JP4313993B2 - オーディオ復号化装置およびオーディオ復号化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少ない情報量の補助情報を付加することによって、狭帯域なオーディオ信号から広帯域なオーディオ信号を生成する帯域拡張システムに関わり、当該システムにおける再生信号の高品質化と低演算量化のための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な音響信号を、少ない情報量で符号化でき、かつ高品質な再生信号を得られる技術として、帯域分割符号化を利用する方法が広く知られている。これは、入力された音響信号を、帯域分割フィルタを用いて複数の周波数帯域の信号に分割するか、もしくはフーリエ変換等の時間−周波数変換を用いて周波数軸の信号に変換した後、周波軸上で複数の帯域に分割した上で、分割された各帯域に適切な符号化ビット割当を行うことにより、実現されるものである。帯域分割符号化を用いることにより、少ない情報量の符号から高品質な再生信号を得られる理由は、符号化段階において人間の聴覚特性に基づいた処理を行うことができることにある。一般に、人間の聴覚は、１０ｋＨｚ程度以上の高い周波数の音に対しては感度が下がり、レベルの低い音は感知されにくくなる。また、周波数マスキングと呼ばれる現象も良く知られており、ある特定の周波数帯域に高いレベルの音が存在する場合、その周辺帯域のレベルの低い音は感知されにくくなる。このような、聴覚的な特性によって感知されにくい部分については、ビット割当を行って符号化を行っても再生信号の品質にはほとんど影響を及ぼさず、符号化の意味をなさない。逆に、聴覚的特性を考慮しないままこの部分に割り当てられていた符号化ビットを、他の聴覚的に敏感な部分に割当て直すことによって、聴覚的に敏感な部分を詳細に符号化し、再生信号の品質を向上することができる。このような帯域分割を利用した符号化の代表例としては、ＩＳＯ国際標準規格ＭＰＥＧ−４ ＡＡＣ（ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４９６−３）があり、９６ｋｂｐｓ程度のビットレートにおいて、１６ｋＨｚ以上の広帯域のステレオ信号を高品質に符号化することが可能である。
【０００３】
しかしながら、ビットレートを例えば４８ｋｂｐｓ程度に低下させた場合、高品質に符号化できる帯域は１０ｋＨｚ程度以下となり、聴感的にはこもった感じの音となる。このような帯域制限による音質劣化を補償する方法としては、例えば、ＥＴＳＩ（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）が勧告する「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｒａｄｉｏ Ｍｏｎｄｉａｌｅ（ＤＲＭ）；Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ９８０）に記載される、ＳＢＲ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｂａｎｄ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる技術がある。
【０００４】
図７はＳＢＲによる帯域拡張を行うデコーダの一例を示す図である。以降、図を参照しながら、その動作を説明する。入力ビットストリーム７０６は、ビットストリーム分離手段７０１において、低域成分情報７０７、高域成分情報７０８、および正弦波付加情報７０９に分離される。低域成分情報７０７は、例えばＭＰＥＧ−４ ＡＡＣ等の符号化方式を用いて符号化された情報であり、低域復号手段７０２において復号され、低域成分を表す時間信号が生成される。生成された低域成分を表す時間信号は、分析フィルタバンク７０３において複数（Ｍ個）のサブバンドに分割され、帯域拡張手段７０４に入力される。帯域拡張手段７０４は、低域成分を表す低域サブバンド信号を高域のサブバンドにコピーすることによって、帯域制限によって失われた高域成分を補償する。ここで、帯域拡張手段７０４に入力される高域成分情報７０８には、補償される高域サブバンドに対するゲイン情報が含まれており、生成された高域サブバンドごとにゲインが調整される。また、正弦波付加情報７０９にしたがって、各高域サブバンドに対して、ゲイン制御された正弦波が加算される。帯域拡張手段７０４において生成された高域サブバンド信号は、低域サブバンド信号と共に合成フィルタバンク７０５に入力されて帯域合成され、出力信号７１０が生成される。このとき、合成フィルタバンク側のサブバンド数は、分析フィルタ側のサブバンド数と一致していなくても良い。例えば、図７においてＮ＝２Ｍの関係が成り立つとすれば、出力信号のサンプリング周波数は、分析フィルタバンクに入力される時間信号のサンプリング周波数に対して２倍となる。
【０００５】
上記の構成では、高域成分情報７０８もしくは正弦波付加情報７０９に含まれる情報は、ゲイン制御に関わる情報のみであるので、スペクトル情報を含む低域成分情報７０７と比較して非常に少ない情報量しか必要としない。したがって、低ビットレートにおいて広帯域の信号を符号化するのに適した方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成においては、特に正弦波を付加する場合においてサブバンドフィルタに起因する制限を受ける。たとえば、高域サブバンドに正弦波を付加する際に、隣接するサブバンドフィルターとの境界に相当するような周波数に正弦波を付加する場合は、隣接する２つのサブバンドに対して、正弦波成分を追加しなくてはならず、かつ、その正弦波成分に対する振幅値や位相は相互に影響するので、それを導出するのに多くの計算量が必要となることが予想される。よって、実際には、各サブバンドの中心周波数に正弦波を注入することが拘束条件となってしまい、入力信号に忠実な再生音を得ることが困難である。また、本発明の対象とする帯域拡張システムにおいては、正弦波を付加する高域成分の信号は、その位相成分を詳細に符号化して情報転送すると、多くの情報量を必要とするので、情報量削減の意味から位相成分は一般的に符号化されない。したがって、復号化側では位相成分は未知であり、そのエネルギーのみから復号処理をおこなう必要がある。その場合、複素数係数のサブバンドフィルターを用いて信号の位相を考慮するのが一般であるが、演算量削減のために実数係数のサブバンドフィルタを用いることも可能である。しかしながら、実数係数のサブバンドフィルタにおける位相の制御は、複素数係数のサブバンドフィルターにおける制御と比較して困難である。
【０００７】
本発明では、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、正弦波付加を時間領域の信号に対して行うように構成することによって、サブバンドフィルタに起因する正弦波周波数の制限や位相に関わる問題を解決し、できるだけ入力信号に忠実な信号の復号を可能にする復号化方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離手段と、分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化手段と、復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタと、低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張手段と、低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタと、分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成手段と、前記正弦波生成手段から生成される正弦波の周波数を、復号された低域時間信号の周波数の整数倍になるように調整する周波数調整手段と、前記合成フィルタバンクから得られた時間領域信号と前記正弦波生成手段から得られた正弦波を合成して出力オーディオ信号を得る時間信号合成手段とを設けるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態関わるオーディオ復号化方法は、定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離手段と、分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化手段と、復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタと、低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張手段と、低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタと、分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成手段と、複数の時間領域の信号を合成する時間信号合成手段とを設け、前記合成フィルタバンクから得られた時間領域の信号と正弦波生成手段から得られた正弦波を合成するようにした構成である。
【００１０】
本発明の第２の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法は、本発明の第１の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法に対して、低域復号化手段から得られた低域時間信号を分析し、信号の周期性およびその周波数を検出する周期性分析手段と、検出された周波数に基づいて、正弦波生成手段を制御する周波数調整手段とを備え、低域時間信号の特性に従って、生成される正弦波の周波数を適応的に制御するようにした構成である。
【００１１】
本発明の第３の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法は、本発明の第１の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法に対して、前記低域時間信号を分析し、信号の変化を検出する信号変化検出手段を設け、低域時間信号の特性に従って、生成される正弦波の振幅制御位置を適応的に制御するようにした構成である。
【００１２】
以下、本発明の実施の形態におけるオーディオ復号化方法について、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における復号化方法を示す構成図である。先に説明した図７に示される従来例と異なる点は、従来例においては正弦波付加情報７０９が帯域拡張手段７０４に直接入力され、サブバンド信号に対して正弦波付加処理が行われていたのに対して、本発明の実施の形態では、時間領域正弦波生成手段１０６を設け、正弦波付加情報１１２にしたがって時間領域の正弦波信号１１４を生成し、合成フィルタバンク１０５から出力された時間領域合成信号１１６と加算するように構成されていることである。
【００１３】
入力ビットストリーム１０９は、ビットストリーム分離手段１０１において、低域成分情報１１０、高域成分情報１１１、および正弦波付加情報１１２に分離される。低域成分情報１１０は、例えばＭＰＥＧ−４ ＡＡＣ等の符号化方式を用いて符号化された情報であり、低域復号手段１０２において復号され、低域成分を表す時間信号が生成される。生成された低域成分を表す時間信号は、分析フィルタバンク１０３において複数（Ｍ個）のサブバンドに分割され、帯域拡張手段１０４に入力される。帯域拡張手段１０４は、低域成分を表す低域サブバンド信号を高域のサブバンドにコピーすることによって、帯域制限によって失われた高域成分を補償する。ここで、帯域拡張手段１０４に入力される高域成分情報１１１には、補償される高域サブバンドに対するゲイン情報が含まれており、生成された高域サブバンドごとにゲインが調整される。帯域拡張手段１０４において生成された高域サブバンド信号は、低域サブバンド信号と共に合成フィルタバンク１０５に入力されて帯域合成され、時間領域合成信号１１６が生成される。また、時間領域正弦波生成手段１０６は、入力された正弦波付加情報１１２に基づいて、正弦波調整手段１０７において生成する正弦波の特性を調整するパラメータを生成した後、正弦波生成手段１０８において、所望の正弦波を生成し、時間領域正弦波信号１１４として出力する。時間領域合成信号１１６と、時間領域正弦波信号１１４は時間信号として合成され、出力信号１１５となる。
【００１４】
ここで、時間領域正弦波生成手段１０６の構成および動作を詳しく説明する。図２は時間領域正弦波生成手段１０６の構成を示す図である。正弦波調整手段１０７は、振幅調整手段２０１、タイミング調整手段２０２および概形生成手段２０４より構成される。振幅調整手段２０１は、正弦波付加情報２０５を参照して、生成される正弦波の振幅を制御する振幅情報２０７を出力する。同様に、タイミング調整手段２０２は、正弦波付加情報２０５を参照して、生成される正弦波の変化のタイミングを制御するタイミング情報２０８を出力する。続いて、概形生成手段２０４は、振幅情報２０７とタイミング情報２０８から、正弦波の概形を生成する。図３は、生成された正弦波の概形を表す図である。通常、正弦波の概形はある時刻を示すタイミング情報ｔと、対応する振幅情報Ａの組み合わせにより、（ａ）に示される補間前の概形３０１のような階段状の形状となる。正弦波付加情報２０５に含まれる正弦波の周波数情報２０６に基づいて、正弦波生成手段２０３において生成された振幅一定の正弦波に対して、前記概形を適用することにより、所望の時間振幅特性を有する時間領域の正弦波２０９を生成することができる。
【００１５】
このような構成とすることにより、サブバンドフィルタによる正弦波の周波数に対する制限を受けずに、付加する正弦波の周波数を設定することができるので、より入力信号に近い高品質な出力信号を得ることができる。また、付加する正弦波は、時間信号として生成されるので、位相の制御も容易である。
【００１６】
なお、正弦波付加情報に複数の正弦波を付加する情報が含まれている場合には、複数の周波数の正弦波を順次生成し、それぞれの正弦波に対して、対応する概形を適応した後、全ての正弦波を合成すればよい。対応する概形は、全ての正弦波に対して同一であっても良いし、それぞれに異なる形状であっても良い。
【００１７】
また、概形生成手段２０４における正弦波の概形生成にあたっては、隣接フレーム間の振幅情報を用いて補間処理を行うことにより、信号の急激な変化を抑制し、音質を向上させることができる。図３の（ｂ）に示される補間後の概形では、（ａ）に示される補間前の概形３０１に存在する振幅が急激に変化する点が無いため、出力信号の音量が滑らかに変化し聴感上の音質が向上する。同様の処理は、従来のサブバンド信号に対する正弦波付加においても可能であるが、この場合、振幅を制御できる時間方向の単位はサブサンプル（サブバンド信号におけるサンプル）単位であり、補間精度は低下することになる。本構成では、出力信号のサンプル単位での補間が可能であり、より高品質な出力信号を得ることができる。
【００１８】
また、隣接フレーム間の補間としては、周波数の補間も可能である。振幅情報と同様に出力信号のサンプル単位での補間が可能であり、付加される正弦波の周波数を滑らかに変化させることにより、より高音質な出力信号を得ることができる。
【００１９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における復号化方法を示す構成図である。実施の形態２の構成は、図２に示される実施の形態１の時間領域正弦波生成手段において、周波数分析手段４１０と周波数調整手段４１１を設け、周波数分析手段４１０において低域時間信号４１２を分析し、分析結果に基づいて、周波数調整手段４１１において、生成する正弦波の周波数を適応的に制御するようにした構成である。低域時間信号４１２としては、例えば図１の低域復号手段１０２の出力を使用する。
【００２０】
ここで、低域時間信号の周波数を分析し、その結果に基づいて生成する正弦波の周波数を制御する理由を説明する。図５は、オーディオ信号のスペクトル分布を示す図である。入力ビットストリームに含まれる情報のうち、オーディオ信号のスペクトルの符号化情報を保持しているのは低域成分情報のみであり、低域成分の符号化にあたっては、５０１で示される帯域制限が適用されている。したがって、低域復号手段から出力された低域時間信号には、帯域制限５０１の範囲内のスペクトルしか含まれないことになる。正弦波付加処理においては、帯域制限５０１の範囲を超える高い周波数に正弦波を付加することによって、復号されるオーディオ信号の帯域幅を拡張するが、通常、付加される正弦波は、ある基本周波数を持つ基本波５０２の整数倍の周波数を持つ高調波５０３である。これは、一般に符号化されるオーディオ信号の多くが、複数の高調波の集合により構成されているという事実に基づいている。したがって、正弦波付加情報４０５には、基本波５０２の整数倍を正しく表す周波数情報を含める必要があるが、そのためには、多くの情報量を割り当てる必要があるため、本発明が対象とするような低いビットレートにおいては、近似値となる周波数情報しか割り当てることができない。これにより、付加される正弦波の周波数は、整数倍高調波５０３と異なることとなり、復号されるオーディオ信号の品質の低下につながっていた。これに対し、本発明の実施の形態では、周波数分析手段４１０において低域時間信号４１２を分析し、分析された基本周波数に基づいて、周波数調整手段４１１において、生成される正弦波の周波数を、基本周波数の整数倍になるように制御するので、付加される正弦波の周波数と、整数倍高調波５０３のずれが解消されるので、より入力信号に忠実な出力信号を得ることができる。
【００２１】
なお、周波数分析手段４１０においては、分析された基本周波数の強度情報等に基づいて、周波数調整手段４１１での周波数の適応制御を行うか行わないかを切り替えるように構成することも可能である。
【００２２】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３おける復号化方法を示す構成図である。実施の形態３の構成は、図２に示される実施の形態１の時間領域正弦波生成手段において、信号変化検出手段６１１を設け、信号変化検出手段６１１において低域時間信号６１０を分析し、分析結果に基づいて、タイミング調整手段６０２において、生成する正弦波の振幅制御位置を適応的に制御するようにした構成である。低域時間信号６１０としては、例えば、図１の低域復号手段１０２の出力を使用する。
【００２３】
ここで、低域時間信号の変化を分析し、その結果に基づいて生成する正弦波の振幅制御位置を制御する理由を説明する。付加される正弦波の振幅は、図３に示されるようにある時間位置ｔにおける振幅情報として与えられる。入力信号をできるだけ忠実に表現するためには、振幅調整位置をできるだけ多く設定する必要があるが、本発明の復号化装置が対象とするような低いビットレートにおいては、情報量削減のため、少数の振幅調整位置しか設置することができない。また、振幅調整位置はあらかじめ定められた複数の候補点からしか選択できない。このため、実際の入力信号の変化点と振幅調整位置にずれが生じ、復号されるオーディオ信号の品質の低下につながっていた。これに対し、本発明の実施の形態では、信号変化検出手段６１１において低域時間信号６１０を分析し、信号の変化点を検出して、その位置情報に基づいて正弦波の振幅調整位置を適応的に制御するので、入力信号の変化点と振幅調整位置のずれが解消し、より入力信号に忠実な出力信号を得ることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態の正弦波の振幅調整位置制御は、図1に示す帯域拡張手段１０４における高域信号生成に対しても適用が可能である。高域信号の振幅は、正弦波信号と同様に、ある時間位置ｔにおける振幅情報として与えられるので、低域信号を分析して得られた変化点の位置情報に基づいて、振幅調整位置を適応的に制御することにより、入力信号の変化点と振幅調整位置のずれを解消し、より入力信号に忠実な出力信号を得ることができる。
【００２５】
なお、前記本実施の形態１から３においては、正弦波付加情報に基づく正弦波の生成方法および合成方法を説明したが、正弦波の代わりに周期性を持つどのような波形の信号を用いてもよい。時間領域信号に対する処理として実現するため、使用する波形の周波数スペクトル分布に影響される事無く、本実施の形態と同様な構成により実現することが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、正弦波付加を時間領域の信号に対して行うように構成することによって、サブバンドフィルタに起因する正弦波周波数の制限や位相に関わる問題を解決し、より入力信号に忠実な高品質なオーディオ信号の復号が可能となる。
また、本発明によれば、低域時間信号の分析結果に基づいて、付加する正弦波の周波数を適応的に制御することによって、より入力信号に忠実な高品質なオーディオ信号の復号が可能となる。
また、本発明によれば、低域時間信号の分析結果に基づいて、付加する正弦波の振幅制御位置を適応的に制御することによって、より入力信号に忠実な高品質なオーディオ信号の復号が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオーディオ復号化装置の構成の一例を示す図
【図２】本発明の時間領域正弦波生成手段の一例を示す図
【図３】基本波と高調波の関係を示す図
【図４】本発明の時間領域正弦波生成手段の一例を示す図
【図５】振幅調整のための正弦波の概形を示す図
【図６】本発明の時間領域正弦波生成手段の一例を示す図
【図７】従来のオーディオ復号化装置の一例を示す図
【符号の説明】
１０１ ビットストリーム分離手段
１０２ 低域復号手段
１０３ 分析フィルタバンク
１０４ 帯域拡張手段
１０５ 合成フィルタバンク
１０６ 時間領域正弦波生成手段
１０７ 正弦波調整手段
１０８ 正弦波生成手段
１０９ ビットストリーム
１１０ 低域成分情報
１１１ 高域成分情報
１１２ 正弦波付加情報
１１３ 正弦波調整情報
１１４ 時間領域正弦波信号
１１５ 出力信号
１１６ 時間領域合成信号
２０１、４０１、６０１ 振幅調整手段
２０２、４０２、６０２ タイミング調整手段
２０３、４０３、６０３ 正弦波生成手段
２０４、４０４、６０４ 概形生成手段
２０５、４０５、６０５ 正弦波付加情報
２０６、４０６、６０６ 周波数情報
２０７、４０７、６０７ 振幅情報
２０８、４０８、６０８ タイミング情報
２０９、４０９、６０９ 時間領域正弦波信号
３０１ 補間前の概形
３０２ 補間後の概形
４１０ 周波数分析手段
４１１ 周波数調整手段
４１２ 低域時間信号
５０１ 帯域制限
５０２ 基本波
５０３ 高調波
５０４ 整数倍の関係
６１０ 低域時間信号
６１１ 信号変化検出手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、少ない情報量の補助情報を付加することによって、狭帯域なオーディオ信号から広帯域なオーディオ信号を生成する帯域拡張システムに関わり、当該システムにおける再生信号の高品質化と低演算量化のための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な音響信号を、少ない情報量で符号化でき、かつ高品質な再生信号を得られる技術として、帯域分割符号化を利用する方法が広く知られている。これは、入力された音響信号を、帯域分割フィルタを用いて複数の周波数帯域の信号に分割するか、もしくはフーリエ変換等の時間−周波数変換を用いて周波数軸の信号に変換した後、周波軸上で複数の帯域に分割した上で、分割された各帯域に適切な符号化ビット割当を行うことにより、実現されるものである。帯域分割符号化を用いることにより、少ない情報量の符号から高品質な再生信号を得られる理由は、符号化段階において人間の聴覚特性に基づいた処理を行うことができることにある。一般に、人間の聴覚は、１０ｋＨｚ程度以上の高い周波数の音に対しては感度が下がり、レベルの低い音は感知されにくくなる。また、周波数マスキングと呼ばれる現象も良く知られており、ある特定の周波数帯域に高いレベルの音が存在する場合、その周辺帯域のレベルの低い音は感知されにくくなる。このような、聴覚的な特性によって感知されにくい部分については、ビット割当を行って符号化を行っても再生信号の品質にはほとんど影響を及ぼさず、符号化の意味をなさない。逆に、聴覚的特性を考慮しないままこの部分に割り当てられていた符号化ビットを、他の聴覚的に敏感な部分に割当て直すことによって、聴覚的に敏感な部分を詳細に符号化し、再生信号の品質を向上することができる。このような帯域分割を利用した符号化の代表例としては、ＩＳＯ国際標準規格ＭＰＥＧ−４ ＡＡＣ（ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４９６−３）があり、９６ｋｂｐｓ程度のビットレートにおいて、１６ｋＨｚ以上の広帯域のステレオ信号を高品質に符号化することが可能である。
【０００３】
しかしながら、ビットレートを例えば４８ｋｂｐｓ程度に低下させた場合、高品質に符号化できる帯域は１０ｋＨｚ程度以下となり、聴感的にはこもった感じの音となる。このような帯域制限による音質劣化を補償する方法としては、例えば、ＥＴＳＩ（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）が勧告する「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｒａｄｉｏ Ｍｏｎｄｉａｌｅ（ＤＲＭ）；Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ９８０）に記載される、ＳＢＲ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｂａｎｄ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる技術がある。
【０００４】
図７はＳＢＲによる帯域拡張を行うデコーダの一例を示す図である。以降、図を参照しながら、その動作を説明する。入力ビットストリーム７０６は、ビットストリーム分離手段７０１において、低域成分情報７０７、高域成分情報７０８、および正弦波付加情報７０９に分離される。低域成分情報７０７は、例えばＭＰＥＧ−４ ＡＡＣ等の符号化方式を用いて符号化された情報であり、低域復号手段７０２において復号され、低域成分を表す時間信号が生成される。生成された低域成分を表す時間信号は、分析フィルタバンク７０３において複数（Ｍ個）のサブバンドに分割され、帯域拡張手段７０４に入力される。帯域拡張手段７０４は、低域成分を表す低域サブバンド信号を高域のサブバンドにコピーすることによって、帯域制限によって失われた高域成分を補償する。ここで、帯域拡張手段７０４に入力される高域成分情報７０８には、補償される高域サブバンドに対するゲイン情報が含まれており、生成された高域サブバンドごとにゲインが調整される。また、正弦波付加情報７０９にしたがって、各高域サブバンドに対して、ゲイン制御された正弦波が加算される。帯域拡張手段７０４において生成された高域サブバンド信号は、低域サブバンド信号と共に合成フィルタバンク７０５に入力されて帯域合成され、出力信号７１０が生成される。このとき、合成フィルタバンク側のサブバンド数は、分析フィルタ側のサブバンド数と一致していなくても良い。例えば、図７においてＮ＝２Ｍの関係が成り立つとすれば、出力信号のサンプリング周波数は、分析フィルタバンクに入力される時間信号のサンプリング周波数に対して２倍となる。
【０００５】
上記の構成では、高域成分情報７０８もしくは正弦波付加情報７０９に含まれる情報は、ゲイン制御に関わる情報のみであるので、スペクトル情報を含む低域成分情報７０７と比較して非常に少ない情報量しか必要としない。したがって、低ビットレートにおいて広帯域の信号を符号化するのに適した方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成においては、特に正弦波を付加する場合においてサブバンドフィルタに起因する制限を受ける。たとえば、高域サブバンドに正弦波を付加する際に、隣接するサブバンドフィルターとの境界に相当するような周波数に正弦波を付加する場合は、隣接する２つのサブバンドに対して、正弦波成分を追加しなくてはならず、かつ、その正弦波成分に対する振幅値や位相は相互に影響するので、それを導出するのに多くの計算量が必要となることが予想される。よって、実際には、各サブバンドの中心周波数に正弦波を注入することが拘束条件となってしまい、入力信号に忠実な再生音を得ることが困難である。また、本発明の対象とする帯域拡張システムにおいては、正弦波を付加する高域成分の信号は、その位相成分を詳細に符号化して情報転送すると、多くの情報量を必要とするので、情報量削減の意味から位相成分は一般的に符号化されない。したがって、復号化側では位相成分は未知であり、そのエネルギーのみから復号処理をおこなう必要がある。その場合、複素数係数のサブバンドフィルターを用いて信号の位相を考慮するのが一般であるが、演算量削減のために実数係数のサブバンドフィルタを用いることも可能である。しかしながら、実数係数のサブバンドフィルタにおける位相の制御は、複素数係数のサブバンドフィルターにおける制御と比較して困難である。
【０００７】
本発明では、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、正弦波付加を時間領域の信号に対して行うように構成することによって、サブバンドフィルタに起因する正弦波周波数の制限や位相に関わる問題を解決し、できるだけ入力信号に忠実な信号の復号を可能にする復号化方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離手段と、分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化手段と、復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタと、低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張手段と、低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタと、分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成手段と、前記正弦波生成手段から生成される正弦波の周波数を、復号された低域時間信号の周波数の整数倍になるように調整する周波数調整手段と、前記合成フィルタバンクから得られた時間領域信号と前記正弦波生成手段から得られた正弦波を合成して出力オーディオ信号を得る時間信号合成手段とを設けるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態関わるオーディオ復号化方法は、定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離手段と、分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化手段と、復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタと、低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張手段と、低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタと、分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成手段と、複数の時間領域の信号を合成する時間信号合成手段とを設け、前記合成フィルタバンクから得られた時間領域の信号と正弦波生成手段から得られた正弦波を合成するようにした構成である。
【００１０】
本発明の第２の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法は、本発明の第１の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法に対して、低域復号化手段から得られた低域時間信号を分析し、信号の周期性およびその周波数を検出する周期性分析手段と、検出された周波数に基づいて、正弦波生成手段を制御する周波数調整手段とを備え、低域時間信号の特性に従って、生成される正弦波の周波数を適応的に制御するようにした構成である。
【００１１】
本発明の第３の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法は、本発明の第１の実施の形態に関わるオーディオ復号化方法に対して、前記低域時間信号を分析し、信号の変化を検出する信号変化検出手段を設け、低域時間信号の特性に従って、生成される正弦波の振幅制御位置を適応的に制御するようにした構成である。
【００１２】
以下、本発明の実施の形態におけるオーディオ復号化方法について、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における復号化方法を示す構成図である。先に説明した図７に示される従来例と異なる点は、従来例においては正弦波付加情報７０９が帯域拡張手段７０４に直接入力され、サブバンド信号に対して正弦波付加処理が行われていたのに対して、本発明の実施の形態では、時間領域正弦波生成手段１０６を設け、正弦波付加情報１１２にしたがって時間領域の正弦波信号１１４を生成し、合成フィルタバンク１０５から出力された時間領域合成信号１１６と加算するように構成されていることである。
【００１３】
入力ビットストリーム１０９は、ビットストリーム分離手段１０１において、低域成分情報１１０、高域成分情報１１１、および正弦波付加情報１１２に分離される。低域成分情報１１０は、例えばＭＰＥＧ−４ ＡＡＣ等の符号化方式を用いて符号化された情報であり、低域復号手段１０２において復号され、低域成分を表す時間信号が生成される。生成された低域成分を表す時間信号は、分析フィルタバンク１０３において複数（Ｍ個）のサブバンドに分割され、帯域拡張手段１０４に入力される。帯域拡張手段１０４は、低域成分を表す低域サブバンド信号を高域のサブバンドにコピーすることによって、帯域制限によって失われた高域成分を補償する。ここで、帯域拡張手段１０４に入力される高域成分情報１１１には、補償される高域サブバンドに対するゲイン情報が含まれており、生成された高域サブバンドごとにゲインが調整される。帯域拡張手段１０４において生成された高域サブバンド信号は、低域サブバンド信号と共に合成フィルタバンク１０５に入力されて帯域合成され、時間領域合成信号１１６が生成される。また、時間領域正弦波生成手段１０６は、入力された正弦波付加情報１１２に基づいて、正弦波調整手段１０７において生成する正弦波の特性を調整するパラメータを生成した後、正弦波生成手段１０８において、所望の正弦波を生成し、時間領域正弦波信号１１４として出力する。時間領域合成信号１１６と、時間領域正弦波信号１１４は時間信号として合成され、出力信号１１５となる。
【００１４】
ここで、時間領域正弦波生成手段１０６の構成および動作を詳しく説明する。図２は時間領域正弦波生成手段１０６の構成を示す図である。正弦波調整手段１０７は、振幅調整手段２０１、タイミング調整手段２０２および概形生成手段２０４より構成される。振幅調整手段２０１は、正弦波付加情報２０５を参照して、生成される正弦波の振幅を制御する振幅情報２０７を出力する。同様に、タイミング調整手段２０２は、正弦波付加情報２０５を参照して、生成される正弦波の変化のタイミングを制御するタイミング情報２０８を出力する。続いて、概形生成手段２０４は、振幅情報２０７とタイミング情報２０８から、正弦波の概形を生成する。図３は、生成された正弦波の概形を表す図である。通常、正弦波の概形はある時刻を示すタイミング情報ｔと、対応する振幅情報Ａの組み合わせにより、（ａ）に示される補間前の概形３０１のような階段状の形状となる。正弦波付加情報２０５に含まれる正弦波の周波数情報２０６に基づいて、正弦波生成手段２０３において生成された振幅一定の正弦波に対して、前記概形を適用することにより、所望の時間振幅特性を有する時間領域の正弦波２０９を生成することができる。
【００１５】
このような構成とすることにより、サブバンドフィルタによる正弦波の周波数に対する制限を受けずに、付加する正弦波の周波数を設定することができるので、より入力信号に近い高品質な出力信号を得ることができる。また、付加する正弦波は、時間信号として生成されるので、位相の制御も容易である。
【００１６】
なお、正弦波付加情報に複数の正弦波を付加する情報が含まれている場合には、複数の周波数の正弦波を順次生成し、それぞれの正弦波に対して、対応する概形を適応した後、全ての正弦波を合成すればよい。対応する概形は、全ての正弦波に対して同一であっても良いし、それぞれに異なる形状であっても良い。
【００１７】
また、概形生成手段２０４における正弦波の概形生成にあたっては、隣接フレーム間の振幅情報を用いて補間処理を行うことにより、信号の急激な変化を抑制し、音質を向上させることができる。図３の（ｂ）に示される補間後の概形では、（ａ）に示される補間前の概形３０１に存在する振幅が急激に変化する点が無いため、出力信号の音量が滑らかに変化し聴感上の音質が向上する。同様の処理は、従来のサブバンド信号に対する正弦波付加においても可能であるが、この場合、振幅を制御できる時間方向の単位はサブサンプル（サブバンド信号におけるサンプル）単位であり、補間精度は低下することになる。本構成では、出力信号のサンプル単位での補間が可能であり、より高品質な出力信号を得ることができる。
【００１８】
また、隣接フレーム間の補間としては、周波数の補間も可能である。振幅情報と同様に出力信号のサンプル単位での補間が可能であり、付加される正弦波の周波数を滑らかに変化させることにより、より高音質な出力信号を得ることができる。
【００１９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における復号化方法を示す構成図である。実施の形態２の構成は、図２に示される実施の形態１の時間領域正弦波生成手段において、周波数分析手段４１０と周波数調整手段４１１を設け、周波数分析手段４１０において低域時間信号４１２を分析し、分析結果に基づいて、周波数調整手段４１１において、生成する正弦波の周波数を適応的に制御するようにした構成である。低域時間信号４１２としては、例えば図１の低域復号手段１０２の出力を使用する。
【００２０】
ここで、低域時間信号の周波数を分析し、その結果に基づいて生成する正弦波の周波数を制御する理由を説明する。図５は、オーディオ信号のスペクトル分布を示す図である。入力ビットストリームに含まれる情報のうち、オーディオ信号のスペクトルの符号化情報を保持しているのは低域成分情報のみであり、低域成分の符号化にあたっては、５０１で示される帯域制限が適用されている。したがって、低域復号手段から出力された低域時間信号には、帯域制限５０１の範囲内のスペクトルしか含まれないことになる。正弦波付加処理においては、帯域制限５０１の範囲を超える高い周波数に正弦波を付加することによって、復号されるオーディオ信号の帯域幅を拡張するが、通常、付加される正弦波は、ある基本周波数を持つ基本波５０２の整数倍の周波数を持つ高調波５０３である。これは、一般に符号化されるオーディオ信号の多くが、複数の高調波の集合により構成されているという事実に基づいている。したがって、正弦波付加情報４０５には、基本波５０２の整数倍を正しく表す周波数情報を含める必要があるが、そのためには、多くの情報量を割り当てる必要があるため、本発明が対象とするような低いビットレートにおいては、近似値となる周波数情報しか割り当てることができない。これにより、付加される正弦波の周波数は、整数倍高調波５０３と異なることとなり、復号されるオーディオ信号の品質の低下につながっていた。これに対し、本発明の実施の形態では、周波数分析手段４１０において低域時間信号４１２を分析し、分析された基本周波数に基づいて、周波数調整手段４１１において、生成される正弦波の周波数を、基本周波数の整数倍になるように制御するので、付加される正弦波の周波数と、整数倍高調波５０３のずれが解消されるので、より入力信号に忠実な出力信号を得ることができる。
【００２１】
なお、周波数分析手段４１０においては、分析された基本周波数の強度情報等に基づいて、周波数調整手段４１１での周波数の適応制御を行うか行わないかを切り替えるように構成することも可能である。
【００２２】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３おける復号化方法を示す構成図である。実施の形態３の構成は、図２に示される実施の形態１の時間領域正弦波生成手段において、信号変化検出手段６１１を設け、信号変化検出手段６１１において低域時間信号６１０を分析し、分析結果に基づいて、タイミング調整手段６０２において、生成する正弦波の振幅制御位置を適応的に制御するようにした構成である。低域時間信号６１０としては、例えば、図１の低域復号手段１０２の出力を使用する。
【００２３】
ここで、低域時間信号の変化を分析し、その結果に基づいて生成する正弦波の振幅制御位置を制御する理由を説明する。付加される正弦波の振幅は、図３に示されるようにある時間位置ｔにおける振幅情報として与えられる。入力信号をできるだけ忠実に表現するためには、振幅調整位置をできるだけ多く設定する必要があるが、本発明の復号化装置が対象とするような低いビットレートにおいては、情報量削減のため、少数の振幅調整位置しか設置することができない。また、振幅調整位置はあらかじめ定められた複数の候補点からしか選択できない。このため、実際の入力信号の変化点と振幅調整位置にずれが生じ、復号されるオーディオ信号の品質の低下につながっていた。これに対し、本発明の実施の形態では、信号変化検出手段６１１において低域時間信号６１０を分析し、信号の変化点を検出して、その位置情報に基づいて正弦波の振幅調整位置を適応的に制御するので、入力信号の変化点と振幅調整位置のずれが解消し、より入力信号に忠実な出力信号を得ることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態の正弦波の振幅調整位置制御は、図1に示す帯域拡張手段１０４における高域信号生成に対しても適用が可能である。高域信号の振幅は、正弦波信号と同様に、ある時間位置ｔにおける振幅情報として与えられるので、低域信号を分析して得られた変化点の位置情報に基づいて、振幅調整位置を適応的に制御することにより、入力信号の変化点と振幅調整位置のずれを解消し、より入力信号に忠実な出力信号を得ることができる。
【００２５】
なお、前記本実施の形態１から３においては、正弦波付加情報に基づく正弦波の生成方法および合成方法を説明したが、正弦波の代わりに周期性を持つどのような波形の信号を用いてもよい。時間領域信号に対する処理として実現するため、使用する波形の周波数スペクトル分布に影響される事無く、本実施の形態と同様な構成により実現することが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、正弦波付加を時間領域の信号に対して行うように構成することによって、サブバンドフィルタに起因する正弦波周波数の制限や位相に関わる問題を解決し、より入力信号に忠実な高品質なオーディオ信号の復号が可能となる。
また、本発明によれば、低域時間信号の分析結果に基づいて、付加する正弦波の周波数を適応的に制御することによって、より入力信号に忠実な高品質なオーディオ信号の復号が可能となる。
また、本発明によれば、低域時間信号の分析結果に基づいて、付加する正弦波の振幅制御位置を適応的に制御することによって、より入力信号に忠実な高品質なオーディオ信号の復号が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオーディオ復号化装置の構成の一例を示す図
【図２】本発明の時間領域正弦波生成手段の一例を示す図
【図３】基本波と高調波の関係を示す図
【図４】本発明の時間領域正弦波生成手段の一例を示す図
【図５】振幅調整のための正弦波の概形を示す図
【図６】本発明の時間領域正弦波生成手段の一例を示す図
【図７】従来のオーディオ復号化装置の一例を示す図
【符号の説明】
１０１ ビットストリーム分離手段
１０２ 低域復号手段
１０３ 分析フィルタバンク
１０４ 帯域拡張手段
１０５ 合成フィルタバンク
１０６ 時間領域正弦波生成手段
１０７ 正弦波調整手段
１０８ 正弦波生成手段
１０９ ビットストリーム
１１０ 低域成分情報
１１１ 高域成分情報
１１２ 正弦波付加情報
１１３ 正弦波調整情報
１１４ 時間領域正弦波信号
１１５ 出力信号
１１６ 時間領域合成信号
２０１、４０１、６０１ 振幅調整手段
２０２、４０２、６０２ タイミング調整手段
２０３、４０３、６０３ 正弦波生成手段
２０４、４０４、６０４ 概形生成手段
２０５、４０５、６０５ 正弦波付加情報
２０６、４０６、６０６ 周波数情報
２０７、４０７、６０７ 振幅情報
２０８、４０８、６０８ タイミング情報
２０９、４０９、６０９ 時間領域正弦波信号
３０１ 補間前の概形
３０２ 補間後の概形
４１０ 周波数分析手段
４１１ 周波数調整手段
４１２ 低域時間信号
５０１ 帯域制限
５０２ 基本波
５０３ 高調波
５０４ 整数倍の関係
６１０ 低域時間信号
６１１ 信号変化検出手段
Claims (6)
- 定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離手段と、
分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化手段と、
復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタと、
低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張手段と、
低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタと、
分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成手段と、
前記正弦波生成手段から生成される正弦波の周波数を、復号された低域時間信号の周波数の整数倍になるように調整する周波数調整手段と、
前記合成フィルタバンクから得られた時間領域信号と前記正弦波生成手段から得られた正弦波を合成して出力オーディオ信号を得る時間信号合成手段と
を備えることを特徴とするオーディオ復号化装置。 - 定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離手段と、
分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化手段と、
復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタと、
低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張手段と、
低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタと、
分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成手段と、
前記正弦波生成手段から生成される正弦波の振幅変化位置を、復号された低域時間信号の変化位置に基づいて調整するタイミング調整手段と、
前記合成フィルタバンクから得られた時間領域信号と前記正弦波生成手段から得られた正弦波を合成して出力オーディオ信号を得る時間信号合成手段と
を備えることを特徴とするオーディオ復号化装置。 - 定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離処理手順と、
分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化処理手順と、
復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタ処理手順と、
低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張処理手順と、
低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタ処理手順と、
分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成処理手順と、
前記正弦波生成処理手順にて生成される正弦波の周波数を、復号された低域時間信号の周波数の整数倍になるように調整する周波数調整処理手順と、
前記合成フィルタバンク処理手順から得られた時間領域信号と前記正弦波生成処理手順にて得られた正弦波を合成して出力オーディオ信号を得る時間信号合成処理手順と
を含むことを特徴とするオーディオ復号化方法。 - 定められた時間長のフレームに分割され、さらに複数のサブバンドに分割されて符号化されたオーディオ信号情報を多重化したビットストリームから、各符号化情報を分離するビットストリーム分離処理手順と、
分離された低域の符号化情報から低域成分を表す時間信号を復号する低域復号化処理手順と、
復号された低域時間信号を複数の低域サブバンド信号に分割する分析サブバンドフィルタ処理手順と、
低域サブバンド信号と分離された高域の符号化情報とから高域サブバンド信号を生成する帯域拡張処理手順と、
低域および高域サブバンド信号を合成して時間領域の信号を得る合成サブバンドフィルタ処理手順と、
分離された正弦波付加情報から所望の周波数および振幅特性の正弦波を表す時間領域の信号を生成する正弦波生成処理手順と、
前記正弦波生成処理手順にて生成される正弦波の振幅変化位置を、復号された低域時間信号の変化位置に基づいて調整するタイミング調整処理手順と、
前記合成フィルタバンク処理手順から得られた時間領域信号と前記正弦波生成処理手順にて得られた正弦波を合成して出力オーディオ信号を得る時間信号合成処理手順と
を含むことを特徴とするオーディオ復号化方法。 - 請求項３または４に記載のオーディオ復号化方法の各処理手順を、コンピュータに実行させるためのプログラム。
- 請求項３または４に記載のオーディオ復号化方法の各処理手順を、コンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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