(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響心理学効果によってオーディオ信号を解析することによりデータ圧縮が得られるディジタル化されたオーディオ信号を符号化する方法であって、
２種類以上の異なる音響心理学モデルがデータ圧縮処理のため使用され、上記２種類以上の異なる音響心理学モデルの各々はある種のマスキング閾値を生じさせ、
上記ある種のマスキング閾値が結合され、最終的なマスキング閾値が得られることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記のマスキング閾値の結合は加重結合であり、
加重係数は符号化されるビットストリームに対する利用可能なデータレートに依存して決定される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記加重結合は、
Ｍａｓｋが最終的なマスキング閾値を表わし、
Ｍａｓｋ１が第１の音響心理学モデルから得られたマスキング閾値を表わし、
Ｍａｓｋ２が第２の音響心理学モデルから得られたマスキング閾値を表わし、
αがＭａｓｋ１に対する加重係数を表わし、
βがＭａｓｋ２に対する加重係数を表わすとき、以下の式
Ｍａｓｋ  ＝  α＊Ｍａｓｋ１  ＋  β＊Ｍａｓｋ２
による線形結合である、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
上記の２種類以上の異なる音響心理学モデルの各々に対し、独立変数として上記利用可能なデータレートを有し、関数値として０と１との間の値を有する、上記利用可能なデータレートに依存して加重係数を決める適当な曲線が設けられている、請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
音響心理学効果を考慮して決められたマスキング閾値によりオーディオ信号のディジタルデータを圧縮するデータ圧縮手段を有するディジタル化されたオーディオ信号を符号化する装置であって、
夫々のマスキング閾値を計算する２種類以上の音響心理学モデル手段であって、各々は符号化されるビットストリームに対する１つのデータレートに適合した音響心理学モデル手段と、
上記２種類以上の音響心理学モデル手段の生成されたマスキング閾値を結合する結合手段であって、上記データ圧縮手段により使用される最終的なマスキング閾値を得る結合手段とが設けられていることを特徴とする装置。
【請求項６】
上記の２種類以上のマスキング閾値が結合される前に、上記の２種類以上のマスキング閾値を加重する加重手段が設けられている、請求項５記載の装置。
【請求項７】
加重手段が上記符号化されるビットストリームに対する利用可能なデータレートに依存して加重係数を決める、請求項５又は６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディジタル化されたオーディオ信号を符号化する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＭＰＥＧ１又はＭＰＥＧ２方式のオーディオシステムにおけるオーディオ符号器の音響心理学モデルは、データ圧縮の目的のためのマスキング閾値を計算する。マスキング閾値はオーディオ信号の各サブバンドに対し変化する。所謂ビット割当て処理は、所定のマスキング閾値によって各サブバンドに対し分解能を定義し、サブバンド標本はその分解能で量子化される必要がある。この分解能は、オーディオ信号標本の各ブロックと共に時間的に変化する。従って、最適なサウンド品質のため必要なビットレートは、異なるブロックに対し変化すべきである。実際上、ＭＰＥＧ１方式のオーディオシステムにおいて、利用可能な所望のビットレートは、通常、各オーディオチャンネルに対し一定である。所望のビットレートに関して伝送のため要求される種々のパラメータ及びデータに対する正確なビット数は、予め正確に評価することができないので、数ビットが残され、或いは、数ビットが失われる。通常、簡単な割当て方式は、この問題を解決するため、例えば、各サブバンドに対し近似的に一致するビット数を割り当てることにより使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の割当て方式は符号器で使用される音響心理学モデルを考慮していない。近年、符号器は低いビットレートのレンジに対し最適化されている。このような事実にも係わらず、上記のオーディオ符号器が高い方のビットレートのレンジにおける動作にも使用されているが、オーディオ符号器はそのような動作を行うためには最適化されていない。左右のチャンネル間、及び／又は、付加チャンネル（左サラウンド、右サラウンド、センタ）間、及び／又は、所望のビットレートがフレームとフレームとの間で変化し得るＭＰＥＧ方式LayerIIIの間で異なるビットレートが生じる。
【０００４】
本発明の目的は、上記の割当て方式に関してより良いオーディオ符号化品質が得られる方法を提供することである。
本発明の他の目的は、上記の本発明の方法を実施する装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的は、請求項１に記載された本発明の方法により実現される。本発明の方法は、音響心理学効果によってオーディオ信号を解析することによりデータ圧縮が得られるディジタル化されたオーディオ信号を符号化する方法であって、符号化されたビットストリームに対する利用可能なデータレートに依存して、異なる音響心理学モデルが、データ圧縮処理に使用されるマスキング閾値の判定のため使用されることを特徴とする。
【０００６】
上記本発明の他の目的は、請求項６に記載された装置により実現される。本発明の装置は、音響心理学効果を考慮して決められたマスキング閾値によりオーディオ信号のディジタルデータを圧縮するデータ圧縮手段を有するディジタル化されたオーディオ信号を符号化する装置であって、符号化されたビットストリームに対する特定のデータレートに適合し、夫々のマスキング閾値を計算する２種類以上の音響心理学モデル手段と、上記符号化されたビットストリームに対する利用可能なデータレートに依存して、上記夫々のマスキング閾値を選択する選択手段とが設けられていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施例では、あるビットレート又はビットレートのレンジに対し最適化された一種類ではなく三種類の各音響心理学モデルが使用される。所望のチャンネル又はフレームビットレートに依存して、符号器は音響心理学モデルの中から適当な一つのモデルを選択する。一つの音響心理学モデルの出力は、ある種の所望のビットレートに対する標準マスキング閾値であると考えてよい。
【０００８】
現時のビット数が高すぎるとき、一般的により高いマスキング閾値を有する第２の音響心理学モデルが使用される。この高い方の閾値は、従来技術のようにスペクトル上で均等に増加された標準閾値ではなく、現時の入力スペクトルに依然として適応している音響心理学モデルに対し増加される。
現時のビット数が低すぎるとき、一般的により低いマスキング閾値を有する第３の音響心理学モデルが使用される。同様に、この低い方の閾値は、従来技術のようにスペクトル上で均等に減少された標準閾値ではなく、現時の入力スペクトルに依然として適応している音響心理学モデルに対し減少される。
【０００９】
本発明の第２の実施例は、異なる音響心理学モデルの間、例えば、左右のチャンネルの間、及び／又は、所望のデータレートがフレームからフレームまでに変化し得るＭＰＥＧ方式のLayerI乃至LayerIIIの間におけるハード（厳格な）スイッチングの問題を解決する。スイッチングのため、２値論理を用いる代わりにファジイ論理が実行される。
【００１０】
原理的に、本発明は、ＭＰＥＧ２方式のLayerI乃至LayerIII及び／又はＭＰＥＧ２方式のＮＢＣシステムに適している。
本発明の方法の有利な他の実施例は、夫々の従属請求項に記載されている。
本発明の装置の有利な他の実施例は、夫々の従属請求項に記載されている。
【００１１】
【実施例】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
オーディオ符号化技術に関する貴重な情報は、国際規格ＩＳＯ／ＩＥＣ  １１１７２−３、第１版  １９９３−０８−０１、’情報技術−最大約１．５Ｍｂｉｔ／ｓのディジタル記憶媒体用の動画像及び関連したオーディオの符号化’、第３部  オーディオに記載されている。
【００１２】
新規の方法は２通り以上の音響心理学モデルを使用する。例えば、３通りの音響心理学モデルが使用される。各音響心理学モデルは、特定の予め決められたオーディオビットストリームのデータレートに適合される。例えば、３２ｋＢｉｔ／ｓ（キロビット毎秒）、５６ｋＢｉｔ／ｓ及び８０ｋＢｉｔ／ｓの３通りのデータレートがある。以下、異なる音響心理学モデルは、ＰＡＭ＿ＬＯＷ（低音響心理学モデル）、ＰＡＭ＿ＭＩＤ（中音響心理学モデル）及びＰＡＭ＿ＨＩＧＨ（高音響心理学モデル）のように略称される。ＰＡＭ＿ＬＯＷは３２ｋＢｉｔ／ｓの低いデータレートに適合され、ＰＡＭ＿ＭＩＤは５６ｋＢｉｔ／ｓの中間のデータレートに適合され、ＰＡＭ＿ＨＩＧＨは８０ｋＢｉｔ／ｓの高いデータレートに適合される。
【００１３】
図１を参照するに、音響心理学モデルが使用される領域が示されている。図１のＸ軸上には、オーディオ符号器により使用され得る実施可能なデータレートの範囲が規定されている。Ｙ軸上に、各音響心理学モデルの占有が各実施可能なデータレートに対し与えられる。利用可能なデータレートがレンジＤＲＲ１内に収まるとき、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷがマスキング閾値の計算のため使用される。従って、占有率は１であり、即ち、ＰＡＭ＿ＬＯＷに対し１００％、ＰＡＭ＿ＭＩＤ及びＰＡＭ＿ＨＩＧＨに対し０％である。利用可能なデータレートがレンジＤＲＲ２内に収まるとき、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤがマスキング閾値の計算のため使用される。従って、占有率は１であり、即ち、ＰＡＭ＿ＭＩＤに対し１００％、ＰＡＭ＿ＬＯＷ及びＰＡＭ＿ＨＩＧＨに対し０％である。利用可能なデータレートがレンジＤＲＲ３内に収まるとき、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＨＩＧＨがマスキング閾値の計算のため使用される。従って、占有率は１であり、即ち、ＰＡＭ＿ＨＩＧＨに対し１００％、ＰＡＭ＿ＬＯＷ及びＰＡＭ＿ＭＩＤに対し０％である。以下、この種の異なる音響心理学モデル間のスイッチングを「ハードスイッチング」と称する。
【００１４】
以下、図２を参照して上記の方法に従って動作する適当で簡単なコンピュータプログラムを説明する。
プログラムは、スタート点１０から開始する。判定ステップ２０において、利用可能なデータレートＡＤＲが図１に示されたデータレート値ＤＲ１未満であるかどうかが判定される。データレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ１未満である場合に、プログラムはステップ３０に進む。ステップ３０において、マスキング閾値は、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷを利用して決定される。ステップ３０の後、プログラムは終了する。
【００１５】
判定ステップ２０において、利用可能なデータレートＡＤＲはデータレート値ＤＲ１以上であることが判定された場合、判定ステップ５０において、利用可能なデータレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ２未満であるかどうかが解析される。判定結果が肯定であるならば、プログラムはステップ６０に進み、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤがマスキング閾値の計算のため使用される。判定ステップ５０における判定結果が否定である場合、プログラムは判定ステップ７０に進む。判定ステップ７０において、利用可能なデータレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ３以下であるかどうかが判定される。データレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ３以下であるならば、プログラムはステップ８０に進み、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＨＩＧＨがマスキング閾値の計算のため使用される。判定ステップ７０においてデータレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ３以下ではないと判定されたならば、プログラムはステップ９０に進み、適当なエラー検出アルゴリズムが実行される。ステップ６０、８０又は９０の実行後、プログラムはステップ４０で終了する。
【００１６】
以下、「ソフト（柔軟な）スイッチング」と称される洗練された異なる音響心理学モデルの間のスイッチング方法を説明する。図３には、利用可能なデータレートに対する３通りの異なるレンジＤＲＲ４、ＤＲＲ５及びＤＲＲ６が示される。利用可能なデータレートがレンジＤＲＲ４の範囲内に収まるならば、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷだけが使用され、即ち、マスキング閾値の計算のため１００％占有される。利用可能なデータレートがレンジＤＲＲ７の範囲内に収まるならば、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＨＩＧＨだけが使用される。利用可能なデータレートがレンジＤＲＲ５の範囲内に収まるならば、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷと音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤの両方が対応するマスキング閾値の計算のため使用される。利用可能なデータレートがレンジＤＲＲ６の範囲内に収まるとき、二つの音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤ及び音響心理学モデルＰＡＭ＿ＨＩＧＨがマスキング閾値の計算のため使用される。例えば、図３には、利用可能なデータレートＡＤＲがレンジＤＲＲ５の範囲内に収まる場合が示されている。この例は、二つのマスキング閾値、即ち、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷに対応した第１のマスキング閾値Ｍａｓｋ＿Ｌｏｗと、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤに対応した第２のマスキング閾値Ｍａｓｋ＿Ｍｉｄとが計算されることを意味する。両方のマスキング閾値は、最終的なマスキング閾値Ｍａｓｋに結合される。新しいマスキング閾値は、以下の式
式１：平均計算の例
Ｍａｓｋ  ＝  α＊Ｍａｓｋ＿Ｍｉｄ  ＋  β＊Ｍａｓｋ＿Ｌｏｗ
に従って平均計算を用いて計算される。式中、αは音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤに対する占有率を表わし、βは音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷに対する占有率を表わす。両方の占有率は図３に示される。これらの占有率は、利用可能なデータレートＡＤＲの点で夫々の曲線Ｌ及びＭを表わす値を格納するテーブルを参照することにより決定される。かかる技術により、広いデータレートのレンジのビットストリームを発生し得るオーディオ符号器を設計し得るようになる。
【００１７】
以下、図４を参照して上記のソフトスイッチングの方法を実行する適当なコンピュータプログラムを説明する。コンピュータプログラムはスタートステップ１００から始まる。次のステップ１１０において、利用可能なデータレートＡＤＲがデータレートＤＲ４未満であるかどうかが解析される。解析の結果が肯定であるならば、次のプログラムステップとしてステップ１２０が得られる。ステップ１２０において、マスキング閾値は、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷだけに基づいて計算される。ステップ１２０の後、プログラムはステップ１３０において終了する。
【００１８】
ステップ１１０における解析の結果が否定であるならば、プログラムはステップ１４０に進む。ステップ１４０において、利用可能なデータレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ５未満であるかどうかが判定される。利用可能なデータレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ５未満である場合、ステップ１５０において、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷのためのマスキング閾値と、音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤのためのマスキング閾値との２通りのマスキング閾値が計算される。次に、両方のマスキング閾値が結合され、最終的なマスキング閾値が得られる。この目的のため、両方のマスキング閾値は、図３に示されるような対応する加重因子α及びβにより重み付けられる。結合演算は上記の式１を利用する。
【００１９】
ステップ１４０における判定結果が否定であるならば、次のステップは判定ステップ１６０である。判定ステップ１６０において、利用可能なデータレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ６未満であるかどうかが判定される。判定結果が真であるならば、次のステップはステップ１７０である。ステップ１７０において、２通りのマスキング閾値Ｍａｓｋ＿Ｍｉｄ及びＭａｓｋ＿Ｈｉｇｈが、対応する音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤ及びＰＡＭ＿ＨＩＧＨに基づいて計算される。同様に、マスキング閾値Ｍａｓｋ＿Ｍｉｄ及びＭａｓｋ＿Ｈｉｇｈは、ステップ１５０に関し説明したように重み付けられ、結合される。
【００２０】
判定ステップ１６０における判定結果が否定であるならば、判定ステップ１８０に進む。判定ステップ１８０において、図３に示されるように、利用可能なデータレートＡＤＲがデータレート値ＤＲ７以下であるかどうかが判定される。判定結果が肯定であるならば、次に、ステップ１９０が実行される。ステップ１９０において、マスキング閾値が音響心理学モデルＰＡＭ＿ＨＩＧＨに基づいて計算される。ステップ１８０の判定結果が否定である場合、次にステップ２００において、エラー検出アルゴリズムが実行される。上記のステップ１５０、１７０、１９０及び２００の中のいずれかのステップの実行後、プログラムはステップ１３０において終了する。
【００２１】
以下、図５を参照して「ソフトスイッチング」方法を利用するオーディオ信号の符号化装置を説明する。この装置は周知のサブバンド符号化技術に基づいている。ディジタル化されたオーディオ信号は、データバス３００を介してフィルタバンク３１０に供給される。簡単化のため、一つのオーディオチャンネル（モノ）だけが符号化装置に伝送される場合を想定する。勿論、オーディオ信号は符号化装置にブロック形式で供給される。フィルタバンク３１０において、オーディオ信号は３２個のサブバンドに分割される。サプバンド標本は回路３２０に供給される。回路３２０においてスケールファクタが計算される。スケールファクタは、データ圧縮、即ち、サブバンド標本中の先行する’０’及び’１’のビットを禁止する目的のため使用される。各サブバンドブロックのスケールファクタは、スケールファクタ量子化器３３０に供給される。スケールファクタ量子化器３３０において、スケールファクタは、例えば、６ビットの分解能で量子化される。量子化されたスケールファクタは多重化器３５０に転送される。多重化器の機能は後述する。サブバンド標本は、回路３２０を通過した後、正規化回路３６０に入力される。正規化回路３６０において、サブバンド標本は、量子化されたスケールファクタに基づいて決定され、バス３４０を介して入力された適当な倍率１／ＵS により乗算される。正規化されたサブバンド標本は量子化器３７０に供給される。量子化器３７０において、音響心理学効果に基づくデータ圧縮が行われる。量子化目的のためのビット分解能は、以下に説明する音響心理学モデルに起因して決定されるので、量子化ノイズは人の耳には聴こえない。量子化器３７０を通過した後、サブバンド標本は多重化器３５０に転送される。多重化器３５０は、全ての同期及び補助データを含む符号化装置の出力ビットストリームを生成する。ビットストリームはデータバス３８０を介して出力される。
【００２２】
データバス３００を介して到来するビットストリームは回路３９０に供給される。回路３９０内で、信号の周波数スペクトルが回路４００のＦＦＴ（高速フーリエ変換）アルゴリズムにより計算される。更に、３通りの音響心理学モデル４１０乃至４３０が回路３９０で利用できる。第１の音響心理学モデルＰＡＭ＿ＬＯＷは、低いビットレート、例えば、３２ｋＢｉｔ／ｓの特定の出力ビットストリームのため適合し、最適化されている。第２の音響心理学モデルＰＡＭ＿ＭＩＤは、中間のビットレート、例えば、５６ｋＢｉｔ／ｓの出力ビットストリームのため適合し、最適化されている。第３の音響心理学モデルＰＡＭ＿ＨＩＧＨは、高いビットレート、例えば、８０ｋＢｉｔ／ｓの出力ビットストリームのため適合し、最適化されている。上記の音響心理学モデルは、夫々、マスキング閾値Ｍａｓｋ＿Ｌｏｗ、Ｍａｓｋ＿Ｍｉｄ及びＭａｓｋ＿Ｈｉｇｈを決定することができる。
【００２３】
ＭＰＥＧ１規格及びＭＰＥＧ２規格の場合、ビットレートが広いビットレートのレンジの範囲内（自由フォーマット）で予め定められる可能性がある。所定のビットレート値に依存して、「ハードスイッチング」モードにおいて、一つの音響心理学モデルがマスキング閾値の計算のため使用される。このことは、図１及び２を参照して説明した。「ソフトスイッチング」モードでは、二つの異なる音響心理学モデルを使用してもよい。これは、図３及び４を参照して説明した所定のビットレートの値に依存する。２個のマスキング閾値が結合器４４０に転送され、結合器４４０内で結合される。得られたデータはビット割当て器４５０に供給される。「ハードスイッチング」モードの場合、結合器４４０は、適当なマスキング閾値データを選択し、ビット割当て器４５０に転送する選択器として動作する。ビット割当て器４５０は、ビット割当てを計算し、量子化器３７０を制御する。ビット割当てデータは多重化器３５０に転送される。制御回路４６０は、ユーザからの入力によって利用可能なデータレートを予め定め、それに基づいて結合器４４０及びビット割当て器４５０を制御する。制御回路４６０は、更に、補助データを多重化器３５０に入力する。
【００２４】
本発明は、ＭＰＥＧ方式、ＤＡＢ（ディジタルオーディオブロードキャスティング）方式、ＤＣＣ方式又はＭＤ方式のような殆ど全てのオーディオシステムで使用可能である。
音響心理学モデルの代わりに、視覚生理学モデルが適用されたとき、本発明は、ＭＰＥＧ１方式又はＭＰＥＧ２方式のようなビデオ符号化のため使用することができる。
【００２５】
上記の実施例の多数の置換が可能である。例えば、図３に示された曲線Ｌ、Ｍ及びＨは、別の形状でも構わない。更に、音響心理学モデルの数は３個でなくてもよい。図５に示された回路は、標準又は専用マイクロプロセッサにより実行される適当なコンピュータプログラムで実現してもよい。「ソフトスイッチングモード」でマスキング閾値を結合するため、式１の代わりにある程度変形された式を用いても構わない。更に、３個以上のマスキング閾値を結合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】３通りのマスキング閾値の間の「ハードスイッチング」方法を表わす図である。
【図２】「ハードスイッチング」方法を使用するオーディオ符号化装置のプログラム構造を表わす図である。
【図３】３通りのマスキング閾値の間の「ソフトスイッチング」方法を表わす図である。
【図４】「ハードスイッチング」方法を使用するオーディオ符号化装置のプログラム構造を表わす図である。
【図５】オーディオ符号化装置の原理構成を表わすブロック図である。
【符号の説明】
３００，３８０    データバス
３１０    フィルタバンク
３２０    スケールファクタ計算回路
３３０    スケールファクタ量子化器
３４０    バス
３５０    多重化器
３６０    正規化器
３７０    量子化器
３９０    マスキング閾値回路
４００    高速フーリエ変換器
４１０，４２０，４３０    音響心理学モデル
４４０    結合器
４５０    ビット割当て器
４６０    制御回路
【図１】
0004173209.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004173209.tif 000004
【図４】
0004173209.tif 000005
【図５】
0004173209.tif 000006