JPS62234424A - 木探索ベクトル量子化器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、入力信号系列を複数個まとめてブロック化
し、これを多次元信号空間で量子化するベクトル量子化
器に関するものである。

〔従来の技術〕

まず、ベクトル量子化の原理について簡単に説明する。

入力信号系列をに個（ｋは整数）ｉとめて入力ベクトル
！−（Ｘ　、ｓ　１２　ｍ・・・ｅ　Ｘ　ｋ）とする。

このとき、に次元コークリッド信号空間Ｒｋ　ｃ　、　
ＥＲｋ）のＮ個（Ｎは整数）の代表点すなわち出力ベク
トルｙ、−（ｙよ４．ｙ１□、・・・＊Ｙ１ｋ］のセッ
トをＹ−Ｃｙ４．ｙ、、・・・ｎ７Ｈ］とする。ベクト
ル量子化器は、出力ベクトルのセットから入力ベクトル
Ｉに対して最短距離（最小歪）となる出力ベクトル量、
を以下のように定め、これを探索する。

ｉｆ　　ｄ（ｘ、ｚ、）（ｃｌ（ｘ、ｙｊ）　ｆｏｒ　
　ａｌｌ　ｊ五→Ｘま ただし＋　ｄ（五ｓ　Ｖ　１　）は入出力ベクトル間の
距離（歪）である。このとき、入力ベクトルＸは出力ベ
クトルのインデックス１によって伝送または記録され。

再生時に出力ベクトルＹ　で置換される。ｄ（Ｈ＋’７
□）の計算手法は次式で定義される。

また、演算処理の簡略化のため、以下の近似式を用いる
こともできる。

ａ（王、ヱｉ）”　　’　　”ｊ−ｙｉｊ’ｄ　（！　
、　７　）””　ｍ＆Ｘ　Ｉ　ＸｊＹ１ｊ１一１ｊ 上記ベクトル教子化器の処理時間を決定するのは最小歪
となる出力ベクトルを決定するために入力ベクトルと出
力ベクトルとの歪を計算する過程である。出力ベクトル
の数を増加させて量子化歪を減少させる場合、処理時間
を短縮するために。

出力ベクトルのセットに木構造を持たせ、木探索の要領
で歪演算回数を減少させる高速ベクトル１子化手法があ
る。次にこの手法について説明する。

第４図に示すような２進木を考える。木の根はに次元信
号空間ｎｋに、各節点はＲｋを段階的に分割した空間に
それぞれ対応する。各節点には代表点が定められており
、それが出力ベクトルになる。

各段の出力ベクトルは、入力ベクトルの分布に基づいて
歪の総和が最小となるように生成されている。入力ベク
トルが与えられたとき、根から終端節点に向かって１節
点毎に双方の代表点と歪計算を行い、歪の小さい方の枝
を選択しながら木を辿るものである。第ｎ段まで枝選択
を行った段階で。

入力ベクトルはＮ　（−２”）個の代表点の１つに写像
されることになる。すなわち、全ての出力ベクトル８個
について最小歪となるものを探索する全探索の場合、Ｎ
回の歪演算が必要であるのに対し。

木探索では２　ｌｏｘ２Ｎ（ｍ２ｎ）回に減少する。し
かしながら、Ｎ個の出力ベクトルに写像されるＮレベル
のベクトル量子化を実行するために、第（ｎ−１）段ま
での代表点である仮の出力ベクトル（Ｎ−１）個が符号
化過程において余分に必要となる。これらのベクトルは
終端節点に対応する真の出力ベクトルに到るまでの歪演
算に用いられるだけで、復号化においては必要とされな
い。

以下、従来のベクトル量子化器として、上記木探索ベク
トル量子化手法を用いたものを構成例に沿って説明する
。第６図はパイプライン処理を導入したｎ股木探索ベク
トル量子化器符号化器の構成を示すブロック図であり１
図において（１）は入力ベクトル、（２）は各段がパイ
プフィン化された符号化器の第１段、（３）は該符号化
器第２段、（４）は該符号化器第ｎ段、（５）は符号化
器第１段の符号化出力。

（６）は符号化器最終段符号化出力、（７）は符号化６
第（ｎ−１）段符号化出力、（８）は符号化器第ｎ段符
号化出力すなわち出力ベクトルインデックス、（９）は
該インデックスを取込んで一定のタイミングで出力する
ラッチ、α呻は符号化器出力信号である。

また、第７図は前記符号化器第ｎ段の構成例を示すブロ
ック図であり１図においてＩは入力ベクトル＋１１を各
段でラッチするレジスタ、　ａ’ａはあらかじめ各段の
節点に対応する出力ベクトルが入力ベクトルの分布に基
づいて最小歪となるよう生成された第４図に示すような
木構造を持つ出力ベクトルセットの第ｎ段における１対
の出力ベクトルを記ｍしたコードテーブル、Ｑ３および
Ｉは前記コードテーブルα２から読出される出力ベクト
ル、α９は入力ベクトル（１）と前記出力ベクトル０．
α４との歪を計算する歪演算回路、傾は前記歪演算回路
出力である２つの歪の大小を判定する比較器、αηは前
記比較器ａｅにおける判定結果を示す信号、０８は該判
定結果ａηに従って第（ｎ−１）段符号化出力（７）に
０または　１　を付加して第ｎ段符号化出力（８）を出
力するインデックスレジスタである。符号化器第１段か
ら第ｎ段までの構成ははゾ同様である。

異なる点は、各段の出力ベクトルコードテーブルの内容
、第１段には前段符号化出力が入力されないこと、第ｎ
段（最終段）の入力ベクトルレジスタから次段へ入力ベ
クトルが送出されない（第６図には破線で示しである）
ことである。

また、第８図はベクトルは子化器復号化器の構成例を示
すブロック図であり９図において翰は復号化器に入力さ
れるインデックス信号（８）をラッチするレジスタ、（
２）は木の終端節点に対応する真の出力ベクトル（符号
化器最終段のコードテーブルの内容と等価）を蓄えたコ
ードテーブル、　１２Ｄは前記インデックス信号（８）
に従って前記コードテーブル（１）から読出された出力
ベクトルをラッチするレジスタ、（２）は出力ベクトル
である。

次に動作について説明する。符号化器の入力信号系列は
に個まとめてブロック化され、入力ベクトル五−＋：　
Ｘ　、　＃　Ｘ　２　ｓ・・・、ｘｋ〕に変換される。

いま、第３図に示すような２進木構造を持つ出力ベクト
ルのセラ）Ｙが用意されている。Ｙは各段の出力ベクト
ルが入力ベクトルの分布に基づいて最小歪となるように
、あらかじめクラスタリング等の手法により最適化設計
されたものである。これらのベクトルにはそれぞれ根か
ら枝を選択してきた履歴を表す２進数列が対応づけられ
ている。すなわち、第３図において各節点から左方向へ
分かれる枝に　０　、右方向に分かれる枝に　１　を割
当てる操作を根から順次行った結果であり、該２進数列
の桁数が何段めまで選択を終了したかを示している。０
桁の２進数列をｂ（ｎ）と表する。ｂ（ｎ）は真の出力
ベクトルインデックス信号１と等価である。すなわち、
　ｉ　−ｂ（ｎ）である。第６図に示す符号化器の構成
は、各段を分離してパイプライン処理するもので、第１
段めの歪比較（枝選択）の結果がｂ　１１１として第２
段めへ、さらにｂ（２）が第３段めへ−という具合に節
点のアドレスを示す符号化器出力信号が前段から後段へ
送られる。最終段の符号化器出力信号が真の出力ベクト
ルのインデックス信号で、該インデックス信号のみが記
録または伝送される。

符号化器各段の動作および復号化器の動作を第７図、第
８図を用いて説明する。入力ベクトル（１）は各段に備
わる入力ベクトルレジスタαυにてラッチされ、歪演算
に用いられるとともに２次段へ送出される。ただし、最
終段では送出されない。第２段め以降において、前段の
符号化器出力（力は出力ベクトルコードテーブルα２の
アドレス信号となり、該コードテーブルｒｉ３はアドレ
スｂ（ｎ−１）によって指定される２つの出力ベクトル
Ｚｂ（ｎ−ｔ）。

ａ３　、　Ｙ、（ｎ　−４，、ａ４を読出し出力する。

歪演算器は。

前記入力ベクトル（１）と前記２つの出力ベクトルとの
歪を各々計算し、比較器ａｌに供給する。比較器（１１
は前記２つの歪の大小を比較判定し、歪の小さい方を示
す信号（０または　１　）α力を出力する。

インデックスレジスタα樽は前段の符号化器出力ｂ（ｎ
−１）（７１を取込み、前記比較器より出力される信号
＋０１または　１’１ｂ（ｎ−１）の最下位ビットに挿
入し＊　ｂ（ｎ）を形成する。これが第ｎ段符号化器出
力（８）となる。なお、第１段には前段符号化器出力は
入力されないが、第１段のコードテーブルに記憶されて
いる出力ベクトルはヱ。とＬｌの２つだけであるから、
アドレス信号は不要である。

復号化器では、前記の過程を経て形成された符号化器出
力信号α１をランチα９に取込み、インデックス信号（
８）に従って出力ベクトルコードテーブル翰から出力ベ
クトルを読出し、レジスタｃ！Ｄにラッチすることによ
り、最終的に出力ベクトル（２）が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の木探索ベクトル昨子化器は以上のように構成され
ているので、符号化器において、真の出力ベクトル数の
約２倍の出力ベクトルコードテーブルメモリ容量が必要
になるという問題があった。

例えば、出力ベクトル数をＮ（−２ｎ）個としたとき、
符号化器に（２７１＋１２　）個の出力ベクトルが復号
化器に２ｎ個の出力ベクトルを記憶する必要があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、従来のものに比べて最終段の出力ベクトル数
が同一の場合、出力ベクトルコードテーブルメモリ容量
を約半分に減少させることのできる木探索ベクトル量子
化器を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る木探索ベクトル量子化器は入力ベクトル
から平均値を分離する平均値分離正規化回路を設け、こ
の平均値分離正規化回路で平均値を分離したものを新た
な入力ベクトルとし、符号化器の木構造出力ベクトルセ
ットを生成する段階で各段に配置される出力ベクトルが
左右半分の個数ずつ、空間的に対称すなわち反転関係と
なるように配列したのち、左または右の半分の出力ペク
トルセットのみを記憶し、探索過程で入力ベクトルの極
性を反転することにより１等価的に２倍の個数の出力ベ
クトルセットを用いて探索できる構成にしたものである
。

〔作用〕

この発明における木探索ベクトル量子化器は。

出力ベクトルの反転関係を利用することにより。

符号化器、復号化器の出力ベクトルコードテーブルメモ
リ容量が従来のものに比べて約半分に削減される。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図、第２図、第５図において（１０１）は入力ベクトル
を平均値、振幅、正規化入力ベクトルの３成分に分離す
る平均値分離正規化回路。

（１０２）は正規化入力ベクトルまたは正規化出力ベク
トルの極性を反転する極性反転回路、　（１０４）はセ
レクタ、　（１０６）は正規化出力ベクトルコードテー
ブル、　（１１０）は正規化出力ベクトルに振幅成分を
乗じ、平均値を加える振幅乗算、平均値加算ｏｏ路ｃ’
ある。＋２１〜（４１、＋９１　、１ｌｌ）　、　（１
Ｇ　、　（ｌｅ　、　ａｓ　〜Ｑυは従来のものと同一
でよい。

以下、動作について説明する。まず、第３図に示す木構
造の正規化出力ベクトルセットにおいて。

各段の正規化出力ベクトルは平均値分離正規化された複
数個の正規化入力ベクトルの分布に基づき歪の総和が最
小となるように生成される。平均値μ、振幅σ、入力ベ
クトルＬ、正規住人カベクト＊ ル王とすると、平均値分離正規化は次式にて実行される
。

ｘ　Ｊ−（ｘＪ−μ）σ 工８−（工＊、工＊　、　＋＋＋　、　ｘ＠　）振幅σ
の近似式として σ−−Σ　１ｘ、−μ　１ ｊ　　　Ｊ σ−ｍａｗ　ｘ　−ｍｉｎ　ｘ ｊｊ　　　ｊｊ 等を用いることもできる。

上記正規化出力ベクトルセットにおいて、各段に配置さ
れる正規化出力ベクトルが、木の左右において半分の個
数ずつ信号空間上で原点を中心として対称すなわち反転
関係となるように配列する。

第３図において乙。と工１．工。。と乙、。、−〇。

と工４．・・・が互いに反転関係となる。そして木の左
または右半分の正規化出力ベクトルセットにおいて、第
４図に示すように、第１段めの゛正規化出力ベクトルを
根とする（２ｎ−１）個の正規化出力ベクトルに対し、
第２段め以降、各節点から左方向に分かれる枝に　０　
、右方向に分かれる枝に　１　を割当てたのち、正規化
出力ベクトルコードテーブルに記憶する。最終段すなわ
ち第ｎ段めの正規化出力ベクトルには各々（ｎ−１）桁
の２進数列が割当てられる。正規化入力ベクトルｘｍ〔
ｘ。

□　　　　　　１ ネ Ｘ２．−、　！ｋ］　（１０３）　Ｕ第２図に示すよう
に。

第１段において、まず入力ベクトルレジスタＵにラッチ
嘔れ、前記正規化出力ベクトルコードテーブルから鋭用
される１つのＭ１段正規化出力ベク通して反転した第１
段反転正規化出力ベクトルヱ”（１０８）とともに歪演
算回路−に入力され、削れる。比較器−では該２つの歪
の大小を刊足し。

小さい万全示す信号α７）全出力する。例えば前記正規
化出力ベクトルｙ（０への歪の方が小さけれは１ｏ１゜
前記反転正規化出力ベクトルｙ（１）との歪の方が小さ
ければ　１　を出力する。インデックスレジスタ住８は
前記比較器出力信号を取込み、とれを正規化出力ベクト
ルの慣性を示す情報としてｎ桁のインデックスの敢上位
ビット位置にセットし、該インデックス１百号ケ出力す
る。前記正規化人力ベクトル（１０３）は極性反転回路
（１０２）を通して反転された反転正規化入力ベクトル
（１０５）とともにセレクタ（１０４）に供給される。

セレクタ（１０４）は。

記正規化入力ベクトル（１０３）を、１　のときは前記
反転正規化入力ベクトル（１０５）を選択し。

第２段めの符号化器に送出する。このとき９反転正規化
入力ベクトル（１０５）が選択された場合には、第２段
め以降１等価的に第４図の右半分の正規化出力ベクトル
セットを用いて枝選択を行うことになる。

第２段め以降の符号化器の動作は従来のものと同様であ
り、各段において歪演算、比較動作を通して最小歪とな
る真の出力ベクトルが探索される。

最終的に（ｎ−１）桁の２進数列が前記インデックス信
号の最上位から２番め以降のビット位置に付加され、ｎ
桁の２進数列で表されるインデックス信号（８）が形成
される。該インデックス信号（８）は。

前記平均値分離正規化回路（１０１）より出力される平
均値および憑幅とともにラッチ（９）に取込まれ。

符号化器出力信号αＣとして送出される。

復号化器では、上記の過程を経て形成された符号化器出
力信号ａ０をランチ翰に取込み、インデックス信号（８
）と平均値、振幅情報（１０５）に分離する。そして、
前記インデックス信号（８）の最上位ビットを除（（ｎ
−１）桁の２進数列で表されるアドレス上に記憶された
正規化出力ベクトルを復号用正規化出力ベクトルコード
テーブル翰から読出し。

前記インデックス信号（８）の最上位ビットが　０のと
きは該正規化出力ベクトルをそのまま出力し。

して出力した後、振幅乗算・平均値加算回路（１１０）
において前記振１はを乗じ、前記平均値を加算してレジ
スタＱ１１にラッチすることにより最終的に出力ベクト
ル（２）が得られる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、木探索ベクトル計子
化器の出力ベクトルコードテーブル容量を従来の半分程
度に削減できる。すなわち、出力ベクトル数ｆ：Ｎ−２
”個とした場合、従来のものでは符号化器に２　ｎ＋１
　２個、復号化器に２ｎ個の出力ベクトルを記憶する必
要があったのに対し。

この発明によれば符号化器に２ｎ−１個、復号化器に２
ｎ−１個の出力ベクトルを記憶するだけでよいので、装
置の小型化が容易になり、安価にできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による木探索ベクトル散子
化器の符号化器の構成を示すブロック図。 第２図はこの発明の一実施例による木探索ベクトル量子
化器の符号化器第１段めの構成を示すブロック図、第３
図、第４図はこの発明の一実施例による木探索ベクトル
量子化器および従来の木探索ベクトル量子化器の符号化
器出力ベクトルセットの構造を示すための説明図、第５
図はこの発明の一実施例による木探索ベクトル量子化器
の復号化器の構成を示すブロック図、第６図は従来の木
探索ベクトル敬子化器の符号化器の構成を示すブロック
図、第７図は従来の木探索ベクトル量子化器の符号化器
第ｎ段めの構成を示すブロック図、第８図は従来の木探
索ベクトル量子化器の復号化器の構成を示すブロック図
である。 図中、（２）は木探索ベクトル量子化符号化器第１段、
（３）は木探索ベクトル量子化符号化器第２段。 （４）は木探索ベクトル量子化符号化器第ｎ段、（９）
はラッチ、ａυは入力ベクトルレジスタ、ａｚは出力ベ
クトルコードテーブル第ｎ段、ａりは歪演算回路。 αｅは比較器、０樽はインデックスレジスタ、ａｓハラ
ッチ、（１）は復号化器出力ベクトルコードテーブル。 ２１１は出力ベクトルレジスタ、　（１０１）は平均値
分離正規化回路、　（１０２）は極性反転回路、　（１
０４）はセレクタ、　（１０６）は正規化出力ベクトル
コードテーブル、　（１１０）は娠幅乗算、平均値加算
回路である。 なお２図中９．同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数個の入力ベクトルの分布に基づき、各段が最小歪と
   なるように２進木構造を持つ出力ベクトルのセットを求
   めて、２つの出力ベクトルのいずれかが入力ベクトルに
   対し小さい歪を与えるかを計算しながら枝を選択し、最
   終的に該入力ベクトルに対し最小歪となる１つの出力ベ
   クトルを決定して、該出力ベクトルを識別するために割
   当てられたインデックスとともに出力する木探索ベクト
   ル量子化器において、入力信号をｋ個（ｋは２以上の整
   数）毎にブロック化して形成した入力ベクトルから該ブ
   ロック内平均値を分離し、さらに該ブロック内のサンプ
   ル値の標準偏差値を該ブロック内振幅として求め、前記
   ブロック内平均値を分離された入力ベクトルを前記ブロ
   ック内振幅で正規化することにより前記入力ベクトルの
   正規化入力ベクトルを形成する平均値分離正規化回路と
   、複数個の前記正規化入力ベクトルの分布に基づき、各
   段が最小歪となり、かつ各段の左右半分の個数のベクト
   ルに対し、各々左からまたは右から順に対応するベクト
   ルが信号空間上で原点を中心に対称すなわち反転関係と
   なるように配置されたｎ段の（ｎは１以上の整数）２進
   木構造を持つ（２＾ｎ＾＋＾１−２）個の正規化出力ベ
   クトルのセットを求め、第１段めの２つの正規化出力ベ
   クトルのうち左または右に位置する正規化出力ベクトル
   および該正規化出力ベクトルを根とする第ｎ段までの２
   進木状に配列された（２＾ｎ−１）個の正規化出力ベク
   トルセットを、前段までの枝選択の履歴を表すインデッ
   クスをアドレスとして当該正規化出力ベクトルを読出す
   ことができるように配列し、記憶した正規化出力ベクト
   ルコードテーブルメモリと、該正規化出力ベクトルコー
   ドテーブルメモリから前記第１段めの１つの正規化出力
   ベクトルを読み出す際に、前記正規化出力ベクトルの極
   性を反転した反転正規化出力ベクトルを生成する極性反
   転回路と、前記正規化入力ベクトルと前記第１段めの１
   つの正規化出力ベクトル、および前記正規化入力ベクト
   ルと前記反転正規化出力ベクトルの２つの歪をそれぞれ
   計算する歪演算回路と、前記２つの歪を比較し、小さい
   方の歪を選択し、当該正規化出力ベクトルおよび当該反
   転正規化出力ベクトルを識別するための信号を出力する
   比較器と、前記正規化入力ベクトルの極性を反転した反
   転正規化入力ベクトルを生成する極性反転回路と、前記
   比較器出力信号が前記当該正規化出力ベクトルを示すと
   きは前記正規化入力ベクトルを、前記比較器出力信号が
   前記当該反転正規化出力ベクトルを示すときは前記反転
   正規化入力ベクトルをそれぞれ選択し、出力するセレク
   タと、前記比較器出力信号をｎ桁のインデックスの最上
   位ビット位置に符号ビットとしてセットするインデック
   スレジスタとで構成される第１段めの符号化器と、前段
   までの枝選択に従って段階的に前記正規化出力ベクトル
   を前記正規化出力ベクトルコードテーブルメモリから読
   出すためのアドレスに対応するインデックスを蓄わえ、
   各段において比較器出力信号が与えられる度、該インデ
   ックスを更新し、最終的に第ｎ段までの枝選択の履歴を
   表す（ｎ−１）桁のインデックスすなわち前記正規化入
   力ベクトルに対し最小歪となる当該正規化出力ベクトル
   のインデックスを前記最上位ビットから数えて２番めの
   ビット位置以降に付加してｎ桁のインデックスを形成す
   るインデックスレジスタと、前記セレクタ出力信号であ
   る正規化入力ベクトルまたは反転正規化入力ベクトルと
   、前記枝選択に従って順次読出される２つの正規化出力
   ベクトルとの歪を計算する歪演算回路と、該２つの歪を
   比較し、小さい方の歪を選択し、当該正規化出力ベクト
   ルを識別するための信号を出力する比較器とで構成され
   る第２段め以降の１つ以上の符号化器とで構成され、前
   記ｎ桁のインデックスと前記平均値と前記振幅を符号化
   器出力信号として送出する符号化器と、前記符号化器の
   正規化出力ベクトルコードテーブルメモリの第ｎ段、す
   なわち最終段の（２＾ｎ＾−＾１）個の正規化出力ベク
   トルのみを記憶し、かつ前記符号化器出力信号を受信し
   て前記ｎ桁のインデックスを復号した後、該インデック
   スの最上位ビットを除く（ｎ−１）桁のインデックスに
   従って対応する正規化出力ベクトルを前記復号用正規化
   出力ベクトルコードテーブルメモリから読み出す際、前
   記インデックスの最上位ビットに基づき、たとえば該最
   上位ビットが‘０’のときは前記正規化出力ベクトルを
   、該最上位ビットが‘１’のときは前記正規化出力ベク
   トルの極性を反転した反転正規化出力ベクトルを出力す
   るよう読出し制御する手段を用いた復号用正規化出力ベ
   クトルコードテーブルメモリと、前記符号化器出力信号
   から前記平均値と振幅を復号し、前記読出された当該正
   規化出力ベクトルまたは当該反転正規化出力ベクトルに
   前記振幅を乗じ、さらに前記平均値を加えることにより
   出力ベクトルを得る振幅乗算・平均値加算回路とで構成
   される復号化器とを備えたことを特徴とする木探索ベク
   トル量子化器。