JP4336745B2

JP4336745B2 - ダイナミックレンジが広い信号の無損失圧縮方法

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Publication number: JP4336745B2
Application number: JP21375499A
Authority: JP
Inventors: デュバルローラント; ブイトランヴァン
Original assignee: Intellectual Ventures Fund 37 LLC
Current assignee: Xylon LLC
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: EP0977365B1; FR2781944A1; DK0977365T3; EP0977365A1; NO993661D0; US6826227B1; JP2000059233A; DE69915187T2; FR2781944B1; NO993661L; DE69915187D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利用可能な通信チャネルの使用を最適化するために、無損失圧縮技術を用いたデータ通信方法に関する。
【０００２】
本発明による方法は、中央局へ記録トラックなどのしばしば大量のデータの転送が必要である地震予知の分野に特に適用される。信号は、震源から放射され、不連続な地層よって反射された衝撃パルスに応答して、調べるべき地層に設置された地震計などの非常に多くの受信器により感知される。感知された信号は、数キロメートルの範囲に渡って設置されることが多く、１台以上の受信器により受信された信号を収集し、該信号をデジタル化し、多少複雑な処理を該信号に対して行い、ケーブル、光ファイバ、無線チャネルなどの通信チャネルなどを介して収集局へ信号を、リアルタイムで、あるいはオフラインで送信する前にローカルメモリに格納するローカル収集装置によって収集される。
【０００３】
【従来の技術】
種々の地震データ通信システムが、直接または多少複雑なローカル集線装置や制御機能を有する中継局を経由して、ローカル収集装置を中央局に接続するのに用いられる。１台以上のリレーを介してケーブル、無線チャネルによって、または、例えば、フランス特許FR-2,720,518，FR-2,696,839，2,608,780，2,599,533，2,538,561，2,511,772 2,627,652に記載されているように、ケーブルリンクと無線リンクを組み合わせることでリンクが与えられる。
【０００４】
本出願人により出願されたフランス特許FR-A-2,608,780は、２つの通信チャネルを備えた地震収集ボックスを使用することを特に開示している。このうち、一方の収集ボックスは通信速度が比較的速く、もう一方の収集ボックスは、使用可能な伝送周波数が狭いため通信帯域が比較的狭くてもよいが、施行されている無線電気規則の範囲内で容易に利用可能である。連続的サイクルの間に収集された地震データは、各収集ボックスの大容量記憶装置に格納され、そして中央制御・記録局に断続的に伝送される。中央局の操作者が、各収集ボックスによるデータ収集が通常に行われることをチェックできるように、比較的狭い通過帯域の通信チャネルに適している部分的データ転送が行われる。
【０００５】
本出願人によって出願されたフランス特許公開明細書FR-A-2,692,384、2,757,641，フランス特許FR-97/09,547は、信号を処理する特殊な処理手段を備えた地震収集ボックスを開示している。この処理手段は多くの地震計と収集システム要素の制御、およびデータ転送後に中央局であらかじめ実行された地震データ記録の前処理を行うもので、送信される地震データには圧縮アルゴリズムが適用されるようにもなっている。これらの前処理動作のすべては、中央局へ戻されるデータの量を大幅に低減させるためのものである。
【０００６】
３次元地震探査方法において顕著な現在の傾向は数百または場合によっては数千に上る地震受信器を数キロメートルの範囲に渡って、海岸地域の陸上や海上の探索すべき地帯に設置することである。収集および伝送すべきデータ量は増大の一途を辿っている。通信の問題が、地震探査システムの発展を阻害しないようにするには、地球物理学者の特別な要求に合致するように選択されたデータ圧縮技術を用いるのが現在の傾向である。
【０００７】
地震データを圧縮することで、ローカル収集ボックスおよび／またはローカル制御・集線局の大容量記憶モジュールの容量を著しく節約し、送信時間を大幅に短縮できる。
【０００８】
公知のデータ圧縮方法は、a)情報損失のない圧縮方法、b)情報損失のある圧縮方法の２つのグループに大別され、b)の方法では、データを再格納すると精度が低下する。
【０００９】
特に地球物理学において、多くの関連ある情報の振幅はしばしば非常に小さく、かついくつかの地震記録にデジタル処理を施すことによってのみ、バックグラウンドノイズから分離できるので、圧縮処理によるデータ損失はできるだけ低く抑えることが重要である。例えば、送信された情報が装置の作業順序の制御やサンプリングされた記録の「パターン」の表示にのみ用いられるある特定の場合においてのみ、考えられる精度の低下は容認できる。
【００１０】
上記のa)に属する方法の例としては、データの冗長性を除去することを目的とした方法、または圧縮されるファイルに多くの冗長性が含まれるためそれだけ興味深い、各語を参照表中の指標により置換する辞書式方法と呼ばれる方法、同じ重要度を持つが、スペースをそれほどとらない符号によりデータを置換する統計的符号化方法であるＲＬＥ（ランレングス符号化）と呼ばれる方法、データの変動する数を一定のビット数で表そうとする算術的符号化方法がある。
【００１１】
LPC（線形予測符号化）と呼ばれる公知の圧縮技術は、音波や地震波の圧縮に非常に適している。この方法は基本的に、信号は定常であると仮定して、信号サンプルs(t)をｐ個の前回のサンプルから得られた予測値で置換するものである。サンプルs(t)を送信する代わりに、その予測すなわち予測係数
【００１２】
【外２】

が送信され、予測係数と残差e(t)、すなわち実際の値と時間tで予測されたデータの差が送信される。これにより、復元後に値
【００１３】
【外３】

を求めることができる。予測が的確であれば、残差はほんのわずかであり、初期値s(t)よりもスペースが少ない。
【００１４】
【外４】

の計算に用いられる係数は一般に少なく、s(t)に対してほとんどスペースをとらない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した符号化方法では、一定サイズのバッファメモリに連続したサンプル記録を格納して、１つのグループのすべてのサンプルに用いられる予測係数を計算することが一般に行われている。このため、実際、この符号化方法は、衝撃性パルスの発生源（例えば、ダイナマイト爆発）から放射された信号などのダイナミックレンジが広い信号には不適切であり、また、選択された予測係数は実際を反映していないので、符号化誤差が生じる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法によれば、伝送の目的で、地震信号などのダイナミックレンジが広い信号の無損失圧縮ができる。
【００１７】
本発明の方法は、信号のサンプリングとデジタル化および予測符号化技術の使用を含む。
【００１８】
本発明の方法は、予測残差の大部分を含む振幅範囲を少なくとも１つの閾値(S)に基づいて求めること、この振幅範囲の符号化に十分なあるビット数の２進語によって予測残差を符号化すること、振幅がこの範囲外である予測残差をnより大きい一定ビット数の２進語により符号化すること、符号化された予測残差だけを送信する（予測係数は送信されないが、再計算される）ことを特徴とする。
【００１９】
本発明の一実施態様によると、本発明の方法は、連続的に求められるＮ個の予測残差のそれぞれの最上位ビットの位置から得られた平均値に対応する最適な閾値の推定係数
【００２０】
【外５】

を求めることを含む。
【００２１】
本発明の他の実施態様によると、本発明の方法は、いくつかの個別の閾値に応じていくつかの振幅範囲を求めることも含む。
【００２２】
本発明の方法は、信号サンプルの最下位ビットと最上位ビットの例えば別々の符号化を含むことができる。
【００２３】
本発明の好適な実施態様によれば、本発明の方法は、新しい信号サンプルのそれぞれに対して予測残差を求めることを含む。
【００２４】
本発明の方法は、以下の２つのステップを個別にまたは好適には組み合わせて実行することが好ましい。
【００２５】
a)残りの不規則な誤差（符号化範囲が適切に選択されたときは少ない）の符号化へ特定の処理が適用されても、多くとも、誤差の大部分の符号化が非常に高い圧縮率を達成できるように必要なビット数を求めること。
【００２６】
b)各サンプルごとに予測係数が計算されるため、ここでの符号化は完全に適応的であり、これにより、結果の安定性を保証する符号化。
【００２７】
【発明の実施の形態】
I)適応符号化
本発明による方法は、送信されるデータへLPCと呼ばれる予測符号化技術を用いた無損失圧縮を適用するものである。この無損失圧縮では、時間t(図１)での信号サンプルの振幅s(t)は、時間(t-1)，(t-2)，(t-3)，…(t-p)でのある数pのサンプルから得た予測を用いて計算され、予測値は以下の式により計算される。
【００２８】
【数１】

サンプルを送信する代わりに、オンラインで予測係数が計算され、残差すなわち実際の値s(t)と時間tで得られた予測値
【００２９】
【外６】

との間で計算された差が送信され、これにより、
【００３０】
【外７】

値(図２)を求めることができる。
【００３１】
時間tにおいて、短い時間でのs値はすでに計算されており、従って、s(t-j)は
【００３２】
【外８】

の関係があることが知られている。また、
【００３３】
【外９】

に対して知られていない式(1)の値s(t-j)は０に置き換えられる。計算されたモデルと実際の信号の差（これ以降、予測誤差または残差と称する）は、各サンプル（最初の２４ビットに関して）ごとに割り当てられた平均サイズを小さくするように、符号化されて、圧縮される。予測が良好であれば、残差はわずかであり、少なくとも平均して、各サンプルs(t)（例えば２４ビット）の符号化に用いられるものよりはるかに少ないビット数の２進語で符号化できる。
【００３４】
復元段階の間（図３）、信号は以下の式により復元される。
【００３５】
【数２】

最初のファイルからの圧縮残差e(i)が復元され、各サンプルに対する予測係数a(k)が再計算される。
【００３６】
ダイナミックレンジがしばしば非常に広い地震信号を考慮に入れるために、新しいサンプルのそれぞれに対して推定フィルタの予測係数a₁，a₂，…，a_pを再計算して、適応予測が好適に実行される。
【００３７】
本発明による方法は、これらの残差の符号化に用いられる２進語のサイズを実質的に小さくすることを可能にする。多くの予測残差を含む振幅範囲の決定を可能にする、単一の閾値を有する符号化方法を以下に説明する。
【００３８】
II）残差符号化（単一閾値法）
ここで、誤差をN_maxビットの絶対値で符号化でき、N_max ＜23の関係があるとすると、符号ビットを含むN_max+1ビットの各誤差を符号化することにより利得を求めることができる。信号の特性が著しく変化する場合には、ダイナミックレンジが非常に広い予測誤差が発生することがあるが、そう頻繁には発生しない。次いで、多くの予測誤差に対して、境界値としてeが±2^S (-2^S <e<2^S )の範囲の対称値内に収まるように、閾値S(図４)を決定する。この範囲内の予測誤差、すなわち残差は、S+1ビット（符号ビットを含む）で符号化できる。圧縮されたファイルはN_maxとSの８進符号化をそれぞれ含む。
【００３９】
例：N_max=7，S=4，e₀ =18，e₁ =-7，e₂ =14である場合、誤差はＳ+1ビットに対しわずかである。
【００４０】
N_max+1ビットに対する大きな誤差はプリフィクスコードが前に付いた、以下の式で表される。
【００４１】
【数３】

圧縮ファイルは次のシーケンスで始まる。
【００４２】
【数４】

誤差分布の簡単なモデルを用いなければ、最適値Sの先験的に求めることは困難であり、最適値の誤った選択により性能が著しく低下する可能性がある。考えられる値Sをすべて調べることはとてもできないので、この値の良い推定値が望まれる。選択された推定値
【００４３】
【外１０】

は次式のようになる。
【００４４】
【数５】

ここで、Nb(e)は正整数eのビット数（符号ビットを含まない）か、最上位ビットの位置を示す。なお、ここではNb(0)=1とする。
【００４５】
続いて、次の式が選択される。
【００４６】
【数６】

この式の最後の項は、絶対値で示した予測誤差のビットで示した平均サイズである。この平均値は部分的にヒューリスティク（heuristic）である。この平均値は試験された場合の95%において最適値を与えるが、そうでない場合は、１の位だけ値が異なる。この推定値は誤差が発生するにつれて少しずつ計算される。
【００４７】
利点
この符号化アルゴリズムは次のような利点がある。
【００４８】
圧縮性能一陸上で（ダイマイト）データで実行された試験は、等しい予測順序で、試験されたその他の方法より良い結果をもたらし、圧縮率が50%と70%（平均して約60%）の間では特に安定である。外海で（空気銃）得られたデータについては、圧縮率が65%〜90%の間のその他の方法で得られたものより性能が多少良い。さらに、選択されたアルゴリズムは、与えられた空気銃の発砲に対し変動率が小さい。すなわち、最大圧縮率間の差は比較的小さい。
【００４９】
実行の容易性−調整すべきパラメータの数が少ない。
【００５０】
符号化と復元の容易性−地震記録を正確に再構成するには、誤差を送信するだけで十分であり、一方、他のアルゴリズムでは、特殊な符号化と予測係数の送信が要求されることが多く、しかも送信されたデータは同じでなければならない。
【００５１】
復元アルゴリズムが符号化アルゴリズムと殆んど同じであり、これによって復元アルゴリズムは実行が簡単化され、両方のアルゴリズムともサンプルが到着するとサンプルを少しずつ処理をする。
【００５２】
モデル化のアルゴリズムが単純で、決まった手法であり、符号化結果の格納に多くの記憶空間を必要としない。
【００５３】
このアルゴリズムは、自分自身の誤差符号化パラメータを生成するため、この段階において高コストの最適化繰り返し処理を実行する必要がない。
【００５４】
結果
２回の地震データ収集中に、爆発（岸の近く）とエアガン（沖合）による１０回におよぶ「爆発と発砲」により、それぞれ約百のデータが記録された。各々の記録には3000〜4000個のサンプルが含まれ、例えば、以下のような結果が得られた（予測次数８）。
【００５５】
【表１】

単一の閾値を用いる符号化方法を説明した。予測残差を毎分符号化するのに十分な語長を推定一定サイズのいくつかの語によりそれぞれ符号化が可能ないくつかの閾値を用いた符号化も、もちろん本発明の要旨から逸脱することなく選択できる。
【００５６】
さらに良い結果を得るには、
a)予測次数を、例えば最高15まで増大させたり、
b)信号の最下位ビット（1〜4）と最上位ビットとを個別に符号化することにより誤差符号化方法の精度を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】サンプル信号の値を予測する公知の統計的手法を示すグラフである。
【図２】信号の圧縮動作を概略的に示す図である。
【図３】信号の対称的復元動作を概略的に示す図である。
【図４】単一の閾値による符号化の場合の、多くの予測残差を含むように選択された振幅範囲Ｓを示すグラフである。

Claims

地震信号のようなダイナミックレンジの広い信号を、その伝送を目的として無損失圧縮する方法であって、前記信号を、予測係数と予測残差の送信を行なう予測符号化技術を用いてサンプリングしデジタル化する、ダイナミックレンジの広い信号の無損失圧縮方法において、
多くの予測残差を含む振幅範囲を少なくとも１つの閾値(S)に応じて求めることと、前記振幅範囲の符号化に十分なビット数の２進語によって前記振幅範囲の予測残差を符号化することと、nより大きな一定ビット数の２進語により、振幅が前記範囲外にある予測残差を符号化することと、前記の符号化された予測残差だけを送信することを含むことを特徴とする、ダイナミックレンジが広い信号の無損失圧縮方法。
連続的に求められたN個の一連の予測残差のそれぞれの最上位ビットの位置から得られた平均値に対応する最適な閾値の推定係数
【外１】

を求める請求項１記載の無損失圧縮方法。
いくつかの個別の閾値に応じていくつかの振幅範囲を求める請求項１または２記載の無損失圧縮方法。
信号サンプルの最下位ビットと最上位ビットを個別に符号化することを含む請求項１から３のいずれか１項に記載の無損失圧縮方法。
新しい信号サンプルのそれぞれに対して予測残差を求める請求項１から４のいずれか１項に記載の無損失圧縮方法。