JPH0556008A

JPH0556008A - ベクトル量子化装置

Info

Publication number: JPH0556008A
Application number: JP3267356A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Asakawa; 吉章淺川; Katsuya Yamazaki; 山崎　　勝也; Hiroshi Ichikawa; 熹市川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-10-17
Filing date: 1991-10-16
Publication date: 1993-03-05

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、相補型ベクトル量子化の線形
結合に用いるコードベクトルを指定する指標の一部を伝
送不要とすることによって、伝送情報量を飛躍的に低減
するベクトル量子化装置を提供することにある。【構成】上記目的を達成するために、本発明のベクトル
量子化装置では、相異なる指標に対応づけられた複数個
のコードベクトルを格納するコードブック(401)と、あ
らかじめ定められた大きさのブロック（フレーム）に分
割された信号を入力し、ベクトルに変換する変換手段(4
02)と、前記ベクトルを前記コードブックに格納されて
いる前記コードベクトルと照合し、その照合結果に基づ
き前記指標のうち少なくとも１つを出力する照合手段(4
06)と、該照合手段の出力結果に基づき、前記コードブ
ックに格納されている前記コードベクトルの情報を用い
て前記ブロックに分割された信号を復元する復元手段(4
10)と、前記照合手段の出力結果を少なくとも１ブロッ
ク分記憶する記憶手段(420)と、該記憶手段に記憶され
ている指標を参照して前記照合手段と前記復元手段を制
御する手段(410)とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は信号のベクトル量子化装
置に係り、特に高品質な低ビットレート音声符号化に好
適なベクトル量子化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、音声高能率符号化方式には、様々
な方式が提案されてきた。例えば、中田和男著「ディジ
タル情報圧縮」（廣済堂産報出版、電子科学シリーズ１
００、１９８４年発行）には、様々な方式がわかりやす
く解説されており、波形符号化方式や情報源符号化方式
（パラメータ符号化方式）に関する多数の方式が示され
ている。また、従来、音声の分析合成には、様々な方式
が提案されてきた。特に、情報圧縮率を高めたものとし
て、いわゆるボコーダと呼ばれているものがある。これ
は音声をスペクトル包絡情報と音源情報に分離し、それ
ぞれをパラメータ化するものである。代表的なものとし
て、チャネルボコーダやＬＰＣ（線形予測）ボコーダ、
ホモモルフィックボコーダなどがある。これらの概要
は、たとえば、古井貞煕著「ディジタル音声処理」（東
海大学出版会、１９８５年９月）に要領良くまとめられ
ている。しかし、これらの方式ではスペクトル包絡の抽
出精度が不十分で、合成音声の品質に問題があった。こ
れに対し、最近新しいスペクトル包絡抽出法として、Ｐ
ＳＥ（パワースペクトル包絡）分析合成法が提案されて
いる。これは、音声のフーリエパワースペクトルをピッ
チ周波数の間隔で標本化して得られるデータ列からスペ
クトル包絡を定義するものであり、その合成音は従来方
式に比べ高品質である。方式の詳細は、中島隆之、他
著、「パワースペクトル包絡（ＰＳＥ）音声分析・合成
系」（日本音響学会誌４４巻１１号、昭６３−１１）に
述べられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これら諸方式のうち、
波形符号化方式は音質が良好なものの、情報圧縮効率を
あげることが困難である。一方パラメータ符号化方式
は、情報圧縮効率は高いものの、逆に情報量をましても
音質に上限が生じ、十分な品質が得られない。特に５〜
１０ｋｂｐｓ付近は両方式でカバーできない谷間の帯域
となっている。これに対し、両方式の長所を組合せたハ
イブリッド方式として、マルチパルス方式（たとえば、
B.S.Atal et al. "A new model of LPC excitation for
producing natural-sounding speech at low bit rate
s" Proc. ICASSP 82, S-5,10,(1982)など）や、TOR方式
（A.Ichikawa et al.,"A speech coding method using
thinned-out residual" Proc. ICASSP 85,25.7(1985)）
等が提案され、各種の検討がなされている。しかし、音
質の点から見ても、処理に要するコストの面から見ても
不十分な状況にあった。

【０００４】一般に、各種高能率符号化方式は、音声の
情報の存在が偏っている点に注目し、情報の存在してい
る部分に符号の割当を厚くすることにより実現してい
る。この点をさらに積極的に推し進め、複数のパラメー
タの組合せとしての情報の偏りに注目し、パラメータの
組合せセット（ベクトルと呼ぶ）に対し、音声情報の存
在している部分に符号の割当を厚くする方式（ベクトル
量子化と呼ぶ）（たとえば、S.Roucos et al.,"Segment
quantization for very-low-rate speech coding" Pro
c. ICASSP 82, p.1563(1982)）が注目されている。

【０００５】ベクトル量子化では、有限個のベクトルを
指標(インデックス)に対応付けて格納するコードブック
を用いる。ベクトル量子化は入力ベクトルを有限個のコ
ードベクトルに写像すると言う意味で量子化過程である
が、指標の情報量が元のベクトルよりも少なく出来るの
で、情報圧縮に用いられる。音声の予測残差に対して
ベクトル量子化を適用するＣＥＬＰ方式(例えば、B.S.A
tal et al.,“Stochastic coding of speech signals a
t very low bit rates" Proc. ICC 84, pp.1610−1613
(1984)）やその改良方式であるＶＳＥＬＰ方式（例え
ば、I.A.Gerson etal.,"Vector sum excited linear pr
ediction(VSELP)" Proc. IEEE workshop on speech cod
ing for telecommunications, pp.66−68(1989))などが
提案されている。これらの方式では合成音声と原音声の
誤差をフィードバックループを用いて最小化するような
方法を採っている。そのため合成音声の品質は良好だ
が、処理量が多いこと、また、4.8kbps 以下への適用が
困難という問題が有る。

【０００６】高品質の音声符号化を実現するためには、
事前に良質のコードブックを作っておく必要がある。量
子化特性の向上には量子化歪を小さくすることが基本で
あるが、量子化歪はコードブックを大きくするほど小さ
くなる。しかし、大規模のコードブックの作成には極め
て大量の音声データを用いなければならず、かつ、膨大
な処理量を要する。また、メモリ容量や探索処理量とい
った制約から、コードブックのサイズには限度がある。

【０００７】同一サイズのコードブックを用いて、通常
のベクトル量子化よりも量子化歪を小さくできる方法と
して、ファジィベクトル量子化がある。これは、入力ベ
クトルとコードブック内のすべてのコードベクトルに対
する級関数を用いて内挿するものである（たとえば、H.
P.Tseng et al.,"Fuzzy vector quantization applied
to hidden Markov modeling" ICASSP 87,4 (1987)）。
しかし、各コードベクトルとの類似性の情報である級関
数（メンバシップ関数）情報が大量に必要となるため、
コードブックの質やサイズに比して音質の向上は期待さ
れるものの、伝送用の技術としては用いられてはいなか
った。本発明の発明者らは、ファジィベクトル量子化を
音声符号化向きに改良した方法を提案した(特開平2−90
200号)。これは入力ベクトルの最近傍コードベクトル
と、事前にテーブルに登録されているその近傍ベクトル
を用いてファジィベクトル量子化するものであり、ビッ
トレートを８ｋｂｐｓ以下にすることができる。また、
常に量子化歪が低減するように、有効なコードベクトル
のみを選択的に使用するようにした（特開平2-238565
号)。しかしながら、使用されないコードベクトルの級
関数（値は０とする）も伝送する必要があり、伝送情報
量に占める級関数の比率が大きいという問題があった。
したがって、更にビットレートを低減するためには級関
数の情報量の削減が必要である。

【０００８】一方、特開昭63−285599号には複数個のコ
ードブックを用い、各コードブックから１個ずつのコー
ドベクトルを選択して伝送し、伝送路符号誤りに対する
耐性を向上させる方法が提案されている。入力ベクトル
の近似となる合成ベクトルは、各コードベクトルの平均
値である。しかしながら、与えられた情報量で複数個の
コードブックを用意するため、全体としてコードベクト
ル数は小さくなり、また、コードベクトルの組合せ数は
同一の情報量で１つのコードブックを用いた場合のコー
ドベクトル数と一致するので、量子化歪は必ずしも減少
しない。本発明の発明者らは、同一のコードブック内の
複数個のコードベクトルの線形結合によって入力ベクト
ルを近似する方法(相補型ベクトル量子化）を提案した
（特願平1−211311号)。これにより、ファジィベクトル
量子化において、量子化歪の低減を保証した上で、情報
量を大幅に低減することができた。

【０００９】相補型ベクトル量子化では、複数個のコー
ドベクトルの線形結合によって入力ベクトルを近似する
が、使用するコードベクトルの１つは入力ベクトルとの
距離が最も小さいコードベクトル（最近傍ベクトル）で
ある。音声信号では連続するフレーム間の変化は少ない
ことが多いので、１つのコードベクトルが最近傍ベクト
ルとして数フレームにわたって続くことがある（コード
ブックサイズが小さい場合ほどその傾向が強い）。同じ
指標が連続している場合には、その指標を毎回伝送する
必要はない。しかしながら、従来方法では線形結合に用
いるコードベクトルの数だけ指標を伝送しており、同一
サイズのコードブックを用いる通常のベクトル量子化方
法に比べると情報量の増加が避けられなかった。

【００１０】本発明の目的は、上記相補型ベクトル量子
化方法において、線形結合に用いるコードベクトルを指
定する指標の一部を伝送しなくても済むようにすること
で、情報量をより低減するベクトル量子化装置を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、通常のベクトル量子化手段（コードブック、
入力ベクトルをコードベクトルと照合する手段、入力ベ
クトルを復元する手段）のほかに、照合手段における照
合結果を少なくとも１フレーム分記憶する記憶手段を設
ける。この記憶手段に記憶されている前フレームで伝送
した指標を参照し、照合手段及び復元手段を制御する。

【００１２】

【作用】伝送したい音声が入力されるとフレーム（ブロ
ック）に分割され、ベクトル変換部（分析部）において
特徴ベクトル（以下、入力ベクトル）が抽出される。こ
の入力ベクトルとコードブック中のコードベクトルが順
次比較され、最も距離が小さいコードベクトル（最近傍
ベクトル）が選択される。この時の入力ベクトルと最近
傍ベクトルとの距離が通常のベクトル量子化における量
子化歪に相当する。

【００１３】相補型ベクトル量子化（特願平１−211311
号)では、最近傍ベクトルと組合せるコードベクトルを
選択する。組合せるベクトルの候補は各コードベクトル
ごとにコードブックにあらかじめ登録してある（通常は
そのコードベクトルとの距離が小さいコードベクトル
で、以下、近傍ベクトルと呼ぶ）。具体的には、最近傍
ベクトルに登録してある候補コードベクトルを順次取り
出し、最近傍ベクトルと組合せて、線形結合として入力
ベクトルを近似する。この時、近似度が最良となるよう
に線形結合の係数を決定する。各候補ベクトルごとに最
適な係数を用いて近似誤差（量子化歪に相当する）を算
出し、誤差が最小となる候補ベクトルを選択する。

【００１４】本発明は、相補型ベクトル量子化に用いる
コードベクトルの１つは、必ず前フレームで指標が伝送
されたコードベクトルを用いることで指標の伝送を一部
不要としている。そのようにすることで量子化歪が増大
しないように、以下のことを行なう。

【００１５】記憶手段に記憶されている前フレームで伝
送された指標を読みだし、更にコードブックを参照し
て、指標に対応するコードベクトルの近傍ベクトル（最
近傍ベクトルと組合せるコードベクトルの候補として用
いる）の指標を読みだす。先に検出された現フレームの
最近傍ベクトルが、前フレームの伝送コードベクトル、
もしくは、その近傍ベクトルのいずれかと一致している
か否かを判定する。もし一致している場合には、前フレ
ームの伝送コードベクトル（実際にはコードベクトルそ
のものが伝送されるわけではなく、その指標が伝送され
るわけだが、ここでは簡単のため、伝送コードベクトル
と呼ぶことにする。以下、同様）とその近傍ベクトルと
で相補型ベクトル量子化を実行する。一致しなかった場
合は、上記のコードベクトルに加えて現フレームの最近
傍ベクトルを用いて相補型ベクトル量子化を実行する。

【００１６】いずれの場合も伝送する情報は前フレーム
の伝送コードベクトルと組み合わされたコードベクトル
の指標と、その時の最適係数である。

【００１７】入力ベクトルの復元は、記憶手段に記憶さ
れている前フレームで伝送された指標と現フレームで伝
送された指標に基づいてコードブックから線形結合する
コードベクトルを読みだす。現フレームで伝送された係
数を用いて線形結合を行い、入力ベクトルを復元する。
この時点で記憶手段の中の指標を消去し、現フレームで
伝送された指標を記憶する。

【００１８】以上で説明した本発明の作用による結果を
従来例と比較すると次のようになる。 (1）現フレームの最近傍ベクトルと前フレームの伝送ベ
クトルが一致する場合は、従来の相補型ベクトル量子化
結果と全く一致する。 (2）現フレームの最近傍ベクトルが前フレームの伝送ベ
クトルの近傍ベクトルの１つと一致した場合は、現フレ
ームの最近傍ベクトルが前フレームの伝送ベクトルの相
補ベクトルとして選ばれる確率が高い。従来方法では現
フレームの最近傍ベクトルを核ベクトルとして相補型ベ
クトル量子化を実行するわけであるが、前フレームの伝
送ベクトルが現フレームの近傍ベクトルの１つとなって
いる可能性が高く、本発明方法でも従来方法とほとんど
同じ結果が得られる。 (3）現フレームの最近傍ベクトルが前フレームの伝送ベ
クトル及びその近傍ベクトルのいずれとも一致しない場
合は、上記(1），(2）と異なり、入力信号の性質が現フ
レームで大きく変化した場合である。この場合は前フレ
ームの伝送ベクトルやその近傍ベクトルは現フレームの
最近傍ベクトルの近傍ベクトルとは一致しない可能性が
高く、従来方法による結果とは異なる。しかし、本発明
の方法では相補ベクトルとして必ず現フレームの最近傍
ベクトルが選ばれる。相補型ベクトル量子化では任意の
コードベクトル組み合わせても量子化歪の非増加（通常
ベクトル量子化に比べての）が保証されているので、通
常ベクトル量子化よりも量子化歪が増えることはない。
これは線形結合の係数を伝送していることの利点であ
り、前フレームの伝送ベクトルを必ず使うという前提で
も、信号の性質が大きく変化した場合の悪影響が避けら
れる。

【００１９】したがって本発明によれば、従来方法に比
べて量子化歪をほとんど増加させることなく伝送すべき
指標を減らすことが出きるので、大幅な情報圧縮が可能
である。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図２は本発明のベクトル量子化装置を用いた音声符
号化装置を説明するためのブロック図である。送信側と
受信側を対にした一方向のみを示しており、逆方向への
通信路は、図が複雑になるため省略してある。なお、こ
こでは量子化過程としてのベクトル量子化を、指標等を
出力するまでの過程と、指標等からベクトルを復元する
過程に分け、便宜上前者をベクトル量子化、後者をベク
トル逆量子化と呼んでいる。

【００２１】図２において、入力音声１０１はアナログ
・ディジタル(Ａ／Ｄ)変換器１０２を経て、２面構成の
バッファメモリ１０３に入力される。このメモリは以下
の処理の時間調整と、入力音声の中断を防止するために
設けられている。バッファメモリ１０３からの音声は分
析部１０４に入力され、ピッチ情報１０７、スペクトル
情報１０６、レベル情報１０５が求められる。スペクト
ル情報106 は本発明によるベクトル量子化部１０８に加
えられ、指標１０９と線形結合の係数１１０を得る。指
標１０９、係数１１０、ピッチ情報１０７、レベル情報
１０５は送信部１１１、伝送路１１２を経て受信部１１
３に送られる。受信側では受信部で受けた指標１０
９′、係数１１０′、レベル情報１０５′はベクトル逆
量子化部１１４に加えられ、スペクトル情報１１５が復
元され、ピッチ情報１０７′、レベル情報１０５′と共
に合成部１１６に加えられる。合成部１１６では音声波
形に復号され、出力用の２面バッファメモリ１１７を経
て、ディジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器１１８によ
りアナログ信号に変換され、出力音声１１９として復元
される。

【００２２】以下、各部分を詳細に説明する。図３は分
析部１０４を説明するための図である。本実施例では、
分析部はパワスペクトル包絡（ＰＳＥ）分析法による。
ＰＳＥ分析法は、中島等の論文”パワースペクトル包絡
（ＰＳＥ）音声分析・合成系”、日本音響学会誌４４巻
１１号（昭６３−１１）に詳細に述べられている。ここ
ではその概要を述べる。

【００２３】第３図において、波形切り出し部２０３は
入力音声からピッチ抽出やスペクトル分析をするための
波形区間（フレーム）を切り出すものである。波形区間
長は２０〜６０ｍｓ程度であり、通常１／３〜１／２を
前後のフレームと重なり合うように切り出す。ピッチ抽
出部２０１は入力音声のピッチ情報（ピッチ周波数また
はピッチ周期）を抽出する。ピッチ抽出の方法は、相関
法やＡＭＤＦ法など公知の方法を用いれば良い。切り出
された波形は、また、フーリエ変換部２０４に送られ、
フーリエ級数に変換される。このとき、切り出された波
形にハミング窓等、通常用いられる窓関数を掛けた後、
前後に零データを埋め込み、2048点のデータとし、高速
フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることで、高速かつ周波
数分解能の高いデータが得られる。フーリエ係数を絶対
値で表示したものが切り出し波形の周波数成分、すなわ
ちスペクトルとなる。切り出し波形が周期構造を有する
場合は、スペクトルはピッチの高調波による線スペクト
ル構造を有する。

【００２４】ピッチ再標本化部２０５では、ＦＦＴによ
り得られたスペクトル情報の中から、ピッチ周波数の高
調波成分（線スペクトル成分）のみを取り出す。パワス
ペクトル化部２０６は、再標本化されたスペクトルの各
成分を２乗し、パワスペクトルに変換する。さらに、対
数化部２０７は、各成分を対数化し、対数パワスペクト
ルを得る。レベル正規化部２０８は入力音声の大きさに
基づくレベル変動を吸収するものであるが、次の余弦変
換部２０９において、まとめて抽出しても良い。

【００２５】余弦変換部２０９は対数パワスペクトルを
再標本化したデータを用いて、有限項の余弦級数で近似
的に表現するものである。項数ｍは、通常２５程度に設
定する。パワスペクトル包絡を次のように表現する。

【００２６】

【数１】

【００２７】係数Ａｉ（ｉ＝０，１，…，ｍ）は、再標
本化されたパワスペクトルデータと、(1）式によるＹ
（λ）との２乗誤差が最小となるように求められる。係
数の第０項Ａ₀は入力のレベルを表わしているのでレベ
ル情報１０５として、Ａ₁，…，Ａmをスペクトル情報１
０６として出力する。｛Ａ₁，…，Ａm｝をベクトルとみ
なしているので、本分析部は実質的にベクトル変換部と
なっている。

【００２８】次に図１を用いて本発明のベクトル量子化
部を説明する。図１において、コードブック401 にはコ
ードベクトルの要素の値４３１とその指標（インデック
ス）４３０が記憶されている。また、後述の候補ベクト
ル選択のため、各コードベクトルごとにそのコードベク
トルとの距離が小さいコードベクトル（以下、近傍ベク
トルと呼ぶ）の指標４３２が記憶されている。本実施例
で用いるコードブックの構造を図４に示す。ここでｃは
コードベクトル数（コードブックサイズ）、ｎはベクト
ルの次元、ｋは１コードベクトル当りの近傍ベクトル数
である。ｋは処理量低減のために設定されており、通常
はｃよりも十分小さな値である（ｃ＝１０２４のときｋ
＝３２程度）。

【００２９】図１に戻り、照合部４００について説明す
る。スペクトル情報（入力ベクトル）１０６が入力され
ると、コードブック４０１から各コードベクトルの要素
４３１が読みだされ、距離計算部４０２において入力ベ
クトル１０６との距離が計算される。ここで距離尺度
は、ベクトルの各要素に重み付けしたユークリッド距離
であるが、他の適当な尺度を用いても良いことは言うま
でもない。全数探索の場合はコードブック中の全てのコ
ードベクトルに対して距離値４０３が計算され、最小値
検出部４０４に供給される。最小値検出部４０４では距
離値４０３が最小となるコードベクトル（最近傍ベクト
ル）の指標４０５を出力する。なお、主として処理量を
低減する目的で種々のコードブック探索法が提案されて
いるが、いずれの方法を採ることも可能である。

【００３０】次に具体的な手順の説明の前に、本発明の
ポイントであるコードベクトルの選択法について、従来
の相補型ベクトル量子化方法（以下、相補型ＶＱと略
す）との比較において概念的に説明する。図６（ａ）は
簡単のために２次元のベクトル空間を想定し、コードベ
クトル（Ｃ₁〜Ｃ₁₄）と入力ベクトル（Ｉ₁〜Ｉ₅）及び
従来の相補型ＶＱによるその量子化結果（Ｓ₁〜Ｓ₅）の
関係を示している。コードベクトルはベクトル空間を複
数個のクラスタ（領域）に分割したときの各クラスタを
代表するベクトルである。一方、入力ベクトルＩ₁〜Ｉ₅
は時系列（時刻、あるいはフレーム番号の１〜５に対
応）を示しており、音声のような信号では多くの場合図
示のように連続的にベクトル空間を移動する。従来の相
補型ＶＱの詳細については図５を用いて後述するが、そ
の要点は２つのコードベクトルの線形結合によって新た
にベクトルを合成し、それを入力ベクトルの量子化結果
とするものである。具体的には入力ベクトルＩ₁に対
し、距離が最も小さいコードベクトル（最近傍ベクト
ル）Ｃ₁とそれに登録してある近傍ベクトルの中からＣ₄
が相補ベクトルとして選ばれ、係数ａ₁が決まり、合成
ベクトルＳ₁が量子化結果として得られる。以下同様に
Ｉ₂に対してはコードベクトルＣ₄、Ｃ₅と係数ａ₂が、Ｉ
₃に対してはコードベクトルＣ₈、Ｃ₉と係数ａ₃が選ば
れ、そのコードベクトルの指標と係数が伝送される。こ
の関係を図６（ａ）の表に示す。

【００３１】図６（ｂ）は本発明によるベクトル量子化
結果を示したものである。コードベクトルＣ₁〜Ｃ₁₄と
入力ベクトルＩ₁〜Ｉ₅は図６（ａ）と同一である。本発
明では組合せる２つのコードベクトルのうち１つは必ず
前フレームで伝送されたコードベクトルを用いることに
している。入力ベクトルＩ₁については、最近傍ベクト
ルはＣ₁であり、これは前フレームの伝送ベクトルであ
る（と、この例では仮定している）。従ってこの場合
は、従来の相補型ＶＱと全く同様に相補ベクトルにＣ₄
が選ばれ、係数ａ₁’が決定される。係数ａ₁’と量子化
結果Ｓ₁’は図６（ａ）の場合のａ₁とＳ₁に一致する。
ただし、伝送すべきパラメータはＣ₄の指標と係数ａ₁’
であり、Ｃ₁の指標は伝送不要である。

【００３２】入力ベクトルＩ₂についても同様に量子化
結果は従来の相補型ＶＱの結果と同じである。Ｉ₃につ
いては、従来方式ではコードベクトルＣ₈とＣ₉が選択さ
れていたが、本発明ではＣ₅が前フレームで伝送されて
いるので、これは無条件に選択される。Ｉ₃の最近傍ベ
クトルはＣ₈なので、Ｃ₅の近傍ベクトルにＣ₈を加えた
ものを対象としてもう１つのコードベクトルを選択す
る。同図の例ではＣ₈が選択され、量子化結果はＳ₃’と
なる。これは第６図（ａ）のＳ₃とは異なっており、量
子化歪（‖Ｓ₃’−Ｉ₃‖）は従来方式の量子化歪（‖Ｓ
₃−Ｉ₃‖）よりも若干増加する。Ｉ₄についても同様に
従来の相補型ＶＱとは結果が異なる。Ｉ₅については同
じ結果が得られる。伝送すべきパラメータは、いずれの
場合も選択コードベクトルの指標と係数である。これら
の関係を図６（ｂ）の表に示す。

【００３３】以下、図１に戻り、具体的な手順について
説明する。指標照合部４０６において、まず指標記憶部
４２０から前フレームで伝送されたコードベクトルの指
標４２１が読みだされる。次にコードブック４０１を参
照し、指標４２１に対応するコードベクトルの要素４３
１と近傍ベクトルの指標432を読みだす。指標４２１の
具体的な値がｊとすると、第４図で見るように、コード
ブック４０１から指標ｊに対応するコードベクトルの要
素Ｖ₁j，．．．Ｖnjと近傍ベクトルの指標ｉ₁j，．．．
ｉkjが読みだされる。さらに近傍ベクトルの指標に対応
するコードベクトルの要素４３１が読みだされる。

【００３４】後述のように相補型ベクトル量子化実行部
410 においては、前フレームで伝送した指標に対応する
コードベクトルを必ず用い、これと組み合わせるコード
ベクトル（相補ベクトルと呼ぶ）を複数個の候補ベクト
ルの中から選択する。指標照合部４０６の出力は、前フ
レーム伝送コードベクトル（前述のように、実際にはコ
ードベクトルそのものが伝送されるわけではなく、その
指標が伝送されるわけだが、ここでは簡単のため、伝送
コードベクトルと呼んでいる）の要素４０７とそれと組
み合わせるコードベクトルの候補である複数個のコード
ベクトルの要素４０８、及びそれらの指標４０９であ
る。

【００３５】候補ベクトルの選び方は次のとおりであ
る。まず、最小値検出部４０４の出力である、入力ベク
トル１０６の最近傍ベクトルの指標４０５が、前フレー
ムで伝送された指標４２１とそれに対応するコードベク
トル（伝送コードベクトル）の近傍ベクトルの指標のい
ずれかと一致しているかどうかを判定する。一致してい
る場合は、候補ベクトルは伝送コードベクトルのｋ個の
近傍ベクトルとする。一方、最近傍ベクトルの指標４０
５がいずれとも一致しない場合は、候補ベクトルの伝送
コードベクトルのｋ個の近傍ベクトルに、入力ベクトル
１０６に対する最近傍ベクトルを追加した（ｋ＋１）個
とする。なお、処理量の制約上、候補ベクトル数をｋ個
にする必要がある場合は、次のようにする。照合対象を
（ｋ−１）個の近傍ベクトルとし、一致した場合は候補
ベクトルとしてｋ個の近傍ベクトルを全て用いる。一致
しなかった場合は、(ｋ−１)個の近傍ベクトルに入力ベ
クトル１０６に対する最近傍ベクトルを加えたｋ個のコ
ードベクトルを候補ベクトルとする。

【００３６】次に、相補型ベクトル量子化実行部４１０
について説明する。相補型ベクトル量子化については同
出願人の先願特願平１−２１１３１１号に詳細に説明さ
れているので、ここでは概要を述べる。相補型ベクトル
量子化は、入力ベクトルを複数個のコードベクトルの組
み合わせで近似することを基本としている。近似方法は
種々考えられるが、ここでは２個のコードベクトルの線
形結合で近似する場合について説明する。また、２個の
コードベクトルのうち１個（以後、これを核ベクトルと
呼ぶ）は前フレームの伝送コードベクトルとする。入力
ベクトルを２個のコードベクトルの線形結合で近似する
原理を第５図で説明する。同図では簡単のため、２次元
のベクトルとして表示してある。

【００３７】線形結合で合成されるベクトル(近似ベク
トル）は、２個のベクトルｕ、ｖを通る直線上に合成さ
れる。重み係数の符号と大きさにより、ｕ、ｖの内分
点、または外分点となる。線形結合の重みは、近似誤差
（合成ベクトルと入力ベクトルの距離、すなわち量子化
歪）を最小化するように決定すればよい。図から明らか
なように、入力ベクトルを２個のコードベクトルで近似
することにより、量子化歪を低減できることがわかる。

【００３８】一般に、ベクトルの次元をLとする。入力
ベクトルをｘ＝｛ｘ₁，ｘ₂，．．．ｘL}、核ベクトルを
ｕ＝｛ｕ₁，ｕ₂，．．．ｕL}、核ベクトルと組み合わせ
るコードベクトル（以下、相補ベクトルと呼ぶ）をｖ＝
｛ｖ₁，ｖ₂，．．．ｖL｝とする。線形結合の係数を
ｗ、（１−ｗ）とすれば、近似ベクトルｙ＝｛ｙ₁，
ｙ₂，．．．ｙL｝は,

【００３９】

【数２】

【００４０】と表される。ここで近似誤差｜ｘ−ｙ｜が
最小になるように係数ｗを定める。２乗誤差をＱD²とす
ると

【００４１】

【数３】

【００４２】となる。これをｗで偏微分し、０と置いて
整理すれば、係数ｗは次のように求まる。

【００４３】

【数４】

【００４４】以上はコードベクトルを２個用いる場合で
あるが、３個以上の場合も、まったく同様に係数の組
（ｗ₁，ｗ₂，．．．）を求めることができる。また、以
上の説明ではコードブックは１つと仮定しているが、複
数個の独立した、または従属したコードブックを用い、
そこからコードベクトルを選択するようにしてもよいこ
とは、いうまでもない。

【００４５】図１に戻り、相補型ベクトル量子化実行部
４１０の後半について説明する。ｋ個または（ｋ＋１）
個の候補ベクトルを順次核ベクトルと組み合わせ、(4）
式の係数を求めて(3）式の２乗誤差を計算する。この２
乗誤差、すなわち近似誤差が最小となる候補ベクトルの
指標１０９と、その時の係数１１０を出力する。この時
点で、指標記憶部４２０に記憶されている前フレームで
伝送された指標４２１を消去し、現フレームで伝送する
指標１０９を改めて４２１として記憶する。以上の例で
は、入力ベクトルを複数個の線形結合として近似し、そ
の係数は近似誤差を最小化するという規範で決定した。
他の例として、ファジィベクトル量子化の考えに基づい
て決定することもできる。

【００４６】ファジィベクトル量子化については、中村
等の文献「ファジィベクトル量子化を用いたスペクトロ
グラムの正規化」（日本音響学会誌４５巻２号（１９８
９））及びそこで引用されている文献に詳しく述べられ
ているので、ここではその概要を説明する。ファジィベ
クトル量子化では、入力ベクトルを複数個のコードベク
トルに対する帰属度によって表現する。帰属度は級関数
（メンバシップ関数）により、数値化される。級関数の
求め方の一例を次式に示す。今、ｃ個のコードベクトル
(ｖ₁，．．．，ｖc）を対象とするとき、入力ベクトル
ｘk とコードベクトルｖi との距離をｄikとする。入力
ベクトルがどのコードベクトルにも一致しない場合は、
各コードベクトルに対する級関数ｕikは次式によって求
まる。

【００４７】

【数５】

【００４８】ここに、ｐはファジィネスと呼ぶパラメー
タで、通常１．５程度の値とする。もし、入力ベクトル
がコードベクトルのいずれかに一致したときは、そのコ
ードベクトルに対する級関数の値を１とし、他を０とす
る。

【００４９】次に、級関数からベクトルを復元する（逆
量子化操作）について説明する。復元ベクトルｙはコー
ドベクトルの線形結合で表わされる。

【００５０】

【数６】

【００５１】入力ベクトルｘk と復元ベクトルｙとの誤
差（距離）がファジィベクトル量子化による量子化歪で
ある。ファジィベクトル量子化に基づく場合は、関数の
パラメータは級関数（メンバシップ関数）である。級関
数はその性質上、総和は１となるので、入力ベクトルを
近似するコードベクトルの数より１少ない個数だけ出力
すれば良い。

【００５２】以上は、相補ベクトルの選択基準として量
子化歪を用いた例である。これ以外に、局所復号器を持
つことにより、入力信号と同じ次元での誤差尺度を評価
基準として、ベクトルを選択することもできる。

【００５３】次に復号化側（受信側）について説明す
る。図７は伝送パラメータ(指標及び係数)から入力ベク
トルを復元するベクトル逆量子化部１１４を説明するた
めの図である。まず、指標記憶部７２０から前フレーム
で受信された指標７２１が読みだされ、これに基づいて
コードブック７０１から核ベクトルの要素７３１ａが読
みだされる。ここで、受信側のコードブック７０１は送
信側のコードブック４０１と同一の内容であることは言
うまでもない。但し、各コードベクトルごとの近傍ベク
トルの指標は不要である。同様に、現フレームで受信さ
れた指標１０９′に基づいて、相補ベクトルの要素７３
１ｂがコードブック７０１から読みだされる。これらの
ベクトル要素７３１ａ、７３１ｂと、受信された係数
（または係数の組）１１０′を用いて、ベクトル復元部
７０２において、前述の(2）式（ファジィベクトル量子
化の場合は(6）式）によりベクトルを復元する。復元ベ
クトルｙ＝｛Ａ₁′，Ａ₂′，．．．，Ａm′}はスペクト
ル情報１１５として合成部１１６に送られる。この時点
で、指標記憶部７２０に記憶されている前フレームで受
信された指標７２１を消去し、現フレームで受信した指
標１０９′を改めて721 として記憶する。なお、指標記
憶部７２０には指標１０９′ではなく核ベクトルの要素
７３１ａを記憶しても良い。この場合は、次フレームで
核ベクトルの要素７３１ａをコードブック７０１から読
みだす必要が無くなる。但し、記憶容量は増加する。

【００５４】次に、合成部１１６を図８を用いて説明す
る。同図において、対数パワスペクトル復元部８０１で
は、伝送されたレベル情報Ａ₀′１０５′ と復元ベクト
ル（スペクトル情報１１５）の各要素Ａ₁′,
Ａ₂′，．．．，Ａm′を用いて対数パワスペクトルＹ′
８０２を次式にしたがって得る。

【００５５】

【数７】

【００５６】復元された対数パワスペクトルＹ′８０２
は逆対数変換部８０３で変換、

【００５７】

【数８】

【００５８】を行い、零位相化スペクトル８０４を得、
逆フーリエ変換部８０５へ送られる。逆フーリエ変換部
８０５では高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）により音声
素片８０６が得られる。音声素片８０６は波形合成部８
０７でピッチ情報１０７′にしたがって順次ピッチ間隔
だけずらしながら加えあわせられ、復元音声８０８とし
て出力される。

【００５９】実施例における本発明の効果を図９に示
す。同図は入力ベクトルの伝送に必要なビット数に対す
る量子化歪の関係をプロットしたものである。本発明の
ベクトル量子化方法によれば、同一情報量で従来方法よ
りも量子化歪が小さくなっていることがわかる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、複数個のコードベクト
ルによって入力ベクトルを表現する場合に、従来方法で
は伝送する必要があったコードベクトルの指標の一部を
伝送する必要が無くなる。この時、量子化歪の増加をほ
とんど伴わないので、情報圧縮効率が高まる。本発明を
音声符号化に適用した場合は、低ビットレートで高品質
な音声を伝送できる。なお、本発明の説明では、対象は
全て音声を例にしているが、類似の構造の情報をもつも
のに利用できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるベクトル量子化装置の一実施例を
説明する図である。

【図２】本発明の一実施例の音声符号化装置のシステム
構成を説明するブロック図である。

【図３】図２中の分析部を説明する図である。

【図４】図１中のコードブックの構成を示す図である。

【図５】線形結合による入力ベクトル近似の説明図であ
る。

【図６】（ａ）は従来の相補型ベクトル量子化を説明す
るための図、（ｂ）は本発明による逐次相補型ベクトル
量子化を説明するための図である。

【図７】図２中のベクトル逆量子化部を説明する図であ
る。

【図８】図２中の合成部を説明する図である。

【図９】実施例の効果を説明する図である。

【符号の説明】

１０１…入力音声、１０３，１１７…バッファメモリ、
１０４…分析部、１０６，１１５…スペクトル情報（入
力ベクトル及び復元ベクトル）、１０７，１０７’…ピ
ッチ情報、１０８…ベクトル量子化部、１０９，１０
９’…コードベクトルの指標、１１０，１１０’…係
数、１１４…ベクトル逆量子化部、１１６…合成部、１
２０…出力音声。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高品質で、かつ、低ビットレート音声符号
化に適したベクトル量子化装置であって、相異なる指標
に対応づけられた複数個のコードベクトルを格納するコ
ードブックと、あらかじめ定められた大きさのブロック
（フレーム）に分割された信号を入力し、ベクトルに変
換する変換手段と、前記ベクトルを前記コードブックに
格納されている前記コードベクトルと照合し、その照合
結果に基づき前記指標のうち少なくとも１つを出力する
照合手段と、該照合手段の出力結果に基づき、前記コー
ドブックに格納されている前記コードベクトルの情報を
用いて前記ブロックに分割された信号を復元する復元手
段と、前記照合手段の出力結果を少なくとも１ブロック
分記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されている指
標を参照して前記照合手段と前記復元手段を制御する手
段とを備えたことを特徴とするベクトル量子化装置。
【請求項２】前記復号手段では前記記憶手段に記憶され
ている指標と前記照合手段の出力結果の指標とに対応す
る複数個のコードベクトルの組合せによって前記ブロッ
クに分割された信号を復元することを特徴とする、請求
項１記載のベクトル量子化装置。
【請求項３】前記復号手段では前記記憶手段に記憶され
ている指標と前記照合手段の出力結果の指標とに対応す
る複数個のコードベクトルの線形結合によって前記ブロ
ックに分割された信号を復元し、前記照合手段において
は線形結合の係数を前記指標とともに出力することを特
徴とする、請求項１記載のベクトル量子化装置。
【請求項４】前記照合手段において出力される指標は前
記記憶手段に記憶されている指標と一致しないことを特
徴とする、請求項１記載のベクトル量子化装置。
【請求項５】前記コードブックに格納されているコード
ベクトルの各々に対し、前記照合手段における照合手順
を制御する情報があらかじめ付与されていることを特徴
とする、請求項１記載のベクトル量子化装置。