(57)【要約】【課題】高い品質とより低い計算の複雑さを有する、音声信号の送信およびパックのためのデジタル符号化方法を提供すること。【達成手段】デジタル符号化方法は、入力音声信号を、音声信号のスペクトル構成を表す周波数サンプルのシーケンスに変換し、かつ、これを、マスク閾値を参照することによって量子化パラメータを評価するためのパラメータ予測器を用いるビット割当装置に従い、量子化する。量子化された値は、いくつかのビットからなるデータへと符号化される。繰り返しのレート制御ループが、符号化されるビット数が符号化されるデータに利用可能な指定のビット数を超えると、量子化パラメータおよび量子化ステップサイズを調節する。また、入力音声信号の高周波成分を、繰り返しレート制御ループによって決定されたカットオフ周波数に従って、周波数サンプルのシーケンスを量子化する前にカットオフすることができる。【選択図】　　　図１
2004029761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）入力音声信号を、前記音声信号のスペクトル成分を表す周波数サンプルのシーケンスにマッピングするステップと、
（ｂ）前記周波数サンプルのシーケンスを、ビット割当プロセスにしたがって量子化された値に量子化するステップであって、該ビット割当プロセスが、マスク閾値を参照することにより量子化パラメータを評価するためのパラメータ予測器を用いる、ステップと、
（ｃ）いくつかのビットを含む符号化されたデータを形成するためのシンボル符号化器を用いて前記量子化された値を符号化するステップと、
（ｄ）指定された音声プロトコルに従って前記符号化されたデータをデータのシーケンスにパックするステップとを含む、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｂ）が一様な量子化器によりもしくは非一様な量子化器により実施される、請求項１に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項３】
前記シンボル符号化器がＶＬＣ符号化器を含む、請求項１に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項４】
前記ビット割当プロセスにおける前記パラメータ予測器が、少なくとも一つの対応する全体的係数および／または量子化帯域についての一つの帯域スケーリング係数を計算および調節するために、固定のマスク対ノイズ率に基づいた決定論的な式を用いる、請求項１に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｂ）の前記ビット割当プロセスが、前記符号化されるデータに利用可能な指定のビット数に従って前記全体的係数を調節するステップと、量子化帯域のための前記全体的係数に対応する前記帯域スケーリング係数の上限および下限を生成するステップとを有する、請求項４に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項６】
前記上限が、ネガティブでないノイズ対マスク率によって制限される、請求項５に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項７】
前記下限が、ゼロ帯域によって制限される、請求項５に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項８】
前記帯域スケーリング係数が、前記マスク閾値および前記入力音声信号に従って各サブ帯域ごとに異なる、請求項４に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項９】
前記全体的係数が、ビットレートに関連する定数によって変化する、請求項４に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｄ）の前に繰り返しのレート制御ループをさらに有し、該繰り返しのレート制御ループが、
（ｃ１）前記符号化されるデータに含まれる前記ビット数が前記符号化されるデータに利用可能な指定のビット数を超えない場合には前記ステップ（ｄ）に続き、そうでない場合には以下のステップ（ｃ２）に続くステップと、
（ｃ２）ステップ（ｂ）で用いられる量子化パラメータおよび量子化ステップサイズを調節してステップ（ｂ）に戻るステップと、を含む、請求項１に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ｂ）が一様な量子化器もしくは非一様な量子化器を通じて実施される、請求項１０に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１２】
前記符号化されるデータに含まれる前記ビット数が前記符号化されるデータに利用可能な指定のビット数を超える場合に、少なくとも一つの対応する全体的係数と一つの帯域スケーリング係数が調節され、前記ステップ（ｃ２）で前記量子化ステップサイズを増加する、請求項１０に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１３】
前記シンボル符号化器がＶＬＣ符号化器を含む、請求項１０に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｂ）が、さらに、前記周波数サンプルのシーケンスを量子化する前に低ビットレート音声符号化のために高周波をカットオフするステップを含む、請求項１０に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１５】
前記繰り返しレート制御ループの前記ステップ（ｃ２）が、さらに、高周波をカットオフする前記ステップのためカットオフ周波数を調節することを含む、請求項１４に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１６】
前記ビット割当プロセスにおける前記パラメータ予測器が、少なくとも一つの対応する全体的係数および／または量子化帯域のための一つの帯域スケーリング係数を計算および調節するため、固定のマスク対ノイズ率に基づいた決定論的な式を用いる、請求項１０に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１７】
前記ステップ（ｂ）の前記ビット割当プロセスがさらに、前記符号化されるデータに利用可能な指定のビット数に従って前記全体的係数を調節するステップと、量子化帯域のための前記全体的係数に対応する前記帯域スケーリング係数の上限および下限を生成するステップとを含む、請求項１６に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１８】
前記上限がネガティブでないノイズ対マスク率によって制限される、請求項１７に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項１９】
前記下限がゼロ帯域によって制限される、請求項１７に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項２０】
前記帯域スケーリング係数が、前記マスク閾値および前記入力音声信号に従って各サブ帯域ごとに変化する、請求項１６に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項２１】
前記全体的係数がビットレートに関連する定数によって変化する、請求項１６に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化方法。
【請求項２２】
音声信号を送信およびパックするデジタル符号化のアーキテクチャであって、
入力音声信号を、前記音声信号のスペクトル成分を表す周波数サンプルのシーケンスへと変換するマッパと、
マスク閾値を参照することによって量子化パラメータを評価するパラメータ予測器と、
前記周波数サンプルのシーケンスを前記量子化パラメータにしたがって量子化された値へと量子化する量子化器と、
前記量子化された値をいくつかのビットを含む符号化されたデータへと符号化する可変長符号化器と、
前記符号化されたデータを、指定の音声プロトコルに従ったデータのシーケンスへとパックするパックユニットと、を含むアーキテクチャ。
【請求項２３】
さらに、
前記符号化されるデータに含まれる前記ビット数と、前記符号化されるデータに利用可能な指定のビット数とを比較する比較器と、
前記符号化されるデータに含まれるビット数が、前記符号化されるデータに利用可能な指定のビット数を超える場合に前記量子化パラメータを調節する調節器と、を含む、請求項２２に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化のアーキテクチャ。
【請求項２４】
さらに、
前記マッパおよび前記量子化器の間に接続された高周波カットオフユニットを含み、該高周波カットオフユニットが前記調節器からカットオフ周波数を受け取るための入力を有する、請求項２３に記載の、音声信号を送信およびパックするデジタル符号化のアーキテクチャ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広く、信号を送信およびパックするためのデジタル符号化方法およびそのアーキテクチャに関し、特に、音声信号の符号化におけるビット割り当てに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＰＥＧレイヤ１−３（Ｍｏｖｉｎｇ　Ｐｉｃｔｕｒｅ　Ｅｘｐｅｒｔｓ　Ｇｒｏｕｐ−Ａｕｄｉｏ　Ｌａｙｅｒ　３）、拡張音声符号化、もしくはＴ／Ｆ（時間／周波数）符号化などの知覚音声符号化は、消費者電子製品、遠隔通信、および放送において広く用いられてきた。これらの知覚音声符号化器の間では、ビット割り当てが、その高い複雑さ（計算量）をもたらす主なタスクの一つであり、そのキーとなるモジュールが符号化の品質を決定している。
【０００３】
図１０は、従来の知覚音声符号化の符号化プロセスのブロックダイアグラムをあらわす。Ｔ／Ｆマッパ１０１が、音声信号Ｓ（ｎ）を、周波数セグメントＳ（ｍ，ｆ）に、時間領域から周波数領域へとウィンドウ毎に変換する。様々な符号化器１０３が高い圧縮レートを達成すべくその符号化プロセスにおいて用いられてきた。出力Ｘ（ｍ，ｆ）は、符号化後の周波数領域シーケンスであり、ウィンドウセグメントインデックスｍと周波数インデックスｆとを有する。量子化器１０５は、Ｘ（ｍ，ｆ）を、量子化ノイズによってもたらされる主観的な損傷を最小化するという目的をもってＸ´（ｍ，ｆ）によってあらわされる有限個数のレベルに、量子化する。量子化レベルは、量子化パラメータを介して制御される。
【０００４】
一般的な音声圧縮は、周波数ラインを量子化帯域とよばれる集合に分類する。一つの量子化帯域にグループ化されるラインの数は、臨界帯域と量子化パラメータを送信するのに必要な許容ビットにしたがって決定される。ＶＬＣ（可変長符号化）１０７は、送信信号の統計的な発生確率を考慮した可変長符号化を通じた量子化シーケンスＸ´（ｍ，ｆ）を提供する。パックユニット１０９は、最後の符号化シーケンスを、指定の音声プロトコルによって定義されるシーケンスへとパックする。心理音響モデル１１１は、信号を分析し、その信号分析結果から量子化帯域のためのＳＭＲ（信号対マスク率）を提供する。ビット割当器１１３は、心理音響モデル１１１によって提供されるマスク閾値および利用可能なビットバジェット１１５を参照しながら量子化パラメータを決定する。
【０００５】
非一様量子化器は、結果的な音声品質および要求されるビットを考慮して量子化方法を決定するビット割当器の制御下で、スペクトルラインを量子化する。したがって、品質およびビット数に対する制御は、ビット割当の基本的な要件である。米国特許第５５７９４３０号は、ＯＣＦ（周波数領域における最適符号化）プロセスに関連したデジタル符号化プロセスを開示する。それは、コンパクトディスクに相当する品質による音楽の符号化がおよそ２ビット／ＡＴＷのデータレートで可能であり、かつ良好なＦＭラジオの品質が１．５ビット／ＡＴＷのデータレートで可能であるような方法で、ＯＣＦプロセスを改善する。他の米国特許第５９２４０６０号は、音響信号の伝送および／または格納のためのデジタル符号化プロセスを開示し、これによれば、音楽信号の品質を主観的に劣化させることなく、４から６の係数だけデータレートを削減する。
【０００６】
ＭＰＥＧレイヤ１および２については、一様量子化器が、品質およびビット要件を制御するために用いられる。したがって、そのビット割当は、量子化ノイズの可聴性を最小化するよう、サブ帯域信号の量子化に利用可能なビットの総数を単に割り当てることである。ＭＰＥＧレイヤ３、ＭＰＥＧ２　ＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ａｕｄｉｏ　Ｃｏｄｉｎｇ）、およびＭＰＥＧ４　Ｔ／Ｆ符号化などの符号化器にとって、品質およびビットレートに対する制御は困難である。これは、主に、それらの符号化器すべてが、入力値にしたがって量子化ノイズが変化する非一様量子化器を用いている、という事実に起因する。すなわち、知覚的に許容できるノイズに応じて量子化パラメータを割り当てることによる品質の制御に失敗しているのである。加えて、ＭＰＥＧレイヤ３およびＭＰＥＧ２　ＡＡＣで用いられる可変長符号化は、異なる値に対して可変のビット長を割り当てるが、このことは、消費されるビットが量子化結果から得られるべきであり、量子化パラメータのみからは得られえないことを意味する。したがって、ビット割当は、符号化器の高い複雑さをもたらす主なタスクの一つとなる。
【０００７】
上述の欠点は、量子化パラメータの評価の問題をもたらす。ＯＣＦと呼ばれる２つのネストされたループを繰り返す方法がその問題を解決するために提案された。図１１に示されるように、その方法は、２つの繰り返しループ、レート制御ループおよび品質制御ループ、を通じて量子化パラメータを評価する。レート制御ループは、パラメータ値を繰り返し調節して、スペクトルラインの量子化およびハフマン符号化を実行することによって得られる制限されたビットに適合するようにする。品質制御ループは、パラメータ値を繰り返し調節して、逆量子化を実行することにより評価される必要のある量子化ノイズの知覚的基準に適合するようにする。
【０００８】
Ｆ個のスペクトルラインを有するフレームについてのその方法の複雑さ（計算量）は、Ｏ（Ｆ・Ｒ・η＋Ｆ・Ｑ・γ）と表すことができ、ここで、ＱおよびＲはそれぞれ品質制御の繰り返しおよびレート制御の繰り返しの数であり、ηおよびγはそれぞれレート制御ループと品質制御ループにおいてスペクトルラインを処理するための計算の複雑さである。レート制御ループの複雑さηは、スペクトルラインの量子化およびＶＬＣ符号化によるものであり、品質制御ループの複雑さγは逆量子化およびノイズ測定によるものである。いずれの複雑さηおよびγも高い。また、繰り返しの数ＱおよびＲは、量子化パラメータの初期値および調節方法に依存する。その複雑さは、図１０示したハイブリッド変換および心理音響モデルの全体的な複雑さよりさらに大きい。
【０００９】
品質制御ループにおける量子化帯域へのビット割当は、符号化される音声の品質を決定する。ビット割り当てるため２つのアプローチが存在してきた。一つのアプローチは、ループの各繰り返しにおいて最悪のノイズ対マスク率を有する帯域にのみビットを割り当てるというものである。このアプローチは、品質制御ループにおいて大きな数の繰り返しをもたらし、これは大変高い複雑さを意味する。他のアプローチは、すべての利用可能なビットが消費されるまで、各繰り返しにおいて、１より高いノイズ対マスク率を有するすべての帯域にビットを割り当てる。このアプローチは、最初のアプローチより相当低い複雑さを有する。しかしながら、このアプローチの品質が満足できるものであるかどうかが問題である。
【００１０】
最初のアプローチは、マスク閾値がノイズ閾値と対応するようにノイズをシェーピングすることができ、これは広く採用されてきた基準である。ＩＳＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）によって提供されるサンプルコードに含まれてきた第二のアプローチは、通常、よりよい主観的な品質をもたらす。２つのネストされたループの方法の問題は、その方法が、収束する条件を導けないことである。２つのループの中に品質と消費ビットとを制御する２つの別個のルールが存在するために、広くデッドロック問題と呼ばれる無限ループに導く可能性がある。デッドロック問題を取り扱うための一般的な方法は、繰り返しの最大数に制限を設けることであり、品質とループ数を処理するためになんらかのヒューリスティックなパラメータチューニング方法を用いることである。しかしながら、これらの方法では品質を保証することができない。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第５５７９４３０号明細書
【特許文献２】
米国特許第５９２４０６０号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来のデジタル符号化プロセスの欠点を克服するためになされたものである。その主な目的は、高い品質とより低い計算の複雑さを有する、音声信号の送信およびパックのためのデジタル符号化方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、入力音声信号は、最初に、その音声信号のスペクトル構成を表すための周波数サンプルのシーケンスにマッピングされる。その周波数サンプルのシーケンスはビット割当プロセスにしたがって量子化され、パラメータ予測器がマスク閾値を直接参照することにより量子化パラメータを評価する。これらの量子化された値は、可変長符号化により符号化され、もしくは、指定のプロトコルに直接パックされる。符号化されたデータの全体の長さが利用可能なビット数を超えると、パラメータ調節がなされ、量子化ステップのサイズを増加させる。このプロセスは、利用可能なビット数が符号化のために必要なビット数より大きくなるまで繰り返される。最後に、最終の符号化されたシーケンスが、指定の音声プロトコルによって定義されたシーケンスへとパックされる。
【００１４】
本発明の方法は、詳細な導出のためにＭＰＥＧレイヤ３の非一様量子化を採用し、かつ、知覚的な符号化方法の複雑さと音声品質の問題を検査する。したがって、本方法は、導出のためにセグメント的なノイズ対マスク率を用い、ビット／ステップサイズと量子化ノイズ間の関係についての閉じた形の等式を提供する。本方法は、ＭＰＥＧレイヤ３に限定されず、ＭＰＥＧ　ＡＡＣ（拡張音声符号化）などのほとんどの知覚符号化器に適用可能である。また、本発明が提供する新しいビット割当基準により、ＭＰＥＧレイヤ１およびレイヤ２などの一様量子化器を伴う符号化器に適用可能である。
【００１５】
本発明の他の目的はかかるデジタル符号化プロセスのためのアーキテクチャを提供することである。アーキテクチャとしては、マッパ、量子化器、ＶＬＣ符号化器、パラメータ予測器、パックユニット、調節器、および比較器を含み、これらは本発明の方法を達成するために信号プロセッサによって実現することができる。
【００１６】
本発明によれば、量子化パラメータは、低ビットレートの音声符号化プロセスのためのレート制御ループによって、等しくない周波数ラインにおける量子化帯域幅と必要ビットを考慮した上品な減損のための品質基準から、直接評価される。可変のビットレート符号化について、レート制御ループにおける繰り返しを完全に除去することができる。
【００１７】
本発明の以上で述べたおよびそれ以外の目的、特徴、態様および利点は、添付の図面を適当に参照して以下で提供される詳細な説明を注意深く読むことにより、よりよく理解されるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による音声符号化方法の手順を示す。図１を参照すると入力音声信号が、最初に、音声信号のスペクトル成分を表す周波数サンプルのシーケンスへとマッピングされる。周波数サンプルのシーケンスは、次いでビット割当プロセスにしたがってより低い精度のシンボルを得るために量子化される。パラメータ予測器は、ハフマンヒアリングシステムが聞けるノイズの程度に対応するマスク閾値を直接参照することによって量子化パラメータを評価するために用いられる。圧縮システムのための信号レベル分解能を決定するパラメータが予測される。
【００１９】
これらの量子化シンボルはＶＬＣ符号化器により符号化される。次のステップは、指定された利用可能なビット数がその符号化されたデータにとって十分であるか否かをチェックすることである。利用可能なビット数が符号化されたデータの全体的な長さ以下の場合は、パラメータ調節がなされ、量子化ステップサイズを増加させる。このプロセスは、符号化のための必要ビット数が利用可能なビット数に達するまで繰り返される。最後には、最終的な符号化シーケンスが指定の音声プロトコルによって定義されたシーケンスにパックされる。
【００２０】
低ビットレートの音声符号化のために、高周波数を、パラメータ予測器における量子化パラメータの評価の前にカットオフことができる。図２は、低ビットレート音声符号化プロセスの手順を示す。図２に示すように、低ビットレート符号化のための必要ビット数が利用可能ビット数を超える間はカットオフ周波数が調節されて送信され、高周波成分が量子化パラメータの評価の前にカットオフされるようにする。量子化ステップサイズも必要であれば調節することができる。可変ビットレートの音声符号化のために、利用可能なビットを必要な品質に応じて調節することができる。この場合、レート制御ループの繰り返しは完全に除去することができる。図３は、可変ビットレート音声符号化プロセスの手順を示し、ここではレート制御ループの繰り返しが図１から取り除かれている。
【００２１】
図１から図３に示す本発明の手順は信号プロセッサによって実現することができる。実現の詳細なアーキテクチャを以下に開示する。図１に従い、図４に示す実現アーキテクチャは、マッパ４０１を含み、これは、音声信号の入力シーケンスを受け取って周波数サンプルのシーケンスへと変形し、これにより音声信号のスペクトル成分を提供するようにする。量子化器４０２は、周波数サンプルのシーケンスを、ビット割当プロセスに応じた有限個数のレベルに量子化する。パラメータ予測器４０５は、マスク閾値を直接参照することによって量子化パラメータを評価するために用いられ、最適符号化器４０３がその量子化されたレベルを符号化する。調節器４０７は利用可能なビット数が符号化されるデータにとって十分でないときに量子化パラメータを調節し、比較器４０８が指定の利用可能ビット数と符号化されるデータの必要長とを比較して利用可能なビット数がその符号化されるデータにとって十分かどうかをチェックする。パックユニット４０９は最終的な符号化シーケンスを指定の音声プロトコルによって定義されるシーケンスにパックする。
【００２２】
図５および図６は、それぞれ図２および図３の実現アーキテクチャを示す。図５を参照すると、調節器４１３は、カットオフ周波数を調節するために用いられ、低ビットレート音声符号化の場合には高周波カットオフユニット４１１にカットオフ周波数を送信する。調節器４１３は、量子化器４０２で用いられる量子化ステップサイズをも調節することができる。高周波カットオフユニット４１１が、マッパ４０１と量子化器４０２との間に加えられ、調節されたカットオフ周波数を受け取ってそれをパラメータ予測器４０５に送信する。可変ビットレート符号化の場合は、レート制御ループの繰り返しに関係する要素が、図６で示されるように単に除去される。
【００２３】
本発明では、固定のマスク対ノイズ率ρに基づき、決定論的な公式を導出して、ビット割当プロセスにおけるパラメータ予測器のための量子化パラメータを計算する。その公式は、非一様量子化器のためのノイズ予測器の閉じた形の式を提供する。この発明は詳細な導出および実験例としてＭＰＥＧレイヤ３を採用する。ＭＰＥＧ　ＡＡＣ量子化器については、同様のプロセスが適用可能である。
【００２４】
本発明のビット割当は、単一ステップ予測により各サブ帯域についてビットレートおよびノイズシェーピングの要件を満たすものである。各サブ帯域についての最適な全体的係数およびスケーリング係数は、マスク閾値を直接参照することによって評価される。全体的係数は、全体的な消費ビット数を制御し、スケーリング係数は他の帯域と対比したその関連帯域の量子化ノイズを制御する。以下の段落では、まずビット割当基準について説明し、ついでより詳細に、ノイズ予測器、および、ゼロの帯域とネガティブなノイズ対マスク率（ＮＭＲ）からの制約下におけるスケーリング係数の境界値を導出する。
【００２５】
（ビット割当基準）まずセグメントのＮＭＲの最小値を考える。
【数１】
2004029761.tif 000003
ここで、
【数２】
2004029761.tif 000004
および
【数３】
2004029761.tif 000005
は、臨界帯域ｉに関連するノイズエネルギーおよびマスクエネルギーである。Ｒ（ｉ）はセグメントのＮＭＲを最小化するビットレートである。Ｒ（ｉ）のビット／サンプルを有するＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｃｏｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）符号化器では、量子化エラー変動は、以下の式で与えられる。
【数４】
2004029761.tif 000006
したがって、最小化
【数５】
2004029761.tif 000007
は全体的なビットレートによって制限され、それは、以下の式のようになる。
【数６】
2004029761.tif 000008
【００２６】
ラグランジュの乗数法によれば、解は以下の式を充たす。
【数７】
2004029761.tif 000009
したがって、Ｒ（ｊ）はノイズ対マスク率がＢ（ｊ）と比例するように割り当てられるべきである。すなわち、
【数８】
2004029761.tif 000010
ノイズレベルは、最良のセグメントＮＭＲを有すべく、マスク閾値に帯域幅を乗じたものと比例するように維持されるべきである。
【００２７】
第二に、量子化帯域のノイズレベルは、マスク閾値とその量子化帯域の臨界帯域幅を考慮して選択される。すなわち、
【数９】
2004029761.tif 000011
のかわりに
【数１０】
2004029761.tif 000012
が、セグメントＮＭＲを最小化するために見出される。
【数１１】
2004029761.tif 000013
ここで、ｑは量子化帯域のインデックスである。この問題は、セグメントＮＭＲを最小化するよう定義される最良のエネルギーを近似するためのＢ（ｑ）を見出すことと等価である。すなわち、
【数１２】
2004029761.tif 000014
量子化帯域の臨界帯域のマスクエネルギーが一様だと仮定すると、計算後の選択は、以下のようになる。
【数１３】
2004029761.tif 000015
【００２８】
第三に、ノイズレベルより高いマスクレベルを有する帯域にビットが割り当てられるのを避けるため、セグメントＮＭＲを最小化するための基準が修正され、ネガティブなＮＭＲを有する帯域は１に丸められる。すなわち、各帯域の量子化ノイズはより低い境界値を有するべきである。一方で、マスク閾値より高いノイズは関連帯域がゼロに丸められるゼロ帯域と呼ばれる現象を招く。ゼロ帯域は知覚的にまったく顕著である。したがって、量子化レベルはまた信号エネルギーより大きくならないよう制限されるべきである。
【００２９】
結局、ビット割当は、ゼロ帯域およびネガティブＮＭＲからの制限下で、マスクレベルと帯域幅の間で、乗数と対応するノイズを伴って指定されることになる。
【００３０】
（ノイズ予測器）ＭＰＥＧレイヤ３の量子化器を、ノイズ予測器の導出のために例として採用する。ＭＰＥＧレイヤ３の標準からレイヤ３の非一様量子化器の簡単化した式は、以下のようになる。
【数１４】
2004029761.tif 000016
ここで、量子化ステップサイズは、以下のとおりである。
【数１５】
2004029761.tif 000017
ＭＰＥＧ標準から、非一様量子化器の式は以下のように表すこともできる。
【数１６】
2004029761.tif 000018
ここで、スケーリング係数は、各量子化帯域ｑについて、ｓｃａｌｅｑ＝１／２（１＋ｓｃａｌｅｆａｃ＿ｓｃａｌｅ）（ｓｃａｌｅｆａｃｑ＋ｐｒｅｆｌａｇ・ｐｒｅｔａｂｑ）であり、ｓｃａｌｅｆａｃ＿ｓｃａｌｅは０もしくは１であり、ｓｃａｌｅｆａｃｑは０から１５の範囲で、事前増幅されたフラグはｐｒｅｆｌａｇｇｒ／ｐｒｅｔａｂｑであり、全体的ゲインはＭＰＥＧレイヤ３フレームの各グラニュラノイズについてｇａｉｎｇｒ＝１／２（ｇｌｏｂａｌ＿ｇａｉｎｇｒ−２１０）である。０．０９４６を無視することによって、数１６は以下のように導出でき、
【数１７】
2004029761.tif 000019
ここで、ステップサイズは
【数１８】
2004029761.tif 000020
【００３１】
次いで、入力信号ｘｒｉおよび再構築される信号〜／ｘｒｉ（ただし「〜／」は続く項の上部の「〜」を表す）は以下の２つの式で表わされる。
【数１９】
2004029761.tif 000021
非一様量子化器の量子化エラーｅｉは入力信号ｘｒｉと再構築される信号〜／ｘｒｉの差と等しくなる。したがって、
【数２０】
2004029761.tif 000022
【００３２】
【数２１】
2004029761.tif 000023
とする。ｆ（ε）＝１＋ｆ（ε）εとする一次近似を伴ってテイラー展開することにより、以下の式が導かれる。
【数２２】
2004029761.tif 000024
量子化された信号ｉｓｉおよび一様量子化器の量子化エラーεｉが独立であると仮定すると、非一様量子化器の量子化エラーの期待値ｅｉは以下のようになる。
【数２３】
2004029761.tif 000025
量子化帯域のスペクトルが一様であれば、ラインのノイズは量子化帯域の平均エネルギーでありえる。すなわち、
【数２４】
2004029761.tif 000026
【００３３】
【数２５】
2004029761.tif 000027
なので、数２３は以下のようになる。
【数２６】
2004029761.tif 000028
数１１を数３２に代入すると、
【数２７】
2004029761.tif 000029
結局、
【数２８】
2004029761.tif 000030
とおくことにより、全体的ゲインとスケール係数の差は、おおよそ、以下のようになる。
【数２９】
2004029761.tif 000031
スケール係数ｓｃａｌｅｑは０から１６の範囲であり、これらの量子化帯域の最小スケールは０でなければならないので、全体的ゲインは、
【数３０】
2004029761.tif 000032
となり、すべてのサブ帯域についてのスケール係数が得られる。全体的ゲインはビットレート関連定数ｋとともに変化し、各サブ帯域のスケール係数は、マスク閾値および入力信号に応じて変化すると云える。
【００３４】
（スケーリング係数の境界値）先に述べたように、ビットはネガティブでないＮＭＲおよびゼロ帯域の制約下で割り当てられなければならない。ネガティブでないＮＭＲの問題については、ノイズレベルがマスク閾値となるように設定され、すなわち
【数３１】
2004029761.tif 000033
およびｋ＝１となる。これは、全体的スケールに対するＵｓｃａｌｅｑの上限を導く。
【数３２】
2004029761.tif 000034
すなわち、
【数３３】
2004029761.tif 000035
ｇａｉｎｇｒは利用可能なビットに応じて調節される。
【００３５】
下限は、ゼロ帯域の制約下で導出できる。ゼロ帯域は、ノイズが信号エネルギーより大きいときに生じる。すなわち、
【数３４】
2004029761.tif 000036
したがって、そのスケールの下限は、
【数３５】
2004029761.tif 000037
【００３６】
図７は、それぞれ、本発明およびＭＰＥＧのビット割当プロセスについての、異なるテスト材料による平均繰り返し数を示し、ここでＱは品質制御の繰り返しでありＲはレート制御の繰り返しである。図７に示すように、本発明の割当方法は品質制御の繰り返しに必要な繰り返しを除去しており、３倍以上、レート制御の繰り返しを削減している。
【００３７】
図８は、ＩＳＯのビット割当方法と比較した本発明の方法の客観的なスコアを示す。ここで、本発明は、ＰＥＡＱ（音声品質の知覚的評価）システムを採用しており、これはＩＴＵ−Ｒ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｔ　Ｒａｄｉｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）タスクグループ１０／４によって推薦されたシステムである。ＩＳＯはオリジナルのソースコードである。ＩＳＯ１は、Ｌａｍｅで用いられる終了条件を採用することにより改善されたものである。実験は、ステレオモードおよび心理音響モデル２に基づいている。また、ＭＳ（Ｍｉｄｄｌｅ／Ｓｉｄｅ　ｃｏｄｉｎｇ）スイッチとビットリザーバはビット割当方法と関係ないので、この２つのメカニズムは実験においては切っておいた。客観的差異グレード（ＯＤＧ）は、客観的測定方法からの出力変数である。ＯＤＧ値は理想的には、０から−４までの値域をとり、ここで０は知覚不能な損傷に対応し、−４は大変障害が多いと判断された損傷に対応する。図８に示すように、本発明の方法の品質は従来例に示された方法に比べて良好である。
【００３８】
ＰＥＡＱのために本発明において採用された構成は基本的なバージョンである。その基本的なバージョンは、ＦＦＴに基づく聴覚モデルを用いている。それは、ＢａｎｄｗｉｄｔｈＲｅｆＢ、ＢａｎｄｗｉｄｔｈＴｅｓｔＢ、Ｔｏｔａｌ　ＮＭＲＢ、ＷｉｎＭｏｄＤｉｆｆ１Ｂ、ＡＤＢＢ、ＥＨＳＢ、ＡｖｇＭｏｄＤｉｆｆ１Ｂ、ＡｖｇＭｏｄＤｉｆｆ２Ｂ、ＲｍｓＮｏｉｓｅＬｏｕｄＢ、ＭＦＰＤＢおよびＲｅｌＤｉｓｔＦｒａｍｅｓＢといったモデル出力変数を用いる。これらの１１のモデル出力変数は、隠れたレイヤにおいて、３つのノードを伴う人工のニューラルネットワークを用いて、単一の品質インデックスにマッピングされる。
【００３９】
図９は、客観的および主観的試験の間に用いられた試験信号の部分集合のリストである。繰り返し数などの同一の繰り返し終了条件や、単調減少するノイズスケール係数帯域を設定したり、スケール係数テーブルに適合させるなど（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｐ３ｄｅｖ．ｏｒｇ／ｍｐ３を参照）により、ＩＳＯのアルゴリズムは、Ｌａｍｅ（最良の品質を有するｍｐ３符号化器として一般に参照される）で述べられた方法により改善しうる。比較のために採用された２つのネストされたループは、Ｌａｍｅで用いられた繰り返しアルゴリズムに基づいている。
【００４０】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明はそこで説明した詳細に限定されないことを理解されたい。様々な置き換えや修正を以上の説明で示唆しており、これにもとづき、当業者はその他の形態にも想到するであろう。したがって、かかるすべての置き換えおよび修正は、頭記請求項で既定された本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による音声符号化プロセスの手順を示す図である。
【図２】本発明による低ビットレート音声符号化プロセスの手順を示す図である。
【図３】本発明による可変ビットレート音声符号化プロセスの手順を示す図である。
【図４】本発明による図１の実現アーキテクチャを示す図である。
【図５】本発明による図２の実現アーキテクチャを示す図である。
【図６】本発明による図３の実現アーキテクチャを示す図である。
【図７】本発明およびＭＰＥＧのビット割当プロセスについて、異なる試験材料を伴ったＭＰＥＧレイヤ３における各グラニュラノイズについての平均的な繰り返し数をそれぞれ示す図である。
【図８】ＩＳＯ草案に示されたビット割当方法と比較した本発明の方法の客観的なスコアを示す図である。
【図９】客観的および主観的試験の間に用いられた試験信号の部分集合のリストを示す図である。
【図１０】従来の音声符号化における符号化プロセスのブロック図である。
【図１１】従来のＯＣＦプロセスのためのビット割当プロセスを示す図である。
【符号の説明】
１０１、４０１　Ｔ／Ｆマッパ（時間領域から周波数領域へのマッピング器）
１０３　他の符号化器
１０５、４０２　量子化器
１０７、４０３　ＶＬＣ（可変長符号化）器
１０９、４０９　（音声プロトコルに応じた）パックユニット
１１１　心理音響モデル
１１３　ビット割当器
１１５　利用可能なビット
４０５　パラメータ予測器
４０７　調節器
４０８　比較器
４１１　高周波カットオフ器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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