JP5713986B2 - Encoding apparatus, method, program, and recording medium - Google Patents

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この発明は、情報を符号化する技術に関する。   The present invention relates to a technique for encoding information.

複数の値の系列である実現値についての確率を所定の第一確率分布においてその実現値が出現する確率に応じた確率とし、所定の条件を満たす全ての上記複数の値の系列である実現値についての上記確率の分布を第二確率分布に従う乱数の系列を生成する技術、及び、この技術に基づいて情報を符号化する技術はこれまで提案されていない。   The probability of an actual value that is a sequence of a plurality of values is a probability corresponding to the probability that the actual value appears in a predetermined first probability distribution, and the actual value that is a sequence of all the multiple values that satisfy a predetermined condition A technique for generating a random number sequence according to the second probability distribution from the above probability distribution and a technique for encoding information based on this technique has not been proposed.

この発明は、第二確率分布に従う乱数の系列を生成する技術に基づいて情報を符号化する符号化装置、方法、プログラム及び記録媒体を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an encoding apparatus, method, program, and recording medium for encoding information based on a technique for generating a sequence of random numbers according to the second probability distribution.

この発明の一態様による符号化装置は、複数の値の系列である実現値についての確率を所定の第一確率分布においてその実現値が出現する確率に応じた確率とし、所定の条件を満たす全ての複数の値の系列である実現値についての確率の分布を第二確率分布として、実現値についての確率である第三確率を、既に生成された乱数の系列を条件としたときにその実現値が出現する第一確率と、既に生成された乱数の系列及び今回生成される乱数を条件としたときに次回以降生成される残りの乱数の系列が所定の条件を満たす第二確率と、の積に応じた確率とし、取りうる全ての実現値についての第三確率の分布である第三確率分布を生成する確率分布生成部と、第三確率分布に従い1つの実現値を乱数として生成する乱数生成部と、確率分布生成部及び乱数生成部の処理を繰り返すことにより、第二確率分布に従う乱数の系列を生成させる制御部と、を含む乱数系列生成装置と、生成された乱数の系列及び所定の第二関数を用いて符号語を生成する圧縮部と、備え、所定の条件は、所定の共有情報と複数の値の系列との関係を所定の第一関数を用いて表現した条件であり、所定の第一確率分布は、符号化対象の情報を条件とする条件付き確率である。   An encoding apparatus according to an aspect of the present invention sets a probability for an actual value that is a sequence of a plurality of values as a probability corresponding to a probability that the actual value appears in a predetermined first probability distribution, and satisfies all the predetermined conditions The probability distribution for the realized value that is a series of a plurality of values is defined as the second probability distribution, and the third probability that is the probability for the realized value is the condition when the already generated random number sequence is used as a condition. Product of the first probability of occurrence and the second probability that the sequence of random numbers that have already been generated and the random number that is generated this time satisfy the predetermined condition A probability distribution generation unit that generates a third probability distribution that is a distribution of the third probability for all possible real values, and a random number generator that generates one real value as a random number according to the third probability distribution Part and probability distribution students A random number sequence generation device including a control unit that generates a sequence of random numbers according to the second probability distribution by repeating the processing of the unit and the random number generation unit, and using the generated random number sequence and a predetermined second function A compression unit that generates a codeword, and the predetermined condition is a condition expressing a relationship between predetermined shared information and a sequence of a plurality of values using a predetermined first function, and a predetermined first probability distribution Is a conditional probability that is conditional on the information to be encoded.

第二確率分布に従う乱数の系列を生成する技術に基づいて情報を符号化することができる。   Information can be encoded based on a technique for generating a sequence of random numbers according to the second probability distribution.

乱数系列生成装置の例を説明するためのブロック図。The block diagram for demonstrating the example of a random number series production | generation apparatus. 乱数系列生成装置の他の例を説明するためのブロック図。The block diagram for demonstrating the other example of a random number series production | generation apparatus. 乱数系列生成方法の例を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the example of the random number series production | generation method. 符号化装置及び復号装置の例を説明するためのブロック図。The block diagram for demonstrating the example of an encoding apparatus and a decoding apparatus. 符号化装置及び復号装置の例を説明するためのブロック図。The block diagram for demonstrating the example of an encoding apparatus and a decoding apparatus. 符号化方法の例を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the example of the encoding method. 復号方法の例を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the example of a decoding method.

[記法の説明]
まず、記法の説明を行う。Xが確率変数であるとき、Xのとり得る値の集合を[X]と記す。集合Sの大きさ、すなわち集合Sに含まれる要素の数を|S|と記す。差集合をS\S’と記し、これは集合Sに含まれており、かつ集合S’に含まれていない要素全体からなる集合を表す。
[Description of notation]
First, the notation is explained. When X is a random variable, the set of possible values of X is denoted as [X]. The size of the set S, that is, the number of elements included in the set S is denoted as | S |. The difference set is denoted as S \ S ′, which represents a set that is included in the set S and is composed of all the elements that are not included in the set S ′.

Xn≡(X1,X2,…,Xn)はn次元の確率変数で、その実現値をxn≡(x1,x2,…,xn)と記す。
[Xn]≡[X1]×[X2]×…×[Xn]と記す。確率変数Xと対応する確率分布をpXと記す。なお、pXをp_(X)と記すこともある。
X n ≡ (X 1 , X 2 ,..., X n ) is an n-dimensional random variable, and its realization value is denoted as x n ≡ (x 1 , x 2 ,..., X n ).
[X n ] ≡ [X 1 ] × [X 2 ] ×… × [X n ]. The probability distribution corresponding to the random variable X is denoted as p X. It should be noted, it is sometimes referred to as p_ the p X (X).

Φは一般には関数を表し、Φ(xn)は関数Φのベクトルxnにおける値を表す。qを素数として、関数Φ:GF(q)n→GF(q)mがq元の有限体GF(q)上ベクトル空間の線形写像の場合、 Φ generally represents a function, and Φ (x n ) represents the value of the function Φ in the vector x n . If q is a prime number and the function Φ: GF (q) n → GF (q) m is a linear mapping of the vector space over the finite field GF (q) of q,

Figure 0005713986
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のように行列で表記する。このとき、xnは列ベクトル It is expressed as a matrix. Where x n is a column vector

Figure 0005713986
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となる。この場合はΦ(xn)をΦxnと記す。 It becomes. In this case, Φ (x n ) is denoted as Φx n .

変数のとり得る値の集合が有限であることが明示されていないときは、連続値をとることができる。また、和Σをとる変数が連続値である場合にはΣは積分∫となる。   If it is not explicitly stated that the set of possible values of a variable is finite, continuous values can be taken. If the variable for which the sum Σ is taken is a continuous value, Σ is an integral ∫.

[制約条件を満たす素朴な乱数系列生成法]
関数の集合Φ≡{φs:[Xn]→Vs}s=1 lに対してΦ(xn)∈V1×V2×…×Vl
[A simple random number generation method that satisfies the constraints]
Φ (x n ) ∈V 1 × V 2 ×… × V l for a set of functions Φ≡ {φ s : [X n ] → V s } s = 1 l

Figure 0005713986
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と定義する。vl≡(v1,v2,…,vl)及び確率変数Xn≡(X1,X2,…,Xn)の分布pX nが与えられたときに、次式で定義されるμ(xn)を考える。 It is defined as Given the distribution p X n of v l ≡ (v 1 , v 2 , ..., v l ) and the random variable X n ≡ (X 1 , X 2 , ..., X n ), Consider μ (x n ).

Figure 0005713986
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所定の条件をΦ(xn)=vlとし、所定の第一確率分布をpX nとすると、実現値xn≡(x1,x2,…,xn)についての確率μ(xn)は、所定の第一確率分布pX nにおいてその実現値xnが出現する確率に応じた確率である。 When the predetermined condition is Φ (x n ) = v l and the predetermined first probability distribution is p X n , the probability μ (x for the real value x n ≡ (x 1 , x 2 , ..., x n ) n ) is a probability corresponding to the probability that the actual value x n appears in the predetermined first probability distribution p X n .

ここでは、所定の条件Φ(x)=vを満たす全ての実現値についての確率μ(xn)の分布(第二確率分布)に従ういずれか一つの実現値xnを乱数の系列として発生させる素朴な2つの方法を記述する。 Here, any one real value x n according to the distribution (second probability distribution) of the probability μ (x n ) for all real values satisfying the predetermined condition Φ (x n ) = v l is used as a sequence of random numbers. Two simple methods to generate are described.

<方法1>
まず最初に、Φ(xn)=vlを満たすxnを列挙した集合Ωを求める。続いて、各xn∈Ωについて、関係式
<Method 1>
First, a set Ω that enumerates x n satisfying Φ (x n ) = v l is obtained. Then, for each x n ∈Ω, the relational expression

Figure 0005713986
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を用いて(a2)の右辺を計算することにより、確率分布μを求める。最後に、確率分布μに従いxn∈Ωを選択する。 The probability distribution μ is obtained by calculating the right side of (a2) using. Finally, x n ∈Ω is selected according to the probability distribution μ.

なお、<方法1>において、入力はpX n、関数の集合Φ及びベクトルvlであり、出力は乱数xnである。 In <Method 1>, the input is p X n , the function set Φ and the vector v l , and the output is a random number x n .

<方法2>
確率分布pX nに従いxn∈[Xn]を選択する。続いて、xnが条件Φ(xn)=vlを満たすかどうかを確認する。これをΦ(xn)=vlを満たすxnが選択されるまで繰り返し、最終的に、この条件を満たすxnを乱数の系列として出力して終了する。
<Method 2>
Select x n ∈ [X n ] according to the probability distribution p X n . Then, x n to see if it meets the conditions Φ (x n) = v l . This is repeated until x n satisfying Φ (x n ) = v l is selected. Finally, x n satisfying this condition is output as a sequence of random numbers, and the process ends.

なお、<方法2>において、入力はpX n、関数の集合Φ及びベクトルvlであり、出力は乱数xnである。 In <Method 2>, the input is p X n , the function set Φ and the vector v l , and the output is a random number x n .

<方法1>では、Φ(xn)=vlを満たすxnを列挙した集合Ωを求める必要があるが、一般に|Ω|はnの増大に伴い指数的に増大するため、集合Ωを求めることが困難となる可能性がある。この事実は(a3)の計算も困難とするため、確率分布μを求めることも困難となる可能性がある。また、仮に、確率分布μが求まったとしても、μに従いxn∈Ωを選択することも困難となる可能性がある。さらに、pX nが事前に固定されている場合は、Ωやμを事前に計算して記憶部に記録することもできるが、この場合は記憶量がnとともに指数的に増大する可能性がある。 In <Method 1>, it is necessary to obtain a set Ω that enumerates x n satisfying Φ (x n ) = v l , but in general, | Ω | increases exponentially as n increases. It can be difficult to find. Since this fact makes it difficult to calculate (a3), it may be difficult to obtain the probability distribution μ. Moreover, even if the probability distribution μ is obtained, it may be difficult to select x n ∈Ω according to μ. Furthermore, when p X n is fixed in advance, Ω and μ can be calculated in advance and recorded in the storage unit, but in this case, the storage amount may increase exponentially with n. is there.

<方法2>では、Φ(xn)=vlを満たすxnを選択するまで繰り返し乱数を発生させるが、一般にΦ(xn)=vlを満たすxnを選択する確率はnとともに指数的に0に近付くことから、繰り返し回数が指数的に増大する可能性がある。 In <Method 2>, random numbers are repeatedly generated until x n satisfying Φ (x n ) = v l is selected. Generally, the probability of selecting x n satisfying Φ (x n ) = v l is an exponent together with n. Since it approaches zero, the number of iterations may increase exponentially.

[乱数系列生成装置及び方法の第一実施形態]
以下では、関数の集合Φ≡{φs:[Xn]→Vs}s=1 lとvl≡(v1,v2,…,vl)を与え、Φ(xn)∈V1×V2×…×Vlを(a1)で定義したときに、(a2)の確率分布μに従う乱数の系列xnを発生させる乱数系列生成装置について説明する。
[First Embodiment of Random Number Sequence Generation Apparatus and Method]
In the following, a set of functions Φ≡ {φ s : [X n ] → V s } s = 1 l and v l ≡ (v 1 , v 2 ,…, v l ) are given, and Φ (x n ) ∈V A random number sequence generation device that generates a sequence x n of random numbers according to the probability distribution μ of (a2) when 1 × V 2 ×... × V l is defined by (a1) will be described.

T(s)⊂{1,2,…,n}を関数φs(xn)を計算する際に使用する変数xn≡(x1,x2,…,xn)のインデックスの集合とする。xT(s)をxnからインデックス集合T(s)と対応する部分を取り出した|T(s)|次元のベクトルとする。以下では、関数φs(xn)を計算する際に使用する変数だけに注目して、φs(xn)をφs(xT(s))と記す。例えば、関数φs(xn)を計算するときに使用する変数がx1,x2であるときには、T(s)={1,2},φs(xT(s))≡φs(x1,x2)=φs(xn)を満たしている。 T (s) ⊂ {1,2, ..., n} is used to calculate the function φ s (x n ) and the set of indices of variables x n ≡ (x 1 , x 2 , ..., x n ) To do. Let xT (s) be a | T (s) | -dimensional vector obtained by extracting a portion corresponding to the index set T (s) from xn . In the following, focusing on only variables used in calculating the function φ s (x n ), φ s (x n ) is denoted as φ s (x T (s) ). For example, if the variables used when calculating the function φ s (x n ) are x 1 and x 2 , T (s) = {1,2}, φ s (x T (s) ) ≡φ s (x 1 , x 2 ) = φ s (x n ) is satisfied.

Φ≡{φs:[Xn]→Vs}s=1 lより定まるχ(xT(s),vs)を次のように定義する。 Χ (x T (s) , v s ) determined from Φ≡ {φ s : [X n ] → V s } s = 1 l is defined as follows.

Figure 0005713986
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確率分布pX nを次のように分解する。 The probability distribution p X n is decomposed as follows.

Figure 0005713986
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ここで、上式の右辺でt=1の時には   Here, when t = 1 on the right side of the above equation

Figure 0005713986
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とする。例えば、pX nが無記憶の場合は、 And For example, if p X n is memoryless,

Figure 0005713986
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となり、pX nがδ次Markov性を持つ場合は When p X n has δ-order Markov property

Figure 0005713986
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となる。
乱数系列生成装置1は、図1に示すように、制御部11、確率分布生成部12、乱数生成部13、記憶部14及び乱数推定部15を例えば備えている。
It becomes.
As shown in FIG. 1, the random number sequence generation device 1 includes, for example, a control unit 11, a probability distribution generation unit 12, a random number generation unit 13, a storage unit 14, and a random number estimation unit 15.

(a2)で定義された確率分布μに従う乱数を発生させるために、乱数系列生成装置は次の処理を実行する。以下、Σはその下に書かれている変数の全てのとり得る値に関する和を表すこととする。例えば、Σxtは全てのxt∈[Xt]に関する和である。 In order to generate random numbers according to the probability distribution μ defined in (a2), the random number sequence generation device executes the following processing. In the following, Σ represents the sum of all possible values of the variable written below. For example, Σ xt is the sum over all x t ∈ [X t ].

制御部11は、k=1とする(ステップA1,図3)。   The control unit 11 sets k = 1 (step A1, FIG. 3).

確率分布生成部12が、次式により定義される関数fk(xk)を求める(ステップA2)。関数fk(xk)は、例えばsum-productアルゴリズムを実行することにより求めることができる。sum-productアルゴリズムについては、後述する。 The probability distribution generation unit 12 obtains a function f k (x k ) defined by the following equation (step A2). The function f k (x k ) can be obtained, for example, by executing a sum-product algorithm. The sum-product algorithm will be described later.

Figure 0005713986
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なお、上式の右辺ではこれまでに記録したx1,…,xk-1を代入する。 In the right side of the above equation, x 1 ,..., X k−1 recorded so far are substituted.

また、χ(xT(s),vs)が定数となったものを記録しておけば将来の計算を省略できる。例えばT(s)が{1,…,k}である場合には、χ(xT(s),vs)の値はxk+1,…,xnの値によらず0又は1となり定数となる。この場合、定数であるχ(xT(s),vs)を次回以降の繰り返し処理で用いるために記憶部14に記録する。 Further, if a record in which χ (x T (s) , v s ) is a constant is recorded, future calculations can be omitted. For example, if T (s) is {1, ..., k}, the value of χ (x T (s) , v s ) is 0 or 1 regardless of the values of x k + 1 , ..., x n And become a constant. In this case, a constant χ (x T (s) , v s ) is recorded in the storage unit 14 for use in the next and subsequent iterations.

x1,…,xk-1を既に生成された乱数の系列とし、今回生成される乱数をxkとし、次回以降生成される残りの乱数の系列をxk+1,…,xnとすると、(a5)の右辺の分子に現れる x 1 , ..., x k-1 is a sequence of already generated random numbers, a random number generated this time is x k, and a sequence of remaining random numbers generated after the next time is x k + 1 , ..., x n Then, it appears in the molecule on the right side of (a5)

Figure 0005713986
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は、既に生成された乱数の系列x1,…,xt-1を条件としたときに実現値xtが出現する第一確率と言える。 Can be said to be the first probability that the realization value x t appears when the sequence of generated random numbers x 1 ,..., X t−1 is used as a condition.

また、(a5)の右辺の分子に現れる   It also appears in the molecule on the right side of (a5)

Figure 0005713986
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は、既に生成された乱数の系列x1,…,xk-1及び今回生成される乱数xkを条件としたときに、次回以降生成される残りの乱数の系列xk+1,…,xnが、所定の条件(この場合、Φ(xn)=vl)を満たす第二確率と言える。 Is a sequence of random numbers x 1 ,..., X k−1 that have already been generated and a random number x k that is generated this time, and the remaining random number sequences x k + 1 ,. It can be said that x n is a second probability that satisfies a predetermined condition (in this case, Φ (x n ) = v l ).

(a5)の分母は正規化項なので、例えば(a5)で表されるfk(xk)は、実現値が上記第一確率と上記第二確率との積に応じた値である確率分布ということができる。 Since the denominator of (a5) is a normalized term, for example, f k (x k ) represented by (a5) is a probability distribution whose real value is a value corresponding to the product of the first probability and the second probability. It can be said.

乱数生成部13が、確率分布fk(xk)に従い乱数xkを発生させ記憶部14に記録する(ステップA3)。 The random number generation unit 13 generates a random number x k according to the probability distribution f k (x k ) and records it in the storage unit 14 (step A3).

制御部11は、k=nであるか判定する(ステップA4)。   The controller 11 determines whether k = n (step A4).

k=nであれば、制御部11は、これまでに記録した変数の値を連結したxn≡(x1,x2,…,xn)を出力して終了する(ステップA5)。 If k = n, the control unit 11 outputs x n ≡ (x 1 , x 2 ,..., x n ) obtained by concatenating the values of the variables recorded so far, and ends (step A5).

k<nであれば、制御部11は、これまでに記録した(x1,…,xk)からΦ(xn)=vlを満たす残りの変数の値(xk+1,…,xn)が唯一に定まるかどうかを確認する(ステップA6)。 If k <n, the control unit 11 determines the remaining variable values (x k + 1 ,..., x) satisfying Φ (x n ) = v l from (x 1 ,..., x k ) recorded so far. It is confirmed whether or not x n ) is uniquely determined (step A6).

もし唯一定まるのであれば、乱数推定部15は(xk+1,…,xn)を求めてxn≡(x1,x2,…,xn)を出力して終了する(ステップA7)。なお、唯一定まるかどうかを確認するための基準及びこの場合の(xk+1,…,xn)の求め方の例は、乱数系列生成装置及び方法の第二実施形態で説明する。 If If the only determined, the random number estimating unit 15 (x k + 1, ..., x n) x n ≡ (x 1, x 2, ..., x n) seeking to terminate with a (step A7 ). An example of a criterion for confirming whether or not it is determined and an example of how to obtain (x k + 1 ,..., X n ) in this case will be described in the second embodiment of the random number sequence generation device and method.

唯一に定まらない場合には、制御部11はkの値を1増やしてステップA2に戻る(ステップA8)。   If not uniquely determined, the controller 11 increases the value of k by 1 and returns to step A2 (step A8).

このようにして、制御部11は、確率分布生成部12及び乱数生成部13の処理を繰り返すことにより、確率分布μに従う乱数の系列を生成させる。   In this manner, the control unit 11 repeats the processing of the probability distribution generation unit 12 and the random number generation unit 13 to generate a random number sequence according to the probability distribution μ.

なお、ステップA6及びステップA7の処理は行わなくてもよい。例えば、(xk+1,…,xn)が唯一に定まるかどうかを確認する処理に時間がかかるか、この確認をすることができない場合、また唯一定まる(xk+1,…,xn)を求める処理に時間がかかるか、この処理をすることができない場合、この確認処理を省略し、k<nであればkの値を1増やしてステップA2に戻る構成としてもよい。この場合、乱数系列生成装置1は、図2に例示するように、乱数推定部15を備えていなくてもよい。 Note that the processing of step A6 and step A7 may not be performed. For example, if it takes time to confirm whether (x k + 1 , ..., x n ) is uniquely determined or if this confirmation cannot be performed, it is also determined (x k + 1 , ..., x If the process for obtaining n ) takes time or cannot be performed, the confirmation process may be omitted, and if k <n, the value of k may be increased by 1 and the process may return to step A2. In this case, the random number sequence generation device 1 may not include the random number estimation unit 15 as illustrated in FIG.

乱数系列生成装置1の入力は確率分布の集合{p_(Xt|X1 t-1)}t=1 nと関数の集合{χ(xT(s),vs)}s=1 lであり、乱数系列生成装置1の出力はxnである。上述のように、記憶部14には、入力の他にχ(xT(s),vs)が定数となったものを記録しておいてもよい。 The input of the random number sequence generator 1 is a set of probability distributions {p_ (X t | X 1 t-1 )} t = 1 n and a set of functions {χ (x T (s) , v s )} s = 1 l And the output of the random number sequence generation device 1 is xn . As described above, the storage unit 14 may record data in which χ (x T (s) , v s ) becomes a constant in addition to the input.

ステップA2において(a5)を計算する際に、変数(xk,xk+1,…,xn)のなかで注目する変数(上記ではxk)を自由に選択できる。従って、ステップA2では全ての変数(xk,xk+1,…,xn)に対して周辺化関数を求めた結果から、後の計算に都合のよい周辺化関数を利用することができる。これは、変数(x1,…,xn)の周辺化を行う順序をステップA2で適応的に変えられることを意味する。ここで、注目する変数の順序の変更にともない、(a5)の右辺に現れるp_(Xn|X1 t-1)の再計算を必要とする場合があることを注意しておく。ただし、pX nが無記憶、すなわち(a4)を満たすときは、ステップA2において(a5)を計算する際に変数(xk,xk+1,…,xn)のなかで注目する変数(上記ではxk)を変えても、注目する変数の順序の変更にともなうp_(Xt|X1 t-1)=pXtの再計算の必要はない。 When calculating (a5) in step A2, the variable of interest (x k in the above) can be freely selected from the variables (x k , x k + 1 ,..., X n ). Therefore, in step A2, a marginalization function that is convenient for later calculations can be used from the result of obtaining the marginalization function for all variables (x k , x k + 1 ,..., X n ). . This means that the order of marginalizing the variables (x 1 ,..., X n ) can be adaptively changed in step A2. Here, it should be noted that re-calculation of p_ (X n | X 1 t−1 ) appearing on the right side of (a5) may be required in accordance with the change of the order of the variables of interest. However, when p X n is memoryless, that is, satisfies (a4), the variable to be noted among the variables (x k , x k + 1 ,..., X n ) when calculating (a5) in step A2. Even if (x k in the above) is changed, it is not necessary to recalculate p_ (X t | X 1 t−1 ) = p Xt according to the change of the order of the variables of interest.

なお、条件式Φxn=vlと等価で、かつsum-productアルゴリズムの計算精度が向上する条件式に変形した後で、制約条件を満たす乱数生成アルゴリズムを適用してもよい。
sum-productの近似精度を上げるために、例えば、集合T(s)の大きさが小さくなるように、また条件式Φx=vと対応するファクターグラフが短いループを持たないように、条件式を変形することなどが考えられる。
Note that a random number generation algorithm that satisfies the constraint conditions may be applied after the conditional expression is transformed into a conditional expression that is equivalent to the conditional expression Φx n = v l and that improves the calculation accuracy of the sum-product algorithm.
In order to increase the approximation accuracy of sum-product, for example, the condition is set so that the size of the set T (s) becomes small and the factor graph corresponding to the conditional expression Φx n = v l does not have a short loop. It is conceivable to change the formula.

なお、ステップA2において所望の乱数を発生させるために、参考文献1に記載されている区間アルゴリズムを用いて一様乱数列からxkを求めてもよい。参考文献1では発生させる乱数列は独立同分布であることを仮定しているが、ここではこの仮定が成り立たないので、次のような改良を施す。今、ωを2以上の整数として、十分な長さの一様ω元乱数列r1,r2,…があるとする。この乱数列r1,r2,…は、例えば図1に破線で示した一様乱数生成部16により生成される。以下では
[ζ,η)≡{θ:ζ≦θ<η}
とする。
In order to generate a desired random number in step A2, x k may be obtained from the uniform random number sequence using the interval algorithm described in Reference Document 1. In Reference Document 1, it is assumed that the generated random number sequence has independent and same distribution. However, since this assumption does not hold here, the following improvements are applied. Now, suppose that there is a sufficiently long uniform ω-element random number sequence r 1 , r 2 ,. This random number sequence r 1 , r 2 ,... Is generated by, for example, the uniform random number generation unit 16 indicated by a broken line in FIG. Below
[ζ, η) ≡ {θ: ζ ≦ θ <η}
And

〔参考文献1〕[11] T.S. Han and M. Hoshi, “Interval algorithm for random number generation,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-44, no. 2, pp. 599-611, Mar. 1997.   [Reference 1] [11] TS Han and M. Hoshi, “Interval algorithm for random number generation,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-44, no. 2, pp. 599-611, Mar. 1997 .

ステップA1において、区間の初期値を[ζ11)≡[0,1)とする。 In step A1, the initial value of the section is set to [ζ 1 , η 1 ) ≡ [0,1).

ステップA3において、区間[ζkk)を長さ{fk(x)}x∈[Xk]の部分区間に分割し、長さfk(x)と対応する区間にラベルx∈[Xk]を付ける。そして、ω進小数0.r1r2…を含む区間と対応するラベルをxkとする。ステップA2の最後に、先程求めたxkと対応する区間、すなわちω進小数0.r1r2…を含む区間を[ζk+1k+1)とする。 In step A3, the section [ζ k , η k ) is divided into partial sections of length {f k (x)} x∈ [Xk] , and the section corresponding to the length f k (x) is labeled x∈ [ Add X k ]. Then, the corresponding label and ω advance decimal 0.r 1 r 2 ... section, including the x k. At the end of step A2, a section corresponding to the previously obtained x k , that is, a section including the ω-adic decimal 0.r 1 r 2 ... Is set as [ζ k + 1 , η k + 1 ).

この改良によって、xn=(x1,…,xn)と対応する区間の幅はμ(xn)となるので、(x1,…,xn)と対応する区間に一様乱数より求めたω進小数0.r1r2…が含まれる確率はμ(xn)となる。ここで、アルゴリズムがk=k’で停止した場合は(x1,…,xk’)までしか乱数は発生させないが、k=k’の時点の区間の分割は後述する(a11)と対応しているので、所望の確率分布に従う乱数系列(x1,…,xn)が得られている。 With this improvement, the width of the interval corresponding to x n = (x 1 , ..., x n ) becomes μ (x n ), so the interval corresponding to (x 1 , ..., x n ) The probability that the obtained ω-adic decimal 0.r 1 r 2 ... Is included is μ (x n ). Here, when the algorithm stops at k = k ′, random numbers are generated only until (x 1 ,..., X k ′ ), but the division of the section at the time point of k = k ′ corresponds to (a11) described later. Therefore, a random number sequence (x 1 ,..., X n ) according to a desired probability distribution is obtained.

ステップA2でsum-product アルゴリズムを適用してO(n)で実行することを仮定し、ステップA6及びステップA7の計算時間はO(n2)であることを仮定すれば、このアルゴリズムは全体でO(n2)の計算時間で終了する。このため、このアルゴリズムにより、上述の[制約条件を満たす素朴な乱数系列生成法]よりも短い計算時間で乱数系列を生成することができる。 Assuming that the sum-product algorithm is applied at step A2 and executed at O (n), and assuming that the calculation time at step A6 and step A7 is O (n 2 ), this algorithm is End with the computation time of O (n 2 ). For this reason, this algorithm can generate a random number sequence in a shorter calculation time than the above-mentioned [simple random number sequence generation method that satisfies the constraint conditions].

以下では、本アルゴリズムが期待する結果を出力することを証明する。(a5)の右辺の分子に現れる式を   In the following, it is proved that this algorithm outputs the expected result. The expression that appears in the numerator on the right side of (a5)

Figure 0005713986
Figure 0005713986

とすると、 Then,

Figure 0005713986
Figure 0005713986

が成り立っている。 Is true.

xn=(x1,x2,…,xn)を最終的に出力した乱数系列とする。アルゴリズムのステップA4においてk=nで終了した場合は、 Let x n = (x 1 , x 2 ,..., x n ) be the finally output random number sequence. If it ends with k = n in step A4 of the algorithm,

Figure 0005713986
Figure 0005713986

となる。一方で、 アルゴリズムのステップA6及びステップA7でk=k’<nで終了した場合は、(x1,x2,…,xk’)からΦ(xn)=vlを満たす残りの変数の値(xk’+1,…,xn)が唯一定まることから、 It becomes. On the other hand, when k = k ′ <n ends in step A6 and step A7 of the algorithm, the remaining variables satisfying Φ (x n ) = v l from (x 1 , x 2 ,..., X k ′ ) Since the value of (x k '+ 1 , ..., x n ) is only determined,

Figure 0005713986
Figure 0005713986

となる。(a8)は(a7)をk’=nの場合として含んでいるので、以下、k=k’で終了した場合を考える。 It becomes. Since (a8) includes (a7) as the case of k ′ = n, the case where it ends with k = k ′ will be considered below.

(a6)よりk≧2の時は   When k ≧ 2 from (a6)

Figure 0005713986
Figure 0005713986

が成り立つ。また、k=1の時は Holds. And when k = 1

Figure 0005713986
Figure 0005713986

が成り立つ。(a8),(a9),(a10)より最終的にxnを出力する確率は Holds. The probability of finally outputting x n from (a8), (a9), and (a10) is

Figure 0005713986
Figure 0005713986

となる。したがって、このアルゴリズムは、確率分布(a2)に従う乱数列xnを出力する。 It becomes. Therefore, this algorithm outputs a random number sequence x n according to the probability distribution (a2).

<sum-productアルゴリズムについて>
一般的にsum-productアルゴリズムとは、変数ベクトルxnの一部からなる変数ベクトルxT(s)で定まる関数es(xT(s))が各s∈Sで与えられたとき、周辺化関数
<About the sum-product algorithm>
In general, the sum-product algorithm means that when a function e s (x T (s) ) determined by a variable vector x T (s) consisting of a part of a variable vector x n is given by each s∈S, Function

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を求める手続きである。ここで、N≡{1,2,…,n}として、各s∈SでT(s)⊂Nである。また
Σxn\{xt}は、ベクトルxnに現れる変数xt以外の全てのxnの値を動かした時の総和である。また、(a12)で定めたg(xt)ではなく、右辺の分子に現れた
It is a procedure to ask for. Here, T (s) ⊂N for each s∈S, where N≡ {1, 2,..., N}. Σ xn \ {xt} is the sum when all the values of x n other than the variable x t appearing in the vector x n are moved. Also, it appeared in the numerator on the right side instead of g (x t ) defined in (a12)

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を求める手続きとしてsum-productアルゴリズムが記述される場合があるが、以下では、(a12)で定めたg(xt)を求める手続きをsum-productアルゴリズムと呼ぶことにする。 In some cases, a sum-product algorithm is described as a procedure for obtaining. However, hereinafter, a procedure for obtaining g (x t ) defined in (a12) is referred to as a sum-product algorithm.

以下にsum-productアルゴリズムを記述する。メッセージと呼ばれる関数πxt→es(xt),σes→xt(xt)を次のように定義する。 The sum-product algorithm is described below. Functions π xt → es (x t ) and σ es → xt (x t ) called messages are defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、Σx_(T(s)\{t})は全ての{xt’}t’∈T(s)\{t}を動かした時の総和であり、Σx_(T(s))は全ての{xt}t∈T(s)を動かした時の総和を表す。また、T(s)={t}の時は Here, Σ x_ (T (s) \ {t}) is the sum when all {x t ' } t'∈T (s) \ {t} are moved, and Σ x_ (T (s) ) Represents the total sum when all {x t } t∈T (s) are moved. And when T (s) = {t}

Figure 0005713986
Figure 0005713986

と定め、xt∈T(s’)を満たすs’∈S\{s}が存在しないときは When there is no s'∈S \ {s} that satisfies x t ∈T (s')

Figure 0005713986
Figure 0005713986

と定める。
以下、sum-product アルゴリズムの具体処理について説明する。
Step 1 T(s)={t}を満たすt∈N,s∈Sに対して
It is determined.
Hereinafter, specific processing of the sum-product algorithm will be described.
Step 1 For t∈N, s∈S satisfying T (s) = {t}

Figure 0005713986
Figure 0005713986

と初期化する。
Step 2 xt∈T(s’)を満たすs’∈S\{s}が存在しないようなt∈N,s∈Sに対して
And initialize.
Step 2 x t ∈T (s' ) as s'∈S\ {s} does not exist that meets the T∈N, against s∈S

Figure 0005713986
Figure 0005713986

と初期化する。
Step 3 t∈T(s)を満たすt∈N,s∈Sに対して、πxt→es(xt)をStep 2 で初期化しなかったならば、これに適当な初期値を設定する。例えば、xtのとり得る値の集合が[Xt]であれば、
And initialize.
Step 3 For t∈N and s∈S satisfying t∈T (s), if π xt → es (x t ) is not initialized in Step 2, set an appropriate initial value. For example, if the set of possible values of x t is [X t ],

Figure 0005713986
Figure 0005713986

とする。
Step 4 t∈T(s)を満たしているような全てのt∈N,s∈Sに対して(a13)によって
σes→xt(xt)を求める。ここで、Step 1で初期化したs,tの組合せについてはσes→xt(xt)の計算を省略する。
Step 5 t∈T(s)を満たしているような全てのt∈N,s∈Sに対して(a14)によってπxt→es(xt)を求める。ここで、Step 2で初期化したs,tの組合せについてはπxt→es(xt)の計算を省略する。
Step 6 Step 4とStep 5を予め定めた繰り返し回数繰り返した後、以下の関数を求めて終了する。
And
Step 4 Find σ es → xt (x t ) by (a13) for all t∈N, s∈S that satisfy t∈T (s). Here, for the combination of s and t initialized in Step 1, the calculation of σ es → xt (x t ) is omitted.
Step 5 Find π xt → es (x t ) by (a14) for all t∈N, s∈S that satisfy t∈T (s). Here, for the combination of s and t initialized in Step 2, the calculation of π xt → es (x t ) is omitted.
Step 6 Step 4 and Step 5 are repeated a predetermined number of times, and then the following function is obtained and finished.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

なお、制約を満たす乱数生成アルゴリズムにsum-productアルゴリズムを用いる場合、(a5)において   When using the sum-product algorithm for the random number generation algorithm that satisfies the constraints, in (a5)

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を{es}s∈Sとみなして適用する。sum-productアルゴリズムの実行後に得られた(a15)の右辺がfk(xk)の近似式となる。 Is applied as {e s } s∈S. The right side of (a15) obtained after execution of the sum-product algorithm is an approximate expression of f k (x k ).

[乱数系列生成装置及び方法の第二実施形態]
乱数系列生成装置及び方法の第二実施形態は、関数が線形性を持つときの乱数系列生成装置及び方法である。以下では、乱数系列生成装置及び方法の第一実施形態と異なる部分を中心に説明し、乱数系列生成装置及び方法の第一実施形態と同様の部分については重複説明を省略する。
[Second Embodiment of Random Number Sequence Generation Apparatus and Method]
The second embodiment of the random number sequence generation device and method is a random number sequence generation device and method when the function has linearity. Below, it demonstrates centering on a different part from 1st embodiment of a random number sequence generation apparatus and method, and it abbreviate | omits duplication description about the part similar to 1st embodiment of a random number sequence generation apparatus and method.

以下では、[X1]=[X2]=…=[Xn]=[V1]=[V2]=…=[Vl]=GF(q)を仮定し、l≦nとして、フルランクのl×n行列 In the following, [X 1 ] = [X 2 ] =… = [X n ] = [V 1 ] = [V 2 ] =… = [V l ] = GF (q), where l ≦ n, Full rank l × n matrix

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を考える。関数φs:[Xn]→Vsthink of. Function φ s : [X n ] → V s

Figure 0005713986
Figure 0005713986

と定義する。上式の右辺は行列Φのs行目のn次元ベクトル(φs,1, φs,2,...,φs,n)とxn≡(x1,x2,…,xn)∈[Xn]の内積である。 It is defined as S-th row of the n-dimensional vector of the right side of the above equation is a matrix Φ (φ s, 1, φ s, 2, ..., φ s, n) and x n ≡ (x 1, x 2, ..., x n ) ∈ [X n ] inner product.

上記のように定義されたΦ≡{φs}s=1 lとベクトル Φ≡ {φ s } s = 1 l and vector defined as above

Figure 0005713986
Figure 0005713986

に対して、確率分布(a2)で定まる分布を発生させる乱数系列生成装置1の具体処理を記述する。 The specific processing of the random number sequence generation device 1 for generating a distribution determined by the probability distribution (a2) will be described.

ここで、Φとvは与えられた行列とベクトルそのままを利用しても良いが、Φとvを連結した以下の行列 Here, Φ and v l may use the given matrix and vector as they are, but the following matrix connecting Φ and v l

Figure 0005713986
Figure 0005713986

に対して行基本変形を施した結果 Result of applying row basic transformation to

Figure 0005713986
Figure 0005713986

の左側l×n行列Φ´と右側l×1行列(l次元ベクトル)v´を、それぞれΦおよびvとして代用しても良い。例えば、行列Φ´の0となる成分が多く、Φ´とxnとv´lから定まるファクターグラフが短いループを持たないようなΦ´とv´lを用いることにより、sum-product アルゴリズムによる近似精度が向上する場合があるので、本願発明の乱数系列生成装置が出力する乱数の確率分布の精度をより向上させることができる。 Left l × n matrix Φ'and right l × 1 matrix (l-dimensional vector) v 'l, may be substituted as Φ and v l, respectively. For example, by using Φ ′ and v ′ l such that the factor graph determined from Φ ′, x n, and v ′ l does not have a short loop due to many components that are 0 in the matrix Φ ′, the sum-product algorithm is used. Since the approximation accuracy may be improved, the accuracy of the probability distribution of the random numbers output by the random number sequence generation device of the present invention can be further improved.

以下、Φをフルランクの行列として、行列Φの右側のl×l行列Ψ2が正則行列であると仮定しても一般性は失われない。実際に、任意の行列Φとベクトルvlから冗長な条件式を構成するΦの行とvlの成分を取り除いた行列を求め、この行列の行ベクトルと変数(x1,x2,…,xn)の順序を適切に並びかえることにより所望の行列を求めることができる。 Hereinafter, even if it is assumed that Φ is a full rank matrix and the l × l matrix Ψ 2 on the right side of the matrix Φ is a regular matrix, the generality is not lost. In practice, a matrix obtained by removing redundant Φ rows and v l components from an arbitrary matrix Φ and vector v l is obtained, and the row vector and variable (x 1 , x 2 , ..., A desired matrix can be obtained by appropriately rearranging the order of x n ).

行列Φの左側のl×(n-l)行列をΨ1とすると、上記の仮定から、xn-l≡(x1,…,xn-l)を決定すれば
(xn-l+1,…,xn)≡Ψ2 -1(vl1xn-l)
によってΦxn=vlを満たす残りの変数(xn-l+1,…,xn)を求めることができる。ここで、Ψ2 -1はΨ2の逆行列を表し、アルゴリズムの実行前に求めることができる。
Assuming that the l × (nl) matrix on the left side of the matrix Φ is Ψ 1 , from the above assumption, if x nl ≡ (x 1 , ..., x nl ) is determined
(x n-l + 1 ,…, x n ) ≡Ψ 2 -1 (v l1 x nl )
The remaining variables (x n−l + 1 ,..., X n ) satisfying Φx n = v l can be obtained. Here, Ψ 2 −1 represents an inverse matrix of Ψ 2 and can be obtained before the algorithm is executed.

T(s,k)⊂{k,…,n}を行列Φに現れるベクトル(φs,k,…,φs,n)の中で、φs,t≠0を満たすインデックスsの集合とする。すなわち、T(s,k)は以下のように定義される。
T(s,k)≡{t∈{k,…,n}:φs,t≠0}
T (s, k) ⊂ {k, ..., n} is a set of indices s satisfying φ s, t ≠ 0 among vectors (φ s, k , ..., φ s, n ) appearing in the matrix Φ To do. That is, T (s, k) is defined as follows.
T (s, k) ≡ {t∈ {k,…, n}: φ s, t ≠ 0}

ここで、χ(xT(s,k),vs(k))を次のように定義する。 Here, χ (x T (s, k) , v s (k)) is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

以上の設定により、乱数系列生成装置1の具体処理を以下のように変更することができる。   With the above settings, the specific processing of the random number sequence generation device 1 can be changed as follows.

制御部11は、k=1とする。各s∈{1,…,l}でvs(k)=vsとする。 The control unit 11 sets k = 1. Let s (k) = v s for each s∈ {1, ..., l}.

確率分布生成部12は、次式により定義される関数fk(xk)を求める(ステップA2)。関数fk(xk)は、例えばsum-productアルゴリズムを実行することにより求めることができる。 The probability distribution generation unit 12 obtains a function f k (x k ) defined by the following equation (step A2). The function f k (x k ) can be obtained, for example, by executing a sum-product algorithm.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

乱数生成部13が、確率分布fk(xk)でxkを発生させ、記憶部に記録する(ステップA3)。 Random number generator 13 generates a x k with probability distribution f k (x k), and records in the storage unit (step A3).

制御部11は、k=nであるか判定する(ステップA4)。   The controller 11 determines whether k = n (step A4).

k=nであれば、制御部11は、これまでに記録した変数の値を連結したxn≡(x1,x2,…,xn)を出力して終了する(ステップA5)。 If k = n, the control unit 11 outputs x n ≡ (x 1 , x 2 ,..., x n ) obtained by concatenating the values of the variables recorded so far, and ends (step A5).

k<nであれば、制御部11は、これまでに記録した(x1,…,xk)からΦxn=vlを満たす残りの変数の値(xk+1,…,xn)が唯一に定まるかどうかを確認する。この例では、制御部11はk=lであるか判定する(ステップA6)。 If k <n, the control unit 11 determines the remaining variable values (x k + 1 ,..., x n ) satisfying Φx n = v l from (x 1 ,..., x k ) recorded so far. To see if it is the only one. In this example, the control unit 11 determines whether k = l (step A6).

k=lであれば、乱数推定部15は、残りの変数の値(xl+1,…,xn)≡Ψ2 -1vl(k+1)を求めて記録し、これまでに記録したxn≡(x1,x2,…,xn)を出力して終了する(ステップA7)。 If k = l, the random number estimator 15 calculates and records the remaining variable values (x l + 1 ,..., x n ) ≡Ψ 2 −1 v l (k + 1), and so far The recorded x n ≡ (x 1 , x 2 ,..., X n ) is output and the process ends (step A7).

k<lであれば、制御部11はkの値を1増やして、ステップA2に戻る(ステップA8)。なお、ステップA2に戻る際に、vl(k+1)≡(v1(k+1),…,vl(k+1))を各s∈{1,…,l}で
vs(k+1)≡vs(k)-φs,kxk
とする。
If k <l, the control unit 11 increases the value of k by 1, and returns to step A2 (step A8). When returning to step A2, v l (k + 1) ≡ (v 1 (k + 1),..., V l (k + 1)) is expressed as s∈ {1,.
v s (k + 1) ≡v s (k) -φ s, k x k
And

なお、上記の具体処理において、ステップA4とステップA5の処理を省略して、ステップA3から直ちにステップA6に進んでもよい。あるいは、ステップA7において、Ψ2 -1vl(k+1)の計算に時間がかかる場合は、ステップA6とステップA7の処理を省略して、ステップA4から直ちにステップA8に進んでもよい。 In the above specific processing, the processing of step A4 and step A5 may be omitted, and the processing may proceed immediately from step A3 to step A6. Alternatively, if it takes time to calculate Ψ 2 −1 v l (k + 1) in step A7, the processing of step A6 and step A7 may be omitted, and the process may proceed immediately from step A4 to step A8.

第二実施形態の乱数系列生成装置1の入力は確率分布の集合{p_(Xt|X1 t-1)}t=1 nと行列Φであり、出力はxnである。記憶部14には入力とGF(q)の計算に必要な情報qの他に、ΦからΨ2 -1を求めて記録しておくことができる。(xT(s,k),vs(k))はkとともにΦを用いて更新される。 The input of the random number sequence generation device 1 of the second embodiment is a set of probability distributions {p_ (X t | X 1 t−1 )} t = 1 n and a matrix Φ, and the output is x n . In addition to the input q and information q necessary for calculating GF (q), Ψ 2 −1 can be obtained from Φ and recorded in the storage unit 14. (x T (s, k) , v s (k)) is updated with Φ using k.

[乱数系列生成装置及び方法の第三実施形態]
乱数系列生成装置及び方法の第三実施形態は、pX nが条件付き確率分布のときの乱数系列生成装置及び方法である。以下では、乱数系列生成装置及び方法の第一実施形態と異なる部分を中心に説明し、乱数系列生成装置及び方法の第一実施形態と同様の部分については重複説明を省略する。
[Third embodiment of random number sequence generation apparatus and method]
The third embodiment of the random number sequence generation device and method is a random number sequence generation device and method when p X n is a conditional probability distribution. Below, it demonstrates centering on a different part from 1st embodiment of a random number sequence generation apparatus and method, and it abbreviate | omits duplication description about the part similar to 1st embodiment of a random number sequence generation apparatus and method.

条件付き確率分布p_(Xn|Un)が与えられたとき、制約条件を満たし、 Given a conditional probability distribution p_ (X n | U n ), it satisfies the constraints,

Figure 0005713986
Figure 0005713986

に従う乱数を生成するときには、 When generating random numbers according to

Figure 0005713986
Figure 0005713986

と置き換えて乱数系列生成装置の具体処理を実行する。すなわち、例えば(a5)は、次式のようになる。 And the specific process of the random number sequence generation device is executed. That is, for example, (a5) is expressed by the following equation.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

第三実施形態の乱数系列生成装置1の入力は確率分布の集合{p_(Xt|X1 t-1Un)}t=1 n、関数の集合Φ,vl,unであり、出力はxnである。 The input of the random number sequence generation device 1 of the third embodiment is a set of probability distributions {p_ (X t | X 1 t−1 U n )} t = 1 n , a set of functions Φ, v l , u n , The output is xn .

記憶部14には入力の他に   In addition to input, the storage unit 14

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を計算するために必要な情報を保持しておき、確率分布の計算に利用する。 The information necessary for calculating is stored and used for calculating the probability distribution.

なお、上記同様にして、乱数系列生成装置及び方法の第二実施形態においてもpX nが条件付き確率分布であってもよい。 Similarly to the above, p X n may be a conditional probability distribution also in the second embodiment of the random number sequence generation device and method.

[歪みを許す情報圧縮に関する実施形態についての注意]
歪みを許す情報圧縮に関する実施形態である[歪みを許す情報圧縮についての符号化装置及び方法並びに復号装置及び方法に関する実施形態]の説明の前に、この[歪みを許す情報圧縮についての符号化装置及び方法並びに復号装置及び方法に関する実施形態]についての注意を述べる。
[Notes on embodiments regarding information compression that allows distortion]
Before describing [Embodiment relating to information compression allowing distortion and embodiment relating to information compression and decoding apparatus and method] which is an embodiment relating to information compression allowing distortion, [Encoding apparatus relating to information compression allowing distortion] And embodiment of the decoding apparatus and method].

歪みを許す情報圧縮とは、情報源の出力と復号装置の出力の不一致を許す場合の情報圧縮のことである。   Information compression that allows distortion is information compression in the case where mismatch between the output of the information source and the output of the decoding device is allowed.

以下では、対数の底を例えば2等などに統一する。
A,Bは一般には関数を表し、A(xn)、B(xn)はそれぞれ関数A、Bのベクトルxnにおける値を表す。関数A、Bの値域をそれぞれImA≡{A(xn):xn∈[Xn]}、ImB≡{B(xn):xn∈[Xn]}と記す。
In the following, the base of the logarithm is unified to 2 etc., for example.
A and B generally represent functions, and A (x n ) and B (x n ) represent values in the vector x n of the functions A and B, respectively. The ranges of the functions A and B are written as ImA≡ {A (x n ): x n ∈ [X n ]} and ImB≡ {B (x n ): x n ∈ [X n ]}, respectively.

以下の実施形態では[Xn]を定義域とする関数の集合[A],[B]を考える。そして、Im[A],Im[B]を次のようにする。 In the following embodiment, a set [A], [B] of functions having [X n ] as a domain is considered. Im [A] and Im [B] are set as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

[A],[B]は条件式を記述するためだけに使用し、符号化では関数A,Bをそれぞれ[A],[B]から1つずつ選ぶ。また、[Xn],ImA,ImB,Im[A],Im[B]が線形空間であってもなくてもよい。変数xnと関数A,Bによって定まるファクターグラフが疎な構造を持つ場合、特に関数A,Bが疎行列によって表現されている場合は、sum-productアルゴリズムによる近似性能を向上させることができる。さらに、復号の構成においても例えば参考文献2,3に記載されているsum-productアルゴリズムや例えば参考文献4,5に記載されている線形計画法を用いて乱数系列推定部における最尤復号を近似的に実現することができる。 [A] and [B] are used only for describing the conditional expression, and in the encoding, functions A and B are selected one by one from [A] and [B], respectively. [X n ], ImA, ImB, Im [A], and Im [B] may or may not be a linear space. When the factor graph determined by the variable x n and the functions A and B has a sparse structure, particularly when the functions A and B are expressed by a sparse matrix, the approximation performance by the sum-product algorithm can be improved. Further, in the decoding configuration, the maximum likelihood decoding in the random number sequence estimator is approximated by using, for example, the sum-product algorithm described in References 2 and 3 or the linear programming described in References 4 and 5, for example. Can be realized.

〔参考文献2〕S. M. Aji and R. J. McEliece, “The generalized distributive law,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 46, no. 2, pp. 325-343, Mar. 2000.
〔参考文献3〕F. R. Kschischang, B. J. Frey, and H. A. Loeliger, “Factor graphs and the sum-product algorithm,” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 47, no. 2, pp. 498-519, Feb. 2001.
〔参考文献4〕J. Feldman, M.J. Wainwright, and D.R. Karger, “Using linear programming to decode binary linear codes,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-51, no. 3, pp. 954-972, Mar. 2005.
〔参考文献5〕T. Wadayama, “An LP decoding algorithm based on primal path-following interior point method,” Proc.2009, Int. Symp. Inform. Theory, Seoul, Korea, pp. 389-393, 2009.
[Reference 2] SM Aji and RJ McEliece, “The generalized distributive law,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 46, no. 2, pp. 325-343, Mar. 2000.
[Reference 3] FR Kschischang, BJ Frey, and HA Loeliger, “Factor graphs and the sum-product algorithm,” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 47, no. 2, pp. 498-519, Feb. 2001.
[Reference 4] J. Feldman, MJ Wainwright, and DR Karger, “Using linear programming to decode binary linear codes,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-51, no. 3, pp. 954-972, Mar. 2005.
[Reference 5] T. Wadayama, “An LP decoding algorithm based on primal path-following interior point method,” Proc. 2009, Int. Symp. Inform. Theory, Seoul, Korea, pp. 389-393, 2009.

[Xn]が有限体GF(q)上のn次元ベクトル空間であり、符号化に用いる関数A,Bが有限体GF(q)の要素を値とする行列である場合は、[A]をm×n行列全体からなる集合、[B]をm’×n行列全体からなる集合とすることにより、 When [X n ] is an n-dimensional vector space over a finite field GF (q) and the functions A and B used for encoding are matrices whose elements are elements of the finite field GF (q), [A] Is a set consisting of the entire m × n matrix, and [B] is a set consisting of the entire m ′ × n matrix,

Figure 0005713986
Figure 0005713986

となるので、後に登場するlog|Im[A]|,log|Im[B]|に関する条件式をq,n,m,m’に関する条件式に変換することができる。そして、aはm次元のベクトル、bはm’次元のベクトルとなる。 Therefore, the conditional expression regarding log | Im [A] |, log | Im [B] | that appears later can be converted into the conditional expression regarding q, n, m, m ′. A is an m-dimensional vector and b is an m′-dimensional vector.

確率変数XnのエントロピーYnが与えられた時のXnの条件付きエントロピーを以下のように定義する。 The conditional entropy of X n when the entropy Y n random variables X n given are defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

制約条件を満たす乱数系列生成法を適用するとき、条件付き確率分布を用いて定まる制約条件を満たす乱数を必要とする場合は、[乱数系列生成装置及び方法の第一実施形態]から[乱数系列生成装置及び方法の第三実施形態]で説明した方法を適用すればよい。   When applying a random number sequence generation method that satisfies a constraint condition, if a random number that satisfies a constraint condition determined using a conditional probability distribution is required, [random number sequence generation apparatus and method first embodiment] to [random number sequence] The method described in the third embodiment of the generation apparatus and method may be applied.

関数が記録されているとは、関数を計算する手段が記録されていることを意味する。関数が線形性を持つ場合は、その係数を行列の形で記録しておけばよい。確率分布が記録されているとは、実現値の確率を計算する手段が記録されていることを意味する。関数を計算する手段及び実現値の確率を計算する手段は、後述のように例えばプログラムにより実装される。例えばGauss分布等のパラメトライズされた連続分布や定常無記憶性やマルコフ性を仮定すれば、少ない容量で確率を計算する手段を記録することができる。制約付き乱数生成アルゴリズムを利用する場合は、fk(xk)を計算するために必要な情報と置き換えることができる。 “Recorded function” means that a means for calculating the function is recorded. If the function has linearity, the coefficients should be recorded in the form of a matrix. The fact that the probability distribution is recorded means that means for calculating the probability of the actual value is recorded. The means for calculating the function and the means for calculating the probability of the actual value are implemented by, for example, a program as will be described later. For example, if a parametrized continuous distribution such as a Gaussian distribution, a steady memorylessness, or a Markov property is assumed, a means for calculating a probability with a small capacity can be recorded. When a constrained random number generation algorithm is used, it can be replaced with information necessary for calculating f k (x k ).

以下、歪みを許す情報圧縮に関する実施形態におけるデータの大まかな流れを説明する。   In the following, a general flow of data in an embodiment relating to information compression that allows distortion will be described.

情報源の出力yn≡(y1,y2,…,yn)は集合[Yn]の要素であり、情報源からはynが出力されている。ここで扱う圧縮はブロック符号であり、ynを1つのブロックとして符号化を行う。集合[Yn]は、有限集合とは限らないとする。 The output y n ≡ (y 1 , y 2 ,..., Y n ) of the information source is an element of the set [Y n ], and y n is output from the information source. The compression handled here is a block code, and encoding is performed with y n as one block. Assume that the set [Y n ] is not necessarily a finite set.

所定の共有情報であるaは集合Im[A]の要素であり、Aがm×n行列である場合はaはm次元のベクトルとなる。符号化装置は情報源出力ynとaから圧縮されたデータである符号語bを求め、誤りのない通信路を用いて送信、あるいはメモリ等に保存する。ここで、bはIm[B]の要素であり、Bがm’×n行列である場合はm’次元のベクトルとなる。なお、符号化の途中で計算されるxnは有限集合[Xn]の要素である。 The predetermined shared information a is an element of the set Im [A], and when A is an m × n matrix, a is an m-dimensional vector. Encoding apparatus obtains the code word b is data compressed from a source output y n and a, are stored in a transmission using a communication path with no error, or a memory or the like. Here, b is an element of Im [B], and when B is an m ′ × n matrix, it is an m′-dimensional vector. Note that xn calculated in the middle of encoding is an element of a finite set [ Xn ].

復号装置はbとaからξnを求める。ここで、ξnは有限集合[Xn]の要素である。ただし、復号装置が補助情報の出力unを観測する場合は、復号装置はbとaとunからwnを求める。unは[Un]の要素であり、ξnは[Xn]の要素であり、wnは[Wn]の要素である。un及びwnは、有限集合とは限らないとする。 The decoding apparatus obtains ξ n from b and a. Here, ξ n is an element of the finite set [X n ]. However, if the decoding apparatus observes the output u n of the auxiliary information, the decoding apparatus obtains the w n from b and a and u n. u n is an element of [U n ], ξ n is an element of [X n ], and w n is an element of [W n ]. It is assumed that u n and w n are not necessarily finite sets.

[歪みを許す情報圧縮についての符号化装置及び方法並びに復号装置及び方法に関する実施形態]
<復号装置がunを観測しない場合>
以下では、図4を参照して、復号装置200が情報源の出力ynと相関のある情報源の出力unを観測しない場合の構成を述べる。
[Embodiment relating to encoding apparatus and method and decoding apparatus and method for information compression allowing distortion]
<When decoding device does not observe u n>
Hereinafter, with reference to FIG. 4, a configuration in the case where the decoding apparatus 200 does not observe the output u n of the information source correlated with the output y n of the information source will be described.

図4に示すように、符号化装置100は、乱数系列生成装置1、記憶部101及び圧縮部103を例えば備える。復号装置200は、記憶部201及び乱数系列推定部202を例えば備える。   As illustrated in FIG. 4, the encoding device 100 includes, for example, a random number sequence generation device 1, a storage unit 101, and a compression unit 103. The decoding device 200 includes a storage unit 201 and a random number sequence estimation unit 202, for example.

記憶部101には、関数A,Bと、所定の共有情報aと、確率分布pX n |Y nとが記録されている。乱数系列生成装置1及び圧縮部103は、必要に応じて記憶部101からこれらの記録されている情報を読み込み後述する処理を行う。 In the storage unit 101, functions A and B, predetermined shared information a, and probability distribution p X n | Y n are recorded. The random number sequence generation device 1 and the compression unit 103 read these recorded information from the storage unit 101 as necessary, and perform processing described later.

記憶部201には、関数A,Bと、所定の共有情報aと、確率分布pX nとが記録されている。乱数系列推定部202は、必要に応じて記憶部201からこれらの記録されている情報を読み込み後述する処理を行う。 In the storage unit 201, functions A and B, predetermined shared information a, and probability distribution p X n are recorded. The random number sequence estimation unit 202 reads the recorded information from the storage unit 201 as necessary, and performs processing described later.

ここで、[A],[B]は、以下の関係を満たすように設定しておく。   Here, [A] and [B] are set so as to satisfy the following relationship.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

xn∈[Xn],yn∈[Yn]とする。歪み尺度をdn:[Xn]×[Yn]→[0,∞)とする。情報源を特徴づける確率分布をpY nとする。条件付き確率分布pX n |Y nは設計パラメータであり任意に与えることができるが、(H(Xn)-H(Xn|Yn))と以下に定義される平均歪みEX n Y n[dn(xn,yn)]が小さいパラメータを選択する。 Let x n ∈ [X n ], y n ∈ [Y n ]. Let the distortion scale be d n : [X n ] × [Y n ] → [0, ∞). Let p Y n be the probability distribution that characterizes the information source. The conditional probability distribution p X n | Y n is a design parameter and can be given arbitrarily, but (H (X n ) -H (X n | Y n )) and the mean strain E X n defined below Select a parameter with a small Y n [d n (x n , y n )].

Figure 0005713986
Figure 0005713986

また、pX n(xn)を以下のように定義する。 Further, p X n (x n ) is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

符号化装置100の乱数系列生成装置1に情報源の出力ynが入力される。 The output y n of the information source is input to the random number sequence generation device 1 of the encoding device 100.

乱数系列生成装置1は、情報源の出力ynと所定の共有情報a∈Im[A]に対して、以下の確率分布μに従う乱数の系列xnを発生させる(ステップCe1,図6)。乱数の系列xnは、圧縮部103に送信される。 The random number sequence generation device 1 generates a random number sequence x n according to the following probability distribution μ for the output y n of the information source and the predetermined shared information aεIm [A] (step Ce1, FIG. 6). The random number sequence x n is transmitted to the compression unit 103.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

乱数系列生成装置1は、[乱数系列生成装置及び方法の第三実施形態]で説明した方法を適用することにより、乱数の系列xnを生成することができる。ここで、ステップCe1において、確率分布μに従う乱数の系列を複数個発生させた中から一つ選択したものをxnとしてもよい。 The random number sequence generation device 1 can generate the random number sequence x n by applying the method described in [Third embodiment of the random number sequence generation device and method]. Here, in step Ce1, one selected from a plurality of random number sequences generated according to the probability distribution μ may be selected as x n .

圧縮部103は、乱数の系列xn及び所定の第二関数Bを用いて符号語bを生成する(ステップCe3)。圧縮部103は、具体的には、b≡B(xn)を符号語として出力する。すなわち、B(xn)を計算してその計算結果を符号語bとする。 The compression unit 103 generates a codeword b using the random number sequence xn and the predetermined second function B (step Ce3). Specifically, the compression unit 103 outputs b≡B (x n ) as a code word. That is, B (x n ) is calculated and the calculation result is set as a code word b.

符号化装置100の出力である符号語bは、復号装置200の乱数系列推定部202に入力される。   The codeword b, which is the output of the encoding device 100, is input to the random number sequence estimation unit 202 of the decoding device 200.

乱数系列推定部202は、符号語bと所定の共有情報aから、次式により定義される、xnの推定値ξnを求める(ステップCd1,図7)。 ここで、(c1)を求める代わりに、例えば参考文献2,3に記載されているsum-productアルゴリズムや例えば参考文献4,5に記載されている線形計画法を用いてξnを近似的に求めてもよい。 The random number sequence estimation unit 202 obtains an estimated value ξ n of x n defined by the following equation from the code word b and the predetermined shared information a (step Cd1, FIG. 7). Here, instead of obtaining (c1), ξ n is approximated using, for example, the sum-product algorithm described in References 2 and 3 or the linear programming described in References 4 and 5, for example. You may ask for it.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

以下、具体的な例を記述する。関数Aをm×n行列、関数Bをm’×n行列として、以下のように表記する。   A specific example is described below. The function A is expressed as an m × n matrix and the function B is expressed as an m ′ × n matrix as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで行列A,Bがフルランクであることを仮定する。m次元ベクトルaを以下のように表記する。 Here, it is assumed that the matrices A and B are full rank. The m-dimensional vector a is expressed as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

関数Φを以下のようにm×n行列とし、l≡mとしてベクトルvlを以下のようにする。 Let the function Φ be an m × n matrix, and let l≡m be a vector v l as follows:

Figure 0005713986
Figure 0005713986

Φは行列Aと同じであり、vlはベクトルaと同じである。圧縮したい系列ynに対して、Un≡Yn,un≡ynとおいて、符号化装置100は[乱数系列生成装置及び方法の第三実施形態]で説明した方法により分布μで発生させた乱数xn Φ is the same as the matrix A, and v l is the same as the vector a. For the sequence y n to be compressed, U n ≡Y n , u n ≡y n , the encoding apparatus 100 generates the distribution μ by the method described in [third embodiment of random number sequence generation apparatus and method]. Random number x n

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を求め、以下のm’次元のベクトルbを圧縮後の系列である符号語bとする。 And the following m′-dimensional vector b is defined as a codeword b which is a sequence after compression.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、条件式Φ(θn)=vlは、以下のようになる。 Here, the conditional expression Φ (θ n ) = v l is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

復号装置100は圧縮系列である符号語bから(c1)によってxnの推定値ξnを求める。 The decoding apparatus 100 obtains an estimated value ξ n of x n from (c1) from the code word b which is a compressed sequence.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、条件式A(θn)=aは、以下のようになる。 Here, the conditional expression A (θ n ) = a is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

また、条件式B(θn)=bは、以下のようになる。 Conditional expression B (θ n ) = b is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

以下、他の具体的な例を記述する。   Other specific examples will be described below.

q=2,n=7として、[Xn]≡GF(2)7,[Yn]≡GF(2)7とする。dn(xn,yn)を次のように定める。 Assume that q = 2, n = 7, and [X n ] ≡GF (2) 7 and [Y n ] ≡GF (2) 7 . d n (x n , y n ) is determined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

情報源の確率分布を次のように仮定する。   Assume the probability distribution of the information source as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、ηは0以上1以下の実数である。条件付き確率分布を次のように定める。   Here, η is a real number between 0 and 1. A conditional probability distribution is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、ζ01は0以上1以下の実数である。このとき、以下の式が満たされる。 Here, ζ 0 and ζ 1 are real numbers from 0 to 1. At this time, the following expression is satisfied.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

確率分布p_(Xt|X1 t-1Yn)は以下で与えられる。 The probability distribution p_ (X t | X 1 t−1 Y n ) is given by

Figure 0005713986
Figure 0005713986

確率分布pX nは以下のようなる。 The probability distribution p X n is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

η=3/7,ζ0=1/7,ζ1=5/7とすると、次のようになる。 When η = 3/7, ζ 0 = 1/7, ζ 1 = 5/7, the following results.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

関数A,Bを行列として、列数をそれぞれm=4,m’=2とすると、以下の式を満たしている。ここで、対数の底を2とした。   Assuming that functions A and B are matrices and the number of columns is m = 4 and m ′ = 2, the following equations are satisfied. Here, the base of the logarithm is 2.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

4×7行列A、2×7行列Bを以下のように定める。   A 4 × 7 matrix A and a 2 × 7 matrix B are defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

4次元ベクトルaを以下のように設定する。   A four-dimensional vector a is set as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

これから圧縮対象となる以下の7次元のベクトルynを符号化する。 From now, the following 7-dimensional vector y n to be compressed is encoded.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

Φ=Aとする。すなわち、Φは以下のように設定されているとする。   Let Φ = A. That is, Φ is set as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

また、l≡m=4としてベクトルvl=aとする。すなわち、vlは以下のように設定されているとする。 Also, let l≡m = 4 and let the vector v l = a. That is, it is assumed that vl is set as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

[乱数系列生成装置及び方法の第二実施形態]に従って乱数を発生するにあたり、Ψ12を次のように定める。 In generating random numbers according to [Second Embodiment of Random Number Sequence Generating Apparatus and Method], Ψ 1 and Ψ 2 are determined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

Ψ2は正則行列であるので、逆行列Ψ2 -1は以下のようになる。 Since Ψ 2 is a regular matrix, the inverse matrix Ψ 2 −1 is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、[乱数系列生成装置及び方法の第二実施形態]の具体処理を行う。   Here, the specific processing of [second embodiment of random number sequence generation apparatus and method] is performed.

1. Step A1において、k=1に設定する。vs(1)は次のようになる。 1. In Step A1, set k = 1. v s (1) is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

2. Step A2 においてT(s,1),χ(xT(s,1),vs(1))は次のようになる。 2. In Step A2, T (s, 1), χ (x T (s, 1) , v s (1)) is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

関数   function

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を計算することにより、 By calculating

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を得る。なお、この例ではsum-product法は使用していない。 Get. In this example, the sum-product method is not used.

3. Step A3 において確率分布   3. Probability distribution in Step A3

Figure 0005713986
Figure 0005713986

で乱数0又は1を発生させる。以下、0を発生させたと仮定し、x1=0とする。 Generate a random number 0 or 1. Hereinafter, it is assumed that 0 is generated, and x 1 = 0.

4. k=2とする。vs(2)は次のようになる。 4. Set k = 2. v s (2) is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

そして、Step A2に戻る。   Then, return to Step A2.

5. Step A2 においてT(s,2),χ(xT(s,2),vs(2))は次のようになる。 5. In Step A2, T (s, 2), χ (x T (s, 2) , v s (2)) is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

関数   function

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を計算することにより、 By calculating

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を得る。なお、この例ではsum-product法は使用していない。 Get. In this example, the sum-product method is not used.

6. Step A3において確率分布   6. Probability distribution in Step A3

Figure 0005713986
Figure 0005713986

で乱数0又は1を発生させる。以下、1を発生させたと仮定し、x2=1とする。 Generate a random number 0 or 1. Hereinafter, it is assumed that 1 is generated, and x 2 = 1.

7. Step A4においてk=3とする。vs(3)は次のようになる。 7. Set k = 3 in Step A4. v s (3) is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

そして、Step A2に戻る。   Then, return to Step A2.

8. Step A2 においてT(s,3),χ(xT(s,3),vs(3))は次のようになる。 8. In Step A2, T (s, 3), χ (x T (s, 3) , v s (3)) is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

関数   function

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を計算することにより、 By calculating

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を得る。なお、この例ではsum-product法は使用していない。 Get. In this example, the sum-product method is not used.

9. Step A3において確率分布   9. Probability distribution in Step A3

Figure 0005713986
Figure 0005713986

で乱数0又は1を発生させる。以下、0を発生させたと仮定し、x3=0とする。 Generate a random number 0 or 1. Hereinafter, it is assumed that 0 is generated, and x 3 = 0.

10. ここで、vs(4)は次のようになる。 10. Here, v s (4) is as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、(x4,x5,x6,x7)を求めると、以下のようになる。 Here, (x 4 , x 5 , x 6 , x 7 ) is obtained as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

乱数発生装置はxn=(0,1,0,0,0,1,0)を出力して終了する。 The random number generator outputs x n = (0,1,0,0,0,1,0) and ends.

符号化装置は乱数発生装置の出力xn=(0,1,0,0,0,1,0)から符号語bを得る。 The encoding device obtains the code word b from the output x n = (0,1,0,0,0,1,0) of the random number generator.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

符号語b=(1,0)を受信した復号装置は最初にxnの推定値 The decoding apparatus that receives the codeword b = (1,0) first estimates x n

Figure 0005713986
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を求めた結果、xnの推定値 Result in an estimate of x n

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を得る。
なお、圧縮部103では関数Bを用いる代わりに、算術符号を用いる参考文献6に記載された方法を利用して可変長符号を構成してもよい。具体的には、制約条件を満たす乱数系列生成アルゴリズムのステップA3において、発生させたxk
Get.
Note that, in the compression unit 103, instead of using the function B, a variable length code may be configured by using the method described in Reference 6 using an arithmetic code. Specifically, in step A3 constraints satisfying the random number sequence generation algorithm, the caused x k

Figure 0005713986
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の理想符号長が割り当てられるような算術符号による符号語を求めて、アルゴリズムが終了した時点で求めた符号語を出力する。復号装置は、符号化装置が用いた算術符号の符号化装置と対応する復号装置を用いて復号する。ここで、(c2)は、sum-productアルゴリズムを用いて計算することができる。なお、乱数の系列xnを発生させるために使用する確率分布はpX n |Y nであり、符号語を得るために用いる確率分布はpX nであることを注意しておく。復号装置は、(c2)を順次求め、符号語から(c2)の理想符号長を持つxkを求めることにより、xnを誤り無く再生できる。アルゴリズムがk<nで停止した場合には、(x1,…,xk)よりA(xn)= aを満たす残りの変数(xk+1,…,xn)が唯一定まるので、(xk+1,…,xn)と対応する符号語は必要無いことを注意しておく。提案法と参考文献6に記載された方法の違いは、参考文献6に記載された方法では歪んだ系列をsum-product法や線形計画法を用いて求めてから算術符号アルゴリズムを適用するのに対して、提案法ではランダムに発生させた乱数xnに対して算術符号アルゴリズムを適用する点にある。
〔参考文献6〕J. Honda and H. Yamamoto, “Variable length lossy coding using LDPC code,” Proc. 2009 Int. Symp. Inform. Theory, Seoul, Korea, pp. 1973-1977.
A code word based on an arithmetic code that can be assigned the ideal code length is obtained, and the code word obtained when the algorithm is completed is output. The decoding device performs decoding using a decoding device corresponding to the arithmetic device of the arithmetic code used by the encoding device. Here, (c2) can be calculated using a sum-product algorithm. Note that the probability distribution used to generate the random number sequence x n is p X n | Y n , and the probability distribution used to obtain the codeword is p X n . Decoding apparatus, (c2) sequentially sought by obtaining x k with ideal code length from the code word (c2), the x n can be reproduced without error. When the algorithm stops at k <n, the remaining variables (x k + 1 , ..., x n ) satisfying A (x n ) = a are determined from (x 1 , ..., x k ). Note that the codeword corresponding to (x k + 1 ,..., x n ) is not necessary. The difference between the proposed method and the method described in Reference 6 is that the method described in Reference 6 uses a sum-product method or linear programming to obtain a distorted sequence and then applies an arithmetic coding algorithm. On the other hand, in the proposed method, an arithmetic code algorithm is applied to a randomly generated random number xn .
[Reference 6] J. Honda and H. Yamamoto, “Variable length lossy coding using LDPC code,” Proc. 2009 Int. Symp. Inform. Theory, Seoul, Korea, pp. 1973-1977.

この場合、記憶部101には、関数Aと、所定の共有情報aと、確率分布pX n |y n,pX n |y nとが記録されている。乱数系列生成装置1及び圧縮部103は、必要に応じて記憶部101からこれらの記録されている情報を読み込み後述する処理を行う。符号化装置100の入力はynであり、符号化装置100の出力はbである。 In this case, the storage unit 101 stores a function A, predetermined shared information a, and probability distributions p X n | y n and p X n | y n . The random number sequence generation device 1 and the compression unit 103 read these recorded information from the storage unit 101 as necessary, and perform processing described later. The input of the encoding device 100 is y n and the output of the encoding device 100 is b.

記憶部201には、関数Bと、所定の共有情報aと、確率分布pX nとが記録されている。乱数系列推定部202は、必要に応じて記憶部201からこれらの記録されている情報を読み込み後述する処理を行う。復号装置200の入力はbであり、復号装置200の出力はξnである。 In the storage unit 201, a function B, predetermined shared information a, and a probability distribution p X n are recorded. The random number sequence estimation unit 202 reads the recorded information from the storage unit 201 as necessary, and performs processing described later. The input of the decoding device 200 is b, and the output of the decoding device 200 is ξ n .

<復号装置がunを観測する場合>
以下では、復号装置200が情報源の出力ynと相関のある情報源の出力unを観測できる場合の構成を述べる。
<When decoding apparatus observes u n>
Hereinafter, a configuration in which the decoding apparatus 200 can observe the output u n of the information source correlated with the output y n of the information source will be described.

図4に示すように、符号化装置100は、乱数系列生成装置1、記憶部101及び圧縮部103を例えば備える。復号装置200は、記憶部201、乱数系列推定部202及び変換フィルタ部204を例えば備える。   As illustrated in FIG. 4, the encoding device 100 includes, for example, a random number sequence generation device 1, a storage unit 101, and a compression unit 103. The decoding device 200 includes, for example, a storage unit 201, a random number sequence estimation unit 202, and a conversion filter unit 204.

記憶部101には、関数A,Bと、所定の共有情報aと、確率分布pX n |Y nとが記録されている。乱数系列生成装置1及び圧縮部103は、必要に応じて記憶部101からこれらの記録されている情報を読み込み後述する処理を行う。 In the storage unit 101, functions A and B, predetermined shared information a, and probability distribution p X n | Y n are recorded. The random number sequence generation device 1 and the compression unit 103 read these recorded information from the storage unit 101 as necessary, and perform processing described later.

記憶部201には、関数A,Bと、所定の共有情報aと、確率分布pX n |U n,pW n |X n U nとが記録されている。乱数系列推定部202及び変換フィルタ部204は、必要に応じて記憶部201からこれらの記録されている情報を読み込み後述する処理を行う。 In the storage unit 201, functions A and B, predetermined shared information a, and probability distributions p X n | U n and p W n | X n U n are recorded. The random number sequence estimation unit 202 and the conversion filter unit 204 read the recorded information from the storage unit 201 as necessary, and perform processing described later.

ここで、[A],[B]は、以下の関係を満たすように設定しておく。   Here, [A] and [B] are set so as to satisfy the following relationship.

Figure 0005713986
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un∈[Un],wn∈[Wn],xn∈[Xn],yn∈[Yn]とする。歪み尺度をdn:[Wn]×[Yn]→[0,∞)とする。情報源を特徴づける確率分布をpY n U nとする。条件付き確率分布pX n |Y n,pW n |X n U nは設計パラメータであり任意に与えることができるが、(H(Xn|Un)-H(Xn|Yn))と以下に定義される平均歪みEW n Y n[dn(wn,yn)]が小さいパラメータを選択する。 Let u n ∈ [U n ], w n ∈ [W n ], x n ∈ [X n ], y n ∈ [Y n ]. Let the distortion scale be d n : [W n ] × [Y n ] → [0, ∞). Let p Y n U n be the probability distribution that characterizes the information source. The conditional probability distribution p X n | Y n , p W n | X n U n is a design parameter and can be given arbitrarily, but (H (X n | U n ) -H (X n | Y n ) ) And the average distortion E W n Y n [d n (w n , y n )] defined below are selected.

Figure 0005713986
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また、pX n |U n(xn|un)を以下のように定義する。 Further, p X n | U n (x n | u n ) is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

符号化装置100の乱数系列生成装置1に情報源の出力ynが入力される。 The output y n of the information source is input to the random number sequence generation device 1 of the encoding device 100.

乱数系列生成装置1は、情報源の出力ynと所定の共有情報a∈Im[A]に対して、以下の確率分布μに従う乱数の系列xnを発生させる(ステップCe1,図6)。乱数の系列xnは、圧縮部103に送信される。 The random number sequence generation device 1 generates a random number sequence x n according to the following probability distribution μ for the output y n of the information source and the predetermined shared information aεIm [A] (step Ce1, FIG. 6). The random number sequence x n is transmitted to the compression unit 103.

Figure 0005713986
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乱数系列生成装置1は、[乱数系列生成装置及び方法の第三実施形態]で説明した方法を適用することにより、乱数の系列xnを生成することができる。ここで、ステップCe1において、確率分布μに従う乱数の系列を複数個発生させた中から一つ選択したものをxnとしてもよい。 The random number sequence generation device 1 can generate the random number sequence x n by applying the method described in [Third embodiment of the random number sequence generation device and method]. Here, in step Ce1, one selected from a plurality of random number sequences generated according to the probability distribution μ may be selected as x n .

圧縮部103は、乱数の系列xn及び所定の第二関数Bを用いて符号語bを生成する(ステップCe3)。圧縮部103は、具体的には、b≡B(xn)を符号語として出力する。すなわち、B(xn)を計算してその計算結果を符号語bとする。 The compression unit 103 generates a codeword b using the random number sequence xn and the predetermined second function B (step Ce3). Specifically, the compression unit 103 outputs b≡B (x n ) as a code word. That is, B (x n ) is calculated and the calculation result is set as a code word b.

符号化装置100の出力である符号語bは、復号装置200の乱数系列推定部202に入力される。   The codeword b, which is the output of the encoding device 100, is input to the random number sequence estimation unit 202 of the decoding device 200.

乱数系列推定部202は、符号語bと、情報源の出力unと、所定の共有情報aとから、次式により定義される、xnの推定値ξnを求める(ステップCd1,図7)。ξnは、変換フィルタ部204に送信される。 The random number sequence estimation unit 202 obtains an estimated value ξ n of x n defined by the following equation from the code word b, the output u n of the information source, and the predetermined shared information a (step Cd1, FIG. 7). ). ξ n is transmitted to the conversion filter unit 204.

Figure 0005713986
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なお、上記式によりξnを求める代わりに、例えば参考文献2,3に記載されているsum-productアルゴリズムや例えば参考文献4,5に記載されている線形計画法を用いてξnを近似的に求めてもよい。 Instead of obtaining ξ n by the above formula, ξ n is approximated using, for example, the sum-product algorithm described in References 2 and 3 or the linear programming described in References 4 and 5, for example. You may ask for.

変換フィルタ部204は、分布pW n |X n U nに従う、ランダム又は決定的な変換Fを通して得られた系列wn≡F(ξn,un)を復号装置200の出力とする。 Conversion filter 204, the distribution p W n | follow X n U n, an output of the decoding device 200 the random or deterministic sequence obtained through conversion F w n ≡F (ξ n, u n).

参考文献7に記載されている従来技術による従来技術では、ブロック長nが大きくなると計算時間が指数関数的に増加する可能性があった。   In the prior art according to the prior art described in Reference 7, the calculation time may increase exponentially as the block length n increases.

〔参考文献7〕J. Muramatsu and S. Miyake, “Hash property and coding theorems for sparse matrices and maximal-likelihood coding,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-56, no. 5, pp. 2143-2167, May 2010.   [Reference 7] J. Muramatsu and S. Miyake, “Hash property and coding theorems for sparse matrices and maximal-likelihood coding,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-56, no. 5, pp. 2143- 2167, May 2010.

これに対して、[歪みを許す情報圧縮についての符号化装置及び方法並びに復号装置及び方法に関する実施形態]における乱数の系列の生成において、例えば、ステップA2でsum-product アルゴリズムを適用してO(n)で実行することを仮定し、ステップA6及びステップA7の計算時間はO(n2)であることを仮定すれば、符号化及び復号のそれぞれの計算時間はO(n2)となる。このように、乱数の系列の生成を多項式時間で行うことにより、符号化及び復号のそれぞれを多項式時間で行うことができる。 On the other hand, in the generation of the random number sequence in [Embodiment relating to encoding apparatus and method and information decoding apparatus and method for information compression allowing distortion], for example, in step A2, a sum-product algorithm is applied to generate O ( If it is assumed that the calculation time is executed in step n) and the calculation time of step A6 and step A7 is O (n 2 ), the calculation time of encoding and decoding is O (n 2 ). Thus, by generating a sequence of random numbers in polynomial time, each of encoding and decoding can be performed in polynomial time.

以下、[歪みを許す情報圧縮についての符号化装置及び方法並びに復号装置及び方法に関する実施形態]による歪みを許す情報圧縮の誤り確率が0に収束することを証明する。以下の証明において、[1]から[5]は以下の文献を示す。   In the following, it will be proved that the error probability of information compression allowing distortion according to [Embodiment relating to encoding apparatus and method and decoding apparatus and method for information compression allowing distortion] converges to zero. In the following proof, [1] to [5] indicate the following documents.

[1] T. M. Cover and J. A. Thomas, “Elements of Information Theory 2nd. Ed.,” John Wiley & Sons, Inc., 2006.
[2] J. L. Carter and M. N. Wegman, “Universal classes of hash functions,” J. Comput. Syst. Sci., vol. 18, pp. 143-154, 1979.
[3] J. Muramatsu and S. Miyake, “Hash property and coding theorems for sparse matrices and maximal-likelihood coding,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-56, no. 5, pp. 2143{2167, May 2010. Corrections: vol.IT-56, no.9, p. 4762, Sep. 2010.
[4] J. Muramatsu and S. Miyake, “Construction of Slepian-Wolf source code and broadcast channel code based on hash property,” available at arXiv:1006.5271[cs.IT], 2010.
[5] J. Muramatsu and S. Miyake, “Construction of strongly secure wiretap channel code based on hash property,” Proc. of 2011 IEEE Int. Symp. Inform. Theory, St. Petersburg, Russia, Jul. 31-Aug. 5, 2011, pp.612-616.
[1] TM Cover and JA Thomas, “Elements of Information Theory 2nd. Ed.,” John Wiley & Sons, Inc., 2006.
[2] JL Carter and MN Wegman, “Universal classes of hash functions,” J. Comput. Syst. Sci., Vol. 18, pp. 143-154, 1979.
[3] J. Muramatsu and S. Miyake, “Hash property and coding theorems for sparse matrices and maximal-likelihood coding,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-56, no. 5, pp. 2143 {2167, May 2010. Corrections: vol.IT-56, no.9, p. 4762, Sep. 2010.
[4] J. Muramatsu and S. Miyake, “Construction of Slepian-Wolf source code and broadcast channel code based on hash property,” available at arXiv: 1006.5271 [cs.IT], 2010.
[5] J. Muramatsu and S. Miyake, “Construction of strongly secure wiretap channel code based on hash property,” Proc. Of 2011 IEEE Int. Symp. Inform. Theory, St. Petersburg, Russia, Jul. 31-Aug. 5, 2011, pp.612-616.

まず、ハッシュ性について説明する。   First, the hash property will be described.

1.1 定義と補題
φを空集合とする。[Un]を定義域とする関数の集合を[A]と記す。ImA,Im[A]を次のように定義する。
1.1 Definition and Lemma Let φ be an empty set. A set of functions whose domain is [U n ] is denoted as [A]. ImA and Im [A] are defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

集合CA(a),CAB(a,b)を次のように定義する。 The sets C A (a) and C AB (a, b) are defined as follows.

Figure 0005713986
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関数A∈[A]を値とする確率変数とa∈ImAを、それぞれAs,asと記す。なお、数式においては、As,asを、それぞれサンセリフ書体のA,aを用いて表すこともある。   A random variable having a function A∈ [A] and a∈ImA are written as As and as, respectively. In formulas, As and as may be expressed using A and a in the sans serif font, respectively.

ただし、n次元ベクトルun∈[Un]を値とする確率変数はUnと記すことに注意。 Note that a random variable whose value is an n-dimensional vector u n ∈ [U n ] is written as U n .

定義1. [An]を関数An:[Un]→Im[An]の集合として、集合の列{[An]}n=1 を考える。[An]上の確率変数をpAs,nをとり、系列{([An],pAs,n)}n=1 をアンサンブルと呼ぶ。{([An],pAs,n)}n=1 に対して{pAs,n}n=1 に依存した実数列{αAs(n)}n=1 ,{βAs(n)}n=1 が存在して、任意のnとun∈[Un]に対して Definition 1. [A n] the function A n: a set of [U n] → Im [A n], consider the sequence {[A n]} n = 1 ∞ set. [A n] takes a p As, n random variables on the sequence {([A n], p As, n)} n = 1 ∞ is called ensemble. {([A n ], p As, n )} n = 1 for {p As, n } n = 1 real sequence {α As (n)} n = 1 , {β As (n)} n = 1 , and for any n and u n ∈ [U n ]

Figure 0005713986
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及び as well as

Figure 0005713986
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を満たすとき、{([An],pAs,n)}n=1 は{αAs(n),βAs(n)}n=1 -ハッシュ性を持つという。以後、[A],pAsAsAsはnに依存しているが、nが動かないときはこれを省略する。 {([A n ], p As, n )} n = 1 satisfies {α As (n), β As (n)} n = 1 -hash. Thereafter, [A], p As , α As , and β As depend on n, but are omitted when n does not move.

例えば、[A]が2-ユニヴァーサルハッシュ性[2]を持ち、pAsを[A]上の一様分布とするとき、{([An],pAs,n)}n=1 は{(1,0)}n=1 -ハッシュ性を持つ。{(1,0)}n=1 は任意のnでαAs≡1,βAs≡0となる列である。線形写像(行列)のアンサンブルのハッシュ性については次節で説明する。 For example, when [A] has 2-universal hash [2] and p As is a uniform distribution on [A], {([A n ], p As, n )} n = 1 is {(1,0)} n = 1 -Hashes. {(1,0)} n = 1 ∞ is alpha As ≡1 in any n, a string to be β As ≡0. The hash of the ensemble of linear mapping (matrix) will be explained in the next section.

次の補題が成り立つ。   The following lemma holds.

補題1 ([4,Lemma 4]). {([An],pAs,n)}n=1 ,({([Bn],pBs,n)}n=1 ){αAs(n),βAs(n)}n=1 -ハッシュ性({αBs(n),βBs(n)}n=1 -ハッシュ性)を持つアンサンブルとする。関数(A,B)∈[A]×[B]を次のように定義する。 Lemma 1 ([4, Lemma 4]). {([A n ], p As, n )} n = 1 , ({([B n ], p Bs, n )} n = 1 ) {α As (n), β As (n)} n = 1 -An ensemble having hash properties ({α Bs (n), β Bs (n)} n = 1 -hash properties). The function (A, B) ∈ [A] × [B] is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

[A]×[B]上の確率分布pAsBsを次のように定義する。 The probability distribution p AsBs on [A] × [B] is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

AsBsAsBs)を次のように定義する。 AsBs , β AsBs ) is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

このとき、新たなアンサンブル([An]×[Bn],pAsBs,n)}n=1 は、{αAsBs(n),βAsBs(n)}n=1 -ハッシュ性を持つ。 At this time, the new ensemble ([A n ] × [B n ], p AsBs, n )} n = 1 becomes {α AsBs (n), β AsBs (n)} n = 1 -hash Have.

補題2 ([4,Lemma 1])。 ([A],pAs)が(H3)を満たすとき、任意のT,T’⊂[Un]に対して、以下の式が成立する。 Lemma 2 ([4, Lemma 1]). When ([A], p As ) satisfies (H3), the following expression holds for any T, T′⊂ [U n ].

Figure 0005713986
Figure 0005713986

補題3 ([3、Lemma 1])。 ([A],pA)が(H3')を満たすとき、任意のT⊂[Un],un∈[Un]に対して、以下の式が成立する。 Lemma 3 ([3, Lemma 1]). When ([A], p A ) satisfies (H3 ′), the following equation holds for any T ⊂ [U n ], u n ∈ [U n ].

Figure 0005713986
Figure 0005713986

補題4 ([5,Lemma 4])。 ([A],pAs) が(H3)を満たすとき、任意の関数Q:[Un]→[0,1)とT⊂[Un]に対して、以下の式が成立する。 Lemma 4 ([5, Lemma 4]). When ([A], p As ) satisfies (H3), the following equation holds for an arbitrary function Q: [U n ] → [0, 1) and T⊂ [U n ].

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、Q(T)は次のように定義される。   Here, Q (T) is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

1.2 線形写像からなるアンサンブルのハッシュ性
[Un]≡GF(q)n,[Ul]≡GF(q)lとする。[A]を線形写像A:[Un]→[Ul]の集合とする。Aはl×n行列で表現できる。
1.2 Hash properties of ensembles consisting of linear maps
Let [U n ] ≡GF (q) n and [U l ] ≡GF (q) l . Let [A] be a set of linear mapping A: [U n ] → [U l ]. A can be expressed as an l × n matrix.

t(un)をun∈[Un]のタイプ(unの相対頻度分布)とする。[H]をt(0n)を除く全ての長さnの系列のタイプからなる集合とする。l×n行列全体の集合上の確率分布pAsとタイプt∈[H]に対してS(pAs,t)を次のように定義する。 Let t (u n ) be the type of u n ∈ [U n ] (relative frequency distribution of u n ). Let [H] be a set consisting of all types of sequences of length n except t (0 n ). S (p As , t) is defined as follows for the probability distribution pAs and the type t∈ [H] on the set of the entire l × n matrix.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

集合[H’]⊂[H]を与えたときαAs(n),βAs(n)を次のように定義する。 When a set [H '] ⊂ [H] is given, α As (n) and β As (n) are defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、pはl×n行列全体からなる集合上の一様分布を表す。 Here, p 表 す represents a uniform distribution on the set of the entire l × n matrix.

補題5 ([4,Theorem 1]). ([A], pAs)を線形写像の集合として、pAs({A:Aun=0l})がt(un)のみに依存している(t(un)=t(vn)ならpAs({A:Aun=0l})=pAs({A:Avn=0l})とする。(B2),(B3)で定義された{αAs(n),βAs(n)}n=1 が(H1),(H2)を満たしているとき、{([An],pAs,n)}n=1 は{αAs(n),βAs(n)}n=1 -ハッシュ性を持つ。 Lemma 5 ([4, Theorem 1]). ([A], p As) as a set of linear mapping, p As ({A: Au n = 0 l}) depends only on t (u n) (t ( u n) = t (v n ), p As ({A: Au n = 0 l }) = p As ({A: Av n = 0 l }). {α As (n) defined in (B2) and (B3) , β As (n)} n = 1 satisfies (H1), (H2), {([A n ], p As, n )} n = 1 is {α As (n), β As (n)} n = 1 ∞ -has a hash property.

以下、U≡GF(q),0<R<1としてl≡nRとする。l×n行列Aを次の手続きにより生成する。
1. 行列の全ての成分を0で初期化する。
2. 各i∈{1,…,n}で以下の手続きをτ回繰り返す。
(a) (j,θ)∈{1,…,l}×[GF(q)\{0}]を一様に選択する。
(b) θをAの(j,i)-成分に(GF(q)の加法で)加える。
Hereinafter, U≡GF (q), 0 <R <1, and l≡nR. An l × n matrix A is generated by the following procedure.
1. Initialize all elements of the matrix with zeros.
2. Repeat the following procedure τ times for each i∈ {1, ..., n}.
(a) (j, θ) ∈ {1,..., l} × [GF (q) \ {0}] is uniformly selected.
(b) Add θ to the (j, i) -component of A (addition of GF (q)).

τ=O(log n)を偶数として、([A],pAs)を上記の手続きにより定まるものとする。[H’]⊂[H]を適切に定め、(αAsAs)を(B2),(B3)により定義する。このとき、このアンサンブルに対して{αAs(n),βAs(n)}n=1 が(H1)、(H2)を満たすことは[3, Theorem 2]で証明されている。したがって補題5 によりこのアンサンブルは{αAs(n),βAs(n)}n=1 -ハッシュ性を持つ。 It is assumed that τ = O (log n) is an even number and ([A], p As ) is determined by the above procedure. [H ′] ⊂ [H] is appropriately determined, and (α As , β As ) is defined by (B2) and (B3). At this time, it is proved by [3, Theorem 2] that {α As (n), β As (n)} n = 1 satisfies (H1) and (H2) for this ensemble. Therefore, according to Lemma 5, this ensemble has {α As (n), β As (n)} n = 1 -hash.

次に、歪みを許す情報圧縮の誤り確率が0に収束することを証明する。   Next, we prove that the error probability of information compression that allows distortion converges to zero.

情報源出力の集合[Yn]を無限集合、連続集合を含む任意の集合として、再生アルファベット[Xn]を有限集合とする。 A set [Y n ] of information source outputs is an infinite set, an arbitrary set including a continuous set, and a reproduction alphabet [X n ] is a finite set.

r,R>0を与えたとき、関数A:[Xn]→Im[A],B:[Xn]→Im[B]のアンサンブルを考える。ここで、圧縮されたデータの集合をIm[B]とする。 Given r, R> 0, consider an ensemble of functions A: [X n ] → Im [A], B: [X n ] → Im [B]. Here, the set of compressed data is Im [B].

以下では、関数A∈[A],B∈[B]とa∈Im[A]を固定し、これらが符号化装置と復号装置で利用できることを仮定する。   In the following, it is assumed that the functions A∈ [A], B∈ [B] and a∈Im [A] are fixed and can be used by the encoding device and the decoding device.

情報源の確率分布pY nと確率分布pX n |Y nを与えて、pX nを次のように定義する。 Given the probability distribution p Y n and probability distribution p X n | Y n of the information source, p X n is defined as follows.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

符号化装置を構成するために制約条件を満たす乱数発生装置を利用する。X~n≡X~A n(a|yn)を以下の分布に従う確率変数とする。 A random number generator that satisfies the constraint conditions is used to configure the encoding device. Let X ~ n ≡ X ~ A n (a | y n ) be a random variable that follows the following distribution.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

符号化装置Φn:[Yn]→Im[B]と復号装置ψn:Im[B]→[Xn]を次のように定義する。 The encoding device Φ n : [Y n ] → Im [B] and the decoding device ψ n : Im [B] → [X n ] are defined as follows.

Figure 0005713986
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ここでpX n |Y n(CA(a)|yn)=0のときは符号化エラーを宣言する。また、gABを次のように定義する。 Here, when p X n | Y n (C A (a) | y n ) = 0, an encoding error is declared. Also, g AB is defined as follows.

Figure 0005713986
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誤り確率Error(A,B,a,D)は次のように定義される。   The error probability Error (A, B, a, D) is defined as follows.

Figure 0005713986
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ここで、pX n |Y n(CA(a)|yn)=0のときはdnnn(yn)),yn)≡maxx n ,y ndn(xn,yn)と定義する。 Here, when p X n | Y n (C A (a) | y n ) = 0, d nnn (y n )), y n ) ≡max x n , y n d n It is defined as (x n , y n ).

定理2. もしもr,R>0が   Theorem 2. If r, R> 0

Figure 0005713986
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を満たしているとき、任意のδ>0と十分大きなnに対してA∈[A],B∈[B],a∈Im[A]が存在して、以下の関係を満たす。 , A∈ [A], B∈ [B], and a∈Im [A] exist for any δ> 0 and sufficiently large n, and satisfy the following relationship.

Figure 0005713986
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情報源の分布pY nに対してpX n |Y nがinfpX n |Y n :EX n Y n [dn(X n ,Y n )]<DI(Xn;Yn)を達成する事を仮定する。このとき、rをH(Xn|Yn)に近付ける事により、RをinfpX n |Y n :EX n Y n [dn(X n ,Y n )]<DI(Xn;Yn)に近付ける事ができる。一方で提案符号は(C30)より、 P X n | Y n achieves inf pX n | Y n : EX n Y n [dn (X n , Y n )] <D I (X n ; Y n ) for the source distribution p Y n Assuming that At this time, by bringing r closer to H (X n | Y n ), R is changed to inf pX n | Y n : EX n Y n [dn (X n , Y n )] <D I (X n ; Y n ) On the other hand, the proposed code is (C30)

Figure 0005713986
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を満たすので、maxx n ,y ndn(xn,yn)<∞を仮定することにより平均歪みEX n Y n[dn(Xn,Yn)]をDに近付ける事ができる。 So that the average distortion E X n Y n [d n (X n , Y n )] can be approximated to D by assuming max x n , y n d n (x n , y n ) <∞. it can.

証明:   Proof:

Figure 0005713986
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とすると、(C28),(C29)より、 Then, from (C28), (C29),

Figure 0005713986
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を満たすε>0が存在する。 There exists ε> 0 that satisfies

T_をTの下付きバーとし、T-をTの上付きバーとし、T- X⊂[Xn],T_X|Y⊂[Xn]×[Yn]を以下のように定義する。 The T_ and subscript bar T, T - was a superscript bar of T, T - X ⊂ [X n], T_ X | is defined Y ⊂ [X n] as × follows [Y n] .

Figure 0005713986
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[1,Theorem 16.8.1]より、以下の式が成り立つ。   From [1, Theorem 16.8.1], the following equation holds.

Figure 0005713986
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xn⊂T- X,gAB(Axn,Bxn)≠xnを仮定する。このとき、θn≠xn及び Assume x n ⊂T - X , g AB (Ax n , Bx n ) ≠ x n . At this time, θ n ≠ x n and

Figure 0005713986
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を満たすθn∈CAB(Axn,Bxn)が存在する。したがって、T- X∩CAB(Axn,Bxn)≠φが成り立っているので、 There exists θ n ∈C AB (Ax n , Bx n ) that satisfies Therefore, T - X ∩C AB (Ax n , Bx n ) ≠ φ holds, so

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を得る。ここで、χを次のように定義する。 Get. Here, χ is defined as follows.

Figure 0005713986
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また、最初の不等式では補題3を、2番目の不等式では   In the first inequality, Lemma 3 and in the second inequality

Figure 0005713986
Figure 0005713986

を用いた。続いて、以下の式が成り立つ。 Was used. Subsequently, the following equation holds.

Figure 0005713986
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ここで、最後の不等式では(C35)を用いた。また、以下の式が成り立つ。   Here, (C35) was used in the last inequality. Further, the following formula is established.

Figure 0005713986
Figure 0005713986

ここで、2番目の不等式では補題4を用いた。aの分布を一様分布とするとき、以下の式が成り立つ。   Here, Lemma 4 is used in the second inequality. When the distribution of a is a uniform distribution, the following equation holds.

Figure 0005713986
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ここで2番目の不等式では、以下の関係を用いた。   Here, the following relation is used in the second inequality.

Figure 0005713986
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また、3番目の不等式では(C36),(C37)を用いた。(C31),(C32)(C38)とn→1とともにαAs→1,βAs→0,αAB→1,βAB→0,pX n([T_X]c)→0,pX n Y n([T_X|Y]c)→0であることから、(C38)の右辺はn→∞とともに0に収束する。このことから定理の成立がいえる。 In the third inequality, (C36) and (C37) are used. (C31), (C32) (C38) and n → 1 and α As → 1, β As → 0, α AB → 1, β AB → 0, p X n ([T_ X ] c ) → 0, p X Since n Y n ([T_X | Y ] c ) → 0, the right side of (C38) converges to 0 with n → ∞. From this, the theorem can be established.

[変形例等]
上記装置及び方法において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。
[Modifications, etc.]
The processes described in the above apparatus and method are not only executed in time series according to the order of description, but may be executed in parallel or individually as required by the processing capability of the apparatus that executes the process.

また、乱数系列生成装置、符号化装置及び復号装置における処理手段をコンピュータによって実現する場合、乱数系列生成装置、符号化装置及び復号装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、乱数系列生成装置、符号化装置及び復号装置における処理手段がコンピュータ上で実現される。   In addition, when the processing means in the random number sequence generation device, the encoding device, and the decoding device is realized by a computer, the processing contents of the functions that the random number sequence generation device, the encoding device, and the decoding device should have are described by a program. By executing this program on a computer, processing means in the random number sequence generation device, encoding device, and decoding device is realized on the computer.

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。   The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. As the computer-readable recording medium, for example, any recording medium such as a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, and a semiconductor memory may be used.

また、各処理手段は、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより構成することにしてもよいし、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。   Each processing means may be configured by executing a predetermined program on a computer, or at least a part of these processing contents may be realized by hardware.

その他、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。   Needless to say, other modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

1 乱数系列生成装置
11 制御部
12 確率分布生成部
13 乱数生成部
14 記憶部
15 乱数推定部
16 一様乱数生成部
100 符号化装置
101 記憶部
102 変換フィルタ部
103 圧縮部
200 復号装置
201 記憶部
202 乱数系列推定部
204 変換フィルタ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Random number sequence generation apparatus 11 Control part 12 Probability distribution generation part 13 Random number generation part 14 Storage part 15 Random number estimation part 16 Uniform random number generation part 100 Encoding apparatus 101 Storage part 102 Conversion filter part 103 Compression part 200 Decoding apparatus 201 Storage part 202 Random number sequence estimation unit 204 Conversion filter unit

Claims (6)

複数の値の系列である実現値についての確率を所定の第一確率分布においてその実現値が出現する確率を正規化した値とし、所定の条件を満たす全ての上記複数の値の系列である実現値についての確率の分布を第二確率分布として、
実現値についての確率である第三確率を、既に生成された乱数の系列が生じることを条件としたときにその実現値が出現する第一確率と、既に生成された乱数の系列及び今回生成される乱数が生じることを条件としたときに既に生成された乱数の系列及び今回生成される乱数並びに次回以降生成される残りの乱数の系列からなる複数の値の系列が上記所定の条件を満たす第二確率と、の積を正規化した値とし、取りうる全ての実現値についての上記第三確率の分布である第三確率分布を生成する確率分布生成部と、上記第三確率分布に従い1つの実現値を乱数として生成する乱数生成部と、上記確率分布生成部及び上記乱数生成部の処理を繰り返すことにより、上記第二確率分布に従う乱数の系列を生成させる制御部と、を含む乱数系列生成装置と、
上記生成された乱数の系列及び所定の第二関数を用いて符号語を生成する圧縮部と、を含み、
上記所定の条件は、所定の共有情報と複数の値の系列との関係を所定の第一関数を用いて表現した条件であり、
上記所定の第一確率分布は、符号化対象の情報が生じることを条件とする条件付き確率の分布である、
符号化装置。
Realization that is a series of all the above-mentioned multiple values that satisfy a predetermined condition, with the probability of the realization value being a series of multiple values as a normalized value of the probability that the realization value appears in the predetermined first probability distribution as a second probability distribution a distribution of probability of the values,
The third probability, which is the probability of the actual value, is the first probability that the actual value will appear when the sequence of already generated random numbers is generated , the sequence of already generated random numbers, and this time a plurality of values of the series already composed of sequences and the remaining random sequence generated random number and the next time the currently generated random number generated first said predetermined condition is satisfied when that random numbers with the proviso that the resulting two probability, of a product as a normalized value, a probability distribution generating unit for generating a third probability distribution is a distribution of the third probabilities for all be taken of realization, one in accordance with the third probability distribution Random number generation unit including: a random number generation unit that generates an actual value as a random number; and a control unit that generates a sequence of random numbers according to the second probability distribution by repeating the processing of the probability distribution generation unit and the random number generation unit. And location,
A compression unit that generates a codeword using the generated random number sequence and a predetermined second function,
The predetermined condition is a condition expressing the relationship between the predetermined shared information and a series of a plurality of values using a predetermined first function,
The predetermined first probability distribution is a conditional probability distribution on condition that information to be encoded occurs .
Encoding device.
請求項1の符号化装置であって、
上記所定の第一関数をAとし、上記所定の第二関数をBとし、関数Aの値域をIm[A]とし、関数Bの値域をIm[B]とし、上記所定の共有情報をa∈Im[A]とし、上記符号語をb∈Im[B]とし、上記複数の値の系列(x1,x2,…,xn)をxn∈[Xn]とし、上記所定の条件をA(xn)=aとし、上記符号化対象の情報をynとし、上記第一確率分布をpX n |Y nとして、
上記第二確率分布における各実現値xnについての確率は、次式で定義されるμ(xn)であり、
Figure 0005713986

上記圧縮部は、B(xn)を計算してその計算結果を符号語bとする、
符号化装置。
The encoding device according to claim 1, comprising:
The predetermined first function is A, the predetermined second function is B, the range of the function A is Im [A], the range of the function B is Im [B], and the predetermined shared information is a∈ Im [A], the codeword is b∈Im [B], the series of values (x 1 , x 2 ,..., X n ) is x n ∈ [X n ], and the predetermined condition Is A (x n ) = a, the encoding target information is y n , the first probability distribution is p X n | Y n ,
The probability for each real value x n in the second probability distribution is μ (x n ) defined by the following equation:
Figure 0005713986

The compression unit calculates B (x n ) and sets the calculation result as a codeword b.
Encoding device.
複数の値の系列である実現値についての確率を所定の第一確率分布においてその実現値が出現する確率を正規化した値とし、所定の条件を満たす全ての上記複数の値の系列である実現値についての確率の分布を第二確率分布として、
確率分布生成部が、実現値についての確率である第三確率を、既に生成された乱数の系列が生じることを条件としたときにその実現値が出現する第一確率と、既に生成された乱数の系列及び今回生成される乱数が生じることを条件としたときに既に生成された乱数の系列及び今回生成される乱数並びに次回以降生成される残りの乱数の系列からなる複数の値の系列が上記所定の条件を満たす第二確率と、の積を正規化した値とし、取りうる全ての実現値についての上記第三確率の分布である第三確率分布を生成する確率分布生成ステップと、乱数生成部が、上記第三確率分布に従い1つの実現値を乱数として生成する乱数生成ステップと、制御部が、上記確率分布生成ステップ及び上記乱数生成ステップを繰り返すことにより、上記第二確率分布に従う乱数の系列を生成させる制御ステップと、を含む乱数系列生成ステップと、
圧縮部が、上記生成された乱数の系列及び所定の第二関数を用いて符号語を生成する圧縮ステップと、を含み、
上記所定の条件は、所定の共有情報と複数の値の系列との関係を所定の第一関数を用いて表現した条件であり、
上記所定の第一確率分布は、符号化対象の情報が生じることを条件とする条件付き確率の分布である、
符号化方法。
Realization that is a series of all the above-mentioned multiple values that satisfy a predetermined condition, with the probability of the realization value being a series of multiple values as a normalized value of the probability that the realization value appears in the predetermined first probability distribution as a second probability distribution a distribution of probability of the values,
When the probability distribution generation unit uses the third probability, which is the probability of the realized value, on the condition that a sequence of already generated random numbers is generated, the first probability that the realized value appears, and the already generated random number above sequence and sequence of a plurality of values comprising a series of the remaining random numbers already generated sequence and the random number and the next time the currently generated random number generated when the condition that the random numbers generated current caused A probability distribution generation step for generating a third probability distribution, which is a distribution of the third probability for all possible real values, and a product obtained by normalizing a product of the second probability satisfying a predetermined condition, and random number generation parts comprises a random number generation step of generating a random number one realization according to the above third probability distribution, the control unit is, by repeating the above probability distribution generation step and the random number generating step, the second probability A random number sequence generating step includes a control step of generating a sequence of random numbers according to the fabric, the,
A compression unit that generates a codeword using the sequence of generated random numbers and a predetermined second function, and
The predetermined condition is a condition expressing the relationship between the predetermined shared information and a series of a plurality of values using a predetermined first function,
The predetermined first probability distribution is a conditional probability distribution on condition that information to be encoded occurs .
Encoding method.
請求項3の符号化方法であって、
上記所定の第一関数をAとし、上記所定の第二関数をBとし、関数Aの値域をIm[A]とし、関数Bの値域をIm[B]とし、上記所定の共有情報をa∈Im[A]とし、上記符号語をb∈Im[B]とし、上記複数の値の系列(x1,x2,…,xn)をxn∈[Xn]とし、上記所定の条件をA(xn)=aとし、上記符号化対象の情報をynとし、上記第一確率分布をpX n |Y nとして、
上記第二確率分布における各実現値xnについての確率は、次式で定義されるμ(xn)であり、
Figure 0005713986

上記圧縮ステップは、B(xn)を計算してその計算結果を符号語bとする、
符号化方法。
The encoding method according to claim 3, comprising:
The predetermined first function is A, the predetermined second function is B, the range of the function A is Im [A], the range of the function B is Im [B], and the predetermined shared information is a∈ Im [A], the codeword is b∈Im [B], the series of values (x 1 , x 2 ,..., X n ) is x n ∈ [X n ], and the predetermined condition Is A (x n ) = a, the encoding target information is y n , the first probability distribution is p X n | Y n ,
The probability for each real value x n in the second probability distribution is μ (x n ) defined by the following equation:
Figure 0005713986

In the compression step, B (x n ) is calculated and the calculation result is a codeword b.
Encoding method.
請求項1又は2の符号化装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。   A program for causing a computer to function as the encoding device according to claim 1. 請求項1又は2の符号化装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。   A computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to function as the encoding device according to claim 1 or 2 is recorded.
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