JPH11145846A

JPH11145846A - 信号圧縮伸張装置及び方法

Info

Publication number: JPH11145846A
Application number: JP9304343A
Authority: JP
Inventors: Shogo Nakamura; 尚五中村; Hiroto Saito; 博人斎藤
Original assignee: Fuji Soft ABC Kk
Current assignee: Fuji Soft ABC Kk
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で高速処理が可能なデジタル情報
の圧縮伸張を可能とする。【解決手段】多項式量子化関数に相当する入力値に対
応する出力値と、当該出力値が包含する量子化誤差値と
を有する入力信号の態様に応じた複数種類のテーブルを
保持する量子化テーブル１５と、デジタル信号を複数の
等帯域に分割する帯域分割部１１と、分割した各帯域を
所定時間毎に時分割する時分割部１２と、時分割した各
分割帯域の信号エネルギを検出して検出エネルギが所定
閾値以上か否かを判断する判別部１６と、判別部１３で
の判別の結果所定閾値以上と判断された帯域の信号のみ
を、量子化テーブル１５に格納されているテーブル中の
量子化誤差値の累計が最少のテーブルを用いて量子化す
る量子化部１４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は信号圧縮伸張装置及び方
法に関し、例えば、デジタル信号を効率よく、且つ高速
で圧縮符号化及び伸長復号化可能な信号圧縮伸張装置及
び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インターネットなどのデジタル通信網の
普及に伴い、音声、画像を含む様々なデジタルデータが
ネットワーク上で伝送されている。今日ではテキストデ
ータのみならず、音声、音楽、動画等を伝送することも
珍しくはない。しかし、音声、音楽、動画等の情報量は
非常に大きく、伝送時のネットワーク回線の負荷・記憶
装置の容量の問題などを考えると、可能な限り情報を圧
縮する必要がある。このため、音声情報圧縮符号化方式
の一つとして、例えば移動通信電話等ではＣＥＬＰ（Co
de Excited Linear Predictive）が採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＥＬＰ方式による圧縮符号化は、符号化の過程でベク
トル量子化を用いているため、コードブックからの最適
コードの検索に多大な検索時間を必要としていた。従っ
て、高速処理を実現するためにはＤＳＰ等の専用の複雑
なハードウエア構成を備えなければならなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決することを目的としてなされたもので、簡単な構成で
高速処理が可能なデジタル情報の圧縮伸張を可能とする
ことを目的とする。そして、係る目的を達成する一手段
として以下の構成を備える。即ち、多項式量子化関数に
相当する入力値に対応する出力値と、当該出力値が包含
する量子化誤差値とを有する入力信号の態様に応じた複
数種類のテーブルを保持する量子化テーブル手段と、デ
ジタル信号を複数の等帯域に分割する信号分割手段と、
前記信号分割手段で分割した各帯域を所定時間毎に時分
割する時分割手段と、前記時分割手段で時分割した各分
割帯域の信号エネルギを検出して検出エネルギが所定閾
値以上か否かを判断する判別手段と、前記判別手段の判
別の結果所定閾値以上と判断された帯域の信号のみを、
前記量子化テーブル手段に格納されているテーブル中の
量子化誤差値の累計が最少のテーブルを用いて量子化す
る量子化手段とを備えることを特徴とする。

【０００５】そして例えば、前記量子化テーブル手段
は、少なくとも前記分割各帯域中の信号が小振幅信号の
分布が多い場合に適した量子化テーブルと、前記分割各
帯域中の信号が大振幅信号の分布が多い場合に適した量
子化テーブルの２種類のテーブルを保持することを特徴
とする。又例えば、前記量子化手段は、前記量子化テー
ブル手段を用いての量子化に先立って前記分割各帯域中
の絶対値が最大の振幅値により正規化した後に前記量子
化を行うことを特徴とする。

【０００６】更に例えば、更に、前記判別手段の判別結
果及び前記量子化手段で量子化した量子化情報と量子化
テーブル特定情報を出力する出力手段を備えることを特
徴とする。あるいは、上記構成を備える他の装置に備え
られた出力手段の出力情報を受け取る受信手段と、前記
受信手段で受信した受信情報中の前記判別手段の判別結
果より所定閾値以上と判別された帯域のみ受信情報に含
まれる量子化テーブル特定情報で特定されるテーブルに
従って量子化情報を伸張する伸張手段と、前記伸張手段
で伸張した各帯域の伸長情報を前記判別手段の判別結果
に従って時系列に復元するとともに、復元した各帯域毎
の情報を混合して前記他の装置での分割デジタル音声情
報を復元する混合復元手段を備えることを特徴とする。

【０００７】又例えば、前記時分割手段は前記分割手段
での分割帯域を略２０ｍ秒毎に分割し、前記判別手段
は、前記時分割手段で時分割した同一時間帯の各分割帯
域のエネルギの総和が所定閾値以上か否かを判別すると
ともに、各分割帯域のエネルギが同一時間帯の各分割帯
域のエネルギの総和の５％以上のか否かを閾値として判
別することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態例】以下、図面を参照して本発明に
係る一発明の実施の形態例を詳細に説明する。以下の説
明は、デジタル情報の圧縮符号化及び伸長復号化を行う
信号圧縮伸張装置について行うが、圧縮符号化及び伸長
復号化を行う具体的なデジタルデータの例として音声情
報が入力された場合を説明する。従って、後述する帯域
分割例、時分割例は音声情報の圧縮伸長に最適と考えら
れる例を示すが、他のデジタル情報の場合には適時最適
化すれば良い。

【０００９】図１は本発明に係る一発明の実施の形態例
デジタル信号圧縮伸張装置の構成を示すブロック図であ
る。図中、１０はアナログ信号の処理を実現するため
に、アナログ情報を対応するデジタル情報に変換するア
ナログ−デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）である。例え
ば処理すべき情報が音声情報である場合には不図示のマ
イクロホン等からの信号などが入力される。本発明の実
施の形態例においては、処理情報が音声情報である場合
にはＡ／Ｄ変換部１０はサンプリング周波数８ＫＨｚで
量子化分解能８ビットのデータ量を持つデジタルデータ
に変換する。

【００１０】１１はＡ／Ｄ変換部１０よりのデジタルデ
ータあるいは別途入力されるデジタル信号を８チャンネ
ルの帯域に分割する帯域分割部である。帯域分割部１１
は、処理データが音声情報である場合には、５００Ｈｚ
毎の８チャンネルの等帯域分割を行う。また、１２はデ
ジタルデータの量子化にあたって帯域分割部１１で帯域
分割された各帯域毎に所定区間毎に時分割する時分割部
である。

【００１１】１３は時分割部１２で時分割された各ブロ
ックに対して、入力されたデジタルデータの各ブロック
内のエネルギ調査を行って有音区間と無音区間（有デー
タ区間と無データ区間）の判定及び各分割帯域（チャネ
ンネル）毎のデータの有無を判定する判定部である。即
ち、本発明の実施の形態例では、同時刻の全チャンネル
のエネルギ占有率を調べて、占有率の高いチャンネルの
みを符号化（量子化）するように制御しており、このた
めの符号化すべき（伝送すべき）チャンネルをここで判
定している。

【００１２】この判定部１３の判定においては、エネル
ギの総量を調べ、一定に閾値以上のエネルギが検出され
た場合に有データ区間としている。これは、実際のデー
タにおいては、ノイズの重畳が考えられ、マイクロホン
などで音声情報を入力した場合等に顕著であるため、微
小エネルギブロックを閾値を用いてカットする様に制御
しているためである。

【００１３】１４は時分割部１２で時分割された各区間
を判定部１３での判定結果に従って順次量子化する量子
化部であり、量子化テーブル１５に登録されている所定
数のテーブルの内の量子化すべきチャンネルの量子化誤
差が最小限となるテーブルを用いて当該帯域の音声デー
タ等を量子化する。１５は所定数の（本発明の実施の形
態例においては、小振幅で高分解能な量子化関数に相当
するテーブル（テーブルａ）と高振幅で高分解能な量子
化関数に相当するテーブル（テーブルｂ）の２つの）テ
ーブルを有している量子化テーブルであり、量子化テー
ブル１５には、量子化されたスプライン関数に相当する
量子化値と戻り値、及び戻り値の量子化誤差がそれぞれ
の入力値毎に登録されている。

【００１４】１６は判定部１３での判定結果情報及び量
子化部１４での量子化データとを関連付けてパケット化
し、送信データを生成する出力部である。更に、２１は
他の装置よりの量子化情報及び量子化に対する相手装置
判定部の判定結果を包含する相手装置よりの受信データ
を受け取る入力部である。２２は受信データ中の上記相
手装置判定部の判定結果を受取り、送られてきた量子化
データがどの帯域のデータか等を判別し、伸張処理をす
べきチャンネル（有音区間）を判定する有音区間判定部
である。

【００１５】２３は有音区間判定部２２で判定した有音
区間チャンネルについて、相手装置よりの量子化テーブ
ル情報を基に量子化テーブル１５中より相手装置が量子
化時に用いたテーブルを特定し、特定してテーブルに従
って該当チャンネルの伸張処理を行い量子化以前のデジ
タルデータに変換して時系列合成部２４に出力する伸張
部である。

【００１６】２４は伸張部２３よりの各チャネル毎の一
定区間のデジタルデータを時系列合成する時系列合成
部、２５は先の帯域分割部と同様のウエーブレットフィ
ルタにより時系列合成部で時系列に合成された各チャン
ネル毎に分割された帯域毎の音声データを合成する帯域
合成部である。帯域合成部２５での合成結果は複合デジ
タル信号として出力される。

【００１７】また、２６は必要に応じて帯域合成部２５
よりのデジタル信号を対応するアナログ信号に変換する
デジタル−アナログ変換部（Ｄ／Ａ変換部）であり、例
えばデジタル信号が音声信号などである場合にはＤ／Ａ
変換部２６出力をスピーカやハンドセット等より音響信
号として出力する場合が有り、このような場合のために
対応するアナログ信号に変換出力している。更に、２７
はアナログ音声信号を音響出力するスピーカである。

【００１８】以上の構成を備える本発明の実施の形態例
の各部の詳細を以下に説明する。まず帯域分割部の詳細
構成を図２に示す。本発明の実施の形態例においては、
入力をローパスフィルタＨ０及びハイパスフィルタＨ１
の２つの分解フィルタに入力させ、この２つのフィルタ
を通過した後（１／２）にデシメーションされて２つの
帯域に夫々分割される。このように、１段で（１／２）
のデシメーションを行うので、各チャネル出力は入力に
対し、１／８のデータ数になっている。このフィルタ
（ウエーブレットフィルタ）は、図３に示すように入力
データを一次保持するデータメモリ、該データメモリに
記憶された入力データを分割周波数で定まるウエーブレ
ット係数で乗算する乗算器により構成されており、この
ウエーブレット係数を変更するのみで任意の周波数での
分割が可能である。このため、本発明の実施の形態例で
は各フィルタは、すべて同様の構成となっており、わず
かに乗算器に入力されるウエーブレット係数が異なるの
みである。以上の構成であるため、分割フィルタの出力
のデータ数（チャネル１からチャネル８までの８個の帯
域分割出力のデータ数の総和）はトータルで入力のデー
タ数と同じとなっている。

【００１９】本発明の実施の形態例では、図２に破線で
分離したローパスフィルタＨ０及びハイパスフィルタＨ
１とその後の２つの（１／２）デシメーション部を１ブ
ロックとした分解フィルタ構成を採用しており、このブ
ロックを分割帯域数に従って所定数備える構成としてい
る。８チャンネルに分割しようとする場合には７つのブ
ロックを備えている。なお、後述する帯域合成部２５に
おける合成フィルタもフィルタ部構成については全く同
様の構成となっている。

【００２０】具体的には、各フィルタはすべて図３に示
す構成となっており、入力データを一次記憶するデータ
メモリ３１、フィルタ特性を決定するウエーブレット係
数を保持して乗算器３３に出力するウエーブレット係数
出力部３２、及びデータメモリ３１よりの入力データに
ウエーブレット係数を乗算する乗算器３３で構成されて
いる。

【００２１】本発明の実施の形態例においては、例えば
ウエーブレットフィルタの構成を特開平８−１０１６９
８号に記載したウエーブレットフィルタの構成賭するこ
とが可能である。次に、帯域合成部２５の詳細構成を説
明する。帯域合成部２５は図５に示す構成を備えてい
る。即ち、帯域分割部１１とは逆に８チャンネルの分割
帯域データを合成するものであり、（１／８）にデシメ
ーションされた信号を、図５に破線で分離した２つの
（×２）デシメーション部、ローパスフィルタＧ０及び
ハイパスフィルタＧ１とを１ブロックとした合成フィル
タ構成を採用しており、このブロックを分割帯域数に従
って分割フィルタと同様７ブロック備える構成としてい
る。

【００２２】具体的には、各フィルタはすべて分割フィ
ルタと同様に図３に示す構成となっており、入力データ
を一次記憶するデータメモリ３１、フィルタ特性を決定
するウエーブレット係数を保持して乗算器３３に出力す
るウエーブレット係数出力部３２、及びデータメモリ３
１よりの入力データにウエーブレット係数を乗算する乗
算器３３で構成されている。

【００２３】次に図１に示す時分割部１２の詳細を説明
する。例えば処理情報が音声情報である場合には、音声
信号を時間帯域で見ると無音区間と有音区間とが存在
し、また、同じ時間軸上の各帯域の信号もエネルギの分
布に偏りがあり、各帯域の合成波で構成しているとみな
すことができる。この場合に、実際の音声波形の周波数
スペクトルは時間とともに変化し、例えば５００ｍｓ程
度の長さで見ると非定常過程であるが、２０〜４０ｍｓ
程度の区分に分ければそれぞれの区間では略一定の性質
を持つと考えられる。

【００２４】時分割の区間が長くなると、無音区間の判
定が減少する。このため、本発明の実施の形態例におい
ては、各分割チャンネルを時分割部１２で１ブロック２
０msec（データ数にすると２０点）毎の区間に時分割と
している。次に図１に示す判定部１３の詳細を説明す
る。判定部１３では、時分割部１２で時分割分割された
８チャンネルの各所定区間の各ブロック内のエネルギ調
査を行い、有音区間と無音区間の判定を行う。この場合
において、実際の入力データ、例えば音声データを考え
ると、マイクなどの入力デバイスの特性や周囲環境によ
り、入力データにはノイズが付加されると考えられる。
このため、判定部１３ではノイズ、微小エネルギブロッ
クを閾値を用いてカットしている。

【００２５】判定部１３におけるエネルギ調査は、チャ
ンネルＮのｋブロック番目の信号系列を｛xN_k（1),xN_k(2),xN_k(3),・・・・,xN_k(20)｝,(n=1〜2
0) の絶対値の和をエネルギとして以下の数１式に定義す
る。

【００２６】

【数１】

【００２７】このようにして算出した各区間のエネルギ
総量に対して一定の閾値以上の区間を有音区間として処
理の対象とするのであるが、ノイズブロックや微小エネ
ルギブロックをカットし、無音区間を増やせば圧縮率の
向上にはなるが、子音情報、並びに聴覚特性上カットで
きない微小信号をカットすることとなっては、例えば音
質、明瞭度の劣化を引き起こしてしまう。

【００２８】このため、本発明の実施の形態例において
は、入力信号が音声信号の例では、音声の音質の評価法
として主観評価法を採用し、品質の良し悪しを５段階
（非常によい＝４、良い＝３、普通＝２、悪い＝１、非
常に悪い＝０）で評価した平均値である平均オピニオン
値（mean opinion score:ＭＯＳ)で表すオピニオン法を
用いて各チャンネルの閾値を決定した（ブロックエネル
ギカット条件）。

【００２９】時分割されたデータに対しては、閾値であ
るフレームエネルギカット条件、ブロックエネルギカッ
ト条件の２つの条件の下で判定され、カットすべきフレ
ーム、ブロックが決定される。ブロックエネルギカット
条件の決定にあたっては、８チャンネルに周波数分解さ
れた信号をカットするブロックエネルギカット条件を各
チャンネルのパワーの値のみで決定しては、高周波成分
の子音は微弱なエネルギしか持たないため、ほとんどが
カットされてしまう。

【００３０】このため、本実施の形態例では子音情報は
エネルギの大きい母音情報の数十ｍｓ前から出現するこ
とを利用し、各チャンネルのエネルギ占有率の値を用い
てエネルギカット情景を決定している。具体的には、全
チャンネルの閾値の値の決定にあたって、各々のチャン
ネルのフレーム全体に対するそのチャンネルのエネルギ
の占有率を１％から１０％まで変化させて複数の視聴者
により明瞭度を評価した結果、５％以下の閾値にすると
明瞭度が著しく低下することを見いだしたため、以下に
示す数２式をエネルギカット条件とした。

【００３１】

【数２】

【００３２】子音情報が多く含まれているブロックは、
エネルギ占有率の低い高域チャンネルでエネルギ占有率
が例えば５０％以上となり、この様なブロックが子音の
はじまりの成分に相当する。この結果、子音情報は母音
情報の数十分ｍｓ前からあらわれるため、エネルギ占有
率をカット条件とする本実施の形態例の方法によれば子
音成分の情報欠落を低く抑えることができる。

【００３３】一方、フレームエネルギカット条件は、時
分割された同一時間ブロック（フレーム）において、１
フレームのエネルギ、即ち、各チャンネルのエネルギの
総和が所定閾値より小さかったら（以下に示す数３）無
音フレームとする。

【００３４】

【数３】

【００３５】なお、本実施の形態例では、閾値（thresh
old）の値としては、日本語音声の場合には明瞭度に影
響がない閾値として、｛閾値（threshold）＝７０｝と
している。判定部１３では、以上の様にして決定した閾
値を参照して、入力された音声信号が有音部分かあるい
は無音部分かを判定する。

【００３６】時分割部１２よりの時分割されたデジタル
信号が入力された量子化部１４では判定部１３の判定結
果に従って無音区間についての量子化は行わずに、有音
区間のみ量子化を行う。上述したフレームエネルギカッ
ト条件を満たすフレームは、全帯域に渡って全て無音フ
レームと判断して量子化を行わずに出力部１６に出力す
る。この様子を図６に示す。図６に示す様に、フレーム
エネルギカットの閾値を７０と設定した場合には、上段
に示す入力される第２、第４フレームがそれぞれ６２、
５１でありカット条件を満たすフレームとなり、下段に
示すように無音フレームに代わることになる。

【００３７】一方、ブロックエネルギカット条件を満た
すブロックは、無音ブロックと判断して量子化を行わず
に出力部１６に出力する。この様子を図７に示す。図７
に示す様に、ブロックエネルギカットの条件は、フレー
ムに対するそのチャンネルのエネルギ占有率が５％より
小さいブロックであり、例えば上段に示す入力ブロック
の下段に薄い網掛けで示すブロックが無音ブロックとな
り、無音ブロックに代わることになる。

【００３８】量子化部１４は、判定部１３が有音区間で
あると判断した場合には、更に圧縮をすすめるために以
下に説明する量子化を行う。本発明の実施の形態例にお
いては、高圧縮率でかつ再現性も良く、しかも処理速度
の向上を図りながら構成も簡単なものとするために、以
下の量子化方法を採用している。このため、以下の２つ
の場合に適した多項式量子化関数により量子化を行う。
即ち、ブロック中の信号が小振幅信号の分布が多い場合
の量子化に適した量子化関数と、ブロック中の信号が大
振幅信号の分布が多い場合の量子化に適した量子化関数
を作成した。

【００３９】多項式量子化関数の特徴として、例えば入
力情報が音声情報である場合には、話者の性別、発生音
声などに強く依存するため、複数の話者のデータで振幅
の度数分布を求め、図８に示すようなｘ＞ｙ，ｘ＜ｙの
領域でそれぞれ度数分布の高い付近で折れ点を決定し、
区分線形量子化関数を求め、それを３次のスプラインで
補間したものを利用して量子化係数を決定する。

【００４０】そして、決定した折れ点から３次のスプラ
イン関数を使い、曲線近似したものを図９に示す。図９
は決定した折れ点から３次のスプライン関数で生成され
た量子化関数の例を示す図である。このスプライン関数
をもとに、８ビットから４ビットに量子化する関数を生
成する。この量子化関数の例を図１０に示す。量子化関
数の４ビットとしたのは、５ビットの量子化関数を用い
て量子化した場合と、４ビットの量子化関数を用いて量
子化した場合を、複数の視聴者によるＭＯＳ評価の結
果、信号の品質に差がなかったためである。

【００４１】即ち、入力が音声情報である場合には、デ
ジタル化のサンプリング周波数８ｋＨｚ、量子化分解能
８ビットの音声信号に対しては、４ビットの精度で品質
的には十分であるためである。しかしながら、より量子
化分解能が高い信号に対して量子化を行う場合には、上
述したスプライン関数をもとに、所望のビット数の量子
化関数を作ることができ、適宜最適な量子化関数を想定
すれば良い。

【００４２】本実施の形態例においては、以上の様にし
て作成した例えば図１０に示す量子化関数を使用して実
際の量子化を行うに際して、逆関数を算出するのではな
く、図１１、図１２に示すテーブルを予め作成し、量子
化テーブル１５に登録しておくこととする。この量子化
テーブル１５には、図９に示す理想量子化関数を用いた
場合と図１０に示す量子化関数を用いた場合の量子化誤
差（Error）の値も予め求めて図１１及び図１２に示す
ように登録しておく。

【００４３】そして量子化部１４における量子化の際に
は、それぞれの量子化すべきチャンネルを２０サンプル
ごとに（ブロックごとに）２つを量子化テーブル１５に
登録されている図１１及び図１２に示す２つの量子化テ
ーブルを参照して量子化する。そして、量子化テーブル
１５を参照した際に、参照されたテーブル値が選択され
た場合の量子化誤差（Error）を求めてこの量子化誤差
（Error）の累積値も記録しておき、２０サンプル量子
化後に求めた累積量子化誤差の小さい方のテーブルを選
択して量子化を行う。

【００４４】図１１及び図１３に示す量子化テーブルに
おいて、Ｅｒｒｏｒで示すのは当該量子化テーブルを用
いて最構成した場合の量子化誤差である。入力信号が決
まれば入力信号を量子化関数により圧縮し、送信後再び
伸長して元の信号に復元するわけであるが、いかなる方
法を用いても元の信号と正確に同じになることはなく、
必ず誤差が生じる。本実施の形態例では、予め量子化テ
ーブルにその誤差を格納している。これにより、入力信
号に対する量子化誤差を、量子化テーブルを参照するの
みで容易に得ることができ、後述するように在る決めら
れたデータ分（フレーム）について加算するのみで、そ
の区間内でのトータル誤差量を求めることができる。

【００４５】このため、量子化テーブルに複数の量子化
関数をその量子化誤差とともに格納しておくことによ
り、ある入力があった時に、個々の量子化関数に対応し
た誤差をそれぞれ極めて簡単な演算で求めることがで
き、個々の量子化関数の内の最小の誤差を与える量子化
関数を求め、求めた量子化関数を用いて量子化を行なう
ことにより、容易に最も量子化誤差の少ない量子化関数
を用いて量子化することができる。

【００４６】このようにして圧縮した圧縮データを伸長
する場合には、圧縮された量子化関数を特定した後、量
子化テーブル中の特定した量子化関数のテーブルを選択
し、受信したコードをアドレスとして量子化テーブルを
参照すると、そのコードで元の信号の近似を得ることが
できる。なお、以上の説明は２つの量子化関数のみが示
されているが、本実施の形態例は以上の例に限定される
ものではなく、任意の数の量子化関数を登録しておいて
よいことは勿論である。

【００４７】更に、本実施の形態例においては、小振幅
での信号の量子化誤差は人間の聴覚特性上は音質に大き
く影響するため、本実施の形態例では量子化誤差を減ら
すためにそれぞれのブロック中の設定値が最大の振幅値
により正規化してから非線形量子化関数により量子化を
行っている。

【００４８】この場合において、フレーム内の最大値で
正規化した後に量子化テーブルを利用した上記の圧縮操
作を行うことにより、高い精度の圧縮復元が可能とな
る。この場合、正規化のために乗算や除算が必要となる
が、それに見合う精度が得られることを発見したため、
本実施の形態例ではあえて係るフレーム内での最大値で
正規化する処理を行っている。

【００４９】図１３に本実施の形態例における正規化後
の振幅写像の様子を示す。実際には１ブロック２０サン
プルで構成されているが、図１３で正規化を施さない場
合には第２、第３サンプルが同じ値の量子化値３に写像
される。同じ値に写像されたものは、戻り値が一意に決
められているため、逆量子化誤差を増加させることにな
るが、この正規化処理を施すことにより振幅の差が小さ
い場合の丸め誤差により同値となる場合が回避される場
合があり、誤差が軽減できる。

【００５０】以上に説明した量子化部１４による量子化
の実際例を以下に説明する。あるチャンネルの量子化前
の信号系列を[ｘ₁,ｘ₂,ｘ₃,・・・・・,ｘ₂₀]とし、系
列中の最大値をＭax(x_i)、量子化テーブル１５の参照処
理をｆ(＊)とすると、量子化後（４ビット分解能＝８）
の系列[ｙ₁,ｙ₂,ｙ₃,・・・・・,ｙ₂₀]は、以下に示す
数４式の様に表せる。

【００５１】

【数４】

【００５２】図１４に本実施の形態例の量子化処理の実
際の例を示す。図１４は本実施の形態例におけるチャン
ネル１の量子化処理の例であり、上段に量子化前の入力
波形の例を、下段に量子化後の量子化波形の例を示す。
以上に説明したように本実施の形態例においては、量子
化ごとに量子化関数を求めたのでは膨大な計算量とな
り、リアルタイムで実行することには難があるため、予
め量子化テーブル１５に、音声信号に対してより最適化
に近い係数のセットとして、ブロック中の信号が小振幅
信号の分布が多い場合の量子化に適した量子化関数の
と、ブロック中の信号が大振幅信号の分布が多い場合の
量子化に適した量子化関数を、それぞれの量子化関数を
用いて量子化した場合の量子化誤差とともに登録してお
く。そして量子化に際して、この予め量子化テーブル１
５に登録されている量子化誤差をテーブルから引き出し
て集計し、集計された誤差が最少のセットが最適な量子
化関数として選ばれ、それに対応した量子化信号が送り
出される。

【００５３】これにより、順次入力される音声信号に対
してリアルタイムで最適量子化処理することを可能とし
ている。この一連の圧縮処理の流れを図１５に示す。各
ステツプの詳細は上述した。以上の量子化処理を施すこ
とにより、先の出力エネルギの低いチャンネルよりの信
号のカットとあいまって平均的に圧縮率約１０％強の信
号圧縮が可能となる。従って、この圧縮データを出力部
１６に送り、出力部１６は通信媒体等を介して他の装置
に送信することにより、少ないデータ量で確実に音声情
報等を送ることができる。

【００５４】出力部１６では、量子化部１４より出力さ
れる量子化データと、判定部１３より送られる量子化さ
れるブロックと、量子化されない（出力されない）ブロ
ックの情報より、図１６に示すフォーマットの出力デー
タを生成して例えば通信媒体に出力する。図１６の上部
に示したのが判定部１３による量子化ブロックと非量子
化ブロックの判定結果の例であり、下部が出力部１６よ
りの出力伝送形式の例を示している。以下、図１６に示
す例を参照して本実施の形態例における出力部の出力フ
ォーマットの生成例を説明する。

【００５５】出力部１６では、まずフレームが有音フレ
ームか、無音フレームかを判断する。そして、無音フレ
ームであれば無音フラグ“０”を記述し、続く７ビット
で無音フレームの長さを記述する。図１６の例では無音
フレームの長さは２フレームであるため、無音フレーム
の長さとして２（２進法）を記述する。このように、記
述するため、１バイトの情報で最大２．５４秒の無音フ
レーム長を記述できるが、無音フレーム長が２．５４秒
以上続く場合には再度無音フラグを記述する。

【００５６】一方、フレームが有音フレームであった場
合には、先頭の１ビットに有音フラグ“１”を記述し、
続く８ビットを用いて８チャンネルが有音チャンネルか
無音チャンネルかを記述する。最初の１ビット目がチャ
ンネル１、次の２ビット目がチャンネル２の順で最後の
８ビット目がチャンネル８を示しており、有音チャンネ
ルであれば“１”を記述し、無音チャンネルであれば
“０”を記述する。図１６の例では、チャンネル３、
４、６、８が有音チャンネルである。

【００５７】続いて、最初の有音チャンネルであるチャ
ンネル３の量子化の結果を選択した量子化テーブル１５
の量子化関数の情報（１ビットで表し、例えばブロック
中の信号が小振幅信号の分布が多い場合の量子化に適し
た量子化関数の場合には“０”、ブロック中の信号が大
振幅信号の分布が多い場合の量子化に適した量子化関数
の場合には“１”）を記述する。続いて、続く７ビッ
トにブロック中の最大値を記述し、更に続く８０ビット
に量子化された値（４ビット×２０サンプル＝８０ビッ
ト）を記述する。以下、続く有音チャンネル（図１６の
例ではチャンネル４、６、８）の情報の同様にして記述
する。

【００５８】これを順次フレーム毎に生成を繰り返して
順次送信する。以上説明したように本発明の実施の形態
例によれば、量子化誤差が最少の量子化関数を選択して
量子化を行うとともに、出力が一定閾値以上のフレーム
／チャンネルのみ上記量子化を行うことにより、誤差が
最少で且つ高い圧縮率の音声情報圧縮が実現する。更
に、入力ブロックの最大値での正規化処理を行ってから
量子化を行うため、簡単な構成、制御で量子化誤差を最
少とできる。

【００５９】続いてこのようにして圧縮された音声情報
を伸張する処理を図１７を参照して説明する。まずステ
ップＳ１１で、例えば上述した圧縮処理が施された他装
置などよりの圧縮音声情報を、図１に示す入力部２１で
受け取る。入力部２１ではこの受信データより、まず無
音フレームの長さを判別し、有音区間判別部２２に無音
フレームの長さを報知する。

【００６０】有音フレームである場合には、続く８ビッ
トを調べて有音フレームの８チャンネルのうちの有音チ
ャンネルと無音チャンネルを調べ、有音区間判定部２２
に出力する。そして、続いて送られて来る量子化の結果
を選択した量子化テーブル１５の量子化関数の情報を伸
長部２３に出力するとともに、送られて来るブロック中
の最大値を伸長部２３に出力する。更に続く８０ビット
の量子化された値（４ビット×２０サンプル＝８０ビッ
ト）を出力する。

【００６１】続いてステップＳ１２で伸張部２３によ
る、伸張処理が実行される。伸張部２３には、送られて
きたロック中の最大値と、量子化の際に用いた量子化関
数情報より量子化テーブル１５より対応する量子化関数
を選択して圧縮前の信号を再生する。この処理は送信さ
れたサブバンドの信号全てに行われる。この伸長処理に
おいて、受信した量子化コードをアドレスとして量子化
テーブルを参照するとそのコードで元の圧縮データが得
られる。

【００６２】その後ステップＳ１３で時系列合成部２４
で各チャンネルにおける同一区間の信号があるチャンネ
ルは伸張した信号を、信号が無いチャンネルに対しては
信号を出力しないように制御（全てのチャンネルが無音
区間である場合には、全てのチャンネルに対して信号を
出力しないように制御する。

【００６３】そして、ステップＳ１４において上述した
帯域合成部２５において、ウエーブレット合成フィルタ
バンク用いて送信された音声情報（音声メイル等）を再
生する。具体的には、合成用のフィルタＧ０、Ｇ１に伸
張された信号を送る前に、データ間に０を挿入してデー
タ数を２倍の頻度になるようにインターポーレート、つ
まりサンプリングレートを２倍にしている。そして、合
成フィルタで合成している。

【００６４】その後ステップＳ１５で必要に応じて合成
音声情報をＤ／Ａ変換部２６で対応するアナログ信号に
変換し、スピーカ２７より音響信号に変換して出力す
る。以上の様にして圧縮した音声情報等の圧縮情報を再
び伸張して出力することができる。以上の本発明の実
施の形態例の音声圧縮伸張処理を行った結果、再合成さ
れた音声が、「誰がそのスピーチを行っているか？」、
「何を喋っているか？」といった条件を満たす圧縮を行
ないながら、ブロック中の信号が小振幅信号の分布が多
い場合の量子化に適した量子化関数の場合には（１／１
２．５）、ブロック中の信号が大振幅信号の分布が多い
場合の量子化に適した量子化関数の場合には（１／１
３．２）という高い圧縮率が得られた。

【００６５】以上説明したように本発明の実施の形態例
によれば、デジタル情報を８チャンネルの等帯域に分割
し、各チャンネル毎に一定の区間で音声信号レベルが低
い場合に、信号をカットすることにより、優れた圧縮率
が選られ、且つその後の量子化によって更なる高い圧縮
率を実現しながら、優れた再現性の得られる音声圧縮伸
張が提供できる。この結果、圧縮音声情報を他の装置に
送信する場合にも、少ない送信データ量で済み、送受信
双方の必要メモリ容量が削減できると共に、通信時間も
短縮することができる。

【００６６】なお、以上の説明は音声情報を例として説
明したが、圧縮伸長情報はあらゆるデジタルデータに適
用でき、所定帯域のデジタル信号であれば任意の信号を
圧縮及び伸張出来る。例えば、画像情報であっても適用
可能なことは勿論である。例えば、測定器よりの測定波
形に対して上述した量子化をおこない、その後に上述し
た複号化方法により複号化しても上述同様高い圧縮効果
を得ることができる。この場合においては、測定器の測
定可能範囲より分割周波数周波帯域を決めることなどが
可能である。

【００６７】以上の量子化・複号化方法を測定器よりの
測定信号に適用した例を図１８に示す。図１８の例は、
人工衛星の波動観測器よりの受信波形を上記方法で圧縮
（量子化）・伸長（複合化）した例を示している。図１
８の（ａ）に示すのが人工衛星の波動観測器よりの受信
波形であり、（ｂ）に示すのが上述した方法で略圧縮率
１／９．５６、無音処理による閾値を５％で圧縮した後
に、再び伸長した信号波形の例を示している。図１８に
示すように、略忠実に再現できる。

【００６８】更に、以上の測定器よりの信号波形に限ら
ず、あらゆる検出手段よりの検出信号の圧縮・複号に適
用できることは勿論である。例えば、生体よりの収集信
号に上述した量子化・複号化技術をそのまま適用するこ
とが可能である。この例として、長時間に渡る被験者情
報の収集、被験者状態の監視が要求される様な場合の収
集信号の圧縮・伸長に適用することにより、収集信号を
他のマスタ装置で一括監視するような場合にもマスタ装
置への転送データ量を低減でき、又、これを記録する場
合における記録に必要なメモリの記録容量を低減するこ
とが可能となる。

【００６９】生体よりの収集信号の例として、心電図信
号の圧縮・伸長に上記量子化・複号化方法を適用した例
を図１９に示す。図１９の上段は生体に装着した心電図
電極よりの収集信号波形（オリジナル波形）であり、下
段に示すのが上述した量子化方法で量子化して再び上述
した伸長処理を行った場合の信号波形の例を示してい
る。図１９に示すように、生体信号の圧縮伸長にも大き
な圧縮伸長結果が得られる。

【００７０】更に、以上に示すようにあらゆる信号の圧
縮伸長に上述した実施の形態例の圧縮方法（量子化方
法）及び伸長方法（複号化方法）を適用することがで
き、何れの場合においても高い圧縮効果と忠実な再現結
果を得ることができる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、高速
処理が可能でかつ高い圧縮率を実現しながら、優れた再
現性の得られる信号圧縮伸張が提供できる。この結果、
圧縮音響情報を他の装置に送信する場合にも、少ない送
信データ量で済み、送受信双方の必要メモリ容量が削減
できると共に、通信時間も短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一発明の実施の形態例の構成を示
すブロック図である。

【図２】図１に示す本発明の実施の形態例の帯域分割部
の詳細構成例を示す図である。

【図３】図２に示す本発明の実施の形態例の帯域分割部
のフィルタの詳細構成例を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態例の分割チャネルの周波数
分布を示す図である。

【図５】図２に示す本発明の実施の形態例の帯域合成部
の詳細構成例を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態例のフレームエネルギカッ
トの様子を説明するための図である。

【図７】本発明の実施の形態例のブロックエネルギカッ
トの様子を説明するための図である。

【図８】本発明の実施の形態例の量子化部における領域
分割折れ点の密度分布の例を示す図である。

【図９】本発明の実施の形態例における決定した折れ点
から３次のスプライン関数で生成された量子化関数の例
を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態例における量子化処理に
おける量子化関数を説明するための図である。

【図１１】本実施の形態例における量子化テーブルへの
ブロック中の信号が小振幅信号の分布が多い場合の量子
化に適した量子化関数と量子化誤差の登録例を示す図で
ある。

【図１２】本実施の形態例における量子化テーブルへの
ブロック中の信号が大振幅信号の分布が多い場合の量子
化に適した量子化関数と量子化誤差の登録例を示す図で
ある。

【図１３】本実施の形態例における量子化部における正
規化後の振幅写像の様子を示す図である。

【図１４】本発明の実施の形態例による量子化圧縮処理
での圧縮結果を示す図である。

【図１５】本発明の実施の形態例における量子化圧縮処
理における流れを示す図である。

【図１６】本発明の実施の形態例における出力部の出力
伝送フォーマットを説明するための図である。

【図１７】本発明の実施の形態例における伸張処理にお
ける流れを示す図である。

【図１８】本発明に係る他の実施の形態例における量子
化前の信号波形と量子化後の復元波形の例を示す図であ
る。

【図１９】本発明に係る更に他の実施の形態例における
量子化前の信号波形と量子化後の復元波形の例を示す図
である。

【符号の説明】

１０アナログ−デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）１１帯域分割部１２時分割部１３判定部１４量子化部１５量子化テーブル１６出力部２１入力部２２有音区間判定部２３伸張部２４時系列合成部２５帯域合成部２６デジタル−アナログ変換部（Ｄ／Ａ変換部）２７スピーカ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多項式量子化関数に相当する入力値に対
応する出力値と、当該出力値が包含する量子化誤差値と
を有する入力信号の態様に応じた複数種類のテーブルを
保持する量子化テーブル手段と、デジタル信号を複数の等帯域に分割する信号分割手段
と、前記信号分割手段で分割した各帯域を所定時間毎に時分
割する時分割手段と、前記時分割手段で時分割した各分割帯域の信号エネルギ
を検出して検出エネルギが所定閾値以上か否かを判断す
る判別手段と、前記判別手段の判別の結果所定閾値以上と判断された帯
域の信号のみを、前記量子化テーブル手段に格納されて
いるテーブル中の量子化誤差値の累計が最少のテーブル
を用いて量子化する量子化手段とを備えることを特徴と
する信号圧縮伸張装置。
【請求項２】前記量子化テーブル手段は、少なくとも
前記分割各帯域中の信号が小振幅信号の分布が多い場合
に適した量子化テーブルと、前記分割各帯域中の信号が
大振幅信号の分布が多い場合に適した量子化テーブルの
２種類のテーブルを保持することを特徴とする請求項１
記載の信号圧縮伸張装置。
【請求項３】前記量子化手段は、前記量子化テーブル
手段を用いての量子化に先立って前記分割各帯域中の絶
対値が最大の振幅値により正規化した後に前記量子化を
行うことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか
に記載の信号圧縮伸張装置。
【請求項４】更に、前記判別手段の判別結果及び前記
量子化手段で量子化した量子化情報と量子化テーブル特
定情報を出力する出力手段を備えることを特徴とする請
求項１乃至請求項３のいずれかに記載の信号圧縮伸張装
置。
【請求項５】請求項４記載の構成を備える他の装置に
備えられた出力手段の出力情報を受け取る受信手段と、前記受信手段で受信した受信情報中の前記判別手段の判
別結果より所定閾値以上と判別された帯域のみ受信情報
に含まれる量子化テーブル特定情報で特定されるテーブ
ルに従って量子化情報を伸張する伸張手段と、前記伸張手段で伸張した各帯域の伸長情報を前記判別手
段の判別結果に従って時系列に復元するとともに、復元
した各帯域毎の情報を混合して前記他の装置での分割デ
ジタル音声情報を復元する混合復元手段を備えることを
特徴とする請求項４記載の信号圧縮伸張装置。
【請求項６】前記時分割手段は前記分割手段での分割
帯域を略２０ｍ秒毎に分割し、前記判別手段は、前記時
分割手段で時分割した同一時間帯の各分割帯域のエネル
ギの総和が所定閾値以上か否かを判別するとともに、各
分割帯域のエネルギが同一時間帯の各分割帯域のエネル
ギの総和の５％以上のか否かを閾値として判別すること
を特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の
信号圧縮伸張装置。
【請求項７】多項式量子化関数に相当する入力値に
対応する出力値と、当該出力値が包含する量子化誤差値
とを有する処理すべき信号の態様に応じた複数種類のテ
ーブルを保持する信号圧縮伸長装置における信号圧縮方
法であって、処理対象のデジタル信号を複数の等帯域に分割して分割
した各帯域を所定時間毎に時分割し、前記時分割した各
分割帯域の信号エネルギを検出して検出エネルギが所定
閾値以上の帯域の信号のみを、前記量子化テーブル手段
に格納されているテーブル中の量子化誤差値の累計が最
少のテーブルを用いて量子化することを特徴とする信号
圧縮方法。
【請求項８】前記量子化に先立って前記分割各帯域中
の絶対値が最大の振幅値により正規化した後に前記量子
化を行うことを特徴とする請求項７記載の信号圧縮方
法。
【請求項９】前記処置対象のデジタル信号の分割は略
２０ｍ秒毎に分割するものであり、時分割した同一時間
帯の各分割帯域のエネルギの総和が所定閾値以上で、各
分割帯域のエネルギが同一時間帯の各分割帯域のエネル
ギの総和の５％以上の帯域のみを量子化することを特徴
とする請求項７又は請求項８のいずれかに記載の信号圧
縮方法。
【請求項１０】請求項７乃至請求項９のいずれかの信
号圧縮方法で圧縮した量子化情報を受取り、前記他の装
置よりの前記量子化した帯域情報と量子化処理で用いた
量子化テーブル特定情報より量子化された帯域を特定
し、当該帯域の量子化情報を前記特定した量子化テーブ
ルに従って量子化情報を伸張し、前記伸張した各帯域の伸長情報を前記量子化された帯域
の特定結果に従って時系列に復元するとともに、復元し
た各帯域毎の情報を混合して前記他の装置での分割デジ
タル音声情報を復元することを特徴とする信号伸張方
法。