JPH0490217A - ベクトル量子化法および音声符号化復合化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、音声信号の符号化復号化装置に用いられるベ
クトル量子化法および音声符号化復号化装置に関するも
のである。

従来の技術 現在のディジタル移動通信の分野では、その加入者の増
加に対応するために、より低ビツトレートで音声を伝送
できる音声符号化復号化装置が望まれている。その低ビ
ツトレート音声符号化を行うには、音声の冗長性を利用
して大幅な情報圧縮を行わなくてはならない。その情報
圧縮法の一つとして従来からベクトル量子化という手法
が用いられてきた。

ベクトル量子化とは、複数のアナログ値情報をベクトル
としたときのベクトル集合の統計的偏りを利用して、複
数のベクトル（セントロイド）が格納されていることを
特徴とする符号帳を用℃・て符号化するものである。符
号化されるベクトルは、符号帳のセントロイドとの距離
計算の後、最も近（・セントロイドの番号に符号化され
る。この方法により、複数の情報が一つの番号に変換さ
れるので、大幅な情報圧縮が実現される。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、このベクトル量子化を用いたアルゴリズ
ムでは、セントロイドとの距離計算に非常に大きな計算
量を必要とするために、リアルタイム処理ができないと
いう問題が起る。特に、ベクトルの次数の大きい音声情
報の圧縮では、その計算量は膨大になる。例を挙げろと
、ベクトルの次数が１００で、符号帳サイズ２０４８で
は、２０万回の掛は算と２千回の大小比較が必要になる
。ディジタル音声信号の分析単位を２０ｍ５ｅｃとする
と、符号帳参照だけで１秒間に１千万回もの掛は算が必
要となる。

本発明は、符号帳の参照の際に、セントロイドとの距離
計算を用いずに、セントロイドとセントロイドとの判別
境界面の式を段階的に適用することにより、計算量を指
数的に大幅に削減しようとするものである。

課題を解決するための手段 この目的を達成するために、本発明によるベクトル量子
化法は、多次元ユークＩＪ　ノド空間上に分布するベク
トルであるセントロイドの集合と、セントロイド集合を
２分割する多次元平面の係数が格納されている多次元平
面係数格納部を設け、多次元平面係数格納部に格納され
ている係数を用いて候補集合を絞り込むことによって、
入力されたベクトルに対してセントロイドの集合の中で
最も近いセントロイドをサーチするように構成されてい
る。

また、本発明による音声符号化復号化装置は、音声信号
を分析することによって得られる数種類の骨組をパワー
とピッチの情報で符号化する骨組符号化手段と、符号付
けられた複数の骨間波形セン）ロイドが格納されている
骨間波形符号帳と、骨間波形符号帳内の骨間波形セント
ロイドの集合に対して２分割のクラスタ分析をすること
によって得られる骨間波形セントロイドの集合を２分割
する多次元平面の係数が格納されている多次元平面係数
格納部と、骨組符号化手段で得られた骨組の間に張られ
る骨間波形をベクトル量子化するために、多次元平面係
数格納部に格納された係数を用いて候補集合を絞り込む
ことによって、骨組符号化手段で得られた骨組の間に張
られる骨間波形に最も近い骨間波形セントロイドを選択
する骨間波形符号化手段を有する符号器と、骨間波形符
号化手段によって符号化された情報をもとに、２種類の
骨組を作成する骨組復号化手段と、符号付けられた複数
の骨間波形セントロイドが格納されている骨間波形符号
帳と、骨間波形符号化手段によって符号化された情報を
もとに、骨間波形符号帳の利用によりその骨組の間に張
られる骨間波形を復号化する骨間波形復号化手段を有す
る復号器とを設けるように構成されている。

作用 本発明は、符号帳の参照に必要な計算量の大部分がセン
トロイドとの距離の計算量であることに着目したもので
あり、上記構成により最も近いセントロイドな求めるの
に、セントロイドとの距離計算を行わずに、セントロイ
ド集合を２分割する多次元平面の式に代入し、その正負
から最も近いセントロイドがどぢらの集合に存在するか
を求め、その情報を用いて段階的に候補集合を小さくし
ていき、最終的に最も近いセントロイドを求めろもので
ある。これにより、計算量を指数的に大幅に削減するこ
とができる。

実施例 本発明の詳細な説明するために、まず例として、入力ベ
クトルが、２つのセントロイドのうちのどぢらに近（・
かを求める問題を考える。

ベクトルの次数をｄ次とする。従来法では、２つのセン
トロイドとの距離を求めてどちらが小さ（・かを判別す
るという手順であるから、ユークリッド距離で２ｄ回の
掛は算が必要となる。ここで、２つのセントロイドから
等距離にある多次元平面の式に入力ベクトルを代入して
その正負を判別するという方法によると、ｄ回の掛は算
で全く同じ性能を得る事ができる。

そこで、符号帳が２のに乗のサイズであると仮定スると
、セントロイド集合を２つに分割する多次元平面の式を
段階的に用意し、それらの式を使つて最も近いセントロ
イドが含まれる候補集合を絞り込み、最終的に一つのセ
ントロイドを選択スるような探索を行えば、同様の作用
で計算量はｌ　ｏ　ｇ　２　Ｋ　／　Ｋに削減される。

例を挙げると、ベクトルの次数が１００で、符号帳サイ
ズ２０４８では、２０００００回の掛は算が１２００回
に削減される。従って、大幅な計算削減が実現でき、上
記目的が達成される。

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。

本発明の実施例として、音声符号化法の一つである骨組
（パルスの時系列）と骨間波形による音声符号化・復号
化システムへの応用例を示す。第１図は、本発明の一実
施例における骨組と骨間波形による音声符号化・復号化
システムの機能ブロック結線図である。

第１図において、１は符号器、２は復号器、３は入力音
声、４はパワー計算部、６はピッチ分析部、６は骨組検
索部、７は骨間波形選択部、８は骨間波形符号帳、９は
多次元平面係数格納部、１０は骨組形成部、１１は波形
合成部、１２は骨間波形符号帳、１３は出力音声である
。

各ブロックの動作を以下に説明ずろ。

符号器１においては、まず、音声信号をサンフリングし
てディジタル信号に変換し、一定時間長（１フレーム）
ごとに区切った入力音声に対して、パワー計算部４にお
いて、その区間内の平均パワーを求めて、補助情報とす
る。

次に、ピッチ分析部６において、その区間内のピンチを
求め、ピッチ情報とする。骨組検索部６においては、ピ
ッチ情報を基に、１ピツチ内の信号で、正と負で絶対値
最大となる２つの信号を検索し、その２つの信号の位置
と、信号の振幅と、前述したピンチ情報とを骨組情報と
する。

骨間波形選択部７０機能を第２図を用℃・て説明する。

まず、前述した骨組情報を基に、１ピツチ内において、
骨組となる正の最大信号から負の最大信号までの間に張
られる波形と、負の最大信号から正の最大信号までの間
に張られる波形とを求めて、これを基本骨間波形ベクト
ルとする。

次に、２つの基本骨間波形ベクトルを端点固定（時間的
・パワー的）に正規化した後、ベクトル量子化によって
符号化を行う。骨間波形符号帳８に格納されている番号
付けられた骨間波形セントロイドと比較し、正規化され
た基本骨間波形ベクトルに最も近い骨間波形セントロイ
ドに付℃・ている番号を骨間波形情報とする。本発明で
は、骨間波形セントロイドとのユークリッド距離計算に
よるセントロイド選択は行わず、多次元平面係数格納部
９に格納された多次元平面係数を用いた候補集合の絞り
込みによるセントロイド選択を行う。

そして、上記のパワー情報、骨組情報、骨間波形情報を
単位時間の音声の符号として伝送する。

ここで、骨間波形選択部７における、多次元平面係数格
納部９に格納された多次元平面係数を用いた候補集合の
絞り込みによるセントロイド選択のアルゴリズムについ
て以下に述べる。また、そのセントロイドの選択の様子
を、符号帳サイズ８の場合について第３図に図示する。

く１〉　まず、セントロイドの全体集合を２つに分けろ
多次元平面の式に入力ベクトルを代入し、その正負から
どちらの集合に属するセントロイドに近いかを判別する
（第３図（ａ））。

く２〉　次に、判別された集合を２つに分ける多次元平
面の式に代入し、その正負からどちらの集合に属するセ
ントロイドに近いかを判別する（第３図（ｂ））。

＜３＞　　＜２＞を候補集合の要素が２つになるまで繰
返す（第３図（Ｃ））。

〈４〉　最後に、２つのセントロイドから等距離にある
多次元平面の式に代入し、その２つのセントロイドのう
ちどちらに近いかを判別し、近いと判別されたセントロ
イドの番号を骨間波形情報とする（第３図（ｄ））。

また、この時に用いられる多次元平面の式の係数は、い
ずれも多次元平面係数格納部９に格納されているが、多
次元平面係数格納部９および骨間波形符号帳８は次の手
順で作成する。

く１〉　あらかじめ、音声を分析することによって得ら
れる基本骨間波形ベクトルを多くの音声テークについて
集め、それぞれを端点固定（時間的、パワー的）に正規
化して、骨間波形母集団を作成する。

〈２〉　骨間波形母集団に対して、クラスタ分析を行い
、指定の個数のセントロイドを求め、これを骨間波形符
号帳８とする。

く３〉　骨間波形符号帳８０セントロイド集合に対して
、多次元平面による２分割のクラスタ分析を行う。さら
に、その２分割されたセントロイド集合それぞれに対し
て２分割のクラスタ分析を行う。そして、クラスタの要
素の数が１になるまで分析を行い、その過程で求められ
る２つのクラスタを分ける多次元平面の式の係数を集め
、これを多次元平面係数格納部９に格納する。

次に、復号器の動作を第４図を用いて説明する。

まず、骨組形成部１０においては、前述した符号化によ
って得られるパワー情報と骨組情報を基に、音声の骨組
を形成する。第４図の上部は、この骨組の一例であり、
骨組が骨組情報に基づいて形成されている様子を示す。

波形合成部１１においては、骨間波形情報に基づいて、
符号器１に格納されているものと同じ骨間波形符号帳１
２かも基本骨間波形を選び、骨組に応じて時間的・パワ
ー的に変換して各骨の間に張り、この波形を出力音声と
する。第４図下部はこの波形合成の一例である。骨間波
形情報に基づいて、骨間波形符号帳１２から選び出した
２種類の骨間波形サンプルによって、骨組の間に基本骨
間波形を張っている様子を示している。

本発明の効果を示すために、乱数コードプククによる判
別シミーレーション実験を行った。セントロイド集合と
しては次数１０の乱数ベクトルの集合を用いる。入力す
るサンプル集合としては、セントロイド集合とは別の乱
数ベクトルの集合を用いる。いずれのベクトルもベクト
ルの各値は０〜１の乱数で、また集合のサイズは１０２
４である。従来のユークリッド距離を用いた方法を方法
１とし、本発明による多次元平面を用いたサーチ法を方
法２としてサーチを行う。また、方法２によってサーチ
されたセントロイドの近傍から３２候補のセントロイド
を選んで、それらの候補とのユークリッド距離を求めて
最も近いセントロイドを求める方法を方法３とする。方
法３は方法２の性能を向上させたものである。多次元平
面でサーチした場合は、距離が一番近いセントロイドが
選ばれるとは限らない。従って、方法２および３の場合
は、いかに距離の小さいセントロイドなサーチできたか
がその方法の性能となる。その性能を評価するために、
選ばれたセントロイドが、ユークリッド距離の近い順で
平均何位であるかと、１位で選ばれた個数とを求める。

本明細書の第１６頁に示す表１は、各方法における１０
２４個のサンプルに対する乗算の数と、平均順位と１位
に選ばれた個数とを示したものである。

本実験により、本発明によりほぼ同等の性能で大幅な計
算量削減を実現できることが検証された。

以下余白 表１　性能評価 発明の効果 以上のように本発明は、最も近いセントロイドを求める
のにセントロイドとの距離計算を行わずに、セントロイ
ド集合を２分割する多次元平面の式に代入し、その正負
から最も近いセントロイドがどちらの集合に存在するか
を求め、段階的にセントロイド候補集合を小さくしてい
き、最終的に最も近いセントロイドを求めるようにした
ので、計算量を指数的に大幅に削減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるヘクトル量子化法お
よび音声符号化復号化装置のブロック結線図、第２図は
同実施例における骨間波形選択部７の動作を示す概念図
、第３図（ａ）から第３図（ｄ）は同実施例における骨
間波形選択部７０セントロイドの選択動作を示す概念図
、第４図は同実施例における復号器２の動作を示す概念
図である。 １・・・符号器、２・・・復号器、３・・・入力音声、
４・・パワー計算部、６・・・ピンチ分析部、６・・・
骨組検索部、７・・・骨間波形選択部、８・・・骨間波
形符号帳、９・・・多次元平面係数格納部、１０・・・
骨組形成部、１１・・・波形合成部、１２・・・骨間波
形符号帳、１３・・・出力音声。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名（イ
）玉 第２図 号 号 区 階 Ｏ ○ ○ 最も近いと選択されたセントロイド ○ ○ ○ 第 図 Ｍ、Ｎ・・・骨間波形情報

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多次元ユークリッド空間上に分布するベクトルで
   あるセントロイドの集合と、上記セントロイド集合を２
   分割する多次元平面の係数が格納されている多次元平面
   係数格納部を有し、上記多次元平面係数格納部に格納さ
   れている係数を用いて候補集合を絞り込むことによつて
   、入力されたベクトルに対して上記セントロイドの集合
   の中で最も近いセントロイドをサーチすることを特徴と
   するベクトル量子化法。
2. （２）音声信号を分析することによつて得られる数種類
   の骨組をパワーとピッチの情報で符号化する骨組符号化
   手段と、符号付けられた複数の骨間波形セントロイドが
   格納されている骨間波形符号帳と、上記骨間波形符号帳
   内の骨間波形セントロイドの集合に対して２分割のクラ
   スタ分析をすることによつて得られる骨間波形セントロ
   イドの集合を２分割する多次元平面の係数が格納されて
   いる多次元平面係数格納部と、上記骨組符号化手段で得
   られた骨組の間に張られる骨間波形をベクトル量子化す
   るために、上記多次元平面係数格納部に格納された係数
   を用いて候補集合を絞り込むことによつて、上記骨組符
   号化手段で得られた骨組の間に張られる骨間波形に最も
   近い骨間波形セントロイドを選択する骨間波形符号化手
   段を有する符号器と、上記骨間波形符号化手段によつて
   符号化された情報をもとに、２種類の骨組を作成する骨
   組復号化手段と、符号付けられた複数の骨間波形セント
   ロイドが格納されている骨間波形符号帳と、上記骨間波
   形符号化手段によつて符号化された情報をもとに、上記
   骨間波形符号帳の利用によりその骨組の間に張られる骨
   間波形を復号化する骨間波形復号化手段を有する復号器
   とを備えたことを特徴とする音声符号化復号化装置。