との間に再生されていない桁位置があれば、これら各桁位置の全てをビット０で再生して符号絶対値表現のディジタル信号を再生する。
【００２１】
（６）前記（５）項において好ましくは符号絶対値表現のディジタル信号における絶対値の再生桁数を決定し、上記各ビット列からサンプルの絶対値の再生を、最下位桁位置から上記決定された再生桁数だけ行う。
（７）前記（５）項において好ましくは符号絶対値表現のディジタル信号における絶対値の再生桁数を決定し、上記再生されたサンプルの絶対値中に最下位桁から上記決定された再生桁数位置より上位桁にビット１があれば、その再生サンプルの絶対値中の全てのビット０をビット１に変更し、その後上記再生されたサンプルの最下位桁から上記決定された再生桁数位置と上記最上位桁の符号ビットとのすべての桁位置をビット０に再生する。
【００２２】
（８）前記（５）乃至（７）項の何れかにおいて好ましくは上記符号列、上記各ビット列は対応パケット中の非可逆圧縮符号を可逆復号してそれぞれ生成する。
（９）前記（５）乃至（８）項の何れかにおいて好ましくは入力パケットから非可逆圧縮符号を非可逆復号して復号信号を生成し、上記再生された符号絶対値表現ディジタル信号を２の補数表現のディジタル信号に変換して誤差信号とし、その誤差信号と上記復号信号を加算してディジタル信号を再生する。
【００２３】
（１０）この発明の符号器によれば入力ディジタル信号をフレームごとに分割するフレーム分割部と、出力すべき有効桁数を決定する有効桁決定部と、上記ディジタル信号の符号絶対値表現における各サンプルの絶対値中に、最下位桁から上記決定された有効桁数の桁位置より上位でビット１があれば、そのサンプルのその最下位桁から有効桁数位置までのビット０をビット１に変換する最大値変換部と、上記ディジタル信号を上記フレームごとに、符号ビットをサンプルを跨いだ符号列とし、最下位桁から上記有効桁数の桁位置までビットを桁番号又は連続する複数の桁番号ごとにサンプルを跨いだビット列に変換するならびかえ部と、上記符号列を含み高い優先順位としたパケットを生成し、上記ビット列をそれぞれ含み、上記符号列のパケットより低く、かつ、最下位桁程高い優先順位とした各パケットを生成するパケット化部とを備える。
（１１）この発明の復号器によれば複数の入力パケットから符号列、複数のビット列を求める手段と、上記符号列の各符号ビットで各サンプルの最上位桁位置を再生し、上記各ビット列の各ビットで、そのビット列の対応パケット優先順位が高い程各サンプルの下位桁位置を再生して絶対値を再生するならびかえ部と、各サンプルの上記再生された符号ビットと上記再生された絶対値との間の各桁位置をビットで再生して符号絶対値表現のディジタル信号を再生するゼロ詰部とを具備する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図５にこの発明による符号器及び復号器の各実施形態を示す。この実施形態は非可逆圧縮符号と可逆圧縮符号とを用いた場合であり、図１と対応する部分には同一参照番号を付けてある。
符号化
符号器１０においてディジタル信号はフレーム分割され、非可逆圧縮符号化され、その局部復号信号と入力ディジタル信号との誤差信号が作られ符号絶対値表現の誤差信号に変換され、更にならびかえ部１６２で符号ビットの符号列と、各桁位置ごとのビット列とに変換され、伝送記録単位で分割され、それぞれ可逆圧縮部１５０で可逆圧縮されてそれぞれパケット化部３２０でパケットとされる。
【００２５】
この場合そのパケットに対する優先順位の付け方が、図１に示した従来の符号器と異なる。図６Ａに示すように非可逆圧縮符号Ｉ（ｎ）を含むパケットは最も高い第０番優先順位のパケットＰ０とし、符号列の可逆圧縮符号Ｉ（Ｃ）を含むパケットは次に高い第１番優先順位のパケットＰ１とするまでは従来と同一であるが、次に高い第２番優先順位のパケットＰ２は最下位桁位置のビット（ＬＳＢ）の列Ｂ１の可逆圧縮符号Ｉ（Ｂ１）を含むパケットとし、次の第３番優先順位のパケットＰ３は下位から２番目のビット列Ｂ２の可逆圧縮符号Ｉ（Ｂ２）を含むパケットとする。以下、上位桁位置のビット列の可逆圧縮符号のパケット程、優先順位を低くする。なお図６Ａはサンプルのビット数を１６とし、フレームのサンプル数は本来は例えば１０２４のように大きいが、図示する関係上１２としてある。
【００２６】
全てのパケットを例えば優先順位が高いものから順に出力し、この全てのパケットを用いて復号すれば原ディジタル信号を再生できる。伝送路の容量や蓄積部の容量、その他利用者の要求などに応じて、出力するパケットを減らす場合は、優先順位の低いものから順に出力しないようにする。このようにパケットの一部を出力しない場合は好ましくは次のようにするとよい。
有効桁決定部３４０を設け、パケットを出力する伝送路の回線容量、パケットを蓄積する蓄積部の蓄積容量、利用者の要求品質などを有効桁決定部３４０に入力すると、予め求められているこれら要求パラメータと出力してもよい有効桁数との関係に基づいて有効桁数Ｍが決定される。最下位桁を含む上位のその有効桁数Ｍ分の各桁位置の各ビット列と対応するパケットまで、例えばＭ＝８の場合図６Ａに示すようにパケットＰ２〜Ｐ９をパケットＰ０及びＰ１の外に出力するようにパケット化部３２０が制御される。
【００２７】
更に好ましくは、極性絶対値変換部１６１とならびかえ部１６２との間に最大値変換部３６０が設けられ最大値変換部３６０において、各サンプルの絶対値部分に、最下位桁からこれを含む有効桁数Ｍ分の上位桁位置より上位桁１２ビット“１”が存在するかを調べ、存在する場合はそのサンプルの最下位桁を含むＭ桁内のビット０をビット１に変更する。例えば図６Ａに示したＰＣＭディジタル信号の場合、下位からＭ＝８桁位置より上位の桁の絶対値部分でビット１が存在しないサンプルはＳ４とＳ９のみであり、他のサンプルはＭ＋１桁位置以上の絶対値にビット１が存在するから、サンプルＳ１〜Ｓ３、Ｓ５〜Ｓ８、Ｓ１０〜Ｓ１２中のＭ桁位置以下の桁位置のビット０を、図６Ｂに示すようにビット１に変更する。
【００２８】
このように変更された符号絶対値表現誤差信号がならびかえ部１６２へ供給され、前と同様の処理が行われるが、符号ビットの符号列と、下位１〜８桁位置のビット列Ｂ１〜Ｂ８のみが生成され、これらの可逆圧縮符号Ｉ（Ｃ），Ｉ（Ｂ１）〜Ｉ（Ｂ８）の各パケットＰ１，Ｐ２〜Ｐ９とＰ０とが出力される。パケットの優先順位はＰ０，Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐ９の順である。
このように誤差信号の最下位より有効桁数Ｍまでしか出力されないが、前記ビット０をビット１に変更することにより、その変更しない場合のＭ＝８ビットよりはそのサンプルの実際の絶対値に近い値となり、それだけ、再生信号は品質がよいものとなる。
【００２９】
復号化
復号器２０において、入力されたパケットは非パケット化部４４０で各パケットは非パケット化され、パケットＰ０の非可逆符号Ｉ（ｎ）は非可逆伸張部２３０へ供給され、パケットＰ１，Ｐ２，…中の可逆圧縮符号Ｉ（Ｃ），Ｉ（Ｂ１），Ｉ（Ｂ２），…は可逆伸張部２１０で可逆伸張され、伝送記録単位統合部４１０で符号列、各ビット列Ｂ１，Ｂ２，…に統合され、ならびかえ部２２１では符号列の各符号ビットで各サンプルの最上位桁位置が再生され、ビット列Ｂ１の各ビットで各サンプルの最下位桁位置が再生され、ビット列Ｂ２の各ビットで各サンプルの最下位から２桁目が再生され、以下同様に各サンプルの下位桁から順次上位桁位置がそれぞれ再生される。なお可逆伸張された各ビット列は何れの桁位置に対するものかの情報がそのパケットに予め付加され、又はパケット番号優先順位番号とから順次知ることができるようにされている。
【００３０】
ならびかえ部２２１でこのように各サンプルが再生されるが、全パケットが入力されなかった場合は、各サンプルの絶対値部分に再生されない桁位置が存在する。このような場合はゼロ詰部４６０によりその再生されていない全ての桁位置はビット０に再生される。例えば図６Ｂに示したように符号器１０における有効桁数Ｍ＝８の場合でかつ最大値変換が行われた場合は、その復号器４０にはパケットＰ１〜Ｐ９が入力され、図７Ａに示すようにこれらパケットＰ１〜Ｐ９により最上位桁に符号ビットがパケットＰ０により再生され、最下位桁から８桁目まで各桁位置がパケットＰ２〜Ｐ９により再生され、下位から９桁目から１５桁目までの７桁の各位置はゼロ詰部４６０により全てビット０に再生される。なお符号器１０で最大値変換部３６０による変換が行われなく、かつＭ＝８の場合は、図６Ａ中の符号ビットと、最下位桁位置から第８桁目までの状態がならびかえ部２２１で再生され、第９桁目から第１５桁目の各桁位置がゼロ詰部４６０で図７Ａと同様に全てビット０に再生される。
【００３１】
ゼロ詰部４６０で再生されたサンプルは２の補数変換部２２２で２の補数ディジタル信号に変換され誤差信号が再生され、これと非可逆伸張部２３０よりの非可逆復号信号と加算部２４０が加算され、フレーム合成部２５０で再生フレームディジタル信号が順次接続される。
復号器２０に希望桁決定部４７０を設け、これに利用者が希望する品質を希望桁決定部４７０に指定入力すると、予め決められた品質と希望桁数との関係に従ってその入力に対応する希望桁数Ｌが出力され、これが非パケット化部４４０に入力され、非パケット化部４４０は各サンプル中の最下位桁よりこれを含む上位Ｌ（希望桁数）桁までの各桁位置が再生できるように、入力されたパケット中からパケットを選択し、そのデータを可逆伸張部２１０へ供給するようにすることもできる。なお入力されるパケットがもともと符号器１０で有効桁数Ｍにより制限されている場合は、Ｌ≦Ｍとされる。
【００３２】
希望桁数により再生桁数を制限する場合は、ならびかえ部２２１とゼロ詰部４６０との間に最大値変換部４８０を設けるとよい。この場合は入力されたパケットは全て復号され、ならびかえ部２２１で生成された各サンプルの全ビット又は符号ビットと、最下位桁位置〜第Ｍ番目（この場合はＬ＜Ｍとする）の桁位置のビットとが最大値変換部４８０で下位からＬ桁目より上位の桁位置（最上位の符号ビット位置は除く）にビット１があるかを調べ、ビット１が存在すれば、そのサンプルの最下位桁位置〜第Ｌ桁位置間におけるビット０を全てビット１に変更し、各サンプルについて符号ビットと、最下位桁位置〜第Ｌ桁位置までのビットをゼロ詰部４６０へ出力する。
【００３３】
例えば図６Ｂに示したように符号器１０で有効桁数Ｍ＝８により制限され、かつ、最大値変換がされたパケットが入力された場合、ならびかえ部２２１では図７Ａ中の下位から第９桁目〜第１５桁目の各ビットが再生されない状態であり、希望桁数Ｌ＝７とすると、最下位より第Ｌ＝７桁目より上位桁位置でビット１が存在しないサンプルはＳ４のみでありサンプルＳ１〜Ｓ３、Ｓ５〜Ｓ８、Ｓ１０〜Ｓ１２は最下位桁位置から第Ｍ＝８桁位置まで全てビット１であり、サンプルＳ９のみがその最下位桁位置から第Ｌ桁位置までのビット中の０が１に変更され、各サンプルの符号ビットと最下位位置〜第Ｌ＝７桁位置の各ビットとがゼロ詰部４６０で供給されて、第８桁位置〜第１５桁位置の各ビットは０に再生され図７Ｂに示すようになる。
【００３４】
このように誤差信号は下位桁程、優先順位が高いパケットとされているため、伝送路の回線容量、蓄積部の蓄積容量、利用者の要求品質に応じて優先順位の低いパケットが復号されなくても、再生誤差信号に大きな雑音は生じることなくある程度の品質が保持される。特に最大値変換部３６０や４８０を設ける場合は、パケット省略による再生信号の変動を小さくすることができ、一層雑音の発生を押えることができる。
この発明においても、符号器１０において、図５中で非可逆圧縮部１２０、局部復号化部１３０、減算部１４０を省略し、破線１１で示すようにフレーム分割部１１０の出力を極性絶対値変換部１６１へ直接供給するようにしてもよい。その場合は復号器２０において、非可逆伸張部２３０、加算部２４０を省略して、破線２１で示すように、２の補数変換部２２２の出力をフレーム合成部２５０へ直接供給してもよい。
また図５の符号器１０中に破線１２で示すように可逆圧縮部１５０を省略し、復号器２０中に破線２２で示すように可逆伸張部２１０を省略してもよい。
【００３５】
応用例及び変形例
この発明は以上述べたようにスケーラビリティがあるから、例えば、パケットを送信側から受信側へ配信する場合、パケットＰ０は必ず伝送するが、パケットＰＣ，ＰＭ，Ｐ２，…は伝送路の回線容量に応じて、ビットレートを逐次、変動させながら配信することができる。その際、優先順位の高いパケットを優先して送り、伝送レートが足りなければ、優先順位の低いパケットは廃棄してしまい伝送しないか、または、遅延時間の許容範囲内であれば優先順位を下げて後から伝送する。なお図５中の符号器１０側に破線で示すように有効桁決定部３４０にその時の伝送路の伝送可能なビットレートを入力すると、優先順位の何番目のパケットまで送信してよいかが決定され、パケットＰ０から、その決定された順位のパケットまでが出力部３３０から出力されるようにすることができる。
【００３６】
受信側では、ほぼリアルタイムでパケットを受信し、送信側の符号化の際に作成した全てのパケットが送られてきたならば、これらを全て使って可逆符号化による復号化と不可逆符号化による復号化の出力ＰＣＭ信号とを足し合わせれば、完全に無歪な音を出力として再生することができる。また、一部分のパケットのみを受信した場合には、それなりの品質での再生が可能となる。受信側では、目的に応じて、受信パケットの中から実際の再生に使用するパケット量を調整し、優先順位の高いものから優先して一部分のパケットのみを使って再生することによって、再生音の品質を下げたり上げたりすることもできる。例えば、受信側でわざと品質を落とすことによって試聴に使用したり無料サービスを実施できるし、品質を上げれば本サービスや有料サービスができる。例えば復号器２０側にも希望桁決定部４７０を設けて、これに利用者が指示入力すると、その指示に応じた優先順位の何番目のパケットまで復号するか決定され、入力部４００に受信したパケット中からＰ０よりその決定されたパケットまでが非パケット化部４４０へ供給される。
【００３７】
また送信側で優先順位の高いパケットからなるべく早く受信側へ配信されるようにし、受信側では、たとえ回線の伝送容量が小さくてもリアルタイムで、またはあまり待たずに音を再生すると共に蓄積部５００（図５）に蓄積し、時間をかけて多くのパケットが到着後に再び先に到着済みのパケットと併せて再生して品質の高い音を聴くこともできる。
遠隔地の利用者が、放送番組や図書館に所蔵されているデータなど、データセンターの蓄積された音のデータを素早く検索したい場合には、同じデータベースから優先度の高いパケット部分のみを検索して目的の音を探し出し、その後は、時間をかけて優先度の低いパケットも受信することによって、品質の高い音を再生できる。また、送信側で、配信パケットを優先度の順位で制限することにより、利用者の利用できる品質を制約することもできる。
【００３８】
マルチキャスト・ルータを使えば、各利用者の要求レベルに応じて、それぞれ優先度の高い順に要求に応じたビットレートに見合うだけのパケットを各利用者に配信することが可能となる。
またハードディスク、半導体メモリなどの記憶装置（蓄積部）に、符号化したスケーラブル符号ビット列の各パケットを記憶し、パケット優先順位に従って、この一部分を瞬時に取り出して試聴、検索、無料サービスなどを実施したり、多くのパケットを取り出して本使用や有料サービスを実施したり、全てのパケットを時間をかけて取り出し、放送や教育などの高品位サービス、高価格サービスに利用したりすることもできる。
【００３９】
上述では非可逆圧縮符号と可逆圧縮符号を用いたが、可逆圧縮符号のみを用いる場合にもこれら応用例を適用することができる。その場合は優先順位が最も高いパケットはＰＣになる。上述の説明から理解されるように、有効桁決定部３４０，希望桁決定部４７０の入力はビットレート、利用者の要求品質、利用者の目的（検索、試聴、有料など）などであり、これらに応じて、優先順位を何番目にするか予め決められる。
図５中に破線で示すように、補助情報生成部３５０を設け、スペクトルＬＰＣやパワーなどの補助情報符号を優先順位の高いパケットＰＣ又はＰＭ内に付加し、又は独立のパケットとして出力し、復号器では欠落情報補正部４３０、補助情報復号部４５０を設けて、例えば図３を参照して説明したように欠落パケットに対し、復号した補助情報による補正を行うこともできる。
【００４０】
図５に示した符号器１０、復号器２０はそれぞれコンピュータにより符号化プログラム、復号化プログラムを実行させて機能させることもできる。これらの場合は、そのコンピュータのプログラムメモリに、符号化プログラム、復号化プログラムを、ＣＤ−ＲＯＭ、可撓性磁気ディスクなどから、又は通信回線を通じてダウンロードして利用することになる。
この発明は音響信号の符号化、復号化のみならず画像信号にも適用できる。なおこの明細書においては情報量を調整するために意図的に１フレーム中のパケットを除去したために、復号器において１フレーム中のパケットが全て入力されない場合、あるいは通信網のトラフィック輻輳による交換局などで一部パケットを送出しないために基づく、又は伝送路障害、記録再生装置の異常などに基づくパケット欠落の場合、更に入力されたパケット中に誤りがあり、その伝送記録単位データを解読できず、使用することができない場合などを総称でパケット欠落と記す。
【００４１】
【発明の効果】
この発明によれば原信号と同一品質の信号から各種程度の品質の信号まで再生を可能とするスケーラブルな符号化ができ、しかも、サンプルの絶対値を下位桁程高い優先順位としているため、一部の符号化ビット列から再生しても大きな雑音が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のディジタル信号符号器及び復号器の機能構成を示す図。
【図２】Ａは符号器１０のならびかえ部１６２の処理を説明するための図、Ｂはパケットのフォーマット例を示す図、Ｃは復号器２０のならびかえ部２２１の処理を説明するための図である。
【図３】復号器２０の欠落情報補正部４３０の処理例を示す流れ図。
【図４】Ａは原ＰＣＭ信号の例を示す図、Ｂはその下位６ビットを全て“０”とした再生ＰＣＭ信号を示す図、Ｃはその一部の波形包絡を示す図、Ｄは図４Ａの下位７ビットを全て“０”とした再生ＰＣＭ信号を示す図、Ｅはその一部の波形包絡を示す図である。
【図５】この発明による符号器及び復号器の各実施形態の機能構成例を示す図。
【図６】Ａはこの発明におけるパケット化とその優先順位を説明するための図、Ｂは図５の符号器中の最大値変換部３６０の処理を説明するための図である。
【図７】Ａは図５の復号器２０中のならびかえ部２２１とゼロ詰部４６０の処理を説明するための図、Ｂは復号器中の最大値変換部３６０の処理を説明するための図である。

Claims

入力ディジタル信号をフレームごとに分割し、
各フレームごとにディジタル信号の符号絶対値表現における各符号のサンプルを跨ぐ符号列をパケットとし、
上記ディジタル信号の絶対値における各桁番号及び／又は連続する複数の桁番号ごとに、そのビットのサンプルを跨いだビット列をそれぞれパケットとし、
上記符号列のパケットに高い優先順位を与え、上記ビット列のパケットには上記符号列のパケットより低く、かつ桁番号が大きくなる程、低い優先順位を与えて出力することを特徴とするディジタル信号符号化方法。
出力すべき必要桁数を決定し、
上記各サンプルの絶対値において、下位より上記必要桁数部分の上位桁にビット１があれば、その必要桁数部分のビットを全て１とし、
その後、上記必要桁数部分についてのみ上記ビット列のパケットを生成することを特徴とする請求項１記載のディジタル信号符号化方法。
上記符号列、上記各ビット列をそれぞれ可逆圧縮符号化した後それぞれパケットとすることを特徴とする請求項１又は２記載のディジタル信号符号化方法。
原信号を非可逆圧縮符号化して、非可逆圧縮符号を生成し、この非可逆圧縮符号を上記符号列のパケットより優先順位が高いパケットとし、
上記非可逆圧縮符号を局部復号し、得られた局部復号信号と上記原信号との誤差信号を上記ディジタル信号とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のディジタル信号符号化方法。
入力された符号列のパケットから符号列を求め、
入力されたビット列の複数のパケットからそれぞれビット列を求め、
上記ビット列の各ビットを用い、そのパケットの優先順位が最も高いもので最下位桁位置を再生し、優先順位の順に下位より２桁目以後の各位置を再生して各サンプルの絶対値を再生し、これら各サンプルの最上位桁位置を上記符号列の対応する符号で再生し、
上記各サンプルの再生された符号と絶対値との間に再生されていない桁位置があれば、これら各桁位置の全てをビット０で再生して符号絶対値表現のディジタル信号を再生することを特徴とするディジタル信号復号化方法。
符号絶対値表現のディジタル信号における絶対値の再生桁数を決定し、
上記各ビット列からサンプルの絶対値の再生を、最下位桁位置から上記決定された再生桁数だけ行うことを特徴とする請求項５記載のディジタル信号復号化方法。
符号絶対値表現のディジタル信号における絶対値の再生桁数を決定し、
上記再生されたサンプルの絶対値中に最下位桁から上記決定された再生桁数位置より上位桁にビット１があれば、その再生サンプルの絶対値中の最下位桁から再生桁数位置との間の全てのビット０をビット１に変更し、
その後、最下位桁から上記再生桁数位置と上記最上位桁の符号ビットとの間のすべての桁位置をビット０に再生することを特徴とする請求項５記載のディジタル信号復号化方法。
上記符号列、上記各ビット列は対応パケット中の可逆圧縮符号を可逆復号してそれぞれ生成することを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載のディジタル信号復号化方法。
入力パケットから非可逆圧縮符号を非可逆復号して復号信号を生成し、
上記再生された符号絶対値表現ディジタル信号を２の補数表現のディジタル信号に変換して誤差信号とし、
その誤差信号と上記復号信号を加算してディジタル信号を再生することを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載のディジタル信号復号化方法。
入力ディジタル信号をフレームごとに分割するフレーム分割部と、
出力すべき有効桁数を決定する有効桁決定部と、
上記ディジタル信号の符号絶対値表現における各サンプルの絶対値中に、最下位桁から上記決定された有効桁数の桁位置より上位でビット１があれば、そのサンプルのその最下位桁から有効桁数位置までのビット０をビット１に変換する最大値変換部と、
上記ディジタル信号を上記フレームごとに、符号ビットをサンプルを跨いだ符号列とし、最下位桁から上記有効桁数の桁位置までビットを桁番号又は連続する複数の桁番号ごとにサンプルを跨いだビット列に変換するならびかえ部と、
上記符号列を含み高い優先順位としたパケットを生成し、上記ビット列をそれぞれ含み、上記符号列のパケットより低く、かつ、最下位桁程高い優先順位とした各パケットを生成するパケット化部と、
を備えるディジタル信号符号器。
複数の入力パケットから符号列、複数のビット列を求める手段と、
上記符号列の各符号ビットで各サンプルの最上位桁位置を再生し、上記各ビット列の各ビットで、そのビット列の対応パケット優先順位が高い程、各サンプルの下位桁位置を再生して絶対値を再生するならびかえ部と、
各サンプルの上記再生された符号ビットと上記再生された絶対値との間の各桁位置をビットで再生して符号絶対値表現のディジタル信号を再生するゼロ詰部とを具備するディジタル信号復号器。
請求項１乃至４の何れかに記載したディジタル信号符号化方法の各処理をコンピュータに実行させるための符号化プログラム。
請求項５乃至９の何れかに記載したディジタル信号復号化方法の各処理をコンピュータに実行させるための復号化プログラム。