JP4184817B2 - 時系列信号の符号化方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、音楽制作、音響データの素材保管、ロケ素材の中継など音楽制作分野、特にＣＤよりも品質の高い高精細オーディオ制作を行う分野、ＣＤ、ＤＶＤ等のデジタル記録媒体を用いたオーディオ記録再生分野、遠隔医療における生体信号の伝送等、データの改変が嫌われる分野等において好適なデータの可逆圧縮技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、音響信号の圧縮には様々な手法が用いられている。音響信号を圧縮して符号化する手法として、ＭＰ３（ＭＰＥＧ−１／Ｌａｙｅｒ３）、ＡＡＣ（ＭＰＥＧ−２／Ｌａｙｅｒ３）などが実用化されている。このような圧縮符号化方式により、音響信号を小さいデータとして扱うことが可能となり、データの記録・伝送の効率化に貢献している。
【０００３】
上述のようなＭＰ３、ＡＡＣ等はいずれもロッシー符号化方式といわれるものであり、効率的な圧縮が可能であるが、復号化にあたって、少なからず品質の劣化を伴い、原信号を完全に再現することはできない。そのため、音楽制作、素材保管、ロケ素材の中継など音楽制作分野では、これらの符号化方式を適用できず、非効率ではあるが、非圧縮で保存・伝送する方式がとられている。特に最近は高精細オーディオを扱うプロダクションが増え、素材容量が膨大になり、ワークディスクを管理する上で問題になってきている。
【０００４】
最近では、上記問題を解決するため、音響信号を可逆圧縮符号化する方法として、所定時間単位のサンプルをブロック化し、ブロック内のサンプルに対して予測符号化を利用して相関を除去する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特表２０００−８２１１９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載の発明では、ブロック内の相関を用いた圧縮にとどまっており、ブロックを超えたブロック間の相関については考慮されていない。
【０００７】
そこで、これらの問題を解決するため、本発明は、同じような信号波形パターンが繰り返し現れるような時系列信号に対して、より効率の高い圧縮を行うことが可能な時系列信号の符号化方法および装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、時系列のサンプル列で構成される時系列信号に対して、前記全てのサンプル列を再現できるように情報量を圧縮する符号化方法として、前記時系列信号に対して線形予測を行い、各サンプルの値を予測誤差値に変換する予測誤差変換段階、前記予測誤差値に変換されたサンプル列に対して、所定のフレーム長の複数のサンプルで構成されるフレーム単位に分割するフレーム設定段階、前記各フレームを対象フレームとして、当該対象フレームより時間的に過去に位置する所定数の比較フレームの中から最も対象フレームに類似する相関候補フレームを探索する相関候補フレーム探索段階、前記相関候補フレームのアドレスを前記フレーム長を超えない範囲でサンプル単位に移動させ、前記対象フレームと前記相関候補フレームが最も類似するアドレスを探索して相関フレームを決定する相関フレーム決定段階、前記対象フレームおよび相関フレームの各アドレスを関連付けて符号化するフレーム相関符号化段階、前記対象フレームと相関フレームとの差分を求め、対象フレームを相関フレームとの差分値に更新するフレーム更新段階、前記フレーム更新段階で更新された対象フレームを含む全サンプル列に対して符号化を行うサンプル列符号化段階を実行するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、予測誤差変換後、サンプル列にフレームを設定し、各フレームに類似する相関フレームを、相関候補フレームを探索した後、相関候補フレームをサンプル単位で移動することにより決定して検出し、対象となるフレームを相関フレームとの差分値で記録するようにしたので、同じような信号波形パターンが繰り返し現れるような時系列信号に対して、より効率の高い圧縮を行うことが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（装置構成）
図１は、本発明に係る時系列信号の符号化装置の一実施形態を示す構成図である。図１において、１０は予測誤差変換手段、２１はフレーム設定手段、２２は相関候補フレーム探索手段、２３は相関フレーム決定手段、２４はフレーム相関符号化手段、２５はフレーム更新手段、２６は可視情報出力手段、３０はサンプル列符号化手段である。
【００１１】
図１において、予測誤差変換手段１０は、線形予測誤差の手法を用いて、時系列信号の各サンプルの値を予測誤差値に変換する機能を有する。フレーム設定手段２１は、時系列信号に対して所定数のサンプルで構成されるサンプル列をフレームとして設定する機能を有する。相関候補フレーム探索手段２２は、あるフレームを対象フレームとし、対象フレームとの相関が高い相関フレームの候補となる相関候補フレームを探索する機能を有する。相関フレーム決定手段２３は、相関候補フレームを時系列方向に少しずつ移動させながら、対象フレームとの相関が高い相関フレームを決定する機能を有する。フレーム相関符号化手段２４は、決定された相関フレームと対象フレームとの対応関係をフレーム相関データとして符号化する機能を有する。フレーム更新手段２５は、対象フレームの各サンプルの値を、相関フレームの各サンプルとの差分値に更新する機能を有する。可視情報出力手段２６は、フレーム相関符号化手段２４により作成されたフレーム相関データを可視情報として出力する機能を有する。サンプル列符号化手段３０は、各対象フレームを更新した後の全サンプル列を所定の手法により符号化する機能を有する。図１に示した各構成要素は、実際には、コンピュータおよびコンピュータにより実行される専用のソフトウェアプログラムにより実現される。
【００１２】
（処理動作）
次に、図１に示した時系列信号の符号化装置の処理動作について説明する。ここでは、時系列信号として音響信号を適用した場合を例にとって説明する。まず、時系列信号であるアナログの音響信号をデジタル化する。これは、従来の一般的なＰＣＭの手法を用い、所定のサンプリング周波数でこのアナログ音響信号をサンプリングし、振幅を所定の量子化ビット数を用いてデジタルデータに変換する処理を行えば良い。本実施形態では、サンプリング周波数４４．１ＫＨｚ、量子化ビット数１６ビットで正負の符号を記録した場合を想定して以降説明する。サンプリング周波数４４．１ＫＨｚでサンプリングすると、１秒あたり４４１００個のサンプルにより構成されるサンプル列ができることになる。
【００１３】
続いて、図２のフローチャートに従って、本発明の時系列信号の符号化方法について説明する。まず、上記のようなサンプル列に対して、まず、予測誤差変換手段１０が、予測誤差の算出を行い、各サンプルの値を予測誤差値に変換する（ステップＳ１）。具体的には、直前の２つのサンプルを基に各サンプルの予測値と予測誤差を算出する。ここで、予測誤差の算出手法について、図３を用いて説明する。例えば、サンプル値ｘ（ｔ）が図３（ａ）に示すような状態である場合を考えてみる。図３（ａ）において、横軸は時刻（サンプル番号）、縦軸はサンプル値ｘ（ｔ）である。また、各時刻における線分は、各時刻におけるサンプル値ｘ（ｔ）の大きさを示している。このような状態で、時刻ｔのサンプルにおける予測誤差ｅ（ｔ）を算出する場合、直前の時刻ｔ−１におけるサンプル値ｘ（ｔ−１）および２つ前の時刻ｔ−２におけるサンプル値ｘ（ｔ−２）を利用して以下の〔数式１〕により算出する。
【００１４】
〔数式１〕
ｅ（ｔ）＝ｘ（ｔ）−２×ｘ（ｔ−１）＋ｘ（ｔ−２）−ｅ（ｔ−１）／２
【００１５】
上記〔数式１〕において、「２×ｘ（ｔ−１）−ｘ（ｔ−２）」は過去の２つのサンプルに基づく線形予測成分である。予測誤差変換手段１０は、この線形予測成分、および、直前のサンプルにおいて算出された予測誤差「ｅ（ｔ−１）／２」（誤差フィードバック成分）を用いて時刻ｔにおける予測誤差ｅ（ｔ）を算出する。全サンプルについて、予測誤差の算出を行い、サンプル値の代わりに予測誤差が記録される。
【００１６】
これを図３（ａ）に示したサンプルを基に説明する。まず、誤差フィードバック成分を加えない状態で各予測誤差ｅｏ（ｔ）を算出する。図３（ｂ）に示すように、時刻ｔの予測誤差ｅｏ（ｔ）を算出する場合、直前の時刻ｔ−１におけるサンプル値ｘ（ｔ−１）および２つ前の時刻ｔ−２におけるサンプル値ｘ（ｔ−２）を結ぶ予測線が時刻ｔでとる値と、時刻ｔにおけるサンプル値ｘ（ｔ）の差分（図中太点線で示す）に基づいて予測誤差ｅｏ（ｔ）が算出される。時刻ｔ＋１以降も同様に行って予測誤差ｅｏ（ｔ＋１）を算出する。算出された予測誤差ｅｏ（ｔ）は、図３（ｃ）に示すようになる。図３（ａ）と図３（ｃ）を比較するとわかるように値が変動する範囲が大きく狭まり、データ圧縮に都合が良くなる。
【００１７】
続いて、〔数式１〕に基づいて予測誤差ｅｏ（ｔ）に対して直前の時刻ｔ−１における補正が加わった予測誤差ｅ（ｔ−１）の５０％を減算させて、誤差フィードバック処理を加えた結果が図３（ｄ）である。図３（ｃ）と比べると、時刻ｔ＋１およびｔ＋２における予測誤差の低減が顕著である。逆に時刻ｔ＋３およびｔ＋４では予測誤差が増大しているが、平均的には予測誤差が低減し、図３（ａ）と比較すると値が変動する範囲が更に狭まり、データ圧縮効果が向上する。
【００１８】
続いて、フレーム設定手段２１が、所定のサンプル数単位でフレーム化を行う（ステップＳ２）。本実施形態では、フレーム長をサンプル列の開始時刻から終了時刻までの全区間に渡って固定長としている。具体的には、１フレームを５１２サンプルとしている。フレーム設定手段２１は、図４（ａ）に示すように、サンプル列の先頭から５１２サンプルずつを１フレームとして設定していくことになる。
【００１９】
次に、相関候補フレーム探索手段２２が、各フレームに対して相関の高いフレームの候補となる相関候補フレームを探索する。具体的には、図４（ｂ）に示すように、まず、設定されたフレームのうち、時間的に最後尾のフレームを、相関フレームを探すための対象フレームとする。次に、この対象フレームの予測誤差絶対値の総和を算出する（ステップＳ３）。本実施形態の場合、対象フレーム内の５１２サンプルの絶対値の総和が算出されることになる。具体的には、対象フレームの番号をｋ、フレーム長をＴ、各フレーム内のサンプル番号をｔとすると、総和値Ｅｏは、以下の〔数式２〕により算出される。
【００２０】
〔数式２〕
Ｅｏ＝Σ｜ｅ（ｔ＋ｋＴ）｜
ただし、ｔ＝０，１，２，…，Ｔ−１（Ｔはフレーム長）
【００２１】
なお、上述のように、本実施形態においては、Ｔ＝５１２である。すなわち、〔数式２〕による処理により、｜ｅ（ｋＴ）｜から｜ｅ（ｋＴ＋５１１）｜の総和が得られることになる。ここで、対象フレームの各サンプルの様子を図５（ａ）に示す。図５において、横軸は時刻（サンプル番号）、縦軸はサンプル値である。図５（ａ）に示すように、対象フレームのサンプル番号は、ｋＴ，ｋＴ＋１，ｋＴ＋２，…となっている。Ｅｏは５１２個の線分の総和として得られる。
【００２２】
続いて、相関候補フレーム探索手段２２は、対象フレームよりも時間的に過去に位置するフレームとの予測誤差差分の絶対値の総和を算出する（ステップＳ４）。まず、最初は、対象フレームの直前のフレームを比較フレームとして計算を行う。本実施形態の場合、対象フレームと比較フレームの各５１２サンプルの差分絶対値の総和が算出されることになる。具体的には、対象フレームの番号をｋ、比較フレームの番号をｐ、フレーム長をＴ、各フレーム内のサンプル番号をｔとすると、差分総和値Ｅｐは、以下の〔数式３〕により算出される。
【００２３】
〔数式３〕
Ｅｐ＝Σ｜ｅ（ｔ＋ｋＴ）−ｅ（ｔ＋ｐＴ）｜
ただし、ｔ＝０，１，２，…，Ｔ−１（Ｔはフレーム長）
【００２４】
なお、上述のように、本実施形態においては、Ｔ＝５１２である。ここで、対象フレームＦｋと比較フレームＦｐの各サンプルの様子は図５（ａ）のようになっている。図５（ａ）に示すように、対象フレームのサンプル番号は、ｋＴ，ｋＴ＋１，ｋＴ＋２，…、比較フレームのサンプル番号は、ｐＴ，ｐＴ＋１，ｐＴ＋２，…となっている。上記〔数式３〕における処理は、図５（ａ）に示したｅ（ｋＴ）とｅ（ｐＴ）の差分絶対値、ｅ（ｋＴ＋１）とｅ（ｐＴ＋１）の差分絶対値、…といった具合に対応するサンプル同士の差分絶対値を算出し、それを５１２個分足したものとなる。ステップＳ４における演算は、対象フレームを固定したまま、比較フレームを時間的に過去のものに順に変更して行っていく。本実施形態では、１つの対象フレームに対して１００個の比較フレームとの演算を行う。例えば、フレームに時系列に昇順に番号を付与したとすると。対象フレームＦｋに対しては、ｐ＝ｋ−１からｋ−１００の１００個の比較フレームＦｐに対して演算を行うことになる。
【００２５】
相関候補フレーム探索手段２２は、所定数の比較フレームとの演算を行った後、演算結果ＥｐがＥｏより小さくかつ最小となる比較フレームを相関候補フレームとする（ステップＳ５）。相関候補フレームが見つからなければ、ステップＳ３に戻って、対象フレームｋの直前のフレームｋ−１を新たな対象フレームとしてステップＳ３〜ステップＳ５の処理を行う。
【００２６】
相関候補フレームが見つかった場合は、相関フレーム決定手段２３が、相関フレームを探索して決定する処理を行う。まず、相関候補フレームのアドレスを１サンプル分前に移動させて対象フレームと相関候補フレームの差分絶対値の総和Ｅｐｓを算出する（ステップＳ６）。対象フレームと相関候補フレームの差分絶対値の総和Ｅｐは既に算出されているので、まず、相関候補フレームのアドレスを１サンプル前にずらした状態で計算を行い、次に２サンプルずらした状態で行うというように順次計算を行っていく。具体的には、対象フレームの番号をｋ、相関候補フレームの番号をｐ、フレーム長をＴ、各フレーム内のサンプル番号をｔ、移動させる補正アドレスをｓサンプルとすると、差分総和値Ｅｐｓは、以下の〔数式４〕により算出される。
【００２７】
〔数式４〕
Ｅｐｓ＝Σ｜ｅ（ｔ＋ｋＴ）−ｅ（ｔ＋ｐＴ＋ｓ）｜
ただし、ｔ＝０，１，２，…，Ｔ−１（Ｔはフレーム長）
【００２８】
なお、上述のように、本実施形態においては、Ｔ＝５１２である。ここで、ｓ＝０のときの対象フレームＦｋと比較フレームＦｐの各サンプルの様子は図５（ａ）のようになっている。図５（ａ）に示すように、対象フレームのサンプル番号は、ｋＴ，ｋＴ＋１，ｋＴ＋２，…、相関候補フレームのサンプル番号は、ｐＴ，ｐＴ＋１，ｐＴ＋２，…となっている。ｓ＝０の場合については、既に、ステップＳ４において計算されているので、ここでは行わない。続いて、１サンプルずらした状態、すなわちｓ＝−１とした状態で上記〔数式４〕の計算を行う。ｓ＝−１とした場合のサンプル列を図５（ｂ）に示す。図５（ａ）と比較するとわかるように、この場合、相関候補フレームを１つずらした状態で差分演算を行っていく。すなわち、対象フレームのサンプルｋＴとの演算対象はサンプルｐＴ−１、サンプルｋＴ＋１との演算対象はサンプルｐＴといった具合に１つずらした状態で行っていく。本実施形態では、１つの相関候補フレームについて、フレーム長Ｔの半分の２５６サンプルずらした状態まで対象フレームとの演算を行う。具体的には、ｓ＝−２５６〜＋２５５の範囲で５１２個の差分総和値Ｅｐｓを算出する。この結果、ＥｐｓがＥｐ（ｓ＝０の場合）より小さくかつ最小となるアドレスｓに対応するサンプル列を相関フレームとして決定する（ステップＳ７）。
【００２９】
相関フレームが決定したら、フレーム相関符号化手段２４が、対象フレームと相関フレームの対応関係をフレーム相関データとして符号化する（ステップＳ８）。具体的には、図４（ｄ）に示すように、対象フレームの先頭のサンプル番号と、相関フレームの先頭のサンプル番号を対応付けて記録する。一方、フレーム更新手段２５は、対象フレームの各サンプルの値を相関フレームの各サンプル値との差分値に更新する（ステップＳ９）。対象フレームが差分値に更新されたら、ステップＳ３に戻って、１つ直前のフレームを新たな対象フレームとして処理を続けていく。このようにして、時系列信号の先頭時刻までの全フレームを対象フレームとして相関フレームの検出処理を行う。
【００３０】
全てのフレームを対象フレームとして上記処理が終了したら、上記処理が施されたサンプル列に対して、サンプル列符号化手段３０が、サンプル列符号化処理を行う（ステップＳ１０）。ここからのサンプル列符号化処理は、各サンプルについて固定ビット長もしくは可変ビット長で符号化を行うものであり、特定の手法には限定されない。しかし、ここでは、好ましい例について以下にしめしておく。
【００３１】
（サンプル列符号化の好ましい例）
まず、正負の値をとる各サンプルのビット列を、正負の極性が付いたビット列に変換する。具体的には、１６ビットで正負の値を表現しているビット列を、先頭の１ビットを正負の極性符号とし、他の１５ビットで絶対値を表すように変換する。このように変換した場合、「０」については、極性符号が必要ないため、省略が可能となる。これにより、値が「０」のサンプル数×１ビット分が削減できることになる。
【００３２】
次に、各サンプルの上位ビットと下位ビットの分離を行う。例えば、音響信号をＰＣＭによりデジタル化する際に、量子化ビット数１６でサンプリングした場合、各サンプルは１６ビットで表現されている。この場合、本実施形態では、上位ビット１２ビットと、下位ビット４ビットに分離する。この分離は、基本的に、Ａ／Ｄ変換機等、音響信号をデジタル化する際に用いる回路の熱雑音を分離するために行う。そのため、熱雑音であると考えられる下位ビットを分離するのである。下位ビットとして、どの程度分離するかは、音源や利用した回路の特性によっても変化するが、通常量子化ビット数の１／４程度とすることが望ましい。したがって、ここでは、１６ビットの１／４にあたる４ビットを下位ビットとして分離しているのである。本発明においては、特に、この上位ビットと下位ビットの分離を予測誤差に変換した後に行うことを特徴としている。これは、予測誤差への変換を上位ビットと下位ビットの分離後に上位サンプルに対して行うと、たとえ予測誤差への変換により圧縮可能な成分が下位ビットのなかに含まれていても、圧縮処理が行われないため、全体的に圧縮効率が低下する場合があるためである。
【００３３】
ここで、このデータ分離の様子を図６に模式的に示す。図６において、Ｈは上位ビットもしくは上位サンプルデータを示し、Ｌは下位ビットもしくは下位サンプルデータを示す。図６（ａ）は分離前のサンプルデータである。データの分離処理により、サンプルデータは、図６（ｂ）に示す上位サンプルデータと図６（ｃ）に示す下位サンプルデータに分離されることになる。なお、上位ビットに含まれる符号ビットは、そのまま上位サンプルデータに含まれて分離される。図６の例で、「Ｈ４」として示したように、極性処理により符号ビットが削除されている場合には、符号ビットのない上位サンプルデータとなる。上記のようにして分離されたサンプルデータは、以降別々に処理されることになる。
【００３４】
次に、上位サンプル列に対して、信号平坦部の処理を行う。具体的には、上位サンプル列中で同一の値が連続する部分を、信号平坦部の先頭時刻位置と、同一信号レベルが続くサンプルの個数と、信号レベル（サンプル値）の３つの値で構成される上位信号平坦部データとして、上位サンプル列と分離して記録する。
【００３５】
続いて、上位サンプル列を可変ビット長で符号化していく。まず、最初に、ビット構成の変換を行うために利用するルックアップテーブルの作成を行う。ルックアップテーブルの作成にあたって、上位サンプル列の全時刻に渡って、各上位サンプル値のヒストグラムを算出する。各上位サンプル値は上記の極性処理により、全て絶対値化されているので、正負の区別なくヒストグラムを算出する。その結果、サンプル絶対値の種類が６４０以上となった場合、セパレータビットを２ビット固定値「００」とし、サンプル絶対値の種類が６３９以下となった場合、セパレータビットを１ビット固定値「０」とする。さらに、出現頻度の高いサンプル絶対値から順に、少ないビット数のビットパターンを割り当てていく。この際、割り当てるビットパターンには規則が有り、最上位ビットは必ず「１」とすると共に、セパレータビットが２ビット「００」の場合は「００１」のビットパターンを含むビットパターンは禁止し、セパレータビットが１ビット「０」の場合は「０１」のビットパターンを含むビットパターンは禁止する。また、セパレータビットが２ビット「００」の場合のルックアップテーブルは１つだけであるが、セパレータビットが１ビット「０」の場合のルックアップテーブルは、サンプル絶対値の種類が３２０以上の場合と、３２０未満の場合で異なるものを作成するようにしている。サンプル絶対値の種類の数に応じたルックアップテーブルの例を図７、図８に示す。
【００３６】
上記のようにして作成されたルックアップテーブルを用いて、１２ビット固定長の連続する上位サンプルデータを、可変長のビットパターンに変換していく。可変長になるため、変換後の各データの区切りを区別する必要が生じる。そのため、本実施形態では、各データ間に上述のような１ビットもしくは２ビットのセパレータビットを挿入する。サンプル値の種類が３２０未満の場合、各順位のデータを表現するためのビット列、およびビット数は、図７（ａ）に示すようになる。図７（ａ）において、順位０位は、最もビット数が少ない１ビット「１」で表現される。図７（ａ）においては、変換前ビット列は省略してあるが、最も頻繁に現れるビット列が１ビット「１」に変換されることになる。また、各可変長ビットには、セパレータが必ず付加されるので、順位０位のデータを表現するためには、２ビットが必要となることになる。図７（ａ）に示すサンプル値の種類が３２０未満の場合は、セパレータビットが１ビット「０」であるため、「０１」のビットパターンは割り当てられないことになる。
【００３７】
また、サンプル値の種類が３２０以上６４０未満の場合、各順位のデータを表現するためのビット列、およびビット数は、図７（ｂ）に示すようになる。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示したルックアップテーブルの各ビット列の最上位１ビットに後続して１ビットを付加したものを新たなビット列としている。例えば、図７（ｂ）において順位０位の「１０」と順位１位の「１１」は、図７（ａ）において順位０位の「１」に１ビット「０」と「１」をそれぞれ付加したものであり、図７（ｂ）において順位２位の「１００」と順位３位の「１１０」は、図７（ａ）において順位１位の「１０」の２ビット目に１ビット「０」と「１」をそれぞれ付加したものである。図７（ｂ）においても。各可変長ビットには、セパレータが必ず付加されるので、順位０位のデータを表現するためには、３ビットが必要となることになる。図７（ｂ）の例では、セパレータビットが１ビット「０」であるため、「０１」のビットパターンは割り当てられないことになるが、データの読出しの順序を工夫することにより復号時には正しいデータが抽出できるようになっている。
【００３８】
また、セパレータビットが２ビット「００」の場合、各順位のデータを表現するためのビット列、およびビット数は、図８に示すようになる。図８において、順位０位は、最もビット数が少ない１ビット「１」で表現される。図８においても、変換前ビット列は省略してあるが、最も頻繁に現れるビット列が１ビット「１」に変換されることになる。また、各可変長ビットには、セパレータが必ず付加されるので、順位０位のデータを表現するためには、３ビットが必要となることになる。図８の例では、セパレータビットが２ビット「００」であるため、「００１」のビットパターンは割り当てられないことになる。
【００３９】
図９（ａ）（ｂ）に、データ変換の様子を模式的に示す。図９（ａ）（ｂ）はいずれもサンプル列の上位部分に対応しており、図９（ａ）は固定長の上位サンプルが連続して記録されている様子を示している。図９（ａ）に示したような上位サンプル列は、図７（ａ）（ｂ）および図８に示したルックアップテーブルを用いて図９（ｂ）に示すように変換されることになる。
【００４０】
一方、下位サンプルデータは、上記データ分離処理により分離された下位２ビットのデータを固定長で連続に符号化していく。
【００４１】
（符号データの記録）
以上のようにして得られた符号データは、図１０に示すようになる。すなわち、上位可変長サンプル列、ルックアップテーブル、上位信号平坦部データ、下位固定長サンプル列、フレーム相関データとなる。このデータを記録すべき記録媒体に合わせたフォーマットで記録する。なお、上位可変長サンプル列、上位信号平坦部データ、ルックアップテーブル、下位固定長サンプル列はサンプル列符号化処理で上記の例と異なる処理を行った場合には、異なる形式で記録されることになる。
【００４２】
（フレーム相関情報の可視化）
上記フレーム相関データは、サンプル列符号データと共に記録媒体等に記録されると共に、圧縮効率を分析した分析データとして出力することができる。フレーム相関符号化手段２４では、フレーム相関データを記録媒体等に出力すると共に、フレーム相関データを加工して分析データを作成する。具体的には、元の時系列信号の全サンプル数の情報を用いて、フレーム間相関データをグラフィック表示して分析データを作成する。作成された分析データは、可視情報出力手段２６から出力される。可視情報出力手段２６としては、プリンタ等の印刷手段や、ＣＲＴ、ＬＣＤ等の表示手段が適用できる。可視情報出力手段２６に出力された分析データの様子を図１１に示す。
【００４３】
図１１において、上段下段共に時系列のサンプル列を矩形で示している。矩形の左端は開始時刻、右端は終了時刻を示している。上段に示したサンプル列中の上下方向の線分は相関フレーム、下段に示したサンプル列中の上下方向の太い線分は対象フレームを示している。上段のサンプル列も下段のサンプル列も同じものを示しているが、分けて表示しているのは、対象フレームと相関フレームの関係をわかりやすく示すためである。対応する相関フレームと対象フレームは点線で結んで示している。図１１の例では、１１個の対象フレームに対して１１個の相関フレームが検出されたことを示している。図からわかるように、相関フレームは必ず対象フレームよりも時間的に過去のものになっている。図１１に示すような分析データを可視情報として出力することにより、その時系列信号にどの程度の相関があるか等の情報を得ることができる。効果的な圧縮を検討するのに役立つ。
【００４４】
（他の圧縮方式との組み合わせ）
本発明は、上記説明の内容のみであっても十分に圧縮効果をあげることが可能であるが、他の圧縮方式と組み合わせることで、より高い効果を得ることができる。以下に、好ましい組み合わせについて説明する。ここでは、図１２に示すようなステレオ音響信号に対して処理を行う場合を想定して説明する。図１２（ａ）は、２チャンネルのステレオ音響信号を示しており、Ｃｈ１にＬ（左）信号、Ｃｈ２にＲ（右）信号が記録されている。また、図１２（ａ）から（ｄ）においては、左端が開始時刻であり、右端が終了時刻である。図１３は、本発明に他の方式を組み合わせた場合の全体の処理概要を示すフローチャートである。ここからは、図１３に従って説明していく。
【００４５】
（信号平坦部処理方式）
まず、デジタル音響信号であるサンプル列に対して、信号平坦部の処理を行う（ステップＳ２１）。信号平坦部とは、同一の信号レベルが連続する部分のことをいう。特に信号レベルが「０」の無音部、および信号レベルの絶対値が最大の飽和部に現れることが多い。無音部は実際に無音であるか、音が非常に小さく記録されなかった場合に生じるが、飽和部は、信号の録音およびＡ／Ｄ変換の過程において生じる。無音部、飽和部またはそれ以外の同一信号レベルが連続する場合のいずれであっても、信号平坦部は、同一の信号レベルが所定の時間（所定のサンプル数）連続して記録される。このため、この部分は圧縮し易いデータになっている。具体的には、信号平坦部の先頭時刻位置と、同一信号レベルが続くサンプルの個数と、信号レベル（サンプル値）の３つの値を信号平坦部データとして各チャンネルのサンプル列と分離して記録する。各チャンネルのサンプル列からは、信号平坦部が削除される。これを模式的に示すと図１２（ｂ）（ｃ）に示すようになる。図１２（ｂ）は、信号平坦部処理前のサンプル列である。図１２（ｂ）において、網掛けで示した部分は信号平坦部を示す。ステップＳ２１の処理により、信号平坦部は元のサンプル列からは削除され、図１２（ｃ）に示すようになる。ただし、復号時に元通りに復元するために、分離された信号平坦部は、図１２（ｅ）に示すような形式で記録しておく。
【００４６】
信号平坦部データは、上述のように、信号平坦部ごとに、その先頭時刻（サンプル番号）、サンプル数、サンプル値の３属性で記録する。ここで、先頭時刻とは、信号の開始位置からの時刻であり、図１２（ｅ）の例では、先頭からのサンプル番号で記録している。上述のように、サンプル番号をサンプリング周波数で除算すれば、時刻に変換されることになる。サンプル数は、そのサンプル値がどの程度連続して続くかを示す情報である。なお、サンプル数の代わりに信号平坦部の終了時刻を記録するようにしても良い。サンプル値は、デジタル化された信号レベルを示している。ここでは、１６ビットで量子化しているので、最大値は「３２７６７」、最小値は「−３２７６８」となる。すなわち、「０」は無音部、「３２７６７」および「−３２７６８」は飽和部を示している。ただし、信号平坦部を無条件には処理しない。ここでは、データの圧縮を目的としているため、サンプル列の削減分よりも信号平坦部データが大きくなると意味がないからである。したがって、信号平坦部となるサンプルが所定数以上連続する場合に限り信号平坦部データを作成して各チャンネルのサンプル列から分離するのである。なお、上記サンプル列の符号化で説明した上位信号平坦部データ作成のための信号平坦部処理も全く同様の手法で行われる。
【００４７】
続いて、各サンプルに対して、元のサンプル値から予測誤差への変換処理を行う（ステップＳ１）。これは、上記ステップＳ１において説明した処理を実行することにより各サンプルの値を予測誤差に変換する。複数チャンネルある場合は、各チャンネルのサンプル列に対して処理を行う。
【００４８】
（チャンネル間演算方式）
次に、予測誤差値が記録された各チャンネルの誤差サンプル列に対して、チャンネル間の差分演算を行う（ステップＳ２２）。これは、同一時刻における誤差サンプル値の差分を単純にとることにより行われる。差分演算の結果は、一方のチャンネルの誤差サンプル列として与え、他方のチャンネルの誤差サンプル列の値は、元のままとしておく。具体的には、図１２（ｃ）に示すような２チャンネルのステレオ音響信号の場合Ｃｈ１にはＬ信号の値をそのまま記録しておき、Ｃｈ２にはＲ−Ｌの差分値を与える。一般に、ステレオ音響信号では、同一時刻におけるそれぞれのデータには相関があり、各時刻における両データの差分値は元の値に比べて小さな値となる。これは線形予測により予測符号化した場合も同じである。そのため、図１２（ｄ）の例では、Ｃｈ２における各誤差サンプルの値が小さくなり、後に圧縮できる余地が大きくなる。この後、ステップＳ２〜ステップＳ９のフレーム間演算処理、ステップＳ１０のサンプル列の符号化処理を行うことになる。
【００４９】
（復号）
次に、上記符号化装置により符号化された符号データの復号について説明する。図１４は、本発明に係る時系列信号の復号装置の構成を示す機能ブロック図である。図１４において、９１はデータ読込手段、９２はサンプル列復号手段、９３はフレーム復元手段、９４は独立サンプル復元手段である。図１４に示す構成は、コンピュータおよびコンピュータに搭載される専用のソフトウェアプログラムにより実現される。
【００５０】
続いて、図１４に示した復号装置の処理動作について説明する。まず、図１０に示したような符号データを記録した記録媒体を、データ読込手段９１が読み込む。データ読込手段９１は、サンプル列符号化データをサンプル列復号手段９２に渡す。サンプル列復号手段９２は、符号化の手法に合わせた復号を行う。ここでは、上記の例に対応した復号について説明する。まず、読み込んだサンプル列符号化データのうち、ルックアップテーブルを参照することにより、上位可変長サンプル列から、１２ビット（値が「０」のものについては１１ビット）固定長の上位固定長サンプル列を復元してゆく。この際、ルックアップテーブルが図７（ａ）もしくは図８に示したものである場合には、上位可変長サンプル列のビットデータを順番に読み込んで復元していけば問題ないが、図７（ｂ）に示したようなルックアップテーブルである場合には、変換時に工夫が必要となる。この場合、セパレータビットが１ビット「０」であるため、「０１」のビットパターンは本来禁止されるはずであるが、図７（ｂ）に示すように、変換後ビット列には、「０１」のビットパターンを含むものがある。そこで、本実施形態では、ビットパターンの書き込み順序を変更することで対応している。具体的には、図７（ａ）または図８の場合、常に１となる先頭ビットを最後に書き込むようにし、２ビット目から書き込むようにし、図７（ｂ）の場合、１および２ビット目を最後に書き込むようにし、３ビット目から書き込むようにしている。例えば、順位４位のビット列「１０１」は「０１」のビットパターンを含むが、このようなビット列の場合、まず３ビット目の「１」から読み込まれ、セパレータビットと第１ビットから構成される「０１」パターンを認識して、２ビット目が最後に読まれることになるため、セパレータの誤認識が生じない。この場合、サンプル列復号手段９２は「１０１」のビット列を認識し、ルックアップテーブルに従って元の固定長ビット列が復元できる。
【００５１】
さらに、サンプル列復号手段９２は読み込んだ上位信号平坦部データを上位固定長サンプル列の所定の位置に挿入していく。続いて、上位固定長サンプル列と下位固定長サンプル列を統合する。具体的には、上位固定長サンプル列から１２ビットを抽出し、下位固定長サンプル列から４ビットを抽出して順次統合する処理を行う。続いて、正負の正負極性部１ビットと数値部１５ビットで表現されたサンプル列を正負の数値をとる１６ビットに変換する。
【００５２】
続いて、フレーム復元手段９３は、フレーム相関データを利用して相関フレームとの差分値で記録された対象フレームを復元する。フレーム相関データに記録されている全対象フレームについて処理を行ったら、独立サンプル復元手段９４が、上記〔数式１〕の左辺の項と右辺第１項を交換した式に基づいて、元のサンプル値ｘ（ｔ）を順次復元してゆく。これにより、アナログ信号をＰＣＭ化した状態のデジタル音響信号がデータの欠落無く復元されることになる。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、時系列信号に対して線形予測を行い、各サンプルの値を予測誤差値に変換し、予測誤差値に変換されたサンプル列に対して、所定のフレーム長の複数のサンプルで構成されるフレーム単位に分割し、各フレームを対象フレームとして、対象フレームより時間的に過去に位置する所定数の比較フレームの中から最も対象フレームに類似する相関候補フレームを探索し、相関候補フレームのアドレスをフレーム長を超えない範囲でサンプル単位に移動させ、対象フレームと相関候補フレームが最も類似するアドレスを探索して相関フレームを決定し、対象フレームおよび相関フレームの各アドレスを関連付けて符号化すると共に、対象フレームと相関フレームとの差分を求め、対象フレームを相関フレームとの差分値に更新するようにし、更新された対象フレームを含む全サンプル列に対して符号化を行うようにしたので、同じような信号波形パターンが繰り返し現れるような時系列信号に対して、より効率の高い圧縮を行うことが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る時系列信号の符号化装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明に係る時系列信号の符号化方法の概要を示すフローチャートである。
【図３】予測誤差変換手段１０による予測誤差算出処理の様子を示す図である。
【図４】フレーム化から相関フレーム決定までのフレームの様子を示す図である。
【図５】フレーム内のサンプルの様子を示す図である。
【図６】データ分離処理の様子を示す図である。
【図７】サンプル絶対値の種類が６４０未満の場合のルックアップテーブルの一例を示す図である。
【図８】サンプル絶対値の種類が６４０以上の場合のルックアップテーブルの一例を示す図である。
【図９】上位サンプルのビット長の変換を模式的に示す図である。
【図１０】本発明に係る時系列信号の符号化方法もしくは符号化装置により得られる符号データを示す図である。
【図１１】可視情報出力手段により出力された分析データの様子を示す図である。
【図１２】信号平坦部処理およびチャンネル間演算処理の様子を示す図である。
【図１３】本発明に好適な他の圧縮処理を組み合わせた場合の処理概要を示すフローチャートである。
【図１４】本発明に係る時系列信号の復号装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１０・・・予測誤差変換手段
２１・・・フレーム設定手段
２２・・・相関候補フレーム探索手段
２３・・・相関フレーム決定手段
２４・・・フレーム相関符号化手段
２５・・・フレーム更新手段
２６・・・可視情報出力手段
３０・・・サンプル列符号化手段
９１・・・データ読込手段
９２・・・サンプル列復号手段
９３・・・フレーム復元手段
９４・・・独立サンプル復元手段

Claims (7)

1. 時系列のサンプル列で構成される時系列信号に対して、前記全てのサンプル列を再現できるように情報量を圧縮する符号化方法であって、
   前記時系列信号に対して線形予測を行い、各サンプルの値を予測誤差値に変換する予測誤差変換段階と、
   前記予測誤差値に変換されたサンプル列に対して、
   所定のフレーム長の複数のサンプルで構成されるフレーム単位に分割するフレーム設定段階と、
   前記各フレームを対象フレームとして、当該対象フレームより時間的に過去に位置する所定数の比較フレームの中から最も対象フレームに類似する相関候補フレームを探索する相関候補フレーム探索段階と、
   前記相関候補フレームのアドレスを前記フレーム長を超えない範囲でサンプル単位に移動させ、前記対象フレームと前記相関候補フレームが最も類似するアドレスを探索して相関フレームを決定する相関フレーム決定段階と、
   前記対象フレームおよび相関フレームの各アドレスを関連付けて符号化するフレーム相関符号化段階と、
   前記対象フレームと相関フレームとの差分を求め、対象フレームを相関フレームとの差分値に更新するフレーム更新段階と、
   前記フレーム更新段階で更新された対象フレームを含む全サンプル列に対して符号化を行うサンプル列符号化段階と、
   を有することを特徴とする時系列信号の符号化方法。
2. 時系列のサンプル列で構成される時系列信号に対して、前記全てのサンプル列を再現できるように情報量を圧縮する符号化装置であって、
   前記時系列信号に対して線形予測を行い、各サンプルの値を予測誤差値に変換する予測誤差変換手段と、
   前記予測誤差値に変換されたサンプル列に対して、
   所定のフレーム長の複数のサンプルで構成されるフレーム単位に分割するフレーム設定手段と、
   前記各フレームを対象フレームとして、当該対象フレームより時間的に過去に位置する所定数の比較フレームの中から最も対象フレームに類似する相関候補フレームを探索する相関候補フレーム探索手段と、
   前記相関候補フレームのアドレスを前記フレーム長を超えない範囲でサンプル単位に移動させ、前記対象フレームと前記相関候補フレームが最も類似するアドレスを探索して相関フレームを決定する相関フレーム決定手段と、
   前記対象フレームおよび相関フレームの各アドレスを関連付けて符号化するフレーム相関符号化手段と、
   前記対象フレームと相関フレームとの差分を求め、対象フレームを相関フレームとの差分値に更新するフレーム更新手段と、
   前記フレーム更新手段で更新された対象フレームを含む全サンプル列に対して符号化を行うサンプル列符号化手段と、
   を有することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
3. 請求項２において、
   前記サンプル列符号化手段は、前記サンプル列に対して可変ビット長で符号化を行うことを特徴とする時系列信号の符号化装置。
4. 請求項２において、
   前記相関候補フレーム探索手段は、時間的過去に位置するフレームと対象フレームとの対応するサンプル同士の差分を計算し、差分値の絶対値の総和が、少なくとも対象フレームの絶対値の総和より所定の割合で小さく、かつ前記差分値の絶対値の総和が最も小さくなるフレームを相関候補フレームとして選出するものであることを特徴とする時系列信号の符号化装置。
5. 請求項２において、
   前記相関フレーム決定手段は、前記アドレスを移動させた相関候補フレームと対象フレームとの対応するサンプル同士の差分を計算し、差分値の絶対値の総和が、少なくともアドレスを移動させる前の差分値の絶対値の総和より所定の割合で小さく、かつ前記差分値の絶対値の総和が最も小さくなるアドレスを相関フレームのアドレスとして決定するものであることを特徴とする時系列信号の符号化装置。
6. 請求項２において、
   前記フレーム相関符号化手段が、前記対象フレームおよび相関フレームの各アドレスを関連付けた情報をグラフィカルに表示する可視情報出力手段に出力することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
7. 与えられた時系列信号に対して、請求項２から請求項６のいずれかの時系列信号の符号化装置により出力された符号データを記録した記録媒体。

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