(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声信号および、または正弦波のような物理信号の入力信号をフレーム単位で一定の転送ビットレートに圧縮符号化する信号符号化装置であって、
入力信号を時間関数から周波数関数に変換してスペクトル信号を出力する時間周波数変換手段と、
前記スペクトル信号を複数本ずつのユニットにまとめ、各ユニット毎にユニット内の最大レベルを示すスケールファクタを出力するスケールファクタ算出手段と、
前記スペクトル信号を前記スケールファクタで正規化し正規化スペクトルを出力する正規化手段と、
前記スペクトル信号を入力し、聴覚のマスキングモデルを使って各ユニットに必要な割当ビット数を求め、各ユニット毎の必要ビット数を出力する必要ビット割当手段と、
各ユニット毎の前記必要ビット数に基づいて求められたビットレートが転送ビットレートに対して余裕があり、しかも、前記スペクトル信号のうちレベルが最も高いスペクトルの上又は下の周波数におけるスペクトルの必要ビット数が零の場合に、前記レベルが最も高いスペクトルのレベルに応じた本数の前記必要ビット数が零のスペクトルにビット再割当てを行い、再割当ビット数を出力する再割当手段と、
前記正規化スペクトルを前記再割当ビット数で示されるビット数で量子化し、量子化スペクトルを出力する量子化手段と、
前記再割当ビット数と前記スケールファクタと前記量子化スペクトルとを入力して符号化信号を生成し出力するマルチプレクス手段とを備えている信号符号化装置。
【請求項２】
音声信号および、または正弦波のような物理信号の入力信号をフレーム単位で一定の転送ビットレートに圧縮符号化する信号符号化装置であって、
入力信号を時間関数から周波数関数に変換してスペクトル信号を出力する時間周波数変換手段と、
前記スペクトル信号を複数本ずつのユニットにまとめ、各ユニット毎にユニット内の最大レベルを示すスケールファクタを出力するスケールファクタ算出手段と、
前記スペクトル信号を前記スケールファクタで正規化し正規化スペクトルを出力する正規化手段と、
前記スペクトル信号を入力し、聴覚のマスキングモデルを使って各ユニットに必要な割当ビット数を求め、各ユニット毎の必要ビット数を出力する必要ビット割当手段と、
各ユニット毎の前記必要ビット数に基づいて求められたビットレートが転送ビットレートに対して余裕があり、しかも、前記スケールファクタのレベルが最も高いユニットの上又は下の周波数におけるユニットの必要ビット数が零の場合に、前記レベルが最も高いユニットのスケールファクタに応じた本数の前記必要ビット数が零のユニットにビット再割当てを行い、再割当ビット数を出力する再割当手段と、
前記正規化スペクトルを前記再割当ビット数で示されるビット数で量子化し、量子化スペクトルを出力する量子化手段と、
前記再割当ビット数と前記スケールファクタと前記量子化スペクトルとを入力して符号化信号を生成し出力するマルチプレクス手段とを備えている信号符号化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音声等の信号をフレーム単位で圧縮符号化する信号符号化装置に関し、特に、圧縮符号化時の物理特性を向上した信号符号化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、音声、画像等のデジタル信号を高能率で符号化する技術の研究開発が進み、その適用分野が拡大しつつある。例えば音声信号に関して、直交変換符号化の技術を利用して高能率符号化を行い、この符号化信号を蓄積メディアを用いて記録再生する技術が広く適用されつつある。一例として、民生用オーディオ分野ではＭＤ（ミニディスク）が実用化されている。ＭＤは高能率符号化の技術によりＣＤ（コンパクトディスク）の約半分の直径のディスクにＣＤと同等時間のステレオ信号を記録することができる。
【０００３】
図５に、このような高能率符号化技術を用いた従来の信号符号化装置のブロック図を示す。図５において、１は時間周波数変換手段、２はスケールファクタ算出手段、３は正規化手段、４は量子化手段、５はマルチプレクス手段、６はビット割当手段である。
【０００４】
図５に示す従来の信号符号化装置の動作を図６を参照しながら説明する。まず、時間周波数変換手段１は、時間軸信号である入力信号Ｓ１０１に離散コサイン変換のような直交変換処理を施して周波数軸のスペクトル信号Ｓ１０２に変換する。直交変換を行う場合、図６（ａ）に示すような窓関数を入力信号にかけてから所定の演算を行う。この窓関数の式の例を次式に示す。
【０００５】
ｈ（ｉ）＝ｓｑｒｔ（（ｃｏｓ（π・ｉ／（Ｌ−１）−π）＋１）／２）
ただし、ｓｑｒｔ（  ）は平方根演算を示す。また、Ｌはウィンドウをかけるサンプル数である。入力信号が正弦波の場合、この処理により図６（ｂ）に示すような波形になる。これに離散コサイン変換の処理を施すと図６（ｃ）に示すようなスペクトル信号Ｓ１０２が得られる。離散コサイン変換の式を次式に示す。
【０００６】
Ｘ（ｋ）＝２／Ｍ・Σｘ（ｎ）ｃｏｓ（π（ｋ＋１／２）（ｎ＋Ｍ／２＋１／２）／Ｍ）
ただし、Σ演算はｎ＝０からｎ＝２Ｍ−１までとする。Ｍはポイント数である。
【０００７】
時間周波数変換手段１として、クオドラチャ・ミラー・フィルタのようなフィルタバンクによって入力信号Ｓ１０１を予（あらかじ）め複数の帯域に分割し、それぞれの帯域で直交変換を行う構成のものもある。
【０００８】
スケールファクタ算出手段２はスペクトル信号Ｓ１０２を数本ずつのユニットにグルーピングし、ユニット内のスペクトルの最大値をスケールファクタＳ１０３として出力する。ユニット内のスペクトル本数は、例えば聴覚モデルの臨界帯域幅にしたがって定められる。図７（ａ）に示す例では、４本のスペクトルが１つのユニットを構成している。図７（ａ）のｋ番目のユニットＵｋは最大スペクトルが０ｄＢであるので、スケールファクタＳ１０３は０ｄＢとなる。
【０００９】
正規化手段３はスペクトル信号Ｓ１０２をスケールファクタＳ１０３で正規化し、正規化スペクトルＳ１０４を出力する。ユニット毎にそれぞれのスケールファクタＳ１０３で正規化が行われる。
【００１０】
ビット割当手段６はスペクトル信号Ｓ１０２から聴覚モデルを使って各ユニットの割当ビット数Ｓ１０７を決定する。図８に基づいて割当ビット数の求め方を説明する。図８において、ａ〜ｅはスペクトル信号Ｓ１０２、ｍａはスペクトルａがマスクする信号レベル、ｍｂはスペクトルｂがマスクする信号レベル、ｍｃはスペクトルｃがマスクする信号レベル、ｍｇは最小可聴限界の信号レベルを示す。
【００１１】
スペクトルａは、聞こえる限界の信号レベルである最小可聴限界ｍｇまで７０ｄＢの差があり、符号化に９ビットを必要とする。スペクトルａが存在することによって最小可聴限界がｍａのように持ち上がる（マスクされる）ことが知られている。スペクトルｂはスペクトルａのｍａによって一定レベル以下がマスクされてしまい、３０ｄＢ分を符号化すれば良い。したがって符号化には４ビットあればよい。同様に、スペクトルｃは最小可聴限界まで５０ｄＢあり、符号化に７ビット必要とする。スペクトルｄはスペクトルｃのｍｃによって完全にマスクされており聞こえないため符号化の必要はない。スペクトルｅは最小可聴限界ｍｇ以下であり、聞こえないため符号化の必要はない。このようにして符号化に必要なビット数を決定する。
【００１２】
量子化手段４は正規化スペクトルＳ１０４を割当ビット数Ｓ１０７で量子化して量子化スペクトルＳ１０５を出力する。
マルチプレクス手段５は割当ビット数Ｓ１０７とスケールファクタＳ１０３と量子化スペクトルＳ１０５とから符号化信号Ｓ１０６を生成して出力する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の信号符号化装置では、ビット割当手段６で聴覚特性を利用する際にマスキングによって不要と判断されたスペクトルが無くなるために、復号化によって再合成された信号は源信号が完全に復元されたものではない。このため、正弦波信号等の符号化及び復号化において歪が増加することがある。
【００１４】
図７（ａ）及び（ｂ）は従来の信号符号化装置の動作上の問題点を示している。図７（ａ）に示すスペクトルは前述したように正弦波を直交変換したものである。窓関数をかけて直交変換を行うので正弦波であってもスペクトルは１本だけではなく図のように広がってしまう。
【００１５】
図８のスペクトルｄがスペクトルｃのｍｃによってマスクされるのと同様に、ユニットＵｋの最大スペクトルによるマスキングｍによりユニットＵｋ＋１以上のスペクトルは完全にマスクされてしまう。したがって符号化されるスペクトルは図７（ｂ）のようになる。このスペクトルを復号化しても、元の正弦波には戻らない。聴感上は問題ないが、測定器を使用すれば明らかな特性劣化が観察される。ウィンドウを用いて周波数変換するような符号化装置では必ず正弦波スペクトルが分散するため、このような問題が発生する。
【００１６】
スペクトルは周波数に対して等間隔で存在するが、聴覚モデルは周波数に対してほぼ対数的になっており、高い周波数ほどマスクされるスペクトル本数も多い。このため、特に１０ｋＨｚ以上の高い周波数で上記のような問題が発生しやすい。また、正弦波のような集中スペクトルを基本とする信号は、スペクトル本数が比較的少なく割当てビットに余裕が出ることが多い。
【００１７】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するために、余裕の出たビットの再割当を効果的に行うことにより、音質を劣化させずに物理特性を向上することができる信号符号化装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の信号符号化装置は、音声信号および、または正弦波のような物理信号の入力信号をフレーム単位で一定の転送ビットレートに圧縮符号化する信号符号化装置であって、
入力信号を時間関数から周波数関数に変換してスペクトル信号を出力する時間周波数変換手段と、前記スペクトル信号を複数本ずつのユニットにまとめ、各ユニット毎にユニット内の最大レベルを示すスケールファクタを出力するスケールファクタ算出手段と、前記スペクトル信号を前記スケールファクタで正規化し正規化スペクトルを出力する正規化手段と、前記スペクトル信号を入力し、聴覚のマスキングモデルを使って各ユニットに必要な割当ビット数を求め、各ユニット毎の必要ビット数を出力する必要ビット割当手段と、各ユニット毎の前記必要ビット数に基づいて求められたビットレートが転送ビットレートに対して余裕があり、しかも、前記スペクトル信号のうちレベルが最も高いスペクトルの上又は下の周波数におけるスペクトルの必要ビット数が零の場合に、前記レベルが最も高いスペクトルのレベルに応じた本数の前記必要ビット数が零のスペクトルにビット再割当てを行い、再割当ビット数を出力する再割当手段と、前記正規化スペクトルを前記再割当ビット数で示されるビット数で量子化し、量子化スペクトルを出力する量子化手段と、前記再割当ビット数と前記スケールファクタと前記量子化スペクトルとを入力して符号化信号を生成し出力するマルチプレクス手段とを備えている。
【００１９】
また、本発明の信号符号化装置の別の構成は、音声信号および、または正弦波のような物理信号の入力信号をフレーム単位で一定の転送ビットレートに圧縮符号化する信号符号化装置であって、
入力信号を時間関数から周波数関数に変換してスペクトル信号を出力する時間周波数変換手段と、前記スペクトル信号を複数本ずつのユニットにまとめ、各ユニット毎にユニット内の最大レベルを示すスケールファクタを出力するスケールファクタ算出手段と、前記スペクトル信号を前記スケールファクタで正規化し正規化スペクトルを出力する正規化手段と、前記スペクトル信号を入力し、聴覚のマスキングモデルを使って各ユニットに必要な割当ビット数を求め、各ユニット毎の必要ビット数を出力する必要ビット割当手段と、各ユニット毎の前記必要ビット数に基づいて求められたビットレートが転送ビットレートに対して余裕があり、しかも、前記スケールファクタのレベルが最も高いユニットの上又は下の周波数におけるユニットの必要ビット数が零の場合に、前記レベルが最も高いユニットのスケールファクタに応じた本数の前記必要ビット数が零のユニットにビット再割り当てを行い、再割当ビット数を出力する再割当手段と、前記正規化スペクトルを前記再割当ビット数で示されるビット数で量子化し、量子化スペクトルを出力する量子化手段と、前記再割当ビット数と前記スケールファクタと前記量子化スペクトルとを入力して符号化信号を生成し出力するマルチプレクス手段とを備えている。
【００２０】
上記のような構成により、本発明の信号符号化装置は再割当手段が余剰ビットを効果的に再割当するので、音質を劣化させずに物理特性を向上することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１の実施形態による信号符号化装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は時間周波数変換手段、２はスケールファクタ算出手段、３は正規化手段、４は量子化手段、５はマルチプレクス手段、７は必要ビット割当手段、８は再割当手段である。
【００２２】
時間周波数変換手段１は時間軸信号である入力信号Ｓ１０１を離散コサイン変換のような直交変換を用いて周波数軸のスペクトル信号Ｓ１０２に変換する。この時間周波数変換手段１は、クオドラチャ・ミラー・フィルタのようなフィルタバンクによって入力信号Ｓ１０１をあらかじめ複数の帯域に分割し、それぞれの帯域で直交変換を行うものであってもよい。
【００２３】
スケールファクタ算出手段２はスペクトル信号Ｓ１０２を数本ずつのユニットにグルーピングしてそのユニット内のスペクトルの最大値をスケールファクタＳ１０３として出力する。１ユニットに含まれるスペクトルの本数は、例えば聴覚モデルの臨界帯域幅にしたがって定められる。
【００２４】
正規化手段３はスペクトル信号Ｓ１０２をスケールファクタＳ１０３で正規化し、正規化スペクトルＳ１０４を出力する。正規化はユニット毎にそれぞれのスケールファクタＳ１０３で行われる。
【００２５】
必要ビット割当手段７はスペクトル信号Ｓ１０２から各ユニットの必要ビット数Ｓ１０８を決定する。従来の信号符号化装置と同様に、聴覚のマスキングモデルによって符号化に必要なビット数Ｓ１０８を決定する。この動作は従来の信号符号化装置と同様であるので説明を省略する。
【００２６】
再割当手段８はスペクトル信号Ｓ１０２に基づいて必要ビット数Ｓ１０８に再割当を行い再割当ビット数Ｓ１０７を出力する。各ユニット毎の必要ビット数Ｓ１０８の合計から算出したビットレートが符号化信号Ｓ１０６の転送ビットレートに対して余裕がある場合であって、スペクトル信号Ｓ１０２のうちレベルが高いスペクトルの上又は下の周波数における所定本数のスペクトルの必要ビット数が零又は少ない場合に、ユニットＵｋのスケールファクタＳ１０３のレベルが高いときは多く、低いときは少ない本数の上又は下の周波数のスペクトルにビットの再割当てを行う。
【００２７】
量子化手段４は正規化スペクトルＳ１０４を再割当ビット数Ｓ１０７で量子化し量子化スペクトルＳ１０５を出力する。
マルチプレクス手段５は再割当ビット数Ｓ１０７とスケールファクタＳ１０３と量子化スペクトルＳ１０５とから符号化信号Ｓ１０６を生成し出力する。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｄ）に基づいて再割当手段８の動作を説明する。図２（ａ）は従来の信号符号化装置で説明した入力信号Ｓ１０１と周波数が同じで振幅が３０ｄＢ低い正弦波が入力された場合の例である。時間周波数変換手段１の動作は入力信号Ｓ１０１に対して線形であるので、図７（ｂ）のスペクトルがすべて３０ｄＢ下がったスペクトル信号となっている。図７（ｂ）と同様に、最大スペクトルによるマスキングによりユニットＵｋ＋１以上のスペクトルは完全にマスクされている。
【００２９】
再割当手段８は必要ビット数Ｓ１０８からレベルの高いスペクトルの上の周波数のビット数が零であることを判断し、更に最大スペクトルのレベルが−３０ｄＢであるので、このスペクトルの上の周波数の例えば４本のスペクトルに余剰ビットの再配分を行う。これによって図２（ｂ）に示すようにユニットＵｋ＋１のスペクトルが符号化信号Ｓ１０６として符号化される。
【００３０】
更に信号レベルが高ければ、より多くのスペクトルに余剰ビットの再配分を行う。その例を以下に説明する。図２（ｃ）は従来の信号符号化装置で説明した入力信号Ｓ１０１と同じ正弦波が入力された場合の例を示している。図７（ｂ）と同様に、最大スペクトルによるマスキングによりユニットＵｋ＋１以上のスペクトルは完全にマスクされている。
【００３１】
再割当手段８は必要ビット数Ｓ１０８からレベルの高いスペクトルの上の周波数のビット数が零であることを判断し、更に最大スペクトルのレベルが０ｄＢであるので、このスペクトルの上の周波数の例えば８本のスペクトルに余剰ビットの再配分を行う。これによって図２（ｄ）に示すように、ユニットＵｋ＋１とユニットＵｋ＋２のスペクトルが符号化信号Ｓ１０６として符号化される。この例のように正弦波のような集中スペクトルを基本とする信号は、時間周波数変換された後のスペクトル本数が比較的少なく割当てビットに余裕が出ることが多い。この符号化信号Ｓ１０６を復号化することにより、入力信号Ｓ１０１をほぼ復元できる。
【００３２】
以上のように、第１の実施形態によれば、必要ビット割当手段７によって得られた必要ビット数Ｓ１０８に対して再割当手段８でレベルの高いスペクトルの上又は下の周波数におけるレベルに応じた本数のスペクトルの割当ビットに再割当てを行うことによって、符号化音質を損なうことなく、効果的に物理特性を向上することができる。
【００３３】
つぎに、本発明の第２の実施形態による信号符号化装置のブロック図を図３に示す。図３において、１は時間周波数変換手段、２はスケールファクタ算出手段、３は正規化手段、４は量子化手段、５はマルチプレクス手段、７は必要ビット割当手段、８は再割当手段である。
【００３４】
時間周波数変換手段１は時間軸信号である入力信号Ｓ１０１を離散コサイン変換のような直交変換を用いて周波数軸のスペクトル信号Ｓ１０２に変換する。時間周波数変換手段１は、クオドラチャ・ミラー・フィルタのようなフィルタバンクによって入力信号Ｓ１０１をあらかじめ複数の帯域に分割し、それぞれの帯域で直交変換を行うものであってもよい。
【００３５】
スケールファクタ算出手段２はスペクトル信号Ｓ１０２を数本ずつのユニットにグルーピングしてそのユニット内のスペクトルの最大値をスケールファクタＳ１０３として出力する。１つのユニットに含まれるスペクトルの本数は、例えば聴覚モデルの臨界帯域幅にしたがって定められる。
【００３６】
正規化手段３はスペクトル信号Ｓ１０２をスケールファクタＳ１０３で正規化し、正規化スペクトルＳ１０４を出力する。正規化はユニット毎にそれぞれのスケールファクタＳ１０３で行われる。
【００３７】
必要ビット割当手段７はスペクトル信号Ｓ１０２から各ユニットの必要ビット数Ｓ１０８を決定する。従来の信号符号化装置と同様に、聴覚のマスキングモデルによって符号化に必要なビット数を決定する。この動作は従来の信号符号化装置と同様であるので説明は省略する。
【００３８】
再割当手段８は、スケールファクタＳ１０３に基づいて必要ビット数Ｓ１０８に再割当を行い再割当ビット数Ｓ１０７を出力する。各ユニット毎の必要ビット数Ｓ１０８の合計から算出したビットレートが符号化信号Ｓ１０６の転送ビットレートに対して余裕がある場合であって、スケールファクタＳ１０３のレベルが高いユニットの上又は下の周波数におけるユニットの必要ビット数が零又は少ない場合に、ユニットＵｋのスケールファクタＳ１０３のレベルに応じてレベルの高いときは多く、低いときには少ない上又は下の周波数のユニットにビットの再割当てを行う。
【００３９】
量子化手段４は正規化スペクトルＳ１０４を再割当ビット数Ｓ１０７で量子化し量子化スペクトルＳ１０５を出力する。
マルチプレクス手段５は再割当ビット数Ｓ１０７とスケールファクタＳ１０３と量子化スペクトルＳ１０５とから符号化信号Ｓ１０６を生成し出力する。
【００４０】
図４（ａ）〜（ｄ）に基づいて再割当手段８の動作を説明する。図４（ａ）は従来の信号符号化装置で説明した入力信号Ｓ１０１と周波数が同じで振幅が３０ｄＢ低い正弦波が入力された場合の例である。時間周波数変換手段１の動作は入力信号Ｓ１０１に対して線形であるので、図７（ｂ）のスペクトルがすべて３０ｄＢ下がったスペクトル信号となっている。図７（ｂ）と同様に、ユニットＵｋの最大スペクトルによるマスキングによりユニットＵｋ＋１以上のスペクトルは完全にマスクされている。
【００４１】
再割当手段８はスケールファクタＳ１０３と必要ビット数Ｓ１０８からレベルの高いユニットＵｋ内のスペクトルの上の周波数のビット数が零であることを判断し、更に図４（ａ）に示すように、ユニットＵｋのスケールファクタが−３０ｄＢであるので、このスペクトルの上の周波数の例えば１ユニットに余剰ビットの再配分を行う。これによって図４（ｂ）に示すように、ユニットＵｋ＋１のスペクトルが符号化信号Ｓ１０６として符号化される。
【００４２】
更に信号レベルが高ければ、より多くのスペクトルに余剰ビットの再配分を行う。その例を以下に説明する。図４（ｃ）は従来の信号符号化装置で説明した入力信号Ｓ１０１と同じ正弦波が入力された場合の例を示している。図７（ｂ）と同様に、ユニットＵｋの最大スペクトルによるマスキングによりユニットＵｋ＋１以上のスペクトルは完全にマスクされている。
【００４３】
再割当手段８は必要ビット数Ｓ１０８からレベルの高いユニットＵｋ内のスペクトルの上の周波数のビット数が零であることを判断し、更にユニットＵｋのスケールファクタが０ｄＢであるので、このスペクトルの上の周波数の例えば２ユニットに余剰ビットの再配分を行う。これによって図２（ｄ）に示すように、ユニットＵｋ＋１とユニットＵｋ＋２のスペクトルが符号化信号Ｓ１０６として符号化される。この符号化信号Ｓ１０６を復号化した場合、入力信号Ｓ１０１をほぼ復元できる。
【００４４】
以上のように、第２の実施例によれば、必要ビット割当手段７によって得られた必要ビット数Ｓ１０８に対して再割当手段８でレベルの高いユニットの上又は下の周波数におけるレベルに応じたユニット数の割当ビットに再割当てを行うことによって、符号化音質を損なうことなく、またスケールファクタを用いる簡単な処理で物理特性を向上することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、再割当手段が余剰ビットを効果的に再割当し、音質を劣化させずに物理特性を向上することができる信号符号化装置を提供することができる。音声信号以外の正弦波のような物理信号に対しても特性の優れた信号符号化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による信号符号化装置の構成を示すブロック図
【図２】図１の信号符号化装置における再割当手段の動作を説明するためのスペクトル図
【図３】本発明の第２の実施形態による信号符号化装置の構成を示すブロック図
【図４】図３の信号符号化装置における再割当手段の動作を説明するためのスペクトル図
【図５】従来の信号符号化装置の構成を示すブロック図
【図６】従来の信号符号化装置の動作を説明するための図
【図７】従来の信号符号化装置の動作を説明するための図
【図８】従来の信号符号化装置の割当ビット数の求め方を説明するための図
【符号の説明】
１  時間周波数変換手段
２  スケールファクタ算出手段
３  正規化手段
４  量子化手段
５  マルチプレクス手段
７  必要ビット割当手段
８  再割当手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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