JP3557674B2 - 高能率符号化方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、いわゆる高能率符号化によって入力ディジタルデータの符号化を行なうディジタルデータの高能率符号化方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オーディオ或いは音声等の信号の高能率符号化の手法及び装置には種々あるが、例えば、時間領域のオーディオ信号等を単位時間毎にブロック化してこのブロック毎の時間軸の信号を周波数軸上の信号に変換（スペクトル変換）して複数の周波数帯域に分割し、各帯域毎に符号化するブロック化周波数帯域分割方式であるいわゆる変換符号化方式や、時間領域のオーディオ信号等を単位時間毎にブロック化しないで、複数の周波数帯域に分割して符号化する非ブロック化周波数帯域分割方式である帯域分割符号化（サブ・バンド・コーディング：ＳＢＣ）方式等を挙げることができる。また、上述の帯域分割符号化と変換符号化とを組み合わせた高能率符号化の手法及び装置も考えられており、この場合には、例えば、上記帯域分割符号化方式で帯域分割を行った後、該各帯域毎の信号を上記変換符号化方式で周波数領域の信号にスペクトル変換し、このスペクトル変換された各帯域毎に符号化を施すことになる。
【０００３】
ここで、上述した帯域分割符号化方式に使用される帯域分割用フィルタとしては、例えばＱＭＦ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｍｉｒｒｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）等のフィルタがあり、これは例えば文献「ディジタル・コーディング・オブ・スピーチ・イン・サブバンズ」（”Ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｄｉｎｇ ｏｆ ｓｐｅｅｃｈ ｉｎ ｓｕｂｂａｎｄｓ” Ｒ．Ｅ．Ｃｒｏｃｈｉｅｒｅ， Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔ．Ｔｅｃｈ． Ｊ．， Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．８ １９７６） に述べられている。このＱＭＦのフィルタは、帯域を等バンド幅に２分割するものであり、当該フィルタにおいては上記分割した帯域を後に合成する際にいわゆるエリアシングが発生しないことが特徴となっている。また、文献「ポリフェーズ・クワドラチァ・フィルタ −新しい帯域分割符号化技術」（”Ｐｏｌｙｐｈａｓｅ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｆｉｌｔｅｒｓ −Ａ ｎｅｗ ｓｕｂｂａｎｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”， Ｊｏｓｅｐｈ Ｈ． Ｒｏｔｈｗｅｉｌｅｒ ＩＣＡＳＳＰ ８３， ＢＯＳＴＯＮ）には、等帯域幅のフィルタ分割手法が述べられている。このポリフェーズ・クワドラチァ・フィルタにおいては、信号を等バンド幅の複数の帯域に分割する際に一度に分割できることが特徴となっている。
【０００４】
また、上述したスペクトル変換としては、例えば、入力オーディオ信号を所定単位時間（フレーム）でブロック化し、当該ブロック毎に離散フーリエ変換（ＤＦＴ）や、離散コサイン変換（ＤＣＴ）、モディファイドＤＣＴ変換（ＭＤＣＴ）などを行うことで時間軸を周波数軸に変換するようなスペクトル変換がある。このＭＤＣＴについては、文献「時間領域エリアシング・キャンセルを基礎とするフィルタ・バンク設計を用いたサブバンド／変換符号化」（”Ｓｕｂｂａｎｄ／Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｃｏｄｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ Ｂａｎｋ Ｄｅｓｉｇｎｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｌｉａｓｉｎｇ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ，” Ｊ．Ｐ．Ｐｒｉｎｃｅｎ Ａ．Ｂ．Ｂｒａｄｌｅｙ， Ｕｎｉｖ． ｏｆ Ｓｕｒｒｅｙ Ｒｏｙａｌ Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ Ｉｎｓｔ． ｏｆ Ｔｅｃｈ． ＩＣＡＳＳＰ １９８７）に述べられている。
【０００５】
このように帯域分割フィルタやスペクトル変換によって帯域毎に分割された信号を量子化することにより、量子化雑音が発生する帯域を制御することができ、マスキング効果などの性質を利用して聴覚的により高能率な符号化を行うことができる。また、ここで量子化を行う前に、各帯域毎に、例えばその帯域における信号成分の絶対値の最大値で正規化を行なうようにすれば、さらに高能率な符号化を行なうことができる。
【０００６】
更に、周波数帯域分割された各周波数成分を量子化する場合の周波数分割幅としては、例えば人間の聴覚特性を考慮した帯域分割がある。すなわち、一般に臨界帯域（クリティカルバンド）と呼ばれている高域ほど帯域幅が広くなるような帯域幅で、オーディオ信号を複数（例えば２５バント）の帯域に分割することがある。また、この時の各帯域毎のデータを符号化する際には、各帯域毎に所定のビット配分或いは、各帯域毎に適応的なビット配分による符号化が行われる。例えば、上記ＭＤＣＴ処理されて得られたＭＤＣＴ係数データを上記ビット配分によって符号化する際には、上記各ブロック毎のＭＤＣＴ処理により得られる各帯域毎のＭＤＣＴ係数データに対して、適応的な配分ビット数で符号化が行われることになる。
【０００７】
上記ビット配分手法及びそのための装置としては、次の２手法及び装置が知られている。
【０００８】
例えば、文献「音声信号の適応変換符号化」（”Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｃｏｄｉｎｇ ｏｆ Ｓｐｅｅｃｈ Ｓｉｇｎａｌｓ”，Ｒ．Ｚｅｌｉｎｓｋｉ ａｎｄ Ｐ．Ｎｏｌｌ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｃｃｏｕｓｔｉｃｓ， Ｓｐｅｅｃｈ， ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ．ＡＳＳＰ−２５， Ｎｏ．４， Ａｕｇｕｓｔ １９７７ ）では、各帯域毎の信号の大きさをもとに、ビット割当を行っている。この方式では、量子化雑音スペクトルが平坦となり、雑音エネルギが最小となるが、聴感覚的にはマスキング効果が利用されていないために実際の雑音感は最適ではない。
【０００９】
また、例えば文献「臨界帯域符号化器 −聴覚システムの知覚の要求に関するディジタル符号化」（”Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｂａｎｄ ｃｏｄｅｒ −−ｄｉｇｉｔａｌ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｄｉｔｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ”， Ｍ．Ａ．Ｋｒａｎｓｎｅｒ ＭＩＴ， ＩＣＡＳＳＰ １９８０）では、聴覚マスキングを利用することで、各帯域毎に必要な信号対雑音比を得て固定的なビット割当を行う手法及び装置が述べられている。しかしこの手法ではサイン波入力で特性を測定する場合でも、ビット割当が固定的であるために特性値が、それほど良い値とならない。
【００１０】
これらの問題を解決するために、ビット割当に使用できる全ビットを、上記各帯域或いは各帯域をさらに小分割したブロック毎に予め定められた固定ビット割当パターン分と、各ブロックの信号の大きさに依存したビット配分を行う分とに分割して使用すると共に、その分割比を入力信号に関係する信号に依存させ、例えば信号のスペクトルが滑らかなときほど上記固定ビット割当パターン分への分割比率を大きくするような高能率符号化装置が提案されている。
【００１１】
この方法によれば、サイン波入力のように特定のスペクトルにエネルギが集中する場合には、そのスペクトルを含むブロックに多くのビットを割り当てる事により、全体の信号対雑音特性を著しく改善することができる。一般に、急峻なスペクトル成分をもつ信号に対する人間の聴覚は、極めて敏感であるため、このような方法を用いることによって信号対雑音特性を改善することは、単に測定上の数値を向上させるばかりでなく、聴感上、音質を改善するのに有効である。
【００１２】
なお、ビット割り当ての方法にはこの他にも数多くの方式が提案されており、さらに聴覚に関するモデルが精緻化され、符号化装置の能力が向上すれば聴覚的にみてより高能率な符号化が可能になる。
【００１３】
また、本件出願人は、先に、特願平５−１５２８６５号の明細書及び図面において、スペクトル信号から聴感上特に重要なトーン性の成分を分離して、他のスペクトル成分とは別に符号化する方法を提案しており、これにより、オーディオ信号等を聴感上の劣化を殆ど生じさせずに高い圧縮率で効率的に符号化することを可能にしている。
【００１４】
ところで、波形信号をスペクトル変換する方法として上述したＤＦＴやＤＣＴを使用した場合において、例えばＭ個のサンプルからなる時間ブロック毎に当該スペクトル変換を行うと、Ｍ個の独立な実数データが得られることになる。このとき、時間ブロック間の接続歪みを軽減するために、通常は、両隣のブロックでそれぞれＭ１個のサンプルずつオーバーラップさせるようにしているので、平均して、上記ＤＦＴやＤＣＴでは（Ｍ−Ｍ１）個のサンプルに対してＭ個の実数データを量子化して符号化することになる。
【００１５】
これに対してスペクトルに変換する方法として上述のＭＤＣＴを使用した場合には、両隣の時間ブロックとＭ個ずつオーバーラップさせた２Ｍ個のサンプルから、独立なＭ個の実数データを得るようにしているので、平均して、当該ＭＤＣＴではＭ個のサンプルに対してＭ個の実数データを量子化して符号化することになる。したがって、このように符号化されたデータを復号化する復号化装置においては、上述のＭＤＣＴを用いて得られた符号からなる各ブロックに対して逆変換を施して、得られた波形要素を互いに干渉させながら加え合わせることにより、波形信号を再構成することができる。
【００１６】
ここで、一般に、変換のための時間ブロックを長くすることによって、スペクトルの周波数分解能が高まり特定のスペクトル成分にエネルギが集中する。したがって、両隣のブロックと半分ずつオーバーラップさせて長いブロック長で変換を行い、しかも得られたスペクトル信号の個数が、元の時間サンプルの個数に対して増加しない上記ＭＤＣＴを使用すれば、上記ＤＦＴやＤＣＴを使用した場合よりも効率の良い符号化を行うことが可能となる。また、隣接するブロック同士に十分長いオーバーラップを持たせることによって、波形信号のブロック間歪みを軽減することもできる。
【００１７】
ところが、音響波形信号をブロック毎に符号化する場合、各ブロックにおけるレベルやスペクトル分布等の波形信号の性質によって、満足な音質を達成するために必要な、符号化の際のビット数は異なる。例えば、各ブロックに同一のビット数を割り当てる固定ビットレートの符号化を行う場合には、ビットレートが低くなるに従って、満足な音質を達成するために必要なビット数を確保することができないブロックが出てくる。
【００１８】
従来、このように必要なビット数を確保できないブロックが発生する場合には、例えば、ＵＳＰ ４，９７２，４８４に述べられているように、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させることによって対処する方法が知られている。しかし、この方法では、特にビットレートが非常に低く、各帯域の周波数成分が３から７段階程度に量子化されているような場合には、量子化雑音が大きくなりすぎ、音質劣化が目立ってしまう。
【００１９】
また、符号化のための十分なビット数が確保できない場合のもう一つの対応策としては、そのブロックにおける高域の周波数成分を削り、後に再生されることになる再生帯域を狭くするという方法が知られている。この方法によれば、聴感上重要な低域側の信号に対して十分な量子化精度を確保できるため、ビットレートが低い場合にも、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させる方法と比較すれば良好な音質を確保することができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように再生される帯域幅を各ブロック毎に決定すると、ブロック毎に再生されたりされなかったりする周波数成分が変調され、耳障りな雑音になる、という欠点があった。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高能率符号化方法は、このような実情に鑑みてなされたものであり、波形信号を複数の信号周波数成分からなるブロック毎に分割し、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化するに際し、波形信号の性質に応じて、ブロック毎にビット割当を行う帯域幅（後に再生されることになる帯域幅）を可変する方法であって、現在のブロックにおいてビット割当可能な帯域幅が、先行するブロックにおいてビット割当を行った帯域幅よりも広く、かつ、先行するブロックにおいてビット割当を行った上記帯域より高域の、現在のブロックの信号周波数成分レベルが所定の値より小さいとき、現在のブロックにおいてビット割当を行う帯域幅を、先行するブロックにおいてビット割当を行った上記帯域幅より拡大するようにしたものである。
【００２２】
ここで、上記現在のブロックにおけるビット割当を行う帯域幅の決定の際には、当該ブロックのビット割当可能な帯域幅（再生可能な帯域幅）の情報に依存した決定を行うようにする。また、上記現在のブロックにおいてビット割当を行う帯域幅を拡大するのは、拡大された帯域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときや、先行するブロックにおけるビット割当を行った帯域幅よりも高域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときである。
【００２３】
また、本発明の高能率符号化装置は、波形信号を複数の信号周波数成分からなるブロック毎に分割するブロック信号周波数成分生成手段と、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化する信号周波数成分符号化手段とを有し、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化するに際し、波形信号の性質に応じて、ブロック毎にビット割当を行う帯域幅を可変する装置であって、上記信号周波数成分符号化手段は、先行するブロックでの上記ビット割当を行った帯域幅の情報を保持する帯域幅情報保持手段と、当該帯域情報保持手段が保持する先行するブロックでの上記ビット割当を行った帯域幅の情報に基づいて現在のブロックのビット割当を行う帯域幅を決定する帯域幅決定手段とを具備し、上記帯域幅決定手段は、現在のブロックにおいてビット割当可能な帯域幅が、上記帯域幅情報保持手段に保持された帯域幅よりも広く、かつ、上記帯域幅情報保持手段に保持された帯域より高域における、現在のブロックの信号周波数成分レベルが所定の値より小さいとき、現在のブロックにおいてビット割当を行う上記帯域幅を拡大するようにしたものである。
【００２４】
ここで、上記帯域幅決定手段は、上記現在のブロックにおけるビット割当を行う帯域幅の決定の際に、当該ブロックのビット割当可能な帯域幅の情報に依存した決定を行う。また、上記帯域幅決定手段が上記現在のブロックにおいてビット割当を行う帯域幅を拡大するのは、拡大された帯域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときや、先行するブロックにおけるビット割当を行った帯域幅よりも高域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときである。
【００２６】
【作用】
本発明によれば、各ブロックの帯域幅を先行するブロックで決定した帯域幅を参照して決定することにより、安定した再生帯域幅を確保しており、これによって上述の耳障りなノイズの発生を防止するようにしている。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例について、図面を参照にしながら説明する。
【００２８】
図１には、本発明にかかわる音響波形信号の符号化装置の一実施例の基本構成を示す。
【００２９】
この図１に示す実施例装置において、入力端子１０を介して入力された音響信号等の信号波形は、変換回路１１によって信号周波数成分に変換された後、信号成分符号化回路１２に送られ、ここで各信号周波数成分が符号化される。この信号成分符号化回路１２の出力は、符号列生成回路１３に送られ、ここで符号列が生成される。この符号列が出力端子１４から出力される。
【００３０】
次に、図２には図１の変換回路１１の一具体例の構成を示す。
【００３１】
この図２において、入力端子２０を介して入力された波形信号は、帯域分割フィルタ２１によって二つの帯域に分割される。ここで、当該帯域分割フィルタ２１から出力される二つの帯域の信号の帯域幅は、入力端子２０に供給された波形信号の帯域幅の１／２となっており、当該波形信号の１／２に間引かれたものである。これら二つの帯域の信号は、それぞれが対応する順スペクトル変換回路２２，２３に送られ、ここでＭＤＣＴ等の順スペクトル変換処理される。この順スペクトル変換回路２２，２３からのスペクトル信号成分は、それぞれ対応する出力端子２４，２５を介して、図１の変換回路１１からの信号周波数成分として出力され、後段の図１に示す信号成分符号化回路１２に送られるようになる。なお、図１の例では、当該順スペクトル変換回路２２，２３からの二つの帯域に対応するスペクトル信号成分を１つの出力として示している。
【００３２】
もちろん、変換回路１１としては、この具体例以外にも多数考えられ、例えば、入力信号を直接、ＭＤＣＴによってスペクトル信号に変換するもととしても良いし、ＭＤＣＴではなく、ＤＦＴやＤＣＴによって変換を行うものとしても良い。なお、いわゆる帯域分割フィルタのみによって信号を帯域成分に分割することも可能であるが、本発明の高能率符号化方法は、特定の周波数にエネルギが集中する信号に対する符号化の場合に特に有効に作用するので、多数の周波数成分を比較的少ない演算量で得ることができる上述のスペクトル変換によって、信号を周波数成分に変換する方法をとると都合が良い。
【００３３】
次に、図３には、図１の信号成分符号化回路１２の一般的な構成を示す。
【００３４】
この図３において、入力端子３０を介して変換回路１１から供給された各信号周波数成分は、正規化回路３１によって所定の帯域毎に正規化が施された後、量子化回路３３に送られる。また、上記入力端子３０からの各信号周波数成分は、量子化精度決定回路３２にも送られ、ここで各信号周波数成分に基づいて上記量子化回路３３における量子化精度情報を計算する。したがって、上記量子化回路３３では、上記正規化回路３１で正規化された信号に対して、上記量子化精度決定回路３２で計算された量子化精度情報に基づいた量子化を施す。当該量子化回路３３からは、上記量子化された信号成分に加え、上記正規化回路３１での正規化における正規化係数情報と、上記量子化精度決定回路３２で計算された量子化精度情報と出力され、これらが出力端子３４から出力される。この出力端子３４の出力が図１の符号列生成回路１３に送られる。
【００３５】
次に図４には、図１の高能率符号化装置によって生成された符号列から音響信号を再生して出力する高能率復号化装置の基本構成を示す。
【００３６】
この図４において、入力端子４０には、前記高能率符号化装置によって生成され、伝送メディアや記録メディア等を介した符号列が供給される。この符号列は符号列分解回路４１に送られ、ここで各信号成分の符号が抽出される。当該抽出された各信号成分の符号は、信号成分復号化回路４２に送られ、ここでそれらの符号から各信号成分が復元される。当該復元された各信号成分は、その後、逆変換回路４３に送られ、ここでの逆変換によって音響波形信号となされる。当該音響波形信号は出力端子４４から出力される。
【００３７】
なお、上記記録メディアとしては例えば光ディスク，光磁気ディスク，磁気ディスク等のディスク状の記録媒体や、磁気テープ等のテープ状記録媒体、或いは、半導体メモリ，ＩＣカードなどを挙げることができる。また、伝送メディアとしては、電線若しくは光ケーブルや電波等を挙げることができる。
【００３８】
次に、図５には、図４の逆変換回路４３の一具体例の構成を示す。なお、この図５の逆変換回路４３は、図２の変換回路に対応したものである。
【００３９】
この図５において、図４の信号成分復号化回路４２によって復元された前記二つの帯域に対応する信号成分は、それぞれ入力端子５０，５１を介して対応する逆スペクトル変換回路５２，５３に送られ、これら逆スペクトル変換回路５２，５３によって逆変換される。逆スペクトル変換回路５２，５３によって逆変換された各帯域の信号は、帯域合成フィルタ５４に送られ、ここで帯域合成され、出力端子５５を介して出力される。
【００４０】
以上、本発明の高能率符号化及び復号化装置の基本構成とその基本動作について説明したが、これ以降は、従来から行われてきた高能率符号化方法と比較しながら、本発明の高能率符号化方法及び復号化方法について説明する。
【００４１】
先ず、図６を用いて、従来から行われてきた高能率符号化方法を図１〜図３の構成に適用した場合について説明する。
【００４２】
この図６の例に示すスペクトル信号成分ＳＰは、例えば図２のような構成の変換回路１１によって得られたものである。なお、この図６の例では、ＭＤＣＴにより得られたスペクトル信号成分の絶対値のレベルをデシベル（ｄＢ）値に変換して示している。すなわち、変換回路１１においては、入力信号を所定の時間ブロック毎に例えば１２８個のスペクトル信号成分ＳＰに変換する。
【００４３】
次に、この変換回路１１からのスペクトル信号成分ＳＰは、図３に示した一般的構成の信号成分符号化回路１２に送られることになる。この信号成分符号化回路１２では、上記変換回路１１からの１２８個のスペクトル信号成分ＳＰを、図６中のＵ１からＵ１５にて示す所定の帯域毎にグループ（これをここでは符号化ユニットと呼ぶことにする）にまとめて、各ユニットＵ１〜Ｕ１５にそれぞれ対応する正規化係数ＮＬ１〜ＮＬ１５にて各ユニット毎のスペクトル信号成分ＳＰを正規化し、さらに各ユニット毎の正規化されたスペクトル信号成分ＳＰを量子化する。なお、この例では、ブロック内の各符号化ユニットのそれぞれの帯域幅は、低域側で狭く、高域側で広くとられており、聴覚の性質に合った量子化雑音の発生の制御ができるようになっている。
【００４４】
ここで、各符号化ユニットにおいて必要な量子化精度情報は、例えば、聴覚モデルに基づいて、各符号化ユニットに対応する帯域での最小可聴レベルやマスキング・レベルを計算することによって求めることができるが、マスキング・レベルは入力波形信号のスペクトルのエネルギ分布によって異なるので、各符号化ユニットにおいて必要な量子化精度はブロック毎に異なり、したがって、十分満足な音質を確保するために必要な量子化ビット数の合計もブロック毎に異なる。
【００４５】
このため、例えば、前述したように、各ブロックに同一のビット数を割り当てる固定ビットレートの符号化を行う場合には、ビットレートが低くなるに従って、満足な音質を達成するために必要なビット数を確保することができないブロックが出てくる。従来は、そのようなブロックにおいては、例えば前記ＵＳＰ ４，９７２，４８４に述べられているように、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させることによって対処する方法が知られている。しかし、この方法では、前述したように、特にビットレートが非常に低く、各帯域の周波数成分が３から７段階程度に量子化されているような場合には、量子化雑音が大きくなりすぎ、音質劣化が目立ってしまう。また、前述したように、符号化のための十分なビット数が確保できない場合のもう一つの対応策としては、そのブロックにおける高域の周波数成分を削り再生帯域を狭くする（すなわち高域の周波数成分に対してはビット割当を行わずに伝送しないようにすることで後に再生される帯域を狭くする）という方法も知られており、この方法によれば、聴感上重要な低域側の信号に対して十分な量子化精度を確保できるため、ビットレートが低い場合にも、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させる方法と比較して、良好な音質を確保することができる。しかしながら、上述のように再生される帯域幅を各ブロック毎に決定すると、図７の図中斜線で示したように、時間ブロックと共に再生可能符号化ユニット数Ｖが変化し、ブロック毎に再生されたりされなかったりする周波数成分が変調され、耳障りな雑音になるという欠点がある。
【００４６】
このようなことから、本発明の高能率符号化方法では、上述のように決定された再生可能符号化ユニット数Ｖをそのまま再生符号化ユニット数Ｗとするのではなく、過去の履歴（先行するブロックでの再生符号化ユニット数）に基づいて、現在のブロックでの再生符号化ユニット数Ｗを決定するようにしている。
【００４７】
図９には、上記過去の履歴に基づいて再生符号化ユニット数Ｗを決定する本発明符号化方法における再生符号化ユニット数決定の処理方法のフローチャートを示す。
【００４８】
この図９において、入力波形信号を符号化するに先立ち、先ずステップＳ１では、デフォルトの再生符号化ユニット数Ｗ０を再生符号化ユニット数Ｗとし、ステップＳ２では、ブロック番号Ｊを１にする。次にステップＳ３では、再生可能符号化ユニット数Ｖを計算し、ステップＳ４では、これを現在までに設定されている再生符号化ユニット数Ｗと比較する。
【００４９】
このステップＳ４での比較において、上記Ｖの値がＷの値以下であれば、ステップＳ５に進み、ここで当該Ｖの値を新たな再生符号化ユニット数として設定した後、ステップＳ９に進む。また、ステップＳ４での比較において、上記Ｖの値がＷの値より大きな値をとるのであれば、ステップＳ６に進み、ここでＷ＋１の符号化ユニットからＷ０までの最大レベルＸを計算し、次のステップＳ７においてこれを所定のレベル値Ｘ０と比較する。ただし、最大レベルの近似値として正規化係数をＸの値としても良い。
【００５０】
ステップＳ７での比較において、上記Ｘの値が上記値Ｘ０よりも小さいのであれば、ステップＳ８に進み、ここで再生符号化ユニット数Ｗをデフォルトの値Ｗ０に設定してからステップＳ９に進む。また、ステップＳ７での比較において、上記Ｘの値が上記値Ｘ０以上であれば、上記Ｗの値を変更せずにステップＳ９に進む。
【００５１】
ステップＳ９では、上記Ｗの符号化ユニットまでの帯域のスペクトル信号成分を符号化する。ただし、ここでＷはＶ以下の値をとるので、Ｗ＋１の符号化ユニットからＶの符号化ユニットまでに含まれるスペクトル信号成分を符号化するために割り当てられたビットを、Ｗの符号化ユニットまでの各符号化ユニットに再割当をしてから符号化をするようにしても良い。
【００５２】
次のステップＳ１０においては、当該ブロックで符号化を終了して良いかどうかを判断し、終了で無いのであれば、ステップＳ１１に進み、ここで次のブロック処理のためにブロック番号を１つ増加させた後、ステップＳ３に戻って以上の処理を繰り返す。
【００５３】
ここで、図７の図中太線で示す部分は、図９のフローチャートに示した方法で処理した場合の、各ブロック毎の再生符号化ユニット数Ｗの変化の様子を示したものである。また、図６同様に示す図８には、例えば図７の図中Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５で示すブロックにおける各符号化ユニットの各正規化係数と、再生符号化ユニット数Ｗの値、再生可能符号化ユニット数Ｖの値とを示している。
【００５４】
すなわち、上記図９のフローチャートに示した方法によれば、図７及び図８に示すように、一旦、ＷにＷ０の値が設定されると、次にＷ０に再設定されるまで再生符号化ユニット数が増加せず、再生符号化ユニット数が変化するのは、再生可能ユニット数が、ＷにＷ０の値が設定され後の再生可能ユニット数の最小値を下回った場合のみである。このため、再生帯域幅が安定し、高域の信号が現われたり消えたりするために生じる耳障りなノイズの発生を防止することができる。また、所定のレベル値Ｘ０を十分小さく設定しておけば、ＷにＷ０が再設定され、帯域が拡がる場合でも、既に高域側の信号レベルは非常に小さくなっているので、帯域が急に拡大されたような違和感が生じることはない。
【００５５】
以上述べた方法の変形として、高域側の信号レベルがすべて所定レベルより小さくなったかどうかをチェックし、そうであれば符号化ユニット数Ｗをデフォルト値Ｗ０に設定するのではなく、図１０に示すように、減衰する帯域に合わせて、段々に拡大していくことも可能で、これも本発明の方法に含まれる。
【００５６】
ただし、図８に示したように帯域を拡大する方法は、図１０に示されたように帯域を拡大する方法と比較して帯域拡大の制御がより容易に行える上、再生帯域幅もより安定に決定することができる。また、実際の音響信号では、高域成分の方が先に減衰することが多いので、図８のように制御する方法をとることによって聴感上の違和感の少ない符号化をより容易に実現することができる。
【００５７】
次に、図１１には、上述した本発明の高能率符号化方法を実現する図１の信号成分符号化回路１２の具体的構成を示す。この図１１の構成は、図３に示す一般構成を以下のように変更したものである。
【００５８】
すなわちこの図１１に示す信号成分符号化回路（信号周波数成分符号化手段）は、先行するブロックでの再生帯域情報（ビット割当を行った帯域幅の情報、図８や図１０の例では再生符号化ユニット数の値）を保持する帯域幅情報保持手段である帯域幅記憶回路６２と、当該帯域幅記憶回路６２が保持する先行するブロックでの上記再生帯域情報（再生符号化ユニット数の値）に基づいて現在のブロックの再生符号化ユニット数を決定する帯域幅決定手段としての制御回路６３を具備するものである。
【００５９】
この図１１において、入力端子６０を介して図１の変換回路１１から供給された各信号周波数成分は、正規化回路６１に送られる。ここで、当該正規化回路６１では、図１の変換回路１１からの信号周波数成分数を所定の帯域毎に正規化し、その正規化係数情報及び被正規化周波数成分を出力する。これら正規化係数情報及び被正規化周波数成分は、量子化回路６５に送られる。また、正規化回路６１からの正規化係数情報は、量子化精度決定回路６４と制御回路６３にも送られる。上記量子化精度決定回路６４は、各ブロック毎に各符号化ユニットの量子化精度を計算し、これに基づいて再生可能符号化ユニット数Ｖを計算する。
【００６０】
また、帯域幅記憶回路６２には、現時点までの再生符号化ユニット数Ｗが記憶されている。制御回路６３は、量子化精度決定回路６４から送られてきた再生可能符号化ユニット数情報と、帯域幅記憶回路６２から送られてきた再生符号化ユニット数情報及び正規化係数情報とに基づいて、処理中のブロックにおける再生符号化ユニット数Ｗを、図９に示した方法で決定する。
【００６１】
次に、制御回路６３は、決定された再生符号化ユニット数情報及び制御信号を量子化精度決定回路６４に送る。当該量子化精度決定回路６４は、高域側の（Ｖ−Ｗ）個の符号化ユニットに割り当てられていたビットを、決定された再生符号化ユニット数の符号化ユニット内に再割当し、最終的なビット割当を決定する。
【００６２】
量子化回路６５は、上記量子化精度情報に基づいて各符号化ユニット毎にスペクトル信号の量子化を行う。この量子化回路６５の出力には、正規化及び量子化されたスペクトル信号と共に、正規化係数情報と量子化精度情報も含まれている。上記量子化回路６５からの出力が、出力端子６９を介して図１の符号列生成回路１３に送られる。
【００６３】
また、上記制御回路６３によって決定された再生符号化ユニット数情報は、帯域幅記憶回路６２にも送られ、以後のブロックの処理のためにここに記憶される。
【００６４】
以上、説明したように、本発明の高能率符号化方法では、過去の再生符号化ユニット数、すなわち過去の再生帯域幅情報を参照して現在の再生帯域幅を決定するようにしているため、再生帯域が安定し、高域の信号成分が現われたり無くなったりするために生じる耳障りな雑音の発生を防ぐことができる。また、特に、帯域拡大は高域側の信号が十分に減衰してから行われるため、帯域幅が切り替わることに対する違和感を抑えることができる。
【００６５】
なお、上述の実施例では、帯域分割フィルタによる帯域分割とスペクトル変換処理とにより入力波形信号をスペクトル信号成分に変換する場合について説明を行ったが、もちろん、帯域分割フィルタを使用せずに、スペクトル変換処理のみによって入力波形信号をスペクトル信号に変換する場合についても本発明の符号化方法を適用できることは言うまでもない。また、必ずしも、ＤＦＴ、ＤＣＴ、ＭＤＣＴ等のスペクトル変換を組み込んだ方法を使用しなくてもよく、例えば、帯域分割フィルタで分割した帯域毎に符号化ユニットを構成する場合にも、本発明の符号化方法を適用することができる。
【００６６】
また、以上の説明では、符号化ユニット数によって再生帯域幅が決定される場合について述べたが、例えば前述の本件出願人による特願平５−１５２８６５号の明細書及び図面のように、スペクトル信号をトーン性の信号とその他の成分に分離し、トーン性の信号をその他の成分とは別に符号化する方法の場合にも、符号化ユニット数の代わりにトーン性の信号及びその他の信号の両者の再生帯域を規定する再生帯域情報、再生可能帯域情報を用いることによって、図７、図８、図９を用いて説明を行ったのと同様な方法で安定的に再生帯域を制御することが可能である。
【００６７】
以上、音響信号に対して本発明の符号化方法を適用した例を中心に説明を行なったが、本発明の符号化方法は一般の波形信号の符号化にも適用することが可能である。しかし、音響信号の場合、本発明を用いると、耳障りな雑音を効果的に無くすことができ特に効果的である。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明においては、各ブロックの帯域幅を先行するブロックで決定した帯域幅を参照して決定することにより、安定した再生帯域幅を確保しており、再生帯域がブロック毎に頻繁に変化することが無いため、高域側の信号が現われたり無くなったりするために生じる耳障りな雑音が発生せず、十分なビットレートが与えられない場合にも、聴感上の音質劣化を最小限に抑えることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の高能率符号化装置の基本構成を示すブロック回路図である。
【図２】実施例の高能率符号化装置の変換回路の一具体例の構成を示すブロック回路図である。
【図３】実施例の高能率符号化装置の信号成分符号化回路の一般的な構成を示すブロック回路図である。
【図４】本発明の高能率符号化方法又は装置での符号化により得られた符号列を分解復号化する高能率復号化回路の基本構成を示すブロック回路図である。
【図５】高能率復号化回路の逆変換回路の一具体例の構成を示すブロック回路図である。
【図６】本発明に係わる符号化方法の説明に用いるスペクトル信号成分と符号化ユニットとを示す図である。
【図７】本発明による符号化方法の説明及び従来の符号化方法との比較に用いるための図である。
【図８】本発明における各ブロックの符号化ユニットの正規化係数と、再生可能符号化ユニット数及び再生符号化ユニット数との関係を示す図である。
【図９】本発明による高能率符号化方法の処理手順を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明における各ブロックの符号化ユニットの正規化係数と、再生可能符号化ユニット数及び再生符号化ユニット数との関係の他の例を示す図である。
【図１１】本発明実施例の高能率符号化装置の信号成分符号化回路の具体的な構成を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１１ 変換回路
１２ 信号成分符号化回路
１３ 符号列生成回路
６１ 正規化回路
６２ 帯域幅記憶回路
６３ 制御回路
６４ 量子化精度決定回路
６５ 量子化回路
【産業上の利用分野】
本発明は、いわゆる高能率符号化によって入力ディジタルデータの符号化を行なうディジタルデータの高能率符号化方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オーディオ或いは音声等の信号の高能率符号化の手法及び装置には種々あるが、例えば、時間領域のオーディオ信号等を単位時間毎にブロック化してこのブロック毎の時間軸の信号を周波数軸上の信号に変換（スペクトル変換）して複数の周波数帯域に分割し、各帯域毎に符号化するブロック化周波数帯域分割方式であるいわゆる変換符号化方式や、時間領域のオーディオ信号等を単位時間毎にブロック化しないで、複数の周波数帯域に分割して符号化する非ブロック化周波数帯域分割方式である帯域分割符号化（サブ・バンド・コーディング：ＳＢＣ）方式等を挙げることができる。また、上述の帯域分割符号化と変換符号化とを組み合わせた高能率符号化の手法及び装置も考えられており、この場合には、例えば、上記帯域分割符号化方式で帯域分割を行った後、該各帯域毎の信号を上記変換符号化方式で周波数領域の信号にスペクトル変換し、このスペクトル変換された各帯域毎に符号化を施すことになる。
【０００３】
ここで、上述した帯域分割符号化方式に使用される帯域分割用フィルタとしては、例えばＱＭＦ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｍｉｒｒｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）等のフィルタがあり、これは例えば文献「ディジタル・コーディング・オブ・スピーチ・イン・サブバンズ」（”Ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｄｉｎｇ ｏｆ ｓｐｅｅｃｈ ｉｎ ｓｕｂｂａｎｄｓ” Ｒ．Ｅ．Ｃｒｏｃｈｉｅｒｅ， Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔ．Ｔｅｃｈ． Ｊ．， Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．８ １９７６） に述べられている。このＱＭＦのフィルタは、帯域を等バンド幅に２分割するものであり、当該フィルタにおいては上記分割した帯域を後に合成する際にいわゆるエリアシングが発生しないことが特徴となっている。また、文献「ポリフェーズ・クワドラチァ・フィルタ −新しい帯域分割符号化技術」（”Ｐｏｌｙｐｈａｓｅ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｆｉｌｔｅｒｓ −Ａ ｎｅｗ ｓｕｂｂａｎｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”， Ｊｏｓｅｐｈ Ｈ． Ｒｏｔｈｗｅｉｌｅｒ ＩＣＡＳＳＰ ８３， ＢＯＳＴＯＮ）には、等帯域幅のフィルタ分割手法が述べられている。このポリフェーズ・クワドラチァ・フィルタにおいては、信号を等バンド幅の複数の帯域に分割する際に一度に分割できることが特徴となっている。
【０００４】
また、上述したスペクトル変換としては、例えば、入力オーディオ信号を所定単位時間（フレーム）でブロック化し、当該ブロック毎に離散フーリエ変換（ＤＦＴ）や、離散コサイン変換（ＤＣＴ）、モディファイドＤＣＴ変換（ＭＤＣＴ）などを行うことで時間軸を周波数軸に変換するようなスペクトル変換がある。このＭＤＣＴについては、文献「時間領域エリアシング・キャンセルを基礎とするフィルタ・バンク設計を用いたサブバンド／変換符号化」（”Ｓｕｂｂａｎｄ／Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｃｏｄｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ Ｂａｎｋ Ｄｅｓｉｇｎｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｌｉａｓｉｎｇ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ，” Ｊ．Ｐ．Ｐｒｉｎｃｅｎ Ａ．Ｂ．Ｂｒａｄｌｅｙ， Ｕｎｉｖ． ｏｆ Ｓｕｒｒｅｙ Ｒｏｙａｌ Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ Ｉｎｓｔ． ｏｆ Ｔｅｃｈ． ＩＣＡＳＳＰ １９８７）に述べられている。
【０００５】
このように帯域分割フィルタやスペクトル変換によって帯域毎に分割された信号を量子化することにより、量子化雑音が発生する帯域を制御することができ、マスキング効果などの性質を利用して聴覚的により高能率な符号化を行うことができる。また、ここで量子化を行う前に、各帯域毎に、例えばその帯域における信号成分の絶対値の最大値で正規化を行なうようにすれば、さらに高能率な符号化を行なうことができる。
【０００６】
更に、周波数帯域分割された各周波数成分を量子化する場合の周波数分割幅としては、例えば人間の聴覚特性を考慮した帯域分割がある。すなわち、一般に臨界帯域（クリティカルバンド）と呼ばれている高域ほど帯域幅が広くなるような帯域幅で、オーディオ信号を複数（例えば２５バント）の帯域に分割することがある。また、この時の各帯域毎のデータを符号化する際には、各帯域毎に所定のビット配分或いは、各帯域毎に適応的なビット配分による符号化が行われる。例えば、上記ＭＤＣＴ処理されて得られたＭＤＣＴ係数データを上記ビット配分によって符号化する際には、上記各ブロック毎のＭＤＣＴ処理により得られる各帯域毎のＭＤＣＴ係数データに対して、適応的な配分ビット数で符号化が行われることになる。
【０００７】
上記ビット配分手法及びそのための装置としては、次の２手法及び装置が知られている。
【０００８】
例えば、文献「音声信号の適応変換符号化」（”Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｃｏｄｉｎｇ ｏｆ Ｓｐｅｅｃｈ Ｓｉｇｎａｌｓ”，Ｒ．Ｚｅｌｉｎｓｋｉ ａｎｄ Ｐ．Ｎｏｌｌ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｃｃｏｕｓｔｉｃｓ， Ｓｐｅｅｃｈ， ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ．ＡＳＳＰ−２５， Ｎｏ．４， Ａｕｇｕｓｔ １９７７ ）では、各帯域毎の信号の大きさをもとに、ビット割当を行っている。この方式では、量子化雑音スペクトルが平坦となり、雑音エネルギが最小となるが、聴感覚的にはマスキング効果が利用されていないために実際の雑音感は最適ではない。
【０００９】
また、例えば文献「臨界帯域符号化器 −聴覚システムの知覚の要求に関するディジタル符号化」（”Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｂａｎｄ ｃｏｄｅｒ −−ｄｉｇｉｔａｌ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｄｉｔｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ”， Ｍ．Ａ．Ｋｒａｎｓｎｅｒ ＭＩＴ， ＩＣＡＳＳＰ １９８０）では、聴覚マスキングを利用することで、各帯域毎に必要な信号対雑音比を得て固定的なビット割当を行う手法及び装置が述べられている。しかしこの手法ではサイン波入力で特性を測定する場合でも、ビット割当が固定的であるために特性値が、それほど良い値とならない。
【００１０】
これらの問題を解決するために、ビット割当に使用できる全ビットを、上記各帯域或いは各帯域をさらに小分割したブロック毎に予め定められた固定ビット割当パターン分と、各ブロックの信号の大きさに依存したビット配分を行う分とに分割して使用すると共に、その分割比を入力信号に関係する信号に依存させ、例えば信号のスペクトルが滑らかなときほど上記固定ビット割当パターン分への分割比率を大きくするような高能率符号化装置が提案されている。
【００１１】
この方法によれば、サイン波入力のように特定のスペクトルにエネルギが集中する場合には、そのスペクトルを含むブロックに多くのビットを割り当てる事により、全体の信号対雑音特性を著しく改善することができる。一般に、急峻なスペクトル成分をもつ信号に対する人間の聴覚は、極めて敏感であるため、このような方法を用いることによって信号対雑音特性を改善することは、単に測定上の数値を向上させるばかりでなく、聴感上、音質を改善するのに有効である。
【００１２】
なお、ビット割り当ての方法にはこの他にも数多くの方式が提案されており、さらに聴覚に関するモデルが精緻化され、符号化装置の能力が向上すれば聴覚的にみてより高能率な符号化が可能になる。
【００１３】
また、本件出願人は、先に、特願平５−１５２８６５号の明細書及び図面において、スペクトル信号から聴感上特に重要なトーン性の成分を分離して、他のスペクトル成分とは別に符号化する方法を提案しており、これにより、オーディオ信号等を聴感上の劣化を殆ど生じさせずに高い圧縮率で効率的に符号化することを可能にしている。
【００１４】
ところで、波形信号をスペクトル変換する方法として上述したＤＦＴやＤＣＴを使用した場合において、例えばＭ個のサンプルからなる時間ブロック毎に当該スペクトル変換を行うと、Ｍ個の独立な実数データが得られることになる。このとき、時間ブロック間の接続歪みを軽減するために、通常は、両隣のブロックでそれぞれＭ１個のサンプルずつオーバーラップさせるようにしているので、平均して、上記ＤＦＴやＤＣＴでは（Ｍ−Ｍ１）個のサンプルに対してＭ個の実数データを量子化して符号化することになる。
【００１５】
これに対してスペクトルに変換する方法として上述のＭＤＣＴを使用した場合には、両隣の時間ブロックとＭ個ずつオーバーラップさせた２Ｍ個のサンプルから、独立なＭ個の実数データを得るようにしているので、平均して、当該ＭＤＣＴではＭ個のサンプルに対してＭ個の実数データを量子化して符号化することになる。したがって、このように符号化されたデータを復号化する復号化装置においては、上述のＭＤＣＴを用いて得られた符号からなる各ブロックに対して逆変換を施して、得られた波形要素を互いに干渉させながら加え合わせることにより、波形信号を再構成することができる。
【００１６】
ここで、一般に、変換のための時間ブロックを長くすることによって、スペクトルの周波数分解能が高まり特定のスペクトル成分にエネルギが集中する。したがって、両隣のブロックと半分ずつオーバーラップさせて長いブロック長で変換を行い、しかも得られたスペクトル信号の個数が、元の時間サンプルの個数に対して増加しない上記ＭＤＣＴを使用すれば、上記ＤＦＴやＤＣＴを使用した場合よりも効率の良い符号化を行うことが可能となる。また、隣接するブロック同士に十分長いオーバーラップを持たせることによって、波形信号のブロック間歪みを軽減することもできる。
【００１７】
ところが、音響波形信号をブロック毎に符号化する場合、各ブロックにおけるレベルやスペクトル分布等の波形信号の性質によって、満足な音質を達成するために必要な、符号化の際のビット数は異なる。例えば、各ブロックに同一のビット数を割り当てる固定ビットレートの符号化を行う場合には、ビットレートが低くなるに従って、満足な音質を達成するために必要なビット数を確保することができないブロックが出てくる。
【００１８】
従来、このように必要なビット数を確保できないブロックが発生する場合には、例えば、ＵＳＰ ４，９７２，４８４に述べられているように、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させることによって対処する方法が知られている。しかし、この方法では、特にビットレートが非常に低く、各帯域の周波数成分が３から７段階程度に量子化されているような場合には、量子化雑音が大きくなりすぎ、音質劣化が目立ってしまう。
【００１９】
また、符号化のための十分なビット数が確保できない場合のもう一つの対応策としては、そのブロックにおける高域の周波数成分を削り、後に再生されることになる再生帯域を狭くするという方法が知られている。この方法によれば、聴感上重要な低域側の信号に対して十分な量子化精度を確保できるため、ビットレートが低い場合にも、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させる方法と比較すれば良好な音質を確保することができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように再生される帯域幅を各ブロック毎に決定すると、ブロック毎に再生されたりされなかったりする周波数成分が変調され、耳障りな雑音になる、という欠点があった。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高能率符号化方法は、このような実情に鑑みてなされたものであり、波形信号を複数の信号周波数成分からなるブロック毎に分割し、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化するに際し、波形信号の性質に応じて、ブロック毎にビット割当を行う帯域幅（後に再生されることになる帯域幅）を可変する方法であって、現在のブロックにおいてビット割当可能な帯域幅が、先行するブロックにおいてビット割当を行った帯域幅よりも広く、かつ、先行するブロックにおいてビット割当を行った上記帯域より高域の、現在のブロックの信号周波数成分レベルが所定の値より小さいとき、現在のブロックにおいてビット割当を行う帯域幅を、先行するブロックにおいてビット割当を行った上記帯域幅より拡大するようにしたものである。
【００２２】
ここで、上記現在のブロックにおけるビット割当を行う帯域幅の決定の際には、当該ブロックのビット割当可能な帯域幅（再生可能な帯域幅）の情報に依存した決定を行うようにする。また、上記現在のブロックにおいてビット割当を行う帯域幅を拡大するのは、拡大された帯域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときや、先行するブロックにおけるビット割当を行った帯域幅よりも高域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときである。
【００２３】
また、本発明の高能率符号化装置は、波形信号を複数の信号周波数成分からなるブロック毎に分割するブロック信号周波数成分生成手段と、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化する信号周波数成分符号化手段とを有し、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化するに際し、波形信号の性質に応じて、ブロック毎にビット割当を行う帯域幅を可変する装置であって、上記信号周波数成分符号化手段は、先行するブロックでの上記ビット割当を行った帯域幅の情報を保持する帯域幅情報保持手段と、当該帯域情報保持手段が保持する先行するブロックでの上記ビット割当を行った帯域幅の情報に基づいて現在のブロックのビット割当を行う帯域幅を決定する帯域幅決定手段とを具備し、上記帯域幅決定手段は、現在のブロックにおいてビット割当可能な帯域幅が、上記帯域幅情報保持手段に保持された帯域幅よりも広く、かつ、上記帯域幅情報保持手段に保持された帯域より高域における、現在のブロックの信号周波数成分レベルが所定の値より小さいとき、現在のブロックにおいてビット割当を行う上記帯域幅を拡大するようにしたものである。
【００２４】
ここで、上記帯域幅決定手段は、上記現在のブロックにおけるビット割当を行う帯域幅の決定の際に、当該ブロックのビット割当可能な帯域幅の情報に依存した決定を行う。また、上記帯域幅決定手段が上記現在のブロックにおいてビット割当を行う帯域幅を拡大するのは、拡大された帯域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときや、先行するブロックにおけるビット割当を行った帯域幅よりも高域の信号周波数成分レベルが所定の値より小さいときである。
【００２６】
【作用】
本発明によれば、各ブロックの帯域幅を先行するブロックで決定した帯域幅を参照して決定することにより、安定した再生帯域幅を確保しており、これによって上述の耳障りなノイズの発生を防止するようにしている。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例について、図面を参照にしながら説明する。
【００２８】
図１には、本発明にかかわる音響波形信号の符号化装置の一実施例の基本構成を示す。
【００２９】
この図１に示す実施例装置において、入力端子１０を介して入力された音響信号等の信号波形は、変換回路１１によって信号周波数成分に変換された後、信号成分符号化回路１２に送られ、ここで各信号周波数成分が符号化される。この信号成分符号化回路１２の出力は、符号列生成回路１３に送られ、ここで符号列が生成される。この符号列が出力端子１４から出力される。
【００３０】
次に、図２には図１の変換回路１１の一具体例の構成を示す。
【００３１】
この図２において、入力端子２０を介して入力された波形信号は、帯域分割フィルタ２１によって二つの帯域に分割される。ここで、当該帯域分割フィルタ２１から出力される二つの帯域の信号の帯域幅は、入力端子２０に供給された波形信号の帯域幅の１／２となっており、当該波形信号の１／２に間引かれたものである。これら二つの帯域の信号は、それぞれが対応する順スペクトル変換回路２２，２３に送られ、ここでＭＤＣＴ等の順スペクトル変換処理される。この順スペクトル変換回路２２，２３からのスペクトル信号成分は、それぞれ対応する出力端子２４，２５を介して、図１の変換回路１１からの信号周波数成分として出力され、後段の図１に示す信号成分符号化回路１２に送られるようになる。なお、図１の例では、当該順スペクトル変換回路２２，２３からの二つの帯域に対応するスペクトル信号成分を１つの出力として示している。
【００３２】
もちろん、変換回路１１としては、この具体例以外にも多数考えられ、例えば、入力信号を直接、ＭＤＣＴによってスペクトル信号に変換するもととしても良いし、ＭＤＣＴではなく、ＤＦＴやＤＣＴによって変換を行うものとしても良い。なお、いわゆる帯域分割フィルタのみによって信号を帯域成分に分割することも可能であるが、本発明の高能率符号化方法は、特定の周波数にエネルギが集中する信号に対する符号化の場合に特に有効に作用するので、多数の周波数成分を比較的少ない演算量で得ることができる上述のスペクトル変換によって、信号を周波数成分に変換する方法をとると都合が良い。
【００３３】
次に、図３には、図１の信号成分符号化回路１２の一般的な構成を示す。
【００３４】
この図３において、入力端子３０を介して変換回路１１から供給された各信号周波数成分は、正規化回路３１によって所定の帯域毎に正規化が施された後、量子化回路３３に送られる。また、上記入力端子３０からの各信号周波数成分は、量子化精度決定回路３２にも送られ、ここで各信号周波数成分に基づいて上記量子化回路３３における量子化精度情報を計算する。したがって、上記量子化回路３３では、上記正規化回路３１で正規化された信号に対して、上記量子化精度決定回路３２で計算された量子化精度情報に基づいた量子化を施す。当該量子化回路３３からは、上記量子化された信号成分に加え、上記正規化回路３１での正規化における正規化係数情報と、上記量子化精度決定回路３２で計算された量子化精度情報と出力され、これらが出力端子３４から出力される。この出力端子３４の出力が図１の符号列生成回路１３に送られる。
【００３５】
次に図４には、図１の高能率符号化装置によって生成された符号列から音響信号を再生して出力する高能率復号化装置の基本構成を示す。
【００３６】
この図４において、入力端子４０には、前記高能率符号化装置によって生成され、伝送メディアや記録メディア等を介した符号列が供給される。この符号列は符号列分解回路４１に送られ、ここで各信号成分の符号が抽出される。当該抽出された各信号成分の符号は、信号成分復号化回路４２に送られ、ここでそれらの符号から各信号成分が復元される。当該復元された各信号成分は、その後、逆変換回路４３に送られ、ここでの逆変換によって音響波形信号となされる。当該音響波形信号は出力端子４４から出力される。
【００３７】
なお、上記記録メディアとしては例えば光ディスク，光磁気ディスク，磁気ディスク等のディスク状の記録媒体や、磁気テープ等のテープ状記録媒体、或いは、半導体メモリ，ＩＣカードなどを挙げることができる。また、伝送メディアとしては、電線若しくは光ケーブルや電波等を挙げることができる。
【００３８】
次に、図５には、図４の逆変換回路４３の一具体例の構成を示す。なお、この図５の逆変換回路４３は、図２の変換回路に対応したものである。
【００３９】
この図５において、図４の信号成分復号化回路４２によって復元された前記二つの帯域に対応する信号成分は、それぞれ入力端子５０，５１を介して対応する逆スペクトル変換回路５２，５３に送られ、これら逆スペクトル変換回路５２，５３によって逆変換される。逆スペクトル変換回路５２，５３によって逆変換された各帯域の信号は、帯域合成フィルタ５４に送られ、ここで帯域合成され、出力端子５５を介して出力される。
【００４０】
以上、本発明の高能率符号化及び復号化装置の基本構成とその基本動作について説明したが、これ以降は、従来から行われてきた高能率符号化方法と比較しながら、本発明の高能率符号化方法及び復号化方法について説明する。
【００４１】
先ず、図６を用いて、従来から行われてきた高能率符号化方法を図１〜図３の構成に適用した場合について説明する。
【００４２】
この図６の例に示すスペクトル信号成分ＳＰは、例えば図２のような構成の変換回路１１によって得られたものである。なお、この図６の例では、ＭＤＣＴにより得られたスペクトル信号成分の絶対値のレベルをデシベル（ｄＢ）値に変換して示している。すなわち、変換回路１１においては、入力信号を所定の時間ブロック毎に例えば１２８個のスペクトル信号成分ＳＰに変換する。
【００４３】
次に、この変換回路１１からのスペクトル信号成分ＳＰは、図３に示した一般的構成の信号成分符号化回路１２に送られることになる。この信号成分符号化回路１２では、上記変換回路１１からの１２８個のスペクトル信号成分ＳＰを、図６中のＵ１からＵ１５にて示す所定の帯域毎にグループ（これをここでは符号化ユニットと呼ぶことにする）にまとめて、各ユニットＵ１〜Ｕ１５にそれぞれ対応する正規化係数ＮＬ１〜ＮＬ１５にて各ユニット毎のスペクトル信号成分ＳＰを正規化し、さらに各ユニット毎の正規化されたスペクトル信号成分ＳＰを量子化する。なお、この例では、ブロック内の各符号化ユニットのそれぞれの帯域幅は、低域側で狭く、高域側で広くとられており、聴覚の性質に合った量子化雑音の発生の制御ができるようになっている。
【００４４】
ここで、各符号化ユニットにおいて必要な量子化精度情報は、例えば、聴覚モデルに基づいて、各符号化ユニットに対応する帯域での最小可聴レベルやマスキング・レベルを計算することによって求めることができるが、マスキング・レベルは入力波形信号のスペクトルのエネルギ分布によって異なるので、各符号化ユニットにおいて必要な量子化精度はブロック毎に異なり、したがって、十分満足な音質を確保するために必要な量子化ビット数の合計もブロック毎に異なる。
【００４５】
このため、例えば、前述したように、各ブロックに同一のビット数を割り当てる固定ビットレートの符号化を行う場合には、ビットレートが低くなるに従って、満足な音質を達成するために必要なビット数を確保することができないブロックが出てくる。従来は、そのようなブロックにおいては、例えば前記ＵＳＰ ４，９７２，４８４に述べられているように、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させることによって対処する方法が知られている。しかし、この方法では、前述したように、特にビットレートが非常に低く、各帯域の周波数成分が３から７段階程度に量子化されているような場合には、量子化雑音が大きくなりすぎ、音質劣化が目立ってしまう。また、前述したように、符号化のための十分なビット数が確保できない場合のもう一つの対応策としては、そのブロックにおける高域の周波数成分を削り再生帯域を狭くする（すなわち高域の周波数成分に対してはビット割当を行わずに伝送しないようにすることで後に再生される帯域を狭くする）という方法も知られており、この方法によれば、聴感上重要な低域側の信号に対して十分な量子化精度を確保できるため、ビットレートが低い場合にも、各帯域の量子化精度をほぼ均等に低下させる方法と比較して、良好な音質を確保することができる。しかしながら、上述のように再生される帯域幅を各ブロック毎に決定すると、図７の図中斜線で示したように、時間ブロックと共に再生可能符号化ユニット数Ｖが変化し、ブロック毎に再生されたりされなかったりする周波数成分が変調され、耳障りな雑音になるという欠点がある。
【００４６】
このようなことから、本発明の高能率符号化方法では、上述のように決定された再生可能符号化ユニット数Ｖをそのまま再生符号化ユニット数Ｗとするのではなく、過去の履歴（先行するブロックでの再生符号化ユニット数）に基づいて、現在のブロックでの再生符号化ユニット数Ｗを決定するようにしている。
【００４７】
図９には、上記過去の履歴に基づいて再生符号化ユニット数Ｗを決定する本発明符号化方法における再生符号化ユニット数決定の処理方法のフローチャートを示す。
【００４８】
この図９において、入力波形信号を符号化するに先立ち、先ずステップＳ１では、デフォルトの再生符号化ユニット数Ｗ０を再生符号化ユニット数Ｗとし、ステップＳ２では、ブロック番号Ｊを１にする。次にステップＳ３では、再生可能符号化ユニット数Ｖを計算し、ステップＳ４では、これを現在までに設定されている再生符号化ユニット数Ｗと比較する。
【００４９】
このステップＳ４での比較において、上記Ｖの値がＷの値以下であれば、ステップＳ５に進み、ここで当該Ｖの値を新たな再生符号化ユニット数として設定した後、ステップＳ９に進む。また、ステップＳ４での比較において、上記Ｖの値がＷの値より大きな値をとるのであれば、ステップＳ６に進み、ここでＷ＋１の符号化ユニットからＷ０までの最大レベルＸを計算し、次のステップＳ７においてこれを所定のレベル値Ｘ０と比較する。ただし、最大レベルの近似値として正規化係数をＸの値としても良い。
【００５０】
ステップＳ７での比較において、上記Ｘの値が上記値Ｘ０よりも小さいのであれば、ステップＳ８に進み、ここで再生符号化ユニット数Ｗをデフォルトの値Ｗ０に設定してからステップＳ９に進む。また、ステップＳ７での比較において、上記Ｘの値が上記値Ｘ０以上であれば、上記Ｗの値を変更せずにステップＳ９に進む。
【００５１】
ステップＳ９では、上記Ｗの符号化ユニットまでの帯域のスペクトル信号成分を符号化する。ただし、ここでＷはＶ以下の値をとるので、Ｗ＋１の符号化ユニットからＶの符号化ユニットまでに含まれるスペクトル信号成分を符号化するために割り当てられたビットを、Ｗの符号化ユニットまでの各符号化ユニットに再割当をしてから符号化をするようにしても良い。
【００５２】
次のステップＳ１０においては、当該ブロックで符号化を終了して良いかどうかを判断し、終了で無いのであれば、ステップＳ１１に進み、ここで次のブロック処理のためにブロック番号を１つ増加させた後、ステップＳ３に戻って以上の処理を繰り返す。
【００５３】
ここで、図７の図中太線で示す部分は、図９のフローチャートに示した方法で処理した場合の、各ブロック毎の再生符号化ユニット数Ｗの変化の様子を示したものである。また、図６同様に示す図８には、例えば図７の図中Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５で示すブロックにおける各符号化ユニットの各正規化係数と、再生符号化ユニット数Ｗの値、再生可能符号化ユニット数Ｖの値とを示している。
【００５４】
すなわち、上記図９のフローチャートに示した方法によれば、図７及び図８に示すように、一旦、ＷにＷ０の値が設定されると、次にＷ０に再設定されるまで再生符号化ユニット数が増加せず、再生符号化ユニット数が変化するのは、再生可能ユニット数が、ＷにＷ０の値が設定され後の再生可能ユニット数の最小値を下回った場合のみである。このため、再生帯域幅が安定し、高域の信号が現われたり消えたりするために生じる耳障りなノイズの発生を防止することができる。また、所定のレベル値Ｘ０を十分小さく設定しておけば、ＷにＷ０が再設定され、帯域が拡がる場合でも、既に高域側の信号レベルは非常に小さくなっているので、帯域が急に拡大されたような違和感が生じることはない。
【００５５】
以上述べた方法の変形として、高域側の信号レベルがすべて所定レベルより小さくなったかどうかをチェックし、そうであれば符号化ユニット数Ｗをデフォルト値Ｗ０に設定するのではなく、図１０に示すように、減衰する帯域に合わせて、段々に拡大していくことも可能で、これも本発明の方法に含まれる。
【００５６】
ただし、図８に示したように帯域を拡大する方法は、図１０に示されたように帯域を拡大する方法と比較して帯域拡大の制御がより容易に行える上、再生帯域幅もより安定に決定することができる。また、実際の音響信号では、高域成分の方が先に減衰することが多いので、図８のように制御する方法をとることによって聴感上の違和感の少ない符号化をより容易に実現することができる。
【００５７】
次に、図１１には、上述した本発明の高能率符号化方法を実現する図１の信号成分符号化回路１２の具体的構成を示す。この図１１の構成は、図３に示す一般構成を以下のように変更したものである。
【００５８】
すなわちこの図１１に示す信号成分符号化回路（信号周波数成分符号化手段）は、先行するブロックでの再生帯域情報（ビット割当を行った帯域幅の情報、図８や図１０の例では再生符号化ユニット数の値）を保持する帯域幅情報保持手段である帯域幅記憶回路６２と、当該帯域幅記憶回路６２が保持する先行するブロックでの上記再生帯域情報（再生符号化ユニット数の値）に基づいて現在のブロックの再生符号化ユニット数を決定する帯域幅決定手段としての制御回路６３を具備するものである。
【００５９】
この図１１において、入力端子６０を介して図１の変換回路１１から供給された各信号周波数成分は、正規化回路６１に送られる。ここで、当該正規化回路６１では、図１の変換回路１１からの信号周波数成分数を所定の帯域毎に正規化し、その正規化係数情報及び被正規化周波数成分を出力する。これら正規化係数情報及び被正規化周波数成分は、量子化回路６５に送られる。また、正規化回路６１からの正規化係数情報は、量子化精度決定回路６４と制御回路６３にも送られる。上記量子化精度決定回路６４は、各ブロック毎に各符号化ユニットの量子化精度を計算し、これに基づいて再生可能符号化ユニット数Ｖを計算する。
【００６０】
また、帯域幅記憶回路６２には、現時点までの再生符号化ユニット数Ｗが記憶されている。制御回路６３は、量子化精度決定回路６４から送られてきた再生可能符号化ユニット数情報と、帯域幅記憶回路６２から送られてきた再生符号化ユニット数情報及び正規化係数情報とに基づいて、処理中のブロックにおける再生符号化ユニット数Ｗを、図９に示した方法で決定する。
【００６１】
次に、制御回路６３は、決定された再生符号化ユニット数情報及び制御信号を量子化精度決定回路６４に送る。当該量子化精度決定回路６４は、高域側の（Ｖ−Ｗ）個の符号化ユニットに割り当てられていたビットを、決定された再生符号化ユニット数の符号化ユニット内に再割当し、最終的なビット割当を決定する。
【００６２】
量子化回路６５は、上記量子化精度情報に基づいて各符号化ユニット毎にスペクトル信号の量子化を行う。この量子化回路６５の出力には、正規化及び量子化されたスペクトル信号と共に、正規化係数情報と量子化精度情報も含まれている。上記量子化回路６５からの出力が、出力端子６９を介して図１の符号列生成回路１３に送られる。
【００６３】
また、上記制御回路６３によって決定された再生符号化ユニット数情報は、帯域幅記憶回路６２にも送られ、以後のブロックの処理のためにここに記憶される。
【００６４】
以上、説明したように、本発明の高能率符号化方法では、過去の再生符号化ユニット数、すなわち過去の再生帯域幅情報を参照して現在の再生帯域幅を決定するようにしているため、再生帯域が安定し、高域の信号成分が現われたり無くなったりするために生じる耳障りな雑音の発生を防ぐことができる。また、特に、帯域拡大は高域側の信号が十分に減衰してから行われるため、帯域幅が切り替わることに対する違和感を抑えることができる。
【００６５】
なお、上述の実施例では、帯域分割フィルタによる帯域分割とスペクトル変換処理とにより入力波形信号をスペクトル信号成分に変換する場合について説明を行ったが、もちろん、帯域分割フィルタを使用せずに、スペクトル変換処理のみによって入力波形信号をスペクトル信号に変換する場合についても本発明の符号化方法を適用できることは言うまでもない。また、必ずしも、ＤＦＴ、ＤＣＴ、ＭＤＣＴ等のスペクトル変換を組み込んだ方法を使用しなくてもよく、例えば、帯域分割フィルタで分割した帯域毎に符号化ユニットを構成する場合にも、本発明の符号化方法を適用することができる。
【００６６】
また、以上の説明では、符号化ユニット数によって再生帯域幅が決定される場合について述べたが、例えば前述の本件出願人による特願平５−１５２８６５号の明細書及び図面のように、スペクトル信号をトーン性の信号とその他の成分に分離し、トーン性の信号をその他の成分とは別に符号化する方法の場合にも、符号化ユニット数の代わりにトーン性の信号及びその他の信号の両者の再生帯域を規定する再生帯域情報、再生可能帯域情報を用いることによって、図７、図８、図９を用いて説明を行ったのと同様な方法で安定的に再生帯域を制御することが可能である。
【００６７】
以上、音響信号に対して本発明の符号化方法を適用した例を中心に説明を行なったが、本発明の符号化方法は一般の波形信号の符号化にも適用することが可能である。しかし、音響信号の場合、本発明を用いると、耳障りな雑音を効果的に無くすことができ特に効果的である。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明においては、各ブロックの帯域幅を先行するブロックで決定した帯域幅を参照して決定することにより、安定した再生帯域幅を確保しており、再生帯域がブロック毎に頻繁に変化することが無いため、高域側の信号が現われたり無くなったりするために生じる耳障りな雑音が発生せず、十分なビットレートが与えられない場合にも、聴感上の音質劣化を最小限に抑えることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の高能率符号化装置の基本構成を示すブロック回路図である。
【図２】実施例の高能率符号化装置の変換回路の一具体例の構成を示すブロック回路図である。
【図３】実施例の高能率符号化装置の信号成分符号化回路の一般的な構成を示すブロック回路図である。
【図４】本発明の高能率符号化方法又は装置での符号化により得られた符号列を分解復号化する高能率復号化回路の基本構成を示すブロック回路図である。
【図５】高能率復号化回路の逆変換回路の一具体例の構成を示すブロック回路図である。
【図６】本発明に係わる符号化方法の説明に用いるスペクトル信号成分と符号化ユニットとを示す図である。
【図７】本発明による符号化方法の説明及び従来の符号化方法との比較に用いるための図である。
【図８】本発明における各ブロックの符号化ユニットの正規化係数と、再生可能符号化ユニット数及び再生符号化ユニット数との関係を示す図である。
【図９】本発明による高能率符号化方法の処理手順を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明における各ブロックの符号化ユニットの正規化係数と、再生可能符号化ユニット数及び再生符号化ユニット数との関係の他の例を示す図である。
【図１１】本発明実施例の高能率符号化装置の信号成分符号化回路の具体的な構成を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１１ 変換回路
１２ 信号成分符号化回路
１３ 符号列生成回路
６１ 正規化回路
６２ 帯域幅記憶回路
６３ 制御回路
６４ 量子化精度決定回路
６５ 量子化回路
Claims (4)
- 波形信号を複数の信号周波数成分からなるブロック毎に分割し、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化するに際し、波形信号の性質に応じて、ブロック毎にビット割当を行う帯域幅を可変する高能率符号化方法であって、
現在のブロックにおいてビット割当可能な帯域幅が、先行するブロックにおいてビット割当を行った帯域幅よりも広く、かつ、
先行するブロックにおいてビット割当を行った上記帯域より高域の、現在のブロックの信号周波数成分レベルが所定の値より小さいとき、
現在のブロックにおいてビット割当を行う帯域幅を、先行するブロックにおいてビット割当を行った上記帯域幅より拡大すること
を特徴とする高能率符号化方法。 - 現在のブロックにおいてビット割当を行う上記帯域幅は、所定のデフォルト値に拡大されること
を特徴とする請求項１記載の高能率符号化方法。 - 波形信号を複数の信号周波数成分からなるブロック毎に分割するブロック信号周波数成分生成手段と、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化する信号周波数成分符号化手段とを有し、当該ブロック内の複数の信号周波数成分を符号化するに際し、波形信号の性質に応じて、ブロック毎にビット割当を行う帯域幅を可変する高能率符号化装置であって、
上記信号周波数成分符号化手段は、先行するブロックでの上記ビット割当を行った帯域幅の情報を保持する帯域幅情報保持手段と、当該帯域情報保持手段が保持する先行するブロックでの上記ビット割当を行った帯域幅の情報に基づいて現在のブロックのビット割当を行う帯域幅を決定する帯域幅決定手段とを具備し、
上記帯域幅決定手段は、
現在のブロックにおいてビット割当可能な帯域幅が、上記帯域幅情報保持手段に保持された帯域幅よりも広く、かつ、
上記帯域幅情報保持手段に保持された帯域より高域における、現在のブロックの信号周波数成分レベルが所定の値より小さいとき、
現在のブロックにおいてビット割当を行う上記帯域幅を拡大すること
を特徴とする高能率符号化装置。 - 現在のブロックにおいてビット割当を行う上記帯域幅は、所定のデフォルト値に拡大されること
を特徴とする請求項３記載の高能率符号化装置。
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