(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル音響信号を時間軸に沿ってブロック化し、各ブロック毎にサブバンド分割や周波数領域への変換等の処理を施し、該音響信号を複数の帯域に分割し、各帯域毎に符号化ビットを割り当て、割り当てた符号化ビット数に応じて前記音響信号を量子化することにより圧縮符号化するデジタル音響信号の符号化・量子化方法において、
前記各分割帯域に符号化ビット数を割り当てるにときに、共通正規化係数及び各分割帯域ごとの正規化係数を初期化し、
前記各ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約を満足するための処理として入力した音響信号を量子化し、符号化に必要な総ビット数を求め、必要ビット数が使用可能ビット数より多ければ、共通正規化係数の値を増加させて、再び音響信号を量子化して符号化に必要な総ビット数を求め、この使用可能ビット数の制約を満足するための処理を必要ビット数が使用可能ビット数以下となるまで繰り返して行ない、
必要ビット数が使用可能ビット数以下になったら、各分割帯域毎に聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約を満足するための処理に入り、その時点の共通正規化係数と正規化係数によって音響信号を量子化した場合の各分割領域における量子化誤差強度を求め、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在するかどうかを判定し、この判定の結果、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在する場合は、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域における正規化係数を「１」だけ増やし、同時に情報ビットを「１」として再び、その時点の共通正規化係数と正規化係数によって音響信号を量子化した場合の各分割領域における量子化誤差強度を求め、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在するかどうかを判定し、この処理を全ての分割領域について量子化誤差強度が許容誤差強度以下となるまで繰り返し、
前記各ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約を満足するための処理と前記各分割帯域毎に聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約を満足するための処理とを交互に繰り返して、情報ビットが「１」であるような分割領域が存在しなければ、使用可能ビット数の制約と許容誤差強度の制約の両方を満足したと判断してビット割り当て処理を終了することを特徴とする符号化・量子化方法。
【請求項２】
前記各ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約を満足するための処理を終える毎に、その時点における各分割帯域へのビット割り当てに基づいて音響信号の量子化を行う場合の音響信号に関わる物理量を計算し記憶する請求項１記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項３】
前記各分割帯域へのビット割り当てに基づいて音響信号の量子化を行う場合の音響信号に関わる物理量を計算し記憶するときに、該物理量がそれ以前に記憶していた同種の物理量よりも大きいか又は小さい場合にのみ、計算した物理量を新たに記憶する請求項２記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項４】
前記各分割帯域へのビット割り当てに基づいて音響信号の量子化を行う場合の音響信号に関わる物理量を新たに記憶する場合にのみ、その時点における各分割帯域へのビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報を記憶する請求項３記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項５】
前記ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約と、各分割帯域毎の聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約の両方を満足した場合にビット割り当て処理を終えるか、又は二つの制約とは異なる終了条件によってビット割り当て処理を終えてデジタル音響信号を最終的に量子化する請求項１記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項６】
前記各分割帯域への最後に記憶したビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報に基づいてデジタル音響信号を最終的に量子化する請求項５記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項７】
前記ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約と、各分割帯域毎の聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約の両方を満足してビット割り当て処理を終えた場合は、当該処理を終えた時点でのビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報に基づいて、デジタル音響信号を最終的に量子化し、前記二つの制約とは異なる終了条件によってビット割り当て処理を終えた場合は、各分割帯域への最後に記憶したビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報に基づいて音響信号を最終的に量子化する請求項５記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項８】
前記各分割帯域での量子化誤差強度を許容誤差強度で除した値の全分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなす請求項２記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項９】
前記量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな各分割帯域での量子化誤差強度を許容誤差強度で除した値の量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな全ての分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなす請求項２記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項１０】
前記各分割帯域での量子化誤差強度の全分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなす請求項２記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項１１】
前記量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな各分割帯域での量子化誤差強度の量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな全ての分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなす請求項２記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項１２】
前記量子化誤差強度が許容誤差強度より大きい分割帯域の数を音響信号に関わる物理量とみなす請求項２記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【請求項１３】
前記符号化に必要なビット数を音響信号に関わる物理量とみなす請求項２記載の音響信号の符号化・量子化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、音声の蓄積，通信，放送等に利用するデジタル音響信号の符号化・量子化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル音響信号の符号化方法としては各種の方法が使用され、例えば特開平７−１５４２６６号公報には、デジタル音響信号の各ブロックに対して符号化後ビット数の上限をさだめ、この上限を超えるビット数を必要とするブロックにおいては。各ユニットの正規化係数を調節することにより、必要なビット数の上限を固定して、可変長符号化によるビット数のばらつきに左右されることなく、聴覚上の影響の少ない形で効率的な符号化を図るようにしている。具体的には、ノイズ成分のユニット係数のうち、最も小さいものを「１」だけ増加させたり、あるいは最も小さくかつ最も高い帯域のユニットの正規化係数のみを増加させるようにしている。
【０００３】
また、国際標準化機構で定めたＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７にはデジタル音響信号を時間軸に沿ってブロック化し、ブロック毎にサブバンド分割や周波数領域への変換等の処理を施して音響信号を複数の帯域に分割し、その帯域毎に符号化ビットを割り当て、割り当てた符号化ビット数に応じて音響信号を量子化することにより圧縮符号化するデジタル音響信号の符号化方式において、各分割帯域に符号化ビット数を割り当てるに際し、まず、各記ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約を満足するための処理を行い、次に、各分割帯域毎に量子化誤差強度を制約するための処理を行う。この量子化誤差強度の制御では、聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約を満足しない分割帯域において、正規化係数を「１」だけ増加させる。そして再び使用可能ビット数を満足するための処理に戻る。このビット割り当て動作を使用可能ビット数と許容誤差強度の両制約を満足するか又はそれ以外の終了条件を満足するまで繰り返す。そして、ビット割り当て動作終了時のビット割り当て情報に基づいて、デジタル音響信号を最終的に量子化するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
デジタル音響信号の高品質圧縮・符号化においては、人間の聴覚心理特性が利用される。その特性は小さな音が大きな音によってマスキングされて聴こえなくなるというものである。すなわち、ある周波数で大きな音が発生すると、その近傍の周波数の小さな音はマスクされて人間に耳には感知されなくなる。ここで、マスクされた聴こえなくなる限界の強度をマスキング閾値という。一方、人間の耳はマスキングとは無関係に４ｋＨｚ付近の音に対して最も感度が良く、それより上下の帯域になればなるほど次第に感度が悪くなっていくという性質もある。この性質は静寂な状況で音を感知し得る限界の強度として表され、これを絶対可聴閾値という。例えば図６に音響信号の強度分布（Ａ）と音響信号に対するマスキング閾値（Ｂ）及び絶対可聴閾値（Ｃ）を示す。図に示すように、人間の耳には、音響信号に対するマスキング閾値（Ｂ）及び絶対可聴閾値（Ｃ）よりも大きな強度の音のみ感知できる。したがって音響信号の強度分布（Ａ）の中で音響信号に対するマスキング閾値（Ｂ）及び絶対可聴閾値（Ｃ）よりも大きな部分の情報のみを取り出しても、聴覚的には元の音響信号と同じように感じられる。
【０００５】
このことは音響信号の符号化においては、図６の音響信号の強度分布（Ａ）の中でマスキング閾値（Ｂ）及び絶対可聴閾値（Ｃ）よりも大きな部分のみに符号化ビットを割り当てることと等価である。ここでビット割り当ては音響信号の全帯域を複数の小帯域（Ｄ）に分割して、その分割帯域（Ｄ）の単位で行っている。この各小帯域（Ｄ）の領域の横幅は分割帯域幅に相当する。各分割帯域（Ｄ）で、下限の強度以下の音は耳に聴こえない音であり、原音と符号／復号化音の強度の誤差がこの下限を超えなければ両者の差を感知できない。その意味で、この下限の強度を許容誤差強度と呼ぶ。音響信号を量子化して圧縮するに際し、原音に対する符号／復号化音の量子化誤差強度が許容誤差強度以下になるように量子化すれば、原音の音質を損なわずに音響信号を圧縮できる。したがって、図６の各小帯域（Ｄ）の領域のみに符号化ビットを割り当てるということは、各分割帯域での量子化誤差強度がちょうど許容誤差強度になるように量子化することと等価である。
【０００６】
この音響信号の符号化方式としては、ＭＰＥＧ  Ａｕｄｉｏ（Ｍｏｖｉｎｇ  Ｐｉｃｔｕｒｅ  Ｅｘｐｅｒｔｓ  Ｇｒｏｕｐ）やＤｏｌｂｙデジタル等があるが、いずれも前記で説明したような性質を用いている。その中で、現在最も符号化効率がよいとされているのが、ＩＳＯ／ＩＥＣ  １３８１８７−７にて標準化されているＭＰＥＧ−２ＡｕｄｉｏＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ａｕｄｉｏ  Ｃｏｄｉｎｇ）という方式である。図７にＡＡＣの符号化の基本的なブロック図を示す。聴覚心理モデル部７１にて時間軸に沿ってブロック化された入力音響信号の各分割帯域毎に許容誤差強度を算出する。一方、ゲインコントロール７２とフィルタバンク７３とテンポラルノイズシェイピング（ＴＮＳ）７４とインテンシティ／カップリング７５と予測器７６及びミドルサイズステレオ（Ｍ／Ｓ）７７で、同じくブロック化された入力信号に対してＭＤＣＴ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｃｏｓｉｎｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）による周波数領域への変換やステレオ相関符号化，予測符号化等の処理を行う。この処理された音響信号を量子化器７９で量子化する。その前に正規化係数７８を決定する。正規化係数には全分割帯域に共通な共通正規化係数と各分割帯域毎に異なる正規化係数がある。ここで、量子化前後の音響信号をそれぞれｃ，ｑ、各分割帯域をｓｆｂ、全分割帯域に共通な共通正規化係数をＣｓｆ、各分割帯域ｓｆｂにおける正規化係数をｓｆ［ｓｆｂ］とすると、これらは下記（１）式の関係をみたす。
【０００７】
【数１】
0003784993.tif 000002
【０００８】
（１）式に示すように、共通正規化係数Ｃｓｆの値が大きいほど、また、各分割帯域ｓｆｂにおける正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］が小さいほど、量子化の精度は粗くなり量子化誤差強度は大きくなる。
【０００９】
この量子化した音響信号に対してノイズレスコーディング８０であらかじめ定められたハフマン符号に基づいてハフマン符号を与えてノイズレスコーディングを行う。ここで、ブロック化された音響信号を符号化するために必要な総ビット数が求められる。この正規化係数の決定からノイズレスコーディングにおいては、次の２つの制約を満足せねばならない。１つは聴覚心理モデル７１で求めた各分割帯域ｓｆｂ毎の許容誤差強度の制約であり、他の１つは符号化に際してあらかじめ定められた符号化ビットレートより決定される各ブロック毎に割り当てられた使用可能ビット数の制約である。一般に量子化精度が粗くなればなるほど量子化誤差強度は増すがブロック当たりに必要な総ビット数は少なくなるので、この２つの正制約は互いに相反する。そこで、両制約を同時に満足するまで正規化係数の決定からノイズレスコーディングを共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を変化させながら繰り返して行う。
【００１０】
ここで共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］により、各分割帯域の量子化精度が定まり、それぞれの割り当てビット数が決定することから、これら共通正規化係数Ｃｓｆ及び各分割帯域ｓｆｂごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］をビット割り当て情報に相当する情報とみなすことができる。
【００１１】
前記２つの制約が満足されたら最終的な量子化とハフマン符号化がなされ、マルチプレクサ８１で他のヘッダ情報等と共に符号ビット列が形成される。
【００１２】
前記ＩＯＳ／ＩＥＣ１３８１８−７においては正規化係数の決定からノイズレスコーディングでのビット割り当てと量子化の繰り返し処理の一例が示されている。これを図８のフローチャートを用いて説明する。まず共通正規化係数Ｃｓｆ及び各分割帯域ｓｆｂごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を初期化する（ステップＳ４１，Ｓ４２）。次に音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める（ステップＳ４３）。そして必要ビット数が使用可能ビット数より多ければ、共通正規化係数Ｃｓｆの値を増加させて（ステップＳ４４，Ｓ４５）、再び音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める（ステップＳ４３）。この処理を必要ビット数が使用可能ビット数以下となるまで繰り返して行なう（ステップＳ４４，Ｓ４５，Ｓ４３）。必要ビット数が使用可能ビット数以下になったら（ステップＳ４４）、分割帯域ｓｆｂにて分割帯域ごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値が変化したかどうかを示すための情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］を全て「０」に初期化する（ステップＳ４６）。そして、その時点の共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によって音響信号を量子化した場合の各分割領域ｓｆｂでの量子化誤差強度を求める（ステップＳ４７）。次に、求めた量子化誤差強度が許容誤差強度となるような分割領域ｓｆｂで正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値を「１」だけ増加させ、情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］を「１」とする（ステップＳ４８）。その後、情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］が「１」であるような分割領域ｓｆｂが存在するかどうかをみる（ステップＳ４９）。この条件に該当する分割領域ｓｆｂが１つでも存在すれば、必要ビット数が使用可能ビット数以下になった制約を満足しなくなった可能性がある。そこで、再び音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求め上記処理を繰り返す（ステップＳ４３〜Ｓ４９）。そして情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］が「１」であるような分割領域ｓｆｂが存在しなければ、使用可能ビット数の制約と許容誤差強度の制約の両方を満足したと判断できるのでビット割り当て処理を終了する（ステップＳ４９）。しかしながら、符号化ビットレートが低くて使用可能ビット数が少ない場合は、両制約を満足するビット割り当てが不可能な場合もある。これは全分割領域ｓｆｂにおいて正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］が「０」より大きくなる場合である。このような場合、さらに、処理時間の短縮を考えて、正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値があらかじめ定めた値以上になった場合もビット割り当て処理を終了する（ステップＳ４９）。
【００１３】
以上の処理中、ステップＳ４３〜Ｓ４５の繰り返し処理が、使用可能ビット数の制約を満足するための処理であり、ステップＳ４７，Ｓ４８の処理が許容誤差強度の制約を満足するための処理である。これらビット割り当て処理の終了後、最終的に決定した共通正規化係数Ｃｓｆ及び各分割帯域ｓｆｂごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によって音響信号を最終的に量子化する。
【００１４】
このようなＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７において示されたビット割り当てと量子化の繰り返し処理には次のような問題点がある。この問題点を、周波数の分割帯域と誤差強度の関係を模式的に示した図９を参照して説明する。図９においては各分割帯域ａ〜ｊの許容誤差強度を階段状に示す。図８のステップ４３に示すように、初期化された共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によって量子化を行った場合の量子化誤差強度を図１０に示す。図１０に示すように、全ての分割帯域ａ〜ｊで量子化誤差強度は一定となっている。ここで、ステップＳ４４で必要ビット数が使用可能ビット数より多い場合は、ステップＳ４５で共通正規化係数Ｃｓｆの値が増加する。そこで，ステップＳ４３で再度量子化すると、図１１に示すように、全ての分割帯域ａ〜ｊで量子化誤差強度が等しく上昇する。このような状態で使用可能ビット数の制約を満足したとすると、ステップＳ４６，Ｓ４７を経てステップＳ４８で量子化誤差強度と許容誤差強度との比較がなされる。このとき、図１１に示すように分割帯域ｄ，ｅ，ｆ，ｇでは量子化誤差強度が許容誤差強度を上回っているため、これらの分割帯域ｄ，ｅ，ｆ，ｇでは正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値をそれぞれ「１」だけ増加する。その結果、量子化誤差強度は図１２に示すように、分割帯域ｄ，ｅ，ｆ，ｇで小さくなり、正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値が増えた分割帯域ｓｆｂが存在するのでステップＳ４９における判定により再びステップ４３の量子化に戻る。
【００１５】
同様にしてステップＳ４５で共通正規化係数Ｃｓｆが再び増加すると、図１３に示すように量子化誤差強度が分割帯域ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈで大きくなる。このため，ステップＳ４８で分割帯域ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値をそれぞれ「１」だけ増加すると、量子化誤差強度は図１４に示すように分割帯域ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈで「１」だけ小さくなる。しかしながら、この方法では、図１２や図１４の分割帯域ｅ，ｆのように、許容誤差強度の制約を満足するための処理を終えた時点で、必ずしも全分割帯域で量子化誤差強度が許容誤差強度以下になるとは限らない。すなわち、ステップＳ４８において、正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値は常に「１」ずつだけ増加しないからである。このため、最終的に使用可能ビット数と量子化誤差強度の両方の制約が満足されない場合は、分割帯域ｅ，ｆでは量子化誤差強度が許容誤差強度よりもはるかに大きくなってしまう可能性がある。しかしながら、このように許容誤差強度が小さい帯域というのは、聴覚が誤差を敏感に感知する帯域といえるので、他の帯域よりも優先的にビット割り当てを行うのが望ましい。
【００１６】
ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７において示されたビット割り当てと量子化の繰り返し処理には、使用可能ビット数と許容誤差強度の両方の制約が満足されない場合、このように聴覚上重要な分割帯域でのビット割り当てが特に不足し、許容誤差強度が満足されず、その結果、符号／復号音の音質劣化をより大きく感じるようになってしまう。
【００１７】
また、ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７における方法では、上記のように許容誤差誤差強度の制約を満足するための処理を終えた時点、すなわちステップＳ４８を終えた時点で、必ずしも全分割帯域で量子化誤差強度が許容誤差強度以下になるとは限らない。したがって例え最終的に使用可能ビット数と許容誤差強度の両方の制約が満足される場合でも、その状態に収束するまでに時間がかかってしまう。すなわち許容誤差強度の制約を満足するまでにステップＳ４８からステップＳ４３へ戻る処理を何度も繰返して行う必要があり、その結果として符号化処理速度が遅くなるという問題もある。
【００１８】
一方、特開平７−１５４２６６号公報に示された方法は、使用可能ビット数の制約を満足できない場合は、基本的に許容誤差強度が小さい分割帯域から優先的に正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値を小さくすることと等価と考えられるので、この符号化方式でもＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７において示された方法と同様の問題が生じる。
【００１９】
この発明はかかる問題を解消し、使用可能ビット数と許容誤差強度の両方の制約が満足されない場合、許容誤差強度の小さな分割帯域で特にビット割り当てが不足し、音質劣化が大きくなることを防ぐことができる音響信号の符号化・量子化方法を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る音響信号の符号化・量子化方法は、デジタル音響信号を時間軸に沿ってブロック化し、各ブロック毎にサブバンド分割や周波数領域への変換等の処理を施し、該音響信号を複数の帯域に分割し、各帯域毎に符号化ビットを割り当て、割り当てた符号化ビット数に応じて前記音響信号を量子化することにより圧縮符号化するデジタル音響信号の符号化・量子化方法において、前記各分割帯域に符号化ビット数を割り当てるにときに、共通正規化係数及び各分割帯域ごとの正規化係数を初期化し、
前記各ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約を満足するための処理として入力した音響信号を量子化し、符号化に必要な総ビット数を求め、必要ビット数が使用可能ビット数より多ければ、共通正規化係数の値を増加させて、再び音響信号を量子化して符号化に必要な総ビット数を求め、この使用可能ビット数の制約を満足するための処理を必要ビット数が使用可能ビット数以下となるまで繰り返して行ない、
必要ビット数が使用可能ビット数以下になったら、各分割帯域毎に聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約を満足するための処理に入り、その時点の共通正規化係数と正規化係数によって音響信号を量子化した場合の各分割領域における量子化誤差強度を求め、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在するかどうかを判定し、この判定の結果、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在する場合は、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域における正規化係数を「１」だけ増やし、同時に情報ビットを「１」として再び、その時点の共通正規化係数と正規化係数によって音響信号を量子化した場合の各分割領域における量子化誤差強度を求め、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在するかどうかを判定し、この処理を全ての分割領域について量子化誤差強度が許容誤差強度以下となるまで繰り返し、
前記各ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約を満足するための処理と前記各分割帯域毎に聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約を満足するための処理とを交互に繰り返して、情報ビットが「１」であるような分割領域が存在しなければ、使用可能ビット数の制約と許容誤差強度の制約の両方を満足したと判断してビット割り当て処理を終了することを特徴とする。
【００２１】
前記ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約と、各分割帯域毎の聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約の両方を満足した場合にビット割り当て処理を終えるか、又は二つの制約とは異なる終了条件によってビット割り当て処理を終えてデジタル音響信号を最終的に量子化すると良い。
【００２３】
さらに、各ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約を満足するための処理を終える毎に、その時点における各分割帯域へのビット割り当てに基づいて音響信号の量子化を行う場合の音響信号に関わる物理量を計算し記憶することが望ましい。
【００２４】
また、各分割帯域へのビット割り当てに基づいて音響信号の量子化を行う場合の音響信号に関わる物理量を計算し記憶するときに、該物理量がそれ以前に記憶していた同種の物理量よりも大きいか又は小さい場合にのみ、計算した物理量を新たに記憶すると良い。
【００２５】
さらに、前記各分割帯域へのビット割り当てに基づいて音響信号の量子化を行う場合の音響信号に関わる物理量を新たに記憶する場合にのみ、その時点における各分割帯域へのビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報を記憶すると良い。
【００２６】
また、各分割帯域への最後に記憶したビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報に基づいてデジタル音響信号を最終的に量子化することが望ましい。
【００２７】
また、ブロック毎にあらかじめ割り当てられた使用可能ビット数の制約と、各分割帯域毎の聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約の両方を満足してビット割り当て処理を終えた場合は、当該処理を終えた時点でのビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報に基づいて、デジタル音響信号を最終的に量子化し、前記二つ制約とは異なる終了条件によってビット割り当て処理を終えた場合は、各分割帯域への最後に記憶したビット割り当て情報若しくは該ビット割り当て情報に相当する情報に基づいて音響信号を最終的に量子化すると良い。
【００２８】
また、各分割帯域での量子化誤差強度を許容誤差強度で除した値の全分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなしたり、量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな各分割帯域での量子化誤差強度を許容誤差強度で除した値の量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな全ての分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなす。
【００２９】
また、各分割帯域での量子化誤差強度の全分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなしたり、量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな各分割帯域での量子化誤差強度の量子化誤差強度が許容誤差強度より大きな全ての分割帯域に関する総和を音響信号に関わる物理量とみなすと良い。
【００３０】
さらに、量子化誤差強度が許容誤差強度より大きい分割帯域の数を音響信号に関わる物理量とみなしたり、符号化に必要なビット数を音響信号に関わる物理量とみなしても良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
この発明の音響信号の符号化・量子化方法は、デジタル音響信号を時間軸に沿ってブロック化して複数の帯域に分割し、各帯域毎に符号化ビットを割り当てるときに、各ブロック毎に使用可能ビット数の制約を満足するための処理と、許容誤差強度の制約を満足するための処理を繰り返す。
【００３２】
この処理を行うときは、共通正規化係数及び各分割帯域ごとの正規化係数を初期化してから、入力した音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める。そして必要ビット数が使用可能ビット数より多ければ、共通正規化係数の値を増加させて、再び音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める。この使用可能ビット数の制約を満足するための処理を必要ビット数が使用可能ビット数以下となるまで繰り返して行なう。必要ビット数が使用可能ビット数以下になったら、分割帯域ごとの正規化係数の値が変化したかどうかを示すための情報ビットを初期化し、許容誤差強度の制約を満足するための処理に入り。この処理では、その時点の共通正規化係数と正規化係数によって音響信号を量子化した場合の各分割領域における量子化誤差強度を求める。次に量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂが存在するかどうかを判定する。この判定の結果、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在する場合は、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域における正規化係数を「１」だけ増やし、同時に情報ビットを「１」とする。そして、再び、その時点の共通正規化係数と正規化係数によって音響信号を量子化した場合の、各分割領域における量子化誤差強度を求め、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域が存在するかどうかを判定する。この処理を全ての分割領域について量子化誤差強度が許容誤差強度以下となるまで繰り返し、全ての分割領域について量子化誤差強度が許容誤差強度以下になったら、情報ビットが「１」であるような分割領域が存在しなければ、使用可能ビット数の制約と許容誤差強度の制約の両方を満足したと判断してビット割り当て処理を終了する。この割り当てた符号化ビット数に応じて音響信号を最終的に量子化する。
【００３３】
【実施例】
この発明の一実施例を図１のフローチャートを参照して説明する。まず、共通正規化係数Ｃｓｆ及び各分割帯域ｓｆｂごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を初期化する（ステップＳ１，Ｓ２）。次に入力した音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める（ステップＳ３）。そして必要ビット数が使用可能ビット数より多ければ、共通正規化係数Ｃｓｆの値を増加させて（ステップＳ４，Ｓ５）、再び音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める（ステップＳ３）。この処理を必要ビット数が使用可能ビット数以下となるまで繰り返して行なう（ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ３）。必要ビット数が使用可能ビット数以下になったら（ステップＳ４）、分割帯域ｓｆｂにて分割帯域ごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値が変化したかどうかを示す情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］を全て「０」に初期化する（ステップＳ６）。そして、その時点の共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によって音響信号を量子化した場合の、各分割領域ｓｆｂにおける量子化誤差強度を求める（ステップＳ７）。次に量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂが存在するかどうかを判定する（ステップＳ８）。この判定の結果、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂが存在する場合は、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂにおける正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を「１」だけ増やし、同時に情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］を「１」とする（ステップＳ９）。そして、再び、その時点の共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によって音響信号を量子化した場合の、各分割領域ｓｆｂにおける量子化誤差強度を求め（ステップＳ７）、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂが存在するかどうかを判定する（ステップＳ８）。この処理を全ての分割領域ｓｆｂについて量子化誤差強度が許容誤差強度以下となるまで繰り返し、全ての分割領域ｓｆｂについて量子化誤差強度が許容誤差強度以下になったら（ステップＳ８）、情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］が「１」であるような分割領域ｓｆｂが存在しなければ、使用可能ビット数の制約と許容誤差強度の制約の両方を満足したと判断してビット割り当て処理を終了する（ステップＳ１０）。また、符号化ビットレートが低くて使用可能ビット数が少ない場合は、両制約を満足するビット割り当てが不可能な場合もある。これは全分割領域ｓｆｂにおいて正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］が「０」より大きくなる場合である。このような場合、さらに、処理時間の短縮を考えて正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値があらかじめ定めた値以上になった場合もビット割り当て処理を終了する（ステップＳ１０）。
【００３４】
以上の処理においてステップＳ３〜Ｓ５の繰り返し処理が、使用可能ビット数の制約を満足するための処理であり、ステップＳ７〜Ｓ９の繰り返し処理が許容誤差強度の制約を満足するための処理である。
【００３５】
以上説明したこの実施例の処理を、ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７における方法との比較を、図９に示した周波数の分割帯域と誤差強度の関係を参照して説明する。ステップＳ１，Ｓ２で初期化された共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によってステップＳ３で量子化を行った場合の量子化誤差強度は、ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７の場合と同様に図１０に示したものなる。また、ステップＳ５で共通正規化係数Ｃｓｆの値を増加させて、再度、量子化したときの量子化誤差強度も、やはりＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７の場合と同様に図１１に示すようになる。図１１に示した状態では、分割帯域ｄ，ｅ，ｆ，ｇにおいて量子化誤差強度が許容誤差強度を上回っている。この図１１に示した状態で使用可能ビット数の制約を満足したとすると、ステップＳ６を経てステップＳ７で量子化誤差強度を計算する。
【００３６】
ここでＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７の方法のように、量子化誤差強度が許容誤差強度を上回っている分割帯域ｄ，ｅ，ｆ，ｇの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値をそれぞれ「１」だけ増加させて再び量子化誤差強度を求めると、図１２に示すようになる。ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７の方法では、この状態で情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］が「１」であるような分割領域ｓｆｂが存在かどうかを判定するが、この実施例の場合は、ステップ８で計算して求めた量子化誤差強度と許容誤差強度と比較する。この比較の結果、図１２に示すように、分割帯域ｅ，ｆで量子化誤差強度が依然として許容誤差強度を上回っているときは、再びステップ９に進んで分割帯域ｅ，ｆの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値をさらに「１」だけ増加させる。そして再びステップＳ７で量子化誤差強度を求めると、量子化誤差強度は図２に示すように分割帯域ｅ，ｆでも許容誤差強度以下となる。この状態でステップＳ８，Ｓ１０へ処理が進む。ここで正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値がが増えた分割領域ｓｆｂが存在するのでステップＳ１０における判定により、処理は再びステップＳ３に戻り量子化する。この処理を繰り返し行ない共通正規化係数Ｃｓｆが増加すると、量子化誤差強度は図３に示すようになる。図３ではＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７の方法の場合の図１２に比べて分割帯域ｅ，ｆでより多くのビットを割り当てる必要があるので、共通正規化係数Ｃｓｆの増加もその分だけ多くしなければならない。このため、図３に示す量子化誤差強度の上限は、ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−７の方法の場合の図１３に比べて高くなっている。
【００３７】
図３において量子化誤差強度が許容誤差強度を上回っているのは分割帯域ｂ〜ｉであるが、ステップＳ７〜Ｓ９の許容誤差強度の制約を満足するための繰り返し処理を行うと、量子化誤差強度は、図４に示すように全分割帯域ａ〜ｊで許容誤差強度以下になる。したがって最終的に使用可能ビット数と量子化誤差強度の両方の制約が満足されない場合でも、分割帯域ｅ，ｆのように許容誤差強度が小さい帯域で量子化誤差強度が許容誤差強度よりはるかに大きくなることはなく、音質の劣化を小さくすることができる。
【００３８】
また、ステップＳ８を終えた時点で常に許容誤差強度の制約が満足されているため、最終的に使用可能ビット数と許容誤差強度の制約が満足される場合、その状態に収束するまでの時間が短くて済む。すなわちステップＳ１０からステップＳ３へ戻る処理を行う回数が少なくてすみ、全体の符号化処理速度を速くすることができる。
【００３９】
上記実施例は使用可能ビット数の制約を満足するための処理を行ってから許容誤差強度の制約を満足するための処理を行った場合について説明したが、この処理の順番については、必ずしも使用可能ビット数の制約を満足するための処理を最初に行う必要はなく、２つの処理を交互に行えば良い。
【００４０】
次に、この発明の他の実施例を図５のフローチャートを参照して説明する。まず共通正規化係数Ｃｓｆ及び各分割帯域ｓｆｂごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を初期化する（ステップＳ２１，Ｓ２２）。次に、許容誤差強度に対する量子化誤差強度の割合である（量子化誤差強度／許容誤差強度）の各分割帯域ｓｆｔについての総和を示す係数Ｒに非常に大きな初期値を代入して初期化する（ステップＳ２３）。その後、音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める（ステップＳ２４）。そして必要ビット数が使用可能ビット数より多ければ共通正規化係数Ｃｓｆの値を増加させて（ステップＳ２５，Ｓ２６）、再び音響信号を量子化し、ハフマン符号を割り当てて符号化に必要な総ビット数を求める（ステップＳ２４）。この処理を必要ビット数が使用可能ビット数以下となるまで繰り返して行なう（ステップＳ２５，Ｓ２６，Ｓ２４）。必要ビット数が使用可能ビット数以下になったら（ステップＳ２５）、各分割帯域ｓｆｂにつき、（量子化誤差強度）／（許容誤差強度）を計算し、全ての分割帯域ｓｆｂについての総和をＲｔとする（ステップＳ２７）。次に全ての分割帯域ｓｆｂについての総和Ｒｔと係数Ｒを比較し、Ｒｔ＜Ｒのときに、共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］はビット割り当て情報に相当する情報とみなせること、また、この時点における共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］は使用可能ビット数の制約を満足しているから、共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を記憶してＲをＲｔとする（ステップＳ２８）。ここでステップ２３で初期化した係数Ｒは非常に大きいので、全ての分割帯域ｓｆｂについての総和Ｒｔと係数Ｒを最初に比較したときに、常に共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の記憶とＲをＲｔにすることを実行する。
【００４１】
次に、各分割帯域ｓｆｂにて分割帯域ごとの正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の値が変化したかどうかを示すための情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］を全て「０」に初期化する（ステップＳ２９）。そして、その時点の共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によって音響信号を量子化した場合の、各分割領域ｓｆｂにおける量子化誤差強度を求める（ステップＳ３０）。その後、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂが存在するかどうかを判定する（ステップＳ３１）。この判定の結果、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂが存在する場合は、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂにおける正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を「１」だけ増やし、同時に情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］を「１」とする（ステップＳ３２）。そして、再び、その時点の共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］によって音響信号を量子化した場合の、各分割領域ｓｆｂにおける量子化誤差強度を求め（ステップＳ３０）、量子化誤差強度が許容誤差強度以上となる分割領域ｓｆｂが存在するかどうかを判定する（ステップＳ３０）。この処理を全ての分割領域ｓｆｂについて量子化誤差強度が許容誤差強度以下となるまで繰り返し、全ての分割領域ｓｆｂについて量子化誤差強度が許容誤差強度以下になったら（ステップＳ３０）、情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］が「１」であるような分割領域ｓｆｂが存在しなければ、使用可能ビット数の制約と許容誤差強度の制約の両方を満足したと判断してビット割り当て処理を終了する（ステップＳ３３）。
【００４２】
このように使用可能ビット数と許容誤差強度の制約の両方を満足して上記処理を終了した場合は、終了時のビット割り当てが最適となっているから、それによって最終的な音響信号の量子化を実行する。すなわち上記処理が終了した時点における共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を用いて、（１）式に基づいて最終的な量子化をする。すなわち、各分割帯域ｓｆｂにおける（量子化誤差強度）／（許容誤差強度）の全分割帯域ｓｆｂにおける総和Ｒｔに関して最適なビット割り当てが行われた場合に対応する量子化を最終的に実行する。
【００４３】
また、使用可能ビット数と許容誤差強度の制約の両方を満足できずに上記処理を終了した場合は、ステップ２８において最後に記憶した共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］を用いて量子化を行う。すなわち、上記図５に示した繰り返し処理においては、一般に初期のビット割り当てから最適なビット割り当てに向かって単調に音質が向上していくとは限らず、たまたま悪い音質を与えるビット割り当てがなされた時点で終了してしまう場合もあるからである。このようにして使用可能ビット数と許容誤差強度の制約の両方を満足できずにビット割り当てと量子化の繰り返し処理を終了した場合でも、少なくとも使用可能ビット数の制約を満足しつつ、それまでに探索した中での最適なビット割り当てに基づく量子化ができる。
【００４４】
なお、使用可能ビット数と許容誤差強度の制約の両方を満足できたか否かは、最終的な情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］の値を調べればよい。全て分割帯域ｓｆｂで情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］＝０であれば、両方の制約を満足できたと判断でき、情報ビットａｍｐ［ｓｆｂ］＝１である分割帯域ｓｆｂが存在すれば、両方の制約を満足できなかったと判断できる。
【００４５】
また、上記実施例は各分割帯域ｓｆｂにおける（量子化誤差強度）／（許容誤差強度）の全分割帯域ｓｆｂにおける総和をＲｔとした場合について説明したが、このＲｔは、各分割帯域ｓｆｂにおける（量子化誤差強度）／（許容誤差強度）の全分割帯域ｓｆｂにおける総和に限るものではなく、音響信号に関する物理量であるならば他のものでもよい。例えば、各分割帯域ｓｆｂにおける（量子化誤差強度）／（許容誤差強度）のうち、量子化誤差強度が許容誤差強度より大きい分割帯域ｓｆｂに関する総和や、各分割帯域ｓｆｂにおける量子化誤差強度の全分割帯域ｓｆｂの総和や、各分割帯域ｓｆｂにおいて量子化誤差強度が許容誤差強度より大きい分割帯域ｓｆｂに関する総和や、量子化誤差強度が許容誤差強度より大きい分割帯域の数、又は符号化に必要なビット数等各種の物理量を使用しても良い。
【００４６】
さらに、Ｒｔを非常に大きい初期値で初期化した係数Ｒと比較した場合について説明したが、Ｒｔとして使用する物理量によっては係数Ｒを非常に小さな初期値により初期化し、Ｒｔ＞Ｒを判定しても良い。また、係数Ｒに初期値を代入して初期化する代わりに、図５のステップＳ２４からステップＳ３３の使用可能ビット数の制約を満足するための処理と許容誤差強度の制約を満足するための処理の繰り返し回数をカウントしておき、最初のカウントの際は常にステップ２８で共通正規化係数Ｃｓｆと正規化係数ｓｆ［ｓｆｂ］の記憶とＲをＲｔとすることを行うようにしても良い。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、デジタル音響信号を時間軸に沿ってブロック化して複数の帯域に分割し、各帯域毎に符号化ビットを割り当てるときに、各ブロック毎に使用可能ビット数の制約を満足するための処理と、許容誤差強度の制約を満足するための処理を繰り返すから、使用可能ビット数の制約と各分割帯域毎の許容誤差強度の制約の両方を満足させることができ、音質の劣化を大幅に抑制することができる。
【００４８】
また、各分割帯域毎に聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約を満足するための処理を行うときに、各分割帯域における量子化誤差強度が許容誤差強度より小さくなるまで処理を繰り返すから、使用可能ビット数と許容誤差強度の両方の制約が満足されない場合でも、許容誤差強度の小さな分割帯域で特にビット割り当てが不足して量子化誤差強度が許容誤差強度よりもはるかに大きくなることを防ぐことができ、音質の劣化を小さく抑えることができる。
【００４９】
また、各分割帯域毎に聴覚心理特性に基づく許容誤差強度の制約を満足するための処理を行うときに、各分割帯域における量子化誤差強度が許容誤差強度より小さくまで処理を繰返すから、使用可能ビット数と許容誤差強度の両方の制約が満足される場合に、その状態に収束するまでの時間が短くて済む。すなわち使用可能ビット数の制約を満足するための処理と許容誤差強度の制約を満足する処理とを交互に繰返す回数が少なくて済み、全体の符号化処理速度を速くすることができる。
【００５０】
さらに、ビット割り当てと量子化の繰り返し処理が終了するまでに試みたビット割り当ての中で、少なくとも使用可能ビット数の制約を満足しつつ、最も良い音質を与えるビット割り当てをして音響信号の最終的な量子化を行うから、音質の劣化を低減することができる。
【００５１】
また、音響信号に関わる最適な物理量を使用することにより、ビット割り当てと量子化の繰り返し処理が終了するまでに試みたビット割り当ての中で、最も良い音質を与えるビット割り当てをすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の処理を示すフローチャートである。
【図２】上記実施例により求めた量子化誤差強度の強度分布図である。
【図３】使用可能ビット数の制約を満足するための処理をしたときの量子化誤差強度の強度分布図である。
【図４】許容誤差強度の制約を満足するため処理をしたときの量子化誤差強度の強度分布図である。
【図５】他の実施例の処理を示すフローチャートである。
【図６】音響信号とマスキング閾値及び絶対可聴閾値の強度分布図である。
【図７】ＡＡＣの符号化の基本的な構成を示すブロック図である。
【図８】従来例の処理を示すフローチャートである。
【図９】許容誤差強度の強度分布図である。
【図１０】従来例により求めた量子化誤差強度の強度分布図である。
【図１１】従来例で再度量子化したときの量子化誤差強度の強度分布図である。
【図１２】従来例で正規化係数を増加したときの量子化誤差強度の強度分布図である。
【図１３】従来例で共通正規化係数を再度増加したときの量子化誤差強度の強度分布図である。
【図１４】従来例で一部の分割帯域の正規化係数を増加したときの量子化誤差強度の強度分布図である。
【符号の説明】
７１      聴覚心理モデル部
７２      ゲインコントロール
７３      フィルタバンク
７４      テンポラルノイズシェイピング
７４      インテンシティ／カップリング
７６      予測器
７７      ミドルサイズステレオ
７８      正規化係数
７９      量子化器
８０      ノイズレスコーディング
８１      マルチプレクサ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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