JP5964897B2 - 音符号化システム及び符号化装置、復号化装置 - Google Patents
音符号化システム及び符号化装置、復号化装置 Download PDFInfo
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Description
(1)入力された音を符号化する符号化装置。
(2)入力された音符号を復号化する復号化装置。
(3)前記符号化装置が出力した音符号を前記復号化装置に伝送する伝送媒体。
(4)前記符号化装置及び前記復号化装置のそれぞれに備えられ、対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算する演算部を備えた演算装置。
(5)前記符号化装置及び前記復号化装置は、前記演算装置として、音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有すること。
(6)前記適応正規化部は、前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を上回らない折れ線関数により近似すること。
(7)前記適応正規化部は、近似対象となる関数から、当該関数上の複数の点を線分で結んで得られる折れ線関数を引いたものの近似誤差が最小となる複数の点を求め、この複数の点を折れ線関数の各線分の端点として上回らない折れ線関数を求めること。
(6’)前記適応正規化部は、前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を下回らない折れ線関数により近似すること。
(7’)前記下回らない折れ線関数は、各線分が、その定義域内で前記複数の点として前記近似対象となる関数との接点を有する接線であり、前記適応正規化部は、前記接点を、その接点が乗る線分とこれに隣接する両線分による前記近似対象となる関数との近似誤差が最小となるように求めること。
(6’’)前記適応正規化部は、前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、近似対象となる関数を、当該関数と交差する線分を含んでなる折れ線関数により近似し、折れ線関数は、端点(x n ,y n )と(x n+1 ,y n+1 )を持つ線分S n を式(31)で表し、この線分S n による区分誤差評価関数E S を式(32)で表した場合に、式(33)の誤差評価関数Eを最小化したときに得られるものであること。
[1−1.概略構成]
図1は、本実施形態に係る音符号化システムの全体構成を示す図である。本音符号化システムは、符号化装置10、復号化装置20、及び符号された音情報を伝送する伝送媒体30を備えている。
(符号化装置)
符号化装置10は、ユーザインターフェイスUI11、外部接続I/F12、制御部13、記憶部14、音入力I/F15、エンコーダ16、及び符号出力I/F17を備えている。
伝送媒体30は、符号化装置10の符号出力I/F17から出力される音符号を含む情報を、復号化装置20の後述する符号入力I/F25へ出力する。伝送媒体30は、有線であっても無線であっても良い。また、伝送媒体30の伝送は、逐次伝送する実時間伝送形式であっても、記憶装置などに蓄積し、蓄積したものを順次伝送する蓄積形式であっても良い。
復号化装置20は、ユーザインターフェイスUI21、外部接続I/F22、制御部23、記憶部24、符号入力I/F25、デコーダ26、及び音出力I/F27を備えている。ユーザインターフェイスUI21、外部接続I/F22、制御部23、及び記憶部24については、符号化装置10のユーザインターフェイスUI11、外部接続I/F12、制御部13、及び記憶部14とそれぞれ同様の構成であるため、その説明は省略する。
(エンコーダ)
図2に示すように、エンコーダ16は、前処理部41、加算器42、適応正規化部43、最適量子化部44、最適逆量子化部45、適応予測部46、加算器47、及び後処理部48を有している。
図2に示すように、デコーダ26は、前処理部51、最適逆量子化部55、適応正規化部53、適応予測部56、加算器57、及び後処理部58を有している。なお、これらの各部は、動作制御I/F51p、53p、55p、56p、58pを有し、各種の処理とそれぞれ対応したパラメータが格納されている。動作制御I/F51p、53p、55p、56p、58pは、パラメータの記憶を行うので記憶手段と称することもできる。適応正規化部53、最適逆量子化部55及び適応予測部56は、エンコーダ16の適応正規化部43、最適逆量子化部45及び適応予測部46と同様の構成であるので、その説明は省略する。
次に、上記の構成を有する本システムの音符号化及び復号化の作用について説明する。本システムは、エンコーダ16及びデコーダ26の各動作制御I/Fに格納された多様なパラメータにより、その振る舞いや特性が制御される。ここでは、以下の点を前提する。
・所望のシステム性能を満足するように全てのパラメータが最適に設計されているものとする。
・エンコーダ16及びデコーダ26は、予め設計されたサンプリング周波数と音情報の情報量に従って音情報の入出力を行うものとする。
・音情報を時系列に取り扱うため、サンプル番号をkで表し、ある瞬間kにサンプルされた時系列情報sの瞬時情報をs(k)と表現するものとする。
エンコーダ16の前処理部41から出力された音情報si(k)に対する適応予測部46の予測値p(k)が与えられたとき、予測誤差d(k)は式(1)のように表せる。
そこで、本システムでは、予測誤差をも予測し、予測誤差の予測乖離度dd(k)を求めて、より白色化された時系列情報を量子化する。ここで、適応的に予測された予測誤差d(k)の予測値をpd(k)とし、予測乖離度dd(k)を求める関数をfd()で表すと、予測乖離度dd(k)は、例えば、式(2)のように、予測誤差をその予測値で除したものとする。pd(k)の予測方法は後述するが、理想的に予測誤差の変動を予測できたならば、予測乖離度の期待値E[fd(d(k)、pd(k))]は1となる。
次に、正規化予測誤差を量子化し、対応する音符号を求める。この量子化において量子化レベルLは予め設定されている。音符号は伝送媒体30を介して最終的にデコーダ26に入力されるため、情報量を最大化する目的からも量子化レベルL=2m(mは自然数)と設計するのが望ましい。量子化閾値のリストはパラメータとして制御部13から与えられる。量子化閾値は昇順に整列されており、i番目の閾値をqth(i)で表すものとする。
最適逆量子化部45は、最適量子化部44から入力された音符号に対応する量子化値、すなわち量子正規化予測誤差を求め、適応正規化部43に出力する。ここで、量子化値のリストは、最適な設計によりパラメータとして制御部13から与えられるが、量子化閾値と対応するものである。量子化値は昇順に整列されており、i番目量子化値をq(i)で表すものとする。
適応正規化部43は、最適逆量子化部45から入力された量子正規化予測誤差Q[dd(k)]と予測誤差d(k)の正規化に用いた正規化係数pd(k)との関数により正規化を解き、その関数値を量子化予測誤差として適応予測部46に出力する。この関数は、正規化関数の正規化を解くものであるため、正規化関数fd()の逆関数fd −1()と考えることができる。
(i) 利得項と減衰項を含み構成される。
(ii) 量子正規化予測誤差の正負で利得項が異なる。
(iii) 過去を含む量子正規化予測誤差で利得項が異なる。
(iv) 過去を含む量子正規化予測誤差に比例した利得率
(v) 過去を含む量子正規化予測誤差の変化量で利得項が異なる。
(vi) 過去を含む量子正規化予測誤差の変化量に比例した利得率
(vii) 過去を含む正規化係数に比例した減衰率
(viii) 量子正規化予測誤差に下限閾値を設ける。
(ix) 比例係数や閾値をパラメータとする。
適応正規化部43の量子化予測誤差Q[d(k)]と適応予測部46の予測値p(k)から、入力された音情報si(k)は、式(1)を用いて式(12)の通りso(k)として復元される。デコーダ26は最終的にこの音情報so(k)を出力する。なお、式(12)を示すに当たり、式(8)、(10)について、量子化予測誤差Q[d(k)]と予測誤差d(k)との誤差をe(k)とし両者の関係を式(13)の通り一般化している。
次に、同期収束制御について説明する。本システムでは、適応正規化部43、53や適応予測部46、56がそれぞれ過去の出力値を入力とするフィードバック適応形式である。この場合、エンコーダ16とデコーダ26との間で、適応パラメータ等の同一適応器(適応システム)の内部状態が同期しなければならない。非同期状態のままでは意図しない音情報がデコーダ26から出力されてしまうからである。
(1) システムの入力と出力に対する関係は制御式により表される。
(2) システムの入力は内部状態を有しない単純入力とシステム出力とからなる。
(3) 同期対象システム間(例えば、適応正規化部43と適応正規化部53)の単純入力及び制御式は同一とする。
(4) 制御式は入力と内部状態を含み、入力されたシステム出力は内部状態に含まれる。
(5) 制御式の内部状態を含む項は任意速度(時定数)でその絶対値が逓減するように更新するが、この速度は収束時定数で決まるものとする。
(6) 過去の自システム出力を入力しても良い。
(7) 制御式の内部状態を含む項は逓減率を十分下回る程度に量子化できる。
本システムでは、外部からの入力や予測における内部状態のフィードバックによる閉ループ構造を有するため、異常発生によって復帰不可能な状態に陥る可能性がある。異常状態としては、例えば、システムの各部が非同期状態であること、システムの各部への入力が期待する範囲を超えていること等が挙げられる。この異常状態の要因としては、通信路としての伝送媒体30の故障等が挙げられる。本システムでは、このような異常発生によって復帰不可能な状態に陥ることを回避するため、以下の方法を採ることができる。なお、以下の方法は、何れか一つだけ行っても良いし、二以上を組み合わせて行っても良い。
(a) 異常音符号入力期間にデコーダ26を停止させる。例えば、デコーダ26の前処理部51に入力された音符号の異常を検出する検出部を設ける。検出部には、入力された音符号が異常であるかを判定するための所定の閾値又は範囲が予め設定されており、入力された音符号と当該所定の閾値又は範囲とを比較することにより異常か否かを判定する。動作制御I/F51pにこの所定の閾値又は範囲を予め格納しておき、動作制御I/F51pを検出部として機能させるようにしても良い。このように、デコーダ26を停止させることで、異常入力検出時点の内部状態を保持できるので、非同期化の進行を最小限に抑制することができる。従って、エンコーダ16とデコーダ26の非同期問題を早期に解消することができる。
適応正規化部43、53では、予測誤差の正規化に対数関数を、逆正規化に指数関数を用いる場合がある。この場合、これらの両関数の実装は適用する問題の要求を満たしつつ、計算コストや精度の観点で効率的に行われるべきである。以下では、本システムにおける対数関数及び指数関数の近似解法について説明する。そのため、まず、近似解法の基礎的な部分と、従来のG.726での誤差解析、及び本システムが満たすべき条件について説明する。
任意の正数xについて、基数bを用いて表すことを考える。x’mを1以上b未満の実数、xeを整数とすれば、このxは式(18)の通り一意に表すことができる。
従来のADPCM方式を用いるITU−T G.726では、予測誤差の絶対値xを対数化するが、その対数の整数部xeは、xと2kの大小をk=0から比較し、xを超えない最大の2kによる指数kとして求めている。この手法による演算量はΟ(k)である。小数部xmは式(18)のx’mを1+xmとおき、xm=log2(1+xm)として、演算量を優先的に近似して求めている。この近似による誤差は平均で0.05をも上回ってしまう。
G.726の実装も近似誤差を低減するべく、x’mが[1,2)の区間でlog2x’mを多項式近似することも考えられる。そこで、このn次多項式を式(22)のfPL(x,n)とする。
上記のように対数関数の近似式とその逆関数となる指数関数の近似式が相互に逆関数とならない場合、双方の近似式を用いてある数を対数変換し、さらに指数変換したとしても元の数には復元できず、計算誤差以外の二重の近似誤差を含んでしまう。適応正規化部43、53における予測誤差の量子化誤差がエンコーダ16とデコーダ26の適応予測部46、56に伝播するが、これに加えてこの対数−指数変換における恒等変換誤差をも伝播することになり、予想誤差の増加、ひいてはデコーダ26の復号音情報の品質劣化を招く虞がある。
本システムの近似方法は、近似対象の関数を当該関数上の複数の点を線分で結んだ折れ線により近似する方法である。この折れ線近似で用いられる折れ線関数は、区分的な1次式で表される線分の連結である。そのため、その逆関数もまた1次式で表される線分の連結となり、解析的に容易に逆関数を求めることができる。このため、多項式近似のような恒等変換誤差を含むことはないという利点が得られる。
まず、近似する関数値を上回らない条件が付される、負の誤差のみの場合の折れ線近似について考える。また、線分数は2の累乗とする。このようにしても一般性は失われない。
次に、近似する関数値を下回らない条件が付される、正の誤差のみの場合の折れ線近似について考える。
上回らない折れ線近似のごとき端点に関する制約や、下回らない折れ線近似のごとき線分に関する制約がない折れ線近似について考える。すなわち、(1,0)、(2,1)以外の端点については、同じx座標値において近似対象関数上の点を上回る端点、及び同じx座標値において近似対象関数上の点を下回る端点を含む。つまり、制約がない折れ線近似関数は、近似対象関数を交差する線分を含んでなる折れ線近似関数であり、近似対象関数を上回る線分、下回る線分、近似対象関数と接する線分、及び少なくとも一方の端点が近似対象関数上に乗る線分、の少なくともいずれかを含んでいても良い。これまでの折れ線近似のように順次折れ線数を増やして直前の最適化情報を継承しつつ近似誤差を改善する必要がないため、端点を(xn,yn)と表現する。また、端点(xn,yn)と(xn+1,yn+1)を持つ線分Snも式(31)の通り表せる。
これら3種の折れ線近似の、線分数又は節点数に対する近似誤差の二乗平均値を両対数軸にプロットしたグラフを図6に示す。下回らない折れ線近似のみ横軸を節点数としている。従来のG.726の平均二乗誤差が0.004程度であるのに対し、図6に示すように、本近似方法はいずれも一桁以上良好な近似結果が得られる。なお、対数化の際の整数部は、二分探索によればO(log2k)の演算量であるから、従来のG.726の演算量O(k)よりも少ないので、従来よりも高速に求めることができる。
図7及び図8を参照し、本システムの動作について説明する。図7は、符号化装置10の動作フローチャートである。図8は、復号化装置20の動作フローチャートである。なお、これらは動作の一例であり、これらの順序に限定されない。
図7及び図8に示すように、まず、運用開始時の初期設定として、符号化装置10と復号化装置20ともに各部のパラメータを設定する(ステップS01)。すなわち、各装置10、20の記憶部14、24に予め記憶されているパラメータか、ユーザインターフェイスUI11、21若しくは外部接続I/F12、22経由で入力されるパラメータを各装置10、20の各部に設定する。
符号化装置10は、設定されたパラメータに従って音又は音情報を音入力I/F15等により外部から入力するか、記憶部14に記憶している音情報をエンコーダ16に入力する(ステップS03)。エンコーダ16は設定されたパラメータに従って音符号へ符号化し(ステップS04)、設定されたパラメータに従って同期信号などエンコードされた音符号及びその再生に必要な情報や、記憶部14に蓄積された音符号を復号化装置20へ出力する(ステップS05)。エンコードされた音符号に再生に必要な情報には、パラメータ識別値を含む。
(1)本実施形態の音符号化システムでは、対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算する演算部となる適応正規化部43、53を有し、適応正規化部43、53は、近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ近似対象となる関数値を上回らない折れ線関数により近似するようにした。特に、適応正規化部43、53は、近似対象となる関数から、当該関数上の複数の点を線分で結んで得られる折れ線関数を引いたものの近似誤差が最小となる複数の点を求め、この複数の点を折れ線関数の各線分の端点として上回らない折れ線関数を求めるようにした。
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。以下は、その一例である。
11 ユーザインターフェイスUI
12 外部接続I/F
13 制御部
14 記憶部
15 音入力I/F
16 エンコーダ
17 符号出力I/F
20 復号化装置
21 ユーザインターフェイスUI
22 外部接続I/F
23 制御部
24 記憶部
25 符号入力I/F
26 デコーダ
27 音出力I/F
30 伝送媒体
41、51 前処理部
42 加算器
43、53 適応正規化部
44 最適量子化部
45、55 最適逆量子化部
46、56 適応予測部
47、57 加算器
48、58 後処理部
41p、43p〜46p、48p 動作制御I/F
51p、53p、55p、56p、58p 動作制御I/F
431 利得項算出部
431a 遅延素子
431b 加算器
4310〜431n 係数制御条件部
432 利得項選択条件部
432a 遅延素子
433 切替部
434 減衰項算出部
434a 遅延素子
434b 加算器
Claims (11)
- 入力された音を符号化する符号化装置と、
入力された音符号を復号化する復号化装置と、
前記符号化装置が出力した音符号を前記復号化装置に伝送する伝送媒体と、
前記符号化装置及び前記復号化装置のそれぞれに備えられ、対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算する演算部を備えた演算装置と、
を備え、
前記符号化装置及び前記復号化装置は、前記演算装置として、音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を上回らない折れ線関数により近似すること、
を特徴とする音符号化システム。 - 前記適応正規化部は、前記近似対象となる関数から、当該関数上の複数の点を線分で結んで得られる折れ線関数を引いたものの近似誤差が最小となる前記複数の点を求め、この複数の点を折れ線関数の各線分の端点として前記上回らない折れ線関数を求めること、
を特徴する請求項1に記載の音符号化システム。 - 入力された音を符号化する符号化装置と、
入力された音符号を復号化する復号化装置と、
前記符号化装置が出力した音符号を前記復号化装置に伝送する伝送媒体と、
前記符号化装置及び前記復号化装置のそれぞれに備えられ、対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算する演算部を備えた演算装置と、
を備え、
前記符号化装置及び前記復号化装置は、前記演算装置として、音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を下回らない折れ線関数により近似すること、
を特徴とする音符号化システム。 - 前記下回らない折れ線関数は、各線分が、その定義域内で前記複数の点として前記近似対象となる関数との接点を有する接線であり、
前記適応正規化部は、前記接点を、その接点が乗る線分とこれに隣接する両線分による前記近似対象となる関数との近似誤差が最小となるように求めること、
を特徴とする請求項3に記載の音符号化システム。 - 入力された音を符号化する符号化装置と、
入力された音符号を復号化する復号化装置と、
前記符号化装置が出力した音符号を前記復号化装置に伝送する伝送媒体と、
前記符号化装置及び前記復号化装置のそれぞれに備えられ、対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算する演算部を備えた演算装置と、
を備え、
前記符号化装置及び前記復号化装置は、前記演算装置として、音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、近似対象となる関数を、当該関数と交差する線分を含んでなる折れ線関数により近似し、
前記折れ線関数は、端点(xn,yn)と(xn+1,yn+1)を持つ線分Snを式(1)で表し、この線分Snによる区分誤差評価関数ESを式(2)で表した場合に、式(3)の誤差評価関数Eを最小化したときに得られるものであること、
を特徴とする音符号化システム。
N:線分数、x:線分上のx座標、y:線分上のy座標
- 入力された音を符号化する符号化装置であって、
音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、
対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算し、
前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、
近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を上回らない折れ線関数により近似すること、
を特徴とする符号化装置。 - 入力された音符号を復号化する復号化装置であって、
音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、
対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算し、
前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、
近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を上回らない折れ線関数により近似すること、
を特徴とする復号化装置。 - 入力された音を符号化する符号化装置であって、
音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、
対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算し、
前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、
近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を下回らない折れ線関数により近似すること、
を特徴とする符号化装置。 - 入力された音符号を復号化する復号化装置であって、
音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、
対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算し、
前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、
近似対象となる関数を、当該関数上の複数の点を線分で結んだ前記近似対象となる関数値を下回らない折れ線関数により近似すること、
を特徴とする復号化装置。 - 入力された音を符号化する符号化装置であって、
音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、
対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算し、
前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、
近似対象となる関数を、当該関数と交差する線分を含んでなる折れ線関数により近似し、
前記折れ線関数は、端点(x n ,y n )と(x n+1 ,y n+1 )を持つ線分S n を式(1)で表し、この線分S n による区分誤差評価関数E S を式(2)で表した場合に、式(3)の誤差評価関数Eを最小化したときに得られるものであること、
を特徴とする符号化装置。
N:線分数、x:線分上のx座標、y:線分上のy座標
- 入力された音を符号化する復号化装置であって、
音情報とこの音情報の予測値との差分である予測誤差と、この予測誤差の予測値とに基づいて予測誤差を正規化した正規化予測誤差を求める適応正規化部を有し、
前記適応正規化部は、
対数関数を含む関数を近似対象として、これに近似する関数を演算し、
前記正規化予測誤差を求める関数に、前記予測誤差の絶対値の対数関数を含み、
近似対象となる関数を、当該関数と交差する線分を含んでなる折れ線関数により近似し、
前記折れ線関数は、端点(x n ,y n )と(x n+1 ,y n+1 )を持つ線分S n を式(1)で表し、この線分S n による区分誤差評価関数E S を式(2)で表した場合に、式(3)の誤差評価関数Eを最小化したときに得られるものであること、
を特徴とする復号化装置。
N:線分数、x:線分上のx座標、y:線分上のy座標
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