JPH11184498A - 音声符号化/復号化方法 - Google Patents
音声符号化/復号化方法Info
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- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10L—SPEECH ANALYSIS OR SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
- G10L19/00—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis
- G10L19/04—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis using predictive techniques
- G10L19/06—Determination or coding of the spectral characteristics, e.g. of the short-term prediction coefficients
- G10L19/07—Line spectrum pair [LSP] vocoders
Abstract
い音声符号化方法を提供する。 【解決手段】自己相関算出部11で算出された入力音声
信号の自己相関係数を基に、LSF算出部12でLSF
パラメータF(k)(k=1,2,…,N)を求め、こ
のLSFパラメータに対し修正対数変換部13でf
(k)=logC (1+A×F(k))なるオフセット
付き対数変換を行い、得られた修正対数LSFパラメー
タf(k)を量子化部14で量子化するとともに、量子
化後のLSFパラメータfq(k)を表す符号を出力
し、さらに量子化後の修正対数LSFパラメータfq
(k)対しFq(k)=(Cfq(k) −1)/Aなる逆変
換を行って、通常の周波数スケールのLSFパラメータ
Fq(k)を出力する。
Description
符号化/復号化システムに係り、特に音声パラメータの
一つである音声信号のスペクトル包絡情報を表すLSF
(線スペクトル周波数)パラメータの符号化/復号化方
法に関する。
信号について求められた自己相関係数を基に線形予測分
析(LPC分析)を行って得られるLPC係数により表
現することができる。LPC係数は、音声の符号化のた
めに、これと等価な情報であるLSF(Line Spectral
Frequency :線スペクトル周波数)パラメータF(k)
(k=1,2,…,N)に変換される。なお、LSFパ
ラメータはLSPパラメータとも呼ばれる。LPC係数
から求められたLSFパラメータは、周波数軸上のパラ
メータである。例えば8kHzでサンプリングされた音
声信号であれば、F(k)は0Hzから4000Hzま
での間の値をとることが知られている。
めのLSF符号化部の従来技術に基づく構成例を示す。
この従来技術に基づくLSF符号化部では、入力音声信
号から自己相関算出部101およびLSF算出部102
を経て得られたLSFパラメータF(k)を目標とし
て、LSFパラメータのコードブックを用いて重み付き
の2乗誤差歪み尺度を指標に、誤差ができるだけ小さく
なるようなLSFパラメータの符号をコードブックから
選択する。このとき重み付きベクトル量子化部104で
用いる重みは重み算出部103で算出されるが、スペク
トル包絡のピーク付近の周波数を重視する目的で、通常
の周波数軸上でのLSFパラメータ間の距離が接近して
いるところでは大きく、距離が離れているところで小さ
くなるように、その重みが設定される。重み付きベクト
ル量子化部104からは、量子化されたLSFパラメー
タとこれを表す符号が出力される。
PC係数に変換することで符号化されたLPC係数が得
られる。符号化されたLPC係数は、合成フィルタのパ
ラメータとして音声のスペクトル包絡特性を表現するた
めに使用される。
では聴覚の周波数の違いに対する感度をLSFパラメー
タの符号化に反映していない。このため、LSFパラメ
ータの符号化歪みを十分小さくしないと、聴覚的に敏感
な周波数で歪みが知覚されやすくなり、音質が劣化する
ため、LSFパラメータの符号化ビットレートをあまり
低下させることができないという問題がある。
は低域に敏感で、高域には比較的鈍感であるという、聴
覚の周波数の違いに対する感度の違いをLSFパラメー
タの符号化に反映させようという試みが、関氏らによる
「メルLSPベクトル量子化音声符号化方式」信学技報
SP86−14、1986年6月(文献1)に記載され
ている。この文献1では、LSPパラメータ(ここでは
LSFパラメータと同義)を非線形周波数目盛りの一種
であるメル目盛りやログ目盛りに変換して量子化する方
法を提案している。
変換(文献1ではログ化と呼んでいる)は、log
10(F(k))により直接LSFパラメータを関数lo
g10で変換するものである。本発明者らは、この変換を
用いて8kHzサンプリングの音声信号から求めた10
次のLSFパラメータを20ビット程度の少ない情報量
で符号化する実験を行った。この結果、ログ化により低
域の歪みが目立たなくなるが、逆に高域側のLSFパラ
メータの量子化による歪みが知覚されやすくなり、総合
的には劣化することが判明した。従って、LSFパラメ
ータを単純に対数変換する方法では、LSFパラメータ
の低レート化が難しい。
技術によるLSFパラメータの符号化方法では、LSF
パラメータの符号化歪みを十分小さくしないと聴覚的に
敏感な周波数で歪みが知覚されやすくなり、LSFパラ
メータの符号化ビットレートをあまり低下させることが
できないという問題点があった。
トレートをある程度まで低下させても符号化歪みが知覚
されにくい音声符号化/復号化方法を提供することを目
的とする。
め、本発明ではLSF(線スペクトル周波数)パラメー
タを介して入力音声信号のスペクトル包絡を表す音声パ
ラメータを符号化する過程を含む音声符号化方法におい
て、まず入力音声信号について自己相関係数を求める。
1,2,…,N)で表されるN個の第1のLSFパラメ
ータを得る。次に、第1のLSFパラメータに対し、 f(k)=logC (1+A×F(k)) (A,Cは正の定数、k=1,2,…,N)なる変換を
行って、f(k)で表される第2のLSFパラメータを
得る。この変換はオフセット付きの対数変換であり、従
来の技術に基づく単なる対数変換と区別する意味で、こ
こでは修正対数変換と呼ぶ。この場合、第2のLSFパ
ラメータf(k)は修正対数スケールでのLSFパラメ
ータということになる。これを修正対数LSFパラメー
タと呼ぶ。この修正対数変換を模擬するテーブルを用い
て、同様の変換を実現することも可能である。
し、fq(k)で表される量子化された第3のLSFパ
ラメータおよび該第3のLSFパラメータを表す第1の
符号を得る。第2のLSFパラメータの量子化は、修正
対数スケール変換面で行われることになる。第1の符号
は、入力音声信号のスペクトル包絡を表す音声パラメー
タを符号化したものに相当する。
(k)で表される量子化された第4のLSFパラメータ
を得る。
音声符号化に用いる場合には、入力音声信号と第4のL
SFパラメータに基づいて、ピッチ周期情報、雑音情報
およびゲイン情報といった音源信号の情報を求め、これ
らの音源信号の情報を表す第2の符号をさらに出力し、
第1の符号と多重化して復号化側に伝送する。
号化側から伝送されてきた第1の符号から音声パラメー
タを復号化する過程を含む音声復号化方法であって、ま
ず第1の符号に基づいて逆量子化を行い、fq(k)で
表される第3のLSFパラメータを復号する。
に対し、 Fq(k)=(Cfq(k) −1)/A (k=1,2,…,N)なる逆変換を行って、Fq
(k)で表される第4のLSFパラメータを得る。
音声復号化に用いる場合には、第1および第2の符号か
ら音声信号を復号化するために、さらに第2の符号から
音源信号の情報を復号化し、先のようにして得られた第
4のLSFパラメータと復号化された音源信号の情報に
基づいて出力音声信号を再生する。
は、人間の聴覚の周波数に対する感度が低域の周波数に
敏感で高域の周波数には比較的鈍感であることを修正対
数スケールの周波数軸(低域は周波数の解像度が高く、
高域は解像度が低い)を用いることで的確に表現できる
ことを利用している。
パラメータであるLSFパラメータF(k)を定数Aお
よびオフセット値「1」によって修正対数変換を用いて
変換した後のパラメータf(k)を量子化することによ
り、人間の聴覚に合った配分で帯域毎の歪みの発生状態
を制御して符号化ができるようになるという効果を有す
る。Aの値は、低域のLSFを重要視しながらも、過度
に高域のLSFパラメータを軽んじないような値に設定
することが望ましく、具体的には0.5<A<0.96
の範囲の値が適当である。
述した第2のLSFパラメータに対して隣接する第2の
LSFパラメータとの間の距離(修正対数スケール変換
面での距離)を基に、第2のLSFパラメータに用いる
重みを求め、この重みを用いて第2のLSFパラメータ
を対数スケール変換面で量子化し、fq(k)で表され
る第3のLSFパラメータおよび第1の符号を得る。こ
うすることにより、修正対数変換された周波数軸上での
スペクトル包絡のピーク位置を重要視するLSFパラメ
ータの量子化が可能となり、より主観的な歪みが知覚さ
れにくいLSFパラメータの符号化を実現できる。
ータの符号化ビットレートをある程度まで低下させても
符号化歪みが知覚されにくい音声符号化/復号化が可能
となる。
施の形態を説明する。 (第1の実施形態) [LSF符号化部について]図1に、本発明の第1の実
施形態に係る音声符号化システムの要部として、音声信
号のスペクトル包絡情報であるLSFパラメータを符号
化するLSF符号化部の構成を示す。このLSF符号化
部は、自己相関算出部11、LSF算出部12、修正対
数変換部13、量子化部14および修正指数変換部15
からなる。
ず自己相関算出部11は入力音声信号からフレーム毎に
自己相関係数を求め、LSF算出部12に与える。LS
F算出部12は、自己相関係数を用いて公知の方法に従
いLSFパラメータF(k)(k=1,2,…,N)を
求める。NはLSFパラメータの次数である。
F(k)またはこれに対応する周波数を次式に示す変換
(これをオフセット付き修正対数変換という)により、
次式に示す修正対数スケールでのLSFパラメータ(こ
れを修正対数LSFパラメータという)f(k)に変換
する。 f(k)=logC (1+A×F(k)) (1) k=1,2,…,N ここで、A,Cは正の定数値であり、Cは対数の底であ
る。
波数が8kHzの場合、典型的なNの値は10である。
また、上述のオフセット付き修正対数変換に用いる際の
好適なAの値は、0.5<A<0.96である。特に、
A=0.9付近の値にすると聴覚的な歪みの少ない符号
化が実現できる。A=1とすると、従来の文献1に開示
された方法に近くなり、低域を過度に重要視する結果、
高域の量子化歪みが知覚されやすくなる。また、Aを
0.5よりも小さな値にしてゆくと、低域を重要視する
効果がほとんど無くなり、この場合は低域の量子化歪み
が知覚されやすくなる。
り得られた修正対数LSFパラメータf(k)の量子化
を行い、量子化された修正対数LSFパラメータfq
(k)と、その符号を出力する。量子化部14における
量子化方法はスカラ量子化でもベクトル量子化でもよ
く、また予測符号化と組み合わせても良い。量子化歪み
の計算には、通常使われる2乗誤差歪みや差の絶対値歪
みなどを用いることができる。例えば、N次元のベクト
ル量子化により修正対数LSFパラメータをMビットに
量子化する場合、2乗誤差歪みを用いると歪みは次のよ
うに定義できる。
量子化候補を表すMビットの符号であり、i=0,1,
…,2M −1である。また、fq(k) (i) は修正対数L
SFパラメータfq(k)をベクトル量子化するための
コードブックに格納される代表ベクトルを表す。歪みが
より小さくなるような好適な符号をiの中から探索し、
最終的に探索された符号Iを修正対数LSFパラメータ
の符号として出力するとともに、符号Iに対応する代表
ベクトルを量子化された修正対数LSFパラメータfq
(k)として出力する。
3と逆の変換を行うことにより、量子化された修正対数
LSFパラメータfq(k)を通常のスケールのLSF
パラメータFq(k)に変換して出力する。式(1)の
修正対数変換を用いた場合、この逆変換に相当する次式
(3)の修正指数変換を行えばよい。
ような逆のスケール変換になっていればよいということ
であって、変換と逆変換の具体的な実現方法がどのよう
なものでも本発明に含まれることは明らかである。従っ
て、本実施形態の修正対数変換や修正指数変換をテーブ
ルを用いて実現した場合も同様の効果が得られ、本発明
に含まれる。
ラメータであるLSFパラメータを式(1)に基づく修
正対数周波数スケールを用いてより人間の聴覚にあった
周波数スケールに変換し、この変換面でパラメータを量
子化するようにすることが特徴である。こうすると、量
子化によりLSFパラメータが劣化する場合でも、低域
のLSFパラメータでは劣化の度合いが非常に少なく高
域のLSFパラメータでは聴覚的な歪みが知覚されにく
い範囲で、比較的劣化が大きくなるように符号が選択さ
れる。
パラメータを用いて音声のスペクトル包絡を表したとき
には主観的な歪みが少なくなり、実際に音声符号化に適
用した場合、同じ符号化ビットレートの下でも音質を向
上させることができるという効果が得られる。
施形態における音声復号化システムの要部であるLSF
復号化部の構成を示す。このLSF復号化部は、LSF
パラメータの符号から量子化されたLSFパラメータを
求めるまでの処理を行うものであり、逆量子化部21と
修正指数変換部22からなる。
てきたLSFパラメータの符号を入力し、これを基に量
子化された修正対数LSFパラメータfq(k)を復号
して出力する。
指数変換部15と同じものであり、量子化された修正対
数LSFパラメータfq(k)を通常の周波数スケール
のLSFパラメータFq(k)に変換して出力する。
本実施形態におけるLSFパラメータの符号化手順を説
明する。まず、入力音声信号から自己相関係数を求める
(ステップS1)。
メータF(k)を求める(ステップS2)。次に、式
(1)を基にLSFパラメータF(k)を修正対数スケ
ールのLSFパラメータf(k)に変換する(ステップ
S3)。
ラメータf(k)の量子化を行い、変換面で歪みが小さ
くなるようなLSFパラメータの符号を探索して、この
符号に対応する量子化された修正対数スケールでのLS
Fパラメータfq(k)を出力する(ステップS4)。
ータfq(k)を式(3)に基づき修正指数変換するこ
とで、通常の量子化されたLSFパラメータFq(k)
を得る(ステップS5)。
ラメータの符号と、その符号に対応する量子化されたL
SFパラメータFq(k)を出力する(ステップS
6)。上述した一連の処理をステップS7で次のフレー
ムでないと判定されるまで入力音声信号の所定のフレー
ム単位に行うことにより、スペクトル包絡情報の符号化
が実現できる。
次に、図4を用いてスペクトル包絡情報と音源信号の情
報の符号化によって音声信号を表す音声符号化/復号化
システム全体の構成について説明する。このようなシス
テムとしては、CELP方式に基づく音声符号化/復号
化システムが知られている。
トル包絡情報符号化部31は、入力音声信号をフレーム
単位で分析してLSFパラメータを求め、符号化する。
この際、図1で説明したような本発明に基づくLSFパ
ラメータの符号化方法を用いてスペクトル包絡情報であ
るLSPパラメータの符号を出力する。
ル包絡以外の情報であるピッチ周期情報、雑音情報、ゲ
イン情報を含む音源信号の情報を例えばCELP方式の
手法に基づいて求める。
から出力されたLSFパラメータの符号(スペクトル包
絡情報)と音源信号符号化部32から出力された音源信
号の情報を表す符号は、多重化部33で多重化された
後、復号化側に伝送される。
化部34は、符号化側から伝送されてきた多重化された
符号をスペクトル包絡情報であるLSFパラメータの符
号と音源信号の情報の符号に分離する。分離されたLS
Fパラメータの符号は、スペクトル包絡情報復号化部3
5で復号されてLSFパラメータが再生され、このLS
FパラメータはさらにLPC係数に変換される。音源信
号の情報を表す符号は、音源信号復号化部36で復号化
され、音源信号が再生される。
復号化部35から出力されるLPC係数に基づいて伝達
特性が設定されるフィルタであり、この合成フィルタ3
7に音源信号復号化部36で再生された音源信号が入力
される。合成フィルタ37で音源信号にスペクトル包絡
情報が与えられることによって、出力音声信号が再生さ
れる。この際、主観的な音質を上げるために、合成フィ
ルタの特性を強めるようなポストフィルタ処理を合成フ
ィルタ37の最終段で用いて、出力音声信号を再生する
ようにしてもよい。
の実施形態に係る音声符号化システムの要部であるLS
F符号化部の構成を示す図である。図1と同一部分に同
一符号を付して説明すると、本実施形態では重み算出部
16が追加され、さらに図1中の量子化部14が重み付
きベクトル量子化部17に置き換えられた構成となって
いる。
F算出部12、修正対数変換部13および修正指数変換
部15の処理は、基本的に第1の実施形態と同様であ
る。すなわち、自己相関算出部11は入力音声信号から
フレーム毎に自己相関係数を求め、LSF算出部12は
自己相関係数を用いてLSFパラメータF(k)(k=
1,2,…,N)を求める。修正対数変換部13は、L
SFパラメータF(k)またはこれに対応する周波数を
式(1)に示したオフセット付き修正対数変換により、
修正対数LSFパラメータf(k)に変換する。重み算
出部16は、重み付きベクトル量子化部17での量子化
の際に修正対数LSFパラメータf(k)に用いる重み
W(k)を求めてその情報を出力する。重みW(k)
は、f(k)とこれに隣接するf(k−1)またはf
(k+1)、あるいはf(k−1)およびf(k+1)
の両方との距離に対応して決まる値であり、この距離が
小さいほど大きな値となるようにW(k)は設定され
る。
で、重み付きベクトル量子化部17において、修正され
た対数周波数軸上で距離が接近しているLSFパラメー
タほど重要視して量子化することができ、修正対数変換
された周波数軸上でのスペクトル包絡のピーク位置を重
要視するLSFパラメータの量子化が可能となる。
さらに少ないLSFパラメータを再生できる量子化が実
現される。重み付きベクトル量子化部17は、重みW
(k)とf(k)を用いてベクトル量子化を行う。この
際、よりW(k)で重み付けられた歪み尺度の下で歪み
が小さくなるようなLSFパラメータの符号と、その符
号に対応する量子化された修正対数LSFパラメータf
q(k)を出力する。
3と逆の変換を行うことで、量子化された修正対数LS
Fパラメータfq(k)を通常のスケールのLSFパラ
メータFq(k)に変換して出力する。
SFパラメータの符号化ビットレートをある程度まで低
下させても符号化歪みが知覚されにくい音声符号化/復
号化方法を提供することができる。
テムにおけるLSF符号化部の構成を示すブロック図
テムにおけるLSF復号化部の構成を示すブロック図
タの符号化手順を説明するためのフローチャート
テムにおけるLSF符号化の構成を示すブロック図
号化システムの構成を示すブロック図
すブロック図
Claims (7)
- 【請求項1】LSF(線スペクトル周波数)パラメータ
を介して入力音声信号のスペクトル包絡を表す音声パラ
メータを符号化する過程を含む音声符号化方法におい
て、 (a) 前記入力音声信号について自己相関係数を求めるス
テップと、 (b) 前記自己相関係数を基にF(k)(k=1,2,
…,N)で表される第1のLSFパラメータを得るステ
ップと、 (c) 前記第1のLSFパラメータに対し、 f(k)=logC (1+A×F(k)) (A,Cは正の定数、k=1,2,…,N)なる変換を
行って、f(k)で表される第2のLSFパラメータを
得るステップと、 (d) 前記第2のLSFパラメータを量子化し、fq
(k)で表される量子化された第3のLSFパラメータ
および該第3のLSFパラメータを表す第1の符号を得
るステップと、 (e) 前記第3のLSFパラメータに対し、 Fq(k)=(Cfq(k) −1)/A (k=1,2,…,N)なる逆変換を行って、Fq
(k)で表される第4のLSFパラメータを得るステッ
プとを有することを特徴とする音声符号化方法。 - 【請求項2】LSF(線スペクトル周波数)パラメータ
を介して入力音声信号のスペクトル包絡を表す音声パラ
メータを符号化する過程を含む音声符号化方法におい
て、 (a) 前記入力音声信号について自己相関係数を求めるス
テップと、 (b) 前記自己相関係数を基にF(k)(k=1,2,
…,N)で表される第1のLSFパラメータを得るステ
ップと、 (c) 前記第1のLSFパラメータに対し、 f(k)=logC (1+A×F(k)) (A,Cは正の定数、k=1,2,…,N)なる変換を
行って、f(k)で表される第2のLSFパラメータを
得るステップと、 (d) 前記第2のLSFパラメータに対して隣接する第2
のLSFパラメータとの間の距離を基に重みを求めるス
テップと、 (e) 前記重みを用いて前記第2のLSFパラメータを量
子化し、fq(k)で表される第3のLSFパラメータ
および該第3のLSFパラメータを表す第1の符号を得
るステップと、 (f) 前記第3のLSFパラメータに対し、 Fq(k)=(Cfq(k) −1)/A (k=1,2,…,N) なる逆変換を行って、Fq(k)で表される第4のLS
Fパラメータを得るステップとを有することを特徴とす
る音声符号化方法。 - 【請求項3】0.5<A<0.96であることを特徴と
する請求項1または2に記載の音声符号化方法。 - 【請求項4】前記入力音声信号と前記第4のLSFパラ
メータに基づいて音源信号の情報を求め、この音源信号
の情報を表す第2の符号を出力するステップを有するこ
とを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の音
声符号化方法。 - 【請求項5】請求項1〜3のいずれか1項に記載の音声
パラメータの符号化方法により得られた前記第1の符号
から該音声パラメータを復号化する過程を含む音声復号
化方法であって、 (a) 前記第1の符号に基づいて逆量子化を行い、fq
(k)で表される前記第3のLSFパラメータを復号す
るステップと、 (b) 復号された第3のLSFパラメータに対し、 Fq(k)=(Cfq(k) −1)/A (k=1,2,…,N)なる逆変換を行って、Fq
(k)で表される前記第4のLSFパラメータを得るス
テップとを有することを特徴とする音声復号化方法。 - 【請求項6】請求項4に記載の音声パラメータの符号化
方法により得られた前記第1および第2の符号から音声
信号を復号化する音声復号化方法であって、 (a) 前記第1の符号に基づいて逆量子化を行い、fq
(k)で表される前記第3のLSFパラメータを復号す
るステップと、 (b) 復号された第3のLSFパラメータに対し、 Fq(k)=(Cfq(k) −1)/A (k=1,2,…,N)なる逆変換を行って、Fq
(k)で表される前記第4のLSFパラメータを得るス
テップと、 (c) 前記第2の符号から前記音源信号の情報を復号化す
るステップと、 (d) 前記ステップ(b) で得られた前記第4のLSFパラ
メータと前記ステップ(c) で復号化された音源信号の情
報に基づいて出力音声信号を再生するステップとを有す
ることを特徴とする音声復号化方法。 - 【請求項7】0.5<A<0.96であることを特徴と
する請求項5または6に記載の音声復号化方法。
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