JPH05210400A - ２分木探索ベクトル量子化データ圧縮処理装置及び方法 - Google Patents

２分木探索ベクトル量子化データ圧縮処理装置及び方法

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JPH05210400A
JPH05210400A JP3200402A JP20040291A JPH05210400A JP H05210400 A JPH05210400 A JP H05210400A JP 3200402 A JP3200402 A JP 3200402A JP 20040291 A JP20040291 A JP 20040291A JP H05210400 A JPH05210400 A JP H05210400A
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ステイーブン・マツクスウエル・パークス
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 本発明は２分木探索ベクトル量子化ＴＳＶＱ
データ圧縮処理装置及び方法に関する。ベクトル量子化
ＶＱはデータ圧縮（符号化）技術である。２分木探索ベ
クトル量子化は、各入力ベクトルを、２分木の個々の節
での分岐の方向を決めるためにコードブックの２つのベ
クトルと比較するＶＱの特殊な形式である。 【構成】 データ圧縮処理は、入力ベクトル６と単一コ
ードベクトルＢ(n)及び関連したスカラ値Ａとの比較に
よって２分木の各節における分岐の方向を決定する２分
木探索ベクトル量子化を用いることにより行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は２分木探索ベクトル量子化（ＴＳ
ＶＱ）データ圧縮処理装置及び方法に関する。ベクトル
量子化（ＶＱ）はデータ圧縮（符号化）技術である。２
分木探索ベクトル量子化は、各入力ベクトルを、２分木
の個々の節での分岐の方向を決めるためにコードブック
の２つのベクトルと比較するＶＱの特殊な形式である。
ベクトル量子化（ＶＱ）は従来周知のデータ圧縮技術で
ある。以下添付図面を参照してベクトル量子化について
説明をする。
【０００２】図１に示されるように、多数の概念標本は
最初に入力ベクトルＸｎを形成するように分類される。
次にＶＱ符号化器１は、入力ベクトルＸｎと符号化器１
及び解読器３の両方に利用できるコードブック(codeboo
k)記憶装置２内の記憶内容を比較する。初期ベクトルに
最も整合したものを見つけるために、コードブック記憶
装置２は探索される。最も整合したベクトルＵｎのイン
デックス(index) は解読器３に送られ（図１参照）再構
ベクトルＺｎが作られる。解読器３は送られてきたイン
デックスＵｎを使って、コードブック記憶装置２内の最
も整合したベクトルを簡単に見つけ出す。このベクトル
量子化の方法は、全探索ＶＱとして公知である。ベクト
ルを一標当りＢ個のビットとＮ標本とに圧縮するために
は、２BNのコードブックが必要である。全探索ＶＱは２
BNのベクトル比較を必要とする。
【０００３】ベクトルコードブックは、初期コードブッ
クを形成し、そしてベクトル量子化器が使用されること
になるデータ形式のデータ例のトレーニング系列におい
て初期コードベクトルの実行を最適化することにより形
成され得る。代わりに、トレーニング系列の代表点を初
めに捜すことによりコードベクトルを形成することもで
きる。有利には、その代表点は全てのトレーニング系列
を最適に表す単一ベクトルである。この単一ベクトルは
スモール・パータベイション（small perturbation）を
用いることにより２つに分割され、第２のベクトルを形
成する。これら２つのベクトルは、全トレーニング系列
を用いることにより最適化され、トレーニング系列を最
適に表す２つのコードベクトルが得られる。これらのコ
ードベクトルは全部で４つのコードベクトルに分割さ
れ、これらは再度トレーニング系列を用いて最適化され
る。コードベクトルの分割及び最適化処理（操作）は、
コードブックが必要とされた大きさになるまで繰り返さ
れる。このコードブック形成方法は分割技術として公知
である。
【０００４】基本ＶＱ技術は各種の変形が可能であり、
全探索技術の計算方法及び／又は記憶能力を改善させる
ことができる。これらの変形の一つが２分木探索ベクト
ル量子化（ＴＳＶＱ）である。ＴＳＶＱはコードブック
形成の分割方法から自然に生まれてくる。従来、１つの
標本ベクトル(sample vector) は２つのコードブックベ
クトル（初期トレーニング系列の代表点を分割し、最適
化した後に形成される）と比較される。比較結果に関し
て、符号化２分木の２つの枝の一方が選択される（図２
参照）。次に標本ベクトルは、２分木の次の節で、別の
対のコードブックベクトルと比較される。これらのコー
ドブックベクトルはコードブックベクトル形成の第２の
レベルで形成されたものである。そして再度、比較結果
に応じて符号化２分木の二つの枝の一方が選択される。
この処理は、コードベクトルインデックスが送信される
レベルに２分木の最下レベルが到達するまで続けられ
る。
【０００５】２分木探索ＶＱは、全探索ＶＱより効果的
である。２分木探索ＶＱはベクトル比較の回数が少な
く、全探索方法では２BN回の比較が必要であるのに対し
てＢＮ回のベクトル比較でよい。しかしながら、２分木
探索ＶＱは最適ではなく、適当に構成されたコードブッ
クにしか使用できない。さらに、従来の２分木探索ベク
トル量子化は、各節段階で約６回の比較演算という比較
的大きな処理能力を必要とする。又２分木探索ＶＱは従
来の全探索ＶＱより大きなベクトルコードブック記憶装
置を必要とする。従って、２分木探索ベクトル量子化デ
ータ圧縮処理方法及び装置は全体的に改良する必要があ
り、好ましくは従来の２分木探索ベクトル量子化技術よ
り処理能力及び／または記憶容量を少なくする必要があ
る。
【０００６】本発明の一つの解釈によれば、入力ベクト
ルを形成する入力サンプルを受け、記憶するベクトル記
憶装置と、各々、単一コードベクトル及び関連したスカ
ラ値の形態で複数の入口（入力）を保持するベクトルコ
ードブック記憶装置と、入力ベクトルを上記単一コード
ベクトル及び関連したスカラ値と比較して２分木の各節
における分岐の方向決定させる比較装置とを有する２分
木探索ベクトル量子化データ圧縮処理装置が提供され
る。好ましくは、比較装置は、特定の節におけるコード
ベクトルと初期ベクトルとの内積をその節に関連したス
カラ値に加算し、そしてその加算結果を分析し、結果が
負の場合２分木の一方の枝を取とらせ、結果が正もしく
は０である場合には２分木の他方の枝を取らせるように
作動できる計算ユニットである。
【０００７】代わりに、比較装置は、特定の節における
スカラ値をその節のコードベクトルと初期ベクトルの内
積に加算し、そしてその加算結果を分析し、結果が負で
ある場合には２分木の一方の枝を取らせ、結果が正もし
くは０である場合には２分木の他方の枝を取らせるよう
に作動できる計算ユニットであり得る。さらに別の実施
例によれば、比較装置は、特定の節におけるコードベク
トルと初期ベクトルの内積を計算し、そしてその計算結
果をその節のスカラ値と比較して、スカラ値が内積より
も大きい場合には２分木の一方の枝を取らせ、スカラ値
が内積と同じか、もしくはそれより小さい場合には２分
木の他方の枝を取らせるように作動できる計算ユニット
であり得る。有利には、計算ユニットは単一乗算累算器
である。代わりに、計算ユニットは複数の乗算累算器で
あり得る。有利には、計算ユニットはシストリックアレ
イ処理装置（systolic arrayprocessor）もしくは、ウ
エイブフロントアレイ処理装置（wavefront array proc
essor ）である。
【０００８】好ましくは、ベクトル記憶装置は先行する
入力ベクトルの処理されている間に新しい入力ベクトル
がロードできるように作動できる蓄積記憶装置である。
有利には、ベクトルコードブック記憶装置は、読出し，
書込み可能な蓄積装置（ＲＡＭ）もしくは、読出し専用
記憶装置（ＲＯＭ）である。有利には、２分木探索ベク
トル量子化データ圧縮処理装置はベクトル記憶装置内の
入力標本及びベクトルコードブック記憶装置内のコード
ベクトルの要素にアクセス(access)する標本カウンター
を備えている。好ましくは、２分木探索ベクトル量子化
データ圧縮処理装置は２分木探索ベクトル量子化の種々
のレベルに相当したコードブック記憶装置の関連領域を
アクセスするように作動できるレベルカウンターを備え
ている。有利には、２分木探索ベクトル量子化データ圧
縮処理装置は入力ベクトルとコードブックベクトルとを
比較する比較装置によって計算されている間コードイン
デックスの電流値を保持し、コードブック記憶装置内の
適当なコードベクトルを直接アクセスするように作動で
きるコードインデックス置数器を備えている。
【０００９】又２分木探索ベクトル量子化データ圧縮処
理装置は、装置の動作を指示するシステム制御装置を備
え得る。本発明の別の特徴によれば、入力ベクトルと単
一コードベクトル及び関連したスカラ値との比較によっ
て２分木の個々の節での分岐の方向を決める２分木探索
ベクトル量子化を使用しているデータ圧縮処理の方法が
提供される。本発明をより良く理解し、しかも本発明が
どのように実施され得るかを示すために、以下例として
添付図面に関して説明する。添付図面を参照にすると、
一ベクトル当りのＮ個の標本及び、２BN（Ｂは一標本当
りのビット数である）の大きさのコードブックを有する
従来の２分木探索ベクトル量子化装置が考察されてい
る。相応した２分木探索ベクトル量子化装置に対してＢ
Ｎ個の段階が必要である。各段階において、入力ベクト
ルは可能なコードベクトルと比較され、２分木のどの枝
かを決定して最終コードベクトルインデックスを形成す
るようにしなければならない。そのため、合計で２×Ｂ
Ｎ回のベクトル比較が必要になる。
【００１０】通常、ベクトル比較は式（１）で与えられ
るように差の２乗の和である。
【００１１】
【００１２】式中ｃ(n) はコードブックベクトルそして
ｓ(n) は入力ベクトルである。各節において、問題は二
つのコードベクトルのうちどちらが入力ベクトルに最も
よく整合しているかを決定することにある。もしｃ
1 (n) を一方のコードベクトルとしｃ2 (n) を他方のベ
クトルとするなら、式（２）が成立つ場合には、コード
ベクトルｃ1 (n) が選択される。
【００１３】
【００１４】関係式（２）の値を求めるには、２Ｎ回の
減算，２Ｎ回の乗算，２（Ｎ−１）回の加算、及び１回
の比較が必要である。ＴＳＶＱの各段階での各ベクトル
当りの演算は全部でだいたい６Ｎ回である。この数は全
木探索（entire ＴＳＶＱ）の場合の一標本当りの６Ｂ
Ｎ回の演算に相当する。関係式（２）を変形すると式
（３）が導かれる。
【００１５】
【００１６】上式（３）を展開すると
【００１７】
【００１８】となり、そして上式（４）をまとめると、
【００１９】
【００２０】となる。従って、下式が成り立つ。
【００２１】
【００２２】式（６）においてＡは任意に与えられたコ
ードベクトルの対、言換えればＴＳＶＱの任意の節に対
する定数（スカラ値）である。又コードベクトルの差ｃ
2 (n)-ｃ1 (n) は次式で表される他のベクトルｂ(n) に
置き換えられ得る。 ｂ(n)=2[ｃ2 (n)-ｃ1 (n)] （７） 関係式（５）に関係式（６）及び関係式（７）を代入す
ることにより次式が求められる。
【００２３】
【００２４】本発明の２分木探索ベクトル量子化データ
圧縮処理装置は添付図面の図３に４で略示され、基本的
には入力ベクトルを形成している入力標本６を受け、記
憶するベクトル記憶装置５，各々、単一コードベクトル
Ｂ(n) 及び関連したスカラ値Ａの形で記憶内容を保持し
ているベクトルコードブック記憶装置７（好ましくは読
出し，書込み可能な記憶装置）、及び２分木の個々の節
で分岐の方向を決めるために、入力ベクトルを前記単一
コードベクトルＢ(n) 及び前記スカラ値Ａと比較する装
置を有する基本符号化器である。従って、２分木探索ベ
クトル量子化（ＴＳＶＱ）符号化器すなわち装置４にお
いては、各節での２つの従来のコードベクトル（ｃ
1 (n) 及びｃ2 (n) ）は一つのコードベクトル（例え
ば、Ｂ(n)=2[ｃ2 (n)-ｃ1 (n)]）及びスカラ値（ 例え
ば、
【００２５】
【００２６】このことは、本発明では、２分木の各節で
の分岐の方向が、入力ベクトルと単一コードベクトル及
び関連したスカラ値との比較によって決められることを
意味している。好ましくは、比較装置は、特定の節にお
けるコードブックベクトルＢ(n) と初期ベクトルとの内
積（ドット積として知られている）をその節のスカラ値
に加算し（すなわち、
【００２７】
【００２８】そしてその加算結果を分析し、結果が負で
ある（図２のように）場合には２分木の一方の枝を選択
し、また結果が正もしくは０である場合には２分木の他
方の枝を選択するように作動できる計算ユニットであ
る。内積は以下に示すように積の和で与えられる。 Ａ−Ｂ＝ａ1 ｂ1 ＋ａ2 ｂ2 ＋………＋ａn ｂn 上式中ａ1 ，ａ2 ，…，ａn はベクトルＡの標本であ
り、ｂ1 ，ｂ2 ，…，ｂnはベクトルＢの標本である。
代わりに、比較装置は特定の節におけるスカラ値をその
節のコードブックベクトルＢ(n) と初期ベクトルとの内
積に加算し（すなわち、
【００２９】
【００３０】そしてその加算結果を分析し、結果が負で
ある場合には２分木の一方の枝を選択し、また結果が正
もしくは０である場合には２分木の他方の枝を選択する
ように作動できる計算ユニットであり得る。
【００３１】さらに別の実施例によれば、比較装置は特
定の節におけるコードブックベクトルＢ(n) と初期ベク
トルとの内積を計算し（すなわち、
【００３２】
【００３３】そしてその計算結果をその節のスカラ値Ａ
と比較してスカラ値Ａが内積よりも大きい場合には２分
木の一方の枝を選択し、スカラ値Ａが内積と同じか、も
しくはそれより小さい場合には２分木の他方の枝を選択
するように作動できる計算ユニットである。
【００３４】好ましくは、計算ユニットは８で示された
単一乗算累算器である。代わりに、計算ユニットは複数
の乗算累算器８，シストリックアレイ処理装置もしくは
ウエイブフロントアレイ処理装置であり得る。本発明の
装置１では、比較
【００３５】
【００３６】は、乗算器８ａ及び、加算器８ｂ，選択器
８ｃ及び置数器８ｄから成る累算器を有する乗算累算器
ユニット８の構成を用いて、累算置数器８ｄにＡを予め
ロードし、次に置数器の中に初期ベクトルＳ(n) とコー
ドブックベクトルｂ(n) との内積であるベクトルの全部
でＮ回の標本に関するｓ(n) ×ｂ(n) の和を蓄積するこ
とにより行なわれ得る。その後、累算器のサインビット
(sign-bit)は分析され、結果が負（＜０）の場合を識別
し、その場合にはコードベクトルｃ1 に相当するＴＳＶ
Ｑ枝が選択される。ＴＳＶＱの個々の節はＮ回の乗算と
Ｎ回の加算すななわち２Ｎ回の演算を必要とし、これ
は、直接ＴＳＶＱ法に必要な６Ｎ回の演算の３分の１で
ある。これは一標本当りＢＮ回の乗算累算に相当する一
ベクトル当りＮ回の乗算累算法に相当する。コードブッ
クに必要な記憶空間もしくは記憶装置７は、削減される
ことも認められるべきである。
【００３７】装置１では、ベクトルを形成している入力
標本６はベクトル記憶装置５にいれられる。ベクトル記
憶装置５は、先のベクトルが処理されている間に新しい
ベクトルを導入するような記憶蓄積装置であり得る。好
ましくは、ベクトルコードブック記憶装置７はＲＡＭで
あるが、しかし読出し専用記憶装置（ＲＯＭ）でも良
い。コードブックの個々の入力は、スカラ定数Ａ及びベ
クトルＢ(n) から成っている。ベクトルＢ(n) の要素は
標本カウンター９でアクセスされ、この標本カウンター
９はまたベクトル記憶装置内の標本もアクセスする。レ
ベルカウンター10はＴＳＶＱの種々のレベルに相当する
コードブックの関連領域をアクセスするために用いら
れ、そしてコードインデックス置数器はコードインデッ
クスの電流値（ＴＳＶＱで計算された）を保持するため
に用いられる。又コードインデックス置数器はコードブ
ックの適当なコードベクトルを直接アクセスにも用いら
れる。
【００３８】代わりに、レベルカウンター及びコードイ
ンデックス置数器は一つのアドレスの発生器として結合
され得る。
【００３９】乗算累算器は選択器８ｃを介して予めロー
ド(prelode) される。システム制御装置12は、ＴＳＶＱ
処理構成要素の記憶部分を形成する。システム制御装置
12は装置１の演算を管理している。新しいベクトルがベ
クトル記憶装置５にロードされると、コードインデック
ス置数器11，標本カウンター９及びレベルカウンター10
はリセットされ、その結果、コードブックのルートベク
トル(root vector) がアドレスされる。相当した定数Ａ
の値は、累算置数器８ｄ内にロードされる。そして、標
本カウンター９は個々のベクトル標本及びコードブック
ベクトルの要素Ｂ(n) を順にアクセスする。前記ベクト
ルは乗算器８ａで一緒に乗算され、そして累算器の構成
要素である８ｂ，８ｃ及び８ｄで累算される。ベクトル
の最終標本に到達すると、累算置数器８ｄのサインビッ
ト14は、相応に調節されたシステム制御装置12及びコー
ドインデックス11で照合される。選択された第２レベル
節で、標本カウンター９はリセットされ、レベルカウン
ター10は増加し、全てのベクトル乗算累算演算は繰り返
される。このようにして、演算はＴＳＶＱの全てのレベ
ルに回るまで続く。そしてコードインデックス13はコー
ドインデックス置数器11を読み出し、次の標本ベクトル
６が処理される。
【００４０】システム制御装置12はサインビット14，乗
算器／累算器制御装置15，ベクトル記憶装置制御装置1
6，標本カウンター制御装置17，レベルカウンター制御
装置18及びコードインデックス制御装置19に対する設備
を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の全探索ベクトル量子化装置の基本構成の
ブロック線図
【図２】従来の２分木探索ベクトル量子化装置の基本構
成のブロック線図
【図３】本発明の第１の実施例による２分木探索ベクト
ル量子化データ圧縮処理装置のブロック線図
【符号の説明】
１ 符号化器 11 コード
インデックス置数器 ２ コードブック 12 システ
ム制御装置 ３ 解読器 13 コード
インデックス ４ 装置 14 サイン
ビット ５ ベクトル記憶装置 15 乗算器
／累算器制御装置 ６ 入力標本 16 ベクト
ル記憶装置制御装置 ７ ベクトルコードブック記憶装置 17 標本カ
ウンター制御装置 ８ 乗算累算器 18 レベル
カウンター制御装置 ９ 標本カウンター 19 インデ
ックス制御装置 10 レベルカウンター

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力ベクトルを形成する入力サンプルを
    受け、記憶するベクトル記憶装置（５）と、各々、単一
    コードベクトル（Ｂ(n) ）及び関連したスカラ値（Ａ）
    の形態で複数の入口（入力）を保持するベクトルコード
    ブック記憶装置（７）と、入力ベクトル（６）を上記単
    一コードベクトル（Ｂ(n) ）及び関連したスカラ値
    （Ａ）と比較して２分木の各節における分岐の方向決定
    させる比較装置（８）とを設けたことを特徴とする２分
    木探索ベクトル量子化データ圧縮処理装置。
  2. 【請求項２】 比較装置（８）は、特定の節におけるコ
    ードベクトル（Ｂ(n)）とソース（初期）ベクトルとの
    内積をその節の関連したスカラ値に加算し、そしてその
    加算結果を分析し、結果が負の場合には２分木の一方の
    枝を取らせ、結果が正もしくは０である場合には２分木
    の他方の枝を取らせるように作動できる計算ユニットで
    ある請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 比較装置（８）は、特定の節におけるス
    カラ値をその節のコードベクトル（Ｂ(n) ）と初期ベク
    トルとの内積に加算し、そしてその加算結果を分析し、
    結果が負である場合には２分木の一方の枝を取らせ、結
    果が正もしくは０である場合には２分木の他方の枝を取
    らせるように作動できる計算ユニットである請求項１に
    記載の装置。
  4. 【請求項４】 比較装置（８）は、特定の節におけるコ
    ードベクトル（Ｂ(n)）とソース（初期）ベクトル（Ｓ
    (n) ）との内積を計算し、そしてその計算結果をその節
    のスカラ値（Ａ）と比較して、スカラ値（Ａ）が内積よ
    りも大きい場合には２分木の一方の枝を取らせ、スカラ
    値（Ａ）が内積と同じか、もしくはそれより小さい場合
    には２分木の他方の枝を取らせるように作動できる計算
    ユニットである請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 計算ユニット（８）が単一乗算累算器で
    ある請求項２〜４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 計算ユニット（８）が複数の乗算累算器
    である請求項２〜４のいずれか一項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 計算ユニット（８）がシストリックアレ
    イ処理装置である請求項２〜４のいずれか一項に記載の
    装置。
  8. 【請求項８】 計算ユニット（８）がウエイブフロント
    アレイ処理装置である請求項２〜４のいずれか一項に記
    載の装置。
  9. 【請求項９】 ベクトル記憶装置（５）が、先行する入
    力ベクトルの処理されている間に、新しい入力ベクトル
    をロードできるように作動できる蓄積記憶装置である請
    求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 ベクトルコードブック記憶装置（７）
    が、読出し，書込み可能な蓄積装置（ＲＡＭ）もしく
    は、読出し専用記憶装置（ＲＯＭ）である請求項１〜９
    のいずれか一項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 ベクトル記憶装置（５）内の入力標本
    （６）及びベクトルコードブック記憶装置（７）内のコ
    ードベクトル（Ｂ(n) ）の要素をアクセスする標本カウ
    ンタ（９）が設けられる請求項１〜10のいずれか一項に
    記載の装置。
  12. 【請求項１２】 ２分木探索ベクトル量子化の種々のレ
    ベルに相当したベクトルコードブック記憶装置（７）の
    関連領域をアクセスするように作動できるレベルカウン
    タ（10）が設けられる請求項１〜11のいずれか一項に記
    載の装置。
  13. 【請求項１３】 入力ベクトル（６）とコードブックベ
    クトル（Ｂ(n) ）とを比較する比較装置（８）よって計
    算されている間コードインデックスの電流値を保持し、
    コードブック記憶装置（７）内の適当なコードベクトル
    （Ｂ(n) ）を直接アクセスするように作動できるコード
    インデックス置数器（11）が設けられる請求項１〜12の
    いずれか一項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 装置（４）の動作を指示するシステム
    制御装置（12）が設けられる請求項11〜13のいずれか一
    項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 ２分木の各節における枝の方向が、入
    力ベクトル（６）と単一コードベクトル（Ｂ(n) ）及び
    関連したスカラ値とを比較することによって決定される
    ことを特徴とする２分木探索ベクトル量子化を利用した
    データ圧縮処理方法。
JP3200402A 1990-08-10 1991-08-09 ２分木探索ベクトル量子化データ圧縮処理装置及び方法 Pending JPH05210400A (ja)

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