(57)【要約】【課題】音響信号等の時系列信号に対して十分な圧縮を行うことが可能であると共に、復号時には、元の時系列信号が完全に復号することが可能な可逆圧縮方式の時系列信号の符号化装置、復号装置および記録媒体を提供する。【解決手段】時系列のサンプル列で構成される時系列信号に対して、各サンプル列を所定のビット位置で分断し、上位ビットのサンプル列で構成される上位サンプルデータ（ｂ）と、下位ビットのサンプル列で構成される下位サンプルデータ（ｃ）とに分離し、上位サンプルデータに対しては時間的に過去のサンプル列からの予測誤差を基に符号化を行うように、下位サンプルデータに対しては隣接サンプル列を合成したデータ（ｃ）を基に符号化を行うようにすることにより、音響信号をデジタル化する際に用いる回路の熱雑音成分を下位サンプルとして分離した状態で、主成分である上位サンプルデータに対して予測誤差を用いた符号化を行うことができる。【選択図】　図４
2004070120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時系列のサンプル列で構成される時系列信号に対して、前記全てのサンプル列を再現できるように情報量を圧縮する符号化装置であって、
前記サンプル列を構成する各ビットデータを所定のビット位置で分断し、上位ビットのサンプル列で構成される上位サンプルデータと、下位ビットのサンプル列で構成される下位サンプルデータとに分離するためのデータ分離手段と、
前記上位サンプルデータに対しては時間的に過去のサンプル列からの予測誤差を基に符号化を行うようにした上位サンプル符号化手段と、
前記下位サンプルデータに対しては隣接サンプル列を合成したデータを基に符号化を行うようにした下位サンプル符号化手段と、
を有することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記データ分離手段は、各ビットデータの正負符号については、上位サンプルデータに包含させ、下位サンプルデータには正の値だけで構成されるように分離していることを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記上位サンプル符号化手段は、２サンプル過去の上位サンプルデータから線形予測を行って予測値を得るための線形予測手段と、
前記予測値と対象の上位サンプルデータとの誤差値を算出するための予測誤差算出手段と、
前記誤差値のビットデータに対して各々異なるビット長で符号化する可変ビット長符号化手段と、
を有することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記予測誤差算出手段は、直前のサンプルに対して得られた誤差値に所定の割合を乗じた値を減算させるような、誤差フィードバック機能を有することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記下位サンプル符号化手段は、連続する２サンプルのビットデータの一方が上位ビットになるように合成するビット合成手段と、
合成された２サンプルのビットデータを各々異なるビット長で符号化する可変ビット長符号化手段と、
を有することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項６】
請求項３または請求項５において、前記可変ビット長符号化手段は、
対象ビットデータのヒストグラムに基づいて、変換されたビットデータの最上位ビットが１になるような最小ビット長で記述したルックアップテーブルを作成するルックアップテーブル作成手段と、
前記対象ビットデータに対して前記ルックアップテーブルを用いて変換を施すビットデータ変換手段と、
変換後のビットデータ間には所定のビット数の区分ビットデータを挿入するようにビットデータを符号化するビットデータ符号化手段と、
を有することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記対象ビットデータが正負の符号をもつ場合、前記ビットデータ符号化手段は、正負に応じて２種類の区分ビットデータを挿入するようにしていることを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記ルックアップテーブルは、対象ビットデータの出現頻度が高いほど少ないビット長になるように変換がなされるようにし、前記区分ビットデータが２ビット００である場合、００１という３ビットのパターンを含まないようなビットデータに変換がなされていることを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記サンプル列の中で、サンプルの値が連続して同一値になっているフレームを抽出し、前記サンプル列から削除すると共に、削除したサンプルの先頭時間位置と、サンプル個数と、サンプル値の３つの値を符号化するようにした信号平坦部符号化手段を有し、
当該信号平坦部符号化手段により処理されたサンプル列に対して、前記データ分離手段が処理を行うことを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記サンプル列が同一時刻に複数の値をもつ複数のチャンネルで構成されている場合、チャンネル間のサンプルの所定の演算を施し、いずれかのチャンネルのサンプル列を更新するようにしたチャンネル間演算手段を有し、
当該チャンネル間演算手段により処理されたサンプル列に対して、前記データ分離手段が処理を行うことを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記チャンネル間演算手段が、前記チャンネルの種類が２の場合、一方のチャンネルのサンプル列の値を、同一時刻に対応する他方のチャンネルのサンプル列の値との差分値で置換するようにしていることを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記サンプル列の中から所定の個数のサンプル列で構成されるフレームを複数個抽出し、フレーム間で所定の演算を施し、一方のフレームのサンプル列を、演算した値に更新するようなフレーム間演算手段を有し、
当該フレーム間演算手段により処理されたサンプル列に対して、前記データ分離手段が処理を行うことを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記フレーム間演算手段が、
互いに構成されるサンプル列が類似している複数のフレームを選別する類似フレーム選別手段と、
前記選別したフレームのうち２つのフレーム間で差分演算を施し、一方のフレームのサンプル列を差分値に変換するフレーム差分算出手段と、
前記選別した複数のフレームの先頭時間位置を符号化するようにしたフレーム構造符号化手段と、
を有することを特徴とする時系列信号の符号化装置。
【請求項１４】
与えられた時系列信号に対して、請求項１から請求項１３のいずれかからなる構成の時系列信号の符号化装置により出力された符号データを記録した時系列信号の記録媒体。
【請求項１５】
記録媒体に記録された符号データを読込むデータ読込手段と、
前記読込んだ符号データのうち、上位ルックアップテーブルを参照することにより、上位可変長サンプル列から上位固定長サンプル列を復元する上位ビット変換手段と、
前記読込んだ符号データのうち、下位ルックアップテーブルを参照することにより、下位可変長サンプル列から下位固定長サンプル列を復元する下位ビット変換手段と、
上位固定長サンプル列と下位固定長サンプル列を統合するデータ統合手段と、
統合された各サンプル列を、前記読込んだ符号データに含まれるフレーム構造情報を用いて、各フレームの情報を復元するフレーム復元手段と、
前記読込んだ符号データに含まれる信号平坦部情報を用いて、前記サンプル列に信号平坦部を挿入する信号平坦部挿入手段と、
前記読込んだ符号データに含まれるチャンネル間情報を用いて、元のサンプル列を復元するチャンネル復元手段と、
を有することを特徴とする時系列信号の復号装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、音楽制作、音響データの素材保管、ロケ素材の中継など音楽制作分野、特にＣＤよりも品質の高い高精細オーディオ制作を行う分野、ＣＤ、ＤＶＤ等のデジタル記録媒体を用いたオーディオ記録再生分野、遠隔医療における生体信号の伝送等、データの改変が嫌われる分野等において好適なデータの可逆圧縮技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、音響信号の圧縮には様々な手法が用いられている。音響信号を圧縮して符号化する手法として、ＭＰ３（ＭＰＥＧ−１／Ｌａｙｅｒ３）、ＡＡＣ（ＭＰＥＧ−２／Ｌａｙｅｒ３）などが実用化されている。このような圧縮符号化方式により、音響信号を小さいデータとして扱うことが可能となり、データの記録・伝送の効率化に貢献している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなＭＰ３、ＡＡＣ等はいずれもロッシー符号化方式といわれるものであり、効率的な圧縮が可能であるが、復号化にあたって、少なからず品質の劣化を伴い、原信号を完全に再現することはできない。そのため、音楽制作、素材保管、ロケ素材の中継など音楽制作分野では、これらの符号化方式を適用できず、非効率ではあるが、非圧縮で保存・伝送する方式がとられている。特に最近は高精細オーディオを扱うプロダクションが増え、素材容量が膨大になり、ワークディスクを管理する上で問題になってきている。
【０００４】
上記のような点に鑑み、本発明は、音響信号等の時系列信号に対して十分な圧縮を行うことが可能であると共に、復号時には、元の時系列信号が完全に復号することが可能な可逆圧縮方式の時系列信号の符号化装置、復号装置および記録媒体を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、時系列のサンプル列で構成される時系列信号に対して、前記全てのサンプル列を再現できるように情報量を圧縮する符号化装置を、前記サンプル列を構成する各ビットデータを所定のビット位置で分断し、上位ビットのサンプル列で構成される上位サンプルデータと、下位ビットのサンプル列で構成される下位サンプルデータとに分離するためのデータ分離手段と、前記上位サンプルデータに対しては時間的に過去のサンプル列からの予測誤差を基に符号化を行うようにした上位サンプル符号化手段と、前記下位サンプルデータに対しては隣接サンプル列を合成したデータを基に符号化を行うようにした下位サンプル符号化手段とを有する構成としたことを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、時系列信号の各サンプルを構成するビットデータを上位サンプルデータと下位サンプルデータに分離し、上位サンプルデータに対しては時間的に過去のサンプル列からの予測誤差を基に符号化を行い、下位サンプルデータに対しては隣接する下位サンプル列を合成したデータを基に符号化を行うようにしたので、音響信号をデジタル化する際に用いる回路の熱雑音成分を下位サンプルとして分離した状態で、主成分である上位サンプルデータに対して予測誤差を用いた符号化を行うことができるため圧縮効率の高い符号化が可能となる。
【０００７】
【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て詳細に説明する。
（装置構成）
図１は、本発明に係る時系列信号の符号化装置の一実施形態を示す構成図である。図１において、１０はチャンネル間演算手段、２０は信号平坦部符号化手段、３０はフレーム間演算手段、３１は類似フレーム選別手段、３２はフレーム差分演算手段、３３はフレーム構造符号化手段、４０はデータ分離手段、５０は上位サンプル符号化手段、５１は線形予測手段、５２は予測誤差算出手段、５３は可変ビット長符号化手段、５４はルックアップテーブル作成手段、５５はビットデータ変換手段、５６はビットデータ符号化手段、６０は下位サンプル符号化手段、６１はビット合成手段、６２は可変ビット長符号化手段、６３はルックアップテーブル作成手段、６４はビットデータ変換手段、６５はビットデータ符号化手段である。
【０００８】
図１において、チャンネル間演算手段１０は、複数のチャンネルからなる時系列信号の各チャンネル間の差分演算を行う機能を有する。信号平坦部符号化手段２０は、差分演算処理された各チャンネルごとのサンプル列に対して、信号の値が一定である平坦部を検出し、効率的に符号化する機能を有する。フレーム間演算手段３０は、平坦部処理が行われた各サンプル列に対して、所定の区間をフレームとして設定した後、類似するフレームを検出し、類似するフレーム間で差分演算する機能を有する。データ分離手段４０は、フレーム間演算が行われたサンプル列を構成する各サンプルデータを所定の位置で上位サンプルデータと下位サンプルデータに分離する機能を有する。上位サンプル符号化手段５０は、データ分離手段４０により分離された上位サンプルデータを効率良く符号化する機能を有する。下位サンプル符号化手段６０は、データ分離手段４０により分離された下位サンプルデータを効率良く符号化する機能を有する。図１に示した各構成要素は、実際には、コンピュータおよびコンピュータにより実行される専用のソフトウェアプログラムにより実現される。
【０００９】
（処理動作）
次に、図１に示した時系列信号の符号化装置の処理動作について説明する。ここでは、時系列信号として複数のチャンネルを有する音響信号の場合を例にとって説明する。まず、時系列信号であるアナログの音響信号をデジタル化する。これは、従来の一般的なＰＣＭの手法を用い、所定のサンプリング周波数でこのアナログ音響信号をサンプリングし、振幅を所定の量子化ビット数を用いてデジタルデータに変換する処理を行えば良い。本実施形態では、サンプリング周波数４４．１ＫＨｚ、量子化ビット数１６ビットで正負の符号を記録した場合を想定して以降説明する。サンプリング周波数４４．１ＫＨｚでサンプリングすると、１秒あたり４４１００個のサンプルにより構成されるサンプル列ができることになる。またここでは、音響信号が複数のチャンネルからなるので、各チャンネルごとにデジタル化が行われる。
【００１０】
このようにしてデジタル化されたデジタル音響信号であるサンプル列は、チャンネル間演算手段１０によりチャンネル間の差分演算が行われる。これは、同一時刻におけるサンプルデータの差分を単純にとることにより行われる。差分演算の結果は、一方のチャンネルのサンプル列として与え、他方のチャンネルのサンプル列の値は、元のままとしておく。例えば、図２（ａ）に示すような２チャンネルのステレオ音響信号を考えてみる。なお、図２（ａ）から（ｄ）においては、左端が開始時刻であり、右端が終端時刻である。図２（ａ）に示すように、Ｃｈ１とＣｈ２の２チャンネルのデータでＣｈ１にＬ（左）信号、Ｃｈ２にＲ（右）信号が記録されていた場合、Ｃｈ１にはＬ信号の値をそのまま記録しておき、Ｃｈ２にはＲ−Ｌの差分値を与える。一般に、ステレオ音響信号では、同一時刻におけるそれぞれのデータには相関があり、各時刻における両データの差分値は元の値に比べて小さな値となる。そのため、図２（ａ）の例では、Ｃｈ２における各サンプルの値が小さくなり、後に圧縮できる余地が大きくなる。
【００１１】
次に、信号平坦部符号化手段２０により、信号平坦部の処理を行う。信号平坦部とは、信号レベルが「０」の無音部および、信号レベルの絶対値が最大の飽和部のことをいう。無音部は実際に無音であるか、音が非常に小さく記録されなかった場合に生じるが、飽和部は、信号の録音およびＡ／Ｄ変換の過程において生じる。無音部、飽和部のいずれであっても、信号平坦部は、同一の信号レベルが所定の時間（所定のサンプル数）連続して記録される。このため、この部分は圧縮し易いデータになっている。具体的には、信号平坦部の先頭時刻位置と、同一信号レベルが続くサンプルの個数と、信号レベルの３つの値を平坦部情報として各チャンネルのサンプル列と分離して記録する。各チャンネルのサンプル列からは、信号平坦部が削除される。これを模式的に示すと図２（ｃ）（ｄ）に示すようになる。図２（ｃ）は、信号平坦部処理前ののサンプル列である。図２（ｃ）において、網掛けで示した部分は信号平坦部を示す。信号平坦部符号化手段２０の処理により、信号平坦部は削除され、図２（ｄ）に示すようになる。ただし、復号時に元通りに復元するために、削除された信号平坦部は、図２（ｅ）に示すような形式で記録しておく。信号平坦部情報は、信号平坦部ごとに、その先頭時刻（サンプル番号）、サンプル数、サンプル値の３属性で記録する。ここで、先頭時刻とは、信号の開始位置からの時刻であり、図２（ｅ）の例では、先頭からのサンプル番号で記録している。このサンプル番号をサンプリング周波数で除算すれば、時刻に変換されることになる。サンプル数は、そのサンプル値がどの程度連続して続くかを示す情報である。なお、サンプル数の代わりに信号平坦部の終了時刻を記録するようにしても良い。サンプル値は、デジタル化された信号レベルを示している。本実施形態では、符号付き１６ビットで量子化しているので、最大値は「３２７６７」、最小値は「−３２７６８」となる。すなわち、「０」は無音分、「３２７６７」および「−３２７６８」は飽和部を示している。ただし、信号平坦部符号化手段２０は、信号平坦部を無条件には処理しない。本発明は、データの圧縮を目的としているため、サンプル列の削減分よりも平坦部情報が大きくなると意味がないからである。したがって、平坦部となるサンプルが所定数以上連続する場合に限り平坦部情報を作成して各チャンネルのサンプル列から削除するのである。
【００１２】
続いて、信号平坦部が削除された各チャンネルのサンプル列に対して、フレーム間演算手段３０が、フレームを設定して、設定されたフレーム間の演算を行う。まず、類似フレーム選別手段３１が、各フレームを構成するサンプル列の類似度を求め、類似しているフレームを選別する。本実施形態では、フレーム長をサンプル列の開始時刻から終了時刻までの全区間に渡って固定長としている。具体的には、１フレームを２０４８サンプルとしている。類似フレーム選別手段３１は、チャンネルデータの先頭から２０４８サンプルずつを１フレームとして抽出し、各フレームの類似度を求めていくことになる。フレーム同士の類似度とは、両信号の相関を求めることになるので、相関計算を行うための種々の手法を用いることができるが、本実施形態では、各フレームにおける２０４８サンプルのうち、サンプル値の絶対値の最大値を抽出する。本実施形態では、連続する１００フレームについて絶対値の最大値を抽出し、最大値の差が所定値以下となるフレームを１つのグループとして選別することになる。この処理はサンプル列の全区間に渡って行われる。ここで、フレーム間演算手段３０の処理によるサンプル列の変化の様子を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図３においては、図２と異なり１チャンネルしか示していないが、他のチャンネルについても同様に処理される。まず、図３（ａ）に示したように、固定長にフレーム化されたサンプル列は、類似フレーム選別手段３１により、フレームＡ１、Ａ２、Ａ３のＡグループと、フレームＢ１、Ｂ２のＢグループに分類される。
【００１３】
続いて、１つのグループとして選別された複数のフレームについて、フレーム差分算出手段３２が、差分を算出する。例えば、Ａグループについては、まず先頭のフレームＡ１と次のフレームＡ２内の各サンプルごとに差分を算出していく。本実施形態では、２０４８個の差分値が各サンプル時刻に対して得られることになる。得られた差分値を一方のフレームのサンプル値として記録し、他方はそのままとしておく。例えば、フレームＡ１とフレームＡ２に対して処理を行った場合、フレームＡ１はそのままであり、フレームＡ２の各サンプルには、差分値が記録されることになる。差分値であることを示すために、処理後のフレームをフレーム「Ａ２−Ａ１」で表現することにする。同様に、フレームＡ２とフレームＡ３についても差分処理を行い、フレーム「Ａ３−Ａ２」を得る。さらに、後続するフレームに対しても同様の処理が行われる。Ｂグループについては、フレームＢ１とフレームＢ２に対して差分算出処理を行い、フレーム「Ｂ２−Ｂ１」が得られる。結局、グループ内の先頭フレームは、そのままとなり、グループ内の２番目以降のフレームには、１つ前のフレームとの差分が記録されることになる。
【００１４】
上記、類似フレーム選別手段３１およびフレーム差分算出手段３２による処理と平行して、フレーム構造符号化手段３３はフレーム構造を記録していく。具体的には、類似フレーム選別手段３１によりどのフレームがグループ化されたかの情報を記録していくことになる。フレームの記録は、各フレームの先頭時刻（サンプル番号）を記録することにより行う。ここで、フレーム構造情報の一例を図３（ｄ）に示す。図３（ｄ）に示すようにフレーム構造情報には、グループ名とそのグループに属するフレームを先頭時刻により記録している。このフレーム構造情報は、復号時に元の信号を忠実に復元するために必要となる。フレーム間演算手段３０では、類似しているフレームを選別して各グループの先頭以外のフレームは先行するフレームとの差分で記録するようにした。類似しているフレームの差分値は、値が小さくなるので、後述する処理で記録するビット数を変化させたときに、少ないビット数で表現することが可能となる。
【００１５】
上記のようにして、各チャンネル同士の差分算出処理、および１チャンネルのサンプル列内の各フレームの差分算出処理が行われたら、次に、データ分離手段４０が、各サンプルデータの上位ビットと下位ビットの分離を行う。例えば、音響信号をＰＣＭによりデジタル化する際に、量子化ビット数１６でサンプリングした場合、各サンプルは１６ビットで表現されている。この場合、本実施形態では、上位ビット１２ビットと、下位ビット４ビットに分離する。この分離は、基本的に、Ａ／Ｄ変換機等、音響信号をデジタル化する際に用いる回路の熱雑音を分離するために行う。そのため、熱雑音であると考えられる下位ビットを分離するのである。下位ビットとして、どの程度分離するかは、音源や利用した回路の特性によっても変化するが、通常量子化ビット数の１／４程度とすることが望ましい。したがって、ここでは、１６ビットの１／４にあたる４ビットを下位ビットとして分離しているのである。
【００１６】
ここで、データ分離手段４０によるデータ分離の様子を図４に模式的に示す。図４において、Ｈは上位ビットもしくは上位サンプルデータを示し、Ｌは下位ビットもしくは下位サンプルデータを示す。図４（ａ）は分離前のサンプルデータであり、上述のように１フレームは２０４８サンプルである。データ分離手段４０により、サンプルデータは、図４（ｂ）に示す上位サンプルデータと図４（ｃ）に示す下位サンプルデータに分離されることになる。なお、上位ビットに含まれる符号ビットは、そのまま上位サンプルデータに含まれて分離される。下位サンプルデータは図４（ｃ）に示すように隣接する下位サンプルデータと合成されて８ビット単位で処理される。下位サンプルデータを合成するのは、このようにすると、奇数番の下位サンプルデータの上位ビットに「０」が続く分だけビット数の削減が可能となり、データ量の削減に貢献するためである。上記のようにして分離されたサンプルデータは、以降別々に処理されることになる。
【００１７】
（上位サンプルの符号化）
上位サンプルデータは、上位サンプル符号化手段５０により処理される。まず、線形予測手段５１と予測誤差算出手段５２が、直前の２つのサンプルを基に各サンプルの予測値と予測誤差を算出する。ここで、予測誤差の算出手法について、図５を用いて説明する。例えば、サンプル値が図５（ａ）に示すような状態である場合を考えてみる。図５（ａ）において、横軸は時刻（サンプル番号）、縦軸は上位サンプル値ｘ（ｔ）である。また、各時刻における線分は、各時刻における上位サンプルｘ（ｔ）の値を示している。このような状態で、時刻ｔのサンプルにおける予測誤差ｅ（ｔ）を算出する場合、直前の時刻ｔ−１における上位サンプル値ｘ（ｔ−１）および２つ前の時刻ｔ−２における上位サンプル値ｘ（ｔ−２）を利用して以下の〔数式１〕により算出する。
【００１８】
〔数式１〕
ｅ（ｔ）＝ｘ（ｔ）−２×ｘ（ｔ−１）＋ｘ（ｔ−２）−ｅ（ｔ−１）／２
【００１９】
上記〔数式１〕において、「２×ｘ（ｔ−１）−ｘ（ｔ−２）」は過去の２つのサンプルに基づく線形予測成分であり、線形予測手段５１により算出される。予測誤差算出手段５２は、算出された線形予測成分、および、直前のサンプルにおいて算出された予測誤差「ｅ（ｔ−１）／２」（誤差フィードバック成分）を用いて時刻ｔにおける予測誤差ｅ（ｔ）を算出する。全サンプルについて、予測誤差の算出を行い、サンプル値の代わりに予測誤差が記録される。
【００２０】
これを図５（ａ）に示した上位サンプルを基に説明する。まず、誤差フィードバック成分を加えない状態で各予測誤差ｅｏ（ｔ）を算出する。図５（ｂ）に示すように、時刻ｔの予測誤差ｅｏ（ｔ）を算出する場合、直前の時刻ｔ−１における上位サンプル値ｘ（ｔ−１）および２つ前の時刻ｔ−２における上位サンプル値ｘ（ｔ−２）を結ぶ予測線が時刻ｔでとる値と、時刻ｔにおける上位サンプル値ｘ（ｔ）の差分（図中太点線で示す）に基づいて予測誤差ｅｏ（ｔ）が算出される。時刻ｔ＋１以降も同様に行って予測誤差ｅｏ（ｔ＋１）を算出する。算出された予測誤差ｅｏ（ｔ）は、図５（ｃ）に示すようになる。図５（ａ）と図５（ｃ）を比較するとわかるように値が変動する範囲が大きく狭まり、データ圧縮に都合が良くなる。
続いて、〔数式１〕に基づいて予測誤差ｅｏ（ｔ）に対して直前の時刻ｔ−１における補正が加わった予測誤差ｅ（ｔ−１）の５０％を減算させて、誤差フィードバック処理を加えた結果が図５（ｄ）である。図５（ｃ）と比べると、時刻ｔ＋１およびｔ＋２における予測誤差の低減が顕著である。逆に時刻ｔ＋３およびｔ＋４では予測誤差が増大しているが、平均的には予測誤差が低減し、図５（ａ）と比較すると値が変動する範囲が更に狭まり、データ圧縮効果が向上する。
【００２１】
次に、可変ビット長符号化手段５３が、予測誤差値で記録された上位サンプルデータをより少ないデータ量で表現するために、ビット構成の変換を行う。まず、ビット構成の変換を行うために利用するルックアップテーブルの作成を行う。具体的には、まず全時刻に渡って、各サンプル値のヒストグラムを算出する。サンプル値は正負の値をとるが、ここでは、その絶対値ごとにヒストグラムを算出する。その結果、出現頻度の高いサンプル値から順に、少ないビット数のビットパターンを割り当てていく。この際、割り当てるビットパターンには規則が有り、最上位ビットは必ず「１」とし、「００１」または「０１１」のビットパターンを含むビットパターンは禁止する。図６（ｃ）に作成されたルックアップテーブルの一例を示す。
【００２２】
上記のようにして作成されたルックアップテーブルを用いて、１２ビット固定長の連続する上位サンプルデータを、可変長のビットパターンに変換していく。可変長になるため、変換後の各データの区切りを区別する必要が生じる。そのため、本実施形態では、各データ間に２ビットのセパレータビットを挿入する。この際、図６（ｄ）に示すようにセパレータビットは正負の極性を持ち、サンプル値が正の場合は「００」、負の場合は「０１」を、その変換後のビットパターンの直前に挿入する。上述のように、ルックアップテーブルにおける元のサンプル値とビットパターンの対応関係は、サンプル値の符号を考慮していないため、代わりにセパレータビットで表現するのである。なお、ルックアップテーブルにおいて、「００１」または「０１１」のビットパターンを禁止するのは、セパレータビットの後が必ず「１」となり、データ間の区切りの識別ができなくなるためである。図６（ａ）（ｂ）に、可変ビット長符号化手段５３によるデータ変換の様子を模式的に示す。図６（ａ）（ｂ）はいずれもサンプル列の上位部分に対応しており、図６（ａ）は固定長の上位サンプルが連続して記録されている様子を示している。図６（ａ）に示したような上位サンプル列は、図６（ｃ）（ｄ）に示したルックアップテーブルおよび極性セパレータを用いて図６（ｂ）に示すように変換されることになる。
【００２３】
（下位サンプルの符号化）
一方、下位サンプルデータは、下位サンプル符号化手段６０により処理される。まず、ビット合成手段６１が、連続する２サンプルから得られた下位サンプルデータを合成する。本実施形態では、下位ビットを４ビットとしているので、合成された合成ビットデータは８ビットとなる。
【００２４】
次に、可変ビット長符号化手段６２が、合成により得られた合成ビットデータをより少ないデータ量で表現するために、ビット構成の変換を行う。まず、上位サンプルデータの場合と同様、ビット構成の変換を行うために利用するルックアップテーブルの作成を行う。具体的には、まず全時刻に渡って、各合成ビットデータのヒストグラムを算出する。上位サンプルデータの場合と異なり、各合成ビットデータは正負の符号を持たないため、単純にビットパターンのヒストグラムを算出する。その結果、出現頻度の高いビットパターンから順に、少ないビット数のビットパターンを割り当てていく。この場合にも、割り当てるビットパターンには規則が有り、最上位ビットは必ず「１」とし、「００１」のビットパターンを含むビットパターンは禁止する。図７（ｃ）に作成されたルックアップテーブルの一例を示す。
【００２５】
上記のようにして作成されたルックアップテーブルを用いて、８ビット固定長の連続する合成ビットデータを、可変長のビットパターンに変換していく。ここでも、可変長になるため、変換後の各データの区切りを区別する必要が生じることになる。上位サンプルデータの場合と同様に、各データ間に２ビットのセパレータビットを挿入する。ただし、合成ビットデータについては、正負の符号を考慮する必要がないので、セパレータビットは「００」に統一し、変換後のビットパターンの直前に挿入する。なお、ルックアップテーブルにおいて、「００１」のビットパターンを禁止するのは、セパレータビットの後が必ず「１」となり、データ間の区切りの識別ができなくなるためである。図７（ａ）に示したような固定長の下位サンプル列は、図７（ｂ）に示したような可変長の下位サンプル列に変換されることになる。
【００２６】
（符号データの記録）
以上のようにして得られた符号データは、図８に示すようになる。すなわち、上位可変長サンプル列、下位可変長サンプル列、上位サンプル用ルックアップテーブル、下位サンプル用ルックアップテーブル、フレーム構造情報、信号平坦部情報、チャンネル間情報となる。このデータを記録すべき記録媒体に合わせたフォーマットで記録する。
【００２７】
（復号）
次に、上記符号化装置により符号化された符号データの復号について説明する。図９は、本発明に係る時系列信号の復号装置の構成を示す機能ブロック図である。図９において、９１はデータ読込手段、９２は上位サンプル変換手段、９３は下位サンプル変換手段、９４はデータ統合手段、９５はフレーム復元手段、９６は信号平坦部挿入手段、９７はチャンネル復元手段である。図９に示す構成は、コンピュータおよびコンピュータに搭載される専用のソフトウェアプログラムにより実現される。
【００２８】
続いて、図９に示した復号装置の処理動作について説明する。まず、図８に示したような符号データを記録した記録媒体を、データ読込手段９１が読み込む。データ読込手段９１は、読み込んだデータのうち、上位可変長サンプル列と上位ルックアップテーブルを、上位サンプル変換手段９２に渡すと共に、下位可変長サンプル列と下位ルックアップテーブルを、下位サンプル変換手段９３に渡す。上位サンプル変換手段９２では、上位ルックアップテーブルを参照することにより、上位可変長サンプル列から、固定長の上位固定長サンプル列すなわち線形予測誤差ｅ（ｔ）を復元し、〔数式１〕の左辺の項と右辺第１項を交換した式に基づいて、１２ビット固定長の上位サンプルデータｘ（ｔ）を順次復元してゆく。また、下位サンプル変換手段９３では、下位ルックアップテーブルを参照することにより、下位可変長サンプル列から、８ビット固定長の下位固定長サンプル列を復元し、上位および下位４ビットを分離して隣接する２サンプルに割り当て、４ビット固定長の下位サンプルデータを復元してゆく。続いて、データ統合手段９４が上位固定長サンプル列と下位固定長サンプル列を統合する。具体的には、上位固定長サンプル列から１２ビットを抽出し、下位固定長サンプル列から４ビットを抽出して順次統合する処理を行う。
【００２９】
この時点で、各チャンネルのサンプル列は、図３（ｃ）に示したような構成となっている。フレーム復元手段９５は、このようなサンプル列に対して、フレーム構造情報を用いて、どのフレームが先頭フレームであるか、およびどのフレームが差分フレームになっているかを認識して復元する。この結果、図２（ｄ）に示すようなサンプル列が復元される。さらに、信号平坦部挿入手段９６は、図２（ｅ）に示したような信号平坦部情報を用いて、所定の位置に信号平坦部を挿入し、図２（ｃ）に示すように信号平坦部を挿入する。最後に、チャンネル復元手段９７がチャンネル間情報を用いて、どのチャンネルのサンプル列が元のままであるか、どのチャンネルのサンプル列がどのチャンネルのサンプル列との差分情報となっているかを認識して、元のサンプル列を復元する。これにより、アナログ信号をＰＣＭ化した状態のデジタル音響信号がデータの欠落無く復元される。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、フレーム間演算手段３０は、フレーム長を固定長に設定して先頭から順次決定していったが、時系列信号の特徴からフレーム長を可変にして設定するようにしても良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、時系列のサンプル列で構成される時系列信号に対して、前記全てのサンプル列を再現できるように情報量を圧縮する符号化装置を、前記サンプル列を構成する各ビットデータを所定のビット位置で分断し、上位ビットのサンプル列で構成される上位サンプルデータと、下位ビットのサンプル列で構成される下位サンプルデータとに分離するためのデータ分離手段と、前記上位サンプルデータに対しては時間的に過去のサンプル列からの予測誤差を基に符号化を行うようにした上位サンプル符号化手段と、前記下位サンプルデータに対しては隣接サンプル列を合成したデータを基に符号化を行うようにした下位サンプル符号化手段とを有する構成としたので、音響信号をデジタル化する際に用いる回路の熱雑音成分を下位サンプルとして分離した状態で、主成分である上位サンプルデータに対して予測誤差を用いた符号化を行うことができるため圧縮効率の高い符号化が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る時系列信号の符号化装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】チャンネル間演算手段１０および信号平坦部符号化手段２０による処理の様子を示す図である。
【図３】フレーム間演算手段３０による処理の様子を示す図である。
【図４】データ分離手段４０による処理の様子を示す図である。
【図５】上位サンプル符号化手段５０による予測誤差算出処理の様子を示す図である。
【図６】上位サンプル符号化手段５０によるデータ変換の様子を示す図である。
【図７】下位サンプル符号化手段６０によるデータ変換の様子を示す図である。
【図８】本発明に係る時系列信号の符号化装置により得られる符号データを示す図である。
【図９】本発明に係る時系列信号の復号装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１０・・・チャンネル間演算手段
２０・・・信号平坦部符号化手段
３０・・・フレーム間演算手段
３１・・・類似フレーム選別手段
３２・・・フレーム差分算出手段
３３・・・フレーム構造符号化手段
４０・・・データ分離手段
５０・・・上位サンプル符号化手段
５１・・・線形予測手段
５２・・・予測誤差算出手段
５３・・・可変ビット長符号化手段
５４、６３・・・ルックアップテーブル作成手段
５５、６４・・・ビットデータ変換手段
５６、６５・・・ビットデータ符号化手段
６０・・・下位サンプル符号化手段
６１・・・ビット合成手段
９１・・・データ読込手段
９２・・・上位サンプル変換手段
９３・・・下位サンプル変換手段
９４・・・データ統合手段
９５・・・フレーム復元手段
９６・・・信号平坦部挿入手段
９７・・・チャンネル復元手段
【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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【図９】
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