JP3721582B2 - 信号符号化装置及び方法並びに信号復号化装置及び方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、高能率符号化によって入力ディジタルデータ等のディジタル信号の符号化を行ない、この符号化されたディジタル信号を伝送し、記録再生し、符号化されたディジタル信号を復号化して再生信号を得る、ディジタルデータ等の情報符号化又は復号化が適用される信号符号化装置及び方法並びに信号復号化装置及び方法に関する。
背景技術
従来より、オーディオ或いは音声等の記号の高能率符号化の手法には種々あるが、代表的なものとして、時間軸上のオーディオ信号等をある単位時間でブロック化しないで複数の周波数帯域に分割して符号化する非ブロック化周波数帯域分割方式である帯域分割符号化（サブ・バンド・コーディング：SBC）や、時間軸の信号をある単位時間でブロック化してこのブロック毎に周波数軸上の信号に変換（スペクトル変換）して複数の周波数帯域に分割し、各帯域毎に符号化するブロック化周波数帯域分割方式であるいわゆる変換符号化等を挙げることができる。また、上述の帯域分割符号化と変換符号化とを組み合わせた高能率符号化の手法も考えられており、この場合には、例えば、上記帯域分割符号化で帯域分割を行った後、該各帯域毎の信号を周波数軸上の信号にスペクトル変換し、このスペクトル変換された各帯域毎に符号化を施す。
ここで、上記帯域分割符号化や上記組合せの高能率符号化の手法などに用いられる帯域分割用のフィルタとしては、例えばいわゆるＱＭＦなどのフィルタがあり、これは例えば1976 R.E.Crochiere Digital coding of speech in subbands Bell Syst.Tech. J.Vol.55,No.8 1976に述べられている。
また、例えば、ICASSP 83,BOSTON Polyphase Quadrature filters-A new subband coding technique Joseph H. Rothweilerには等バンド幅のフィルタ分割手法が述べられている。
また、上述したスペクトル変換としては、例えば、入力オーディオ信号を所定単位時間（フレーム）でブロック化し、当該ブロック毎に離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、コサイン変換（ＤＣＴ）、モディファイドＤＣＴ変換（ＭＤＣＴ）等を行うことで時間軸を周波数軸に変換するようなスペクトル変換がある。なお、上記ＭＤＣＴについては、ICASSP 1987 Subband/Transform Coding Using Filter Bank Designs Based on Time Domain Aliasing Cancellation J.P.Princen A.B.Bradley Univ. of Surrey Royal Melbourne Inst.of Tech.に述べられている。
このように、フィルタやスペクトル変換によって帯域毎に分割された信号を量子化することにより、量子化雑音が発生する帯域を制御することができ、マスキング効果などの性質を利用して聴覚的により高能率な符号化を行うことができる。また、ここで量子化を行う前に、各帯域毎に、例えばその帯域における信号成分の絶対値の最大値で正規化を行うようにすれば、さらに高能率な符号化を行うことができる。
また、周波数帯域分割された各周波数成分を量子化する周波数分割幅としては、例えば人間の聴覚特性を考慮した帯域分割が行われる。すなわち、一般に臨界帯域（クリティカルバンド）と呼ばれている高域ほど帯域幅が広くなるような帯域幅で、オーディオ信号を複数（例えば２５バンド）の帯域に分割することがある。また、この時の各帯域毎のデータを符号化する際には、各帯域毎に所定のビット配分或いは、各帯域毎に適応的なビット割当て（ビットアロケーション）による符号化が行われる。例えば、上記ＭＤＣＴ処理されて得られた係数データを上記ビットアロケーションによって符号化する際には、上記各ブロック毎のＭＤＣＴ処理により得られる各帯域毎のＭＤＣＴ係数データに対して、適応的な割当てビット数で符号化が行われることになる。
ここで上記ビット割当手法としては、次の２手法が知られている。すなわち、例えば、IEEE Transactions of Accoustics, Speech, and Signal Processing, vol.ASSP-25, No.4, August 1977では、各帯域毎の信号の大きさをもとに、ビット割当を行なっている。この方式では、量子化雑音スペクトルが平坦となり、雑音エネルギが最小となるが、聴感覚的にはマスキング効果が利用されていないために実際の雑音感は最適ではない。
また、例えばICASSP 1980 The critical band coder --digital encoding of the perceptual requirements of the auditory system M.A. Kransner MITでは、聴覚マスキングを利用することで、各帯域毎に必要な信号対雑音比を得て固定的なビット割当を行う手法が述べられている。しかしこの手法ではサイン波入力で特性を測定する場合でも、ビット割当が固定的であるために特性値が、それほど良い値とはならない。
これらの問題を解決するために、ビット割当に使用できる全ビットが、各小ブロック毎に予め定められた固定ビット割当パターン分と、各ブロックの信号の大きさに依存したビット配分を行う分とに分割使用され、その分割比を入力信号に関係する信号に依存させ、前記信号のスペクトルが滑らかなほど前記固定ビット割当パターン分への分割比率を大きくする高能率符号化装置がEUROPEAN PATENT APPLICATION, Publication, number 0 525 809 A 2, Date of publication of application 03.02.93 Bulletin 93/05において提案されている。
この方法によれば、サイン波入力のように、特定のスペクトルにエネルギが集中する場合にはそのスペクトルを含むブロックに多くのビットを割り当てる事により、全体の信号対雑音特性を著しく改善することができる。一般に、急峻なスペクトル成分をもつ信号に対して人間の聴覚は極めて敏感であるため、このような方法を用いる事により、信号対雑音特性を改善することは、単に測定上の数値を向上させるばかりでなく、聴感上、音質を改善するのに有効である。
ビット割り当ての方法にはこの他にも数多くのやり方が提案されており、さらに聴覚に関するモデルが精緻化され、符号化装置の能力があれば聴覚的にみてより高能率な符号化が可能になる。
ここで、図１２以降の各図を用いて従来の信号符号化装置について説明する。この図１２において、端子１００を介して供給された音響信号波形は変換回路１０１によって信号周波数成分に変換された後、信号成分符号化回路１０２によって各成分が符号化され、符号列生成回路１０３によって符号列が生成され、端子１０４から出力される。
図１３には、図１２の変換回路１０１の具体的構成を示す。この図１３において、端子２００を介して供給された信号（図１２の端子１００を介した信号）が、二段の帯域分割フィルタ２０１，２０２によって三つの帯域に分割される。帯域分割フィルタ２０１では端子２００を介した信号が１／２に間引かれ、帯域分割フィルタ２０２では上記帯域分割フィルタ２０１で１／２に間引かれた一方の信号がさらに１／２に間引かれる（端子２００の信号が１／４に間引かれるようになる）。すなわち、帯域分割フィルタ２０２からの２つの信号の帯域幅は、端子２００からの信号の帯域幅の１／４となっている。
これら帯域分割フィルタ２０１，２０２によって上述のように三つの帯域に分割された各帯域の信号は、それぞれＭＤＣＴ等のスペクトル変換を行う順スペクトル変換回路２０３，２０４，２０５によってスペクトル信号成分となされる。これら順スペクトル変換回路２０３，２０４，２０５の出力が上記図１２の信号成分符号化回路１０２に送られる。
図１４には、図１２の信号成分符号化回路１０２の具体的な構成を示す。
この図１４において、端子３００に供給された上記信号成分符号化回路１０２からの出力は、正規化回路３０１によって所定の帯域毎に正規化が施された後、量子化回路３０３に送られる。また、上記端子３００に供給された信号は、量子化精度決定回路３０２にも送られる。
上記量子化回路３０３では、上記端子３００を介した信号から量子化精度決定回路３０３によって計算された量子化精度に基づいて、上記正規化回路３０１からの信号に対して量子化が施される。当該量子化回路３０３からの出力が端子３０４から出力されて図１２の符号列生成回路１０３に送られる。なお、この端子３０４からの出力信号には、上記量子化回路３０３によって量子化された信号成分に加え、上記正規化回路３０１における正規化係数情報や上記量子化精度決定回路３０２における量子化精度情報も含まれている。
図１５には、図１２の構成の符号化装置によって生成された符号列から音響信号を復号化して出力する復号化装置の概略構成を示す。
この図１５において、端子４００を介して供給された図１２の構成により生成された符号列からは、符号列分解回路４０１によって各信号成分の符号が抽出される。それらの符号からは、信号成分復号化回路４０２によって各信号成分が復元され、その後、逆変換回路４０３によって図１２の変換回路１０１の変換に対応する逆変換が施される。これにより音響波形信号が得られ、この音響波形信号が端子４０４から出力される。
図１６には、図１５の逆変換回路４０３の具体的な構成を示す。
この図１６の構成は、図１３に示した変換回路の構成例に対応したもので、端子５０１，５０２，５０３を介して信号成分復号化回路４０２から供給された信号は、それぞれ図１３における順スペクトル変換に対応する逆スペクトル変換を行う逆スペクトル変換回路５０４，５０５，５０６によって変換がなされる。これら逆スペクトル変換回路５０４，５０５，５０６によって得られた各帯域の信号は、二段の帯域合成フィルタによって合成される。
すなわち、逆スペクトル変換回路５０５及び５０６の出力は帯域合成フィルタ５０７に送られて合成され、この帯域合成フィルタ５０７の出力と上記逆スペクトル変換回路５０４の出力とが帯域合成フィルタ５０８にて合成される。当該帯域合成フィルタ５０８の出力が端子５０９（図１５の端子４０４）から出力されるようになる。
次に、図１７には、図１２に示される符号化装置において、従来より行なわれてきた符号化の方法について説明を行うための図である。この図１７の例において、スペクトル信号は図１３の変換回路によって得られたものであり、図１７はＭＤＣＴによるスペクトル信号の絶対値のレベルをｄＢ値に変換して示したものである。
この図１７において、入力信号は所定の時間ブロック毎に６４個のスペクトル信号に変換されており、それが図１７の図中ｂ１からｂ５に示す五つの所定の帯域毎にグループ（これをここでは符号化ユニットと呼ぶことにする）にまとめて正規化及び量子化が行なわれる。ここでは各符号化ユニットの帯域幅は低域側で狭く、高域側で広くとられており、聴覚の性質に合った量子化雑音の発生の制御ができるようになっている。
ところが、上述した従来用いられた方法では、周波数成分を量子化する帯域は固定されている。このため、例えば、スペクトルが幾つかの特定の周波数近辺に集中する場合には、それらのスペクトル成分を十分な精度で量子化しようとすると、それらのスペクトル成分と同じ帯域に属する多数のスペクトルに対して多くのビットを割り振らなければならない。
すなわち、上記図１７からも明らかなように、所定の帯域毎にまとめて正規化が行なわれると、例えば信号にトーン性成分が含まれている図中ｂ３の帯域において、正規化係数値はトーン性成分によって決まる大きな正規化係数値をもとに正規化されることになる。
このとき、一般に、特定の周波数にスペクトルのエネルギが集中するトーン性の音響信号に含まれる雑音は、エネルギが広い周波数帯にわたってなだらかに分布する音響信号に加わった雑音と比較して非常に耳につき易く、聴感上大きな障害となる。さらにまた、大きなエネルギを持つスペクトル成分すなわちトーン性成分が十分精度良く量子化されていないと、それらのスペクトル成分を時間軸上の波形信号に戻して前後のブロックと合成した場合にブロック間での歪みが大きくなり、隣接する時間ブロックの波形信号と合成された時に大きな接続歪みが発生し、やはり大きな聴感上の障害となる。このため、トーン性成分の符号化のためには十分なビット数で量子化を行なわなければならないが、上述のように所定の帯域毎に量子化精度が決められる場合にはトーン性成分を含む符号化ユニット内の多数のスペクトルに対して多くのビットを割り当てて量子化を行う必要があり、符号化効率が悪くなってしまう。したがって、従来は、特にトーン性の音響信号に対して音質を劣化させることなく符号化の効率を上げることが困難であった。
発明の開示
そこで、本発明は、特にトーン性の音響信号に対して音質を劣化させることなく符号化の効率を上げることを可能とする信号符号化装置及び方法と、さらにこれら信号符号化装置などで処理された信号が記録再生されるか或いは信号符号化装置から伝送された符号化信号を復号化する信号復号化装置及び方法の提供を目的とするものである。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る信号符号化装置は、入力信号を符号化する信号符号化装置において、入力信号を周波数成分に変換する変換手段と、上記変換手段の出力をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離する分離手段と、上記第一の信号を符号化する第一の符号化手段と、上記第二の信号を所定の周波数帯域に分割し、分割した周波数帯域毎に符号化する第二の符号化手段とを備え、上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の各信号成分を可変長符号化する可変長符号化手段を含んでなるものである。
また、本発明に係る信号符号化方法は、入力信号の符号化方法において、入力信号を周波数成分に変換し、上記周波数成分をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離し、上記第一の信号を可変長符号化し、上記第二の信号を所定の周波数帯域に分割し、分割した周波数帯域毎に符号化するようにしたものである。
ここで、本発明の信号符号化装置は、以下のことを行う。すなわち、上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の符号化の際に、上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報を、正規化係数によって正規化してから符号化する。また、上記各トーン性成分の各周波数成分を、複数個の変換規則によって符号化する。上記複数個の変換規則のうち何れの変換規則で符号化を行うかは、トーン性成分の極大周波数成分と各周波数成分との周波数軸上での相対位置関係によって決める。上記変換規則のうち極大周波数成分に対して適用される変換規則は、より大きな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものである。上記該変換規則のうち極大周波数成分の他の各周波数成分に対して適用される変換規則は、より小さな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものである。なお、上記入力信号は、音響信号である。
また、本発明の信号符号化装置の上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報を正規化係数によって正規化および量子化して符号化すると共に、当該符号化には極大周波数成分の振幅情報を省略するようにもしている。
この場合の本発明の信号符号化装置は、以下のようなことを行う。すなわち、上記分離手段は、上記トーン性成分を互いに周波数軸上で重複することを許して上記第一の信号の分離を行う。上記正規化係数の値は、小さいものほど精度良く設定する。なお、この場合も入力信号は音響信号である。
次に、本発明に係る信号復号化装置は、符号化された信号を復号化する信号復号化装置において、可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化する第一の復号化手段と、その他の成分からなる第二の信号を所定の周波数帯域毎に復号化する第二の復号化手段と、各々の信号を合成して逆変換を行うか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換手段とを備えてなるものである。
また、本発明に係る信号復号化方法は、符号化された信号を復号化する信号復号化方法において、可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化し、その他の成分からなる第二の信号を、所定の帯域毎に復号化し、各々の信号を合成して逆変換するか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換をするものである。
ここで、本発明の信号復号化装置は、以下のようなものである。すなわち、上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報は正規化係数によって正規化されて符号化されている。また、上記各トーン性成分の各周波数成分は複数個の変換規則によって符号化されている。上記複数個の変換規則のうち何れの変換規則で符号化が行われているかは、トーン性成分の極大周波数成分と各周波数成分との周波数軸上での相対位置関係によって決められている。上記変換規則のうち極大周波数成分に対して適用されている変換規則は、より大きな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものとなっている。上記変換規則のうち極大周波数成分以外に対して適用されている変換規則は、より小さな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものとなっている。なお、出力信号は音響信号となる。
また、本発明の信号復号化装置は、極大周波数成分の振幅情報を正規化及び量子化した情報を含まずに符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化する第一の復号化手段と、その他の成分からなる第二の信号を復号化する第二の復号化手段と、各々の信号を合成して逆変換を行うか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換手段とを備えてなるものである。
ここで、上記第一の信号のトーン性成分は周波数軸上で重複して符号化されている。また、上記正規化のための正規化係数は値が小さいものほど精度良く設定されている。
本発明は、入力された音響信号を特定の周波数にエネルギが集中する信号成分（トーン性成分）と広い帯域にエネルギがなだらかに分布する成分（トーン性成分以外の成分）に分離して符号化を施す場合において、トーン性成分の信号に対して、可変長の符号を効果的に適用することによって、より効率的な符号化を実現するようにしている。また、トーン性成分のうち、絶対値が極大のスペクトル係数に関しては例えば正負の符号情報のみを符号化することによって、より効率的な符号化を実現するようにもしている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る符号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図２は、本発明に係る復号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図３は、本発明に係る信号成分分離回路における処理の流れを示すフローチャートである。
図４は、本発明の信号符号化におけるトーン性成分の分離について説明するための図である。
図５は、本発明の信号符号化における元のスペクトル信号からトーン性成分を除いたノイズ性成分を示す図である。
図６は、スペクトル信号の例を示す図である。
図７は、図６のスペクトル信号から、１つのトーン性成分を符号化して復号化した信号を差し引いた後の信号を示す図である。
図８は、本発明におけるトーン性成分のスペクトルに対する変換規則を説明するための図である。
図９は、図１のトーン性成分符号化回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１０は、図２のトーン性成分復号化回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１１は、本発明の信号符号化により符号化されて得られた符号列の記録を説明するための図である。
図１２は、従来の符号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図１３は、本発明及び従来の符号化装置に適用される変換回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１４は、本発明及び従来の符号化装置に適用される信号成分符号化回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１５は、従来の復号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図１６は、本発明及び従来の復号化装置に適用される逆変換回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１７は、従来技術による符号化方法を説明するための図である。
図１８は、本発明に係る復号化装置を構成する合成逆変換部の他の例を示すブロック回路図である。
図１９は、本発明に係る符号化装置の他の実施例を示すすブロック回路図である。
図２０Ａは、極大スペクトル係数に対する変換規則を示すコード・テーブルである。
図２０Ｂは、すべての周辺スペクトル係数に対して同一の変換規則を用いる場合の周辺スペクトル係数の変換規則を示すコード・テーブルである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１には、本発明実施例の信号符号化装置の概略構成を示している。
図１において、端子６００には音響波形信号が供給される。この音響信号波形は、変換回路６０１によって信号周波数成分に変換された後、信号成分分離回路６０２に送られる。
当該信号成分分離回路６０２においては、変換回路６０１によって得られた信号周波数成分は、急峻なスペクトル分布を持つトーン性成分と、それ以外の信号周波数成分すなわち平坦なスペクトル分布を持つノイズ性成分とに分離される。これら分離された周波数成分のうち、上記急峻なスペクトル分布を持つトーン性成分はトーン性成分符号化回路６０３で、それ以外の信号周波数成分である上記ノイズ性成分はノイズ性成分符号化回路６０４で、それぞれ符号化される。トーン性成分符号化回路６０３から出力された信号は、さらに可変長符号化回路６１０で可変長符号化される。これら可変長符号化回路６１０とノイズ性成分符号化回路６０４からの出力は、符号列生成回路６０５によって符号列が生成され、出力される。ＥＣＣエンコーダ６０６は、符号列生成回路６０５からの符号列に対して、エラーコレクションコードを付加する。ＥＣＣエンコーダ６０６からの出力は、ＥＦＭ回路６０７によって変調され、記録ヘッド６０８に供給される。記録ヘッド６０８は、ＥＦＭ回路６０７から出力された符号列をディスク６０９に記録する。
なお、変換回路６０１には前述した図１３と同様の構成を使用することができる。もちろん、図１の変換回路６０１の具体的構成としては、上記図１３の構成以外にも多数考えることができ、例えば、入力信号を直接ＭＤＣＴによってスペクトル信号に変換しても良いし、スペクトル変換はＭＤＣＴではなくＤＦＴやＤＣＴなどを用いることもできる。
また、前述のように、帯域分割フィルタによって信号を帯域成分に分割することも可能であるが、本発明における符号化は特定の周波数にエネルギが集中する場合に特に有効に作用するので、多数の周波数成分が比較的少ない演算量で得られる上述のスペクトル変換によって周波数成分に変換する方法をとると都合がよい。
さらに、トーン性成分符号化回路６０３とノイズ性成分符号化回路６０４も基本的には前述した図１４と同様の構成で実現することができるものである。
一方、図２には、図１の符号化装置で符号化された信号を復号化する本発明実施例の信号復号化装置の概略構成を示す。
この図２において、ディスク６０９から再生ヘッド７０８を介して再生された符号列は、ＥＦＭ復調回路７０９に供給される。ＥＦＭ復調回路７０９では、入力された符号列を復調する。復調された符号列は、ＥＣＣデコーダ７１０に供給され、ここでエラー訂正が行われる。符号列分解回路７０１は、エラー訂正された符号列中のトーン性成分情報数に基づいて、符号列のどの部分がトーン性成分符号であるかを認識し、入力された符号列をトーン性成分符号とノイズ性成分符号に分離する。また、符号列分離回路７０１は、入力された符号列からトーン性成分の位置情報を分離し、後段の合成回路７０４に出力する。上記トーン性成分符号は可変長復号化回路７１５によって可変長復号化された後、トーン性成分復号化回路７０２に送られ、上記ノイズ性符号はノイズ性成分復号化回路７０３に送られ、ここでそれぞれ逆量子化及び正規化の解除が行われ復号化される。その後、これらトーン性成分復号化回路７０２とノイズ性成分復号化回路７０３からの復号化信号は、上記図１の信号成分分離回路６０２での分離に対応する合成を行う合成回路７０４に供給される。合成回路７０４は、符号列分離回路７０１から供給されたトーン性成分の位置情報に基づいて、トーン性成分の復号化信号を、ノイズ性成分の復号化信号の所定の位置に加算することにより、ノイズ性成分とトーン性成分の周波数軸上での合成を行う。さらに、合成された復号化信号は、上記図１の変換回路６０１での変換に対応する逆変換を行う逆変換回路７０５で変換処理され、周波数軸上の信号から元の時間軸上の波形信号に戻される。この逆変換回路７０５からの出力波形信号は、端子７０７から出力される。なお、逆変換と合成の処理順序は逆でもよく、この場合、図２における合成逆変換部７１１は、図１８に示す構成となる。この図１８に示す合成逆変換部７１１を構成する逆変換回路７１２は、ノイズ性成分復号化回路７０３からの周波数軸上のノイズ性成分の復号化信号を時間軸上のノイズ性成分信号に逆変換する。逆変換回路７１３は、トーン性成分復号化回路７０２からのトーン性成分の復号化信号を、符号列分離回路７０１から供給されたトーン性成分の位置情報の示す周波数軸上の位置に配し、これを逆変換して、時間軸上のトーン性成分信号を生成する。合成回路７１４は、逆変換回路７１２からの時間軸上のノイズ性成分信号と逆変換回路７１３からの時間軸上のトーン性成分信号とを合成し、元の波形信号を再生する。
なお、上記逆変換回路７０５、７１２、７１３には、前述した図１６と同様の構成を使用することができる。
ここで、図３には、図１の符号化装置の信号成分分離回路６０２においてトーン性成分を分離するための具体的処理の流れを表す。
なお、図３において、Ｉはスペクトル信号の番号を、Ｎはスペクトル信号の総数、Ｐ，Ｒは所定の係数を示している。また、上記トーン成分は、あるスペクトル信号の絶対値が局所的に見て他のスペクトル成分よりも大きく、なおかつ、それがその時間ブロック（スペクトル変換の際のブロック）におけるスペクトル信号の絶対値の最大値と比較して所定の大きさ以上であり、さらに、そのスペクトルと近隣のスペクトル（例えば両隣のスペクトル）のエネルギの和がそれらのスペクトルを含む所定の帯域内のエネルギに対して所定の割合以上を示している場合に、そのスペクトル信号と例えばその両隣のスペクトル信号がトーン性成分であると見なしている。なお、ここで、エネルギ分布の割合を比較する所定の帯域としては、聴覚の性質を考慮して例えば臨界帯域幅に合わせて、低域では狭く高域では広くとることができる。
すなわち、この図３において、先ず、ステップＳ１では最大スペクトル絶対値を変数Ａ０に代入し、ステップＳ２ではスペクトル信号の番号Ｉを１にする。ステップＳ３では、ある時間ブロック内のあるスペクトル絶対値を変数Ａに代入する。
ステップＳ４では、上記スペクトル絶対値が局所的に見て他のスペクトル成分よりも大きい極大絶対値スペクトルか否かを判断し、極大絶対値スペクトルでないとき（Ｎｏ）にはステップＳ１０に進み、極大絶対値スペクトルである場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、当該極大絶対値スペクトルを含むその時間ブロックにおける当該極大絶対値スペクトルの変数Ａと最大スペクトル絶対値の変数Ａ0との比と、所定の大きさを示す係数Ｐとの大小比較（Ａ／Ａ0＞Ｐ）を行い、Ａ／Ａ0がＰより大きい場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６に、Ａ／Ａ0がＰ以下の場合（ＮＯ）にはステップＳ１０に進む。
ステップＳ６では、上記スペクトル絶対値のスペクトル（極大絶対値スペクトル）の近隣のスペクトルのエネルギ値（例えば両隣のスペクトルのエネルギの和）を変数Ｘに代入し、次のステップＳ７では当該極大絶対値スペクトル及びその近隣のスペクトルを含む所定の帯域内のエネルギ値を変数Ｙに代入する。
次のステップＳ８では、上記エネルギ値の変数Ｘと所定帯域内のエネルギ値の変数Ｙとの比と、所定の割合を示す係数Ｒとの大小比較（Ｘ／Ｙ＞Ｒ）を行い、Ｘ／ＹがＲより大きいとき（Ｙｅｓ）にはステップＳ９に、Ｘ／ＹがＲ以下のとき（Ｎｏ）にはステップＳ１０に進む。
ステップＳ９では、上記極大絶対値スペクトルとその近隣のスペクトルにおける上記エネルギがそれらのスペクトルを含む所定の帯域内のエネルギに対して所定の割合以上を示している場合に、その極大絶対値スペクトルの信号と例えばその両隣の低域側、高域側各２本ずつのスペクトルの信号がトーン性成分であると見なし、その旨を登録する。
次のステップＳ１０では、上記ステップＳ９において登録されたスペクトル信号の番号Ｉとスペクトル信号の総数Ｎとが等しい（Ｉ＝Ｎ）か否かを判断し、等しい場合（Ｙｅｓ）には処理を終了し、等しくない場合（Ｎｏ）にはステップＳ１１に進む。このステップＳ１１では、Ｉ＝Ｉ＋１として１づつスペクトル信号の番号を増加させてステップＳ３に戻り、上述の処理を繰り返す。信号成分分離回路６０２は、上述の処理によってトーン性成分であると判定した周波数成分をトーン性成分符号化回路６０３に供給し、それ以外の周波数成分をノイズ性成分としてノイズ性成分符号化回路６０４に供給する。また、信号成分分離回路６０２は、トーン性成分であると判定された周波数情報の数とその位置情報を符号列生成回路６０５に供給する。
図４には、上述のようにしてトーン性成分が周波数成分から分離される一例の様子を表す。
この図４に示す例では、図中ＴＣA，ＴＣB，ＴＣC，ＴＣDで示す四つのトーン性成分が抽出されている。ここで、当該トーン性成分は、図４の例のように少数のスペクトル信号に集中して分布しているため、これらの成分を精度良く量子化しても、全体としてはあまり多くのビット数は必要とはならない。このため、トーン成分を一旦、正規化してから量子化することによって符号化の効率を高めることができるが、トーン性成分を構成するスペクトル信号は比較的少数であるので正規化や再量子化の処理を省略して装置を簡略化してもよい。
ところで、図５には、元のスペクトル信号から上記トーン性成分を除いた（０にする）場合のノイズ性成分を表した例を示している。
この図５においては、各帯域ｂ１〜ｂ５において上記元のスペクトル信号からは上述のようにトーン性成分が除かれ（０にする）ている。この場合、各符号化ユニットにおける正規化係数は小さな値となり、したがって、少ないビット数でも発生する量子化雑音は小さくすることができる。
以上、トーン性成分を分離し、トーン性成分及びその近辺の信号を０にした後、ノイズ性成分を符号化することで効率良い符号化を可能とできる旨述べたが、元のスペクトル信号からトーン性成分を符号化して復号化した信号を引いたものを符号化していく、という方法をとることもできる。
この方法による信号符号化装置を図１９を参照しながら説明する。なお、図１と同じ構成については、同じ番号を付与し、その説明を省略する。
変換回路６０１によって得られたスペクトル信号は、スイッチ制御回路８０８によって制御されるスイッチ８０１を介して、トーン性成分抽出回路８０２に供給される。トーン性成分抽出回路８０２は、上述した図３の処理によってトーン性成分を判別し、判別されたトーン性成分のみをトーン性成分符号化回路６０３に供給する。また、トーン性成分抽出回路８０２は、トーン性成分情報の数と、その中心位置情報を符号化列生成回路６０５に出力する。トーン性成分符号化回路６０３は、入力されたトーン性成分に対し、正規化及び量子化を行い、正規化及び量子化されたトーン性成分を可変長符号化回路６１０及びローカルデコーダ８０４に供給する。可変長符号化回路６１０は、正規化及び量子化されたトーン性成分を可変長符号化して、得られた可変長符号を符号列生成回路６０５に供給する。ローカルデコーダ８０４は、正規化及び量子化されたトーン性成分に対して、逆量子化及び正規化の解除を行い、元のトーン性成分の信号を復号する。但しこの時、復号信号には量子化雑音が含まれることになる。ローカルデコーダ８０４からの出力は、１回目の復号信号として、加算器８０５に供給される。また、加算器８０５には、スイッチ制御回路８０８によって制御されるスイッチ８０６を介して、変換回路６０１からの元のスペクトル信号が供給される。加算器８０５は、元のスペクトル信号から、１回目の復号信号を差し引いて１回目の差分信号を出力する。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を１回で終了する場合は、この１回目の差分信号がノイズ性成分として、スイッチ制御回路８０８によって制御されるスイッチ８０７を介して、ノイズ性成分符号化回路６０４に供給される。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を繰り返す場合は、１回目の差分信号は、スイッチ８０１を介してトーン性成分抽出回路８０２に供給される。トーン性成分抽出回路８０２、トーン性成分符号化回路６０３、ローカルデコーダ８０４は上述と同様の処理を行い、得られた２回目の復号信号が加算器８０５に供給される。また、加算器８０５には、スイッチ８０６を介して１回目の差分信号が供給される。加算器８０５は、１回目の差分信号から、２回目の復号信号を差し引いて２回目の差分信号を出力する。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を２回で終了する場合は、この２回目の差分信号が、ノイズ性成分として、スイッチ８０７を介して、ノイズ性成分符号化回路６０４に供給される。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を更に繰り返す場合は、上述と同様な処理が、トーン性成分抽出回路８０２、トーン性成分符号化回路６０３、ローカルデコーダ８０４、加算器８０５によって行われる。スイッチ制御回路８０８は、トーン性成分情報数の閾値を保持しており、トーン性成分抽出回路から得られるトーン性成分情報数がこの閾値を越えた場合にトーン性成分の抽出、符号化、復号化処理を終了するようスイッチ８０７を制御する。また、トーン性成分符号化回路６０３において、トーン性成分が抽出されなくなった時点で、トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を終了とすることもできる。
図６、図７は、このような方法について説明を行うための図である。図７は図６のスペクトル信号から、一つのトーン性成分を符号化して復号化した信号を差し引いたものである。
また、図７のスペクトル信号からさらに破線で示した成分をトーン性成分として抽出し符号化することによってスペクトル信号の符号化精度を上げることができ、これを繰り返していくことにより精度の高い符号化を行うことができることになる。なお、この方法を用いる場合、トーン成分を量子化するためのビット数の上限を低く設定していても符号化精度を十分に高くとることができ、したがって、量子化ビット数を記録するビット数を小さくすることができるという利点もある。また、このようにトーン性成分を多段階に抽出していく方法は必ずしもトーン性成分を符号化して復号化したものと同等の信号を元のスペクトル信号から差し引いていく場合だけでなく、抽出されたトーン性成分のスペクトル信号を０にした場合にも適用可能であり、本発明の記述において「トーン性成分を分離した信号」等の表現はこの両者を含むものである。
このように、本実施例の符号化装置においては、元の波形信号をトーン性成分とノイズ性成分に分解して符号化を行うことにより効率の良い符号化を実現することができるが、トーン性成分の符号化に関して以下に述べる方法を適用することで、より一層、効率の良い符号化を行うことができる。
すなわち、各トーン性成分は絶対値が極大となるスペクトル係数(これをここでは極大スペクトル係数と呼ぶことにする)およびその周辺のスペクトル係数(これをここでは周辺スペクトル係数と呼ぶことにする)にはエネルギが集中することになるが、ここで、各係数を量子化した時の値の分布には偏りがあり、かつ、極大スペクトル係数と周辺スペクトル係数とでは周波数軸上での相対位置関係によってその分布の仕方は大きく異なる。すなわち、各トーン成分を構成するスペクトル係数を極大スペクトル係数によって決定付けられる正規化係数で正規化すればすなわち、例えば、トーン性成分を構成する各スペクトル係数を、そのトーン性成分中の極大スペクトル係数で割ってやれば、正規化及び量子化後の極大スペクトル係数は＋１または−１に近い値になるのに対し、トーン成分は元々スペクトル係数が極大スペクトル係数を中心にして急激に減少するという性格をもつものであるため、正規化及び量子化後の周辺スペクトル係数は０に近い値により多く分布する。
このように符号化すべき値の分布に偏りがある場合には、例えば、D.A.Huffman: A Method for Construction of Minimum Redundancy Codes, Proc.I.R.E., 40, p.1098（1952）に述べられているように、頻度の多いパターンには短い符号長を割り当てるようないわゆる可変長符号によって効率良く符号化することができる。
そこで、本発明実施例の信号符号化装置では、各トーン性成分を極大スペクトル係数と周辺スペクトル係数に分離し、それぞれに対して異なる可変長符号を適用することにより、効率の良い符号化を実現するようにしている。
なお、上述のように、トーン性成分は周波数軸上で非常に急峻なスペクトル分布を持つため、周辺スペクトル係数を正規化および量子化した場合の値の分布はその周辺スペクトル係数と極大スペクトル係数との周波数軸上での相対位置関係によって大きな影響を受ける。そこで、周辺スペクトル係数を極大スペクトル係数との周波数軸上での相対位置によって周辺スペクトル係数をさらにいくつかの分類し、分類された組毎に異なる可変長符号への変換規則によって変換しても良い。
この相対位置の分類の方法としては、極大スペクトル係数との周波数軸上での差分の絶対値によって分類を行うという方法をとることができる。
すなわち、例えば図８に示されたようなトーン性成分のスペクトルに対して、図中ＥＣｃに示す極大スペクトル係数に対する変換規則、図中ＥＣｂおよびＥＣｄに示す周辺スペクトル係数に対する変換規則、図中ＥＣａおよびＥＣｅに示すの周辺スペクトル係数に対する変換規則の合計三つの変換規則を使って可変長符号への変換を行うことができる。もちろん、処理を簡単にするためにすべての周辺スペクトル係数に対して同一の変換規則によって可変長符号化しても良い。
図２０Ａに極大スペクトル係数に対する変換規則を示すコード・テーブルの例を示す。また、図２０Ｂにすべての周辺スペクトル係数に対して同一の変換規則を用いる場合の、周辺スペクトル係数の変換規則を示すコード・テーブルの例を示す。
正規化及び量子化後の極大スペクトル係数、すなわち極大スペクトルの量子化値は、上述したように、＋１または−１に近い値になる。よって、図２０Ａに示すように、この＋１及び−１に対して、その他の値に割り当てる符号長に比較して短い符号長の符号である００及び０１を割り当てれば、極大スペクトル係数を効率よく符号化することができる。
また、正規化及び量子化後の周辺スペクトル係数、すなわち周辺スペクトルの量子化値は、上述したように、０に近い値になる。よって、図２０に示すように、この０に対して、その他の値に割り当てる符号長に比較して短い符号長である０を割り当てれば、周辺スペクトル係数を効率よく符号化することができる。
さらに、トーン性成分符号化回路６０３で決められる量子化精度毎に、極大スペクトル係数に対するコード・テーブル及び周辺スペクトル係数に対するコード・テーブルをそれぞれ複数設けておき、決められた量子化精度に合わせて対応するコード・テーブルを選択するようにすればより効率の良い符号化を行うことができる。
図９は図１の可変長符号化回路６１０の具体例を示したものである。
この図９において、端子８００に入力されたトーン性成分は制御回路８０１によって極大スペクトル成分との周波数軸上での相対位置によって分類され、それぞれ対応する極大スペクトル係数符号化回路８０２、周辺スペクトル係数符号化回路８０３、周辺スペクトル係数符号化回路８０４のいずれかに送られ、これら各回路でそれぞれ上述した対応する変換規則に基づいて符号化される。各符号化回路８０２，８０３，８０４からの符号化出力は、制御回路８０１を介して出力端子８０５から出力される。
また、図１０は、前記図２の可変長復号化回路７１５の具体例を示したものである。
この図１０において、入力端子９００に入力されたトーン性成分符号は制御回路９０１によって、上記図９での分類に対応して分けられてそれぞれ対応する極大スペクトル係数復号化回路９０２、周辺スペクトル係数復号化回路９０３、周辺スペクトル係数復号化回路９０４のいずれかに送られ、これら各回路でそれぞれ対応する上述の変換規則に対応する逆変換規則に基づいて復号化される。各復号化回路９０２，９０３，９０４からの復号化出力は、制御回路９０１を介して出力端子９０５から出力される。
次に、図１１は、本実施例の符号化装置によって図４のスペクトル信号を符号化した場合の例を示した者である。この符号列が記録媒体に記録されるようになる。
この例では、先ず最初にトーン性成分情報数ｔｎｃ（図１１の例では例えば４）が記録媒体に記録され、次にトーン性成分情報ｔｃA，ｔｃB，ｔｃC，ｔｃDが、次にノイズ性成分情報ｎｃ1，ｎｃ2，ｎｃ3，ｎｃ4，ｎｃ5の順番に記録がなされている。トーン性成分情報ｔｃA，ｔｃB，ｔｃC，ｔｃDにはそのトーン性成分の中心スペクトルの位置を表す中心位置情報ＣＰ（例えばトーン性成分ｔｃBの場合には例えば１５）、量子化のためのビット数を表す量子化精度情報（例えばトーン性成分ｔｃBの場合には例えば６）、正規化係数情報が、正規化および量子化されたのち可変長符号化された各信号成分情報ＳＣa，ＳＣb，ＳＣc，ＳＣd，ＳＣeとともに記録されている。この例において、可変長符号化の変換規則は量子化精度毎に決まっており、復号化装置は量子化精度情報を参照して可変長符号の復号化を行う。
ここで、例えば、周波数によって固定的に量子化精度が定められているような場合にはもちろん量子化精度情報は記録する必要はない。なお、上述の実施例では、トーン性成分の位置情報として、各トーン性成分の中心スペクトルの位置を用いるようにしたが、各トーン性成分の一番低域のスペクトルの位置（例えば、トーン性成分ＴＣBの場合には１３）を記録してもよい。
また、ノイズ性成分情報については、量子化精度情報（ノイズ性ｎｃ1の場合は例えば２）と正規化係数情報が正規化および量子化された各信号成分情報ＳＣ1，ＳＣ2，・・・，ＳＣ8とともに記録されている。
ここで量子化精度情報が０である場合には、その符号化ユニットにおいて実際に符号化が行なわれない。やはり帯域によって固定的に量子化精度が定められている場合には量子化精度情報は記録する必要はない。
なお、図１１は、記録媒体に記録されている情報の種類と順番の実施例を示すものであり、例えば、信号成分情報ＳＣa，ＳＣb，ＳＣc，ＳＣd，ＳＣeまでは可変長の符号で、その長さは一定ではない。
次に、本実施例の信号符号化装置では、各トーン性成分の極大スペクトルに対して、その振幅情報を正規化係数情報のみによって与えられることにより効率の良い符号化を可能にもしている。すなわち、トーン性成分符号化回路６０３は、各トーン性成分の極大スペクトル以外の周波数成分に対して正規化及び量子化を行う。トーン性成分符号化回路６０３においては極大スペクトルも含むすべての各トーン性成分に対して正規化及び量子化を行い、後段の符号列生成回路６０５において極大スペクトルに対応する量子化値を出力しないようにすることもできる。このような符号化を行った場合、図１１の例では、信号成分情報ＳＣcは、正負を表す符号のみ含むことになる。
ここで、正規化係数は元々、極大スペクトルの振幅情報を近似する値が選択されるため、正規化係数が記録媒体に記録されている場合には信号復号化装置はその正規化係数から極大スペクトルの振幅情報の近似値を得ることができる。したがって、例えばスペクトル情報がＭＤＣＴやＤＣＴ等で実現されている場合には、極大スペクトルは、正負を表す符号と正規化係数情報からその近似を得ることができ、また例えばスペクトル情報がＤＦＴ等で実現されている場合には、極大スペクトルは、位相成分のみからその近似を得ることができ、極大スペクトルに対して振幅情報を量子化した情報の記録を省略することができる。この方法は正規化係数が精度良くとれる場合には特に有効である。
この場合の信号符号化装置において、正規化係数の精度が十分でない場合には極大スペクトル係数の精度が十分に確保されない場合が生じることがある。しかし、図１９に示した構成を用いて多段階にわたってトーン性成分を抽出するという方法を用いることによって、この問題を解決することができる。図６，図７に示すように、この方法によれば、周波数軸上で重複した周波数成分が、トーン性成分として複数回抽出される可能性が高い。小さい値の正規化係数ほど精度が良くなるように、例えば対数尺度で一定間隔毎に設定しておくなど、非線形に設定しておくと良い。
よって復号化装置側で、この複数の周波数成分を合成すれば、１つの正規化係数の精度が十分でない場合にも、ある程度の精度を確保することができる。また、以上の説明では、音響信号を本発明実施例の信号符号化装置で符号化する例を中心に説明を行なったが、本発明における符号化では、一般の波形信号の符号化にも適用することが可能である。ただし、本発明における符号化では、トーン性成分が聴感上重要な意味を持つ音響信号に対して効率的な符号化を行う上で特に有効である。
さらに、上述の実施例のディスク６０９は、例えば光磁気記録媒体、光記録媒体、相変化型光記録媒体等とすることができる。またディスク６０９のかわりの記録媒体として、テープ状記録媒体の他、半導体メモリ，ＩＣカード等を用いることもできる。
さらに、上述の実施例においてはトーン性成分のみ可変長符号する場合について説明したが、ノイズ性成分についても可変長符号するようにしてもよい。
産業上の利用可能性
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る信号符号化装置においては、入力信号を周波数成分に変換し、この変換出力をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離し、これら第一，第二の信号を符号化するに際し、第一の信号の各信号成分は異なる符号長に符号化することにより、トーン性成分とノイズ性成分に分解された信号のうち、トーン性成分を極めて効率良く符号化することが可能となり、信号波形全体に対する符号化効率を向上させることが可能になっている。したがって、この圧縮された信号を記録媒体に記録すれば、記録容量を有効に利用でき、さらに、この記録媒体を再生して得た信号を符号化することで良好な信号、例えば音響信号を得ることかできる
本発明は、高能率符号化によって入力ディジタルデータ等のディジタル信号の符号化を行ない、この符号化されたディジタル信号を伝送し、記録再生し、符号化されたディジタル信号を復号化して再生信号を得る、ディジタルデータ等の情報符号化又は復号化が適用される信号符号化装置及び方法並びに信号復号化装置及び方法に関する。
背景技術
従来より、オーディオ或いは音声等の記号の高能率符号化の手法には種々あるが、代表的なものとして、時間軸上のオーディオ信号等をある単位時間でブロック化しないで複数の周波数帯域に分割して符号化する非ブロック化周波数帯域分割方式である帯域分割符号化（サブ・バンド・コーディング：SBC）や、時間軸の信号をある単位時間でブロック化してこのブロック毎に周波数軸上の信号に変換（スペクトル変換）して複数の周波数帯域に分割し、各帯域毎に符号化するブロック化周波数帯域分割方式であるいわゆる変換符号化等を挙げることができる。また、上述の帯域分割符号化と変換符号化とを組み合わせた高能率符号化の手法も考えられており、この場合には、例えば、上記帯域分割符号化で帯域分割を行った後、該各帯域毎の信号を周波数軸上の信号にスペクトル変換し、このスペクトル変換された各帯域毎に符号化を施す。
ここで、上記帯域分割符号化や上記組合せの高能率符号化の手法などに用いられる帯域分割用のフィルタとしては、例えばいわゆるＱＭＦなどのフィルタがあり、これは例えば1976 R.E.Crochiere Digital coding of speech in subbands Bell Syst.Tech. J.Vol.55,No.8 1976に述べられている。
また、例えば、ICASSP 83,BOSTON Polyphase Quadrature filters-A new subband coding technique Joseph H. Rothweilerには等バンド幅のフィルタ分割手法が述べられている。
また、上述したスペクトル変換としては、例えば、入力オーディオ信号を所定単位時間（フレーム）でブロック化し、当該ブロック毎に離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、コサイン変換（ＤＣＴ）、モディファイドＤＣＴ変換（ＭＤＣＴ）等を行うことで時間軸を周波数軸に変換するようなスペクトル変換がある。なお、上記ＭＤＣＴについては、ICASSP 1987 Subband/Transform Coding Using Filter Bank Designs Based on Time Domain Aliasing Cancellation J.P.Princen A.B.Bradley Univ. of Surrey Royal Melbourne Inst.of Tech.に述べられている。
このように、フィルタやスペクトル変換によって帯域毎に分割された信号を量子化することにより、量子化雑音が発生する帯域を制御することができ、マスキング効果などの性質を利用して聴覚的により高能率な符号化を行うことができる。また、ここで量子化を行う前に、各帯域毎に、例えばその帯域における信号成分の絶対値の最大値で正規化を行うようにすれば、さらに高能率な符号化を行うことができる。
また、周波数帯域分割された各周波数成分を量子化する周波数分割幅としては、例えば人間の聴覚特性を考慮した帯域分割が行われる。すなわち、一般に臨界帯域（クリティカルバンド）と呼ばれている高域ほど帯域幅が広くなるような帯域幅で、オーディオ信号を複数（例えば２５バンド）の帯域に分割することがある。また、この時の各帯域毎のデータを符号化する際には、各帯域毎に所定のビット配分或いは、各帯域毎に適応的なビット割当て（ビットアロケーション）による符号化が行われる。例えば、上記ＭＤＣＴ処理されて得られた係数データを上記ビットアロケーションによって符号化する際には、上記各ブロック毎のＭＤＣＴ処理により得られる各帯域毎のＭＤＣＴ係数データに対して、適応的な割当てビット数で符号化が行われることになる。
ここで上記ビット割当手法としては、次の２手法が知られている。すなわち、例えば、IEEE Transactions of Accoustics, Speech, and Signal Processing, vol.ASSP-25, No.4, August 1977では、各帯域毎の信号の大きさをもとに、ビット割当を行なっている。この方式では、量子化雑音スペクトルが平坦となり、雑音エネルギが最小となるが、聴感覚的にはマスキング効果が利用されていないために実際の雑音感は最適ではない。
また、例えばICASSP 1980 The critical band coder --digital encoding of the perceptual requirements of the auditory system M.A. Kransner MITでは、聴覚マスキングを利用することで、各帯域毎に必要な信号対雑音比を得て固定的なビット割当を行う手法が述べられている。しかしこの手法ではサイン波入力で特性を測定する場合でも、ビット割当が固定的であるために特性値が、それほど良い値とはならない。
これらの問題を解決するために、ビット割当に使用できる全ビットが、各小ブロック毎に予め定められた固定ビット割当パターン分と、各ブロックの信号の大きさに依存したビット配分を行う分とに分割使用され、その分割比を入力信号に関係する信号に依存させ、前記信号のスペクトルが滑らかなほど前記固定ビット割当パターン分への分割比率を大きくする高能率符号化装置がEUROPEAN PATENT APPLICATION, Publication, number 0 525 809 A 2, Date of publication of application 03.02.93 Bulletin 93/05において提案されている。
この方法によれば、サイン波入力のように、特定のスペクトルにエネルギが集中する場合にはそのスペクトルを含むブロックに多くのビットを割り当てる事により、全体の信号対雑音特性を著しく改善することができる。一般に、急峻なスペクトル成分をもつ信号に対して人間の聴覚は極めて敏感であるため、このような方法を用いる事により、信号対雑音特性を改善することは、単に測定上の数値を向上させるばかりでなく、聴感上、音質を改善するのに有効である。
ビット割り当ての方法にはこの他にも数多くのやり方が提案されており、さらに聴覚に関するモデルが精緻化され、符号化装置の能力があれば聴覚的にみてより高能率な符号化が可能になる。
ここで、図１２以降の各図を用いて従来の信号符号化装置について説明する。この図１２において、端子１００を介して供給された音響信号波形は変換回路１０１によって信号周波数成分に変換された後、信号成分符号化回路１０２によって各成分が符号化され、符号列生成回路１０３によって符号列が生成され、端子１０４から出力される。
図１３には、図１２の変換回路１０１の具体的構成を示す。この図１３において、端子２００を介して供給された信号（図１２の端子１００を介した信号）が、二段の帯域分割フィルタ２０１，２０２によって三つの帯域に分割される。帯域分割フィルタ２０１では端子２００を介した信号が１／２に間引かれ、帯域分割フィルタ２０２では上記帯域分割フィルタ２０１で１／２に間引かれた一方の信号がさらに１／２に間引かれる（端子２００の信号が１／４に間引かれるようになる）。すなわち、帯域分割フィルタ２０２からの２つの信号の帯域幅は、端子２００からの信号の帯域幅の１／４となっている。
これら帯域分割フィルタ２０１，２０２によって上述のように三つの帯域に分割された各帯域の信号は、それぞれＭＤＣＴ等のスペクトル変換を行う順スペクトル変換回路２０３，２０４，２０５によってスペクトル信号成分となされる。これら順スペクトル変換回路２０３，２０４，２０５の出力が上記図１２の信号成分符号化回路１０２に送られる。
図１４には、図１２の信号成分符号化回路１０２の具体的な構成を示す。
この図１４において、端子３００に供給された上記信号成分符号化回路１０２からの出力は、正規化回路３０１によって所定の帯域毎に正規化が施された後、量子化回路３０３に送られる。また、上記端子３００に供給された信号は、量子化精度決定回路３０２にも送られる。
上記量子化回路３０３では、上記端子３００を介した信号から量子化精度決定回路３０３によって計算された量子化精度に基づいて、上記正規化回路３０１からの信号に対して量子化が施される。当該量子化回路３０３からの出力が端子３０４から出力されて図１２の符号列生成回路１０３に送られる。なお、この端子３０４からの出力信号には、上記量子化回路３０３によって量子化された信号成分に加え、上記正規化回路３０１における正規化係数情報や上記量子化精度決定回路３０２における量子化精度情報も含まれている。
図１５には、図１２の構成の符号化装置によって生成された符号列から音響信号を復号化して出力する復号化装置の概略構成を示す。
この図１５において、端子４００を介して供給された図１２の構成により生成された符号列からは、符号列分解回路４０１によって各信号成分の符号が抽出される。それらの符号からは、信号成分復号化回路４０２によって各信号成分が復元され、その後、逆変換回路４０３によって図１２の変換回路１０１の変換に対応する逆変換が施される。これにより音響波形信号が得られ、この音響波形信号が端子４０４から出力される。
図１６には、図１５の逆変換回路４０３の具体的な構成を示す。
この図１６の構成は、図１３に示した変換回路の構成例に対応したもので、端子５０１，５０２，５０３を介して信号成分復号化回路４０２から供給された信号は、それぞれ図１３における順スペクトル変換に対応する逆スペクトル変換を行う逆スペクトル変換回路５０４，５０５，５０６によって変換がなされる。これら逆スペクトル変換回路５０４，５０５，５０６によって得られた各帯域の信号は、二段の帯域合成フィルタによって合成される。
すなわち、逆スペクトル変換回路５０５及び５０６の出力は帯域合成フィルタ５０７に送られて合成され、この帯域合成フィルタ５０７の出力と上記逆スペクトル変換回路５０４の出力とが帯域合成フィルタ５０８にて合成される。当該帯域合成フィルタ５０８の出力が端子５０９（図１５の端子４０４）から出力されるようになる。
次に、図１７には、図１２に示される符号化装置において、従来より行なわれてきた符号化の方法について説明を行うための図である。この図１７の例において、スペクトル信号は図１３の変換回路によって得られたものであり、図１７はＭＤＣＴによるスペクトル信号の絶対値のレベルをｄＢ値に変換して示したものである。
この図１７において、入力信号は所定の時間ブロック毎に６４個のスペクトル信号に変換されており、それが図１７の図中ｂ１からｂ５に示す五つの所定の帯域毎にグループ（これをここでは符号化ユニットと呼ぶことにする）にまとめて正規化及び量子化が行なわれる。ここでは各符号化ユニットの帯域幅は低域側で狭く、高域側で広くとられており、聴覚の性質に合った量子化雑音の発生の制御ができるようになっている。
ところが、上述した従来用いられた方法では、周波数成分を量子化する帯域は固定されている。このため、例えば、スペクトルが幾つかの特定の周波数近辺に集中する場合には、それらのスペクトル成分を十分な精度で量子化しようとすると、それらのスペクトル成分と同じ帯域に属する多数のスペクトルに対して多くのビットを割り振らなければならない。
すなわち、上記図１７からも明らかなように、所定の帯域毎にまとめて正規化が行なわれると、例えば信号にトーン性成分が含まれている図中ｂ３の帯域において、正規化係数値はトーン性成分によって決まる大きな正規化係数値をもとに正規化されることになる。
このとき、一般に、特定の周波数にスペクトルのエネルギが集中するトーン性の音響信号に含まれる雑音は、エネルギが広い周波数帯にわたってなだらかに分布する音響信号に加わった雑音と比較して非常に耳につき易く、聴感上大きな障害となる。さらにまた、大きなエネルギを持つスペクトル成分すなわちトーン性成分が十分精度良く量子化されていないと、それらのスペクトル成分を時間軸上の波形信号に戻して前後のブロックと合成した場合にブロック間での歪みが大きくなり、隣接する時間ブロックの波形信号と合成された時に大きな接続歪みが発生し、やはり大きな聴感上の障害となる。このため、トーン性成分の符号化のためには十分なビット数で量子化を行なわなければならないが、上述のように所定の帯域毎に量子化精度が決められる場合にはトーン性成分を含む符号化ユニット内の多数のスペクトルに対して多くのビットを割り当てて量子化を行う必要があり、符号化効率が悪くなってしまう。したがって、従来は、特にトーン性の音響信号に対して音質を劣化させることなく符号化の効率を上げることが困難であった。
発明の開示
そこで、本発明は、特にトーン性の音響信号に対して音質を劣化させることなく符号化の効率を上げることを可能とする信号符号化装置及び方法と、さらにこれら信号符号化装置などで処理された信号が記録再生されるか或いは信号符号化装置から伝送された符号化信号を復号化する信号復号化装置及び方法の提供を目的とするものである。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る信号符号化装置は、入力信号を符号化する信号符号化装置において、入力信号を周波数成分に変換する変換手段と、上記変換手段の出力をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離する分離手段と、上記第一の信号を符号化する第一の符号化手段と、上記第二の信号を所定の周波数帯域に分割し、分割した周波数帯域毎に符号化する第二の符号化手段とを備え、上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の各信号成分を可変長符号化する可変長符号化手段を含んでなるものである。
また、本発明に係る信号符号化方法は、入力信号の符号化方法において、入力信号を周波数成分に変換し、上記周波数成分をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離し、上記第一の信号を可変長符号化し、上記第二の信号を所定の周波数帯域に分割し、分割した周波数帯域毎に符号化するようにしたものである。
ここで、本発明の信号符号化装置は、以下のことを行う。すなわち、上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の符号化の際に、上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報を、正規化係数によって正規化してから符号化する。また、上記各トーン性成分の各周波数成分を、複数個の変換規則によって符号化する。上記複数個の変換規則のうち何れの変換規則で符号化を行うかは、トーン性成分の極大周波数成分と各周波数成分との周波数軸上での相対位置関係によって決める。上記変換規則のうち極大周波数成分に対して適用される変換規則は、より大きな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものである。上記該変換規則のうち極大周波数成分の他の各周波数成分に対して適用される変換規則は、より小さな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものである。なお、上記入力信号は、音響信号である。
また、本発明の信号符号化装置の上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報を正規化係数によって正規化および量子化して符号化すると共に、当該符号化には極大周波数成分の振幅情報を省略するようにもしている。
この場合の本発明の信号符号化装置は、以下のようなことを行う。すなわち、上記分離手段は、上記トーン性成分を互いに周波数軸上で重複することを許して上記第一の信号の分離を行う。上記正規化係数の値は、小さいものほど精度良く設定する。なお、この場合も入力信号は音響信号である。
次に、本発明に係る信号復号化装置は、符号化された信号を復号化する信号復号化装置において、可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化する第一の復号化手段と、その他の成分からなる第二の信号を所定の周波数帯域毎に復号化する第二の復号化手段と、各々の信号を合成して逆変換を行うか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換手段とを備えてなるものである。
また、本発明に係る信号復号化方法は、符号化された信号を復号化する信号復号化方法において、可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化し、その他の成分からなる第二の信号を、所定の帯域毎に復号化し、各々の信号を合成して逆変換するか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換をするものである。
ここで、本発明の信号復号化装置は、以下のようなものである。すなわち、上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報は正規化係数によって正規化されて符号化されている。また、上記各トーン性成分の各周波数成分は複数個の変換規則によって符号化されている。上記複数個の変換規則のうち何れの変換規則で符号化が行われているかは、トーン性成分の極大周波数成分と各周波数成分との周波数軸上での相対位置関係によって決められている。上記変換規則のうち極大周波数成分に対して適用されている変換規則は、より大きな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものとなっている。上記変換規則のうち極大周波数成分以外に対して適用されている変換規則は、より小さな振幅値情報を持つものに対してより短い符号への変換を行うものとなっている。なお、出力信号は音響信号となる。
また、本発明の信号復号化装置は、極大周波数成分の振幅情報を正規化及び量子化した情報を含まずに符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化する第一の復号化手段と、その他の成分からなる第二の信号を復号化する第二の復号化手段と、各々の信号を合成して逆変換を行うか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換手段とを備えてなるものである。
ここで、上記第一の信号のトーン性成分は周波数軸上で重複して符号化されている。また、上記正規化のための正規化係数は値が小さいものほど精度良く設定されている。
本発明は、入力された音響信号を特定の周波数にエネルギが集中する信号成分（トーン性成分）と広い帯域にエネルギがなだらかに分布する成分（トーン性成分以外の成分）に分離して符号化を施す場合において、トーン性成分の信号に対して、可変長の符号を効果的に適用することによって、より効率的な符号化を実現するようにしている。また、トーン性成分のうち、絶対値が極大のスペクトル係数に関しては例えば正負の符号情報のみを符号化することによって、より効率的な符号化を実現するようにもしている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る符号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図２は、本発明に係る復号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図３は、本発明に係る信号成分分離回路における処理の流れを示すフローチャートである。
図４は、本発明の信号符号化におけるトーン性成分の分離について説明するための図である。
図５は、本発明の信号符号化における元のスペクトル信号からトーン性成分を除いたノイズ性成分を示す図である。
図６は、スペクトル信号の例を示す図である。
図７は、図６のスペクトル信号から、１つのトーン性成分を符号化して復号化した信号を差し引いた後の信号を示す図である。
図８は、本発明におけるトーン性成分のスペクトルに対する変換規則を説明するための図である。
図９は、図１のトーン性成分符号化回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１０は、図２のトーン性成分復号化回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１１は、本発明の信号符号化により符号化されて得られた符号列の記録を説明するための図である。
図１２は、従来の符号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図１３は、本発明及び従来の符号化装置に適用される変換回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１４は、本発明及び従来の符号化装置に適用される信号成分符号化回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１５は、従来の復号化装置の概略構成を示すブロック回路図である。
図１６は、本発明及び従来の復号化装置に適用される逆変換回路の具体的構成を示すブロック回路図である。
図１７は、従来技術による符号化方法を説明するための図である。
図１８は、本発明に係る復号化装置を構成する合成逆変換部の他の例を示すブロック回路図である。
図１９は、本発明に係る符号化装置の他の実施例を示すすブロック回路図である。
図２０Ａは、極大スペクトル係数に対する変換規則を示すコード・テーブルである。
図２０Ｂは、すべての周辺スペクトル係数に対して同一の変換規則を用いる場合の周辺スペクトル係数の変換規則を示すコード・テーブルである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１には、本発明実施例の信号符号化装置の概略構成を示している。
図１において、端子６００には音響波形信号が供給される。この音響信号波形は、変換回路６０１によって信号周波数成分に変換された後、信号成分分離回路６０２に送られる。
当該信号成分分離回路６０２においては、変換回路６０１によって得られた信号周波数成分は、急峻なスペクトル分布を持つトーン性成分と、それ以外の信号周波数成分すなわち平坦なスペクトル分布を持つノイズ性成分とに分離される。これら分離された周波数成分のうち、上記急峻なスペクトル分布を持つトーン性成分はトーン性成分符号化回路６０３で、それ以外の信号周波数成分である上記ノイズ性成分はノイズ性成分符号化回路６０４で、それぞれ符号化される。トーン性成分符号化回路６０３から出力された信号は、さらに可変長符号化回路６１０で可変長符号化される。これら可変長符号化回路６１０とノイズ性成分符号化回路６０４からの出力は、符号列生成回路６０５によって符号列が生成され、出力される。ＥＣＣエンコーダ６０６は、符号列生成回路６０５からの符号列に対して、エラーコレクションコードを付加する。ＥＣＣエンコーダ６０６からの出力は、ＥＦＭ回路６０７によって変調され、記録ヘッド６０８に供給される。記録ヘッド６０８は、ＥＦＭ回路６０７から出力された符号列をディスク６０９に記録する。
なお、変換回路６０１には前述した図１３と同様の構成を使用することができる。もちろん、図１の変換回路６０１の具体的構成としては、上記図１３の構成以外にも多数考えることができ、例えば、入力信号を直接ＭＤＣＴによってスペクトル信号に変換しても良いし、スペクトル変換はＭＤＣＴではなくＤＦＴやＤＣＴなどを用いることもできる。
また、前述のように、帯域分割フィルタによって信号を帯域成分に分割することも可能であるが、本発明における符号化は特定の周波数にエネルギが集中する場合に特に有効に作用するので、多数の周波数成分が比較的少ない演算量で得られる上述のスペクトル変換によって周波数成分に変換する方法をとると都合がよい。
さらに、トーン性成分符号化回路６０３とノイズ性成分符号化回路６０４も基本的には前述した図１４と同様の構成で実現することができるものである。
一方、図２には、図１の符号化装置で符号化された信号を復号化する本発明実施例の信号復号化装置の概略構成を示す。
この図２において、ディスク６０９から再生ヘッド７０８を介して再生された符号列は、ＥＦＭ復調回路７０９に供給される。ＥＦＭ復調回路７０９では、入力された符号列を復調する。復調された符号列は、ＥＣＣデコーダ７１０に供給され、ここでエラー訂正が行われる。符号列分解回路７０１は、エラー訂正された符号列中のトーン性成分情報数に基づいて、符号列のどの部分がトーン性成分符号であるかを認識し、入力された符号列をトーン性成分符号とノイズ性成分符号に分離する。また、符号列分離回路７０１は、入力された符号列からトーン性成分の位置情報を分離し、後段の合成回路７０４に出力する。上記トーン性成分符号は可変長復号化回路７１５によって可変長復号化された後、トーン性成分復号化回路７０２に送られ、上記ノイズ性符号はノイズ性成分復号化回路７０３に送られ、ここでそれぞれ逆量子化及び正規化の解除が行われ復号化される。その後、これらトーン性成分復号化回路７０２とノイズ性成分復号化回路７０３からの復号化信号は、上記図１の信号成分分離回路６０２での分離に対応する合成を行う合成回路７０４に供給される。合成回路７０４は、符号列分離回路７０１から供給されたトーン性成分の位置情報に基づいて、トーン性成分の復号化信号を、ノイズ性成分の復号化信号の所定の位置に加算することにより、ノイズ性成分とトーン性成分の周波数軸上での合成を行う。さらに、合成された復号化信号は、上記図１の変換回路６０１での変換に対応する逆変換を行う逆変換回路７０５で変換処理され、周波数軸上の信号から元の時間軸上の波形信号に戻される。この逆変換回路７０５からの出力波形信号は、端子７０７から出力される。なお、逆変換と合成の処理順序は逆でもよく、この場合、図２における合成逆変換部７１１は、図１８に示す構成となる。この図１８に示す合成逆変換部７１１を構成する逆変換回路７１２は、ノイズ性成分復号化回路７０３からの周波数軸上のノイズ性成分の復号化信号を時間軸上のノイズ性成分信号に逆変換する。逆変換回路７１３は、トーン性成分復号化回路７０２からのトーン性成分の復号化信号を、符号列分離回路７０１から供給されたトーン性成分の位置情報の示す周波数軸上の位置に配し、これを逆変換して、時間軸上のトーン性成分信号を生成する。合成回路７１４は、逆変換回路７１２からの時間軸上のノイズ性成分信号と逆変換回路７１３からの時間軸上のトーン性成分信号とを合成し、元の波形信号を再生する。
なお、上記逆変換回路７０５、７１２、７１３には、前述した図１６と同様の構成を使用することができる。
ここで、図３には、図１の符号化装置の信号成分分離回路６０２においてトーン性成分を分離するための具体的処理の流れを表す。
なお、図３において、Ｉはスペクトル信号の番号を、Ｎはスペクトル信号の総数、Ｐ，Ｒは所定の係数を示している。また、上記トーン成分は、あるスペクトル信号の絶対値が局所的に見て他のスペクトル成分よりも大きく、なおかつ、それがその時間ブロック（スペクトル変換の際のブロック）におけるスペクトル信号の絶対値の最大値と比較して所定の大きさ以上であり、さらに、そのスペクトルと近隣のスペクトル（例えば両隣のスペクトル）のエネルギの和がそれらのスペクトルを含む所定の帯域内のエネルギに対して所定の割合以上を示している場合に、そのスペクトル信号と例えばその両隣のスペクトル信号がトーン性成分であると見なしている。なお、ここで、エネルギ分布の割合を比較する所定の帯域としては、聴覚の性質を考慮して例えば臨界帯域幅に合わせて、低域では狭く高域では広くとることができる。
すなわち、この図３において、先ず、ステップＳ１では最大スペクトル絶対値を変数Ａ０に代入し、ステップＳ２ではスペクトル信号の番号Ｉを１にする。ステップＳ３では、ある時間ブロック内のあるスペクトル絶対値を変数Ａに代入する。
ステップＳ４では、上記スペクトル絶対値が局所的に見て他のスペクトル成分よりも大きい極大絶対値スペクトルか否かを判断し、極大絶対値スペクトルでないとき（Ｎｏ）にはステップＳ１０に進み、極大絶対値スペクトルである場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、当該極大絶対値スペクトルを含むその時間ブロックにおける当該極大絶対値スペクトルの変数Ａと最大スペクトル絶対値の変数Ａ0との比と、所定の大きさを示す係数Ｐとの大小比較（Ａ／Ａ0＞Ｐ）を行い、Ａ／Ａ0がＰより大きい場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６に、Ａ／Ａ0がＰ以下の場合（ＮＯ）にはステップＳ１０に進む。
ステップＳ６では、上記スペクトル絶対値のスペクトル（極大絶対値スペクトル）の近隣のスペクトルのエネルギ値（例えば両隣のスペクトルのエネルギの和）を変数Ｘに代入し、次のステップＳ７では当該極大絶対値スペクトル及びその近隣のスペクトルを含む所定の帯域内のエネルギ値を変数Ｙに代入する。
次のステップＳ８では、上記エネルギ値の変数Ｘと所定帯域内のエネルギ値の変数Ｙとの比と、所定の割合を示す係数Ｒとの大小比較（Ｘ／Ｙ＞Ｒ）を行い、Ｘ／ＹがＲより大きいとき（Ｙｅｓ）にはステップＳ９に、Ｘ／ＹがＲ以下のとき（Ｎｏ）にはステップＳ１０に進む。
ステップＳ９では、上記極大絶対値スペクトルとその近隣のスペクトルにおける上記エネルギがそれらのスペクトルを含む所定の帯域内のエネルギに対して所定の割合以上を示している場合に、その極大絶対値スペクトルの信号と例えばその両隣の低域側、高域側各２本ずつのスペクトルの信号がトーン性成分であると見なし、その旨を登録する。
次のステップＳ１０では、上記ステップＳ９において登録されたスペクトル信号の番号Ｉとスペクトル信号の総数Ｎとが等しい（Ｉ＝Ｎ）か否かを判断し、等しい場合（Ｙｅｓ）には処理を終了し、等しくない場合（Ｎｏ）にはステップＳ１１に進む。このステップＳ１１では、Ｉ＝Ｉ＋１として１づつスペクトル信号の番号を増加させてステップＳ３に戻り、上述の処理を繰り返す。信号成分分離回路６０２は、上述の処理によってトーン性成分であると判定した周波数成分をトーン性成分符号化回路６０３に供給し、それ以外の周波数成分をノイズ性成分としてノイズ性成分符号化回路６０４に供給する。また、信号成分分離回路６０２は、トーン性成分であると判定された周波数情報の数とその位置情報を符号列生成回路６０５に供給する。
図４には、上述のようにしてトーン性成分が周波数成分から分離される一例の様子を表す。
この図４に示す例では、図中ＴＣA，ＴＣB，ＴＣC，ＴＣDで示す四つのトーン性成分が抽出されている。ここで、当該トーン性成分は、図４の例のように少数のスペクトル信号に集中して分布しているため、これらの成分を精度良く量子化しても、全体としてはあまり多くのビット数は必要とはならない。このため、トーン成分を一旦、正規化してから量子化することによって符号化の効率を高めることができるが、トーン性成分を構成するスペクトル信号は比較的少数であるので正規化や再量子化の処理を省略して装置を簡略化してもよい。
ところで、図５には、元のスペクトル信号から上記トーン性成分を除いた（０にする）場合のノイズ性成分を表した例を示している。
この図５においては、各帯域ｂ１〜ｂ５において上記元のスペクトル信号からは上述のようにトーン性成分が除かれ（０にする）ている。この場合、各符号化ユニットにおける正規化係数は小さな値となり、したがって、少ないビット数でも発生する量子化雑音は小さくすることができる。
以上、トーン性成分を分離し、トーン性成分及びその近辺の信号を０にした後、ノイズ性成分を符号化することで効率良い符号化を可能とできる旨述べたが、元のスペクトル信号からトーン性成分を符号化して復号化した信号を引いたものを符号化していく、という方法をとることもできる。
この方法による信号符号化装置を図１９を参照しながら説明する。なお、図１と同じ構成については、同じ番号を付与し、その説明を省略する。
変換回路６０１によって得られたスペクトル信号は、スイッチ制御回路８０８によって制御されるスイッチ８０１を介して、トーン性成分抽出回路８０２に供給される。トーン性成分抽出回路８０２は、上述した図３の処理によってトーン性成分を判別し、判別されたトーン性成分のみをトーン性成分符号化回路６０３に供給する。また、トーン性成分抽出回路８０２は、トーン性成分情報の数と、その中心位置情報を符号化列生成回路６０５に出力する。トーン性成分符号化回路６０３は、入力されたトーン性成分に対し、正規化及び量子化を行い、正規化及び量子化されたトーン性成分を可変長符号化回路６１０及びローカルデコーダ８０４に供給する。可変長符号化回路６１０は、正規化及び量子化されたトーン性成分を可変長符号化して、得られた可変長符号を符号列生成回路６０５に供給する。ローカルデコーダ８０４は、正規化及び量子化されたトーン性成分に対して、逆量子化及び正規化の解除を行い、元のトーン性成分の信号を復号する。但しこの時、復号信号には量子化雑音が含まれることになる。ローカルデコーダ８０４からの出力は、１回目の復号信号として、加算器８０５に供給される。また、加算器８０５には、スイッチ制御回路８０８によって制御されるスイッチ８０６を介して、変換回路６０１からの元のスペクトル信号が供給される。加算器８０５は、元のスペクトル信号から、１回目の復号信号を差し引いて１回目の差分信号を出力する。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を１回で終了する場合は、この１回目の差分信号がノイズ性成分として、スイッチ制御回路８０８によって制御されるスイッチ８０７を介して、ノイズ性成分符号化回路６０４に供給される。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を繰り返す場合は、１回目の差分信号は、スイッチ８０１を介してトーン性成分抽出回路８０２に供給される。トーン性成分抽出回路８０２、トーン性成分符号化回路６０３、ローカルデコーダ８０４は上述と同様の処理を行い、得られた２回目の復号信号が加算器８０５に供給される。また、加算器８０５には、スイッチ８０６を介して１回目の差分信号が供給される。加算器８０５は、１回目の差分信号から、２回目の復号信号を差し引いて２回目の差分信号を出力する。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を２回で終了する場合は、この２回目の差分信号が、ノイズ性成分として、スイッチ８０７を介して、ノイズ性成分符号化回路６０４に供給される。トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を更に繰り返す場合は、上述と同様な処理が、トーン性成分抽出回路８０２、トーン性成分符号化回路６０３、ローカルデコーダ８０４、加算器８０５によって行われる。スイッチ制御回路８０８は、トーン性成分情報数の閾値を保持しており、トーン性成分抽出回路から得られるトーン性成分情報数がこの閾値を越えた場合にトーン性成分の抽出、符号化、復号化処理を終了するようスイッチ８０７を制御する。また、トーン性成分符号化回路６０３において、トーン性成分が抽出されなくなった時点で、トーン性成分の抽出、符号化、復号化、差分化処理を終了とすることもできる。
図６、図７は、このような方法について説明を行うための図である。図７は図６のスペクトル信号から、一つのトーン性成分を符号化して復号化した信号を差し引いたものである。
また、図７のスペクトル信号からさらに破線で示した成分をトーン性成分として抽出し符号化することによってスペクトル信号の符号化精度を上げることができ、これを繰り返していくことにより精度の高い符号化を行うことができることになる。なお、この方法を用いる場合、トーン成分を量子化するためのビット数の上限を低く設定していても符号化精度を十分に高くとることができ、したがって、量子化ビット数を記録するビット数を小さくすることができるという利点もある。また、このようにトーン性成分を多段階に抽出していく方法は必ずしもトーン性成分を符号化して復号化したものと同等の信号を元のスペクトル信号から差し引いていく場合だけでなく、抽出されたトーン性成分のスペクトル信号を０にした場合にも適用可能であり、本発明の記述において「トーン性成分を分離した信号」等の表現はこの両者を含むものである。
このように、本実施例の符号化装置においては、元の波形信号をトーン性成分とノイズ性成分に分解して符号化を行うことにより効率の良い符号化を実現することができるが、トーン性成分の符号化に関して以下に述べる方法を適用することで、より一層、効率の良い符号化を行うことができる。
すなわち、各トーン性成分は絶対値が極大となるスペクトル係数(これをここでは極大スペクトル係数と呼ぶことにする)およびその周辺のスペクトル係数(これをここでは周辺スペクトル係数と呼ぶことにする)にはエネルギが集中することになるが、ここで、各係数を量子化した時の値の分布には偏りがあり、かつ、極大スペクトル係数と周辺スペクトル係数とでは周波数軸上での相対位置関係によってその分布の仕方は大きく異なる。すなわち、各トーン成分を構成するスペクトル係数を極大スペクトル係数によって決定付けられる正規化係数で正規化すればすなわち、例えば、トーン性成分を構成する各スペクトル係数を、そのトーン性成分中の極大スペクトル係数で割ってやれば、正規化及び量子化後の極大スペクトル係数は＋１または−１に近い値になるのに対し、トーン成分は元々スペクトル係数が極大スペクトル係数を中心にして急激に減少するという性格をもつものであるため、正規化及び量子化後の周辺スペクトル係数は０に近い値により多く分布する。
このように符号化すべき値の分布に偏りがある場合には、例えば、D.A.Huffman: A Method for Construction of Minimum Redundancy Codes, Proc.I.R.E., 40, p.1098（1952）に述べられているように、頻度の多いパターンには短い符号長を割り当てるようないわゆる可変長符号によって効率良く符号化することができる。
そこで、本発明実施例の信号符号化装置では、各トーン性成分を極大スペクトル係数と周辺スペクトル係数に分離し、それぞれに対して異なる可変長符号を適用することにより、効率の良い符号化を実現するようにしている。
なお、上述のように、トーン性成分は周波数軸上で非常に急峻なスペクトル分布を持つため、周辺スペクトル係数を正規化および量子化した場合の値の分布はその周辺スペクトル係数と極大スペクトル係数との周波数軸上での相対位置関係によって大きな影響を受ける。そこで、周辺スペクトル係数を極大スペクトル係数との周波数軸上での相対位置によって周辺スペクトル係数をさらにいくつかの分類し、分類された組毎に異なる可変長符号への変換規則によって変換しても良い。
この相対位置の分類の方法としては、極大スペクトル係数との周波数軸上での差分の絶対値によって分類を行うという方法をとることができる。
すなわち、例えば図８に示されたようなトーン性成分のスペクトルに対して、図中ＥＣｃに示す極大スペクトル係数に対する変換規則、図中ＥＣｂおよびＥＣｄに示す周辺スペクトル係数に対する変換規則、図中ＥＣａおよびＥＣｅに示すの周辺スペクトル係数に対する変換規則の合計三つの変換規則を使って可変長符号への変換を行うことができる。もちろん、処理を簡単にするためにすべての周辺スペクトル係数に対して同一の変換規則によって可変長符号化しても良い。
図２０Ａに極大スペクトル係数に対する変換規則を示すコード・テーブルの例を示す。また、図２０Ｂにすべての周辺スペクトル係数に対して同一の変換規則を用いる場合の、周辺スペクトル係数の変換規則を示すコード・テーブルの例を示す。
正規化及び量子化後の極大スペクトル係数、すなわち極大スペクトルの量子化値は、上述したように、＋１または−１に近い値になる。よって、図２０Ａに示すように、この＋１及び−１に対して、その他の値に割り当てる符号長に比較して短い符号長の符号である００及び０１を割り当てれば、極大スペクトル係数を効率よく符号化することができる。
また、正規化及び量子化後の周辺スペクトル係数、すなわち周辺スペクトルの量子化値は、上述したように、０に近い値になる。よって、図２０に示すように、この０に対して、その他の値に割り当てる符号長に比較して短い符号長である０を割り当てれば、周辺スペクトル係数を効率よく符号化することができる。
さらに、トーン性成分符号化回路６０３で決められる量子化精度毎に、極大スペクトル係数に対するコード・テーブル及び周辺スペクトル係数に対するコード・テーブルをそれぞれ複数設けておき、決められた量子化精度に合わせて対応するコード・テーブルを選択するようにすればより効率の良い符号化を行うことができる。
図９は図１の可変長符号化回路６１０の具体例を示したものである。
この図９において、端子８００に入力されたトーン性成分は制御回路８０１によって極大スペクトル成分との周波数軸上での相対位置によって分類され、それぞれ対応する極大スペクトル係数符号化回路８０２、周辺スペクトル係数符号化回路８０３、周辺スペクトル係数符号化回路８０４のいずれかに送られ、これら各回路でそれぞれ上述した対応する変換規則に基づいて符号化される。各符号化回路８０２，８０３，８０４からの符号化出力は、制御回路８０１を介して出力端子８０５から出力される。
また、図１０は、前記図２の可変長復号化回路７１５の具体例を示したものである。
この図１０において、入力端子９００に入力されたトーン性成分符号は制御回路９０１によって、上記図９での分類に対応して分けられてそれぞれ対応する極大スペクトル係数復号化回路９０２、周辺スペクトル係数復号化回路９０３、周辺スペクトル係数復号化回路９０４のいずれかに送られ、これら各回路でそれぞれ対応する上述の変換規則に対応する逆変換規則に基づいて復号化される。各復号化回路９０２，９０３，９０４からの復号化出力は、制御回路９０１を介して出力端子９０５から出力される。
次に、図１１は、本実施例の符号化装置によって図４のスペクトル信号を符号化した場合の例を示した者である。この符号列が記録媒体に記録されるようになる。
この例では、先ず最初にトーン性成分情報数ｔｎｃ（図１１の例では例えば４）が記録媒体に記録され、次にトーン性成分情報ｔｃA，ｔｃB，ｔｃC，ｔｃDが、次にノイズ性成分情報ｎｃ1，ｎｃ2，ｎｃ3，ｎｃ4，ｎｃ5の順番に記録がなされている。トーン性成分情報ｔｃA，ｔｃB，ｔｃC，ｔｃDにはそのトーン性成分の中心スペクトルの位置を表す中心位置情報ＣＰ（例えばトーン性成分ｔｃBの場合には例えば１５）、量子化のためのビット数を表す量子化精度情報（例えばトーン性成分ｔｃBの場合には例えば６）、正規化係数情報が、正規化および量子化されたのち可変長符号化された各信号成分情報ＳＣa，ＳＣb，ＳＣc，ＳＣd，ＳＣeとともに記録されている。この例において、可変長符号化の変換規則は量子化精度毎に決まっており、復号化装置は量子化精度情報を参照して可変長符号の復号化を行う。
ここで、例えば、周波数によって固定的に量子化精度が定められているような場合にはもちろん量子化精度情報は記録する必要はない。なお、上述の実施例では、トーン性成分の位置情報として、各トーン性成分の中心スペクトルの位置を用いるようにしたが、各トーン性成分の一番低域のスペクトルの位置（例えば、トーン性成分ＴＣBの場合には１３）を記録してもよい。
また、ノイズ性成分情報については、量子化精度情報（ノイズ性ｎｃ1の場合は例えば２）と正規化係数情報が正規化および量子化された各信号成分情報ＳＣ1，ＳＣ2，・・・，ＳＣ8とともに記録されている。
ここで量子化精度情報が０である場合には、その符号化ユニットにおいて実際に符号化が行なわれない。やはり帯域によって固定的に量子化精度が定められている場合には量子化精度情報は記録する必要はない。
なお、図１１は、記録媒体に記録されている情報の種類と順番の実施例を示すものであり、例えば、信号成分情報ＳＣa，ＳＣb，ＳＣc，ＳＣd，ＳＣeまでは可変長の符号で、その長さは一定ではない。
次に、本実施例の信号符号化装置では、各トーン性成分の極大スペクトルに対して、その振幅情報を正規化係数情報のみによって与えられることにより効率の良い符号化を可能にもしている。すなわち、トーン性成分符号化回路６０３は、各トーン性成分の極大スペクトル以外の周波数成分に対して正規化及び量子化を行う。トーン性成分符号化回路６０３においては極大スペクトルも含むすべての各トーン性成分に対して正規化及び量子化を行い、後段の符号列生成回路６０５において極大スペクトルに対応する量子化値を出力しないようにすることもできる。このような符号化を行った場合、図１１の例では、信号成分情報ＳＣcは、正負を表す符号のみ含むことになる。
ここで、正規化係数は元々、極大スペクトルの振幅情報を近似する値が選択されるため、正規化係数が記録媒体に記録されている場合には信号復号化装置はその正規化係数から極大スペクトルの振幅情報の近似値を得ることができる。したがって、例えばスペクトル情報がＭＤＣＴやＤＣＴ等で実現されている場合には、極大スペクトルは、正負を表す符号と正規化係数情報からその近似を得ることができ、また例えばスペクトル情報がＤＦＴ等で実現されている場合には、極大スペクトルは、位相成分のみからその近似を得ることができ、極大スペクトルに対して振幅情報を量子化した情報の記録を省略することができる。この方法は正規化係数が精度良くとれる場合には特に有効である。
この場合の信号符号化装置において、正規化係数の精度が十分でない場合には極大スペクトル係数の精度が十分に確保されない場合が生じることがある。しかし、図１９に示した構成を用いて多段階にわたってトーン性成分を抽出するという方法を用いることによって、この問題を解決することができる。図６，図７に示すように、この方法によれば、周波数軸上で重複した周波数成分が、トーン性成分として複数回抽出される可能性が高い。小さい値の正規化係数ほど精度が良くなるように、例えば対数尺度で一定間隔毎に設定しておくなど、非線形に設定しておくと良い。
よって復号化装置側で、この複数の周波数成分を合成すれば、１つの正規化係数の精度が十分でない場合にも、ある程度の精度を確保することができる。また、以上の説明では、音響信号を本発明実施例の信号符号化装置で符号化する例を中心に説明を行なったが、本発明における符号化では、一般の波形信号の符号化にも適用することが可能である。ただし、本発明における符号化では、トーン性成分が聴感上重要な意味を持つ音響信号に対して効率的な符号化を行う上で特に有効である。
さらに、上述の実施例のディスク６０９は、例えば光磁気記録媒体、光記録媒体、相変化型光記録媒体等とすることができる。またディスク６０９のかわりの記録媒体として、テープ状記録媒体の他、半導体メモリ，ＩＣカード等を用いることもできる。
さらに、上述の実施例においてはトーン性成分のみ可変長符号する場合について説明したが、ノイズ性成分についても可変長符号するようにしてもよい。
産業上の利用可能性
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る信号符号化装置においては、入力信号を周波数成分に変換し、この変換出力をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離し、これら第一，第二の信号を符号化するに際し、第一の信号の各信号成分は異なる符号長に符号化することにより、トーン性成分とノイズ性成分に分解された信号のうち、トーン性成分を極めて効率良く符号化することが可能となり、信号波形全体に対する符号化効率を向上させることが可能になっている。したがって、この圧縮された信号を記録媒体に記録すれば、記録容量を有効に利用でき、さらに、この記録媒体を再生して得た信号を符号化することで良好な信号、例えば音響信号を得ることかできる
Claims (18)
- 入力信号を符号化する信号符号化装置において、
入力信号を周波数成分に変換する変換手段と、
上記変換手段の出力をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離する分離手段と、
上記第一の信号を符号化する第一の符号化手段と、
上記第二の信号を所定の周波数帯域に分割し、分割した周波数帯域毎に符号化する第二の符号化手段とを備え、
上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の各信号成分を可変長符号化する可変長符号化手段を含んでなる
ことを特徴とする信号符号化装置。 - 上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の符号化の際に、上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報を、正規化係数によって正規化してから上記可変長符号化することを特徴とする請求項１記載の信号符号化装置。
- 上記可変長符号化手段は、上記各トーン性成分の各周波数成分を、複数のコード・テーブルによって可変長符号化することを特徴とする請求碩１記載の信号符号化装置。
- 上記複数のコード・テーブルのうち何れのコード・テーブルで符号化を行うかは、トーン性成分の極大周波数成分と各周波数成分との周波数触上での相対位置関係によって決めることを特徴とする請求項３記載の信号符号化装置。
- 上記分離手段は、互いに周波数柚上で重複する周波数成分を複数回抽出して上記第一の信号とすることを特徴とする請求項１記載の信号符号化装置。
- 上記正規化係数の値は、小さいものほど精度良く設定することを特徴とする請求項２記載の信号符号化装置。
- 入力信号を周波数成分に変換する変換手段と、
上記変換手段の出力をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離する分離手段と、
上記第一の信号を符号化する第一の符号化手段と、
上記第二の信号を所定の周波数帯域に分割し、分割した周波数帯域毎に符号化する第二の符号化手段とを備える信号符号化装置であって、
上記第一の符号化手段は、上記第一の信号の各信号成分を可変長符号化する可変長符号化手段を含むとともに、
上記分離手段は、上記可変長符号化される第一の信号の復号信号を、上記変換手段の出力から差し引くことにより上記第二の信号を分離する
ことを特徴とする信号符号化装置。 - 入力信号を符号化する信号符号化装置において、
入力信号を周波数成分に変換する変換手段と、
上記変換手段の出力をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離する分離手段と、
上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報を、正規化係数を用いて正規化すると共に正規化された振幅情報を量子化して符号化信号を生成する第一の符号化手段と、
上記第二の信号を符号化する第二の符号化手段とを備え、
上記第一の符号化手段は、上記各トーン性成分の振幅情報の符号化信号のうち、極大周波数成分の振幅絶対値情報以外の振幅情報の符号化信号を出力する
ことを特徴とする信号符号化装置。 - 符号化された信号を復号化する信号復号化装置において、
可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化する第一の復号化手段と、
その他の成分からなる第二の信号を所定の周波数帯域毎に復号化する第二の復号化手段と、
各々の信号を合成して逆変換するか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換手段と
を備えてなることを特徴とする信号復号化装置。 - 上記第一の信号の各トーン性成分の振幅情報は正規化係数によって正規化されて符号化されていることを特徴とする請求項９記載の信号復号化装置。
- 上記第一の復号化手段は複教のコード・テーブルによって上記第一の信号を復号化することを特徴とする請求項９記載の信号復号化装置。
- 上記複数のコード・テーブルのうち何れのコード・テーブルで復号化を行うかは、トーン性成分の極大周波数成分と各周波数成分との周波数軸上での相対位置関係によって決めることを特徴とする請求項１１記載の信号復号化装置。
- 上記第一の信号のトーン性成分は周波数軸上で重複して符号化されていることを特徴とする請求項１１記載の信号復号化装置。
- 上記正規化係数は値が小さいものほど精度良く設定されていることを特徴とする請求項１０記載の信号復号化装置。
- 符号化された信号を復号化する信号復号化装置において、
可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化する第一の復号化手段と、
その他の成分からなる第二の信号を所定の周波数帯域毎に復号化する第二の復号化手段と、
各々の信号を合成して逆変換を行うか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換手段とを備え、
上記合成逆変換手段は、上記第一の復号化手段により復号化された第一の信号と、上記第二の復号化手段により復号化された第二の信号を加算することにより上記合成を行う
ことを特徴とする信号復号化装置。 - 符号化された信号を復号化する信号復号化装置において、
可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化する第一の復号化手段と、
その他の成分からなる第二の信号を復号化する第二の復号化手段と、
各々の信号を合成して逆変換するか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換手段とを備え、
上記第一の復号化手段は伝送された正規化係数のみに基づいて、上記トーン性成分の極大周波数成分を再生する
ことを特徴とする信号復号化装置。 - 入力信号の符号化方法において、
入力信号を周波数成分に変換し、
上記周波数成分をトーン性成分からなる第一の信号とその他の成分からなる第二の信号に分離し、
上記第一の信号を可変長符号化し、
上記第二の信号を所定の周波数帯域に分割し、分割した周波数帯域毎に符号化する
ことを特徴とする信号符号化方法。 - 符号化された信号を復号化する信号復号化方法において、
可変長符号化されたトーン性成分からなる第一の信号を復号化し、
その他の成分からなる第二の信号を、所定の帯域毎に復号化し、
各々の信号を合成して逆変換するか若しくは各々の信号を逆変換して合成する合成逆変換をする
ことを特徴とする信号復号化方法。
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