JPH06149292A - 高能率符号化方法及び装置 - Google Patents

高能率符号化方法及び装置

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JPH06149292A
JPH06149292A JP4300947A JP30094792A JPH06149292A JP H06149292 A JPH06149292 A JP H06149292A JP 4300947 A JP4300947 A JP 4300947A JP 30094792 A JP30094792 A JP 30094792A JP H06149292 A JPH06149292 A JP H06149292A
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浩之 鈴木
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 複数チャンネルの入力信号を同時に圧縮伸張
する際に、各チャンネルの入力信号の相関関係を考慮し
た量子化を行うために、ＭＤＣＴ回路１３、１４、１５
からのスペクトルデータあるいは係数データを他チャン
ネル転送回路３１を介して他のチャンネルに転送し、他
のチャンネルからのデータを相関関係適応回路２８、２
９、３０に送っている。相関関係適応回路２８、２９、
３０からのデータは適応ビット割当回路１６、１７、１
８にそれぞれ送られ、他チャンネルの入力信号を考慮に
入れた符号化の際のビット割当が行われる。 【効果】 複数チャンネルの信号を同時に圧縮伸張する
際に、定位感及び圧縮率を損なうことがない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、入力信号を圧縮処理し
て量子化する高能率符号化方法及び装置に関し、特に、
複数チャンネルの入力信号を同時に圧縮して量子化する
ような高能率符号化方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】オーディオ或いは音声等の信号の高能率
符号化の手法は種々知られているが、例えば、 ICASSP
1980 The critical band coder -- digital encoding o
f theperceptual requirements of the auditory syste
m M.A.Kransner MIT においては、聴覚マスキングを利
用することで、各帯域毎に必要な信号対雑音比を得て固
定的なビット割当を行なう手法が開示されている。しか
しこの手法では、サイン波入力で特性を測定する場合、
ビット割当が固定的であるために、特性値がそれほど良
い値とならない。
【０００３】このような問題を解決するために、例え
ば、ビット割当に使用できる全ビットが、各小ブロック
毎にあらかじめ定められた固定ビット割当パターン分
と、各ブロックの信号の大きさに依存したビット配分を
行なう分とに分割使用され、その分割比を入力信号に関
係する信号に依存させ、前記信号のスペクトルが滑らか
な場合ほど前記固定ビット割当パターン分への分割比率
を大きくするような高能率符号化装置が提案されてい
る。
【０００４】この方法によれば、例えばサイン波入力の
ように特定のスペクトルにエネルギが集中するような場
合には、そのスペクトルを含むブロックに多くのビット
を割り当てることにより、全体の信号対雑音特性を著し
く改善することができる。一般に、急峻なスペクトル成
分をもつ信号に対して人間の聴覚は極めて敏感であるた
め、このような方法を用いることにより、信号対雑音特
性を改善することは、単に測定上の数値を向上させるば
かりでなく、聴感上の音質を改善するのにも有効であ
る。
【０００５】しかし、入力信号に依存したビットの割り
当てを、単に信号対雑音特性を改善させるということを
基準にして行なうと、例えばトライアングルの音のよう
に、急峻なスペクトル成分を多数含む信号を低いビット
レートで圧縮しようとした場合には、各スペクトルに対
応するブロックに十分なビットが割り当てられず、聴感
上、十分な音質を得ることができなかった。
【０００６】そこで本件出願人は、特願平４−３６９５
２号の明細書及び図面において、ビット割当に使用でき
る全ビットが、どの短時間に対してもあらかじめ定めら
れた固定ビット割当パターン分と、各ブロックの信号の
大きさに依存したビット配分を行なう分に分割使用さ
れ、固定ビット割当パターンに加えて、各ブロックの信
号の大きさに依存したビット配分についてもそのブロッ
クの対応する帯域に応じて重み付けされて行なう事によ
り、上述の課題を解決する手法を提案した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
いずれの手法も該当チャンネルの入力信号についてのみ
注目して量子化を行う為、複数チャンネルを有する装置
に応用した場合、単一のチャンネルの場合と同一の圧縮
率では、各チャンネルの入力信号が比較的相関の強い場
合は良好な結果が得られるが、相関の低い信号が入力さ
れた場合、チャンネル間で生じる量子化誤差に差異が生
じ、音像の定位感に影響を及ぼす場合があった。
【０００８】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであり、複数のチャンネルの入力信号が供給され
る場合に、各チャンネル間の量子化ノイズ量をコントロ
ールして音像の定位感を良好に再現するような高能率符
号化方法及び装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係る高能率符号
化方法及び装置は、複数のチャンネルの入力信号に対し
て圧縮及び量子化を施す高能率符号化方法及び装置にお
いて、複数チャンネル間の相関関係を基にビット割当の
際に使用する分析用スペクトルのパワーを変更し、ビッ
ト割当を行うことによって、チャンネル間の相関に合っ
た量子化を実現し、上述の問題を解決する。
【００１０】この際に使用するチャンネル間の相関関係
は、入力信号に依存した数値として与えた方が望ましい
が、固定された数値であっても構わない、さらには両者
を一定、または可変の割合で加味したもので有っても構
わない。また、ビット割当用の各係数等の変更を行って
も良好な効果が得られる。
【００１１】この際に使用する相関関係は、入力信号の
周波数軸上のスペクトラムデータないしは直交変換時の
係数データから求めてもよく、量子化結果の一部である
フローティング情報から求めてもよい。
【００１２】
【作用】本発明によれば、複数チャンネルの入力信号を
符号化において聴感に合った効率の良いビット割当を実
現する際に、各チャンネル間の量子化誤差の差異の影響
による音像の定位感の劣化を防ぐことができる。しか
も、音像の定位の集中する部分に、発生する量子化ノイ
ズも集中する傾向を示すため、従来よりもマスキング効
果が効率良く利用できる。従って、より低いビットレー
トで高音質の音楽信号を符号化することが可能となる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明に係る高能率符号化方法及び装
置の好ましい実施例について、図面を参照しながら説明
する。先ず、オーディオＰＣＭ信号等の入力ディジタル
信号を、帯域分割符号化（ＳＢＣ）、適応変換符号化
（ＡＴＣ）及び適応ビット割当て（ＡＰＣ−ＡＢ）の各
技術を用いて高能率符号化する技術について、図１を参
照しながら説明する。
【００１４】本実施例の高能率符号化装置においては、
複数のチャンネルの入力オーディオＰＣＭ信号を同時に
圧縮する際に、各チャンネル間の相関関係を考慮した量
子化を行うようにしている。上記各チャンネル間の相関
関係については、上記入力信号から随時計算を行うこと
によって求めたり、上記入力信号の時間軸上のスペクト
ラムデータないしは直交変換時の係数データから求めた
り、他チャンネルのフローティング情報より求めるよう
にすればよい。また、上記入力信号に関係なく一定の相
関関係を基に量子化を行うようにしてもよい。さらに、
上述したような入力信号に依存した相関関係及び一定の
相関関係を可変可能な割合で加味することによって量子
化を行うようにしてもよい。
【００１５】図１に示す具体的な高能率符号化装置にお
いては、入力ディジタル信号をフィルタなどにより複数
の周波数帯域に分割すると共に、各周波数帯域毎に直交
変換を行って、得られた周波数軸のスペクトルデータ
を、後述する人間の聴覚特性を考慮したいわゆる臨界帯
域幅（クリティカルバンド）毎に適応的にビット割当し
て符号化している。もちろんフィルタなどによる非ブロ
ッキングの周波数分割幅は等分割幅としてもよい。
【００１６】さらに、本発明実施例においては、直交変
換の前に入力信号に応じて適応的にブロックサイズ（ブ
ロック長）を変化させると共に、クリティカルバンド単
位もしくは高域では臨界帯域幅（クリティカルバンド）
を更に細分化したブロックでフローティング処理を行っ
ている。このクリティカルバンドとは、人間の聴覚特性
を考慮して分割された周波数帯域であり、ある純音の周
波数近傍の同じ強さの狭帯域バンドノイズによって当該
純音がマスクされるときのそのノイズの持つ帯域のこと
である。このクリティカルバンドは、高域ほど帯域幅が
広くなっており、上記０〜２０ｋHzの全周波数帯域は例
えば２５のクリティカルバンドに分割されている。
【００１７】すなわち、図１において、入力端子１０に
は例えば０〜２０ｋHzのオーディオＰＣＭ信号が供給さ
れている。この入力信号は、例えばいわゆるＱＭＦフィ
ルタ等の帯域分割フィルタ１１により０〜１０ｋHz帯域
と１０ｋ〜２０ｋHz帯域とに分割され、０〜１０ｋHz帯
域の信号は同じくいわゆるＱＭＦフィルタ等の帯域分割
フィルタ１２により０〜５ｋHz帯域と５ｋ〜１０ｋHz帯
域とに分割される。帯域分割フィルタ１１からの１０ｋ
〜２０ｋHz帯域の信号は直交変換回路の一例であるModi
fied Discrete Cosine Transform（改良離散コサイン変
換、ＭＤＣＴ）回路１３に送られ、帯域分割フィルタ１
２からの５ｋ〜１０ｋHz帯域の信号はＭＤＣＴ回路１４
に送られ、帯域分割フィルタ１２からの０〜５ｋHz帯域
の信号はＭＤＣＴ回路１５に送られることにより、それ
ぞれＭＤＣＴ処理される。ここで各ＭＤＣＴ回路１３、
１４、１５のブロックサイズの具体例を図２に示す。こ
の図２の具体例においては、高域側ほど周波数帯域を広
げると共に時間分解能を高めて（ブロック長を短くし
て）いる。
【００１８】すなわち図２の例では、低域側の０〜５ｋ
Hz帯域の信号及び中域の５ｋ〜１０ｋHz帯域の信号に対
してｂL 及びｂM のブロックでそれぞれ１回のＭＤＣＴ
が施される間に、高域側の１０ｋ〜２０ｋHz帯域の信号
に対しては、ｂH1，ｂH2のブロックで合計２回のＭＤＣ
Ｔが施される。このようにして各帯域の直交変換ブロッ
クサンプル数を同じにして装置の簡易化を図りながら、
クリティカルバンド幅の狭い低域側では周波数分解能を
高め、過渡的な信号に対して優勢な成分を多く含む高域
側では時間分解能を高めている。また実施例では、各々
の帯域は、信号の時間的変化が大きい場合を想定して更
に１／２、１／４の適応的なブロック分割が許される。
【００１９】再び図１において、各ＭＤＣＴ回路１３、
１４、１５にてＭＤＣＴ処理されて得られた周波数軸上
のスペクトルデータあるいはＭＤＣＴ係数データは、い
わゆる臨界帯域（クリティカルバンド）又は高域では更
にクリティカルバンドを分割した帯域毎にまとめられ
て、レベル補正回路２２、２３、２４及び相関関係適応
回路２８、２９、３０及び他チャンネル転送回路３１に
送られている。相関関係適応回路２８、２９、３０では
入力端子３８より得られる他チャンネルの周波数軸上の
スペクトルデータあるいはＭＤＣＴ係数データを基に良
好な相関関係が保たれるように修正を加え、適応ビット
割当回路１６、１７、１８へ送っている。この際の修正
には入力信号に応じた相関関係を使用しても良いし、固
定的なパターンをもって行っても構わない。
【００２０】他チャンネル転送回路３１では各バンドの
周波数軸上のスペクトルデータあるいはＭＤＣＴ係数デ
ータを他のチャンネルにおける相関関係適応回路が使用
でき得るデータ形式、ならびにタイミングに合わせて相
関情報として出力端子３９より出力する。ここにおける
出力端子３９は他チャンネルの入力端子３８に接続され
ている。また、他チャンネルへ転送する相関情報は出力
端子３５、３６、３７から出力されるフローティング情
報を基に構成しても構わない。適応ビット割当回路１
６、１７、１８では臨界帯域（クリティカルバンド）又
は高域では更にクリティカルバンドを分割した帯域毎に
必要なビットレートとなるようにビット数を割り当て、
レベル補正回路２２、２３、２４、及び符号化回路へと
送っている。周波数軸上のスペクトルデータあるいは係
数データはレベル補正回路で適応ビット割当回路で割り
当てられたビット数から量子化誤差を求め、それに応じ
たレベル補正を施され、符号化回路へと送られる。
【００２１】符号化回路ではレベル補正を施された周波
数軸上のスペクトルデータあるいはＭＤＣＴ係数データ
を適応ビット割当回路で割り当てられたビット数に応じ
て再量子化している。このようにして符号化されたデー
タは、出力端子３２、３３、３４を介して取り出され
る。このときどのような信号の大きさに関する正規化が
されたかを示す、フローティング情報とどのようなビッ
ト長で量子化がされたかを示すビット長情報が出力端子
３５、３６、３７より同時に送られる。
【００２２】図１における各ＭＤＣＴ回路１３、１４、
１５の出力は、図３における入力端子３０２を介してパ
ワー修正回路３０８ならびに相関情報算出回路３０４に
送られる。また、図１における入力端子３８から入力さ
れた情報は、図３における入力端子３０１を介して相関
情報算出回路３０４に送られる。相関情報算出回路では
先の入力３０１と係数表３０６から与えられる係数によ
り入力信号に応じた相関情報が計算される。ここでの計
算の一例として、通常の２チャンネルステレオを想定し
て説明する。左チャンネルのｎ番目のスペクトルパワー
を Pl(n)、右チャンネルのｎ番目のスペクトルパワーを
Pr(n)、ともにログスケールとし、係数表３０６から与
えられるｎ番目のスペクトルに対応する係数をK(n)とす
ると、各チャンネルの相関情報△Pl(n)、△Pr(n)は次式
で求めることが出来る。
【００２３】 △Pl(n) = ( Pr(n) - Pl(n) ) × K(n) ・・・ （１） △Pr(n) = ( Pl(n) - Pr(n) ) × K(n) ・・・ （２）
【００２４】式（１）、（２）より明らかなように、こ
こにおける相関情報は０が相関が最も強く、数値の絶対
値が大きくなるほど相関は弱くなることを示している。
ここにおける係数K(n)は、人間の聴覚特性に基づいたも
のを想定している。例えば、Dave, E.E. Jr., Gutman,
N. and v. Bergeijk, W. A. : J. Acoust. Soc.Am.,31,
pp. 774-784 (1959) 等に見られるように、古くより
研究がなされている方向知覚に関する事項であり、その
要因として両耳への音の伝搬の際の強度差、位相差、時
間差などが挙げられている。また、それらの要因に加
え、周波数や音圧レベルによる変化も観察されている。
さらには日常的な経験として、超低音や超高音はその音
源の場所が特定しにくいといった事項もある。このよう
に人間の方向知覚はその音の周波数や音圧レベルによっ
て変化するため、同一のスペクトルパワー比であって
も、周波数や音圧レベルに応じた補正が必要となる。こ
の際の計算は、前述の式（１）、（２）のごとく、周波
数軸上のスペクトラムデータ毎に求めても良いが、量子
化の際のフローティングバンド毎に求めても構わない。
さらにはスペクトルパワーの代わりに、フローティング
のための係数を使用しても同様の効果が得られることは
明白である。
【００２５】相関情報算出回路３０４で求められた相関
情報は相関情報決定回路３０５へと送られている。相関
情報決定回路３０５では固定相関情報表３０７から得ら
れる固定的な相関情報と相関情報算出回路３０４から得
られる入力信号に応じた相関情報とが一定、あるいは可
変可能な割合で合成され、パワー修正回路３０８へ送ら
れている。固定的な相関情報を Pfix(n)、合成する割合
をＲ(n) （０≦Ｒ(n)≦１．０）とすると、相関関係決
定回路３０５の出力Ｃl(n)、Ｃr(n)は次式で表すことが
できる。
【００２６】 Ｃl(n) = △Pl(n) × Ｒ(n) + Pfix(n) × (1 - Ｒ(n)) ・・・（３） Ｃr(n) = △Pr(n) × Ｒ(n) + Pfix(n) × (1 - Ｒ(n)) ・・・（４）
【００２７】ここにおける固定的な相関情報とは応用例
における予想される固有の相関情報であり、例えば、メ
インのチャンネルと超低音用のチャンネル等の場合、比
較的周波数の低い部分について強い相関を示すなどの性
質を意味している。従って、応用例によっては予めチャ
ンネル間の固定的な相関関係が予想不可能な場合も生じ
る。その際はＲ（ｎ）＝１．０となり、すなわち、先に
述べた相関情報決定回路３０５ならびに固定相関情報表
３０７を省略した場合と同等となる。一方、予め相関関
係が明確に判明している場合は、逆に、Ｒ（ｎ）＝０と
なり、すなわち相関関係算出回路３０４ならびに係数表
３０６を省略した場合と同等となる。また、ここにおけ
る合成の割合Ｒ（ｎ）は常に固定でも良く、入力信号に
応じて、例えばスペクトルパワーの大きさ、周波数等に
応じて可変としても構わない。
【００２８】パワー修正回路３０８ではビットの割当の
際に使用するスペクトラムのパワー情報が先の相関情報
決定回路３０５の出力を基に修正され、出力３０８とし
て図１における適応ビット割当回路１６、１７、１８に
送られている。入力３０２からの情報をＰil、Ｐir、出
力３０９への情報をＰol(n) 、Ｐor(n) とすると、ここ
における演算は次式で表すことができる。
【００２９】 Ｐol(n) = ( Ｃl(n) + 1.0 ) × Ｐil(n) ・・・ （５） Ｐor(n) = ( Ｃr(n) + 1.0 ) × Ｐir(n) ・・・ （６） この演算によりチャンネル間の相関が強いスペクトルは
修正を受ける量が少なく、相関の弱いスペクトルは相関
が強まる方向で修正を受けることになる。
【００３０】図４及び図５は、相関関係適応回路の働き
を量子化バンド数４、チャンネル数２、各チャンネル間
の相違が量子化バンドの１つのみ、という簡易モデルで
表している。図４に示す個別にビット割当を計算した場
合において、１ｃｈと２ｃｈでは３番目の量子化バンド
のみ、入力信号の周波数軸上のスペクトラムパワーが異
なっており、その結果として量子化ノイズの量も異なっ
ている。この状態で、例えば、２つのチャンネルを２チ
ャンネルステレオとして伸張、再現した場合、量子化ノ
イズの異なる部分が定位感に影響を与える可能性が有
る。ここにおいて上記相関関係適応回路は、図５に示す
相関情報を加味した場合のごとく、１ｃｈ、２ｃｈの相
関を加味し、３番目の量子化バンドの量子化ノイズの量
をコントロールし、定位感を良好に再現するように作用
する。
【００３１】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、複数のチャンネルの入力信号を同時に圧縮
伸張する際に、複数チャンネル間の相関関係を基にビッ
ト割当の際に使用する分析用スペクトルのパワーを変更
しビット割当を行うことによってチャンネル間の相関に
合った量子化を実現しているため、定位感、及び圧縮率
を損なうことなく、小規模で音質のよい高能率符号化方
法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高能率符号化装置の構成例を示す
ブロック回路図である。
【図２】該実施例装置の信号の周波数及び時間分割を示
す図である。
【図３】該実施例装置の相関関係適応回路のアルゴリズ
ム一例を示す図である。
【図４】該実施例装置の相関関係適応回路の効果を説明
するためにチャンネル毎に個別に計算したビット割当の
一例を示す図である。
【図５】該実施例装置の相関関係適応回路の効果を説明
するためにチャンネル間の相関情報を加味してに計算し
たビット割当の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０・・・・・・・・・高能率符号化回路入力端子 １１、１２・・・・・・ＱＭＦ回路 １３、１４、１５・・・ＭＤＣＴ回路 １６、１７、１８・・・適応ビット割当回路 １９、２０、２１・・・ブロックサイズ決定回路 ２２、２３、２４・・・レベル補正回路 ２５、２６、２７・・・符号化回路 ２８、２９、３０・・・相関関係適応回路 ３２、３３、３４・・・高能率符号化出力端子 ３５、３６、３７・・・高能率符号化情報出力端子 ３８、３０１・・・・・他チャンネル相関情報入力端子 ３９・・・・・・・・・該当チャンネル相関情報 ３０２・・・・・・・・ＭＤＣＴ回路出力端子 ３０４・・・・・・・・相関情報算出回路 ３０５・・・・・・・・相関情報決定回路 ３０５・・・・・・・・係数表 ３０７・・・・・・・・固定相関情報表 ３０８・・・・・・・・パワー修正回路

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入力信号を圧縮伸張して量子化する高能率
    符号化方法において、 複数のチャンネルの入力信号を同時に圧縮伸張する際
    に、各チャンネルの入力信号の相関関係を考慮した量子
    化を行うことを特徴とする高能率符号化方法。
  2. 【請求項２】入力音声信号を人間の聴覚特性を利用して
    圧縮伸張して量子化する高能率符号化方法において、 複数のチャンネルの入力信号を同時に圧縮伸張する際
    に、各チャンネルの入力信号の相関関係を考慮した量子
    化を行うことを特徴とする高能率符号化方法。
  3. 【請求項３】上記各チャンネル間の相関関係を、上記入
    力信号から随時計算を行うことによって求め、量子化を
    行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の高能率符
    号化方法。
  4. 【請求項４】上記各チャンネル間の相関関係を、上記入
    力信号の時間軸上のスペクトラムデータないしは直交変
    換時の係数データから求めることを特徴とする請求項１
    又は２に記載の高能率符号化方法。
  5. 【請求項５】上記各チャンネル間の相関関係を、他チャ
    ンネルのフローティング情報より求めることを特徴とす
    る請求項１又は２に記載の高能率符号化方法。
  6. 【請求項６】上記入力信号に関係なく一定の相関関係を
    基に量子化を行うことを特徴とする請求項１又は２に記
    載の高能率符号化方法。
  7. 【請求項７】上記各チャンネル間の相関関係として、上
    記入力信号から随時計算を行うことによって求めたもの
    と、上記入力信号の時間軸上のスペクトラムデータない
    しは直交変換時の係数データから求めたものと、他チャ
    ンネルのフローティング情報より求めたものと、上記入
    力信号に関係なく一定の相関関係とを用い、入力信号に
    依存した相関関係及び一定の相関関係を可変可能な割合
    で加味することによって量子化を行うことを特徴とする
    請求項１又は２に記載の高能率符号化方法。
  8. 【請求項８】入力信号を圧縮伸張して量子化する高能率
    符号化装置において、 複数のチャンネルの入力信号を同時に圧縮伸張する際
    に、各チャンネルの入力信号の相関関係を考慮した量子
    化を行うことを特徴とする高能率符号化装置。
  9. 【請求項９】入力音声信号を人間の聴覚特性を利用して
    圧縮伸張して量子化する高能率符号化装置において、 複数のチャンネルの入力信号を同時に圧縮伸張する際
    に、各チャンネルの入力信号の相関関係を考慮した量子
    化を行うことを特徴とする高能率符号化装置。
  10. 【請求項１０】上記各チャンネル間の相関関係を、上記
    入力信号から随時計算を行うことによって求め、量子化
    を行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の高能率
    符号化装置。
  11. 【請求項１１】上記各チャンネル間の相関関係を、上記
    入力信号の時間軸上のスペクトラムデータないしは直交
    変換時の係数データから求めることを特徴とする請求項
    ８又は９に記載の高能率符号化装置。
  12. 【請求項１２】上記各チャンネル間の相関関係を、他チ
    ャンネルのフローティング情報より求めることを特徴と
    する請求項８又は９に記載の高能率符号化装置。
  13. 【請求項１３】上記入力信号に関係なく一定の相関関係
    を基に量子化を行うことを特徴とする請求項８又は９に
    記載の高能率符号化装置。
  14. 【請求項１４】上記各チャンネル間の相関関係として、
    上記入力信号から随時計算を行うことによって求めたも
    のと、上記入力信号の時間軸上のスペクトラムデータな
    いしは直交変換時の係数データから求めたものと、他チ
    ャンネルのフローティング情報より求めたものと、上記
    入力信号に関係なく一定の相関関係とを用い、入力信号
    に依存した相関関係及び一定の相関関係を可変可能な割
    合で加味することによって量子化を行うことを特徴とす
    る請求項８又は９に記載の高能率符号化装置。
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