JP6385936B2 - 音声符号化装置およびその方法 - Google Patents

Description

本開示は音声情報の効率的な圧縮符号化装置およびその方法に関し、より詳細には符号励振線形予測（CELP）型の音声符号化装置およびその方法に関するものである。

図７は、CELP型音声符号化装置を示すブロック図である。CELP型音声符号化装置１００は、適応符号帳１０１から出力される周期性成分を表す適応符号帳ベクトルｐに増幅器１０２で適応符号帳利得ｇ_ｐを乗じて得られるベクトルと、固定符号帳１０３から出力される非周期成分を表す固定符号帳ベクトルｃに増幅器１０４で固定符号帳利得ｇ_ｃを乗じて得られるベクトルと、を加算器１０５にて加算して駆動ベクトルである励振信号Ｅを生成する。そして、生成された励振信号Ｅで、入力音声信号を線形予測分析、および量子化して得られた線形予測係数で構成された合成フィルタ１０６を駆動して音声信号ベクトルである合成音声信号を生成する。

CELP型音声符号化装置１００では、生成される合成音声信号と入力音声信号との誤差を誤差算出器１０７で算出し、かかる誤差を最小とする適応符号帳ベクトル、適応符号帳利得、固定符号帳ベクトル、固定符号帳利得をパラメータ量子化部１０８で特定することによって符号化が行われる（合成による分析）。生成される合成音声信号と前記入力音声信号との誤差の最小化は、聴感上の歪を最小化するため、聴覚重み付けフィルタ１０９で聴覚重み付けを行ったうえで行われる。

通常、パラメータ量子化部１０８で行われる誤差の最小化は、まず適応符号帳探索部１１０で適応符号帳ベクトルを特定してから、固定符号帳探索部１１１で固定符号帳ベクトルを特定する、というように逐次的に行われる。また、ゲイン符号帳探索部１１２で適応符号帳利得と固定符号帳利得を特定する。ここで、一般的に、適応符号帳ベクトルを特定する処理は適応符号帳探索（adaptive codebook search）と呼ばれ、固定符号帳ベクトルを特定する処理は固定符号帳探索と呼ばれている。この場合、固定符号帳ベクトルとの組み合わせを考慮せずに先ず適応符号帳ベクトルを特定してしまうため、得られた適応符号帳ベクトルと固定符号帳ベクトルとの組み合わせは必ずしも最適解ではない。

固定符号帳の探索には、非直交化探索と直交化探索の２種類が知られている。非直交化探索では適応符号帳ベクトルと適応符号帳利得を固定して固定符号帳の探索が行われるのに対して、直交化探索では適応符号帳ベクトルのみを固定して固定符号帳の探索が行われる。したがって、直交化探索では、適応符号帳利得と固定符号帳利得に自由度を持たせて適応符号帳ベクトルと固定符号帳ベクトルとの最適な組み合わせを決定するため、一般的には非直交化探索よりも最適解に近い固定符号帳探索の結果を得ることができる。ただし、必要な演算量は大きくなる（例えば、特許文献１）。

ところで、固定符号帳の直交化探索は、適応符号帳利得と固定符号帳利得が選択される適応符号帳ベクトルと固定符号帳ベクトルに対して理想値（最適値）であることを前提として行われる。つまり、最終的に量子化された適応符号帳利得と固定符号帳利得に対して最適な適応符号帳ベクトルと固定符号帳ベクトルが選択されるわけではない。したがって、実際のCELP符号化において常に直交化探索が非直交化探索より良い結果を与えるとは限らない。

そこで、適応符号帳利得の理想値（最適値）が閾値を超える場合のみ直交化探索を使用し、それ以外の場合は非直交化探索を使用する技術もあった（特許文献２）。

特開平１１−１２６０９６号公報 特開平１０−３１２１９８号公報

本開示の一態様は、固定符号帳ベクトルの直交化探索の有効性をより正確に判断して、固定符号帳の直交化探索と非直交化探索を使い分ける音声符号化装置及び方法を提供する。

本開示の一態様に係る音声符号化装置は、周期性成分を表現する適応符号帳ベクトルを出力する適応符号帳と、非周期性成分を表現する固定符号帳ベクトルを出力する固定符号帳と、前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとから励振信号を生成する加算器と、入力音声信号を線形予測分析・量子化して得られる線形予測係数を用いて構成されるとともに、前記励振信号により駆動されて合成音声信号を生成する合成フィルタと、前記合成音声信号と前記入力音声信号との誤差を最小化する前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとを選択するパラメータ量子化部と、を備え、前記パラメータ量子化部は、固定符号帳探索用ターゲットベクトルと前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルとの相関値に基づいて直交化固定符号帳探索と非直交化固定符号帳探索とを切り替える固定符号帳探索部を備える。

「周期性成分」とは、例えばピッチ周期に代表されるような何らかの周期性を有していればよい。

「適応符号帳」とは、過去の励振信号を蓄積したものの他、周期性成分を有する信号を蓄積するものであればよい。

「非周期性成分」とは、白色ガウス信号の他、周期性成分に対して周期性が少ないものであればよい。

「固定符号帳」とは、狭義の固定符号帳の他、非周期成分をパルスで表現した代数符号帳など、非周期性成分を有する信号を蓄積するものであればよい。

「励振信号」は、少なくとも適応符号帳ベクトルおよび固定符号帳ベクトルとから生成されていればよく、他のパラメータ、例えば、適応符号帳利得や固定符号帳利得をさらに用いて生成されたものも当然含まれる。

「直交化固定符号帳探索」とは、事前に特定された適応符号帳ベクトルに対して候補となる複数の固定符号帳ベクトルをそれぞれ直交化し、直交化した複数の固定符号帳ベクトルから歪みを最小にするものを１つ特定する探索方法をいう。

「非直交化固定符号帳探索」とは、直交化固定符号帳探索以外の探索をいう。

「固定符号帳探索用ターゲットベクトル」とは、適応符号帳探索用ターゲットベクトルから適応符号帳成分を取り除いたターゲットベクトルをいう。

「合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトル」とは、適応符号帳ベクトルに合成フィルタのインパルス応答を畳み込んだものであるが、聴覚重み付けフィルタを有する場合はこのインパルス応答も畳み込んだものも含まれる。

「相関値」とは、２つのベクトル間の類似度を示すものであり、例えば少なくとも２つの信号の内積を含む式で表される。

また、本開示の一態様に係る音声符号化装置は、周期性成分を表現する適応符号帳ベクトルを出力する適応符号帳と、非周期性成分を表現する固定符号帳ベクトルを出力する固定符号帳と、前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとから励振信号を生成する加算器と、入力音声信号を線形予測分析・量子化して得られる線形予測係数を用いて構成されるとともに、前記励振信号により駆動されて合成音声信号を生成する合成フィルタと、前記合成音声信号と前記入力音声信号との誤差を最小化する前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとを選択する機能を有するパラメータ量子化部と、を備え、前記パラメータ量子化部は、適応符号帳探索用ターゲットベクトルと前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルとのベクトル積行列と、前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルのベクトル積行列と、の距離に基づいて、直交化固定符号帳探索と非直交化固定符号帳探索とを切り替える固定符号帳探索部を備える。

「ベクトル積行列」とは、ベクトルとベクトルの積で表される行列であるが、距離を求めるための演算を行う際、行列要素の全てを用いる必要はない。

「距離」とは、行列間の相違の程度をいう。例えば、行列間の差をとる演算を含んでいれば距離を表すことが可能である。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本開示の音声符号化装置によれば、固定符号帳の直交化探索と非直交化探索を適切に切り替えて高能率な音声符号化を実現することができる。

本開示の実施形態１における固定符号帳探索部のブロック図 本開示の実施形態１における固定符号帳探索の処理フロー図 本開示の実施形態２における固定符号帳探索部のブロック図 本開示の実施形態２における固定符号帳探索の処理フロー図 本開示の実施形態２のその他の例における固定符号帳探索部のブロック図 本開示の実施形態２のその他の例における固定符号帳探索の処理フロー図 従来のCELP型音声符号化装置のブロック図 従来の固定符号帳探索部のブロック図 従来の固定符号帳探索の処理フロー図

（本開示の実施形態の基礎となった知見）
従来のCELP型音声符号化装置における固定符号帳の直交化探索技術としては、探索に用いる符号化歪の評価式Ｅ_ｏｒｔとして（１）式を用いるものがあった（例えば、特許文献１の数２および数７参照）。

ｐ ：適応符号帳から選択された適応符号帳ベクトル
Ｈ ：重み付き合成フィルタのインパルス応答を畳み込む行列
ｘ ：適応符号帳探索用ターゲットベクトル
（重み付き入力音声信号から重み付き合成フィルタのゼロ入力応答
を除去した信号）
ｃ ：固定符号帳化から生成される固定符号帳ベクトル
ｔ ：行列ないしベクトルの転置
なお、Ｈは重み付き合成フィルタのインパルス応答を畳み込む行列であるが、本実施形態では聴覚重み付けフィルタ１０９を有しているので、このインパルス応答も畳み込んだもの、すなわち、合成フィルタ１０６と聴覚重み付けフィルタ１０９を縦続接続したフィルタのインパルス応答である。

そして、Ｅ_ｏｒｔは、符号化歪みの相対的な大小を評価するものであり、すでに適応符号帳ベクトルｐが選択されている場合、ｐ^ｔＨ^ｔＨｐは定数となっているから、Ｅ_ｏｒｔは（１）式から分母項にかかるｐ^ｔＨ^ｔＨｐを省略した（２)式を用いても良い。

（２）式において、ベクトルＤおよび行列Φを以下のように定義すれば（２）式は（３）式のように変形できる。ベクトルＤおよび行列Φは、固定符号帳の直交化探索において事前に算出可能な成分である。

この固定符号帳探索部１１１をブロック図で示すと図８のようになる。

図８において、相関算出部２０１は、適応符号帳探索用ターゲットベクトルｘと聴覚重み付け合成フィルタ（合成フィルタ１０６と聴覚重み付けフィルタ１０９の縦続接続フィルタ）を通した後の適応符号帳ベクトルＨｐとの相互相関Ｑを（４）式により算出して、算出結果を評価式分子ベクトル算出部２０２に出力する。

なお、適応符号帳探索用ターゲットベクトルｘは、入力音声信号に聴覚重み付けフィルタ１０９をかけたものから、聴覚重み付け合成フィルタのゼロ入力応答を差し引いたものである。適応符号帳探索用ターゲットベクトルｘの求め方はこの方法に限らず、これと等価な別の求め方であってもよい。

評価式分子ベクトル算出部２０２は、Ｑ、ｘ、およびｈを用いて（３）式におけるベクトルＤを算出して評価式分子項算出部２０３へ出力する。

なお、ｈは、聴覚重み付け合成フィルタのインパルス応答であり、行列Ｈはｈを畳み込む行列（下三角行列）である。評価式分子ベクトル算出部２０２、および以下で説明するベクトル積行列算出部２０４および相関行列算出部２０６の演算において、行列Ｈの乗算はインパルス応答ｈの畳みこみ演算として行うことができる。

ベクトル積行列算出部２０４は、（３）式における行列Φのうち、第２項の分子であるベクトル積行列Ｈ^ｔＨｐｐ^ｔＨ^ｔＨを算出して評価式分母行列算出部２０５へ出力する。

相関行列算出部２０６は、（３）式における行列Φのうち、第１項である相関行列Ｈ^ｔＨを算出して評価式分母行列算出部２０５へ出力する。

評価式分母行列算出部２０５は、ベクトル積行列算出部２０４の出力および相関行列算出部２０６の出力に加えて、相互相関Ｑを求めるにあたり相関算出部２０１で算出したｐ^ｔＨ^ｔＨｐを用いて（３）式における行列Φを算出し、評価式分母項算出部２０７へ出力する。

評価式分子項算出部２０３は、固定符号帳ベクトルインデックスｉで指定される固定符号帳ベクトルｃ_ｉに対して（３）式の分子項Ｎ_ｏｒｔを算出して評価式最大化部２０８へ出力する。

評価式分母項算出部２０７は、固定符号帳ベクトルインデックスｉで指定される固定符号帳ベクトルｃ_ｉに対して（３）式の分母項Ｄ_ｏｒｔを算出して評価式最大化部２０８へ出力する。

評価式最大化部２０８は、（３）式のＥ_ｏｒｔを最大とするc_ｉを選択して最適固定符号帳ベクトルｃ（およびそのインデックスi）として出力する。

図９は、以上の処理を示す、従来の固定符号帳探索の処理フロー図である。

なお、非直交化探索では、固定符号帳探索時に適応符号帳ベクトルと適応符号帳利得を固定するため、固定符号帳探索に用いられる符号化歪の評価式は（５）式のようになる。

ｇ_ｐ ：適応符号帳探索時に決定される適応符号帳利得
通常、適応符号帳利得には上限（例えばITU-T勧告G.729では１．２）と下限（通常は０）が設定されるが、適応符号帳利得の理想値がこれらの範囲内に必ず入るわけではない。直交化探索では固定符号帳ベクトルの「適応符号帳ベクトルに直交する成分」のみに着目して最適なものを選択する。これは、固定符号帳ベクトルの「適応符号帳ベクトルに直交しない（つまり適応符号帳ベクトルと同じ）成分」が適応符号帳ベクトルの利得を調整することで相殺できるためである。しかし、適応符号帳利得の理想値がこれらの範囲外になってしまう場合、この「調整」ができなくなってしまう。したがって、適応符号帳利得の理想値がこれらの範囲外になる場合には、直交化探索は適当でない。

また、特許文献２では、直交化／非直交化の切り替えにおいて、適応符号帳利得の理想値が閾値より大きいときに直交化探索を行うようにしている。そのため、音声の立ち上がり部のように信号エネルギーが急上昇するような場合、適応符号帳利得が閾値よりも高いと判断されて直交化探索の対象となる。しかしながら、このような場合は適応符号帳ベクトルの形状が適応符号帳探索用ターゲットベクトルの形状と一致していないことも多く、適応符号帳ベクトルの寄与度が低くなる。そのため、適応符号帳探索用ターゲットベクトルと適応符号帳ベクトルとは直交状態に近くなり、適応符号帳ベクトルに直交化する意味がなくなる。よって、このような場合、直交化探索をしない方が良いと考えられる。

一方、適応符号帳ベクトルの形状が一致していても、信号エネルギーが低下するような部分では適応符号帳利得が小さくなり、適応符号帳利得が閾値よりも低いと判断されて直交化探索の対象とならない。しかしながら、このような場合は適応符号帳ベクトルの寄与度が高くなるため、直交化探索をした方が良いと考えられる。

（実施形態１）
以下本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示の音声符号化装置の全体構成については、図７を適宜援用しながら説明する。また、図１において図８の従来の音声符号化装置と同じ名称の構成部については、図８と同じ符号を用いる。

図１は、本開示の実施形態１における固定符号帳探索装置３００のブロック図である。固定符号帳探索装置３００は、図７のパラメータ量子化部１０８に含まれる固定符号帳探索部１１１に相当する。

図１において、固定符号帳探索用ターゲットベクトル算出部３０９は、適応符号帳探索用ターゲットベクトルｘから適応符号帳探索によって決定された適応符号帳成分を取り除いて固定符号帳探索用ターゲットベクトルｘ_２を以下のように算出する。そして、ｘ_２は従来法におけるｘの代わりに用いられる。

ｘ_２ ：固定符号帳探索用ターゲットベクトル
ｇ_ｐ ：適応符号帳探索時に決定される適応符号帳利得
なお、適応符号帳利得ｇ_ｐは以下のように表される。ｇ_{ｐ_Min}は適応符号帳利得の下限値、ｇ_{ｐ_Max}は適応符号帳利得の上限値である。

（２）式の分子項、すなわち（３）のベクトルＤに、（６）式を変形した

および（７）式で表されるｇ_ｐを代入すると、ｇ_ｐＨｐの項は相殺されて、

となることから、（１）式および（２）式において、適応符号帳探索時の適応符号帳探索用ターゲットベクトルｘを固定符号帳探索用ターゲットベクトルｘ_２に置き換えても、置き換える前の式と等価であることが分かる。

相関算出部３０１は、ｘ_２およびＨｐから、（１０）式に基づき相互相関Ｑ_２を求める。相互相関Ｑ_２は、ターゲットベクトルｘ_２と適応符号帳ベクトルＨｐとの直交性を表す指標であり、相互相関Ｑ_２が小さいと直交性が高く、相互相関Ｑ_２が大きいと直交性が低い。

なお、相関値として本実施形態では相互相関Ｑ_２を用いたが、少なくとも固定符号帳探索用ターゲットベクトルと合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルの内積（相互相関Ｑ_２の分子に相当）を含んでいればよい。

また、（１１）式のような、正規化相互相関を用いてもよい。

そして、直交化／非直交化判定部３１０は、相関算出部３０１から入力された相互相関Ｑ_２の値に応じて直交化探索か非直交化探索かのいずれかを選択し、判定結果、すなわち選択した探索方法の情報を評価式分子ベクトル算出部３０２とベクトル積行列算出部３０４に出力する。

評価式分子ベクトル算出部３０２は、直交化探索が選択された場合は、ｘ_２、Ｑ_２、およびｈを用いて評価式分子ベクトルＤを算出する。また、評価式分子ベクトル算出部３０２は、非直交化探索が選択された場合は、相関算出部３０１から入力するＱ_２をゼロとして評価式分子ベクトルＤを算出する。

ベクトル積行列算出部３０４は、直交化検索が選択された場合は、ベクトル積行列Ｈ^ｔＨｐｐ^ｔＨ^ｔＨを算出する。また、ベクトル積行列算出部３０４は、非直交化探索が選択された場合は、ベクトル積行列をゼロ行列として出力する。

以下、図８と同じ処理が行われる。

図２は、本開示の実施の形態１における固定符号帳探索装置３００の固定符号帳探索の処理フロー図である。

まず、固定符号帳探索装置３００は、固定符号帳探索用ターゲットベクトルｘ_２を算出する（Ｓ１１）。次に、固定符号帳探索装置３００は、ｘ_２と適応符号帳ベクトルＨｐの相互相関Ｑ_２を算出する（Ｓ１２）。そして、固定符号帳探索装置３００は、算出した相互相関Ｑ_２が所定の閾値以下（または閾値未満）かどうかを調べ（Ｓ１３）、閾値以下（または閾値未満）の場合は直交化探索用の誤差評価関数における事前算出可能な成分の計算を行い（Ｓ１４）、閾値を超える（または閾値以上）の場合は非直交化探索用の誤差評価関数における事前算出可能な成分の計算を行う（Ｓ１５）。最後に、固定符号帳探索装置３００は、ＤとΦを用いて固定符号帳の全てのベクトルｃに対して誤差評価関数を算出して、評価関数を最大とする固定符号帳ベクトルｃを選択する（Ｓ１６）。

なお、相互相関Ｑ_２の閾値は、実験により最適な値を求めて設定すればよい。そもそも決定される適応符号帳利得が適応符号帳利得の上限値と下限値との間に入っていれば正規化相関Ｑ_２はゼロになる。そこで、例えば、０．０００１など、０に近い値を設定することが望ましい。

このように、本実施形態では、仮に決定した適応符号帳成分を取り除いた固定符号帳探索用ターゲットベクトルと適応符号帳ベクトルとの相関値に基づいて固定符号帳の直交化／非直交化を使い分ける。そのため、固定符号帳探索でターゲットとするべきベクトルと適応符号帳ベクトルとの直交性が低いときは非直交化探索を選択的に使用することができる。したがって、固定符号帳探索の直交化探索と非直交化探索を適切に使い分ける方法を提供することができる。

なお、固定符号帳探索用ターゲットベクトルｘ_２の算出において、ｇ_ｐが（７）式で表されるとき、すなわち、ｇ_ｐが適応符号帳利得の理想値を取る場合、相関算出部３０１において算出される相互相関値Ｑ_２はゼロとなる。よって、適応符号帳利得ｇ_ｐが理想値にならないケースは、算出された理想適応符号帳利得ｇ_ｐがあらかじめ設定されている適応符号帳利得の下限値と上限値の間に入らない場合である。そして、上限値を超えた度合い、あるいは下限値を下回った度合いに応じて相互相関値Ｑ_２の値は大きく（負の場合は小さく）なる。

以上の性質を利用して、固定符号帳探索用ターゲットベクトルｘ_２の算出時に用いられるｇ_ｐが、理想値なのか、それとも下限値や上限値を超えるものなのか、という情報に基づいて固定符号帳の直交化／非直交化探索を行うようにしても同様の効果を得ることが可能である。

また、直交化探索をする場合としない場合とで、固定符号帳を切り替えて使用したり、パルス拡散を行う場合に拡散ベクトルを切り替えて使用したりすることもできる。このような場合は、復号化装置に切り替え情報を伝送しておけば、復号化装置側でも符号化装置側と同様の合成音声信号を生成することが可能となる。

（実施形態２）
図３は、本開示の実施形態２の固定符号帳探索装置４００のブロック図である。図３において、図１および図８と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図３において、第２の直交化／非直交化判定部４１１は、適応符号帳探索用ターゲットベクトルｘと合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルＨｐとが入力される。そして、両者の内積で正規化したベクトル積行列の対角要素からなるベクトルＶ１および、適応符号帳ベクトルをエネルギーで正規化したベクトル積行列の対角要素からなるベクトルＶ２との距離ｄを次の（１２）式にて算出する。

ｘｐ^ｔＨ^ｔ（ｉ，ｉ）：正方行列ｘｐ^ｔＨ^ｔの対角要素
Ｈｐｐ^ｔＨ^ｔ（ｉ，ｉ）：正方行列Ｈｐｐ^ｔＨ^ｔの対角要素
なお、上記の例では距離ｄとして、対角要素からなる２つのベクトル間の距離を用いたが、これ以外の式を用いてもよい。例えば、２つの行列の差を求め、ここから行列式を計算して求めたものを距離として用いてもよい。

第２の直交化／非直交化判定部４１１は、算出したｄが所定の閾値（例えば０．１〜０．３）を超えた場合は直交化探索を行わずに非直交化探索を行うと判定する。第２の直交化／非直交化判定部４１１は、判定結果を相関算出部４０１、評価式分子ベクトル算出部３０２、およびベクトル積行列算出部３０４に出力する。また、第２の直交化／非直交化判定部４１１は、（１２）式の過程で得られたｐ^ｔＨ^ｔＨｐを相関算出部４０１へ出力する。ｐ^ｔＨ^ｔＨｐは、相関算出部４０１で相互相関Ｑ_２を求めるために利用される。

なお、ｄの閾値も、実験により最適な値を求めて設定すればよい。発明者らの実験によれば、０．１から０．３の間の値が望ましく、０．１２５付近がさらに望ましい。

相関算出部４０１は、ｐ^ｔＨ^ｔＨｐをそのまま評価式分母行列算出部２０５に出力する。そして、相関算出部４０１は、第２の直交化／非直交化判定部４１１の判定結果が直交化探索である場合は、相互相関Ｑ_２を求めて評価式分子ベクトル算出部３０２に出力する。また、相関算出部４０１は、第２の直交化／非直交化判定部４１１の判定結果が非直交化探索である場合は、相互相関Ｑ_２を求める必要なはいので、何も処理を行なわない。相関算出部４０１は、もちろん実施形態１のように判定結果にかかわらず相互相関Ｑ_２を求めて評価式分子ベクトル算出部３０２に出力し、評価式分子ベクトル算出部３０２の側で相互相関Ｑ_２をゼロとして処理してもよい。

図４は、本開示の実施形態２における固定符号帳探索装置４００の固定符号帳探索の処理フロー図である。まず、固定符号帳探索装置４００は、固定符号帳探索用ターゲットベクトルｘ_２を算出する（Ｓ２１）。次に、固定符号帳探索装置４００は、距離ｄを算出する（Ｓ２２）。そして、固定符号帳探索装置４００は、ｄが閾値以下（または閾値未満）かどうかを判定し（Ｓ２３）、閾値以下（または閾値未満）の場合は直交化探索用の誤差評価関数における事前算出可能な成分の計算を行い（Ｓ２４）、閾値を超える（または閾値以上）の場合は非直交化探索用の誤差評価関数における事前算出可能な成分の計算を行う（Ｓ２５）。最後に、固定符号帳探索装置４００は、ＤとΦを用いて固定符号帳の全てのベクトルｃに対して誤差評価関数を算出して、評価関数を最大とする固定符号帳ベクトルｃを選択する（Ｓ２６）。

ここで、距離ｄによって、直交化／非直交化を判定する原理を以下に説明する。

直交化探索においては、適応符号帳利得ｇ_ｐは次式にて表される。

適応符号帳探索において得られる理想適応符号帳利得ｇ_ｐは（７）式（上限値と下限値の間の場合）の通りであるから、（１３）式において、Ｕ１とＵ２の値が近いようであれば、（１３）式の第２項は１に近くなるので、固定符号帳の直交化探索を行った場合の適応符号帳利得と適応符号帳探索時の適応符号帳利得とは近い値となる。

一方、Ｕ１とＵ２の値が大きく異なると、（１３）式の第２項は１から離れた値となるので、選ばれる固定符号帳ベクトルにも依るが、（７）式の理想適応符号帳利得ｇ_ｐから大きく離れた値になる可能性が高い。Ｕ１とＵ２はそれぞれ（１４）式のように表せる。

そして、（１５）式で表されるベクトル積行列に、合成フィルタ処理後の固定符号帳ベクトルＨｃを前後から乗じたものとして変形することができる。よって、この２つのベクトル積行列Ｕ１’およびＵ２’の距離が大きいほどＵ１およびＵ２の値も異なる可能性が高いといえる。

そして、Ｕ１’とＵ２’のいずれにせよ対角成分が最も大きくなり支配的な要素となるため、式（１２）のようにＵ１’とＵ２’の対角成分であるＶ１とＶ２の間のユークリッド距離を指標とすることとした。

なお、（７）式で表されるｇ_ｐは非直交化探索を行った場合の適応符号帳利得、（１３）式で表されるｇ_ｐは直交化探索を行った場合の適応符号帳利得となるが、両者の差が大きくなるということは、固定符号帳ベクトルに適応符号帳ベクトルと同じ成分が多く含まれるということになる。この場合、固定符号帳ベクトルと適応符号帳ベクトルとで相殺する（あるいは分配する）成分が多くなるので、相殺（あるいは分配）がうまくいかないと直交化の効果が得られない。（１３）式より，行列Ｕ１’とＵ２’との違いが大きいと、その可能性が高くなると言える。

なお、固定符号帳探索の演算量増加を問題としないのであれば、固定符号帳探索装置４００は、（１３）式を固定符号帳探索時に逐次計算し、求められる適応符号帳利得が量子化適応符号帳利得の範囲内に入っているかどうかで判断しても良い。

さらに、以下、距離ｄの技術的意義について説明する。なお、適応符号帳合成ベクトルＨｐは式表記の簡素化のため、以下ｙと表記する。

式（１２）をターゲットベクトルｘと適応符号帳合成ベクトルｙとで表現すると以下のようになる。

ここで、ターゲットベクトルｘを適応符号帳合成ベクトルｙと相関のある成分（ｙをa倍したものとして表現）と無相関成分ｚとの和ベクトルとして表現すると（１７）式となる。

これを用いると、（１６）式は以下のように展開できる。

よって、ｄは、ｘとｙの相関成分のパワーに対する無相関成分のパワーの比となっていることがわかる。

つまり、ｘとｙの無相関成分が大きいほど（また、相関成分が小さいほど）ｄは大きな値となる。逆に、ｘとｙの無相関成分が小さいほど（また、相関成分が大きいほど）ｄは小さな値となり０に近づく。

以上から、距離ｄは、適応符号帳合成ベクトルｙの形状が、どれだけターゲットベクトルｘの形状に一致するか、その一致の度合を示すパラメータとなっているといえる。

以上、本実施形態によれば、固定符号帳の直交化探索後に決定される適応符号帳利得が、適応符号帳探索時に得られる適応符号帳利得から大きく変化する可能性が高いかどうかを判定することができる。固定符号帳探索の直交化探索と非直交化探索を適切に使い分けることができる。

（実施形態２のその他の例）
図５は、本開示の実施形態２のその他の例の固定符号帳探索装置５００のブロック図である。本実施形態は、二段階の直交化／非直交化判定を行うものであり、実施形態２の固定符号帳探索装置４００の特徴である第２の直交化／非直交化判定部４１１を前段階に、実施形態１の固定符号帳探索装置３００の特徴である直交化／非直交化判定部３１０を後段階に構成する。

そして、第２の実施形態との違いは以下のとおりである。第２の実施形態では相関算出部４０１は、第２の直交化／非直交化判定部４１１の判定結果を直接評価式分子ベクトル算出部３０２およびベクトル積行列式算出部３０４に出力していた。これに対して、本実施形態では実施形態１と同様、相関算出部４０１は直交化／非直交化判定部３１０に対して相互相関Ｑ_２を出力し、直交化／非直交化判定部３１０の判定結果を評価式分子ベクトル算出部３０２とベクトル積行列算出部３０４に出力する。

図５において、第２の直交化／非直交化判定部４１１は、判定結果が非直交化探索である場合は、判定結果を相関算出部４０１、評価式分子ベクトル算出部３０２、およびベクトル積行列算出部３０４に出力する。また、第２の直交化／非直交化判定部４１１は、判定結果が直交化探索である場合は、判定結果を出力しない。

相関算出部４０１の処理は実施形態１と同じである。そして、評価式分子ベクトル算出部３０２、およびベクトル積行列算出部３０４の処理は、第２の直交化／非直交化判定部４１１および直交化／非直交化判定部３１０の判定結果に基づき、実施形態１および実施形態２と同様の処理を行なう。

図６は、本実施形態における固定符号帳探索装置５００の固定符号帳探索の処理フロー図である。まず、固定符号帳探索装置５００は、固定符号帳探索用ターゲットベクトルｘ_２を算出する（Ｓ３１）。次に、固定符号帳探索装置５００は、距離ｄを算出する（Ｓ３２）。そして、固定符号帳探索装置５００は、ｄが閾値以下（または閾値未満）かどうかを判定し（Ｓ３３）、閾値以下（または閾値未満）の場合は実施形態１と同様、正規化相関の算出に進み（Ｓ３４）、算出した正規化相関Ｑ_２が所定の閾値以下（または閾値未満）かどうかを調べる（Ｓ３５）。閾値以下（または閾値未満）の場合は直交化探索用の誤差評価関数における事前算出可能な成分の計算を行い（Ｓ３６）、閾値を超える（または閾値以上）の場合は非直交化探索用の誤差評価関数における事前算出可能な成分の計算を行う（Ｓ３７）。固定符号帳探索装置５００は、ｄが閾値を超える（または閾値以上）の場合は非直交化探索用の誤差評価関数における事前算出可能な成分の計算を行う（Ｓ３７）。最後に、固定符号帳探索装置５００は、ＤとΦを用いて固定符号帳の全てのベクトルｃに対して誤差評価関数を算出して、評価関数を最大とする固定符号帳ベクトルｃを選択する（Ｓ３８）。

以上のように、本実施形態では、実施形態１と実施形態２の二つの基準を用いることにより、より精度の高い固定符号帳探索の直交化探索と非直交化探索の使い分けをすることができる。

なお、図２、図４、図６のフローは、専用に設計されたハードウェアの動作を表すとともに、汎用のハードウェアに本フローの固定帳探索方法を有する音声符号化方法を実行するプログラムをインストールすることにより実現することも可能である。汎用のハードウェアたる電子計算機として、例えばパーソナルコンピュータ、スマートホンなどの各種携帯情報端末、および携帯電話などが挙げられる。

また、専用に設計されたハードウェアは、携帯電話や固定電話などのいわゆる完成品（コンシューマエレクトロニクス）に限らず、システムボードや半導体素子など、半完成品や部品レベルをも含むものである。

本開示にかかる音声符号化装置は、直交化／非直交化を切り替え可能な固定符号帳探索部を有し、携帯端末や音声ゲートウェイなどに搭載される音声コーデック処理チップ等として有用である。また、IC録音装置やVoIP（Voice over IP）アプリ等の用途にも応用できる。

１００ 音声符号化装置
１０１ 適応符号帳
１０２，１０４ 増幅器
１０３ 固定符号帳
１０５ 加算器
１０６ 合成フィルタ
１０７ 誤差算出器
１０８ パラメータ量子化部
１０９ 聴覚重み付けフィルタ
１１０ 適応符号帳探索部
１１１ 固定符号帳探索部
１１２ ゲイン符号帳探索部
３００，４００，５００ 固定符号帳探索装置
３０１，４０１ 相関算出部
３０９ 固定符号帳探索用ターゲットベクトル算出部
３１０ 直交化／非直交化判定部
４１１ 第２の直交化／非直交化判定部

Claims (5)

1. 周期性成分を表現する適応符号帳ベクトルを出力する適応符号帳と、
   非周期性成分を表現する固定符号帳ベクトルを出力する固定符号帳と、
   前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとから励振信号を生成する加算器と、
   入力音声信号を線形予測分析・量子化して得られる線形予測係数を用いて構成されるとともに、前記励振信号により駆動されて合成音声信号を生成する合成フィルタと、
   前記合成音声信号と前記入力音声信号との誤差を最小化する前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとを選択するパラメータ量子化部と、を備え、
   前記パラメータ量子化部は、固定符号帳探索用ターゲットベクトルと前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルとの相関値に基づいて、直交化固定符号帳探索と非直交化固定符号帳探索とを切り替える固定符号帳探索部を備える、
   音声符号化装置。
2. 周期性成分を表現する適応符号帳ベクトルを出力する適応符号帳と、
   非周期性成分を表現する固定符号帳ベクトルを出力する固定符号帳と、
   前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとから励振信号を生成する加算器と、
   入力音声信号を線形予測分析・量子化して得られる線形予測係数を用いて構成されるとともに、前記励振信号により駆動されて合成音声信号を生成する合成フィルタと、
   前記合成音声信号と前記入力音声信号との誤差を最小化する前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとを選択するパラメータ量子化部と、を備え、
   前記パラメータ量子化部は、適応符号帳探索用ターゲットベクトルと前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルとのベクトル積行列と、前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルのベクトル積行列と、の距離に基づいて、直交化固定符号帳探索と非直交化固定符号帳探索とを切り替える固定符号帳探索部を備える、
   音声符号化装置。
3. 前記固定符号帳探索部は、さらに、適応符号帳探索用ターゲットベクトルと前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルとのベクトル積行列と、前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルのベクトル積行列と、の距離に基づいて、前記直交化固定符号帳探索と前記非直交化固定符号帳探索とを切り替える、
   請求項１記載の音声符号化装置。
4. 周期性成分を表現する適応符号帳ベクトルを出力し、
   非周期性成分を表現する固定符号帳ベクトルを出力し、
   前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとから励振信号を生成し、
   入力音声信号を線形予測分析・量子化して得られる線形予測係数を用いて構成される合成フィルタを前記励振信号により駆動して合成音声信号を生成し、
   前記合成音声信号と前記入力音声信号との誤差を最小化する前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとを選択する音声符号化方法であり、
   固定符号帳の選択は、固定符号帳探索用ターゲットベクトルと前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルとの相関値に基づいて、直交化固定符号帳探索と非直交化固定符号帳探索とを切り替えて行う、
   音声符号化方法。
5. 周期性成分を表現する適応符号帳ベクトルを出力し、
   非周期性成分を表現する固定符号帳ベクトルを出力し、
   前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとから励振信号を生成し、
   入力音声信号を線形予測分析・量子化して得られる線形予測係数を用いて構成される合成フィルタを前記励振信号により駆動して合成音声信号を生成し、
   前記合成音声信号と前記入力音声信号との誤差を最小化する前記適応符号帳ベクトルと前記固定符号帳ベクトルとを選択する音声符号化方法であり、
   固定符号帳の選択は、適応符号帳探索用ターゲットベクトルと前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルとのベクトル積行列と、前記合成フィルタ処理後の適応符号帳ベクトルのベクトル積行列と、の距離に基づいて、直交化固定符号帳探索と非直交化固定符号帳探索とを切り替えて行う、
   音声符号化方法。

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