JPS6356021A - 圧縮符号化装置 - 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〕 本発明は、信号の伝送あるいは記録の際に信号に含まれ
る冗長度を取り除いて圧縮し、伝送時間や記憶容量を節
約する圧縮符号化装置に関するものである。 １従来の技術〕 冗長データを圧縮する方法及び圧縮されたデータからも
との冗長データを復元する方法として従来一般によく知
られ利用されているものに、算術符号と呼ばれる符号を
用いる方法がある。算術符号のデータ圧縮器く以下では
単に算術符号器と言う）及びデータ復号器（以下では単
に算術復号器と言う）の詳細については、例えば米国の
インターナショナル・ビジネスーマシンズ・コーポレー
ション（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　　Ｂｕｓｉｎ
ｅｓｓ　　ＭａｃｈｉｎｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　
）から１９７６年に発行された論文誌アイビーエム・ジ
ャーナル・オブ・リサーチ・アンド・デベロップメン？
−（ＩＢＭ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｒＲｅｓｅａｒｃ
ｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）の第２０巻３号
の１９８〜２０３ページや１９８４年に発行された同誌
第２８巻２号の１３５〜１４９ページや米国のスタンフ
ォード大学（Ｓ　Ｌ　ａ　ｎ　ｒｏ　ｒ　＋Ｉ　Ｕ　ｎ
　ｉ　ｖ　ｅ　ｒ　ｓ　ｉ　Ｌ　ｙ　）で１９７６年に
発行されたリチャード・クラーク・パスコ（Ｒｉｃｈａ
ｒｄ　Ｃ１ａｒｋ　Ｐａ５ｃｏ）による博士論文「ソー
ス・コーディング・アルゴリズム・フォア・ファースト
・データ・コンプレジョン（Ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｄｉｎ
ｇａ１ｇｏｒｉｔｂ＋＊　　ｆｏｒ　ｆａｓｔ　ｄａｔ
ａ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）Ｊに詳しく述べられてい
る。 これらの方法のうちデータを圧縮する方法について簡潔
に述べれば、信号系列すなわち情報ディジット列ｘｌ　
、　Ｘ２　、・・・、ｘＮは、その冗長度に応じて長さ
の異なる符号ディジット列Ｗ　１．　Ｗ２　。 ・・・、ＷＬに、例えば次のようにして変換され、情報
ディジット列の冗長度が取り除かれる。 まずＦを予め決められた数直線上の区間（０以上１未満
とする）の小さい方の端の値（すなわち０）とし、Ｔを
その区間の幅（すなわち１）とする。次に以下の手順Ａ
ｌ）〜Ａ５＞を実行する。 なお以下ではＸ　＋　ｙはＸにｙの値を代入することを
意味するものとする。また演算はすべてｂ進法で行うも
のとする。 ＡＩ）ｉの値を１とする、 Ａ２＞第１番目の情報ディジットＸＩを人力する。 Ａ３）第１番目の情報デイジツＩ−ｘｌの出現確率ｑＩ
　（ＸＩ〉と累積出現確率 Ｃ＋　＝ｎｙ（ｘ　’Ｉ　ｌ（”！　＞を求める。 Ａ４）＋？←Ｆ　＋（’：ｌ：　ｌ（Ｘ　＋　）　　・
ＴＴ←ｑ＋　　（ｘ＋　）・Ｔ とし、′「を予め決められた有効数字に桁で打ち切る。 Ａ５）ｉ＜Ｎならｉの値を増やしてＡ２）へ移る。 ｉ＝Ｎなら終了。 最後に、ＦとＴの最終値で決定される区間に含まれる実
数のうち、数値表現したときのディフッ１〜数が少ない
実数を選び、選ばれた実数の表現ディジットＯ，ｗ１ｗ
２・・・Ｗｌ、の小数点以下の部分を符号ディジント列
Ｗｌ　、　Ｗ２　、・・・、ＷＬとして定める。上記手
順Ａｌ）〜Ａ５）に従えば符号語の長さしは情報ディジ
ット列の長さＮより一般に小さくなってデータ圧縮でき
ることが前記文献に示されている。 一方、データを復元する方法について簡潔に述べれば、
符号ディジット列Ｗｌ　、　Ｗ２　、・・・、ＷＬは例
えば次のようにして変換され、もとの情報ディジット列
Ｘｉ　、　Ｘ２　、・・・、ＸＮが復元される。 まず、ＷにＯ，ｗ　Ｉ　Ｗ　２・・・ＷＬを代入し、Ｓ
に１を代入する。次に以下の手順Ｂｌ）〜Ｂ５）を実行
する。なお以下ではＸ　＋　ｙはＸにｙの値を代入する
ことを意味するものとする。また演算はすべてｂ進法で
行うものとする。 Ｂｌ）ｉの値を１とする。 Ｂ２）Ｃ＋（ｙ）≦Ｗ／Ｓを満たすｙのうちで最大のデ
ィジットをｘｌとする。 Ｂ　３　）　Ｘ　！　を復元された情報デイジッ１〜と
して出力する。 Ｂ４）Ｗ＝Ｗ　　Ｃ１（ＸＩ　）　・ＳＳ←ｑ＋　　（
ｘ＋　）−ｓ とし、Ｓを予め決められた有効数字Ｉく桁で打ち切る。 Ｂ５）ｉ＜Ｎならｉの値を１増やしてＦ３２）へ移る。 ｉ＝Ｎなら終了。 上記手順にＢ　ｌ　）〜［３５）に従えは符号ディジ・
・ノＩ〜タリＷ　ｌ、　Ｗ２　、・・・、ＷＬからもと
の十Ｉ″７報デジ・ンＩ・列ｘｌ　、　ｘ２　、・・・
、ＸＮが誤りなく復元できることが前記文献に示されて
いる。 算術符号は信号の出現確率さえ与えられｔしば効率よく
信号を圧縮する符号化法であり、いかに出現確・本をＩ
＋）るかが問題になる。このために一般には符号化・復
号化を進めるのと並行して、信号の出現頻度をメモリに
記録してゆき、出現確率を算出する方法が用いられてい
る。 さて、上記のようなデータの圧縮及びデータの復元を実
行するための算術符号器及び算術復号器は、例えば米国
のインターナショタル・ビジネス・マシンズ・コーポレ
ーションの米［）：１特許第４゜１２２．４／１０号な
どに記されているような加算・東算なとの算術演算回路
を舒む回路て実現できる。 ［−発明が解決しようとする問題点゛１しかしながら従
来の方式では、信号のビット長が１ビット程度でレベル
数が小さい時には、信号の出現確率を記録するためのテ
ーブルメモリ容量は比較的小さくて良かったが、信号の
ビット長が大きくなって信号のレベル数が増加すると、
信号の出現確率を記録するためのテーブルメモリ容量が
膨大になるという欠点があった。 ところが、応用によってはビット長が長くてレベル数の
大きな信号を圧縮することが要求される。 例えばディジタル・オーディオ−ディスクのような鑑賞
用の音響画像機器において、量子化されたアナログ信号
を圧縮して記録するような場合には、音質や画質を保つ
なめに信号のレベル数を大きくすることが不可欠である
。 本発明は、信号のレベル数が大きくとも、出現確率を記
録するためのテーブルメモリ容量を多−にに必要とせず
に、信号を効率よく圧縮する圧縮符号化装置を提供しよ
うとするものである。 Ｌ問題点を解決するための手段〕 本発明は、過去に入力された信号系列に基づいて入力さ
れる信号の予測値と標準偏差を出力する予測器と、信号
から前記予測器の出力した予測値を減じる減算器と、前
記減算器の出力を前記予測器の標べ岨偏差で割る除算器
と、予め記録されている確率を前記除算器の出力に応じ
て出力するテーブルメモリと５このデープルメモリの出
力に応じて信号に対して算術符号化を実行する算術符号
器とを具備し、前記入力信号を圧縮することを特徴とす
る。 〔作用〕 算術符号は信号の出現確率さえ与えられれば効率よく信
号を圧縮する符号化法であるから、いかに出現確率を得
るかが問題であり、従来は信号の出現頻度をメモリに記
録して出現確率を求める方法が用いられてきたが、我々
の身の回りにある信号は、通常はある程度その確率構造
がわかっている。例えば音声であればガウス分布と呼ば
れる分布が近いとか、英文であればアルファベットの「
ｅ」が多く出現するとかがわかる。このように信号の確
率分布が予めわかっていれば、信号の出現確率を求める
方法として、既知である分布の近似公式を用いて出現確
率を算出する方法や、テーブルメモリに予め信号の出現
確率を表にして記録しておき必要な時に参照する方法が
考えられる。 このうち近似公式を用いる方法とは、例えば信号が正規
分布に従って発生しているとすれば合波書店から１９８
０年に発行された合波数学辞典第２版１２刷の第９７９
ページに記載されているような正規分布の近似公式に、
信号の値を代入してその値を求めるものである。 またテーブルメモリに予め記録された信号の発生確率表
を参照する方法とは、発生し得るすべての信号の発生確
率を、予め前記近似公式や白水社から１９７４年に発行
されたマルセル・ポル著改訂増補万能数値表第８刷の５
４０〜６８６ページに記載されているような数表・公式
に基づいて求めたり、あるいは信号の発生頻度を計測す
ることによって求め、得られた発生確率を発生確率表と
してテーブルメモリに記録しておき、信号の発生確率を
算出するときにはこのテーブルメモリを参照するもので
ある。 ただし、公式を用いる方法では比較的正確な発生確率が
マー）られるものの計算時間がかかるので、発生確率を
高速に算出する必要があるときには、デープルメモリに
予め記録された信号の発生確率表を参照する方法が有効
である。本発明はテーブルメモリを有効に利用すること
によって、レベル数の多い信号の圧縮を可能にするもの
である。 もつとも、テーブルメモリの利用には問題がある。すな
わち、分布の型が既知であっても、その平均や標準偏差
が未知であったり変動するような場合には、平均や漂準
偏差が変動する度にテーブルメモリの内容を書き換える
か、予めすべての可能な平均と標準偏差に対する確率表
を準備しておく必要がある。そのため、本発明では、信
号から信号の平均値（すなわち予ｉａｌ器が算出した予
測値）を減じて予測誤差をとり、さらに予測誤差を信号
の標準偏渡で割って得られた信号の補正値に基づいてテ
ーブルメモリを参照する。このようにすれば最終的に得
られた補正値の平均と標準（日差は信号の平均や標準偏
差が変動しても常に一定であるから、信号の出現確率で
なく補正値の出現確率をテーブルメモリに記録しておき
、補正値に基づいてテーブルメモリを参照するようにす
れば、信号の平均値や標準偏差が変動してもテーブルメ
モリの書換えは不要である。実際に、信号をＸ、信号の
平均をＡ、信号の標準偏差をＢとして、信号の補正値Ｔ
の平均と標準偏差を計算してみれば、Ｔ−（Ｘ−Ａ）／
Ｂであるから、Ｔの平均と標準１扁差は次のようになり
、信号の平均や標準偏差によらず一定であることがわか
る。 （Ｔの平均）　　　＝（（Ｘの平均）−Ａ＞／Ｂ＝０ （Ｔの標準偏差）　−ｖｒ（（Ｔ−Ａ＞　２の平均）−
Ｊ（（Ｘ−Ａ）２の平均）／Ｂ −（Ｘの標準偏差）／Ｂ ＝１ なお、信号の補正値を得るためには、信号の平均と標準
偏差が必要であるが、これは予測器によって求める。ま
た、具体的にどのような予測器を用いるかは信号の特性
に依ｆＹシて決めなければならないが、音声や画像など
の信すに材する予測器については、例えば開用５５年に
産業図書株式会社から出版された有本卓若

【信号・画像
のディジタル処理ｊなどの（ｂ籍にｆｉｇ　＋、　＜述
べられている。 以」二述べたような方法を用いれば、平均が０で標’ｄ
ｉ＜　ＩＱ　ｍが１の時の確率表のみをテーブルメモリ
に記録しておけば良いので、テーブルメモリの容量を節
約することが可能となる。 第１図に本発明の基本構成図を示す。図において、信号
は、入力端子１０１から入力される。信号は予測器１０
２に供給されており、予測器１０２は過去に入力された
信号から入力されてくる信号の予測値およびその標準偏
差値を予測して、その結果を出力する。減算３１０３は
、信号がら予測器１０２の出力する予測値を減算して、
その結果を出力する。除算器１０４は減算器１０Ｂの出
力を予測器１０２の出力する標準（Ｗ差値で割算して、
その結果をテーブルメモリ１０５のアドレス信号端子に
供給する。テーブルメモリ１０５は除算器１０４の出力
が示すアドレスに記録されている確率を算術符号器１０
６に供給する。算術符号器１０６はテーブルメモリ１０
５の供給する確率に応じて入力端子１０１から供給され
る信号に対して算術符号化を実行し、符号を出力端子１
０７に供給する。符号は出力端子１０７から順に出力さ
れて行く。 〔実施例〕 第２図に本発明の一実施例を示す。図において第１図と
同一の機能を有するブロックには同一の番号を付しであ
る。図において、信号は、それぞれ８ビツトに量子化さ
れた音声であり、入力端子１０１から入力される。信号
は予測器１０２に供給されており、予測器１０２は過去
に入力された信号から入力されてくる信号の予測値およ
びその標準偏差値を予測して、その結果を出力する。予
測器の内部では、遅延回路２０１，２０２．２０３が直
列に接続され、３時刻前までの信号が保持されている。 遅延回路２０１，２０２，２０３に保持されている信号
には、それぞれ定数乗算器２０＝４，２０５，２０６で
予め決められた定数２１．。 ：Ｌ２．：１３が掛けられ、その乗算結果の総和が加算
器２０７で計算され信号の予測値とされる。−Ｊｉ、本
実施例では、予７１ｊｌ器の標準偏差値を求めるために
、減算器２０８で信号と予測値の差ずなわち予ａ！１１
コ１箒をとり、その結果の自乗を乗算器２０９で求め、
積分’Ａ：’ｉ　２１　（’）で乗算器２０９の出力を
積分し、積分結果の下方を平方器２１１でとって標準１
１町差値を求めている。ただし本実施例において、積分
７Ｈ２１０は厳密な積分を行うのではなく、乗算Ｊ　２
　（、）　９の出力のうち過去３時刻の出力の゛ド均値
を算出するものである。減算器１０３は、信号から予測
器１０２の出力する予測値を減算して、その結果を出力
する。除算器１０４は減算器１０３の出力を予Ｊ！’Ｉ
　器１０２の出力する標準１扁差値て′割算して、その
結果をテーブルメモリ１０５のアドレス信号端子に供給
する。ただし、除算器１０１１の出力は有効数字１２ビ
ツトの二進数表現に丸められて出力される。デープルメ
モリ１０５は、２１固のＲＯＭ　（リード・オンリ・メ
モリ）２２１゜２２２から成る。それぞれのＲＯＭは、
アドレス信号端子が１２ビツトでワード長が８ピツ１〜
構成で容量は４０９６バイ１〜である。ＲＯＭ２２１に
は除算器１０１１が出力する信号の補正値の出現確率が
、ＲＯＭ２２２には累積出現確率がそれぞれ８ビツトの
二進数表現で記録されている。算術符号器１０６はテー
ブルメモリ１０５の供給する確率に応じて入力端子１０
１から供給される信号に対して算術符号化を実行し、符
号を出力端子１０７に供給する。符号は出力端子１０７
から；：１ｎに出力されて行く。 ［゛発明の効果〕 以上述べてきたように、本発明に従えば、信号のレベル
数が大きくとも、出現確率を記録するだめのテーブルメ
モリ容量を多量に必要とせずに、信号を効率よく圧縮す
る圧縮符号化装置が容易に構成できる。 従って本発明が、ビット長の長い信号の圧縮が要求され
る分野、例えば需賞用の音響画像機器におけるデータ圧
縮などの分野で効果を発揮できることは明らかである。 図面の簡１ｉｊ−な説明 第１図は本発明のＪｋ本構成図、第２１−７１は本発明
の一実施例を示すブロック図である。 １０１・・・入力端子、】０２・・予測器、１０３・・
・減算器、１（）４・・・除算器、１０５・・・テーブ
ルメモ−＋、′ 牟　１　ｙ 第２　口 へ、１０２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 過去に入力された信号系列に基づいて入力される信号の
   予測値と標準偏差を出力する予測器と、信号から前記予
   測器の出力した予測値を減じる減算器と、前記減算器の
   出力を前記予測器の標準偏差で割る除算器と、予め記録
   されている確率を前記除算器の出力に応じて出力するテ
   ーブルメモリと、このテーブルメモリの出力に応じて信
   号に対して算術符号化を実行する算術符号器とを具備し
   、前記入力信号を圧縮することを特徴とする圧縮符号化
   装置。