JPWO2009122757A1 - ステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法 - Google Patents

ステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法 Download PDF

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Abstract

音源の位置が異なる場合であっても、冗長性の少ない符号化用信号（Ｍ、Ｓ）を得ることができるステレオ信号変換装置及びより高品質のステレオ信号を得ることができるステレオ信号逆変換装置。ステレオ信号変換装置（１０１）において、相関分析部（１１１）が、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを用いて、左チャネル信号ＬのパワＰＬ、右チャネル信号ＲのパワＰＲおよび相関値ＣＬＲを計算する。係数計算部（１１３）が、パワＰＬとパワＰＲとの大小関係に基づき、相関分析部１１１から出力された相関値ＣＬＲを用いて係数αを計算する。和差計算部（１１５）が、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを加算してモノラル信号Ｍを生成する。また、和差計算部（１１５）が、パワＰＬとパワＰＲとの大小関係と、αを符号化・復号して得られる係数を用いてサイド信号Ｓを生成する。

Description

本発明は、ステレオ音声の符号化を実現する符号化装置、復号装置に用いられるステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法に関する。
音声符号化は、通常、電話帯域（２００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚ）の狭帯域音声を使用する通信用途に用いられる。モノラル音声の狭帯域音声コーデックは、移動電話、遠隔会議機器や最近ではパケットネットワーク（たとえば、インターネット）上での音声通信などの通信用途に広く使用されている。
近年、通信ネットワークのブロードバンド化に伴い、音声通信に対して臨場感や音楽に対する品質の高さが求められるようになり、このニーズに応えるために、ステレオ音声の符号化技術を用いた音声通信システムの開発が進められている。
従来から、ステレオ音声を符号化する方法として、左チャネル信号と右チャネル信号との和に基づくモノラル信号と、左チャネル信号と右チャネル信号との差に基づくサイド信号とを求め、モノラル信号とサイド信号とをそれぞれ符号化する方法が知られている（特許文献１参照）。
左チャネル信号と右チャネル信号とは、人間のそれぞれの耳から入る音を表す信号であり、モノラル信号によって左チャネル信号と右チャネル信号との共通部分を表すことができ、サイド信号によって左チャネル信号と右チャネル信号との空間的な違いを表現することができる。
左チャネル信号と右チャネル信号との相関性が高いことから、これらの信号をモノラル信号とサイド信号とに変換してから符号化する方が、左チャネル信号と右チャネル信号とを直接符号化するよりも、モノラル信号とサイド信号の特徴に応じた適切な符号化が可能になり、冗長性が少なく、低ビットレートで高品質な符号化を実現することができる。
特開２００１−２５５８９２号公報
しかしながら、左チャネル信号と右チャネル信号との主成分が同じでも、これらの信号の音源の位置が異なる場合には、同時刻における左チャネル信号と右チャネル信号との相関性は低くなる。したがって、単に、左チャネル信号と右チャネル信号とをモノラル信号とサイド信号とに変換して符号化すると、音源の位置が大きく異なる場合に、モノラル信号とサイド信号とに冗長性が含まれたまま、非効率に量子化することになる。
本発明の目的は、符号化装置側では、音源の位置が異なる場合であっても、冗長性の少ない符号化用信号（Ｍ、Ｓ）を得ることができ、復号装置側では、より高品質のステレオ信号を得ることができる、ステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法を提供することである。
本発明のステレオ信号変換装置は、ステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値を計算する相関分析手段と、前記相関値に基づいて第１の係数を計算する係数計算手段と、前記第１の係数を符号化し、得られた符号化データに基づいて第２の係数を求める係数符号化手段と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号を生成し、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号を、前記第２の係数を用いて生成する和差計算手段と、を具備する構成を採る。
本発明のステレオ信号逆変換装置は、ステレオ信号変換装置でステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値に基づいて求められた第１の係数を符号化して得られた符号化データ、を復号し第２の係数を求める係数復号手段と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号の符号化データを復号したモノラル再生成信号と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号の符号化データを復号したサイド再生成信号と、前記第２の係数と、を用いて、前記第１チャネル信号の再生成信号および前記第２チャネル信号の再生成信号を生成する再生成信号生成手段と、を具備する構成を採る。
本発明のステレオ信号変換方法は、ステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値を計算する相関分析工程と、前記相関値に基づいて第１の係数を計算する係数計算工程と、前記第１の係数を符号化し、得られた符号化データに基づいて第２の係数を求める係数符号化工程と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号を生成し、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号を、前記第２の係数を用いて生成する和差計算工程と、を具備する方法を採る。
本発明のステレオ信号逆変換方法は、ステレオ信号変換方法でステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値に基づいて求められた第１の係数を符号化して得られた符号化データ、を復号し第２の係数を求める係数復号工程と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号の符号化データを復号したモノラル再生成信号と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号の符号化データを復号したサイド再生成信号と、前記第２の係数と、を用いて、前記第１チャネル信号の再生成信号および前記第２チャネル信号の再生成信号を生成する再生成信号生成工程と、を具備する方法を採る。
本発明によれば、符号化装置側では、ステレオ信号（Ｌ、Ｒ）の間の相関を利用して求めた係数αを、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとのいずれか一方に乗算してサイド信号Ｓを求めることにより、音源の位置が異なる場合であっても、冗長性の少ない符号化用信号（Ｍ、Ｓ）を得ることができ、復号装置側ではより高品質のステレオ信号を得ることができる。
本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置の係数符号化部における係数αを符号化する際に用いる符号帳の一例を示す図 本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置の係数符号化部における探索アルゴリズムを示すフロー図 本発明の実施の形態１に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各実施の形態では、ステレオ信号が左チャネル信号と右チャネル信号との２つの信号からなる場合を例に説明する。また、左チャネル信号、右チャネル信号、モノラル信号、サイド信号をそれぞれ、Ｌ、Ｒ、Ｍ、Ｓと表し、それらの再生成信号をそれぞれ、Ｌ’、Ｒ’、Ｍ’、Ｓ’と表す。なお、上記において、各信号の名称とそれに対する記号との対応関係は限定されるものではない。また、実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図である。図１に示す符号化装置１００は、ステレオ信号変換装置１０１と、モノラル符号化部１０２と、サイド符号化部１０３と、多重化部１０４と、から主に構成される。
ステレオ信号変換装置１０１は、左チャネル信号Ｌおよび右チャネル信号Ｒの和であるモノラル信号Ｍを生成し、左チャネル信号Ｌおよび右チャネル信号Ｒのいずれか一方から他方に係数αを乗算した値を減算した値であるサイド信号Ｓを生成する。そして、ステレオ信号変換装置１０１は、モノラル符号化部１０２にモノラル信号Ｍを出力し、サイド符号化部１０３にサイド信号Ｓを出力する。また、ステレオ信号変換装置１０１は、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒのパワの大小関係を示す１ビットのデータ（以下、「パワデータ」という）および係数αを符号化したデータを多重化部１０４に出力する。
モノラル符号化部１０２は、モノラル信号Ｍを符号化し、得られた符号化データを多重化部１０４に出力する。サイド符号化部１０３は、サイド信号Ｓを符号化し、得られた符号化データを多重化部１０４に出力する。
多重化部１０４は、モノラル信号Ｍの符号化データ、サイド信号Ｓの符号化データ、パワデータ、および係数αの符号化データを多重化し、得られたビットストリームを出力する。
次に、ステレオ信号変換装置１０１の内部構成について説明する。ステレオ信号変換装置１０１は、相関分析部１１１、差分判断部１１２、係数計算部１１３、係数符号化部１１４および和差計算部１１５を有する。
相関分析部１１１は、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを用いて、以下の式（１）により、左チャネル信号ＬのパワＰＬ、右チャネル信号ＲのパワＰＲおよび相関値ＣＬＲを計算する。そして、相関分析部１１１は、パワＰＬおよびパワＰＲを差分判断部１１２に出力し、パワＰＬ、パワＰＲおよび相関値ＣＬＲを係数計算部１１３に出力する。なお、式（１）において、Ｘｉ Ｌは左チャネル信号Ｌの各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｘｉ Ｒは右チャネル信号Ｒの各サンプルタイミングｉにおける信号値である。
Figure 2009122757
差分判断部１１２は、相関分析部１１１から出力されたパワＰＬとパワＰＲとの大きさを比較し、比較結果を示す１ビットのパワデータを多重化部１０４、係数計算部１１３および和差計算部１１５に出力する。具体的には、差分判断部１１２は、ＰＬ≧ＰＲの場合には符号「０」のパワデータを出力し、ＰＬ＜ＰＲの場合には符号「１」のパワデータを出力する。
係数計算部１１３は、差分判断部１１２から出力されたパワデータに基づき、相関分析部１１１から出力されたパワＰＬ、パワＰＲおよび相関値ＣＬＲを用いて、以下の式（２）により、係数αを計算し、係数符号化部１１４に出力する。
Figure 2009122757
上記式（２）から明らかなように、αは、−１＜α≦１であり、上限および下限があるので符号化がしやすい値である。なお、αが１となるのは、ＰＬ＝ＰＲの場合であり、αが−１に近くなるのは、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとが逆位相で一方の振幅が他方より僅かに大きい場合である。
係数符号化部１１４は、内部に記憶された符号帳を参照して、係数計算部１１３から出力された係数αを符号化し、多重化部１０４に出力する。本実施の形態では、係数αを４ビットで符号化するものとする。ここで、係数αのパワ比（絶対値）は１に近い値を取ることが多いことから、係数αを符号化する際には、図２に示すような符号帳（コードブック）を用いる。図２に示す符号帳では、係数の値αｉの絶対値が１．０に近いほど間隔が密になるように、係数の値αｉが各符号に割り当てられる。この符号帳を使った探索は、木探索を用いれば、少ない計算量で探索することができる。木探索には、図２に示す符号帳の探索基準値δｉを用いる。なお、探索アルゴリズムの詳細は後述する。
また、係数符号化部１１４は、係数αの符号化データに対応する係数の値αｉを和差計算部１１５に出力する。
和差計算部１１５は、以下の式（３）のように、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを加算してモノラル信号Ｍを生成する。また、和差計算部１１５は、差分判断部１１２から出力されたパワデータと係数符号化部１１４から出力された係数の値αｉを用いて、以下の式（４）により、サイド信号Ｓを生成する。なお、式（３）、（４）において、Ｘｉ Ｍはモノラル信号Ｍの各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｘｉ Ｓはサイド信号Ｓの各サンプルタイミングｉにおける信号値である。そして、和差計算部１１５は、モノラル符号化部１０２にモノラル信号Ｍを出力し、サイド符号化部１０３にサイド信号Ｓを出力する。
Figure 2009122757
Figure 2009122757
和差計算部１１５で生成されるモノラル信号Ｍは、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの主成分を表す。また、和差計算部１１５で生成されるサイド信号Ｓは、モノラル信号Ｍにベクトルとしてほぼ直交し、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの空間的に異なる部分を従来技術よりも忠実に表すことができるので、復号装置側ではより高品質のステレオ信号を得ることができる。
なお、和差計算部１１５において、符号化前の係数αを用いてサイド信号Ｓを生成した場合には、サイド信号Ｓとモノラル信号Ｍとは、以下の式（５）に示すように、積和が０になることから、ベクトルとして完全に直交する。なお、式（５）は、ＰＬ＜ＰＲの場合を示す。
Figure 2009122757
次に、係数符号化部１１４における探索アルゴリズムについて図３のフロー図を用いて説明する。
まず、ＳＴ３０１において、探索幅ｃを符号帳サイズの１６の半分である８にセットし、符号バッファｉを０に設定する。次に、ＳＴ３０２において、探索幅ｃが０かどうかを判定し、０であれば符号帳探索を終了し（ＳＴ３０２：Ｙｅｓ）、０でなければＳＴ３０３に移行する（ＳＴ３０２：Ｎｏ）。
ＳＴ３０２において「Ｎｏ」の場合、ＳＴ３０３において、符号バッファｉに探索幅ｃの値を加算する。次に、ＳＴ３０４において、探索基準値δｉと係数αとを比較し、係数αが探索基準値δｉより小さい場合にはＳＴ３０５に移行し（ＳＴ３０４：Ｙｅｓ）、係数αが探索基準値δｉ以上の場合にはＳＴ３０６に移行する（ＳＴ３０４：Ｎｏ）。
ＳＴ３０４において「Ｙｅｓ」の場合、ＳＴ３０５において、符号バッファｉから探索幅ｃの値を減算する。次に、ＳＴ３０６において、探索幅ｃの値を右に１だけビットシフトしてＳＴ３０２に移行する。なお、ｃ＞＞１は、ｃの値を右に１だけビットシフトすることを示す。
ＳＴ３０４において「Ｎｏ」の場合、ＳＴ３０６において探索幅ｃの値を右に１だけビットシフトしてＳＴ３０２に移行する。
そして、符号帳探索を終了した時点における符号バッファｉが符号となる。
このように探索を行えば、ＳＴ３０６において探索幅が８、４、２、１、０となり５回で０になるので、ＳＴ３０３からＳＴ３０６の探索ループは４回しか通らない。したがって、１６通りの符号帳の探索を少ない計算量で行うことができる。なお、上記の方法は、１６通りに限らず、２のべき乗のサイズの符号帳の探索に使用することができる。
図４は、本実施の形態に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図である。図４に示す復号装置４００は、分離部４０１と、モノラル復号部４０２と、サイド復号部４０３と、ステレオ信号逆変換装置４０４と、から主に構成される。
分離部４０１は、復号装置４００に受信されたビットストリームを分離し、モノラル信号Ｍの符号化データをモノラル復号部４０２に、サイド信号Ｓの符号化データをサイド復号部４０３に、係数αの符号化データおよびパワデータをステレオ信号逆変換装置４０４に、それぞれ出力する。
モノラル復号部４０２は、モノラル信号Ｍの符号化データを復号し、得られたモノラル再生成信号Ｍ’をステレオ信号逆変換装置４０４に出力する。サイド復号部４０３は、サイド信号Ｓの符号化データを復号し、得られたサイド再生成信号Ｓ’をステレオ信号逆変換装置４０４に出力する。
ステレオ信号逆変換装置４０４は、係数αの符号化データ、パワデータ、モノラル再生成信号Ｍ’およびサイド再生成信号Ｓ’を用いて左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を得る。
次に、ステレオ信号逆変換装置４０４の内部構成について説明する。ステレオ信号逆変換装置４０４は、係数復号部４１１および和差計算部４１２を有する。
係数復号部４１１は、内部に記憶された図２と同様の符号帳を参照して係数αの符号化データを復号し、係数αの符号化データに対応する係数の値αｉを和差計算部４１２に出力する。なお、係数復号部４１１内の符号帳には、図２に示した探索基準値δｉは不要である。
和差計算部４１２は、モノラル復号部４０２から出力されたモノラル再生成信号Ｍ’、サイド復号部４０３から出力されたサイド再生成信号Ｓ’、パワデータ、及び係数の値αｉを用いて、以下の式（６）により、左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を算出する。なお、式（６）において、Ｙｉ Ｍはモノラル再生成信号Ｍ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｙｉ Ｓはサイド再生成信号Ｓ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｙｉ Ｌは左チャネル再生成信号Ｌ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｙｉ Ｒは右チャネル再生成信号Ｒ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値を示す。
Figure 2009122757
以上説明したように、本実施の形態によれば、符号化装置側では、ステレオ信号（Ｌ、Ｒ）の間の相関を利用して求めた係数αを、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとのいずれか一方に乗算した値を用いてサイド信号Ｓを求めることにより、サイド信号Ｓがモノラル信号Ｍにベクトルとして直交（内積が０）するので、音源の位置が異なる場合であっても、冗長性の少ない符号化用信号（Ｍ、Ｓ）を得ることができ、復号装置側では、より高品質のステレオ信号を得ることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２では、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの差を取る順番を固定する場合について説明する。
なお、本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、ステレオ信号変換装置１０１における和差計算部１１５の機能と、ステレオ信号逆変換装置４０４における和差計算部４１２の機能のみである。以下、この点について説明する。
ここで、本実施の形態では、和差計算部１１５において左チャネル信号Ｌからαｉを掛けた右チャネル信号Ｒを差し引くように固定し、和差計算部４１２において右チャネル再生成信号Ｒ’を求める時に差分を取るように固定するものとする。
和差計算部１１５は、左チャネル信号Ｌと、右チャネル信号Ｒと、差分判断部１１２から出力されたパワデータと、係数符号化部１１４から出力された係数の値αｉとを用いて、以下の式（７）によりモノラル信号Ｍを求め、式（８）によりサイド信号Ｓを求める。
Figure 2009122757
Figure 2009122757
また、和差計算部４１２は、モノラル再生成信号Ｍ’と、サイド再生成信号Ｓ’と、パワデータと、係数αの符号化データに対応する係数の値αｉとに基づいて、以下の式（９）により、左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を算出する。
Figure 2009122757
ただし、図２の符号帳から明らかなようにαｉ＝０になる場合がある。この場合には、逆数を取れないのでβ＝０とする。
なお、上記０の場合も含めて、係数の値の逆数１／αｉは予め計算しておき、符号帳に格納しておけば、計算の手間を省くことができる。
このように、本実施の形態によれば、符号化装置側で、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとに関して差を取る順番を固定することで、モノラル信号Ｍの連続性が良くなる。このため、不連続が生じた場合において当該不連続部分の極端な波形を符号化する必要が無くなるので、より効率的な符号化を行うことができ、復号装置側でより高品質のステレオ信号を得ることができる。
なお、本実施の形態では、差分を取る順番を、左チャネル信号Ｌから右チャネル信号Ｒを差し引くように固定する場合について説明したが、本発明は、右チャネル信号Ｒから左チャネル信号Ｌを差し引くように固定しても良い。この場合には、本実施の形態の各説明の左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒを逆にすれば良い。
（実施の形態３）
実施の形態３では、現在の信号変換対象である第１の信号変換単位の左チャネル信号Ｌ及び右チャネル信号Ｒからサイド信号を求める際に用いられる係数εを、第１の信号変換単位以前の第２の信号変換単位において用いられた係数εを用いて計算する例について説明する。さらに、チャネル信号ベクトルの要素毎に用いる係数を要素間で緩やかに変化させることによって、接続性を確保しながら、サイド信号ベクトルとモノラル信号ベクトルとを直交化させる例についても説明する。なお、以下においては、信号変換単位をフレームとして説明する。
ここで、実施の形態３では、一例として、ベクトルの要素番号を用いて係数εを線形に変化させるアルゴリズムによって、上記直交化を実現する。また、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの差を取る順番を固定するとともに、Ｌ信号からＲ信号と係数εとの乗算結果を減算する。
図５は、本発明の実施の形態３に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図である。図５に示す符号化装置５００は、ステレオ信号変換装置５０１と、モノラル符号化部１０２と、サイド符号化部１０３と、多重化部５０２と、から主に構成される。
ステレオ信号変換装置５０１は、相関分析部５１１、係数計算部５１２、係数符号化部５１３および和差計算部５１４を有する。
相関分析部５１１は、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを用いて、以下の式（１０）により、左チャネル信号ＬのパワＰＬ、右チャネル信号ＲのパワＰＲ、相関値ＣＬＲ、要素番号で重み付けされた右チャネル信号ＲのパワＰＲ （ｉ）、および要素番号で重み付けされた相関値ＣＬＲ （ｉ）を計算する。ここで、ｉは要素番号（サンプルタイミングに対応）であり、Ｉは要素数（ベクトル長）である。
Figure 2009122757
係数計算部５１２は、現フレームにおいて計算する係数εを、以前のフレームにおいて計算した係数εを用いて計算する。
具体的には、係数計算部５１２は、先ず、相関分析部５１１で計算されたＰＬ、ＰＲ、ＣＬＲ、ＰＲ （ｉ）、ＣＬＲ （ｉ）およびη（−１）を用いて、式（１１）により、現フレームにおける計算対象である係数εの元となる数値（係数算出基礎値）γを計算する。ここでは、以前のフレームにおいて計算した係数εとして、１つ前のフレームで求めた係数εの値η（−１）を用いる。
Figure 2009122757
次に、係数計算部５１２は、係数算出基礎値γを用いて、式（１２）により、係数εを計算するとともに、係数算出基礎値γから係数εを求める際に用いられる変換モードの識別情報（つまり、変換式の識別情報ｍ）を形成する。変換モードは、係数算出基礎値γの大きさに応じて、切り替えられる。
Figure 2009122757
上記式（１２）では、γをそのままεとして用いる無変換モードの識別情報ｍ＝０とし、γの逆数をεとする変換モードの識別情報をｍ＝１としている。
上記式（１２）から明らかなように、εは、−１＜ε≦１であり、上限および下限があるので符号化がしやすい値である。なお、εが１となるのは、ＰＬ＝ＰＲの場合であり、εが−１に近くなるのは、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとが逆位相で一方の振幅が他方より僅かに大きい場合である。
こうして得られた１ビット情報である変換モード識別情報ｍは、多重化部５０２で多重化される。また、係数εは、係数符号化部５１３に出力される。
係数符号化部５１３は、内部に記憶された符号帳を参照して、係数計算部５１２から出力された係数εを符号化し、多重化部５０２に出力する。本実施の形態では、係数εを４ビットで符号化する。ここで、係数εのパワ比（絶対値）は１に近い値を取ることが多いことから、係数εを符号化する際にも、図２に示すような符号帳（コードブック）を用いることができる。このとき、実施の形態１と同様に、符号帳を使った探索には、木探索を用いることができる。
また、係数符号化部５１３は、係数εの符号化データに対応する係数の値η（図２を使う場合には、αｉ）を和差計算部５１４に出力する。
多重化部５０２は、モノラル信号Ｍの符号化データ、サイド信号Ｓの符号化データ、係数εの符号化データ、および係数εを求める際に用いた変換モードの識別情報ｍを多重化し、得られたビットストリームを出力する。
図６は、本発明の実施の形態３に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図である。図６に示す復号装置６００は、分離部６０１と、モノラル復号部４０２と、サイド復号部４０３と、ステレオ信号逆変換装置６０２と、から主に構成される。
ステレオ信号逆変換装置６０２は、係数復号部６１１および和差計算部６１２を有する。
分離部６０１は、復号装置６００に受信されたビットストリームを分離し、モノラル信号Ｍの符号化データをモノラル復号部４０２に、サイド信号Ｓの符号化データをサイド復号部４０３に、係数εの符号化データおよび変換モード識別情報ｍをステレオ信号逆変換装置６０２に、それぞれ出力する。
係数復号部６１１は、内部に記憶された図２と同様の符号帳を参照して係数εの符号化データを復号し、係数εの符号化データに対応する値αｉを特定し、この値αｉ及び変換モード識別情報ｍを用いて、式（１３）により、係数εの値ηを計算する。すなわち、係数εは、符号化装置５００にて変換モードに応じて変換されているので、復号装置６００では、式（１３）により、逆変換が行われる。
Figure 2009122757
こうして求められた係数εの値ηは、和差計算部６１２に出力される。
和差計算部６１２は、モノラル復号部４０２から出力されたモノラル再生成信号Ｍ’、サイド復号部４０３から出力されたサイド再生成信号Ｓ’、及び、係数εの値ηを用いて、式（１４）により、左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を算出する。
Figure 2009122757
上記式（１４）から明らかなように、現在の復号処理単位（ここでは、フレーム単位）でＸｉ Ｒに掛けられる係数は、前のフレームの最後で用いたη（−１）から現在のフレームにおいて要素番号ｉが増えるに従ってηに向かい緩やかに変化する。これにより、Ｓ信号の連続性が良くなるので、特に、複数フレームを符号化する場合などで大きく音声品質を向上させることができる。
また、こうして得られたＭ信号はＬ信号及びＲ信号の主成分をより忠実に表すようになっている。また、Ｓ信号は、係数の符号化／復号化により生じる符号化歪の影響を受けるものの、Ｍ信号にほぼ直交しており、Ｌ信号とＲ信号の空間的に異なる部分をより忠実に表すようになっている。従って、符号化装置側では、Ｍ信号とＳ信号を符号化することでより適切な符号化を行うことができ、復号装置側では、より高品質のステレオ信号が得られる。
なお、符号化前の係数εを減算に用いてＳ信号を求めた場合には、Ｓ信号とＭ信号とは完全に直交する。これは、実施の形態１の式（５）と同様に証明できる。すなわち、式（１４）で示した２式の積和が０となることを確認することにより、証明できる。ただし、式（１４）中のηの代わりに、係数算出基礎値γが用いられる。
また、本実施の形態では、差分を取る順番を、左チャネル信号Ｌから右チャネル信号Ｒを差し引くように固定する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、右チャネル信号Ｒから左チャネル信号Ｌを差し引くように固定しても良い。この場合には、本実施の形態の各説明の左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒを逆にすれば良い。
また、実施の形態１と同様に、差分を取る順番を変えても良い。ただし、本実施の形態のように「Ｓ信号の連続性」を良くするためには、差分を取る順番が固定されていることが好ましい。
なお、上記各実施の形態では、係数αの符号化ビット数を４ビットとする場合について説明したが、本発明はこれに限られず、係数αの符号化ビット数を４ビットよりもっと大きくしても小さくしてもよい。大きくすれば係数αを表現するバリエーションが増えるのでより高品質になり、小さくすれば符号化ビットを減らせるので低ビット化を実現することができる。また、符号帳のサイズを２のべき乗にすれば、初期値を変えるだけで、図３に示した探索アルゴリズムをそのまま使用することができる。
また、本発明では、式（６）の割り算を、式（４）で行ってもよい。この場合の変換、逆変換は、それぞれ、以下の式（１５）、式（１６）となる。なお、α＾は復号化された係数αを表す。
Figure 2009122757
Figure 2009122757
なお、上記各実施の形態では、左チャネル信号、右チャネル信号という名称を用いて２つのステレオ信号を表したが、より一般的な第１チャネル信号、第２チャネル信号という名称を用いることもできる。
また、上記各実施の形態では、符号化側から復号側に符号化した情報を伝送する場合について説明したが、本発明は、符号化側において符号化した情報を媒体記録に格納する場合も有効である。オーディオ信号はメモリやディスクに蓄積して用いる場合も多く、本発明はその場合にも有効である。
また、上記各実施の形態では、２チャネルの場合について示したが、本発明は、チャネル数について限定はなく、５．１ｃｈなどの多チャネルの場合にも有効であり、固定するチャネルと時間差を伴った相関のあるチャネルを明らかにすればそのまま適用することができる。
また、上記各実施の形態では、モノラル信号とサイド信号とをそれぞれ符号化する場合について示したが、本発明はこれに限られず、モノラル信号のみを使用する方法でも有効である。本発明を用いることにより、位相のずれを補正してダウンミックスすることができるので、より音源に近い高品質のモノラル信号を得ることができる。
また、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。本発明は、ステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置を有するシステムであればどのような場合にも適用することができる。
また、本発明に係るステレオ信号変換装置およびステレオ信号逆変換装置は、移動体通信システムにおける通信端末装置および基地局装置に搭載することが可能であり、これにより上記と同様の作用効果を有する通信端末装置、基地局装置、および移動体通信システムを提供することができる。
また、ここでは、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明をソフトウェアで実現することも可能である。例えば、本発明に係るアルゴリズムをプログラミング言語によって記述し、このプログラムをメモリに記憶しておいて情報処理手段によって実行させることにより、本発明と同様の機能を実現することができる。
また、上記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されても良いし、一部または全てを含むように１チップ化されても良い。
また、ここではＬＳＩとしたが、集積度の違いによって、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩ等と呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現しても良い。ＬＳＩ製造後に、プログラム化することが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続もしくは設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用しても良い。
さらに、半導体技術の進歩または派生する別技術により、ＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行っても良い。バイオ技術の適用等が可能性としてあり得る。
２００８年４月４日出願の特願２００８−０９８７３６及び２００８年１１月５日出願の特願２００８−２８４４９２の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明に係るステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法は、携帯電話、ＩＰ（Internet Protocol）電話、テレビ会議等に用いるに好適である。
本発明は、ステレオ音声の符号化を実現する符号化装置、復号装置に用いられるステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法に関する。
音声符号化は、通常、電話帯域（２００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚ）の狭帯域音声を使用する通信用途に用いられる。モノラル音声の狭帯域音声コーデックは、移動電話、遠隔会議機器や最近ではパケットネットワーク（たとえば、インターネット）上での音声通信などの通信用途に広く使用されている。
近年、通信ネットワークのブロードバンド化に伴い、音声通信に対して臨場感や音楽に対する品質の高さが求められるようになり、このニーズに応えるために、ステレオ音声の符号化技術を用いた音声通信システムの開発が進められている。
従来から、ステレオ音声を符号化する方法として、左チャネル信号と右チャネル信号との和に基づくモノラル信号と、左チャネル信号と右チャネル信号との差に基づくサイド信号とを求め、モノラル信号とサイド信号とをそれぞれ符号化する方法が知られている（特許文献１参照）。
左チャネル信号と右チャネル信号とは、人間のそれぞれの耳から入る音を表す信号であり、モノラル信号によって左チャネル信号と右チャネル信号との共通部分を表すことができ、サイド信号によって左チャネル信号と右チャネル信号との空間的な違いを表現することができる。
左チャネル信号と右チャネル信号との相関性が高いことから、これらの信号をモノラル信号とサイド信号とに変換してから符号化する方が、左チャネル信号と右チャネル信号とを直接符号化するよりも、モノラル信号とサイド信号の特徴に応じた適切な符号化が可能になり、冗長性が少なく、低ビットレートで高品質な符号化を実現することができる。
特開２００１−２５５８９２号公報
しかしながら、左チャネル信号と右チャネル信号との主成分が同じでも、これらの信号の音源の位置が異なる場合には、同時刻における左チャネル信号と右チャネル信号との相関性は低くなる。したがって、単に、左チャネル信号と右チャネル信号とをモノラル信号とサイド信号とに変換して符号化すると、音源の位置が大きく異なる場合に、モノラル信号とサイド信号とに冗長性が含まれたまま、非効率に量子化することになる。
本発明の目的は、符号化装置側では、音源の位置が異なる場合であっても、冗長性の少ない符号化用信号（Ｍ、Ｓ）を得ることができ、復号装置側では、より高品質のステレオ信号を得ることができる、ステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法を提供することである。
本発明のステレオ信号変換装置は、ステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値を計算する相関分析手段と、前記相関値に基づいて第１の係数を計算する係数計算手段と、前記第１の係数を符号化し、得られた符号化データに基づいて第２の係数を求める係数符号化手段と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号を生成し、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号を、前記第２の係数を用いて生成する和差計算手段と、を具備する構成を採る。
本発明のステレオ信号逆変換装置は、ステレオ信号変換装置でステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値に基づいて求められた第１の係数を符号化して得られた符号化データ、を復号し第２の係数を求める係数復号手段と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号の符号化データを復号したモノラル再生成信号と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号の符号化データを復号したサイド再生成信号と、前記第２の係数と、を用いて、前記第１チャネル信号の再生成信号および前記第２チャネル信号の再生成信号を生成する再生成信号生成手段と、を具備する構成を採る。
本発明のステレオ信号変換方法は、ステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値を計算する相関分析工程と、前記相関値に基づいて第１の係数を計算する係数計算工程と、前記第１の係数を符号化し、得られた符号化データに基づいて第２の係数を求める係数符号化工程と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号を生成し、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号を、前記第２の係数を用いて生成する和差計算工程と、を具備する方法を採る。
本発明のステレオ信号逆変換方法は、ステレオ信号変換方法でステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値に基づいて求められた第１の係数を符号化して得られた符号化データ、を復号し第２の係数を求める係数復号工程と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号の符号化データを復号したモノラル再生成信号と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号の符号化データを復号したサイド再生成信号と、前記第２の係数と、を用いて、前記第１チャネル信号の再生成信号および前記第２チャネル信号の再生成信号を生成する再生成信号生成工程と、を具備する方法を採る。
本発明によれば、符号化装置側では、ステレオ信号（Ｌ、Ｒ）の間の相関を利用して求めた係数αを、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとのいずれか一方に乗算してサイド信号Ｓを求めることにより、音源の位置が異なる場合であっても、冗長性の少ない符号化用信号（Ｍ、Ｓ）を得ることができ、復号装置側ではより高品質のステレオ信号を得ることができる。
本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置の係数符号化部における係数αを符号化する際に用いる符号帳の一例を示す図 本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置の係数符号化部における探索アルゴリズムを示すフロー図 本発明の実施の形態１に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各実施の形態では、ステレオ信号が左チャネル信号と右チャネル信号との２つの信号からなる場合を例に説明する。また、左チャネル信号、右チャネル信号、モノラル信号、サイド信号をそれぞれ、Ｌ、Ｒ、Ｍ、Ｓと表し、それらの再生成信号をそれぞれ、Ｌ’、Ｒ’、Ｍ’、Ｓ’と表す。なお、上記において、各信号の名称とそれに対する記号との対応関係は限定されるものではない。また、実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図である。図１に示す符号化装置１００は、ステレオ信号変換装置１０１と、モノラル符号化部１０２と、サイド符号化部１０３と、多重化部１０４と、から主に構成される。
ステレオ信号変換装置１０１は、左チャネル信号Ｌおよび右チャネル信号Ｒの和であるモノラル信号Ｍを生成し、左チャネル信号Ｌおよび右チャネル信号Ｒのいずれか一方から他方に係数αを乗算した値を減算した値であるサイド信号Ｓを生成する。そして、ステレオ信号変換装置１０１は、モノラル符号化部１０２にモノラル信号Ｍを出力し、サイド符号化部１０３にサイド信号Ｓを出力する。また、ステレオ信号変換装置１０１は、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒのパワの大小関係を示す１ビットのデータ（以下、「パワデータ」という）および係数αを符号化したデータを多重化部１０４に出力する。
モノラル符号化部１０２は、モノラル信号Ｍを符号化し、得られた符号化データを多重化部１０４に出力する。サイド符号化部１０３は、サイド信号Ｓを符号化し、得られた符号化データを多重化部１０４に出力する。
多重化部１０４は、モノラル信号Ｍの符号化データ、サイド信号Ｓの符号化データ、パワデータ、および係数αの符号化データを多重化し、得られたビットストリームを出力する。
次に、ステレオ信号変換装置１０１の内部構成について説明する。ステレオ信号変換装置１０１は、相関分析部１１１、差分判断部１１２、係数計算部１１３、係数符号化部１１４および和差計算部１１５を有する。
相関分析部１１１は、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを用いて、以下の式（１）により、左チャネル信号ＬのパワＰＬ、右チャネル信号ＲのパワＰＲおよび相関値ＣＬＲを計算する。そして、相関分析部１１１は、パワＰＬおよびパワＰＲを差分判断部１１２に出力し、パワＰＬ、パワＰＲおよび相関値ＣＬＲを係数計算部１１３に出力する。なお、式（１）において、Ｘｉ Ｌは左チャネル信号Ｌの各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｘｉ Ｒは右チャネル信号Ｒの各サンプルタイミングｉにおける信号値である。
Figure 2009122757
差分判断部１１２は、相関分析部１１１から出力されたパワＰＬとパワＰＲとの大きさを比較し、比較結果を示す１ビットのパワデータを多重化部１０４、係数計算部１１３および和差計算部１１５に出力する。具体的には、差分判断部１１２は、ＰＬ≧ＰＲの場合には符号「０」のパワデータを出力し、ＰＬ＜ＰＲの場合には符号「１」のパワデータを出力する。
係数計算部１１３は、差分判断部１１２から出力されたパワデータに基づき、相関分析部１１１から出力されたパワＰＬ、パワＰＲおよび相関値ＣＬＲを用いて、以下の式（２）により、係数αを計算し、係数符号化部１１４に出力する。
Figure 2009122757
上記式（２）から明らかなように、αは、−１＜α≦１であり、上限および下限があるので符号化がしやすい値である。なお、αが１となるのは、ＰＬ＝ＰＲの場合であり、αが−１に近くなるのは、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとが逆位相で一方の振幅が他方より僅かに大きい場合である。
係数符号化部１１４は、内部に記憶された符号帳を参照して、係数計算部１１３から出力された係数αを符号化し、多重化部１０４に出力する。本実施の形態では、係数αを４ビットで符号化するものとする。ここで、係数αのパワ比（絶対値）は１に近い値を取ることが多いことから、係数αを符号化する際には、図２に示すような符号帳（コードブック）を用いる。図２に示す符号帳では、係数の値αｉの絶対値が１．０に近いほど間隔が密になるように、係数の値αｉが各符号に割り当てられる。この符号帳を使った探索は、木探索を用いれば、少ない計算量で探索することができる。木探索には、図２に示す符号帳の探索基準値δｉを用いる。なお、探索アルゴリズムの詳細は後述する。
また、係数符号化部１１４は、係数αの符号化データに対応する係数の値αｉを和差計算部１１５に出力する。
和差計算部１１５は、以下の式（３）のように、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを加算してモノラル信号Ｍを生成する。また、和差計算部１１５は、差分判断部１１２から出力されたパワデータと係数符号化部１１４から出力された係数の値αｉを用いて、以下の式（４）により、サイド信号Ｓを生成する。なお、式（３）、（４）において、Ｘｉ Ｍはモノラル信号Ｍの各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｘｉ Ｓはサイド信号Ｓの各サンプルタイミングｉにおける信号値である。そして、和差計算部１１５は、モノラル符号化部１０２にモノラル信号Ｍを出力し、サイド符号化部１０３にサイド信号Ｓを出力する。
Figure 2009122757
Figure 2009122757
和差計算部１１５で生成されるモノラル信号Ｍは、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの主成分を表す。また、和差計算部１１５で生成されるサイド信号Ｓは、モノラル信号Ｍにベクトルとしてほぼ直交し、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの空間的に異なる部分を従来技術よりも忠実に表すことができるので、復号装置側ではより高品質のステレオ信号を得ることができる。
なお、和差計算部１１５において、符号化前の係数αを用いてサイド信号Ｓを生成した場合には、サイド信号Ｓとモノラル信号Ｍとは、以下の式（５）に示すように、積和が０になることから、ベクトルとして完全に直交する。なお、式（５）は、ＰＬ＜ＰＲの場合を示す。
Figure 2009122757
次に、係数符号化部１１４における探索アルゴリズムについて図３のフロー図を用いて説明する。
まず、ＳＴ３０１において、探索幅ｃを符号帳サイズの１６の半分である８にセットし、符号バッファｉを０に設定する。次に、ＳＴ３０２において、探索幅ｃが０かどうかを判定し、０であれば符号帳探索を終了し（ＳＴ３０２：Ｙｅｓ）、０でなければＳＴ３０３に移行する（ＳＴ３０２：Ｎｏ）。
ＳＴ３０２において「Ｎｏ」の場合、ＳＴ３０３において、符号バッファｉに探索幅ｃの値を加算する。次に、ＳＴ３０４において、探索基準値δｉと係数αとを比較し、係数αが探索基準値δｉより小さい場合にはＳＴ３０５に移行し（ＳＴ３０４：Ｙｅｓ）、係数αが探索基準値δｉ以上の場合にはＳＴ３０６に移行する（ＳＴ３０４：Ｎｏ）。
ＳＴ３０４において「Ｙｅｓ」の場合、ＳＴ３０５において、符号バッファｉから探索幅ｃの値を減算する。次に、ＳＴ３０６において、探索幅ｃの値を右に１だけビットシフトしてＳＴ３０２に移行する。なお、ｃ＞＞１は、ｃの値を右に１だけビットシフトすることを示す。
ＳＴ３０４において「Ｎｏ」の場合、ＳＴ３０６において探索幅ｃの値を右に１だけビットシフトしてＳＴ３０２に移行する。
そして、符号帳探索を終了した時点における符号バッファｉが符号となる。
このように探索を行えば、ＳＴ３０６において探索幅が８、４、２、１、０となり５回で０になるので、ＳＴ３０３からＳＴ３０６の探索ループは４回しか通らない。したがって、１６通りの符号帳の探索を少ない計算量で行うことができる。なお、上記の方法は、１６通りに限らず、２のべき乗のサイズの符号帳の探索に使用することができる。
図４は、本実施の形態に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図である。図４に示す復号装置４００は、分離部４０１と、モノラル復号部４０２と、サイド復号部４０３と、ステレオ信号逆変換装置４０４と、から主に構成される。
分離部４０１は、復号装置４００に受信されたビットストリームを分離し、モノラル信号Ｍの符号化データをモノラル復号部４０２に、サイド信号Ｓの符号化データをサイド復号部４０３に、係数αの符号化データおよびパワデータをステレオ信号逆変換装置４０４に、それぞれ出力する。
モノラル復号部４０２は、モノラル信号Ｍの符号化データを復号し、得られたモノラル再生成信号Ｍ’をステレオ信号逆変換装置４０４に出力する。サイド復号部４０３は、サイド信号Ｓの符号化データを復号し、得られたサイド再生成信号Ｓ’をステレオ信号逆変換装置４０４に出力する。
ステレオ信号逆変換装置４０４は、係数αの符号化データ、パワデータ、モノラル再生成信号Ｍ’およびサイド再生成信号Ｓ’を用いて左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を得る。
次に、ステレオ信号逆変換装置４０４の内部構成について説明する。ステレオ信号逆変換装置４０４は、係数復号部４１１および和差計算部４１２を有する。
係数復号部４１１は、内部に記憶された図２と同様の符号帳を参照して係数αの符号化データを復号し、係数αの符号化データに対応する係数の値αｉを和差計算部４１２に出力する。なお、係数復号部４１１内の符号帳には、図２に示した探索基準値δｉは不要である。
和差計算部４１２は、モノラル復号部４０２から出力されたモノラル再生成信号Ｍ’、サイド復号部４０３から出力されたサイド再生成信号Ｓ’、パワデータ、及び係数の値αｉを用いて、以下の式（６）により、左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を算出する。なお、式（６）において、Ｙｉ Ｍはモノラル再生成信号Ｍ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｙｉ Ｓはサイド再生成信号Ｓ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｙｉ Ｌは左チャネル再生成信号Ｌ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値、Ｙｉ Ｒは右チャネル再生成信号Ｒ’の各サンプルタイミングｉにおける信号値を示す。
Figure 2009122757
以上説明したように、本実施の形態によれば、符号化装置側では、ステレオ信号（Ｌ、Ｒ）の間の相関を利用して求めた係数αを、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとのいずれか一方に乗算した値を用いてサイド信号Ｓを求めることにより、サイド信号Ｓがモノラル信号Ｍにベクトルとして直交（内積が０）するので、音源の位置が異なる場合であっても、冗長性の少ない符号化用信号（Ｍ、Ｓ）を得ることができ、復号装置側では、より高品質のステレオ信号を得ることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２では、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの差を取る順番を固定する場合について説明する。
なお、本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、ステレオ信号変換装置１０１における和差計算部１１５の機能と、ステレオ信号逆変換装置４０４における和差計算部４１２の機能のみである。以下、この点について説明する。
ここで、本実施の形態では、和差計算部１１５において左チャネル信号Ｌからαｉを掛けた右チャネル信号Ｒを差し引くように固定し、和差計算部４１２において右チャネル再生成信号Ｒ’を求める時に差分を取るように固定するものとする。
和差計算部１１５は、左チャネル信号Ｌと、右チャネル信号Ｒと、差分判断部１１２から出力されたパワデータと、係数符号化部１１４から出力された係数の値αｉとを用いて、以下の式（７）によりモノラル信号Ｍを求め、式（８）によりサイド信号Ｓを求める。
Figure 2009122757
Figure 2009122757
また、和差計算部４１２は、モノラル再生成信号Ｍ’と、サイド再生成信号Ｓ’と、パワデータと、係数αの符号化データに対応する係数の値αｉとに基づいて、以下の式（９）により、左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を算出する。
Figure 2009122757
ただし、図２の符号帳から明らかなようにαｉ＝０になる場合がある。この場合には、逆数を取れないのでβ＝０とする。
なお、上記０の場合も含めて、係数の値の逆数１／αｉは予め計算しておき、符号帳に格納しておけば、計算の手間を省くことができる。
このように、本実施の形態によれば、符号化装置側で、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとに関して差を取る順番を固定することで、モノラル信号Ｍの連続性が良くなる。このため、不連続が生じた場合において当該不連続部分の極端な波形を符号化する必要が無くなるので、より効率的な符号化を行うことができ、復号装置側でより高品質のステレオ信号を得ることができる。
なお、本実施の形態では、差分を取る順番を、左チャネル信号Ｌから右チャネル信号Ｒを差し引くように固定する場合について説明したが、本発明は、右チャネル信号Ｒから左チャネル信号Ｌを差し引くように固定しても良い。この場合には、本実施の形態の各説明の左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒを逆にすれば良い。
（実施の形態３）
実施の形態３では、現在の信号変換対象である第１の信号変換単位の左チャネル信号Ｌ及び右チャネル信号Ｒからサイド信号を求める際に用いられる係数εを、第１の信号変換単位以前の第２の信号変換単位において用いられた係数εを用いて計算する例について説明する。さらに、チャネル信号ベクトルの要素毎に用いる係数を要素間で緩やかに変化させることによって、接続性を確保しながら、サイド信号ベクトルとモノラル信号ベクトルとを直交化させる例についても説明する。なお、以下においては、信号変換単位をフレームとして説明する。
ここで、実施の形態３では、一例として、ベクトルの要素番号を用いて係数εを線形に変化させるアルゴリズムによって、上記直交化を実現する。また、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとの差を取る順番を固定するとともに、Ｌ信号からＲ信号と係数εとの乗算結果を減算する。
図５は、本発明の実施の形態３に係るステレオ信号変換装置を含む符号化装置の構成を示すブロック図である。図５に示す符号化装置５００は、ステレオ信号変換装置５０１と、モノラル符号化部１０２と、サイド符号化部１０３と、多重化部５０２と、から主に構成される。
ステレオ信号変換装置５０１は、相関分析部５１１、係数計算部５１２、係数符号化部５１３および和差計算部５１４を有する。
相関分析部５１１は、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとを用いて、以下の式（１０）により、左チャネル信号ＬのパワＰＬ、右チャネル信号ＲのパワＰＲ、相関値ＣＬＲ、要素番号で重み付けされた右チャネル信号ＲのパワＰＲ （ｉ）、および要素番号で重み
付けされた相関値ＣＬＲ （ｉ）を計算する。ここで、ｉは要素番号（サンプルタイミングに対応）であり、Ｉは要素数（ベクトル長）である。
Figure 2009122757
係数計算部５１２は、現フレームにおいて計算する係数εを、以前のフレームにおいて計算した係数εを用いて計算する。
具体的には、係数計算部５１２は、先ず、相関分析部５１１で計算されたＰＬ、ＰＲ、ＣＬＲ、ＰＲ （ｉ）、ＣＬＲ （ｉ）およびη（−１）を用いて、式（１１）により、現フレームにおける計算対象である係数εの元となる数値（係数算出基礎値）γを計算する。ここでは、以前のフレームにおいて計算した係数εとして、１つ前のフレームで求めた係数εの値η（−１）を用いる。
Figure 2009122757
次に、係数計算部５１２は、係数算出基礎値γを用いて、式（１２）により、係数εを計算するとともに、係数算出基礎値γから係数εを求める際に用いられる変換モードの識別情報（つまり、変換式の識別情報ｍ）を形成する。変換モードは、係数算出基礎値γの大きさに応じて、切り替えられる。
Figure 2009122757
上記式（１２）では、γをそのままεとして用いる無変換モードの識別情報ｍ＝０とし、γの逆数をεとする変換モードの識別情報をｍ＝１としている。
上記式（１２）から明らかなように、εは、−１＜ε≦１であり、上限および下限があるので符号化がしやすい値である。なお、εが１となるのは、ＰＬ＝ＰＲの場合であり、εが−１に近くなるのは、左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒとが逆位相で一方の振幅が他方より僅かに大きい場合である。
こうして得られた１ビット情報である変換モード識別情報ｍは、多重化部５０２で多重化される。また、係数εは、係数符号化部５１３に出力される。
係数符号化部５１３は、内部に記憶された符号帳を参照して、係数計算部５１２から出力された係数εを符号化し、多重化部５０２に出力する。本実施の形態では、係数εを４ビットで符号化する。ここで、係数εのパワ比（絶対値）は１に近い値を取ることが多いことから、係数εを符号化する際にも、図２に示すような符号帳（コードブック）を用いることができる。このとき、実施の形態１と同様に、符号帳を使った探索には、木探索を用いることができる。
また、係数符号化部５１３は、係数εの符号化データに対応する係数の値η（図２を使う場合には、αｉ）を和差計算部５１４に出力する。
多重化部５０２は、モノラル信号Ｍの符号化データ、サイド信号Ｓの符号化データ、係数εの符号化データ、および係数εを求める際に用いた変換モードの識別情報ｍを多重化し、得られたビットストリームを出力する。
図６は、本発明の実施の形態３に係るステレオ信号逆変換装置を含む復号装置の構成を示すブロック図である。図６に示す復号装置６００は、分離部６０１と、モノラル復号部４０２と、サイド復号部４０３と、ステレオ信号逆変換装置６０２と、から主に構成される。
ステレオ信号逆変換装置６０２は、係数復号部６１１および和差計算部６１２を有する。
分離部６０１は、復号装置６００に受信されたビットストリームを分離し、モノラル信号Ｍの符号化データをモノラル復号部４０２に、サイド信号Ｓの符号化データをサイド復号部４０３に、係数εの符号化データおよび変換モード識別情報ｍをステレオ信号逆変換装置６０２に、それぞれ出力する。
係数復号部６１１は、内部に記憶された図２と同様の符号帳を参照して係数εの符号化データを復号し、係数εの符号化データに対応する値αｉを特定し、この値αｉ及び変換モード識別情報ｍを用いて、式（１３）により、係数εの値ηを計算する。すなわち、係数εは、符号化装置５００にて変換モードに応じて変換されているので、復号装置６００では、式（１３）により、逆変換が行われる。
Figure 2009122757
こうして求められた係数εの値ηは、和差計算部６１２に出力される。
和差計算部６１２は、モノラル復号部４０２から出力されたモノラル再生成信号Ｍ’、サイド復号部４０３から出力されたサイド再生成信号Ｓ’、及び、係数εの値ηを用いて、式（１４）により、左チャネル再生成信号Ｌ’および右チャネル再生成信号Ｒ’を算出する。
Figure 2009122757
上記式（１４）から明らかなように、現在の復号処理単位（ここでは、フレーム単位）でＸｉ Ｒに掛けられる係数は、前のフレームの最後で用いたη（−１）から現在のフレームにおいて要素番号ｉが増えるに従ってηに向かい緩やかに変化する。これにより、Ｓ信号の連続性が良くなるので、特に、複数フレームを符号化する場合などで大きく音声品質を向上させることができる。
また、こうして得られたＭ信号はＬ信号及びＲ信号の主成分をより忠実に表すようになっている。また、Ｓ信号は、係数の符号化／復号化により生じる符号化歪の影響を受けるものの、Ｍ信号にほぼ直交しており、Ｌ信号とＲ信号の空間的に異なる部分をより忠実に表すようになっている。従って、符号化装置側では、Ｍ信号とＳ信号を符号化することでより適切な符号化を行うことができ、復号装置側では、より高品質のステレオ信号が得られる。
なお、符号化前の係数εを減算に用いてＳ信号を求めた場合には、Ｓ信号とＭ信号とは完全に直交する。これは、実施の形態１の式（５）と同様に証明できる。すなわち、式（１４）で示した２式の積和が０となることを確認することにより、証明できる。ただし、式（１４）中のηの代わりに、係数算出基礎値γが用いられる。
また、本実施の形態では、差分を取る順番を、左チャネル信号Ｌから右チャネル信号Ｒを差し引くように固定する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、右チャネル信号Ｒから左チャネル信号Ｌを差し引くように固定しても良い。この場合には、本実施の形態の各説明の左チャネル信号Ｌと右チャネル信号Ｒを逆にすれば良い。
また、実施の形態１と同様に、差分を取る順番を変えても良い。ただし、本実施の形態のように「Ｓ信号の連続性」を良くするためには、差分を取る順番が固定されていることが好ましい。
なお、上記各実施の形態では、係数αの符号化ビット数を４ビットとする場合について説明したが、本発明はこれに限られず、係数αの符号化ビット数を４ビットよりもっと大きくしても小さくしてもよい。大きくすれば係数αを表現するバリエーションが増えるのでより高品質になり、小さくすれば符号化ビットを減らせるので低ビット化を実現することができる。また、符号帳のサイズを２のべき乗にすれば、初期値を変えるだけで、図３に示した探索アルゴリズムをそのまま使用することができる。
また、本発明では、式（６）の割り算を、式（４）で行ってもよい。この場合の変換、逆変換は、それぞれ、以下の式（１５）、式（１６）となる。なお、α＾は復号化された係数αを表す。
Figure 2009122757
Figure 2009122757
なお、上記各実施の形態では、左チャネル信号、右チャネル信号という名称を用いて２つのステレオ信号を表したが、より一般的な第１チャネル信号、第２チャネル信号という名称を用いることもできる。
また、上記各実施の形態では、符号化側から復号側に符号化した情報を伝送する場合について説明したが、本発明は、符号化側において符号化した情報を媒体記録に格納する場合も有効である。オーディオ信号はメモリやディスクに蓄積して用いる場合も多く、本発明はその場合にも有効である。
また、上記各実施の形態では、２チャネルの場合について示したが、本発明は、チャネル数について限定はなく、５．１ｃｈなどの多チャネルの場合にも有効であり、固定するチャネルと時間差を伴った相関のあるチャネルを明らかにすればそのまま適用することができる。
また、上記各実施の形態では、モノラル信号とサイド信号とをそれぞれ符号化する場合について示したが、本発明はこれに限られず、モノラル信号のみを使用する方法でも有効である。本発明を用いることにより、位相のずれを補正してダウンミックスすることができるので、より音源に近い高品質のモノラル信号を得ることができる。
また、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。本発明は、ステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置を有するシステムであればどのような場合にも適用することができる。
また、本発明に係るステレオ信号変換装置およびステレオ信号逆変換装置は、移動体通信システムにおける通信端末装置および基地局装置に搭載することが可能であり、これにより上記と同様の作用効果を有する通信端末装置、基地局装置、および移動体通信システムを提供することができる。
また、ここでは、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明をソフトウェアで実現することも可能である。例えば、本発明に係るアルゴリズムをプログラミング言語によって記述し、このプログラムをメモリに記憶しておいて情報処理手段によって実行させることにより、本発明と同様の機能を実現することができる。
また、上記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されても良いし、一部または全てを含むように１チップ化されても良い。
また、ここではＬＳＩとしたが、集積度の違いによって、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩ等と呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現しても良い。ＬＳＩ製造後に、プログラム化することが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続もしくは設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用しても良い。
さらに、半導体技術の進歩または派生する別技術により、ＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行っても良い。バイオ技術の適用等が可能性としてあり得る。
２００８年４月４日出願の特願２００８−０９８７３６及び２００８年１１月５日出願の特願２００８−２８４４９２の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明に係るステレオ信号変換装置、ステレオ信号逆変換装置およびこれらの方法は、携帯電話、ＩＰ（Internet Protocol）電話、テレビ会議等に用いるに好適である。

Claims (12)

  1. ステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値を計算する相関分析手段と、
    前記相関値に基づいて第１の係数を計算する係数計算手段と、
    前記第１の係数を符号化し、得られた符号化データに基づいて第２の係数を求める係数符号化手段と、
    前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号を生成し、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号を、前記第２の係数を用いて生成する和差計算手段と、
    を具備するステレオ信号変換装置。
  2. 前記和差計算手段は、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との一方の信号から、他方の信号に前記第２の係数を乗算したものを減算することによりサイド信号を生成する、
    請求項１記載のステレオ信号変換装置。
  3. 前記和差計算手段は、前記第１チャネル信号のパワと前記第２チャネル信号のパワとの大小関係に基づいて前記第２の係数を乗算する信号を決定する、
    請求項２記載のステレオ信号変換装置。
  4. 前記和差計算手段は、前記第１チャネル信号から、前記第２チャネル信号に前記第２の係数あるいは前記第２の係数の逆数を乗算したものを減算することによりサイド信号を生成する、
    請求項１記載のステレオ信号変換装置。
  5. 前記和差計算手段は、前記第１チャネル信号のパワと前記第２チャネル信号のパワとの大小関係に基づいて前記第２の係数を乗算するか前記第２の係数の逆数を乗算するかを決定する、
    請求項４記載のステレオ信号変換装置。
  6. 前記係数計算手段は、前記第１チャネル信号のパワ、前記第２チャネル信号のパワ、前記相関値、現在の信号変換対象である信号変換単位に含まれる要素の順序を特定する要素番号により重み付けされた前記第１チャネル信号又は前記第２チャネル信号のパワ、前記要素番号で重み付けされた前記相関値、および、１つ過去の信号変換単位で求められた前記第２の係数に基づいて、現在の信号変換単位で用いられる前記第１の係数を計算する、
    請求項１記載のステレオ信号変換装置。
  7. 前記信号変換単位は、フレームである、請求項６記載のステレオ信号変換装置。
  8. 請求項１記載のステレオ信号変換装置と、
    前記ステレオ信号変換装置が生成したモノラル信号を符号化する第１符号化手段と、
    前記ステレオ信号変換装置が生成したサイド信号を符号化する第２符号化手段と、
    前記モノラル信号の符号化データ、前記サイド信号の符号化データおよび前記係数の符号化データを多重化する多重化手段と、
    を具備する符号化装置。
  9. ステレオ信号変換装置でステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値に基づいて求められた第１の係数を符号化して得られた符号化データ、を復号し第２の係数を求める係数復号手段と、
    前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号の符号化データを復号したモノラル再生成信号と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号の符号化データを復号したサイド再生成信号と、前記第２の係数と、を用いて、前記第１チャネル信号の再生成信号および前記第２チャネル信号の再生成信号を生成する再生成信号生成手段と、
    を具備するステレオ信号逆変換装置。
  10. 前記モノラル信号の符号化データを復号して前記モノラル再生成信号を生成する第１復号手段と、
    前記サイド信号の符号化データを復号して前記サイド再生成信号を生成する第２復号手段と、
    請求項９記載のステレオ信号逆変換装置と、
    を具備する復号装置。
  11. ステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値を計算する相関分析工程と、
    前記相関値に基づいて第１の係数を計算する係数計算工程と、
    前記第１の係数を符号化し、得られた符号化データに基づいて第２の係数を求める係数符号化工程と、
    前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号を生成し、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号を、前記第２の係数を用いて生成する和差計算工程と、
    を具備するステレオ信号変換方法。
  12. ステレオ信号変換方法でステレオ信号を構成する第１チャネル信号と第２チャネル信号との相関値に基づいて求められた第１の係数を符号化して得られた符号化データ、を復号し第２の係数を求める係数復号工程と、
    前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との和に関するモノラル信号の符号化データを復号したモノラル再生成信号と、前記第１チャネル信号と前記第２チャネル信号との差に関するサイド信号の符号化データを復号したサイド再生成信号と、前記第２の係数と、を用いて、前記第１チャネル信号の再生成信号および前記第２チャネル信号の再生成信号を生成する再生成信号生成工程と、
    を具備するステレオ信号逆変換方法。

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