JP4273062B2 - 符号化方法、符号化装置、復号化方法及び復号化装置 - Google Patents
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前記高速算術符号化手段は、前記1ブロック内の倍率番号差分データが取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記倍率番号差分データを高速算術符号化する処理を繰り返し、前記1ブロック内の仮数番号が取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記仮数番号を高速算術符号化する処理を繰り返し、前記高速算術符号化の際には、前記倍率番号を、前記仮数番号の頻度分布を決定するパラメータとして前記仮数番号を高速算術符号化する、符号化装置を提供する。この符号化装置による符号化は、本願第1発明と同様の作用効果を奏する。
[構成]
図1は、本発明の第1実施形態例に係る符号化装置100の全体構成図である。符号化装置100は、MDCT変換器110、MDCT係数分析器115、倍率番号バッファ120、仮数伸縮器130、仮数分析器135及び高速算術符号化器140を含む。以下に各構成について説明する。
MDCT変換器110は、オーディオ信号などの入力データを変形離散コサイン変換処理(MDCT:Modified Discrete Cosine Transform)し、MDCT係数を生成する。このMDCT係数は、入力データの周波数スペクトルを表現する係数である。ここで、入力データはブロック毎に入力され、MDCT変換器110はブロック単位のMDCT係数を出力する。ブロックとは、符号化・復号化の1単位処理において処理されるデータであり、1単位の処理ではこれまでのデータに加えて新たに1ブロック分のデータを読み込み、処理を行うことで1ブロック分の新たなデータを算出する。本発明の第1実施形態例に係るMDCT変換器110では、変換処理を行うブロック長が短い。つまり1ブロック内のサンプリング数が少ない。例えば、ブロック長が128サンプル以下であり、好ましくは64サンプル以下である。
MDCT係数分析器115は、ブロック単位で生成されたMDCT係数を、所定周波数領域毎のセグメントに分割し、倍率番号を取得する。ここで、倍率番号とは、セグメント毎におけるMDCT係数の振幅の最大値に基づく値である。また、MDCT係数分析器115は、取得した倍率番号を随時倍率分析器125に出力する。
倍率番号バッファ120は、MDCT係数分析器115から取得した倍率番号を記憶し、現在ブロック(n)の前の直前ブロック(n−1)の倍率番号(n−1)を倍率分析器125に出力する。
図2は、倍率分析器125が行う倍率番号差分データの演算の概念図である。倍率分析器125は、MDCT係数分析器115が取得した1ブロック内の複数のセグメントそれぞれについての倍率番号について、現在ブロック(n)と直前ブロック(n−1)とのセグメント毎の差分を演算し、倍率番号差分データを取得する。そして、取得した倍率番号差分データを、高速算術符号化器140に出力する。
仮数伸縮器130は、精度番号に応じてMDCT係数を伸縮させた仮数番号を1ブロック内で複数取得する。ここで、精度番号とは、MDCT係数の符号化精度を決定するものである。仮数伸縮器130に入力される精度番号は、規定値が入力されるものとする。データの欠落が生じないようなロスレス圧縮の場合には、精度番号を一定にしても品質の低下に影響はない。
仮数分析器135は、MDCT係数分析器115から取得した倍率番号と、仮数伸縮器130が取得した仮数番号とを1セットにした仮数情報を取得し、高速算術符号化器140に出力する。ここで、セグメント毎の仮数情報には、例えば倍率番号1つに対して複数の仮数番号が含まれる。
高速算術符号化器140は、倍率分析器125から1ブロック内の複数のセグメント毎に演算された倍率番号差分データを取得し、仮数分析器135から1ブロック内の複数の仮数情報を取得する。そして、高速算術符号化器140は、その倍率番号差分データ及び仮数情報を高速算術符号化する。
上記の符号化方法によると、隣接するブロック間の倍率番号の差分データにおける頻度分布を利用して高速算術符号化し、かつ仮数番号を倍率番号をパラメータとして高速算術符号化する。また、その高速算術符号化では、倍率番号差分データがとる値を2つの区間に分けて、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて符号化を行うことを繰り返す。よって、高速算術符号化により、値の発生確率に応じて符号化データを算出することならびに、差分を取ることにより予測可能となる確率密度関数を用いることにより符号化効率を高め、かつパラメータとしての倍率番号を用いて仮数番号の符号化効率を高めつつ、頻度分布における2つの区間それぞれの頻度に応じてデータを高速算術符号化することで演算量を少なくすることができる。
[構成]
図4は、本発明の第2実施形態例に係る符号化装置200の全体構成図である。精度番号バッファ245、精度分析器250、心理聴覚分析器260及びビット制御部270がさらに設けられている点が第1実施形態例と異なる。第2実施形態例に係る符号化装置200は、MDCT変換器210、MDCT係数分析器215、倍率番号バッファ220、仮数伸縮器230、仮数分析器235及び高速算術符号化器240を含む。以下に各構成について説明する。
心理聴覚分析器260は、人間の聴覚特性を利用して感度が小さい情報を省略するためのマスキングの計算等を行う。例えば、大音量中に混ざっている小さい音は、大音量にマスキングされてかき消される。このように、このように他の音によってかき消される音は、省略しても音質の劣化が少ない。そこで、心理聴覚分析器260により、音質の劣化を抑えつつ情報を省略するためのマスキングの計算を行う。
以下では、実行されるソースプログラム及び関数を用いて各構成を説明する。ソースプログラム及び関数で用いられる記号の定義を以下の通りとする。
P: 量子化のための定数であり219
L: ブロック長
b: ブロック番号
α: セグメント長
g: セグメント番号
i: セグメント内のサンプル番号
以下のすべての変数はブロック毎に計算する。特に示さない限り添え字のbは省く。
n: 心理聴覚分析が算出した精度 n(k) または n(g)
x: MDCT係数 x(g, i)
x*: 伸縮されたMDCT係数
K: 符号量制御で使う係数
q: 精度番号 q(g)
s: 倍率番号 s(g)
B: 符号量調整パラメータ
H*: 1ブロックの符号化で目標とするbit数
h: 1ブロックを試行的に符号化した際に発生したbit数
H: 1ブロックの符号化で発生したbit数
j,l,m: 説明で使う添え字
a,c,f,g: 説明で使う変数
(3)MDCT変換器
MDCT変換器210は、オーディオ信号などの入力データを変形離散コサイン変換処理し、ブロック単位のMDCT係数を生成する。本発明の第2実施形態例に係るMDCT変換器110では、変換処理を行うブロック長が短く。例えば、ブロック長が128サンプル以下である。ブロック長が64サンプル以下であると、入力データのバッファリングに要する遅延をさらに防止でき好ましい。
MDCT係数分析器215は、ブロック単位で生成されたMDCT係数を、所定周波数領域毎のセグメントに分割し、倍率番号及びMDCT係数の符号化精度を決定する精度番号を取得する。ここで、倍率番号とは、セグメント毎におけるMDCT係数の振幅の最大値に基づく値である。具体的には、各セグメント内のMDCT係数の最大値を対数(log)に変換して量子化(整数値へのまるめ処理)を行って算出した整数値である。この算出方法はAACやMPEG/Audio レイやIIIにおける「スケールファクタ」とほぼ同じである。この倍率番号を対数から通常尺度であらわした値に戻すと、MDCT係数の最大値に近い値となる。MDCT係数の最大値があらかじめわかっていることにより、効率的な符号化が可能となる。また、MDCT係数分析器215は、心理聴覚分析器260が取得した周波数精度関数及びMDCT係数に基づいて精度番号を取得する。
MDCT係数分析器215による倍率番号の取得は、次の表1のソースプログラムにより実行される。
MDCT係数分析器215による精度番号の取得は、次の表2のソースプログラムにより実行される。
倍率番号バッファ220は、倍率番号を記憶し、現在ブロック(n)の前の直前ブロック(n−1)の倍率番号(n−1)を倍率分析器225に出力する。同様に、精度番号バッファ245は、精度番号を記憶し、現在ブロック(n)の前の直前ブロック(n−1)の精度番号(n−1)を精度分析器250に出力する。
仮数伸縮器230は、MDCT係数の符号化精度を決定する精度番号に応じてMDCT係数を伸縮させた仮数番号を1ブロック内で複数取得する。
倍率分析器225は、現在ブロック(n)の倍率番号と直前ブロック(n−1)の倍率番号とを取得し、それらの倍率番号の差分を演算して倍率番号差分データを取得する。さらに、倍率分析器225は、倍率番号差分データを高速算術符号化する際の各種パラメータを決定する。そして、取得した倍率番号差分データ及び各種パラメータを含む倍率情報を高速算術符号化器240に出力する。
精度分析器250は、現在ブロック(n)の精度番号と直前ブロック(n−1)の精度番号とを取得し、それらの精度番号の差分を演算して精度番号差分データを取得する。さらに、精度分析器250は、精度番号差分データを高速算術符号化する際の各種パラメータを決定する。そして、取得した精度番号差分データ及び各種パラメータを含む精度情報を高速算術符号化器240に出力する。
仮数分析器235は、MDCT係数分析器215から取得した倍率番号と、仮数伸縮器230が取得した仮数番号とを1セットにした仮数情報を取得し、高速算術符号化器240に出力する。さらに、仮数分析器235は、仮数番号を高速算術符号化する際の各種パラメータを決定する。そして、取得した仮数情報及び各種パラメータを高速算術符号化器240に出力する。ここで、セグメント毎の仮数情報には、例えば倍率番号1つに対して複数の仮数番号が含まれる。
(8−1)高速算術符号化方法
高速算術符号化器240は、倍率分析器225から1ブロック内の複数のセグメント毎に演算された倍率番号差分データを取得し、精度分析器250から1ブロック内の複数のセグメント毎に演算された精度番号差分データを取得し、仮数分析器235から1ブロック内の複数の仮数情報を取得する。そして、高速算術符号化器240は、その倍率番号差分データ、精度番号差分データ及び仮数情報を高速算術符号化する。
高速算術符号化器240による高速算術符号化は、次の表10のソースプログラムにより実行される。
本願の高速算術符号化器240での高速算術符号化方法を用いると、演算処理量を減らして高速に符号化できる理由を以下に説明する。
「方法1」
まず、本願発明の高速算術符号化方法を用いない通常の算術符号化を説明する。
「方法2」
次に、本願発明の高速算術符号化方法を説明する。方法2の高速算術符号化方法では、方法1で用いた指数関数分布の代わりに、下記式(11)で表されるrnを計算して高速算術符号化に用いる。式(11)は、あるところまで符号化が進んだ場合の、符号化対象のデータの確率を算出する式である。
次に、方法2が方法1より大幅に演算量を削減することが可能である理由を以下に示す。方法1では、P(0),…,P(7)の算出に多くの演算が必要になる。まずP(0),…,P(7)の8個の確率値を、指数関数を用いて算出する必要があり、指数関数の計算に非常に多くの演算量を必要とする。通常は、1つの指数関数の演算に10回〜50回の積和計算が必要であるが、仮に20回とすると、その7倍である140回の積和計算が必要になる。
ビット制御部270は、1ブロックの符号化処理によって高速算術符号化によって生成された符号量から符号量調整パラメータBを算出し、これによって1ブロックの符号化により生じる符号量を最適にする。符号量は、MDCT変換器において利用する符号化精度を全体的に増減することで制御する。
ステップS1:1ブロックの符号化開始時点までの計算の中間結果をすべて保存する。
ステップS2:1ブロックの符号化を行い、符号量H1を算出する。
ステップS3:K=20log2/Wlog10を算出する。
ステップS4:新たな符号量調整パラメータB1を次式(14)により算出する。
B(1)=B(0)+(Ht-H1)×K ・・・(14)
なお、上記ステップS1〜S3は、次式(15)で表すことができる。
B (β+1) = B(β) + (H* - h(β)) ×K ・・・(15)
ここで、K=2.5、B(0)=H*/Kであり、βは符号量調整処理繰り返し回数である。
[効果]
第2実施形態例に係る符号化装置では、第1実施形態例と同様に、高速算術符号化により確率そのものから符号化データを算出することで音質の劣化を防ぎつつ、差分を取ることにより予測可能となる確率密度関数を用いて符号化効率を高め、かつパラメータとしての倍率番号を用いて仮数番号の符号化効率を高めつつ、頻度分布における2つの区間それぞれの頻度に応じてデータを高速算術符号化することで演算量を少なくすることができる。
[構成]
図5は、本発明の第3実施形態例に係る復号化装置300の全体構成図である。第3実施形態例に係る復号化装置300は、第2実施形態例に係る符号化装置200において符号化されたビットストリームを高速算術復号化する。復号化装置300は、倍率番号パラメータ算出器305、精度番号パラメータ算出器310、仮数番号パラメータ算出器315、倍率番号演算器330、倍率番号バッファ335、精度番号演算器340、精度番号バッファ345、仮数逆伸縮器350及び逆MDCT変換器360を含む。以下に各構成について説明する。
倍率番号パラメータ算出器305は、倍率番号差分データを復号化するために必要なパラメータを算出する。精度番号パラメータ算出器310は、精度番号差分データを復号化するために必要なパラメータを算出する。仮数番号パラメータ算出器315は、復号化された倍率番号差分データに基づいて算出された倍率番号に基づいて、仮数番号差分データを復号化するために必要なパラメータを算出する。算出された各パラメータは、高速算術復号化器320に入力される。
高速算術復号化器320は、前述の第1及び第2実施形態例の高速算術符号化器240が行っている高速算術符号化と逆の処理を行う。よって、高速算術符号化器240が“1”という入力データを高速算術符号化した場合、高速算術復号化器320からは“1”が出力される。同様に、高速算術符号化器240が“0”という入力データを高速算術符号化した場合、高速算術復号化器320からは“0”が出力される。
倍率番号演算器330は、高速算術復号化器320により復号化された現在ブロック(n)の倍率番号差分データと、倍率番号バッファ325から出力される直前ブロック(n−1)の倍率番号(n−1)とに基づいて、現在ブロック(n)の倍率番号(n)を算出する。
精度番号演算器340は、高速算術復号化器320により復号化された現在ブロック(n)の精度番号差分データと、精度番号バッファ345から出力される直前ブロック(n−1)の精度番号(n−1)とに基づいて、現在ブロック(n)の精度番号(n)を算出する。
仮数逆伸縮器350は、精度番号演算器340から精度番号を取得し、高速算術復号化器320により復号化された仮数番号を取得する。そして、仮数逆伸縮器350は、精度番号に基づいて仮数番号を逆伸縮し、MDCT係数を取得する。このとき、仮数番号は、符号化側の仮数伸縮器230とは反対に伸縮される。
逆MDCT変換器360は、仮数逆伸縮器350が取得したMDCT係数を逆変形離散コサイン変換処理し、符号化後の入力データが復号化された出力データを取得する。
高速算術符号化とは逆の手順により、高速算術復号化を高速に行うことができる。高速算術符号化とは処理手順が逆であるが、符号化と同様に復号化に伴う演算量を減らすことができる。
115、215:MDCT係数分析器
120、220:倍率番号バッファ
125、225:倍率分析器
130、230:仮数伸縮器
135、235:仮数分析器
140、240:高速算術符号化器
245:精度番号バッファ
250:精度分析器
260:心理聴覚分析器
270:ビット制御部
305:倍率番号パラメータ算出器
310:精度番号パラメータ算出器
315:仮数番号パラメータ算出器
320:高速算術復号化器
330:倍率番号演算器
340:精度番号演算器
350:仮数逆伸縮器
Claims (6)
- 所定時間領域を1ブロックとして、1ブロックごとに入力される入力データを変形離散コサイン変換処理し、1ブロックのMDCT係数を生成するMDCT係数生成ステップと、
前記ブロック単位のMDCT係数を、所定周波数領域毎のセグメントに分割し、セグメント毎に前記MDCT係数の振幅の最大値に基づく倍率番号を取得する倍率番号取得ステップと、
1ブロック内の複数のセグメントそれぞれについて抽出された倍率番号について、現在ブロックと直前ブロックとのセグメント毎の差分データを演算する倍率番号差分データ演算ステップと、
前記MDCT係数の符号化精度を決定する精度番号に応じてMDCT係数を符号化するために、前記精度番号に応じてMDCT係数を伸縮させた仮数番号を1ブロック内で複数取得する仮数番号取得ステップと、
前記セグメント単位の倍率番号差分データと、前記複数の倍率番号及び複数の仮数番号を含む仮数情報とをブロックごとに高速算術符号化する高速算術符号化ステップとを含み、
前記高速算術符号化ステップでは、前記1ブロック内の倍率番号差分データが取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記倍率番号差分データを高速算術符号化する処理を繰り返し、前記1ブロック内の仮数番号が取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記仮数番号を高速算術符号化する処理を繰り返し、前記高速算術符号化の際には、前記倍率番号を、前記仮数番号の頻度分布を決定するパラメータとして用いることにより前記仮数番号を高速算術符号化する、符号化方法。 - 前記1ブロック内に含まれる入力データのサンプル数は、64サンプル以下である、請求項1に記載の符号化方法。
- 前記入力データを心理聴覚分析し、その分析結果に基づいて1ブロック内で複数の精度番号を取得する精度番号取得ステップと、
現在ブロックと直前ブロックとの精度番号の差分データである精度番号差分データを演算する精度番号差分データ演算ステップとをさらに含み、
前記高速算術符号化ステップでは、さらに、前記1ブロック内の精度番号差分データが取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記精度番号差分データを高速算術符号化する処理を繰り返す、請求項1に記載の符号化方法。 - 前記高速算術符号化ステップにおいて、前記1ブロック内の倍率番号差分データが取り得る値は、前記倍率番号差分データの取り得る値のうち最も頻度が高い値を含む区間とそれ以外の値を含む区間との2つの区間に分けられる、請求項1に記載の符号化方法。
- 所定時間領域を1ブロックとして、1ブロックごとに入力される入力データを変形離散コサイン変換処理し、1ブロックのMDCT係数を生成するMDCT係数生成手段と、
前記ブロック単位のMDCT係数を、所定周波数領域毎のセグメントに分割し、セグメント毎に前記MDCT係数の振幅の最大値に基づく倍率番号を取得する倍率番号取得手段と、
1ブロック内の複数のセグメントそれぞれについて抽出された倍率番号について、現在ブロックと直前ブロックとのセグメント毎の差分データを演算する倍率番号差分データ演算手段と、
前記MDCT係数の符号化精度を決定する精度番号に応じてMDCT係数を符号化するために、前記精度番号に応じてMDCT係数を伸縮させた仮数番号を1ブロック内で複数取得する仮数番号取得手段と、
前記セグメント単位の倍率番号差分データと、前記複数の倍率番号及び複数の仮数番号を含む仮数情報とをブロックごとに高速算術符号化する高速算術符号化手段とを含み、
前記高速算術符号化手段は、前記1ブロック内の倍率番号差分データが取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記倍率番号差分データを高速算術符号化する処理を繰り返し、前記1ブロック内の仮数番号が取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記仮数番号を高速算術符号化する処理を繰り返し、前記高速算術符号化の際には、前記倍率番号を、前記仮数番号の頻度分布を決定するパラメータとして用いることにより前記仮数番号を高速算術符号化する、符号化装置。 - 請求項1に記載の符号化方法により符号化された倍率番号差分データの符号化データと、仮数番号の符号化データとを高速算術復号化する高速算術復号化ステップと、
前記高速算術復号化された高速算術復号化データに基づいてMDCT係数を再生するMDCT係数再生ステップと、
再生された前記MDCT係数を逆変形離散コサイン変換処理する逆MDCT変換ステップとを含み、
前記高速算術復号化ステップでは、前記倍率番号差分データの符号化データが取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記倍率番号差分データの符号化データを高速算術復号化することを繰り返し、前記仮数番号の符号化データが取り得る値を2つの区間に分け、それぞれの区間に含まれる値が発生する頻度に基づいて前記仮数番号の符号化データを高速算術復号化することを繰り返す復号化方法。
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