(57)【要約】デジタル信号、特に、オーディオ信号を符号化する方法であり、信号の異なった周波数サブバンドの好ましいスケールファクタを予測する。トータルスケーリング値を計算するために、信号の周波数サブバンドの各々と関連した歪み閾値が変換係数とともに用いられ（各周波数サブ地域につき１つ）、これにより、所与のサブバンドの変換係数とそれぞれのトータルスケーリング値との積が、歪み閾値の対応する１つよりも小さくなる。オーディオ符号化の適用において、歪み閾値は、心理音響マスキングに基づく。本発明は、トータルスケーリング値を計算するために新規の近似値を用い得、この近似値は、対応する歪み閾値に基づいて第１の項を取得し、変換係数の和に基づいて第２の項を取得する。これらの項の両方は、ルックアップテーブルを用いて取得され得る。
2005534947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号を符号化するために用いられるスケールファクタを決定する方法であって、
複数の歪み閾値を該信号の複数の周波数スケールファクタバンドとそれぞれ関連付けるステップと、
複数のセットの変換係数（該周波数スケールファクタバンドごとに１つのセット）をもたらすように該信号を変換するステップと、
所与のスケールファクタバンドの変換係数と、該変換係数のそれぞれのトータルスケーリング値との積に基づいた予測された歪みが、該歪み閾値の対応する１つよりも小さくなるように、複数のトータルスケーリング値（該周波数スケールファクタバンドごとに１つ）を計算するステップと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記信号はデジタル信号であり、アナログ信号を該デジタル信号に変換するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記関連付けるステップは、心理音響マスキングに基づく歪み閾値を用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記計算するステップは、
所与の周波数スケールファクタバンドについて、対応する歪み閾値に基づいて第１の項を取得するステップと、
前記変換係数の和に基づいて第２の項を取得するステップと
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の項は、第１のルックアップテーブルから取得され、
前記第２の項は、第２のルックアップテーブルから取得される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
特定の周波数スケールファクタバンドの所与のトータルスケーリング値Ａｓｆｂは、等式
Ａｓｆｂ＝２［４／（９ＢＷｓｆｂ）］２／３＊（１／Ｍｓｆｂ）２／３＊（Σｘｉ）１／３
により計算され、ここで、ＢＷｓｆｂは、該特定の周波数スケールファクタバンドのバンド幅であり、Ｍｓｆｂは、対応する歪み閾値であり、Σｘｉは、該特定のスケールファクタバンドの該変換係数すべての和である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記トータルスケーリング値の１つを最小非ゼロ値として識別するステップと、
それぞれの複数のスケールファクタ（各スケールファクタバンドに１つ）をもたらすために、該最小非ゼロ値を用いて、該トータルスケーリング値の少なくとも１つを正規化するステップと
をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
グローバル利得係数を前記最小非ゼロ値に設定するステップと、
該グローバル利得係数および前記スケールファクタを用いて前記変換係数を再量子化するステップと
をさらに包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記量子化するステップのために必要とされるビット数をコンピュータ計算するステップと、
該必要とされるビット数を利用可能な所定のビット数と比較するステップと
をさらに包含する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記比較するステップは、前記必要とされるビット数が、前記利用可能な所定のビット数よりも大きくなることを確立し、該比較するステップは、
該グローバル利得係数を低減するステップと、
該低減されたグローバル利得係数および前記スケールファクタを用いて前記変換係数を量子化するステップと
をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
オーディオ信号をコード化する方法であって、
該オーディオ信号の複数の周波数スケールファクタを識別するステップと、
複数の歪み閾値を、該オーディオ信号の該複数の周波数スケールファクタバンドとそれぞれ関連付けるステップであって、該歪みのレベルは心理音響マスクに基づく、ステップと、
複数の変換係数（該周波数スケールファクタバンドごとに１つ）をもたらすために該オーディオ信号を変換するステップと
該歪み閾値および該変換係数に基づいて、複数のトータルスケーリング値（該周波数スケールファクタバンドの各々につき１つ）を計算するステップと、
それぞれの複数のスケールファクタ（スケールファクタバンドごとに１つ）をもたらすために、該トータルスケーリング値の最小非ゼロの１つを用いて該トータルスケーリング値の少なくとも１つを正規化するステップと、
グローバル利得係数を該最小非ゼロのトータルスケーリング値に設定するステップと、
出力ビットストリームをもたらすために、該グローバル利得ファクタおよび該スケールファクタを用いて該変換係数を量子化するステップと、
該量子化するステップから必要とされるビット数をコンピュータ計算するステップと、
必要とされる該ビット数を利用可能な所定のビット数と比較するステップと、
該出力ビットストリームをフレームにパックするステップと
を包含する方法。
【請求項１２】
前記計算するステップは、対応する歪み閾値に基づいて、ルックアップテーブルから１つの項を取得するステップを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記計算するステップは、前記変換係数の和に基づいてルックアップテーブルから１つの項を取得するステップを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
特定の周波数スケールファクタバンドの所与のトータルスケーリング値Ａｓｆｂは、等式
Ａｓｆｂ＝２［４／（９ＢＷｓｆｂ）］２／３＊（１／Ｍｓｆｂ）２／３＊（Σｘｉ）１／３
により計算され、ここで、ＢＷｓｆｂは、特定の周波数スケールファクタバンドのバンド幅であり、Ｍｓｆｂは、対応する歪み閾値であり、Σｘｉは、特定の周波数スケールファクタバンドの変換係数すべての和である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
信号を符号化するデバイスであって、
複数の歪み閾値を該信号の複数の周波数スケールファクタバンドと関連つける手段と、
複数の変換係数（該周波数スケールファクタごとに１つ）をもたらすために、該信号を変換する手段と、
所与のスケールファクタバンドの変換係数と、該変換係数のそれぞれのトータルスケーリング値との積に基づいて予測された歪みが、該歪み閾値の対応する１つよりも小さくなるように、複数のトータルスケーリング値（該周波数スケールファクタバンドごとに１つ）を計算する手段と
を備える、デバイス。
【請求項１６】
特定の周波数スケールファクタバンドの所与のトータルスケーリング値Ａｓｆｂは、等式
Ａｓｆｂ＝２［４／（９ＢＷｓｆｂ）］２／３＊（１／Ｍｓｆｂ）２／３＊（Σｘｉ）１／３
により計算され、ここで、ＢＷｓｆｂは、特定の周波数スケールファクタバンドのバンド幅であり、Ｍｓｆｂは、対応する歪み閾値であり、Σｘｉは、該特定のスケールファクタバンドの該変換係数すべての和である、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
それぞれの複数のスケールファクタ（スケールファクタバンドごとに１つ）をもたらすために、前記トータルスケーリング値の最小非ゼロの値を用いて、該トータルスケーリング値の少なくとも１つを正規化する手段をさらに包含する、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
オーディオエンコーダは、
オーディオ信号を受信するための入力と、
該オーディオ信号の複数の周波数スケールファクタバンドに複数の歪み閾値をそれぞれ提供する心理音響マスクと、
該オーディオ信号を演算して複数の変換係数（該周波数スケールファクタバンドごとに１つ）をもたらす周波数変換と、
複数のトータルスケーリング値（該周波数スケールファクタバンドごとに１つ）を計算して、これにより、所与のスケールファクタバンドの変換係数と該変換係数のそれぞれのトータルスケーリング値との積に基づいて予測された歪みを、該歪み閾値の対応する１つよりも小さくする、量子化器と
を備える、オーディオエンコーダ。
【請求項１９】
所与の周波数スケールファクタバンドのトータルスケーリング値を計算するために、前記量子化器は、対応する歪み閾値に基づいて第１の項を取得し、かつ、前記変換係数の和に基づいて第２の項を取得する、請求項１８に記載のオーディオエンコーダ。
【請求項２０】
前記第１の項は、第１のルックアップテーブルから取得され、
前記第２の項は、第２のルックアップテーブルから取得される、請求項１８に記載のオーディオエンコーダ。
【請求項２１】
特定の周波数スケールファクタバンドの所与のトータルスケーリング値Ａｓｆｂは、等式
Ａｓｆｂ＝２［４／（９ＢＷｓｆｂ）］２／３＊（１／Ｍｓｆｂ）２／３＊（Σｘｉ）１／３
により計算され、ここで、ＢＷｓｆｂは、特定の周波数スケールファクタバンドのバンド幅であり、Ｍｓｆｂは、対応する歪み閾値であり、Σｘｉは、特定のスケールファクタの変換係数すべての和である、請求項１８に記載のオーディオエンコーダ。
【請求項２２】
前記量子化器は、それぞれの複数のスケールファクタ（スケールファクタバンドごとに１つ）をもたらすために、前記総スケール値の最小非ゼロの値を用いて、該トータルスケーリング値すべてを正規化する、請求項１８に記載のオーディオエンコーダ。
【請求項２３】
前記量子化器は、グローバル利得係数を前記最小非ゼロ値に設定し、かつ、該グローバル利得係数および前記スケールファクタを用いて、前記変換係数を量子化する、請求項２２に記載のオーディオエンコーダ。
【請求項２４】
前記量子化器は、前記量子化するステップのために必要とされるビット数を利用可能な所定のビット数とさらに比較する、請求項２３に記載のオーディオエンコーダ。
【請求項２５】
前記量子化器は、前記グローバル利得係数をさらに低減し、かつ、前記必要とされるビット数が、利用可能な所定のビット数よりも大きいという決定に応答して、該低減されたグローバル利得係数および前記スケールファクタを用いて、前記変換係数を量子化する、請求項２４に記載のオーディオエンコーダ。
【請求項２６】
コンピュータプログラム製品であって、
コンピュータ読み出し可能格納媒体と、
該信号の変換係数および各周波数スケールファクタバンドの歪み閾値を用いて、信号の異なった周波数スケールファクタバンドと関連した複数のトータルスケーリング値を計算して、所与のスケールファクタの変換係数と該変換係数のそれぞれのトータルスケーリング値との積が、該歪み閾値の対応する１つよりも小さくするために該格納媒体に格納されたプログラム命令と
を備える、コンピュータプログラム製品。
【請求項２７】
前記プログラム命令は、前記信号の周波数変換をさらに実行して前記変換係数をもたらす、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２８】
前記プログラム命令は、心理音響マスクに基づいた前記歪み閾値をさらに提供する、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２９】
前記プログラム命令は、対応する歪み閾値に基づいて第１の項を取得し、該変換係数の和に基づいて第２の項を取得することによって、所与の周波数スケールファクタバンドのトータルスケーリング値を計算する、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３０】
前記プログラム命令は、第１のルックアップテーブルから第１の項を取得し、第２のルックアップテーブルから第２の項を取得する、請求項２９に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３１】
前記プログラム命令は、特定の周波数スケールファクタバンドの所与のトータルスケーリング値Ａｓｆｂを等式
Ａｓｆｂ＝２［４／（９ＢＷｓｆｂ）］２／３＊（１／Ｍｓｆｂ）２／３＊（Σｘｉ）１／３
により計算し、ここで、ＢＷｓｆｂは、特定の周波数スケールファクタバンドのバンド幅であり、Ｍｓｆｂは、対応する歪み閾値であり、Σｘｉは、該特定のスケールファクタバンドの変換係数すべての和である、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３２】
前記プログラム命令は、前記トータルスケーリング値の１つを最小非ゼロ値としてさらに識別し、かつ、該最小非ゼロ値を用いて該トータルスケーリング値すべてを正規化して、それぞれの複数のスケールファクタ（スケールファクタバンドごとに１つ）をもたらす、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３３】
前記プログラム命令は、グローバル利得係数を前記最小非ゼロ値にさらに設定し、かつ、該グローバル利得係数および前記スケールファクタを用いて、前記変換係数を量子化する、請求項３２に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３４】
前記プログラム命令は、前記量子化するために必要とされるビット数をさらに計算し、かつ、該必要とされるビット数を利用可能な所定のビット数と比較する、請求項３３に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３５】
前記比較するステップは、前記必要とされるビット数が、前記利用可能な所定のビット数よりも大きく、前記プログラム命令は、該グローバル利得係数をさらに低減し、該低減されたグローバル利得係数および前記スケールファクタを用いて前記変換係数を量子化する、請求項３４に記載のコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概して、デジタル処理、特に、オーディオ符号化およびデコーディングに関し、より具体的には、心理音響ベースの圧縮を用いてオーディオ信号を符号化および復号する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の記載）
複数のオーディオ符号化技術が、心理音響法を用いて、知覚的に透明な様式でオーディオ信号をコード化する。ヒト聴覚の解剖学的構造（ｈｕｍａｎ  ａｕｄｉｔｏｒｙ  ａｎａｔｏｍｙ）の有限時間周波数分解能に基づいて、耳は、刺激に存在する制限された量の情報しか知覚できない。従って、知覚した再構成された信号の品質を犠牲にすることなく、その情報を効果的に切り捨てて、オーディオ信号の部分を圧縮またはフィルタリングアウトすることが可能である。
【０００３】
心理音響的圧縮を用いるあるオーディオエンコーダは、ＭＰＥＧ−１  Ｌａｙｅｒ３（「ＭＰ３」とも呼ばれる）である。ＭＰＥＧは、Ｍｏｖｉｎｇ  Ｐｉｃｔｕｒｅｓ  Ｅｘｐｅｒｔ  Ｇｒｏｕｐの頭文字であり、デジタルで符号化されたオーディオおよびビデオ（動画）データを伝送するためのグローバルガイドラインを策定するために設立された業界標準規格制定機関である。ＭＰ３符号化は、ＩＳＯ／ＩＥＣ１１１７２−３「Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−Ｃｏｄｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｏｖｉｎｇ  Ｐｉｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ａｕｄｉｏ  ｆｏｒ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｍｅｄｉａ  ａｔ  ｕｐ  ｔｏ  ａｂｏｕｔ  １．５Ｍｂｉｔ／ｓ」に記載され、この記載は、参考のため、本明細書中にその全体が援用される。現在、ＭＰＥＧ１標準規格には、オーディオ符号化の３つの「レイヤ」がある。この規格は、３２、４４．１および４８ｋＨｚの３つのサンプリングレート、ならびに３２と３８４ｋｂｉｔｓ／ｓｅｃとの間の出力ビットレートをサポートする。伝送はモノ、デュアルチャネル（例えば、バイリンガル）、ステレオ、または（左チャネルと右チャネルとの間の冗長性または相関関係が利用され得る）ジョイントステレオであり得る。
【０００４】
ＭＰＥＧレイヤ１は、エンコーダが最も複雑でなく、３２サブバンド多相解析フィルタバンク、および、心理音響モデルの５１２ポイント高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いる。ＭＰＥＧレイヤ１のチャネルごとの最適ビットレートは、少なくとも１９２ｋｂｉｔｓ／ｓｅｃである。典型的な圧縮率（ステレオ信号の）は、約４倍である。ＭＰＥＧレイヤ１の最も一般的な応用分野は、デジタルコンパクトカセット（ＤＣＣ）である。
【０００５】
ＭＰＥＧレイヤ２は、エンコーダが中程度に複雑であり、心理音響モデルの１０２４ポイントＦＦＴを用い、かつ副次的情報をより効率的に符号化する。ＭＰＥＧレイヤ２のチャネルごとの最適ビットレートは、少なくとも１２８ｋｂｉｔｓ／ｓｅｃである。典型的なデータ圧縮率（ステレオ信号の）は、約６〜８倍である。ＭＰＥＧレイヤ２の一般的な応用分野は、ビデオコンパクトディスク（Ｖ−ＣＤ）およびデジタルオーディオブロードキャストを含む。
【０００６】
ＭＰＥＧレイヤ３は、エンコーダが高度に複雑であり、周波数を増加させた分解能のすべてのサブバンドに周波数の変換を適用して、可変のビットレートを可能にする。レイヤ３（レイヤＩＩＩと呼ばれることもある）は、ＭＵＳＩＣＡＭおよびＡＳＰＥＣの両方の属性を組み合わせる。コード化されたビットストリームは、ＣＲＣ（巡回冗長検査）により埋め込まれた誤差検出コードを提供し得る。アルゴリズムの符号化およびデコーディングは、非対称であり、すなわち、エンコーダは、より複雑であり、計算がデコーダよりも高価である。ＭＰＥＧ３のチャネルごとの最適ビットレートは、少なくとも６４ｋｂｉｔ／ｓｅｃである。通常のデータ圧縮率（ステレオ信号の）は、約１０〜１２倍である。ＭＰＥＧレイヤ３の一般的な応用分野は、例えば、サービス総合デジタル通信網（ＩＳＤＮ）を用いる高速ストリーミングである。
【０００７】
これらのＭＰＥＧ−１レイヤの各々を示す規格は、コード化されたビットストリームのシンタクスを明確にし、デコーディングプロセスを規定し、かつ、デコーディングプロセスの精度を評価するコンプライアンス試験を提供する。しかしながら、特定のデコーディングプロセスによって復号され得る有効ビットストリームを生成するべきであることを除いて、符号化プロセスに対するＭＰＥＧ−１コンプライアンスの要求はない。システム設計者は、比較的広い規格の範囲内にとどまるかぎりにおいて、他のフィーチャまたは実現を自由に追加することができる。
【０００８】
ＭＰ３アルゴリズムは、マルチメディア応用分野、格納応用分野、およびインターネットを介した伝送の事実上の標準になっている。ＭＰ３アルゴリズムは、一般化したポータブルデジタルプレーヤにも用いられている。ＭＰ３は、ヒトの耳で検出され得ないオーディオ信号の部分を除去することによって、ヒト聴覚系の限界を利用する。特に、ＭＰ３は、聴覚マスキングの存在下での量子化ノイズ検出するために、ヒトの耳の能力限界（ｉｎａｌｉｂｉｔｙ）を利用する。ＭＰ３オーディオコーダ／デコーダ（コーデック）の非常に基本的な機能ブロック図が図１Ａおよび図１Ｂに示される。
【０００９】
アルゴリズムは、データのブロック上で動作する。エンコーダ１への入力オーディオストリームは、通常、ナイキストの定理が必要とするように、もとのアナログソースの最高周波数でか、または、３倍以上でサンプリングされるＰＣＭ（ｐｕｌｓｅ−ｃｏｄｅ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）信号である。データブロックにおけるＰＣＭサンプルは、解析フィルタバンク２および知覚モデル３に供給される。フィルタバンク２は、データを複数の周波数サブバンドに分割する（ＭＰ３については、周波数でレイヤ２によって用いられるものに対応する３２個のサブバンドがある）。各スケールファクタバンド（スケールファクタバンドは、ヒト聴力の臨界バンドを表す変換係数の分類である）のマスキング閾値に対する信号エネルギーの比率を決定するために、知覚モデル３によってＰＣＭサンプルの同じデータブロックが用いられる。マスキング閾値は、用いられる特定の心理音響モデルにより設定される。知覚モデルは、さらに、短時間または長時間窓を用いて、変形離散余弦波変換（ＭＤＣＴ）等の後続の変換が適用されるかどうかを決定する。各サブバンドは、さらに、細分割され得、ＭＰ３は、ＭＤＣＴを用いて、３２個のサブバンドの各々を１８個の変換係数に細分割して、合計５７６個の変換係数にする。知覚モデルおよび利用可能なビット（すなわち、ターゲットビットレート）により提供されたマスキング比率に基づいて、ビット／ノイズ割り当て、量子化およびコーディングユニット４が、種々の変換係数にビットを繰返し割り当て、これにより、量子化ノイズの可聴性を低減する。これらの量子化されたサブバンドサンプルおよび副次的情報は、エントロピーコーディングを用いるビットパッカー５によってコード化されたビットストリーム（フレーム）にパックされる。補助的データが、フレームにさらに挿入され得るが、このようなデータは、オーディオ符号化に専用であり得るビット数を低減する。フレームは、さらに、ヘッダおよびＣＲＣチェックビット等の他のビットを含み得る。
【００１０】
図１Ｂに見られるように、符号化されたビットストリームは、デコーダ６に送信される。フレームは、任意の補助的データおよび副次的情報を削除するビットストリームアップパッカー７によって受信される。符号化されたオーディオビットは、量子化されたサブバンド値を解読および抽出する周波数サンプル復元ユニット８に転送される。その後、ＰＣＭ信号に値を戻すために合成フィルタバンク９が用いられる。
【００１１】
図２は、ＩＳＯ／ＩＥＣ１１１７２〜３により規定されるように、ビット／ノイズ割り当て、量子化およびコーディングユニット４によってサブバンド値が決定される態様をさらに示す。最初に、１単位（１．０）のスケールファクタが、ブロック１０の各スケールファクタバンドに設定される。変換係数は、例えば、ＭＤＣＴを用いてブロック１１のアナログサンプルの周波数領域変換によって提供される。初期スケールファクタは、その後、ブロック１２にて各スケールファクタバンドの変換係数にそれぞれ適用される。グローバル利得係数は、その後、ブロック１３にて、可能な最大値に設定される。特定のスケールファクタバンドの全利得は、特定のスケールファクタバンドのスケールファクタと組み合わされたグローバル利得である。ブロック１４にて、スケールファクタバンドの各々にグローバル利得が適用され、ブロック１５にて、量子化プロセスは、その後、スケールファクタバンドごとに実行される。量子化は、各増幅された変換係数を最も近い整数に丸める。ブロック１６において、通常、ハフマン符号化に基づいて、量子化値を必然的に符号化するビット数を決定するために計算が実行される。例えば、１２８ｋｂｐのターゲットビットレート、および４４．１ｋＨｚのサンプリング周波数で、ステレオ圧縮ＭＰ３フレームは、利用可能な約３３４４ビットを有し、そのうちの３０５６がオーディオ信号符号化のために用いられ得る一方で、残りはヘッダおよび副次的情報のために用いられる。必要とされるビット数がブロック１７において決定された利用可能な数よりも大きい場合、ブロック１８においてグローバル利得が低減される。プロセスは、その後、ブロック１４で反復的に開始することを繰返す。この第１の、または「内側」ループは、利用可能なビット数と一致する適切なグローバル利得係数が確立されるまで繰返す。
【００１２】
一旦内側ループによって適切なグローバル利得係数が確立されると、ブロック１９にて、各スケールファクタバンドの歪み（ｓｆｂ）が計算される。ブロック２０に見られるように、歪み値が、例えば、ＩＳＯ／ＩＥＣ１１１７２〜３に記載されるように、心理音響モデル２等の知覚モデル３のマスクが用いられることによって設定されるそれぞれの閾値よりも小さい場合、量子化／割り当てプロセスは、ブロック２２にて完了し、ビットストリームは、伝送のためにパックされ得る。しかしながら、任意の歪み値がそれぞれの閾値よりも大きい場合、ブロック２１にて、対応するスケールファクタを大きくし、全プロセスがステップ１２で反復的に開始することを繰返す。この第２の、または「外側」ループは、すべてのスケールファクタバンドについて適切な歪み値が計算されるまで繰返す。外側ループの再実行は、必然的に、内側の入れ子になったループも再実行させる。換言すると、前の反復において内側ループによってグローバル利得係数がすでに計算されたとしても、このファクタは、外側ループが繰返したときに廃棄され、ステップ１３にて、グローバル利得係数が最大値にリセットされる。このようにして、レイヤＩＩＩエンコーダ１は、各サブバンドに正しいビット数のみを割り当てて、所与のビットレートで知覚的透明性を維持することによってスペクトル値を量子化する。
【００１３】
外側ループが歪み制御ループとして知られる一方で、内側ループは、レート制御ループとして知られている。歪み制御ループは、各スケールファクタバンドのスケールファクタを適用することによって量子化ノイズを形成する一方で、内側ループは、グローバル利得を調整し、これにより、量子化値が利用可能なビットを用いて符号化され得る。量子化におけるビット／ノイズの割り当てに関するこのアプローチは、いくつかの問題を引き起こす。これらの問題の中で第１に取り組むべきものは、ループの反復的性質が原因で、コンピュータ計算を実行するために、特に、ループが入れ子になっているために、過度な処理電力が必要とされることである。さらに、スケールファクタを大きくすることによって、量子化プロセスにともなう丸み誤差のために、さらに、所与のスケールファクタが単一のスケールファクタバンドにおける複数の変換係数に適用されるために、ノイズは常に低減されるわけではない。さらに、プロセスが反復したとしても、このプロセスは、収束解法（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を用いない。従って、必要とされ得る反復の数が制限されない（リアルタイムの実現については、プロセスは、時間切れによって管理される）。このコンピュータ計算が集中的なアプローチは、さらに、電子デバイスにおいてより多くの電力を消費する結果をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、スケールファクタの計算の過剰な反復を必要としない周波数領域値を量子化する改善された方法を考案することが望ましい。この方法が、ハードウェエアまたはソフトウェア上で容易に実現され得るならばさらに有利である。
【００１５】
従って、本発明の１つの目的は、デジタル信号を符号化する改善された方法を提供することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、心理音響モデルを用いてデジタルビットストリームを圧縮して、オーディオ信号を符号化する改善された方法を提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、オーディオ信号を量子化するために用いられる好ましいスケールファクタを予測する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の目的は、信号を符号化するために用いられるスケールファクタを決定する方法およびデバイスで達成され、この方法は、概して、複数の歪み閾値を信号のそれぞれの複数の周波数サブバンドに関連付けるステップと、複数の変換係数（周波数サブバンドごとに１つ）をもたらすように信号を変換するステップと、複数のトータルスケーリング値（周波数サブバンドごとに１つ）を計算して、これにより、所与のサブバンドの変換係数とそれぞれのトータルスケーリング値との積が、歪み閾値の対応する１つよりも小さくなる、ステップとを包含する。この方法およびデバイスは、アナログソースから発信され得るオーディオ信号を処理する際に特に有用であり、この場合、アナログ信号は、最初に、デジタル信号に変換される。このようなオーディオ符号化応用分野において、歪み閾値は、心理音響マスキングに基づく。
【００１９】
ある実装例において、本発明は、トータルスケーリング値を計算するために新規の近似値を用いる。これは、対応する歪み閾値に基づいて第１の項を取得し、変換係数の和に基づいて第２の項を取得する。これらの項の両方が、ルックアップテーブルを用いて取得され得る。特定の周波数の所与のトータルスケーリング値Ａｓｆｂの計算において、この方法およびデバイスは、特定の数式
Ａｓｆｂ＝２［４／（９ＢＷｓｆｂ）］２／３＊（１／Ｍｓｆｂ）２／３＊（Σｘｉ）１／３
を用い得、ここで、
ＢＷｓｆｂは、特定の周波数サブバンドのバンド幅であり、Ｍｓｆｂは、対応する歪み閾値であり、Σｘｉは、すべての変換係数の和である。トータルスケーリング値は、トータルスケーリング値の１つを最小非ゼロ値と識別し、かつ、正規化を実行するためにその最小非ゼロ値を用いることによって、サブバンドごとに１つ、それぞれ複数のスケールファクタをもたらすように正規化され得る。信号の符号化は、さらに、この最小非ゼロ値にグローバル利得係数をセットするステップと、グローバル利得係数およびスケールファクタを用いて変換係数を量子化するステップとを包含する。量子化のために必要とされるビット数がコンピュータ計算され、かつ、利用可能なビットの所定の数と比較される。必要なビット数が、利用可能なビットの所定の数よりも大きい場合、グローバル利得係数が低減され、かつ、変換係数が、低減されたグローバル利得係数およびスケールファクタを用いて最量子化される。
【００２０】
本発明の上述およびさらなる目的、特徴、および有利な点は、以下の詳細な説明において明らかになる。
【００２１】
本発明は、添付の図面を参照することによって、より良好に理解され得、その目的、特徴、および有利な点が当業者に明らかになる。
【００２２】
異なった図面における同じ参照符号は、類似または同一のアイテムを示すために用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（関連実施形態の説明）
本発明は、デジタル信号、特に、心理音響法を用いて圧縮され得るオーディオ信号を符号化する改善された方法に関する。本発明は、オーディオ信号におけるサブバンドごとに最適または好ましいスケールファクタを予測することを試みるフィードフォワード技法を利用する。本発明の予測メカニズムを理解するために、量子化プロセスを再検討することが有用である。以下の記載は、ＭＰ３フレームワークについて提供されるが、本発明は限定的でなく、当業者は、予測メカニズムが、異なった周波数サブバンドに対してスケールファクタを利用する他のデジタル符号化技術で実現され得ることを理解する。
【００２４】
概して、量子化されるべき変換係数ｘは、最初、０と１（０，１）との間の値である。Ａが、量子化の前にｘに適用されるトータルスケーリングである場合、Ａの値は、プリエンファシス、スケールファクタスケーリング、およびグローバル利得を含む変換係数に対して適用されるトータルスケーリングの合計である。これらの用語は、ＩＳＯ／ＩＥＣ標準１１１７２−３を参照することによって、より理解され得る。一旦スケーリングが適用されると、スケール値をその３／４乗に上昇させた後に、非線形量子化が実行される。従って、最終の量子化値ｉｘは、
ｉｘ＝ｎｉｎｔ［（Ａｘ）３／４］であり、ここで、
Ａ＝２［ｇｇ／４）＋ｓｆ＋ｐｅ］であり、
ｇｇ＝グローバル利得係数であり、
ｓｆ＝スケールファクタ指数であり、
ｐｅ＝プリエンファシス指数であり、かつ
ｎｉｎｔ（）最も近い整数演算である。
と表され得る。
【００２５】
上述の等式は、実装例の本質を歪めることなく利用され得るＩＳＯ／ＩＥＣ１１１７２−３仕様からの等式を単純化したものである。
【００２６】
ｉｘの値は、その後、符号化され、スケーリングファクタＡと共にデコーダに送信される。デコーダにおいて逆演算が実行され、変換係数がｘ’［（ｉｘ）４／３］／Ａとして回復される。
【００２７】
本発明は、スケール化された領域における量子化のために生じ得る最大ノイズが０．５（スケール値を最も近い整数に丸める際の可能な最大誤差）であるという事実の利点を利用する。この観測は、等式
ｍａｘ｛ａｂｓ［ｉｘ−（Ａｘ）３／４］｝＝０．５
により表され得る。
【００２８】
適切なスケールファクタを予測するために、この等式で逆演算が実行され得る。ワーストケース（歪みが０．５）を考慮に入れ、かつ、ｙ＝（Ａｘ）３／４を定義した場合、ｉｘ＝ｙ＋０．５である。（ｙ＋０．５）４／３とｙ４／３との間の差がコンピュータ計算され得る。テーラー級数近似によって、
（ｙ＋０．５）４／３＝ｙ４／３＋（４／３）（０．５）ｙ１／３＋（４／９）（０．５）２ｙ−２／３＋．．．である。
【００２９】
高次項を無視して、この等式は、
（ｙ＋０．５）４／３−ｙ４／３＝（４／３）（０．５）ｙ１／３＝（２／３）ｙ１／３＝（２／３）（Ａｘ）１／４
と書き換えられ得る。
【００３０】
変換係数領域における最大誤差（ｅ）を取得するために、この差が１／Ａによってスケールされ
ｅ＝［（ｙ＋０．５）４／３−ｙ４／３］／Ａ＝（２／３）ｘ１／４Ａ−３／４
となる。
【００３１】
スケールファクタにおける平均歪みを見つけ出すために、変換係数ごとの歪みが二乗され、合計され、かつそのバンドにおける係数の数で全体が除算される。従って、スケールファクタバンドの最大平均歪みが
Ｅ＝［（２／３）２Ａ−３／２／ＢＷｓｆｂ］＊Σｘｉ１／２
と書かれ得、ここで、ＢＷｓｆｂは、特定のスケールファクタバンドのバンド幅である（このバンド幅は、所与のスケールファクタバンドにおける変換係数の数である）。スケールファクタバンドごとの許容される最大の歪みが既知であり（心理音響モデルからのＭｓｆｂ）、かつ、変換係数の値が既知であるので、許容最大ノイズにアプローチするために、ノイズを形成するために必要とされるトータルスケーリング（Ａ）の値が導出され得る。従って、特定のスケールファクタバンドのＡの値が
Ａｓｆｂ＝｛［４／（９ＭｓｆｂＢＷｓｆｂ）］＊Σｘｉ１／２｝２／３
とコンピュータ計算され、これは
Ａｓｆｂ＝｛［４／（９ＭｓｆｂＢＷｓｆｂ）］２／３＊２（Σｘｉ）１／３＝２［４／（９ＢＷｓｆｂ）］２／３＊（２／Ｍｓｆｂ）２／３＊（Σｘｉ）１／３
と近似化され得る。しかしながら、Ａｓｆｂは、１．０の最小値で制限される。この等式は、実際に良好に機能する発見的近似値を表す。この最後の等式において、第１の項は、一定値であり、第２の項は、テーブルでルックアップされ得、第３の項は、変換係数の追加を含み、別のテーブルでのルックアップが後続することに留意されたい。従って、この計算技術は、非常に簡単に（かつ安価で）実現できる。このスケールファクタは、許容可能な歪みおよび実際の信号エネルギーに基づいて予測される。
【００３２】
一旦Ａｓｆｂの値がすべてのスケールファクタバンドについて導出されると、これらは、導出された値（これらは非ゼロである。なぜなら、Ａｓｆｂは１の最小値で制限されるからである）のすべての最小値に対して正規化され得る。正規化は、各スケールファクタバンドがグローバル増幅、すなわち、スケールファクタそれ自体を実行する前に増幅されるべき場合に用いられる値を提供する。すべての導出されたＡ値の最小値は、グローバル利得である。この最初に決定されたグローバル利得がビット定数を満たす場合、すべてのスケールファクタバンドにおける歪みは、許容値よりも小さいことが保証される。
【００３３】
上述の解析は、各量子化された出力において０．５のワーストケース誤差が０．２５の次数により近いことが示され得、これは、わずかに異なったコンピュータ計算に導き得る。スケールファクタは、ビット定数が満たされるまで、まだ１つずつ減らされ得る。予測されたスケールファクタが最適でないかもしれないが、これらは、従来技術で実施される、１単位の初期スケールファクタ値（ゼロスケーリング）を用いるよりも統計的により好ましい。
【００３４】
ここで、図３を参照して、本発明のある実装例による論理フローチャートが示される。プロセスは、ブロック３０にて、アナログサンプルの周波数領域変換（例えば、ＭＤＣＴ）によって提供される変換係数を受け取ることによって、および、ブロック３１にて、心理音響モデルによって提供された所定のマスキング閾値を受け取ることによって開始する。アナログサンプルは、例えば、アナログデジタル変換器によってデジタル化され得る。ブロック３２にて、これらの値は、上述の等式に代入され、各スケールファクタバンドについて必要とされる最小スケーリング（Ａｓｆｂ）を見出し、これにより、所与のバンドの歪みが対応するマスク値よりも小さくなる。ブロック３３にて、他のトータルスケーリング値を正規化し、かつ、スケールファクタをもたらすために用いられる最小スケーリング値を見出すために、トータルスケーリング値Ａｓｆｂの各々（ＭＰ３については、２１のスケールファクタバンド）が調べられる。ブロック３４にて、これらのスケールファクタは、その後、サブバンドごとに変換係数にそれぞれ適用される。ブロック３５において、グローバル利得指数が、その後、最小Ａｓｆｂ値に対応するように設定される。ブロック３６において、サブバンドの各々にグローバル利得が適用され、ブロック３７において、各増幅された変換係数を最も近い整数に丸めることによって、量子化プロセスが、サブバンドごとに実行される。ブロック３８において、標準によって用いられるハフマン符号化技法に基づいたＭＰ３の量子化値を符号化するために必要なビット数を決定するために計算が実行される。ブロック３９において、必要とされるビット数が利用可能な数よりも大きい場合、グローバル利得指数は、ブロック４０にて１だけ低減される。プロセスは、ステップ３６で反復的に開始することを繰返す。このループは、利用可能なビット数と一致する適切なグローバル利得係数が確立されるまで繰返す。必要とされるビット数が利用可能な数よりも大きくない場合、このプロセスは終了する。
【００３５】
一旦適切なグローバル利得係数がこの（内側）ループによって確立されると、プロセスは完了する。換言すると、本発明は、「外側」ループ、および、各スケールファクタバンドの歪みの再計算を効果的に除去する。アプローチは、いくつかの利点を有する。このアプローチは、外側ループの反復を必要としないので、従来の符号化技法よりもはるかに高速であり、従って、必要とされる電力がより少ない。さらに、設定する初期グローバル利得（最小Ａｓｆｂ）に基づいて係数を量子化するために必要とされるビット数が、ビット定数内である場合、内側ループは反復すらせず、すなわち、プロセスは１回で完了し、符号化されたビットは、直ちに出力フレームにパックされ得る。
【００３６】
本発明の技術が従来の内側／外側（すなわち、レート／歪み）ループを構成した、図２に示される符号化技法等のエンコーダの符号化性能を強化するためにも用いられる。図４は、従来の内側／外側ループ技法の開始状態として予測されたスケールファクタおよびグローバル利得が用いられるこのような実装例を示す。従って、プロセスは、ブロック３０および３１で、心理音響モデルによって提供されたアナログサンプルの変換係数および所定のマスキング閾値を受け取ることによって開始する。ブロック３３にて、各スケールファクタバンドに必要とされる最小スケーリング（Ａｓｆｂ）が、所与のバンドの歪みが対応するマスク値よりも小さくなるように決定される。トータルスケーリング値（Ａｓｆｂ）の各々は、最小スケーリング値を見出すために調べられ、ブロック３３にて、これは、すべての他のトータルスケーリング地を正規化し、かつ、スケールファクタをもたらすために用いられる。ブロック３５にて、グローバル利得指数は、その後、最小Ａｓｆｂ値に対応するように設定される。ブロック３４にて、これらのスケールファクタは、各サブバンドの変換係数にそれぞれ適用され、ブロック３６にて、サブバンドの各々にグローバル利得が適用される。図４に示されるように、内側ループは、図２に示される最大値ではなく、最も最近計算されたグローバル利得を再利用する。
【００３７】
ブロック３７にて、量子化プロセスは、その後、各増幅された変換係数を最も近い整数に丸めることによって実行される。ブロック３８にて、量子化値を符号化するために必要なビット数を決定するために計算が実行され、ブロック３９において決定されたように、必要とされるビット数が利用可能な数よりも大きい場合、ブロック４０にて、グローバル利得数は、１だけ低減される。このプロセスは、その後、ステップ３６で反復的に開始することを繰返す。このループは、利用可能なビットの数と一致する適切なグローバル利得係数が確立されるまで繰返す。
【００３８】
必要とされるビット数が、ブロック３９にて決定された利用可能な数よりも大きくない場合、ブロック１９にて、各スケールファクタバンドの歪みが計算される。ブロック２０において決定された、用いられている知覚モデルのマスクによって設定されたそれぞれの閾値よりも閾値が小さい場合、量子化／割り当てプロセスが完了し、ビットストリームが伝送のためにパックされ得る。任意の歪み値がそれぞれの閾値よりも大きい場合、ブロック２１にて、対応するスケールファクタを大きくし、プロセス全体が、ステップ３４で反復的に開始することを繰返す。
【００３９】
この組み合わされたフィードフォワード／フィードバックは、収斂プロセスの改善された開始条件により、より良好な解（例えば、より少ない歪み）に高速で収斂する。
【００４０】
図５をさらに参照して、本発明は、ソフトウェアを介しても実現され、かつ、このようなコンピュータシステム５１等の種々のデータ処理システム上で実行され得る。この実施形態において、コンピュータシステム５１は、システムバス５５を介して複数のデバイスに接続される、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５６、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）５８、ＣＭＯＳ  ＲＡＭ６０、ディスケットコントローラ７０、シリアルコントローラ８８、キーボード／マウスコントローラ８０、ダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）コントローラ８６、ディスプレイコントローラ９８、およびパラレルコントローラ１０２を備えるＣＰＵ５０を有する。ＲＡＭ５６は、ソフトウェアプログラム（アプリケーションおよびオペレーティングシステム）を実行するプログラム命令およびオペランドデータを格納するために用いられる。ＲＯＭ５８は、取り付けられたデバイスを検出するために、電源投入中に、コンピュータによって主に用いられる情報を含み、これらを適切に初期化する（オペレーティングシステムを検索するファームウェアの実行を含む）。ディスケットコントローラ７０は、例えば、３  １／２「フロッピー（登録商標）」ドライブ等の取り外し可能ディスクドライブ７４に接続される。シリアルコントローラ８８は、電話通信用のモデム等のシリアルデバイス９２に接続される。キーボード／マウスコントローラ８０は、キーボード８２およびマウス８４を備えるユーザインターフェースデバイスに接続を提供する。ＤＭＡ８６は、デイレクトチャネルを介してメモリにアクセスを提供するために用いられる。ディスプレイコントローラ９８は、ビデオディスプレイモニタ９６をサポートする。パラレルコントローラ１０２は、プリンタ等のパラレルデバイス１００をサポートする。
【００４１】
コンピュータシステム５１は、業界標準アーキテクチャ（ＩＳＡ）バス、周辺機器相互接続（ＰＣＩ）バス、またはこれらの組み合わせ等の、別の相互接続バスを介してシステムバス５５に接続され得るいくつかの他のコンポーネントを有し得る。これらのさらなるコンポーネントは、相互接続バスのスロット６８に取り外し可能に挿入される「拡張」カードに提供され得る。コンピュータシステム５１は、持続性格納デバイス７２（すなわち、ハードディスクドライブ）をサポートするディスクコントローラ６６、コンパクトディスク（ＣＤ）リーダ７８を制御するＣＤ−ＲＯＭコントローラ７６、および、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）またはイーサネット（登録商標）といったネットワーク９４との通信を提供するネットワークアダプタ９０（イーサネット（登録商標）カード等）を備える。オーディオアダプタ１０４は、オーディオ出力デバイス（スピーカ）１０６に電力供給するために用いられ得る。
【００４２】
本発明は、上述の開示と合わせて、適切なプログラム命令をコンピュータ読み出し専用媒体（例えば、格納媒体または伝送媒体）に提供することによってデータ処理システム上で実現され得る。これらの命令は、取り外し可能磁気ディスク、ＣＤ、または持続性格納デバイス７２に格納されるプログラムに含まれ得る。これらの命令および任意の関連したオペランドデータは、ＲＡＭ５６にロードされ、ＣＰＵ５０によって実行される。例えば、ＣＤ−ＲＯＭアダプタ７６からの信号は、オーディオ伝送を提供し得る。この伝送は、ＲＡＭ５６およびＣＰＵ５０に供給され、ここで、上述のように、変換係数を計算し、好ましいスケールファクタを予測し、かつ、適切なトータル利得を計算するために解析される。これらの値は、その後、変換係数を量子化するために用いられ、符号化されたビットストリームを生成する。コンピュータシステム５１は、持続性格納デバイス７２上でＭＰ３ファイル等の連続的に符号化されたフレームを格納することによって音声表示を表す符号化されたファイルを生成するために用いられ得るか、あるいは、コンピュータシステム５１は、フレームを、ネットワークアダプタ９０等を介して単に他のロケーションに送信し得る（ストリーミングオーディオ）。
【００４３】
ここで、図６を参照して、本発明は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４１を含むデジタル信号処理システムで実現され得る。このような実装例において、ＤＳＰ４１は、通常、図３および図４に記載された符号化プロセスを実行するようにプログラムされる。あるいは、ＤＳＰ４１の回路は、特に、同じタスクを実行するように設計され得る。図６の実装例において、ＤＳＰ４１は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）４２および／またはデジタルインターフェースＳ−Ｐ／ＤＩＦポート４３から入力信号を受信する。ＤＳＰ４１の出力は、ＣＤ−ＲＯＭ４４、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）４５、またはフラッシュメモリ４６を含む種々のデバイスに提供され得る。
【００４４】
本発明は、特定の実施形態に関して記載されたが、この記載は、限定的な意味にとられることを意図しない。開示された実施形態の種々の改変、および本発明の代替的実施形態は、本発明の記載に関係する分野の当業者に明らかになる。例えば、本発明は、主に、オーディオデータの文脈で述べられたが、本発明が心理音響モデルを用いて圧縮され得るビジュアルデータにも適用可能であることを当業者は理解する。従って、添付の請求項に定義された本発明の主旨または範囲から逸脱することなく、このような改変がなされ得ることが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１Ａ】図１Ａは、副次的情報および補助的データを有する符号化されたオーディオビットを量子化およびパックして出力ビットストリームを生成する間にオーディオ信号を圧縮するために、心理音響モデルを用いるＭＰＥＧ−１レイヤ３等の従来技術の従来型デジタルオーディオエンコーダのハイレベルブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ＭＰＥＧ−１レイヤ３デコーダ等の図１Ａのエンコーダの出力ビットストリームを処理するように調整された従来技術の従来型デジタルオーディオデコーダのハイレベルブロック図である。
【図２】図２は、歪み制御ループとして外側反復ループ、および、レート制御ループとして内側（入れ子になった）反復ループを用いる従来技術による量子化プロセスの論理フローチャートであり、外側ループは、オーディオ信号の異なったサブバンドの適切なスケールファクタを確立し、内側ループは、オーディオ信号の適切なグローバル利得係数を確立する。
【図３】図３は、本発明による例示的量子化プロセスの論理フローチャートであり、オーディオ信号の異なったサブバンドの好ましいスケールファクタが、許容可能な歪みレベルおよび実際の信号エネルギーに基づいて予測される。
【図４】図４は、本発明による別の例示的量子化プロセスの論理フローチャートである。
【図５】図５は、本発明の１つ以上の実施形態と共に、および／または、これを実行するために用いられ得るコンピュータシステムのある実施形態のブロック図である。
【図６】図６は、本はつめいの１つ以上の実施形態と共に、および／または、これを実行するために用いられ得るデジタル信号処理システムのある実施形態のブロック図である。
【図１Ａ】
2005534947.tif 000003
【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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