JP4603698B2 - 符号化/復号のための方法および装置 - Google Patents
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Description
従来の技術
本発明は、反復的な再帰ステップを使用した符号化/復号のための方法および装置に関する。この場合、この再帰ステップのそれぞれにおいて、符号化すべき値が存在する区間を2つの新たな区間に分割し、そのようにして形成された新たな区間のうちのどれに値が存在するのかをビットにより表す。この方法は符号化/復号すべき値が限定されるまで継続される。
【0002】
発明の利点
独立請求項の特徴を備えた本発明による方法または本発明による装置は、符号ビットの数が低く抑えられるという利点を有している。
【0003】
さらなる利点は従属請求項の措置から得られる。本発明は、所定のシーケンスを有する多数のデータを符号化/復号する際に特に有利である。この場合、区間境界を適切に選択することにより、必要な符号ビットの数に関する大幅な節約が達成される。特に簡単なモデルでは、シーケンス内に後続の要素がいくつあるかに依存する確率分布が用いられる。ある特定の適用に対しては、測定された確率分布が特に有効であることが分かっている。このことはとりわけオーディオデータについて当てはまる。測定された確率分布は、区間テーブルに変換される際に、特に簡単に記憶することができる。
【0004】
図面
本発明の実施例を図面において示し、以下の説明においてより詳細に説明する。これらの図面のうち、
図1は、送信側および受信側を示し、
図2は、区間ネスティングによる値の選択を示し、
図3〜5は、種々の確率分布を示している。
【0005】
発明の説明
図1には、送信局1と受信局2を備えたデータ伝送のためのシステムが示されており、送信局1は伝送チャネル3を介して受信局2にデータを送信する。伝送のためには、伝送すべきデータを符号化する、つまり、送信局1において、送信すべきデータをディジタルビット信号に変換し、伝送区間3を介して伝送する必要がある。受信局2では、このようにして伝送されたビット列が復号される、つまり、受信されたビット列から元の信号が再生される。以下の方法は、所定のデータの符号化を特に効率的に行うことに従事している、つまり、特に少ない符号ビットによってできるだけ多くのデータ量を伝送することに従事している。
【0006】
符号化すべきデータは、図2では、0から1023(=210−1)までの値領域の数直線を用いて説明される。符号化すべき情報またはデータは、図2に示されている0から1023までの値領域から個々の数を選択することから成る。このことが図2では数330を用いて説明される。それゆえ、この情報、すなわち、ここでは送信局1から受信局2へ伝送すべき個々のデータは、0から1023までの数の集合から数330を選択することから成る。
【0007】
図2では、区間ネスティングにより値330を限定する方法が説明される。以下では再帰ステップと称される第1のステップでは、できるだけ大きな区間(第1のステップ=区間0〜1023)を2つの新たな部分区間に分割する。この場合、スタート区間として、全値領域、すなわち0と1023の間の数を区間境界512の決定により2つの部分区間に分割する。その際、第1の区間は0から511までであり、第2の部分区間は512から1023までである。個々のビットにより、ここで符号化すべき数330がどの区間内にあるかが示される。例えば、0は常に符号化すべき数が下方区間内にあることを示し、1は符号化すべき数が上方の部分区間内にあることを示すようにしてもよい。それゆえ、目下の例では、第1の符号ビットは0である。というのも、符号化すべき数330は下方区間、すなわち0から511までの区間内にあるからである。第2のステップでは、目下の区間を新たに部分区間に分割する。これは区間境界256を用いて行われ、個々のビットにより、符号化すべき数330が下方区間、すなわち0と255の間に存在するのか、または上方区間、すなわち256と511の間に存在するのかが信号化される。目下のケースでは、符号ビットは1である。というのも、符号化すべき数330は上方区間内にあるからである。この区間もさらなるステップにおいて再び2つの新たな区間に分割され、その際、下方区間は256から384までであり、上方区間は384から512までである。符号ビット0は、符号化すべき数330が下方区間内にあることを示す。この方法は、残りの区間幅がちょうど1つの数、すなわち数330を含むまで継続される。
【0008】
復号も同じ仕方で行われ、受信局2は、受信されたビット列を用いて、このようにして符号化された数330が0から1023までの区間において検出されるまで、同様に区間ネスティングを実行する。
【0009】
容易に確認できるように、この方法は、そのつど考察中の区間を同じ大きさの2つの新たな区間に2等分することから成っており、0から1023までの区間から1つの数を選択し符号化するためには、そのつど10ビットが必要とされる。それゆえ、数を伝送するためにデュアルシステムを直接使用するのに比べて、ビットがまったく節約されない。しかしながら、区間境界として、この方法のようにそのつど区間の2等分を行うのではなく、確率分布に基づいて、他の区間境界が区間ネスティングのために選択されるならば、事情は変わる。例えば、符号化すべき数が、値1023よりも値0に近い確率が高い場合、区間ネスティングの際に、区間境界を巧みに選択することにより、必要なビットの数を低減することができる。例えば、伝送される数が、0.5の確率で0から63までの区間にあり、残りの0.5の確率で64から1023までの区間にある場合、第1の区間ネスティングで、下方区間は0から63までであり、上方区間は64から1023までであるようにすることにより、統計的に平均して符号化の要求を少なくすることができる。第1の符号ビットが0である場合、符号化すべき値が0から63までの区間内にあることは明らかであり、さらなる6つのビットにより伝送すべき値を符号化することができる。それゆえ、区間ネスティングの際に、符号化または復号すべき値に対して確率分布を使用することで、符号化のためのビットコストを低減することができる。
【0010】
さらなる利点は複数の数から成る集合を伝送する際に得られる。複数の数を0から1023までの区間から伝送する、つまり符号化し相応して再び復号する場合、データのソーティングにより、必要なビットの数を低減することができる。この場合重要なのは、数がシーケンスで伝送されること、つまりシーケンスで符号化され復号されることであり、このシーケンスにおいて、数は増加列または減少列を形成する。つまり、数330の符号化の後に、後続の数がより大きいかより小さいかが明らかである場合には、区間ネスティングに必要なビットの数を低減することができる。以下では、付加的に数450が伝送され、送信側1(符号器)も受信側2(復号器)も2つの数が伝送されることを知っており、伝送される第1の数の方が小さい、ということを前提とする。そうすれば、符号化の際にも復号の際にも、330から1023までの区間のみを考慮するだけでよい。この区間は0から1023までの区間よりも小さいので、場合によってはより少ないビットを使用することができる。それゆえ、符号化に必要なビットの数は、多数の数が伝送される(符号化/復号される)際に、これらの数がシーケンスで伝送され、送信側と受信側にこのことが知られている場合、低減することができる。例えば、小さい方の数が960である場合、残留区間にはまだ64の数が残っており、これらの数は単純に6ビットで符号化することができる。それゆえ、複数の数を所定のシーケンスで伝送することにより、ビットを節約することができる。さらに、この前提のもとでは、区間ネスティングのための区間境界は、残りの残留区間をそのつど2等分することにより成り立つべきではないことが示された。
【0011】
図3,4および5では、理論的考察から得られる種々の確率分布が説明されている。実際の使用において、これらの確率分布は、実際のデータ、とりわけ符号化すべき実際のオーディオデータに対するかなり良好な近似であることが判明している。
【0012】
図3,4および5には、0から1までのxの規準区間に対する確率分布P(x)が示されている。具体的な適用に関しては、この規準区間はそのつど符号化/復号すべき数が存在する具体的な数領域に換算されなければならない。図3〜5は、1つの区間における数の分割はその区間に全部でいくつの数が存在しているかに依存している、という知識に基づいている。このことは、多数の数が符号化/復号される場合に特に重要である。例えば10の数を値領域から符号化/復号すべき場合には、ただ1つの数を符号化/復号すべき場合とは別の確率分布が基礎とされる。このことは、数の順次連続した符号化/復号に関して、それぞれの符号化/復号ステップに対して異なる確率分布を使用しなければならないということを意味する。このためには、符号化の際および復号の際に、符号化すべきまたは復号すべき数の総数がどれ位であるかが知られていなければならない。図3〜5に示されている確率分布は、数の等分割は可能な全値領域において想定されるという前提のもとで得られる。
【0013】
図3には、ただ1つの値だけが符号化/復号される場合の確率分布P(x)が示されている。容易に分かるように、確率分布は0から1までの規準値領域全体に亘って一定である。このケースでは、目的に適った区間境界はそのつど中央での分割により得られる。図3には、それぞれパーセント数が付された垂直線によって有意な区間境界が示されている。50%線はx=0.25の位置に、50%線はx=0.5の位置に、75%線はx=0.75の位置にある。容易に理解できるように、50%境界により下方および上方の区間が作られ、その際、符号化/復号すべき値が下方区間内にある確率50%であり、これに相応して、上方区間内にある確率も同様に50%である。第1の分割ステップでは、符号化/復号すべき値が下方区間内にあることが確認された場合、この新たな区間を同様にそれぞれ50%の確率で2つの区間に分割する25%境界が、次の有利な分割境界を表す。図3からは、区間から個々の値を符号化/復号のために等分割を採用している場合には、ビットの節約がまったくなされないということも分かる。というのも、これはまさに図2で説明したような分割方法に相応するからである。
【0014】
図4には、0から1までの規準区間上の数に対する確率分布が、次の前提のもとで示されている。すなわち、さらにもう1つの数が符号化/復号されることになっており、2つの数に対する同じ独立の確率分布が全値領域に亘って想定される。この場合、符号化すべき数は所定のシーケンスで符号化される。例えば、まず小さい方の数が符号化され、その後、大きい方の数が符号化される。第1の数の符号化に関しては、確率は0から1023までの値領域全体に亘って同じ大きさという訳ではない。小さい方の数が値1022をとる場合、大きい方の数は値1023をとらなければならない。しかしこのことは、小さい方の数が値1022を取る確率は比較的低いということを意味しているに過ぎない。逆に、小さい方の数が値1をとる場合、第2の、つまり大きい方の数は1から1023までの値領域の値を自由にとることができる。つまり、小さい方の数が値1をとる確率は、小さい方の数が値1022をとる確率よりも格段に高い。これに相応して、1のときが最大で、値領域の終端である1023のときが最小である、小さい方の数に関する確率の遷移が得られる。これは、0から1までの規準区間では、確率分布P(x)は0のときが最大で、1のときが最小であることを意味する。したがって、2つの数を区間ネスティングを用いて符号化/復号するためには、小さい方の数に対しては図4による確率分布、大きい方の数に対しては図3による確率分布を使用するべきである。この場合、図4による分布は、値領域との乗積により値領域全体で換算され、図3による分布は、乗積と、小さい方の数から値領域の上方限界までの残留区間へのシフトとにより、換算される。区間境界は常に、1つの数がそのつど2つの新たな区間内にある確率が等しくなるように選択すべきである。この分割のために、ここでは図3におけるように、第1の区間境界が記入されている。50%線はx=0.134の位置にあり、50%線はx=0.293の位置にあり、75%線はx=0.500の位置にある。第1の分割ステップでは、50%線を選択し、第2のステップでは、符号化/復号すべき数がどの区間内にあるかに応じて、25%線か、または75%線を選択する。
【0015】
図4には、符号化/復号すべき数に関する、0から1までの規準区間内の確率分布が、さらにもう1つの数が存在するという前提のもとで示されている。さらに、図4では、数がシーケンスで符号化/復号されることも前提とされている。この前提のもとで、区間ネスティングの区間境界の決定のために境界が選択される。境界は図4でも再びパーセント数により表されている。この場合重要なのは、この区間境界は、区間の2等分を引き起こすのではなく、符号化/復号すべき数がそのつど区間境界の右側および左側にある確率がそれぞれ50%であるように、非対称的に配置されるということである。
【0016】
図5には、0から1までの規準区間からの数に対する、この規準区間内の確率分布が、以下の前提のもとで示されている。すなわち、このようにして符号化/復号された数に符号化/復号すべきさらに2つの数が続き、これら2つの数の値は、図5の確率分布が当てはまる数よりも大きい、ということが前提されている。気付かれると思われるが、この符号化/復号すべき数に関するこれらの前提のもとでは、小さい値(すなわち0に近い値)の方が1に近い値よりも確率が高いような確率分布が得られる。この確率分布に基づいて、ここでは25%、50%、75%と記入された区間境界が選択される。この区間境界は、この数の非常に効率的な符号化を可能とし、少ないビットしか必要としない。50%線はx=0.0914の位置にあり、50%線はx=0.206の位置にあり、75%線はx=0.370の位置にある。
【0017】
相応の確率分布は、後続の値が4つである、後続の値が5つである等々という前提のもとで設定される。しかしながら、値の数が増加する場合、確率分布が非有意に変化する、つまり、確率分布が限界からおよそ10の値だけマージナルに変化することが判明している。
【0018】
ところで1つの値領域から3つの値を伝送すべき場合、この3つの値はその大きさに従って増大する順序でソートされる、つまり、この値領域において、第1の数が最小の数であり、最後の数が最大の数である。この前提のもとで、図3,4および5の確率分布が適用される。第1の数の符号化/復号のために、図5の確率分布が全値領域に亘って適用される。この第1の数の符号化/復号の後、図4の確率分布が、第1の数よりも大きな第2の数の符号化/復号に使用される。しかしこの場合、最小の数と値領域の上方限界との間の区間だけが考慮される。それゆえ、図4の確率分布はこの区間において標準化される。区間ネスティングにより、図4の確率分布の考慮のもと、この区間内で、第2の数が符号化/復号される。第3かつ最大の数の符号化のために、その下方限界が第2の復号された数から形成されており、かつその上方限界が値領域の上方限界から形成されている区間に、図3の確率分布が適用される。この数の符号化および復号のために、図3による確率分布が使用され、その結果は常に残留区間の2等分を意味する。この方法により、3つの数を符号化するのに必要なビットの数を低く抑えることができる。
【0019】
本方法は確率分布に基づいているので、符号化に必要なビットの数は、数の実際の分布がどれ程この確率分布に相応しているかに依存する。したがって、所定の数のセットの符号化にいくつのビットが必要とされるかは、前以ては明らかではない。値領域内で数がとてもありそうもない分布をしている場合には、個々のケースにおいて、目下の方法における区間の2等分による簡単な区間ネスティングと比べて、より多くのビットが必要とされることがそのうち起こり得る。しかしながら、統計的に平均して、ビットレートのオーダーで20%〜30%の低減である多大な節約が達成される。
【0020】
図4および5は、後続の符号化/復号すべき数の方が大きいような符号化/復号すべき数のそれぞれに対して、すなわち符号化/復号すべき数の増加する順序でのソートに対して妥当する。符号化/復号すべき数の増加順のソートが使用される場合、確率分布も相応の反映を示す、つまり、確率分布はそのつど値1において最大となり、値0において最小となる。
【0021】
図3〜5の確率分布は、1つの値区間内の値の分布に関する理論的考察に基づいている。しかしながら、実際の値も類似の依存性を示すことが示されている。ここでは正弦振動の周波数を数値として伝送することにより行われるオーディオデータの伝送を例にとる。この場合、実際のオーディオデータの評価は次のことを示している。すなわち、周波数の可能な全値領域における所定の周波数の確率は、周波数が増加シーケンスまたは減少シーケンスにソートされた後に、この列に後続の周波数があといくつあるかということに依存する、ということを示している。この確率分布は、ここで考察している図5および6の確率分布と類似の像を示す。つまり、周波数を増加する数の列としてソートする際に、さらなる後続の周波数の数に依存して、比較的低い周波数への確率の方が高い周波数への確率よりも高いことが示される。このようにして、実際のオーディオデータの評価によって、規準確率が得られる。この規準確率は、実際の使用において、元の信号を再生するためにヘテロダインされる正弦振動の周波数をそれぞれ表している周波数の増加列を符号化するのに有効であることが示されている。
【0022】
この測定された確率分布を適用するためには、確率分布の全体を記憶する必要はなく、規準区間において標準化し、区間ネスティングのための有意な区間境界を決定することで充分である。以下では、選択されたオーディオデータから得られるような、5つの第1区間ネスティングのための区間境界が決定される。これは、この場合、それぞれ値領域を同じ確率の32の領域に分割する、区間境界のための31の連続した値である。前記値は1024によって値領域に関係している。つまり、具体的な値領域への適用のためには、これらの数は1024によって割られ、そしてそれぞれ具体的な適用において考察される区間内の値の数と乗積される。確率分布を32の同じ確率の領域に分割する分割の境界は以下の通りである。
【0023】
後続の値が存在しない場合
53,87,118,150,181,212,243,275,306,
337,368,399,431,462,493,524,555,587,618,649,680,711,743,774,805,836,867,899,930,961,992.
後続の値が存在する場合
34,53,71,89,106,123,141,159,177,195,214,234,254,274,296,317,340,363,387,412,438,465,494,524,556,591,629,670,718,774,847.
後続の値が2つ存在する場合
26,41,54,66,78,91,103,116,128,142,
155,169,184,199,214,231,247,265,284,303,324,346,369,394,422,452,485,524,570,627,709.
後続の値が3つ存在する場合
23,35,45,55,65,75,85,96,106,117,128,139,151,164,177,190,204,219,235,252,270,290,311,334,360,389,422,461,508,571,665.
後続の値が4つ存在する場合
20,30,39,48,56,64,73,81,90,99,108,
118,127,138,149,160,172,185,198,213,228,245,263,284,306,332,362,398,444,507,608.
後続の値が5つ存在する場合
18,27,35,43,50,57,65,72,79,87,95,
104,112,121,131,141,151,162,174,187,201,216,233,251,272,296,324,357,401,460,558.
後続の値が6つ存在する場合
16,24,31,38,45,51,57,64,70,77,84,91,99,107,115,123,132,142,152,163,175,
188,203,219,237,257,282,311,349,403,493.
後続の値が7つ存在する場合
12,19,25,30,35,41,46,51,56,62,67,73,79,85,92,99,106,114,122,132,142,153,165,179,195,213,236,264,301,355,452.
既に上で実行されたように、後続の値の非常に大きな数に対する確率分布はほとんど区別されず、そのため、このケースについては、つねに後続の7つの値に対する確率分布を使用することができる(このことは少なくともオーディオデータには当てはまる)。さらに、オーディオデータについては、5つの第1区間ネスティングが確率分布の考慮のもとで行われる場合、確率分布のさらなる考慮の際の付加的な節約が乏しくなることが報告されている。したがって、オーディオデータについては、5つの第1区間ネスティングだけを確率分布の考慮のもとで行うか、または場合によっては、まだ残っているさらなる区間ネスティングを単純に残留区間を同じ大きさの2つの新たな部分区間に分割することによって行えば充分である。
【0024】
テーブルの適用を、さらなる1つの数が続くことを前提として、数330の符号化に基づいて説明する。
【0025】
この場合、数330は0から1023までの区間から選択される。テーブルを見ると、第1の分割の境界として数317が使用されている。これは、符号化すべき数がこの境界の下方にある確率が、この数が境界の上方にある確率とまったく等しいということを意味する。ここで重要な数330は境界の上方にあり、そのため第1の符号ビットは1である。318から1023までの残りの区間については、テーブルから分かるように、値524による次の分割が行われる。それゆえ、第2の符号ビットは0である。次の分割は412(符号ビット=0)において行われる、すなわち、符号化される値は今318から412までの区間に限定されている。そして次の分割は363(符号ビット0)において行われる。すなわち、符号化すべき数はこの場合318から363までの区間に限定されている。次の分割(テーブルからすると340)は符号化すべき数の領域を318から340までの領域に縮小する。さらなる符号化は、このようにして残された残留区間を単純に2等分することにより行われる。したがって、318から340までの区間の分割は、境界329=(318+340)/2において行われ、符号ビットは1となる。それゆえ、330から340までの残りの区間は、さらなる再帰ステップにおいて、このステップから生じる残留区間がただ1つの符号化すべき数(ここでは330)だけを含むまで、そのつど区間の中央で分割される。
【0026】
このように記憶されているテーブルによって、非常に簡単な手段を用いて、符号化に必要なビットの数の低減を達成することができる。この場合に必要なメモリのコストは区間に対して1つ1つの境界だけを記憶するおかげで低く、符号化局1も復号局2も本方法ために高いコストを費やす必要がまったくない。
【0027】
本方法は本明細書では1つの値領域から選び出される数に基づいて説明されている。しかし、数の代わりに、シーケンスに配列させることのできるいずれの種類の整列データも使用することができることは明らかである。そのようなデータは問題なく値領域内の相応の数に換算されるので、本方法はいずれの種類のデータにも適している。さらに、個々の数の代わりに、領域を決定することもできる。つまり、単純に数領域を符号化することもできる。
【0028】
本方法は、本明細書では、個々の数が確実に識別されるまで継続された。残りの残留区間が小さく、そのつどの適用が受容可能である場合には、本方法を中止することも可能である。これにより符号化に必要なビットの数がさらに低減されるので、非常に簡単な仕方でビットレートの可変適合を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 送信側および受信側を示す。
【図2】 区間ネスティングによる値の選択を示す。
【図3】 種々の確率分布を示す。
【図4】 種々の確率分布を示す。
【図5】 種々の確率分布を示す。
【符号の説明】
1 送信局
2 受信局
3 伝送チャネル
Claims (11)
- 値領域から目標領域を符号化/復号するための方法において、
目標領域に対する符号化/復号ステップにおいて、符号化すべき目標領域のための符号ビットが検出されるか、または符号ビットに基づいて復号すべき目標領域が検出されるまで、再帰ステップを繰り返し、
前記再帰ステップにおいて、符号化/復号すべき目標領域が存在する値領域の区間を2つの新たな区間に分割し、
個々のビットにより、前記符号化/復号すべき目標領域が前記新たな区間のうちのどの区間内にあるかを信号化し、
このようにして信号化された新たな区間を次の再帰ステップのための区間として使用し、
その際、符号化すべき目標領域または復号すべき目標領域のための符号ビットは、区間が最小サイズを下回った場合に検出され、
その際、少なくとも1つの再帰ステップにおいては、区間内の目標領域に対する1つの確率分布を基礎として、その確率分布に基づき、新たな区間を選択する、ことを特徴とする符号化/復号のための方法。 - 前記目標領域として単一の数を使用する、請求項1に記載の方法。
- それぞれの再帰ステップにおいて、符号化/復号すべき目標領域が、同じ確率で2つの新たな区間のそれぞれに存在するように、区間を選択する、請求項1または2に記載の方法。
- 複数の目標領域を符号化/復号し、目標領域の個数を値の個数によって与え、前記値の個数のすべての目標領域が符号化/復号されるまで、符号化/復号ステップを繰り返す、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 確率分布を求めるために、符号化/復号すべき目標領域のシーケンスを定め、目標領域の確率分布は、前記シーケンス内に後続の目標領域があといくつあるかに依存する、請求項4に記載の方法。
- 符号化/復号すべき目標領域は増加列または減少列を形成する、請求項5に記載の方法。
- 複数の確率分布を記憶し、符号化/復号ステップのための確率分布は、シーケンス内に後続の目標領域があといくつあるかに依存する、請求項5または6に記載の方法。
- 前記記憶される確率分布をデータの測定値から求める、請求項7に記載の方法。
- 前記記憶される確率分布を予測する、請求項7に記載の方法。
- 符号化/復号すべき数は整数である、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 値領域から目標領域を符号化/復号するための装置において、
前記装置は計算機を有しており、該計算機は
目標領域に対する符号化/復号ステップにおいて、符号化すべき目標領域のための符号ビットが検出されるか、または符号ビットに基づいて復号すべき目標領域が検出されるまで、再帰ステップを繰り返し、
前記再帰ステップにおいて、符号化/復号すべき目標領域が存在する値領域の区間が2つの新たな区間に分割され、
個々のビットにより、前記符号化/復号すべき目標領域が前記新たな区間のうちのどの区間内にあるかが信号化され、
このようにして信号化された新たな区間が次の再帰ステップのための区間として使用され、
その際、符号化すべき目標領域または復号すべき目標領域のための符号ビットは、区間が最小サイズを下回った場合に検出され、
その際、少なくとも1つの再帰ステップにおいては、区間内の目標領域に対する1つの確率分布を基礎として、その確率分布に基づき、新たな区間が選択される、ことを特徴とする符号化/復号のための装置。
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