(57)【要約】【課題】本発明の目的は、メモリの使用量を低減しながら、符号化の品質を保つこと、符号化の演算量を低減することを満足する復号技術、符号化技術を提供することである。【解決手段】本発明の復号方法は、拡張符号分解ステップ、重み付き形状復号ステップ、重み付け除去演算ステップ、利得復号ステップ、乗算ステップを有する。拡張符号分解ステップは、入力された符号を、形状符号と利得符号に分解する。重み付き形状復号ステップは、重み付き形状符号帳を用いて、形状符号を重み付き形状ベクトルに変換する。重み付け除去演算ステップは、重み付き形状ベクトルの重みを除去し、形状ベクトルを出力する。利得復号ステップは、利得符号帳を用いて、利得符号を利得に変換する。乗算ステップは、形状ベクトルと利得とを乗算して復号信号を出力する。【選択図】図５
2008289085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状ベクトルを示す形状符号を復号する復号方法であって、
重み付き形状符号帳を用いて、前記形状符号を重み付き形状ベクトルに変換する重み付き形状復号ステップと、
前記重み付き形状ベクトルの重みを除去し、形状ベクトルを出力する重み付け除去演算ステップと、
を有する復号方法。
【請求項２】
形状ベクトルを示す形状符号と利得を示す利得符号から構成される符号を復号する復号方法であって、
入力された符号を、形状符号と利得符号に分解する分解ステップと、
重み付き形状符号帳を用いて、前記形状符号を重み付き形状ベクトルに変換する重み付き形状復号ステップと、
前記重み付き形状ベクトルの重みを除去し、形状ベクトルを出力する重み付け除去演算ステップと、
前記利得符号を利得に変換する利得復号ステップと、
前記形状ベクトルと前記利得とを乗算して、復号信号を出力する乗算ステップと、
を有する復号方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の復号方法であって、
前記重み付き形状符号帳が、符号化するときに用いる重み付き形状符号帳と同一である
ことを特徴とする復号方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の復号方法であって、
前記重み付け除去演算ステップは、符号化するときに用いる重み行列Ｗの逆行列Ｕを前記重み付き形状ベクトルの重みに乗算した結果を、前記形状ベクトルとして出力するステップである
ことを特徴とする復号方法。
【請求項５】
請求項４記載の復号方法であって、
前記逆行列Ｕが、
【数１】
2008289085.tif 000012
と表現できる
ことを特徴とする復号方法。
【請求項６】
請求項５記載の復号方法であって、
前記重み付け除去演算ステップは、
ｋ＝１、ｆａ＝０とする初期化サブステップと、
前記重み付き形状ベクトルのｋ番目の要素ｆｋをｆａに加算し、新しいｆａとする加算サブステップと、
前記形状ベクトルのｋ番目の要素ｐｋを、ｐｋ＝ｆａ／ｂとする除算サブステップと、
ｋに１を加算し、新しいｋとする更新ステップと、
を有し、
前記加算サブステップと前記除算サブステップと前記更新ステップを、ｐ１，…，ｐＫ（ただし、Ｋは形状ベクトルのベクトル長）のすべてを求めるまで繰り返す
ことを特徴とする復号方法。
【請求項７】
第１の符号化方法で符号化した符号（以下、「基本符号」という。）と、第１の符号化方法での符号化で生じた誤差を第２の符号化方法で符号化した符号（以下、「品質拡張符号」という。）を復号する復号方法であって、
品質拡張符号を復号して再生品質拡張信号を出力する品質拡張復号ステップとして、請求項１から６のいずれかに記載の復号方法の各ステップを有し、さらに、
基本符号を復号して再生基本信号を出力する基本復号ステップと、
前記再生基本信号と前記再生品質拡張信号とを加算して、再生信号を出力する加算ステップと
を有する復号方法。
【請求項８】
形状ベクトルを示す形状符号を復号する復号器であって、
形状符号と重み付き形状ベクトルとを対応させる重み付き形状符号帳と、
前記形状符号を、前記重み付き形状符号帳を用いて重み付き形状ベクトルに変換する重み付き形状復号部と、
前記重み付き形状ベクトルの重みを除去し、形状ベクトルを出力する重み付け除去演算部と、
を有する復号器。
【請求項９】
形状ベクトルを示す形状符号と利得を示す利得符号から構成される符号を復号する復号器であって、
入力された符号を、形状符号と利得符号に分解する分解部と、
形状符号と重み付き形状ベクトルとを対応させる重み付き形状符号帳と、
前記形状符号を、前記重み付き形状符号帳を用いて重み付き形状ベクトルに変換する重み付き形状復号部と、
前記重み付き形状ベクトルの重みを除去し、形状ベクトルを出力する重み付け除去演算部と、
利得符号と利得とを対応させる利得符号帳と、
前記利得符号を、前記利得符号帳を用いて利得に変換する利得復号部と、
前記形状ベクトルと前記利得とを乗算して再生品質拡張信号を出力する乗算部と、
を有する復号器。
【請求項１０】
請求項８または９記載の復号器であって、
前記重み付き形状符号帳が、符号化するときに用いる重み付き形状符号帳と同一である
ことを特徴とする復号器。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれかに記載の復号器であって、
前記重み付け除去演算部は、符号化するときに用いる重み行列Ｗの逆行列Ｕを前記重み付き形状ベクトルの重みに乗算した結果を、前記形状ベクトルとして出力するものである
ことを特徴とする復号器。
【請求項１２】
請求項１１記載の復号器であって、
前記逆行列Ｕが、
【数２】
2008289085.tif 000013
と表現できる
ことを特徴とする復号器。
【請求項１３】
請求項１２記載の復号器であって、
前記重み付け除去演算部は、
ｋ＝１、ｆａ＝０とする初期化手段と、
前記重み付き形状ベクトルのｋ番目の要素ｆｋをｆａに加算し、新しいｆａとする加算手段と、
前記形状ベクトルのｋ番目の要素ｐｋを、ｐｋ＝ｆａ／ｂとする除算手段と、
ｋに１を加算し、新しいｋとする更新手段と、
を有し
前記加算手段と前記除算手段と前記更新手段に、ｐ１，…，ｐＫ（ただし、Ｋは形状ベクトルのベクトル長）のすべてを求めるまで繰り返えし処理させる
ことを特徴とする復号器。
【請求項１４】
第１の符号化方法で符号化した符号（以下、「基本符号」という。）と、第１の符号化方法での符号化で生じた誤差を第２の符号化方法で符号化した符号（以下、「品質拡張符号」という。）を復号する復号装置であって、
品質拡張符号を復号して再生品質拡張信号を出力する品質拡張復号器として、請求項８から１３のいずれかに記載の復号器を備え、さらに、
基本符号を復号して再生基本信号を出力する基本復号器と、
前記再生基本信号と前記再生品質拡張信号とを加算して、再生信号を出力する加算部と
を有する
復号装置。
【請求項１５】
入力信号を、形状ベクトルを示す形状符号と利得を示す利得符号から構成される符号に変換する符号化方法であって、
入力信号ｅに重みを付与し、重み付き雑音信号Ｗｅを出力する重み付けステップと、
重み付き雑音信号Ｗｅとの距離が最小となるように、重み付き形状符号帳内の重み付き形状ベクトルＷｃｎを選定するとともに最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを求め、当該重み付き形状ベクトルを示す形状符号Ｉｓと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとを出力する形状計算ステップと、  
最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとの距離が最小となるように、利得符号帳内の利得ｇｍを選定し、当該利得を示す利得符号Ｉｇを出力する利得計算ステップと、  
形状符号Ｉｓと利得符号Ｉｇとを多重化して、符号Ｉｅを出力する多重ステップと
を有し、
前記形状計算ステップは、
ｎ＝１、ｄｓｍａｘ＝０とする初期化サブステップと、
前記重み付き形状符号帳内のｎ番目の重み付き形状ベクトルＷｃｎと重み付き雑音信号Ｗｅとの内積結果（Ｗｃｎ）ｔ（Ｗｅ）を、変数ｑｎとして記録する内積サブステップと、
重み付き形状パワ逆数帳内のｎ番目の要素（１／‖Ｗｃｎ‖２）と、前記変数ｑｎとの積を、理想利得ｇ〜ｎとして記録する理想利得計算サブステップと、
前記理想利得ｇ〜ｎと前記変数ｑｎの積を、距離ｄｓとして記録する距離計算サブステップと、
ｄｓｍａｘ＜ｄｓならば、ｄｓをｄｓｍａｘ、ｎを最適な符号ｉｏｐｔ、ｇ〜ｎを最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとする確認サブステップと、
を有し、
前記内積サブステップ、前記理想利得計算サブステップ、前記距離計算サブステップ、前記確認サブステップを、ｎが前記重み付き形状符号帳内の重み付き形状ベクトルの数Ｎとなるまで繰り返し、
繰り返し終了時のｉｏｐｔを形状符号Ｉｓとし、
形状符号Ｉｓと繰り返し終了時の最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを出力とする
ことを特徴とする符号化方法。
【請求項１６】
入力信号を、形状ベクトルを示す形状符号と利得を示す利得符号から構成される符号に変換する符号化方法であって、
入力信号ｅに重みを付与し、重み付き雑音信号Ｗｅを出力する重み付けステップと、
重み付き雑音信号Ｗｅとの距離が最小となるように、重み付き形状符号帳内の重み付き形状ベクトルＷｃｎを選定するとともに適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを求め、当該重み付き形状ベクトルを示す形状符号Ｉｓと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとを出力する形状計算ステップと、  
最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとの距離が最小となるように、利得符号帳内の利得ｇｍを選定し、当該利得を示す利得符号Ｉｇを出力する利得計算ステップと、  
形状符号Ｉｓと利得符号Ｉｇとを多重化して、符号Ｉｅを出力する多重ステップと
を有し、
前記利得計算ステップは、
ｇｘを前記利得符号帳内のｘ番目に値が小さい利得とするときに、
利得符号帳内の値の小さい利得から順番に、ｇ〜ｏｐｔ＜（ｇｘ＋ｇｘ＋１）／２を満たす最初のｘを探索し、
ｘを利得符号Ｉｇとして出力する
ことを特徴とする符号化方法。
【請求項１７】
入力信号を、形状ベクトルを示す形状符号と利得を示す利得符号から構成される符号に変換する符号化器であって、
形状符号と重み付き形状ベクトルとを対応させる重み付き形状符号帳と、
重み付き形状ベクトルのパワの逆数を記録した重み付き形状パワ逆数帳と、
利得符号と利得とを対応させる利得符号帳と、
入力信号ｅに重みを付与し、重み付き雑音信号Ｗｅを出力する重み付け部と、
重み付き雑音信号Ｗｅとの距離が最小となるように、重み付き形状符号帳内の重み付き形状ベクトルＷｃｎを選定するとともに最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを求め、当該重み付き形状ベクトルを示す形状符号Ｉｓと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとを出力する形状計算部と、  
最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとの距離が最小となるように、利得符号帳内の利得ｇｍを選定し、当該利得を示す利得符号Ｉｇを出力する利得計算部と、  
形状符号Ｉｓと利得符号Ｉｇとを多重化して、符号Ｉｅを出力する多重化部と
を備え、
前記形状計算部は、
ｎ＝１、ｄｓｍａｘ＝０とする初期化手段と、
前記重み付き形状符号帳内のｎ番目の重み付き形状ベクトルＷｃｎと重み付き雑音信号Ｗｅとの内積結果（Ｗｃｎ）ｔ（Ｗｅ）を、変数ｑｎとして記録する内積手段と、
重み付き形状パワ逆数帳内のｎ番目の要素（１／‖Ｗｃｎ‖２）と、前記変数ｑｎとの積を、理想利得ｇ〜ｎとして記録する理想利得計算手段と、
前記理想利得ｇ〜ｎと前記変数ｑｎの積を、距離ｄｓとして記録する距離計算手段と、
ｄｓｍａｘ＜ｄｓならば、ｄｓをｄｓｍａｘ、ｎを最適な符号ｉｏｐｔ、ｇ〜ｎを最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとする確認手段と、
を有し、
前記内積手段、前記理想利得計算手段、前記距離計算手段、前記確認手段に、ｎが前記重み付き形状符号帳内の重み付き形状ベクトルの数Ｎとなるまで繰り返し処理をさせ、
繰り返し終了時のｉｏｐｔを形状符号Ｉｓとし、
形状符号Ｉｓと繰り返し終了時の最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを出力とする
ことを特徴とする符号化器。
【請求項１８】
入力信号を、形状ベクトルを示す形状符号と利得を示す利得符号から構成される符号に変換する符号化器であって、
形状符号と重み付き形状ベクトルとを対応させる重み付き形状符号帳と、
重み付き形状ベクトルのパワの逆数を記録した重み付き形状パワ逆数帳と、
利得符号と利得とを対応させる利得符号帳と、
入力信号ｅに重みを付与し、重み付き雑音信号Ｗｅを出力する重み付け部と、
重み付き雑音信号Ｗｅとの距離が最小となるように、重み付き形状符号帳内の重み付き形状ベクトルＷｃｎを選定するとともに最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを求め、当該重み付き形状ベクトルを示す形状符号Ｉｓと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとを出力する形状計算部と、  
最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとの距離が最小となるように、利得符号帳内の利得ｇｍを選定し、当該利得を示す利得符号Ｉｇを出力する利得計算部と、  
形状符号Ｉｓと利得符号Ｉｇとを多重化して、符号Ｉｅを出力する多重化部と
を備え、
前記利得計算部は、
ｇｘを前記利得符号帳内のｘ番目に値が小さい利得とするときに、
利得符号帳内の値の小さい利得から順番に、ｇ〜ｏｐｔ＜（ｇｘ＋ｇｘ＋１）／２を満たす最初のｘを探索し、
ｘを利得符号Ｉｇとして出力する
ことを特徴とする符号化器。
【請求項１９】
請求項１から７、１５、１６のいずれかに記載の方法の各ステップをコンピュータに動作させるプログラム。
【請求項２０】
請求項１９記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、符号を復号する復号方法、当該符号を符号化する符号化方法、これらの方法を利用した復号器、復号装置、符号化装置、プログラムおよび記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から用いられている電話帯域の音声信号を符号化する音声符号化方法として、Ｇ.７１１（非特許文献１）に用いられる非線型波形圧縮符号化（μ則・Ａ則ＰＣＭ）や、Ｇ. ７２６（非特許文献２）などに用いられる差分予測波形圧縮符号化（ＡＤＰＣＭ）などの波形符号化方式がある。公衆電話網及びインターネットを用いた音声通信（ＶｏＩＰ）では、ほぼこの符号化方式が用いられている。
【０００３】
一方、携帯電話などの回線の伝送帯域に制限がある場合には、線形予測分析に基づく符号化方式が主流であり、この線形予測分析によって得られる包絡情報を元に雑音を変形して符号化する手法が用いられている。しかし、線形予測分析方式では、符号化処理時間単位毎に演算量の多い自己相関関数を求める必要がある。また、符号選択時には、この包絡情報を符号化処理時間単位毎に反映して符号を選択する必要があり、符号化に要する演算量は上述した波形符号化方式の数十倍となる。また、波形符号化や線形予測分析に基づく符号化方式以外にも高音質で圧縮効率の良い符号化方式は多数存在する。
【０００４】
こうして符号化方式が多数存在する場合、方式の違いによって相互接続性が保証されていない。よって異なる符号化方式を搭載した複数の端末装置と通信を行う場合、自らの通信端末上で対応する複数の符号化器および復号器を動作させ、通信相手の端末装置に実装されている符号化方式に応じて符号化方式を使い分ける必要がある。しかし、使用できる演算量が制限される端末装置では、演算量の大きい符号化器を複数同時に動作させることは不可能である。これに対し、波形符号化方式はどのようなＶｏＩＰ会議端末にも一般的に実装されている。以上より、結局はＧ.７１１やＧ.７２６のような波形符号化方式を用いざるを得ない。
【０００５】
μ則・Ａ則ＰＣＭやＡＤＰＣＭによる符号化方式は振幅の非線形圧縮を用いるため、再生音声に重畳する符号化雑音は音声全体のパワと相関が強く、入力音声レベルに依存せずに復号音声のＳＮ比を一定にできるという利点がある。しかし、この符号化雑音は白色雑音となる。従来Ｇ．７１１やＧ．７２６への入力音声は、ＩＲＳ特性等に代表される高域成分が強調された従来の電話機から出力される信号の周波数特性に変更されることが想定されているため、このように高域成分が強調されている信号によれば白色雑音が顕著に知覚されることはない。ここでのＩＲＳ特性（非特許文献３）とは図１に示すような緩やかな高域通過フィルタ型の周波数特性を指す。
【０００６】
しかし、ＶｏＩＰなどの通信において高域成分が強調された周波数特性を持つマイクが使用されることは稀である。そのため、音声信号が持つ低域へのパワの集中が是正されることなく符号化され（エンコーダミスマッチ）、低域側のパワ増加の影響で高域側のＳＮ比が悪化し、復号側で雑音が顕著に知覚されてしまうという問題が生じる。例えば平坦な周波数特性を持つマイクを使用して音声を収音すると、符号化対象の信号も低域（〜１ｋＨｚ程度）にパワの集中したものとなり、高域において入力音声レベルに対する符号化雑音レベルが相対的に大きくなり、復号側で雑音が知覚されやすくなる。
【０００７】
上記の問題を解決するため、出願人は、波形符号化のエンコーダミスマッチによって生じた量子化雑音を低演算量かつ高能率に低減する符号化方法および復号方法を実現している。また、これを実現するにあたり、ビットストリームをスケーラブル構成にすることで基本符号では従来端末とのビットストリームの互換性を保ち、相互接続性を高める手段を提供している（特許文献１）。具体的には、エンコーダミスマッチによる品質劣化を避けるためには、Ｇ．７１１あるいはＧ．７２６を基本段として用いる多段構成の符号化器を用いており、基本段の雑音を低減する２段目には、線形予測分析に基づく符号化方式よりも大幅に低演算量で動作する符号化方式を用いていた。
【０００８】
特許文献１の符号化器では、あらかじめ重みを付与した高域重み付き形状符号帳と高域重み付きパワ逆数表などの複数の符号帳を用いて高品質に再生でき、かつ低演算量に符号化する機能を実現した。
【非特許文献１】ITU-T (Telecommunication Standardization Sector, International Telecommunication Union), Geneva, Switzerland. ITU-T G.711-Pulse code modulation (PCM) of voice frequencies, Nov.1988.
【非特許文献２】ITU-T (Telecommunication Standardization Sector, International Telecommunication Union), Geneva, Switzerland. ITU-T G.726-40,32,24,16 kbit/s adaptive differential pulse code modulation (ADPCM), Dec. 1990.
【非特許文献３】ITU-T (Telecommunication Standardization Sector, International Telecommunication Union), Geneva, Switzerland. ITU-T P.830 Annex D-modified IRS send and receive characteristics, Feb. 1996.
【特許文献１】特開２００６−１１９３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来は、符号化処理でも復号処理でも、線形予測分析結果などに基づいて重みを変更するために、重みの付いていない同じ符号帳を用いていた。特許文献１では、符号化処理用に、あらかじめ重みを付けた符号帳を用意することで、符号化の品質を保ちながら演算量を低減した。しかし、特許文献１の方法では、復号処理には重みの付いていない符号帳が必要なので、重みを付けた符号帳を記録するためのメモリを確保しなければならなかった。
【００１０】
本発明は、メモリの使用量を特許文献１よりも低減しながら、符号化の品質を従来と同等に保つこと、符号化の演算量は特許文献１と同等とすることを満足する復号技術、符号化技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の復号方法は、拡張符号分解ステップ、重み付き形状復号ステップ、重み付け除去演算ステップ、利得復号ステップ、乗算ステップを有する。拡張符号分解ステップは、入力された符号を、形状符号と利得符号に分解する。重み付き形状復号ステップは、重み付き形状符号帳を用いて、形状符号を重み付き形状ベクトルに変換する。重み付け除去演算ステップは、重み付き形状ベクトルの重みを除去し、形状ベクトルを出力する。利得復号ステップは、利得符号帳を用いて、利得符号を利得に変換する。乗算ステップは、形状ベクトルと利得とを乗算して復号信号を出力する。なお、重み付け除去演算ステップでは、符号化するときに用いる重み行列Ｗの逆行列Ｕを用いて重みつき形状ベクトルの重みを除去すればよい。
【００１２】
また、本発明の符号化方法は、重み付けステップ、形状計算ステップ、利得計算ステップ、多重ステップを有する。形状計算ステップは、初期化サブステップ、内積サブステップ、理想利得計算サブステップ、距離計算サブステップ、確認サブステップを有する。そして、内積サブステップ、理想利得計算サブステップ、距離計算サブステップ、確認サブステップを、ｎが前記重み付き形状符号帳内の重み付き形状ベクトルの数Ｎまで繰り返し、繰り返し終了時のｉｏｐｔを形状符号Ｉｓとし、形状符号Ｉｓと繰り返し終了時の最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを出力とする。利得計算ステップは、ｇｘを前記利得符号帳内のｘ番目に値が小さい利得とするときに、利得符号帳内の値の小さい利得から順番に、ｇ〜ｏｐｔ＜（ｇｘ＋ｇｘ＋１）／２を満たす最初のｘを探索し、ｘを利得符号Ｉｇとして出力する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の復号方法によれば、復号に重み付き形状符号帳を用いることができるので、符号化のときに用いた重み付き形状符号帳を復号のときにも利用できる。よって、重み付きの形状符号帳をメモリに記録する際には、重み付きでない形状符号帳を記録する必要がない。双方向通信時には符号化器と復号器の両方を同時に備える必要があるため、特許文献１の符号化方式と組み合わせれば、符号化器と復号器の符号帳が共通となるため、現実に必要とされるメモリ使用量を大幅に低減しながら、符号化の品質を保つこと、符号化の演算量を低減することを満足する復号技術、符号化技術を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施形態］
［符号化装置］
図２に第１実施形態の符号化装置の機能構成例を示す。第１実施形態の符号化装置は、基本符号化器９１０、基本復号器９２０、加算部９３０、拡張符号化器１００から構成される。基本符号化器９１０は、Ｇ.７１１やＧ. ７２６などの従来の波形符号化方式の符号化器を用いればよい。基本復号器９２０は、基本符号化器９１０に対応する復号器である。基本符号化器９１０は、入力信号ｓを符号化し、基本符号Ｉｂを出力する。基本復号器９２０は、基本符号Ｉｂを復号する。加算部９３０は、復号された信号と入力信号との差（基本符号化の量子化雑音）を求める。拡張符号化器１００は、基本符号化の量子化雑音（基本雑音信号ｅ）を符号化する。拡張符号化器は、実時間処理を行う場合であれば、８サンプル（１ｍｓ）〜１６０サンプル（２０ｍｓ）の短時間の処理フレームごとに処理を行う。このときの処理フレームのサンプル数をＫとした場合、基本雑音信号ｅは、Ｋ次元のベクトルで表現できる。符号化装置への入力信号は、例えば８ｋＨｚでサンプリングされた３．４ｋＨｚ帯域（電話帯域）の音声デジタル信号である。実時間処理を行わないのであれば、メモリの許す範囲内で一括処理してもよい。
【００１５】
本発明は、図２の符号化装置の中の特に拡張符号化器１００に関するので、以下では拡張符号化器１００について説明する。図３は、拡張符号化器１００の処理フローの例である。拡張符号化器１００は、重み付け部１１０、形状計算部１２０、利得計算部１３０、多重化部１４０、重み付き形状符号帳１５０、重み付き形状パワ逆数帳１６０、利得符号帳１７０から構成される。重み付き形状符号帳１５０には、Ｎ個の重み付き形状ベクトルＷｃ１，…，ＷｃＮが記録されている。重み付き形状ベクトルは、それぞれＫ＋ｒサンプルの重み付き形状信号からなるＫ＋ｒ次元のベクトルである。ここで、ｒは重み付けフィルタのタップ数であり、後述する式（２）の重み付けの場合は１である。重み付き形状パワ逆数帳１６０には、重み付き形状ベクトルのノルムの逆数（１／‖Ｗｃ１‖２），…，（１／‖ＷｃＮ‖２）が記録されている。利得符号帳１７０には、利得ｇ１，…，ｇＭが記録されている。重み付け部１１０は、基本雑音信号（拡張符号化器１００に対する入力信号）ｅに重みを付与し、重み付き雑音信号Ｗｅを出力する（Ｓ１１０）。形状計算部１２０は、重み付き雑音信号Ｗｅとの距離が最小となるように、重み付き形状符号帳１５０内の重み付き形状ベクトルＷｃｎ（ｎは１〜Ｎの整数、Ｎは重み付き形状符号帳に格納されている重み付き形状ベクトルの個数）を選定するとともに最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを求め、当該重み付き形状ベクトルを示す形状符号Ｉｓと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとを出力する（Ｓ１２０）。利得計算部１３０は、最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとの距離が最小となるように、利得符号帳１７０内の利得ｇｍ（ｍは１〜Ｍの整数、Ｍは利得符号帳に格納されている利得の個数）を選定し、当該利得を示す利得符号Ｉｇを出力する（Ｓ１３０）。多重化部１４０は、形状符号Ｉｓと利得符号Ｉｇとを多重化して、符号Ｉｅを出力する（Ｓ１４０）。以下では、重み付け部１１０、形状計算部１２０、利得計算部１３０について詳細に説明する。
【００１６】
重み付け部１１０
重み付け部１１０は、基本雑音信号（拡張符号化器１００に対する入力信号）ｅに重みを付与し、重み付き雑音信号Ｗｅを出力する（Ｓ１１０）。具体的には、例えば、
【数３】
2008289085.tif 000003
と表現されるＦＩＲフィルタを用いる方法がある。このフィルタは、数学的には（Ｋ＋ｒ）行Ｋ列の行列として次のように表現できる。
【数４】
2008289085.tif 000004
式（１）の場合は１タップのフィルタであるため、ｒ＝１である。重みを付与する演算はこの行列Ｗを基本雑音信号ｅに乗じ、重み付き雑音信号Ｗｅを出力する演算である。すなわち畳み込み演算である。なお、例えば、ｂの値として0.550107181を用いた場合のフィルタの周波数特性を図４に示す。図４（Ａ）は振幅の周波数特性、図４（Ｂ）は位相の周波数特性を示している。このようなフィルタ（重み付け）を用いることによって、基本雑音信号ｅの低域成分は大幅に減衰され、高域を重視するため、拡張符号化器１００では高域の雑音を低減できる。なお、入力信号が音声でない場合には、入力信号の特性に合わせたフィルタを用意すればよい。また、このフィルタはｒが１よりも大きい高次のフィルタとしてもよい。
【００１７】
形状計算部１２０
形状計算部１２０は、重み付き雑音信号Ｗｅと重み付き形状符号帳１５０内の重み付き形状ベクトルＷｃｎ（ｎは１〜Ｎの整数）に最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを乗じたベクトルとの距離Ｄ〜が最小となるように、重み付き形状ベクトルＷｃｎと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを選定する（Ｓ１２０）。ただし、理想利得とは、量子化される前の利得（計算によって求めた利得）をさしている。また、最適な理想利得とは、各重み付き形状ベクトルＷｃｎと重み付き雑音信号Ｗｅとの距離Ｄ〜を最小にできる理想利得である。
【００１８】
ここで、距離Ｄ〜は、次のように表現できる。
Ｄ〜＝‖Ｗｅ−ｇ〜ｏｐｔＷｃｎ‖２                                  （３）
距離Ｄ〜を最小にする理想利得ｇ〜ｏｐｔは、距離Ｄ〜を理想利得ｇ〜ｏｐｔで偏微分した値を０にするので、
【数５】
2008289085.tif 000005
が成り立つ。なお、式中のｔは、行列ないしはベクトルの転置を表す。この式をｇ〜ｏｐｔについて解くと、
【数６】
2008289085.tif 000006
となる。ｇ〜ｏｐｔを式（３）に代入すると、次式となる。
【数７】
2008289085.tif 000007
右辺の第１項‖Ｗｅ‖２は、Ｗｃｎに対して不変であるため、定数項である。したがって、右辺第２項を最大にすることが、距離Ｄ〜を最小とすることになる。そこで、拡張符号化器１００では、距離ｄｓを次式のように定義し、距離ｄｓが最大となる重み付き形状ベクトルＷｃｎと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを選定する。
【数８】
2008289085.tif 000008
【００１９】
次に具体的な形状計算部１２０の構成の例を示す。形状計算部１２０は、図２に示すように初期化手段１２１、内積手段１２２、理想利得計算手段１２３、距離計算手段１２４、確認手段１２５を備えている。各手段の処理は、図３のＳ１２０の内部に示されており、次のようになる。
【００２０】
初期化手段１２１は、ｎ＝１、ｄｓｍａｘ＝０とする（Ｓ１２１）。内積手段１２２は、重み付き形状符号帳１５０内のｎ番目の重み付き形状ベクトルＷｃｎと重み付き雑音信号Ｗｅとの内積結果（Ｗｃｎ）ｔ（Ｗｅ）を、スカラ変数ｑｎとして記録する（Ｓ１２２）。理想利得計算手段は、重み付き形状パワ逆数帳１６０内のｎ番目の要素（１／‖Ｗｃｎ‖２）と、変数ｑｎとの積を、理想利得ｇ〜ｎとして記録する（Ｓ１２３）。距離計算手段１２４は、理想利得ｇ〜ｎと変数ｑｎの積を、距離ｄｓとして記録する（Ｓ１２４）。なお、ｑｎ＝（Ｗｃｎ）ｔ（Ｗｅ）は重み付き形状ベクトルと重み付き雑音信号の内積であり、式（５）の分子と同じであるため、ｄｓは、理想利得ｇ〜ｎと変数ｑｎの積として求めることができる。確認手段１２５は、ｄｓｍａｘ＜ｄｓならば、ｄｓをｄｓｍａｘ、ｎを最適な符号ｉｏｐｔ、ｇ〜ｎを最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとする（Ｓ１２５１、Ｓ１２５２）。形状計算部１２０は、ｎがＮ（重み付き形状符号帳の要素の数）よりも小さければ、ｎ＝ｎ＋１としてステップＳ１２２に戻る（Ｓ１２６１、Ｓ１２６２）。ｎ＝Ｎならば、繰り返し終了時のｉｏｐｔを形状符号Ｉｓとし、形状符号Ｉｓと繰り返し終了時の最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを出力とする（Ｓ１２６３）。
【００２１】
形状計算部１２０は、このように距離ｄｓが理想利得ｇ〜ｎと変数ｑｎの積として求めることができることを利用しているので、重み付き形状ベクトルＷｃｎと最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔを選定するための演算量を特許文献１よりも低減できる。
【００２２】
利得計算部１３０
利得計算部１３０は、最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔとの距離Ｄが最小となるように、利得符号帳１７０内の利得ｇｍ（ｍは１〜Ｍの整数）を選定し、当該利得を示す利得符号Ｉｇを出力する。（Ｓ１３０）。ここで、距離Ｄは、
Ｄ＝‖Ｗｅ−ｇｍＷｃｎ‖２                                        （８）
である。そして、距離ｄｇを
ｄｇ＝‖ｇ〜ｏｐｔ−ｇｍ‖２                                        （９）
とし、距離ｄｇが最小となる利得ｇｍを選定する。
【００２３】
利得計算部１３０は、探索手段１３５を備えている。探索手段１３５は、利得符号帳１７０内のｘ番目に値が小さい利得ｇｘと、ｘ＋１番目に値が小さい利得ｇｘ＋１を用いて、利得ｇｍ（ｍは１〜Ｍの整数）を選定する。例えば、利得符号帳内の値の小さい利得から順番に、
ｇ〜ｏｐｔ＜（ｇｘ＋ｇｘ＋１）／２                                  （１０）
を満足するかを確認する。そして、最初に式（１０）を満足するｘを探索する。
【００２４】
具体的な探索処理の例は次のとおりである。探索手段１３５は、ｘ＝１とする（Ｓ１３１）。式（１０）を満足するかを確認する（Ｓ１３２）。ステップＳ１３２がＮｏならば、ｘ＝ｘ＋１とする（Ｓ１３３）。ｘがＭ（Ｍは、利得符号帳１７０内の利得ｇｍの数）よりも小さいかを確認する（Ｓ１３４）。ステップＳ１３４がＹｅｓの場合はステップＳ１３２に戻る。ステップＳ１３２がＹｅｓの場合とステップＳ１３４がＮｏの場合は、ｘを利得符号Ｉｇとして出力する（Ｓ１３５）。
利得計算部１３０は、このように式（１０）を利用して計算するので、演算量を特許文献１よりも低減できる。
【００２５】
［復号装置］
図５に第１実施形態の復号装置の構成例を示す。復号装置は、基本復号器９２０と加算部９４０と拡張復号器２００から構成される。基本復号器９２０は、基本符号化器９１０に対応する復号器である。基本復号器９２０は、基本符号Ｉｂを再生基本信号Ｓ＾ｂに復号する。拡張復号器２００は、拡張符号Ｉｅを再生雑音信号ｅ＾に復号する。加算部９４０は、再生基本信号Ｓ＾ｂと再生雑音信号ｅ＾を加算し、再生信号ｓ＾を出力する。
【００２６】
本発明は、図５の復号装置の中の特に拡張復号器２００に関するので、以下では拡張復号器２００について説明する。図６は、拡張復号器２００の処理フローの例である。拡張復号器２００は、分解部２１０、重み付き形状復号部２２０、重み付け除去演算部２３０、利得復号部２４０、乗算部２５０、重み付き形状符号帳１５０、利得符号帳１７０で構成される。第１実施形態の拡張復号器２００では、復号用の形状符号帳にも重み付きの符号帳を用いることができる点が特許文献１と大きく異なる点である。重み付きの符号帳を用いることができるので、符号化に用いた重み付き形状符号帳１５０を復号にも使用できる。
【００２７】
分解部２１０は、入力された符号Ｉｅを、形状符号Ｉｓと利得符号Ｉｇに分解する（Ｓ２１０）。重み付き形状復号部２２０は、重み付き形状符号帳１５０を用いて、形状符号Ｉｓを重み付き形状ベクトルＷｃｎ（ｎは１〜Ｎの整数、Ｎは重み付き形状符号帳に格納されている重み付き形状ベクトルの個数）に変換する。重み付け除去演算部２３０は、重み付き形状ベクトルＷｃｎの重みＷを除去し、形状ベクトルｃｎを出力する（Ｓ２３０）。利得復号部２４０は、利得符号帳１７０を用いて、利得符号Ｉｇを利得ｇｍ（ｍは１〜Ｍの整数、Ｍは利得符号帳に格納されている利得の個数）に変換する。乗算部２５０は、形状ベクトルｃｎと利得ｇｍとを乗算して、復号信号（再生雑音信号）ｅ＾を出力する（Ｓ２５０）。
【００２８】
拡張復号器２００が重み付きの符号帳を用いることができる理由は、重み付け除去演算部２３０にある。例えば、重み付け除去演算部２３０では、符号化のときに用いた重みを付与する行列（フィルタ）の逆行列（逆フィルタ）を用いればよい。例えば、式（２）の行列Ｗの逆行列Ｕは、
【数９】
2008289085.tif 000009
と表現されるＫ行（Ｋ＋ｒ）列の行列である。式（１１）の場合は、1タップのフィルタであるため、ｒ＝１である。重み付け除去は、重み付き形状ベクトルにこの逆行列Ｕを乗算し、形状ベクトルを出力することである。
【００２９】
式（１１）の逆行列を用いて重み付き形状ベクトルＷｃｎの重みＷを除去し、形状ベクトルｃｎを出力するために、重み付け除去演算部２３０は、初期化手段２３１、加算手段２３２、除算手段２３３、更新手段２３４を備えている。初期化手段２３１は、ｋ＝１、ｆａ＝０とする（Ｓ２３１）。加算手段は、重み付き形状ベクトルＷｃｎのｋ番目の要素ｆｋをｆａに加算し、新しいｆａとする（Ｓ２３２）。除算手段２３３は、形状ベクトルのｎ番目の要素ｐｋを、ｐｋ＝ｆａ／ｂとし、記録する（Ｓ２３３）。更新手段は、ｋがＫよりも小さい場合には、ｋに１を加算し、新しいｋとする（Ｓ２３４１、Ｓ２３４２）。ｋがＫ（Ｋは形状ベクトルのベクトル長）に等しい場合には、処理を終了する。このようにステップＳ２３２〜Ｓ２３４２を、ｐ１，…，ｐＫ（ただし、Ｋは形状ベクトルのベクトル長）のすべてを求めるまで繰り返す。
【００３０】
第１実施形態の復号装置は、このように重み付け除去演算部２３０があるため、符号化器と同じ重み付き形状符号帳１５０を用いることができる。そして、符号化に用いる重み付き形状符号帳を復号にも用いれば、符号化装置と復号装置の両方を備える双方向通信器の符号帳のためのメモリの使用量を、大幅に低減（具体的には、ほぼ半減）できる。
【００３１】
また、一般的に復号に要する演算量は符号探索を行う符号化時に要する演算量より著しく小さい。第１実施形態の場合、符号化に要する演算量と復号に要する演算量は、ほぼＮ：１の関係にある。つまり、復号のための演算量が微妙に増えたとしても、符号化を含めた全体の演算量にはほとんど影響がない。上述のように第１実施形態の符号化装置は、品質を特許文献１と同等に保ちながら演算量を減らしている。したがって、全体的には、メモリの使用量を大幅に減らしながら、演算量も品質も同等を保つことができる。
【００３２】
また、図７には、本発明の効果を示すために、基本符号部にＧ．７１１を用いて第１実施形態の符号化装置と復号装置を用いた場合の再生信号（復号信号）のスペクトル解析例を示す。図７（Ａ）は原音声（破線）とその音声を、Ｇ．７１１を用いて符号化して復号した再生音（実線）、図７（Ｂ）は原音声（破線）とその音声を第１実施形態の符号化装置を用いて符号化して復号した再生音（破線）のスペクトル解析結果である。Ｇ．７１１単体を用いた場合では、現音に存在する高域の調波構造が量子化雑音に埋もれているが、第１実施形態を用いれば高域（２５００ＫＨｚ以上）の調波構造が再現されていることが分かる。この結果は、特許文献１と同等である。したがって、符号化と復号の品質を維持しながら演算量を少なくできる。
【００３３】
［第２実施形態］
［符号化装置］
図８に第２実施形態の符号化装置の機能構成例を示す。第１実施形態の利得計算部１３０は、利得符号帳１７０から利得符号Ｉｇを探索した。第２実施形態の利得計算部３３０は、計算により利得符号Ｉｇを求める。そこで、第２実施形態の拡張符号化器３００は、利得計算部１３０と利得符号帳１７０の代わりに、利得計算部３３０を備えている。また、利得計算部３３０は、量子化手段３３５を有している。その他の構成は、図２と同じである。また、図９に第２実施形態の拡張符号化器３００の処理フローの例を示す。図３に示した第１実施形態の拡張符号化器１００の処理フローと、ステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１４０は同じである。以下では、第１実施形態との違いである利得計算部３３０について説明する。
【００３４】
利得計算部３３０の量子化手段３３５は、射影関数ｆ（ｘ）を用いて最適な理想利得ｇ〜ｏｐｔから、利得符号Ｉｇを求める。射影関数ｆ（ｘ）は、直線、曲線、あるいは直線と曲線を組み合わせた連続関数である。量子化手段３３５は、まず射影関数の演算ｆ（ｇ〜ｏｐｔ）を行う（Ｓ３３１）。次に、四捨五入演算を行い次のように利得符号Ｉｇを求める（Ｓ３３２）。
Ｉｇ＝ｒｏｕｎｄ（ｆ（ｇ〜ｏｐｔ））                              （１２）
利得計算部３３０は、求めた利得符号Ｉｇを出力する（Ｓ３３３）。
【００３５】
射影関数の具体例としては、次式のような双曲線がある。
【数１０】
2008289085.tif 000010
そして、例えば、利得符号の数Ｍが６４の場合は、
ａ＝１３００
ｂ＝−１
ｃ＝１．０７
ｄ＝１９．２７
とすればよい。なお、射影関数は、連続関数であればよく、ｘの値に応じて複数の関数を切り替えてもよい。
利得計算部３３０は、このように射影関数を利用して計算するので、演算量を特許文献１よりも低減できる。また、利得符号帳が必要ないので、メモリ使用量を低減できる。
【００３６】
［復号装置］
図１０に第２実施形態の復号装置の構成例を示す。第１実施形態の利得復号部２４０は、利得符号帳１７０を用いて利得ｇｍを求めた。第２実施形態の利得復号部４４０は、計算により利得ｇｍを求める。そこで、第２実施形態の拡張復号器４００は、利得復号部２４０と利得符号帳１７０の代わりに、利得復号部４４０を備えている。その他の構成は、図５と同じである。また、図１１に第２実施形態の拡張復号器４００の処理フローの例を示す。図６に示した第１実施形態の拡張復号器２００の処理フローと、ステップＳ２１０、Ｓ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２５０は同じである。以下では、第１実施形態との違いである利得復号部４４０について説明する。
【００３７】
利得復号部４４０は、符号化で用いた射影関数の逆関数ｆ−１（ｙ）を用いて、利得符号Ｉｇから利得ｇｍを求める。具体的には、利得復号部４４０は、
ｇｍ＝ｆ−１（Ｉｇ）                                            （１４）
の演算によって利得ｇｍを求める（Ｓ４４０）。
【００３８】
射影関数として式（１３）の双曲線を用いた場合であれば、逆関数は、
【数１１】
2008289085.tif 000011
このときのａ、ｂ、ｃ、ｄは、利得計算部３３０と同じ値を用いる。
【００３９】
このような構成と処理方法であれば、第１実施形態と同程度の演算量で、メモリ使用量を低減できる。また、符号化と復号の品質にかかわる処理は第１実施形態と同じなので、図７に示したスペクトル解析結果と同じ結果が期待できる。したがって、したがって、符号化と復号の品質を維持しながら演算量を少なくできる。
【００４０】
［変形例］
本発明の復号方法の大切なポイントの１つは、ステップＳ２２０、Ｓ２３０である。また、これらのステップを実行するために必要な構成部は、重み付き形状復号部２２０、重み付き形状符号帳１５０、重み付け除去演算部２３０である。その他の構成部は、第１実施形態の復号装置（図５）や第２実施形態の復号装置（図１０）に限定する必要はない。図１２に第２実施形態の変形例の復号装置の機能構成例を示す。この構成では、図１０の乗算部２５０の代わりに除算部６５０があり、加算部９４０の代わりに加算部６４０がある。除算部６５０は、再生基本信号ｓ＾ｂを利得ｇｍで除算する。加算部６４０は、除算部６５０の出力ｓ＾ｂ／ｇｍと形状ベクトルｃｎを加算し、再生信号ｅ＾’を得る。
【００４１】
図１０の復号装置の再生信号ｅ＾は、形状ベクトルｃｎと利得ｇｍとの積と再生基本信号ｓ＾ｂとの和である。したがって、再生信号ｅ＾と再生信号ｅ＾’とは、
ｅ＾’＝ｅ＾／ｇｍ                                            （１６）
の関係となる。つまり、再生信号ｅ＾’は、ボリュームは異なるが波形は再生信号ｅ＾と同じ信号である。符号化や復号の処理では再生される信号のボリュームは他の処理で調整されるものであり、波形が再生されていれば品質上は問題ない。したがって、図１２に示した構成でも第２実施形態の復号装置と同等の効果を得ることができる。
【００４２】
このように、図６や図１１に示したステップＳ２２０、Ｓ２３０有する復号方法、図５や図１０に示した重み付き形状復号部２２０、重み付き形状符号帳１５０、重み付け除去演算部２３０を備える復号装置であれば、本発明の効果を得ることができる。
【００４３】
図１３に、コンピュータの機能構成例を示す。なお、本発明の符号化方法や復号方法は、コンピュータの記録部２０２０に、上記方法の各ステップを実行させるプログラムを読み込ませ、制御部２０１０、入力部２０３０、出力部２０４０などに動作させることで実施できる。また、コンピュータに読み込ませる方法としては、プログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録しておき、記録媒体からコンピュータに読み込ませる方法、サーバ等に記録されたプログラムを、電気通信回線等を通じてコンピュータに読み込ませる方法などがある。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】電話網などに用いられているＩＲＳ周波数特性を説明するための特性曲線図。
【図２】第１実施形態の符号化装置の機能構成例を示す図。
【図３】第１実施形態の符号化装置の拡張符号化器の処理フローの例を示す図。
【図４】重み付け部の周波数特性を示す図。
【図５】第１実施形態の復号装置の機能構成例を示す図。
【図６】第１実施形態の復号装置の拡張復号器の処理フローの例を示す図。
【図７】基本符号部にＧ．７１１を用い、第１実施形態の符号化装置、復号装置を用いた場合の復号結果のスペクトル解析例を示す図。
【図８】第２実施形態の符号化装置の機能構成例を示す図。
【図９】第２実施形態の符号化装置の拡張符号化器の処理フローの例を示す図。
【図１０】第２実施形態の復号装置の構成例を示す図。
【図１１】第２実施形態の復号装置の拡張復号器の処理フローの例を示す図。
【図１２】第２実施形態の変形例の復号装置の機能構成例を示す図。
【図１３】コンピュータの機能構成例を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１００  拡張符号化器          １１０  重み付け部
１２０  形状計算部            １２１  初期化手段
１２２  内積手段              １２３  理想利得計算手段
１２４  距離計算手段          １２５  確認手段
１３０  利得計算部            １３５  探索手段
１４０  多重化部              １５０  重み付き形状符号帳
１６０  形状パワ逆数帳        １７０  利得符号帳
２００  拡張復号器            ２１０  分解部
２２０  形状復号部            ２３０  除去演算部
２３１  初期化手段            ２３２  加算手段
２３３  除算手段              ２３４  更新手段
２４０  利得復号部            ２５０  乗算部
【図１】
2008289085.tif 000014
【図２】
2008289085.tif 000015
【図３】
2008289085.tif 000016
【図４】
2008289085.tif 000017
【図５】
2008289085.tif 000018
【図６】
2008289085.tif 000019
【図７】
2008289085.tif 000020
【図８】
2008289085.tif 000021
【図９】
2008289085.tif 000022
【図１０】
2008289085.tif 000023
【図１１】
2008289085.tif 000024
【図１２】
2008289085.tif 000025
【図１３】
2008289085.tif 000026