JPH027232B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、入力信号系列を複数個まとめてブ
ロツク化し、これを多次元信号空間で量子化する
ベクトル量子化に関するものである。 まず、ベクトル量子化の原理について簡単に説
明する。 今、情報源入力信号系列をＫ個まとめて入力ベ
クトルＸ＝〔x₁、x₂、…、x_K〕とする。このと
き、Ｋ次元ユークリツド信号空間R^K（Ｘ∈R^k）の
Ｎ個の代表点（すなわち出力ベクトル）ｙ _i＝
〔y_i1、y_i2、…、y_iK〕（ｉ＝１、２、…Ｎ）のセツ
トをＹ＝〔ｙ ₁、ｙ ₂、…、ｙ _N〕とする。出力ベク
トルｙ _iを代表点（例えば重心）とするR^Kの各分
割をR₁、R₂、…、R_Nとすると、ベクトル量子化
Ｑは次式にて定義される。 Ｑ：R^k→Ｙ ここで、 R_i＝Q^-1（ｙ _i）＝｛Ｘ∈R^k：Ｑ（Ｘ）＝ｙ _i｝ _N ∪ⁱ⁼¹ R_i＝R^K、R_i∩R_j＝φ（ｉ≠ｊ） つまり、ベクトル量子化はＫ次元ユークリツド
信号空間R^Kに予め用意されたＮ個の代表点（出
力ベクトル）のセツトＹ＝〔ｙ ₁、ｙ ₂、…、ｙ _N〕
に入力ベクトルＸ（Ｘ∈R^k）を写像することで
ある。言いかえると、ｙ _iを代表点とするR^Kの各
分割R₁、R₂、…、R_Nは互いに独立であり、R_iに
含まれる入力ベクトルＸは出力ベクトルｙ _iに写
像される。 上記ベクトル量子化Ｑは符号化Ｃと復号化Ｄの
縦続接続として表わされる。符号化ＣはR^Kの出
力ベクトルのセツトＹ＝〔ｙ ₁、ｙ ₂、…、ｙ _N〕の
各出力ベクトルｙ _iのコードブツクメモリ上のア
ドレスの集合であるインデツクスセツトＩ＝〔１、
２、…、Ｎ〕への写像であり、復号化ＤはＩから
Ｙへの写像である。すなわち、 Ｃ：R^K→Ｉ、Ｄ：Ｉ→ＹそしてＱ＝Ｄ・Ｃで
ある。 ここでＩとＹは１対１の対応関係にある。 ベクトル量子化においては、前記インデツクス
セツト（符号化出力）Ｉが伝送あるいは記録され
ることになるため極めて符号化効率が良い。 ベクトル量子化は入力ベクトルを最短距離にあ
る（最小歪となる）出力ベクトルｙ _iへ写像する
ことである。具体的には、入出力ベクトル間の距
離（歪）をｄ（Ｘ、ｙ _i）とすると、以下のように
なる。 if・ｄ（Ｘ、ｙ _i）＜ｄ（Ｘ、ｙ _j）for all ｊ Ｘ∈R_iすなわちＸ→ｙ _i つまり、入力ベクトルＸとＮ個の出力ベクトル
ｙ₁、ｙ ₂、…、ｙ _Nとの距離（歪）を計算し、そ
の距離（歪）が一番小さくなるｙ _iを見つけ、入
力ベクトルＸを出力ベクトルｙ _iに写像する。第
１図に、入力ベクトルＸと出力ベクトルｙ _iの関
係を示す。 第１図に示すような出力ベクトルｙ _iのセツト
Ｙは、トレーニング系列（Ｋ次元信号空間R^Kに
含まれる入力ベクトルを多数集めた母集団）とな
る情報源入力信号系列を用いたクラスタリング
（代表点の選出と信号空間の分割を、歪の総和が
最小となるまでくり返す）によつて求めることが
できる。また、このような処理をクラスタリング
トレーニングという。 以下、第２図、第３図及び第４図に従つて、従
来のベクトル量子化器の構成について説明する。 第２図は符号化器の一例である。 図中、１は入力ベクトル、２は平均値算出器、
３は前記平均値算出器２によつて算出されたブロ
ツク内平均値、４は減算器、５は前記減算器４に
よつてブロツク内平均値３を引かれた平均値分離
ベクトル、６はブロツク内の振幅を計算する振幅
計算器、７はブロツク内振幅、８は除算器、９は
平均値分離ベクトル５をブロツク内振幅７で割つ
て得られる平均値分離正規化ベクトル、１０はレ
ジスタ、１１はコードテーブルアドレスカウン
タ、１２はコードテーブルメモリ、１３はコード
テーブル出力ベクトルレジスタ、１４は並列減算
器、１５は並列絶対値演算器、１６は最大要素歪
検出器、１７は最小歪出力ベクトル検出器、１８
はインデツクス信号、１９はラツチ、２０は符号
化器出力信号である。 また、第３図は前記振幅計算器６の一構成例を
示したものである。 図中、２１は絶対値演算器、２２は平均値算出
器である。 また、第４図は復号化器の一構成例を示したも
のである。 図中、２３はラツチ、２４は平均値分離正規化
出力ベクトル、２５は乗算器、２６は平均値分離
出力ベクトル、２７は加算器、２８は出力ベクト
ル、２９は出力ベクトルレジスタ、３０は復号化
器出力信号である。 次の動作について説明する。 まず、第２図及び第３図に従つて符号化器の動
作について説明する。符号化器の入力信号系列は
Ｋ個まとめてブロツク化され入力ベクトルＸ＝
｛x₁、x₂、…、x_K｝となる。入力ベクトル１に対
し、平均値算出器２はｍ＝Ｅ（x_j）によつてブロ
ツク平均値ｍ３を計算する。減算器４は入力ベク
トル１からブロツク内平均値ｍを引き、x_j−ｍで
表わされる平均値分離ベクトル５を得る。振幅計
算器６は平均値分離ベクトルからブロツク内振幅
σを計算する。σを計算する手法は種々あるが、
以下に２〜３の例を示す。 σ＝Ｅ（｜x_j−ｍ｜） σ＝Ｅ〔（x_j−ｍ）²〕^1/2 σ＝ max^j X_j− min^j x_j 上記の手法は、入力ベクトルの要素のブロツ
ク内平均値との偏差の絶対値平均を用いたもので
あり、の手法は、入力ベクトルの要素の標準偏
差成分を用いたものであり、の手法は、入力ベ
クトルの要素の最大要素、最小要素の差を用いた
ものである。いずれもブロツク内部の要素のばら
つきを表わす量である。 第３図には一例として、上記のの手法による
構成例を示す。平均値分離ベクトル５の絶対値を
求め、平均値算出器２２によつてσを求めるとい
うものである。 除算器８は、平均値分離ベクトル５をブロツク
内振幅σで割ることによつて入力ベクトルを正規
化し、平均値分離正規化入力ベクトルＸ′を得る。
すなわち x′_j＝（x_j−ｍ）／σ 入力ベクトルＸからブロツク内平均値ｍを引
き、それをブロツク内振幅σで割り、入力ベクト
ルの平均値分離正規化を行う。平均値分離正規化
により、ベクトルはＫ次元信号空間の原点を中心
とする球面上に写像され、量子化効率が高められ
る。いわばスカラ量子化との混合である。このと
きのベクトルＸ′と量子化ベクトルｙ′との関係を
第５図に示す。 コードテーブルアドレスカウンタ１１は、コー
ドテーブルメモリ１２から順次、平均値分離正規
化出力ベクトルｙ′_iを読み出し、レジスタ１３に
ラツチする。最大要素歪検出器１６は、並列減算
器１４、並列絶対値演算器１５からＸ′とｙ′_iの
歪d_i（ｉ＝１、２、…、Ｎ）を次のように求める。 d_i＝ｄ(X′,y′_i)＝ max^j ｜x′_j−y′_ij｜ （ｊ＝１、２、……、Ｋ） つまり、平均値分離正規化入力ベクトルＸ′と
平均値分離正規化出力ベクトルｙ′_iの歪d_iをＸ′と
ｙ′_iの要素の絶対値差分のうちで最大のもので表
わすことにする。 次に、最小歪検出器１７は順次読み出される
ｙ′_iとＸ′との歪d_iの最小値を検出する。すなわち
最小歪ｄは ｄ＝ min^j d_i（ｉ＝１、２、…、Ｎ） である。この最小歪となるベクトルがベクトル
Ｘ′のベクトル量子化出力である。最小歪ベクト
ルを検出するとストローブ信号がラツチ１９に送
られ、ベクトルのアドレスであるインデイツクス
信号１８を取り込む。ラツチ１９では、ブロツク
内平均値３、ブロツク内振幅７も取り込み、これ
らを符号化器出力信号２０として出力する。 次に、第４図に示す復号化器の動作について説
明する。符号化器出力信号２０を復号化器のラツ
チ２３に取り込み、インデツクス信号１８の示す
アドレスに従つて読み出される平均値分離正規化
出力ベクトルｙ′_iはレジスタ１３にラツチされ
る。前記ベクトルｙ′_i２４は乗算器２５にてブロ
ツク内振幅７を掛け合わされ、加算器２７にてブ
ロツク平均値３を加算され、出力ベクトルｙ２８
となり、レジスタ２９にラツチされて復号化器出
力信号３０が得られる。すなわち y_j＝σ・y′_ij＋ｍ このとき符号化能率ηは、コードテーブルメモ
リがＮ個のベクトルを持ち、ブロツク内平均値及
びブロツク内振幅に各々ａビツト、ｂビツトを割
りあてたとすると η＝(log₂N+a+b)／Ｋ(ビツト/サンプル) である。 ここで、log₂NはコードテーブルのＮ個のベク
トルのうちのいずれかを表わすのに必要なビツト
数である。 従来のベクトル量子化器は以上の如く構成され
ているので、次に述べる様な欠点があつた。すな
わち、平均値分離正規化は平均値や振幅などのス
カラ量に対しては何らデータ圧縮処理が行なわれ
ていないため、系全体としてベクトル量子化器の
圧縮効果が充分に生かされていないことである。 この発明は、これらの欠点を除去するためにな
されたもので、ブロツク間でも強い相関を有する
ブロツク平均値に予測符号化を施すことによつ
て、量子化効率の高いベクトル量子化器を提供す
ることを目的としている。 以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。 第６図は符号化器の一構成例を示したものであ
る。図中、１は入力ベクトル、２は平均値算出
器、３１はDPMC符号化器、３２は減算器、３
３は予測誤差信号、３４は量子化器、３５は量子
化された予測誤差信号、３６は加算器、３７は
DPCM復号信号、３８は予測器、３９は予測信
号、４は減算器、４０は平均値分離ベクトル、６
は振幅計算器、７はブロツク内振幅、８は除算
器、４１は平均値分離正規化ベクトル、１０はレ
ジスタ、１１はコードテーブルアドレスカウン
タ、１２はコードテーブルメモリ、１３はコード
テーブル出力ベクトルレジスタ、１４は並列減算
器、１５は並列絶対値演算器、１６は最大要素歪
検出器、１７は最小歪出力ベクトル検出器、１８
はインデツクス信号、１９はラツチ、２０は符号
化器出力信号、Ａは平均値分離正規化回路、Ｂは
歪演算器である。 また、第７図は前記DPCM符号化器３１の一
構成例を示したものである。 図中、４２は遅延素子、４３は乗算器である。
また、第８図は復号化器の一構成例を示したもの
である。 次に動作について説明する。 まず、第６図及び第７図に従つて符号化器の動
作について説明する。符号化器の入力信号系列は
Ｋ個まとめてブロツク化され、入力ベクトルＸ＝
｛x₁、x₂、…、x_K｝となる。入力ベクトル１に対
し、平均値算出器２はｍ＝Ｅ（x_j）によつてブロ
ツク内平均値ｍ３を計算する。このブロツク内平
均値ｍをPCMにて伝送するとデータレートが高
くなるのでDPCM符号化器３１によつてブロツ
ク間の相関を利用してデータ圧縮処理を施こす。
ここで、３のブロツク内平均値に対し、３９を予
測信号P_n、３３を予測誤差信号e_n、３５を
DPCM信号e^_n、３７をDPCM復号信号m^、及び
量子化器３４が量子化レベル数を減少するために
発生する量子化雑音ｑ _Nとすると e^_n＝ｍ−P_n＋ｑ _N、P_n＝a_n・m^・Z^-1 m^＝e^_n＋P_n にて、量子化レベル数を減少したDPCN信号３５
を形成できる。予測信号P_nは、次の様に得られ
る。すなわち、予測器３８の入力としてDPCM
復号信号３７が与えられ、遅延素子によつて適当
な時間的遅延（例えばZ^-1は１ブロツクの遅延を
表わす）を持たせた信号が得られ、乗算器４３に
よつて所定の係数a_nを乗ぜられ、予測信号３９
となる。 ここでは遅延素子を１つだけ用いているが、幾
つかの遅延素子を用い、それらから得られる遅延
信号の線形結合によつて予測信号を形成しても構
わない。 減算器４は入力ベクトル１からブロツク内平均
値のDPCM復号信号３７を引き、平均値分離ベ
クトルを得る。振幅計算器６は平均値分離ベクト
ルからブロツク内振幅σを計算する。除算器８は
平均値分離ベクトル４０をブロツク内振幅７で割
り、平均値分離正規化入力ベクトルＸ′を得る。
すなわち X′_j＝（X_j−m^）／σ コードテーブルアドレスカウンタ１１はコード
テーブルメモリ１２から順次、平均値分離正規化
出力ベクトルｙ′_iを読み出し、レジスタ１３にラ
ツチする。最大要素歪検出器１６は、並列減算器
１４、並列絶対値演算器１５からＸ′とｙ′_iの歪d_i
を次の様に求める。 d_i＝ｄ（Ｘ′、ｙ′_i）＝ max^j ｜x′_j−y′_ij｜ ここでは歪の定義として最大要素歪を用いてい
るが、二乗歪、絶対値歪を用いても構わない。 次に最小歪検出器１７は順次読みだされるｙ′_i
とＸ′との歪d_iの最小値を検出する。すなわち最
小歪ｄは ｄ＝min d_i である。この最小歪となるベクトルがベクトル
Ｘ′のベクトル量子化出力である。最小歪出力ベ
クトルを検出するとストローブ信号がラツチ１９
に送られ、ベクトルのアドレスであるインデツク
ス信号１８を取り込む。ラツチ１９ではブロツク
内平均値のDPCM信号３５、ブロツク内振幅７
も取り込み、これらを符号化器出力信号として出
力する。 次に、第８図に示す復号化器の動作について説
明する。 符号化器出力信号２０を復号化器のラツチ２３
に取り込み、インデツクス信号１８の示すアドレ
スに従つて読み出される平均値分離正規化出力ベ
クトルｙ′_iはレジスタ１３にラツチされる。一
方、ブロツク内平均値のDPCM信号３５からは
次式によつてDPCM復号信号３７が得られる。
すなわち、 m^＝e^_n＋P_n ブロツク内平均値のDPCM復号信号は、ブロ
ツク内平均値のDPCM信号ｅ＾_nにブロツク内平均
値の予測信号P_nを加えたものとして得られる。
予測信号p_n３９は予測器３８によつて得られる。
前記ベクトルｙ′_i２４は乗算器２５にてブロツク
内振幅７を掛け合わされ、加算器２７にて、ブロ
ツク内平均値のDPCM復号信号３７を加算され、
出力ベクトルｙ２８となり、レジスタ２９にラツ
チされて復号化器出力信号３０が得られる。すな
わち、 y_j＝σ・y′_ij＋m^ 出力ベクトルｙは、平均値分離正規化出力ベク
トルｙ′_iにそのブロツク振幅σを掛けブロツク内
平均値のDPCM復号信号m^を加えたものとして得
られる。このとき符号化能率ηは、コードテーブ
ルがＮ個のベクトルを持ち、ブロツク内平均値を
DPCM量子化する量子化器３４がa^ビツトの量子
化レベルを与え、ブロツク内振幅にｂビツト割り
あてられたとすると η＝(log₂N+a^+b)／Ｋ(ビツト/サンプル) である。ここで、log₂NはコードテーブルのＮ個
のベクトルのうちのいずれかを表わすのに必要な
ビツト数である。 なお、この実施例は、符号化側で入力ベクトル
から引くブロツク内平均値がDPCM復号信号で
ある例となつているが、DPCM符号化復号化を
経る前のブロツク内平均値を直接引いても構わな
い。 以上のように、この発明によればブロツク内平
均に予測符号化を施すことによつて量子化効率の
高い符号化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はベクトル量子化の原理を説明する説明
図、第２図は従来のベクトル量子化符号化器の構
成図、第３図は振幅計算器の一例を示す構成図、
第４図は従来のベクトル量子化復号化器の一実施
例を示す構成図、第５図は平均分離正規化ベクト
ル量子化における出力ベクトルの配列を示す説明
図、第６図はこの発明に係るベクトル量子化器に
おける符号化機能部の一実施例を示す構成図、第
７図は第６図におけるDPCM符号化器の一例を
示す構成図、第８図はこの発明に係るベクトル量
子化器における復号化機能部の一実施例を示す構
成図である。 図中、１は入力ベクトル、２は平均値算出器、
３はブロツク内平均値、４は減算器、５は平均値
分離ベクトル、６は振幅計算器、７はブロツク内
振幅、８は除算器、９は平均値分離正規化ベクト
ル、１０はレジスタ、１１はコードテーブルアド
レスカウンタ、１２はコードテーブルメモリ、１
３はコードテーブル出力ベクトルレジスタ、１４
は並列減算器、１５は並列絶対値演算器、１６は
最大要素歪検出器、１７は最小歪ベクトル検出
器、１８はインデツクス信号、１９はラツチ、２
０は符号化器出力信号、２１は絶対値演算器、２
２は平均値演算器、２３はラツチ、２４は平均値
分離正規化出力ベクトル、２５は乗算器、２６は
平均値分離出力ベクトル、２７は加算器、２８は
出力ベクトル、２９は出力ベクトルレジスタ、３
０は復号化器出力信号、３１はDPCM符号化器、
３２は減算器、３３は予測誤差信号、３４は量子
化器、３５はDPCM信号、３６は加算器、３７
はDPCM復号信号、３８はDPCM予測器、３９
はDPCM予測信号、４０は平均値分離ベクトル、
４１は平均値分離正規化ベクトル、４２は遅延素
子、４３は乗算器、Ａは平均値分離正規化回路、
Ｂは歪演算器である。なお、図中同一あるいは相
当部分には同一符号を付して示してある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力信号系列をＫ個（Ｋは複数）毎にブロツ
   ク化した入力ベクトルからブロツク内平均値を分
   離する平均値算出器、過去のブロツク内平均値と
   予測誤差から現在のブロツク内平均値を予測する
   予測器、前記予測器によつて予測されたブロツク
   内平均値と前記平均値算出器により分離された現
   在のブロツク内平均値との予測誤差信号を出力す
   る減算器、前記予測誤差信号をスカラー量子化す
   る量子化器、及び前記予測器により予測されたブ
   ロツク内平均値と前記量子化器により出力レベル
   を減らされた予測誤差信号とを加算し、ブロツク
   内平均値の予測復号信号を求める加算器から構成
   されるDPCM符号化器、及び前記入力ベクトル
   を形成するブロツクの振幅計算をする振幅計算
   器、前記平均値算出器、DPCM符号化器、及び
   振幅計算器から構成され平均値分離正規化ベクト
   ルを形成する平均値分離正規化回路、前記平均値
   分離正規化ベクトルの分布に基づき、あらかじめ
   最小歪となる平均値分離正規化出力ベクトルのセ
   ツトを格納するコードテーブルメモリ、前記コー
   ドテーブルメモリから順次平均値分離正規化出力
   ベクトルを読み出すコードテーブルアドレスカウ
   ンタ、前記コードテーブルメモリに格納される平
   均値分離正規化出力ベクトルと前記平均値分離正
   規化回路から出力される平均値分離正規化ベクト
   ルとを減算する減算器を並列に配した並列減算
   器、前記並列減算器の各出力を入力し、絶対値を
   出力する並列絶対値演算器、並びに前記並列絶対
   値演算器の出力から最大要素歪を算出する最大要
   素歪検出器、及び前記最大要素歪検出器の出力成
   分の中から最小歪である平均値分離正規化出力ベ
   クトルを検出する最小歪出力ベクトル検出器とか
   ら構成される歪演算器、上記平均値分離正規化回
   路、コードテーブルメモリ、コードアドレスカウ
   ンタ、並列減算器、及び歪演算器から構成される
   符号化機能部と、前記最小歪である平均値分離正
   規化出力ベクトルを格納するコードテーブルメモ
   リ、前記平均値分離正規化出力ベクトルに前記ブ
   ロツク内振幅を掛け合せる乗算器、並びに前記ブ
   ロツク内振幅を掛け合せたベクトルに予測復号化
   したブロツク内平均値を加算し、出力ベクトルを
   得る加算器、、上記第２のコードテーブルメモリ、
   乗算器、及び加算器から構成される復号化機能部
   とを具備したベクトル量子化器。 ２ ベクトル量子化器において、ブロツク内平均
   値のDPCM復号信号でベクトルを平均値分離正
   規化する平均値分離正規化回路、及びコードテー
   ブルアドレスと前記ブロツク内平均値のDPCM
   信号とブロツク内振幅とを符号化する符号化器を
   備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のベクトル量子化器。