(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたオーディオ信号を時間軸から周波数軸へ変換して周波数スペクトル信号を出力し、前記周波数スペクトル信号を所定のビット数に収まるように符号量を制御するためのパラメータを用いて量子化符号化し、前記量子化符号化された信号をビットストリームとして出力するオーディオ信号符号化方法において、
前記量子化符号化は、予め前記周波数スペクトル信号を符号化して得られた量子化値を２進数で表わしたときのビットの個数に第１の係数を乗算して得られた第１のビット数と、前記ビットの個数を２進数で表わすために予め用意されたビットの個数に第２の係数を乗算して得られた第２のビット数と、前記所定のビット数とから、前記パラメータの初期値を推測して行うことを特徴とするオーディオ信号符号化方法。
【請求項２】
入力されたオーディオ信号を時間軸から周波数軸へ変換して周波数スペクトル信号を出力する時間−周波数変換手段と、前記入力された前記オーディオ信号から量子化雑音量を制御するための許容雑音量を算出する聴覚モデル手段と、前記時間−周波数変換手段と聴覚モデル手段の各出力が供給され前記周波数スペクトル信号を量子化符号化する量子化符号化手段と、前記量子化符号化手段で量子化符号化された信号をビットストリームに変換して出力するビットストリーム化手段とを備えたオーディオ信号符号化装置において、
前記量子化符号化手段は、
前記時間−周波数変換手段から出力された周波数スペクトル信号を予め符号化して得られた量子化値を２進数で表わしたときのビットの個数に第１の係数を乗算して得られた第１のビット数と、前記ビットの個数を２進数で表わすために予め用意されたビットの個数に第２の係数を乗算して得られた第２のビット数と、所定のビット数とから、前記周波数スペクトルを所定のビット数内に収まるように符号量を制御するためのパラメータの初期値を推測する全帯域レベル推測手段と、
前記全帯域レベル推測手段で推測された前記初期値に基づいて、前記周波数スペクトル信号を量子化符号化してビット信号として出力する量子化符号化変換手段と、
前記量子化符号化変換手段から出力された前記ビット信号を逆量子化して逆量子化信号を出力する逆量子化手段と、
前記符号量を制御するためのパラメータを変更するために、前記量子化符号化手段に変更制御信号を出力する全帯域レベル変更手段と、
前記量子化符号化変換手段から出力された前記ビット信号が前記所定のビット数内に収まっているかどうかを判断して、前記ビット信号が前記所定のビット数以内に収まっていない場合には、前記全帯域レベル変更手段に制御信号を出力し、前記ビット信号が前記所定のビット数以内に収まっている場合には、前記ビット信号を前記逆量子化手段に出力する使用ビット数算出判断手段と、
前記周波数スペクトル信号のバンドレベルを制御するためのパラメータを変更するために、前記量子化符号化手段に変更制御信号を出力するバンドレベル変更手段と、
前記逆量子化手段から出力された前記逆量子化信号が前記聴覚モデル手段で算出された前記許容雑音量以内に収まっているかどうかを判断し、前記ビット信号が前記許容雑音量以内に収まっている場合には、何も出力せず、前記ビット信号が前記許容雑音量以内に収まっていない場合には、前記バンドレベル変更手段に制御信号を出力する量子化歪算出判断手段と、
からなることを特徴とするオーディオ信号符号化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーディオ信号を周波数領域に変換した後に符号化を行なうオーディオ信号符号化方法に係り、特に装置の許容歪み、使用ビット数が許容範囲の適正値に入れるまでの算出推定ループの回数を削減可能なオーディオ信号符号化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、オーディオ信号の符号化方法には、例えば適応スペクトル聴感制御エントロピー符号化法（ＡＳＰＥＣ，  Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ  Ｅｎｔｒｏｐｙ  Ｃｏｄｉｎｇ）、ＭＰＥＧ１オーディオ・レイヤ３、ＭＰＥＧ２オーディオＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ａｕｄｉｏ  Ｃｏｄｉｎｇ）がある。
これらは、非線形量子化とハフマン符号化のために２重ループを構成して、量子化歪みと、符号量を制御している。
【０００３】
それぞれのループは、アウターループ、インナーループと呼ばれており、アウターループでは、量子化歪みが、聴覚心理モデルから得られた許容ノイズレベル以下になるように制御し、インナーループでは、量子化を行ない所定のビット数の範囲内に収まるように制御を行なう。
【０００４】
図４には、従来の量子化符号化部におけるイタレーションループ処理を示す。
従来の処理では、所定ビット数に収める処理と量子化歪みを所定量に収める処理とに対して、それぞれループを作ることで実現している。
所定ビット数とは、設定されたビットレートより求められる１オーディオフレームにおいて使用可能なビット数を意味する。
【０００５】
まず、インナーループでは、量子化（ＳＴＥＰ１１Ａ）とハフマン符号化（ＳＴＥＰ１２Ａ）により求められる使用ビット数が所定ビット数に収まっているかの判断を行ない（ＳＴＥＰ１３Ａ）、収まっていない場合には、周波数スペクトルを全ての帯域に対して一様に可変する変数（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）を調整することで、量子化器のステップサイズに相当するｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎを調整する（ＳＴＥＰ１４Ａ）ことにより、所定のビット数に納める。
【０００６】
インナーループを実行するために必要なｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎの初期値は初期化部で求められる（ＳＴＥＰ１Ａ）。
初期化部では、周波数スペクトル中の最大値を量子化式により量子化した際に、量子化値がハフマン符号化を行なうための制限値を超えないようなｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎを求め、これを初期値とする。
この初期値は、周波数スペクトルの最大値を基準に求めるため、量子化値全体が小さい値となる。
そのため、所定のビット数に対してビットが余る傾向になる。
【０００７】
つぎに、アウターループでは、インナーループで求められた量子化結果を元に逆量子化を行ない、周波数スペクトルのバンド単位で量子化歪みを求める（ＳＴＥＰ３Ａ）。
【０００８】
求めた量子化歪みが聴覚モデル部の信号対マスキング率ＳＭＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｍａｓｋ−ｒａｔｉｏ）から求めた許容歪み内に収まっているかを判断し（ＳＴＥＰ４Ａ）、収まっていない場合、そのバンドのｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ（ｓｆｂ）を調整する（ＳＴＥＰ５Ａ）。
量子化歪みが収まっていないバンドが１バンド以上存在する場合には、再びインナーループからやり直す。
【０００９】
収まっていないバンドが残っている場合は、量子化歪みが収まるまでｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ（ｓｆｂ）を何度も調整し（ＳＴＥＰ５Ａ）、インナーループを繰り返す。
よって、これまでのやり方では収束するまで時間が掛かってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記のインナー、アウターの２重ループ処理では、外側に存在するアウターループが満足されない場合に、再び内側にあるインナーループを呼び出さねばならないため、収束時間の確定が難しい。
この収束時間を速めること、即ち、ループの回数を削減するには、ループを開始する初期値の決定が重要となる。
そこで本発明は、ループの初期値の決定手段を有する符号化装置及びその方法を提供することで、ループ回数を削減することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、前記インナーループ内で用いるパラメータの初期値を推測するブロックを用意して、周波数スペクトルを別の符号化方法で符号化を行ない算出した使用ビット数と所定ビット数を用いてパラメータの初期値を推測し、求められた初期値を用いてインナーループ処理を行なう。
【００１２】
本発明の第１の発明は、入力されたオーディオ信号を時間軸から周波数軸へ変換して周波数スペクトル信号を出力し、前記周波数スペクトル信号を所定のビット数に収まるように符号量を制御するためのパラメータを用いて量子化符号化し、前記量子化符号化された信号をビットストリームとして出力するオーディオ信号符号化方法において、
前記量子化符号化は、予め前記周波数スペクトル信号を符号化して得られた量子化値を２進数で表わしたときのビットの個数に第１の係数を乗算して得られた第１のビット数と、前記ビットの個数を２進数で表わすために予め用意されたビットの個数に第２の係数を乗算して得られた第２のビット数と、前記所定のビット数とから、前記パラメータの初期値を推測して行うことを特徴とするオーディオ信号符号化方法を提供する。
第２の発明は、入力されたオーディオ信号を時間軸から周波数軸へ変換して周波数スペクトル信号を出力する時間−周波数変換手段と、前記入力された前記オーディオ信号から量子化雑音量を制御するための許容雑音量を算出する聴覚モデル手段と、前記時間−周波数変換手段と聴覚モデル手段の各出力が供給され前記周波数スペクトル信号を量子化符号化する量子化符号化手段と、前記量子化符号化手段で量子化符号化された信号をビットストリームに変換して出力するビットストリーム化手段とを備えたオーディオ信号符号化装置において、
前記量子化符号化手段は、
前記時間−周波数変換手段から出力された周波数スペクトル信号を予め符号化して得られた量子化値を２進数で表わしたときのビットの個数に第１の係数を乗算して得られた第１のビット数と、前記ビットの個数を２進数で表わすために予め用意されたビットの個数に第２の係数を乗算して得られた第２のビット数と、所定のビット数とから、前記周波数スペクトルを所定のビット数内に収まるように符号量を制御するためのパラメータの初期値を推測する全帯域レベル推測手段と、前記全帯域レベル推測手段で推測された前記初期値に基づいて、前記周波数スペクトル信号を量子化符号化してビット信号として出力する量子化符号化変換手段と、前記量子化符号化変換手段から出力された前記ビット信号を逆量子化して逆量子化信号を出力する逆量子化手段と、前記符号量を制御するためのパラメータを変更するために、前記量子化符号化手段に変更制御信号を出力する全帯域レベル変更手段と、前記量子化符号化変換手段から出力された前記ビット信号が前記所定のビット数内に収まっているかどうかを判断して、前記ビット信号が前記所定のビット数以内に収まっていない場合には、前記全帯域レベル変更手段に制御信号を出力し、前記ビット信号が前記所定のビット数以内に収まっている場合には、前記ビット信号を前記逆量子化手段に出力する使用ビット数算出判断手段と、前記周波数スペクトル信号のバンドレベルを制御するためのパラメータを変更するために、前記量子化符号化手段に変更制御信号を出力するバンドレベル変更手段と、前記逆量子化手段から出力された前記逆量子化信号が前記聴覚モデル手段で算出された前記許容雑音量以内に収まっているかどうかを判断し、前記ビット信号が前記許容雑音量以内に収まっている場合には、何も出力せず、前記ビット信号が前記許容雑音量以内に収まっていない場合には、前記バンドレベル変更手段に制御信号を出力する量子化歪算出判断手段と、からなることを特徴とするオーディオ信号符号化装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のオーディオ符号化装置及びその方法の一実施例について、図と共に以下に説明する。
図１は本発明のオーディオ信号符号化装置の一実施例のブロック構成図を示し、図２には本発明のオーディオ信号符号化装置の量子化符号化部の一実施例のブロック構成図を示す。
【００１４】
図１に示される本発明のオーディオ信号符号化装置の一実施例は、時間−周波数変換部１１、聴覚モデル部１２、量子化符号化部１３、及びビットストリーム化部１４より構成されている。
【００１５】
図２に示されている本発明のオーディオ符号化装置の量子化符号化部１３の一実施例は、量子化、符号化器１３０、全帯域レベル  （ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）推測器１３１、使用ビット数算出判断器１３２、全帯域レベル  （ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）  変更器１３３、量子化歪算出判断器１３４、バンドレベル（ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ）変更器１３５、及び逆量子化器１３６より構成されている。
【００１６】
まず、図１に示される、入力されたＰＣＭ信号は、時間−周波数変換部１１においてＦＦＴやＭＤＣＴ等を用いて、時間軸から周波数軸への変換が行なわれ、その周波数スペクトルが量子化符号化部１３に供給される。
【００１７】
聴覚モデル部１２では、入力された信号に対して聴覚心理に基づいたマスキングレベルの計算により求められた信号対マスキング率SMR(Signal to Mask Ratio)が量子化符号化部１３に供給される。
【００１８】
量子化符号化部１３においては、各周波数に対するレベルを所定のビット数でかつ、前記ＳＭＲより求められた許容歪み内に量子化歪みが収まるように量子化、符号化を行ない、量子化、符号化された信号をビットストリーム化部１４に出力する。
ビットストリーム化部１４では、量子化符号化部１３より供給された信号をビットストリームとして出力する。
【００１９】
下記の（数１）及び（数２）には、量子化符号化部１３において、量子化、及び逆量子化で使用される各式の一実施例を示した。
【００２０】
【数１】
0003630082.tif 000002
【００２１】
【数２】
0003630082.tif 000003
【００２２】
前記（数１）の量子化式において、ｍｄｃｔ  ｌｉｎｅ（ｋ）は、時間−周波数変換部１１より出力される周波数スペクトルを示しており、ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎは、周波数スペクトル全帯域のレベルを全帯域レベル変更器１３３により変更するものである。
【００２３】
また、ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ（ｓｆｂ）は、バンド単位で周波数スペクトルのレベルをバンドレベル変更器１３５により変更するものである。
Ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎは、量子化器のステップサイズに相当し、ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ（ｓｆｂ）は各スケールファクタバンドの増幅度を決定する。
【００２４】
インナーループでは、量子化とハフマン符号化により求められる使用ビット数が所定ビット数に収まっているかどうかの判断を行ない、収まっていない場合には、周波数スペクトルを全ての帯域に対して一様に可変する全帯域レベル（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）変更器１３３の変数（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）を調整することで、所定のビット数に納めるようにする。
【００２５】
そこで、インナーループで求められた量子化結果を元に逆量子化を行ない、バンド単位で量子化歪みを求める。
求めた量子化歪みが聴覚モデル部１２の信号対マスキング率ＳＭＲから求めた許容歪み内に収まっているかどうかを判断し、収まっていない場合、そのバンドのｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ  （ｓｆｂ）をバンドレベル（ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ）変更器１３５により調整する。
量子化歪みが収まっていないバンドが１バンド以上存在する場合には、再びインナーループからやり直す。
【００２６】
図３に本発明のオーディオ信号符号化装置及びその方法におけるイタレーションループを示す。
本発明のイタレーションループは、先に示した図４に対して、その先頭に、所定ビット数に収まるｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ値を推測するブロックである、全帯域レベル（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）推測器１３１を追加した形のものになる。
【００２７】
これは、図４の従来の初期化部におけるｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ算出方法を変更して、最初から最終結果に近いｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ値を推測することが可能な算出方法としたものである。
【００２８】
このブロックにおいて使用される、global gain算出方法について、以下に説明する。
ここで求めたglobal gain値を初期値として（ＳＴＥＰ1）、つぎのインナーループ（ＳＴＥＰ２）を実行する。
【００２９】
この（ＳＴＥＰ１）の、前記所定ビット数に収まるｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ値を推測する全帯域レベル推測器１３１において使用される、別の符号化法を用いて使用ビット数を求め、ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ値を算出推測する一実施例について、以下に示す。
【００３０】
量子化は前記（数１）より変形すると、下記（数３）となる。
【００３１】
【数３】
0003630082.tif 000004
【００３２】
量子化された値が、何ビットで表現されるかを求めると、下記（数４）のｎｕｍ−ｂｉｔのように示される。
【００３３】
【数４】
0003630082.tif 000005
【００３４】
ところで、前記ｎｕｍ−ｂｉｔは入力信号が１６ビットＰＣＭである場合、絶対値を取っているため、正負の符号を取り除いた１５ビットまで取り得る。
【００３５】
つぎに、例えば、それをビットストリームのように、ビット単位の羅列をした場合、サンプルｘ１，ｘ２が何ビットで表現されているかが情報として与えられていないと、取り出せなくなる。
そのため、取り出すためのサイド情報として０〜１５まで表現出来るように４ビットを別に使用する（補助情報としての第２のビット数  ４×１０２４）。
【００３６】
また、初期値を求めるので、ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ（ｓｆｂ）  ＝  ａｌｌ  ｚｅｒｏ  とすると、前記（数４）は、下記（数５）のようになる。
【００３７】
【数５】
0003630082.tif 000006
【００３８】
さらに、前式をサンプル数１０２４個分求めると、下記の（数６）のようになる。
【００３９】
【数６】
0003630082.tif 000007
【００４０】
このｔｏｔａｌ  ｎｕｍ  ｂｉｔが前記所定ビット数（ａｖｅｒａｇｅ  ｂｉｔ）であるような、ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎを下記（数７）より求める。
【００４１】
【数７】
0003630082.tif 000008
【００４２】
よって、前記（数７）を整理すると下記（数８）が得られる。
【００４３】
【数８】
0003630082.tif 000009
【００４４】
この（数８）に従って、前記時間−周波数変換部１１より供給される周波数スペクトルを量子化して得られる量子化値に対して、全帯域レベル（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）推測器１３１は、２の対数を取ることで求められる、量子化値をビット表現するのに必要な第１のビット数（（１／１９２）×（３／４）Σ（ｌｏｇ２（ｘ））と、そのビット表現が何ビット幅であるかを示す補助情報としての第２のビット数（１／１９２×４０９６）と、前記所定ビット数（１／１９２）×（ａｖｅｒａｇｅ  ｂｉｔ）とから、前記全帯域レベル変更手段１３３の初期値（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）を推測する。
これによって、ループが収束した時に得られる値に近い値が推測される。
【００４５】
第１ブロックのインナーループでは、量子化とハフマン符号化により求められる使用ビット数（ＳＴＥＰ１２）が所定ビット数に収まっているかの判断を、使用ビット数算出判断器１３２により行なう（ＳＴＥＰ１３）。
【００４６】
収まっていない場合には、周波数スペクトルを全ての帯域に対して一様に可変する全帯域レベル変更器１３３の変数（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）を調整する（ＳＴＥＰ１４）ことにより、所定のビット数に納めるようにする。
【００４７】
第２ブロックのアウターループでは、インナーループ（ＳＴＥＰ２）で求められた量子化結果を元に逆量子化を行ない、バンド単位で量子化歪みを求める（ＳＴＥＰ３）。
【００４８】
求めた量子化歪みが聴覚モデル部１２の信号対マスキング率ＳＭＲから求めた許容歪み内に収まっているかどうかを量子化歪算出判断器１３４により判断し、収まっていない場合（ＳＴＥＰ４）には、そのバンドのｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ（ｓｆｂ）をバンドレベル（ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ）変更器１３５により調整を行なう（ＳＴＥＰ５）。
【００４９】
量子化歪みが収まっていないバンドが１バンド以上存在する場合（ＳＴＥＰ４）には、再びインナーループ（ＳＴＥＰ２）からやり直す。
【００５０】
インナーループを実行するために必要なｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎの初期値は従来のものでは初期化部で求められる。
この初期化部では、周波数スペクトル中の最大値を量子化式により量子化した際に、量子化値がハフマン符号化を行なうための制限値を超えないようなｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎを求め、これを初期値としている。
【００５１】
よって、この初期値は、周波数スペクトルの最大値を基準に求めるため、量子化値全体が小さい値となる。
【００５２】
そのため、所定のビット数に対してビットが余る傾向になるが、本発明のものは所定のビット数が的確に推定されるので、大幅にループの改善がなされ、ループの回数を減少させることが出来る。
【００５３】
本発明は全帯域レベル（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）推測器１３１により初期値の推定を最適に近く出来る（ＳＴＥＰ１）ことにより、インナーループからやり直す回数は従来のものと比較すると大幅に削減させることが出来る。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のオーディオ符号化装置及びその方法によれば、前記第１のブロック内のパラメータ（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）の初期値を推測する全帯域レベル推測手段により求められた初期値は、ループが収束した時に得られる値に近い値が推測されるため、第２のブロックにおけるインナーループの回数を大幅に削減させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオーディオ符号化装置及びその方法の一実施例のブロック構成を示した図である。
【図２】本発明のオーディオ符号化装置及びその方法の一実施例のブロック構成を示した図である。
【図３】本発明のオーディオ符号化装置及びその方法のイタレーションループのフローを示した図である。
【図４】従来のイタレーションループのフローを示した図である。
【符号の説明】
１１  時間−周波数変換部（時間−周波数変換ステップ）
１２  聴覚モデル部（聴覚モデルステップ）
１３  量子化符号化部（量子化符号化ステップ）
１３０  量子化符号化器
１３１  全帯域レベル（ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）推測器（全帯域レベル推測手段、ステップ）
１３２  使用ビット数算出判断器（使用ビット数算出判断手段、ステップ）
１３３  全帯域レベル  （ｇｌｏｂａｌ  ｇａｉｎ）  変更器（全帯域レベル変更手段、ステップ）
１３４  量子化歪算出判断器（量子化歪算出判断手段、ステップ）
１３５  バンドレベル（ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ）変更器（バンドレベル変更手段、ステップ）
１３６  逆量子化器
１４  ビットストリーム化部（ビットストリーム化ステップ）
【図１】
0003630082.tif 000010
【図２】
0003630082.tif 000011
【図３】
0003630082.tif 000012
【図４】
0003630082.tif 000013