JPH075896A

JPH075896A - データ圧縮、伸長方法

Info

Publication number: JPH075896A
Application number: JP5171025A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Fujii; 泰彦藤井; Shoji Ueno; 昭治植野
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】伝送系又は記録媒体の効率的な利用を図り
得、かつ、高品位のデジタル音声信号への復元を可能に
するデータ圧縮、伸長方法を提供する。【構成】送信又は記録側が、デジタル音声信号を直交
変換し、得られた各周波数成分の実数部及び虚数部をそ
れぞれ複数の帯域に分割し、分割帯域毎にそれぞれ周波
数成分の絶対値の最大値より大きく、かつ、最大値に最
も近い２のべき乗を正規化の尺度に決定し、この尺度に
従って周波数成分の実数部及び虚数部を正規化し、正規
化の尺度データ、正規化されたデータの絶対値及びその
符号ビットを送信又は記録し、受信又は再生側が、正規
化の尺度データ、正規化されたデータの絶対値及びその
符号ビットに基いて周波数成分の実数部及び虚数部に復
元し、得られた周波数成分に逆直交変換を施してデジタ
ル音声信号に復元する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、デジタル音声信号を送
信又は記録側で圧縮し、受信又は再生側で伸長して音声
信号に復元するデータ圧縮、伸長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】限られた伝送帯域を効率良く利用してデ
ジタル信号を送信するための符号化技術として、例え
ば、書籍「デジタルオーディオ辞典」第１８〜１９頁
（オーム社発行）、「音声の高能率符号化」第１２〜１
５頁（中田和男著、森北出版発行）、「デジタル音声処
理、周波数領域での符号化」第１０９〜１１３頁（東海
大学出版会発行）に記載され、実用化されている。

【０００３】特に、最近では帯域分割符号化（ Sub Ban
d Coding：ＳＢＣ）に人間の聴覚特性を考慮することに
よって高能率の圧縮を実現し伝送、記録する手法が広く
使われるようになってきた。これらの技術が、例えば、
書籍「音声の高能率符号化」第５６〜６６頁（中田和男
著、森北出版発行）、文献「ＤＣＣ用高能率符号化技
術」第６〜９頁（ＪＡＳコンファレンス’92予稿集）、
「高能率符号化技術」第１１２〜１１５頁（ＪＡＳコン
ファレンス’92予稿集）、特開平２−５０１５０７号公
報「デジタル適応変換符号化方法」に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の技術
は、確かに高能率の圧縮を可能にしたが、例えば、２０
ビットのＡＤ変換器によってデジタル化された信号を、
従来の１６ビットの記録メディアとしてのＤＡＴやＣＤ
等に圧縮記憶し、再生時に元の２０ビットの信号に復元
することができず、このために、音楽信号においては音
楽性を損なうことがあるという問題があった。このこと
は、信号の伝送系においても同様な問題であった。

【０００５】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、デジタル音声信号に対して、伝送系又
は記録媒体の効率的な利用を図り得、かつ、高品位のデ
ジタル音声信号への復元を可能にするデータ圧縮、伸長
方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のデータ
圧縮、伸長方法は、送信又は記録側が、デジタル音声信
号を直交変換し、得られた各周波数成分の実数部及び虚
数部をそれぞれ複数の帯域に分割し、分割帯域毎にそれ
ぞれ周波数成分の絶対値の最大値より大きく、かつ、最
大値に最も近い２のベキ乗を正規化の尺度に決定し、こ
の尺度に従って周波数成分の実数部及び虚数部を正規化
し、正規化の尺度データ、正規化されたデータの絶対値
及びその符号ビットを送信又は記録し、受信又は再生側
が、正規化の尺度データ、正規化されたデータの絶対値
及びその符号ビットに基いて周波数成分の実数部及び虚
数部に復元し、得られた周波数成分に逆直交変換を施し
てデジタル音声信号に復元することを特徴としている。

【０００７】請求項２に記載のデータ圧縮、伸長方法
は、所定数のサンプルに対応するデータ量が所定値を超
えるとき、所定値に納まるまで周波数の最も高い成分か
ら順次ゼロとして送信又は記録する。

【０００８】請求項３に記載のデータ圧縮、伸長方法
は、送信又は記録側が、デジタル音声信号を直交変換
し、得られた各周波数成分の実数部及び虚数部をそれぞ
れ複数の帯域に分割し、分割帯域毎に予め定めた正規化
の尺度で正規化し、正規化の尺度データ又は予め定めた
正規化の尺度であることを示すフラグ、正規化されたデ
ータの絶対値及びその符号ビットを送信又は記録し、受
信又は再生側が、正規化の尺度データ又は予め定めた正
規化の尺度であることを示すフラグ、正規化されたデー
タの絶対値及びその符号ビットに基いて周波数成分の実
数部及び虚数部を復元し、得られた周波数成分に逆直交
変換を施してデジタル音声信号を得ることを特徴とす
る。

【０００９】請求項４に記載のデータ圧縮、伸長方法
は、送信又は記録側が、所定の周波数を境にして対称に
なる一方の周波数領域の周波数成分を除去して送信又は
記録し、受信又は再生側が、周波数成分の対称性を利用
して除去された周波数領域の周波数成分を併せて復元す
る。

【００１０】

【作用】以下、図３及び図４を参照して本発明の原理を
説明する。図３(a) は信号レベルが最大に近い音楽信号
のうち、連続する１０２４サンプルを示したもので、横
軸は時間で、縦軸は音声信号レベルである。ここで、音
声信号は基準レベル「０」を中心にして正の最大値「＋
１．０」と負の最大値「−１．０」との間で連続的に変
化している。この音楽信号を、例えば、離散フーリェ変
換（Discrete Fourier Transform）すると、図３(b) に
示す周波数成分の実数部と、図３(c) に示す周波数成分
の虚数部とが得られる。この図３(b),(c) の横軸は周波
数であり、縦軸は音声レベル「１．０」を「０」デシベ
ルとした対数値である。また、図３(d) は図１の音声
「１．０」を「０」デシベルとした音声レベルの絶対値
の対数値であり、横軸は図３(a) と同一の時間である。

【００１１】この図３において、周波数成分の実数部及
び虚数部は全て「−２０」デシベル以下であるが、入力
信号のデシベル値は「０」デシベルに近い値から「−９
０」デシベルの範囲で変化する。図３(d) に示すデジタ
ル音声信号の一つの成分を２０ビットで符号化したとす
れば、この２０ビットの全てを使用して送信又は記録し
なければならないのに対して、図３(b) 及び図３(c) に
示す周波数成分をそれぞれ符号化する場合には、２０ビ
ットの少なくとも上位３ビットが不要化され、１７ビッ
トで符号化して送信又は記録することができる。また、
図３(b) 及び(c) に示す周波数成分の実数部及び虚数部
は、周波数領域が高くなるほど、最大レベルが次第に低
くなっている。このことは、周波数領域の高い周波数成
分はさらに少ないビット数で符号化することができる。

【００１２】そこで、請求項１に記載のデータ圧縮、伸
長方法は、直交変換して得られた各周波数成分の実数部
及び虚数部をそれぞれ複数の帯域に分割し、分割帯域毎
にそれぞれ周波数成分の絶対値の最大値より大きく、か
つ、最大値に最も近い２のべき乗を正規化の尺度に決定
し、この尺度に従って周波数成分の実数部及び虚数部を
正規化し、正規化の尺度データ、正規化したデータの絶
対値及びその符号ビットを送信又は記録するようにして
いる。この結果、時間領域の音声信号をそのまま符号化
して送信又は記録する場合と比較して１サンプル当たり
のビット数を少なくすることができ、また、周波数の高
い領域ほどビット数をさらに少なくすることができるた
め、伝送系又は記録媒体を効率的に利用することができ
る。

【００１３】また、請求項１に記載のデータ圧縮、伸長
方法は、正規化の尺度データ、正規化されたデータの絶
対値及びその符号ビットを送信又は記録すると、受信又
は再生側はこれらデータに基いて周波数成分の実数部及
び虚数部に復元し、得られた周波数成分に逆直交変換を
施してデジタル音声信号に復元するので、高品位のデジ
タル音声信号への復元が可能である。

【００１４】図３(a) 〜(d) は音楽信号の時間領域の１
０２４サンプルに対する周波数領域の周波数成分及び瞬
時レベルの対数値を示したものであるが、理解を容易に
するために、同じく、音楽信号の時間領域の１６サンプ
ルに対する周波数領域の周波数成分及び瞬時レベルの対
数値を示すと図４(a) 〜(d) のようになる。すなわち、
図４(a) は音声レベルが最大に近い音楽信号のうち、連
続する１６サンプルを示したもので、横軸は時間で、縦
軸は音声信号レベルであり、基準レベル「０」を中心に
して正の最大値「＋１．０」と負の最大値「−１．０」
との間で連続的に変化している。この音楽信号を、離散
フーリェ変換すると、図４(b) に示す周波数成分の実数
部と、図４(c) に示す周波数成分の虚数部とが得られ
る。この図４(b),(c) の横軸は周波数であり、縦軸は音
声レベル「１．０」を「０」デシベルとした対数値であ
る。また、図４(d) は図４(a) の音声レベルの絶対値
「１．０」を「０」デシベルとした対数値であり、横軸
は図４(a) と同一の時間である。

【００１５】この図４(a) 〜(d) に対応して時間領域の
音楽信号、これを直交変換して得られた周波数成分の実
数部及び虚数部、並びに、逆直交変換して得られた値を
示すと次の表１のようになる。

【００１６】

【表１】

【００１７】ここで、周波数成分の虚数部が「＋０．０
０００００」になる位置を基準にして、その上下の値を
比較してみると、周波数成分の実数部にあっては基準位
置から上に向かって数えたｎ（ｎ＝１〜７）番目と、下
に向かって数えたｎ番目とは符号が反対で数値は互いに
等しくなっていることが分かる。また、周波数成分の虚
数部にあっては基準位置から上に向かって数えたｎ番目
と、下に向かって数えたｎ番目とで符号及び数値が共に
等しくなっていることが分かる。つまり、これらの値を
それぞれ２次元座標で表示すると、実数部の値は点対照
に、虚数部の値は線対称になっている。このことは、実
数部及び虚数部の送信又は記録に際して基準点を境にし
た上側の周波数領域又は下側の周波数領域のいずれか一
方を送信又は記録しなくとも、受信又は再生側では、デ
ータの対称性を利用することによって他方の周波数領域
のデータの予測ができることになる。

【００１８】ところで、通常の音楽信号は上述したよう
な周波数特性を持つが、シンセサイザ音等はこれと異な
る周波数特性を持つため、分割帯域毎に正規化の尺度を
決定しても、その尺度の大きいデータが連続する場合も
有り得る。この場合、伝送又は記録するデータ量、すな
わち、圧縮されたデータ量が予定したよりも格段に大き
くなってしまう。

【００１９】請求項２に記載のデータ圧縮、伸長方法
は、このような場合に対処するもので、所定数のサンプ
ルに対応するデータ量が所定値を超えるとき、所定値に
納まるまで必要性が比較的低い成分、すなわち、周波数
の最も高い成分から順次ゼロとして送信又は記録するよ
うにしている。

【００２０】一方、デジタル音楽信号が特殊な楽器音等
を含まないことが分かっている場合には、分割帯域毎に
それぞれ正規化の尺度を決定し、記録、又は送る必要は
無く、予め、設定した符号化の尺度を用いて符号化すれ
ば、送受信又は記録再生の処理時間を短縮することがで
きると共に、尺度情報を直交変換のブロック単位ごと
（例えば１０２４サンプルごと）に送る必要がなくな
る。請求項３に記載のデータ圧縮、伸長方法はこの特質
に着目したもので、分割帯域毎に予め定めた正規化の尺
度で正規化し、正規化の尺度データ、正規化の絶対値デ
ータ及びその符号データを送信又は記録している。

【００２１】請求項４に記載のデータ圧縮、伸長方法
は、周波数成分の対称性に鑑みて、対称になる成分の一
方を除去して絶対値データを送信又は記録することによ
り、送受信データ又は記録再生データが略半分にして伝
送系又は記録媒体のさらに効率的な利用を図ることがで
きる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例によって詳
細に説明する。図１は本発明を実施するデータ圧縮、伸
長装置の構成を示すブロック図である。ここで、データ
圧縮装置１０は音楽データの送信又は記録に供され、デ
ータ伸長装置２０は音楽データの受信又は再生に供され
るものである。

【００２３】このうち、データ圧縮装置１０は、入力デ
ジタル信号を短時間だけ保持する入力バッファ１１と、
このバッファ１１を介して入力されたデジタル信号を記
憶するメモリ１２と、このメモリに記憶された時間軸の
データを周波数軸のデータに変換するデジタル信号処理
部（以下、ＤＳＰという）１３と、その周波数成分を記
憶するメモリ１４と、このメモリに記憶された周波数軸
のデータを、例えば、周波数軸上で等分割した分割帯域
毎に正規化の尺度を決定すると共に、その尺度に従って
値が「０」となる上位ビットを除去し、データの絶対
値、その符号ビット及び尺度データを作るＤＳＰ１５
と、これらのデータを送出するエンコード回路１６とが
共通のバス１７によって接続されている。

【００２４】また、データ伸長装置２０は、データ圧縮
装置から送出されたデータを復号化するデコード回路２
１と、復号化されたデータを記憶するメモリ２２と、こ
のメモリに記憶されたデータに基いて周波数成分の実数
部と虚数部とに復元するＤＳＰ２３と、復元されたデー
タの記憶させるメモリ２４と、このメモリに記憶された
データに対して逆直交変換を施すもう一つのＤＳＰ２５
と、逆直交変換されたデジタル信号を送出するために一
時記憶させる出力バッファ２６とが共通のバス２７によ
って接続されている。

【００２５】上記のように構成されたデータ圧縮、伸長
装置の動作を、図２をも参照して以下に説明する。先
ず、データ圧縮装置１０では、入力バッファ１１を介し
て、入力デジタル信号をメモリ１２に貯える。そして、
メモリ１２に蓄えたデータのうち、予め決められた量の
データ、例えば、１０２４サンプルについて直交変換を
施して周波数成分を求め、それぞれ実数部及び虚数部を
メモリ１４に貯える。そこで、ＤＳＰ１５はメモリ１４
に貯えられたデータを、実数部及び虚数部についてそれ
ぞれ複数の帯域、例えば、８つの帯域に分割し、各分割
帯域の周波数成分の絶対値の最大値Ｓ_m をそれぞれ検出
する。この場合、帯域分割は対数で目盛られた周波数軸
上で等分割する。また、ＤＳＰ１５は最大値Ｓ_m より大
きく、かつ、最大値Ｓ_mに最も近い２のべき乗値ＳＬを
求める。

【００２６】因みに、ある帯域のデータ幅が２０ビット
（２²⁰）であるのに対して、べき乗値ＳＬが２¹⁵であっ
たとすれば、この帯域の周波数成分データの上位５ビッ
トは全て「０」である。従って、この帯域の周波数成分
データについては、上位の５ビットを取り除いて（圧縮
して）伝送又は書き込むことができる。そこで、ＤＳＰ
１５はべき乗値ＳＬを求めた後、これよりも上位ビット
を取り除いた絶対値データと、符号（＋−）ビットと、
取り除いたビット数情報すなわち正規化の尺度データと
をエンコード回路１６に送り込む。エンコード回路１６
は同期用のデータと、補助データ、例えば、エンファシ
ス情報等を付加してデータ系列として送り出す。

【００２７】次に、データ伸長装置２０のデコード回路
２１は、送り込まれたデータ系列から、絶対値データ、
符号ビット、正規化の尺度データを取り出し、メモリ２
２に貯える。ＤＳＰ２３は正規化の尺度データに基づい
て、分割帯域毎に周波数成分の実数部及び虚数部を復元
し、メモリ２４に貯える。ＤＳＰ２５はメモリ２４に貯
えられた周波数成分に対して逆直交変換を施して入力デ
ジタル信号を復元する。復元された時間領域のデータは
出力バッファ２６を介して出力される。

【００２８】図２はデータ圧縮装置１０に入力されるデ
ータ系列と、このデータ圧縮装置１０から出力されるデ
ータ系列の関係を示した説明図である。すなわち、２０
ビットで表された１０２４サンプルのデータが入力され
た場合、これらのデータの総ビット数は「２０４８０」
となる。これらのデータに直交変換を施し、周波数成分
の実数部５１２サンプル分、虚数部５１２サンプル分に
対して、上位のデータビットを除去すれば、これに除去
したビット数情報を付加しても、「２０３２」バイト以
下となる。これらのデータ列に「４」バイトの同期デー
タ、「４」バイトの補助データ、「８」バイトのスケー
ルデータを付加しても合計で「２０４８」バイトにしか
ならない。このことは、１０２４サンプルの２０ビット
のデータを１０２４サンプルの１６ビットのデータに圧
縮したことと等価となる。

【００２９】ところで、音声によっては、分割帯域毎に
正規化の尺度を決定しても、その尺度の大きい場合が連
続し、圧縮処理したデータ量が予定したよりも格段に大
きくなってしまう場合がある。これに対して、ＤＳＰ１
５に、データ量が所定値を超えるか否かを判断する機能
と、所定値に納まるまで必要性の低い成分、すなわち、
周波数の最も高い成分から順次ゼロとする機能を付加す
ることによって、その不具合を解消することができる。

【００３０】また、上記実施例では、分割帯域毎に周波
数成分の実数部及び虚数部の正規化の尺度を決定した
が、デジタル音楽信号が特殊な楽器音等を含まないこと
が分かっている場合には、分割帯域毎にそれぞれ正規化
の尺度を決定する必要は無く、予め、短か目に設定した
符号化の尺度を用いて符号化すれば良く、これによって
処理時間を短縮することができる。

【００３１】なおまた、上記実施例例は音楽信号を圧
縮、伸長する場合について説明したが本発明はこれに限
定されるものではなく、一般の音声信号の圧縮、伸長に
も適用できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればデ
ジタル音声信号、特にデジタル音楽信号に対して、伝送
系又は記録媒体の効率的な利用を図り得、かつ、高品位
のデジタル音声信号への復元を可能にすることができ
る。特に請求項１に記載のデータ圧縮、伸長方法は、正
規化の尺度データ、正規化されたデータの絶対値及びそ
の符号ビットを送信又は記録すると、受信又は再生側は
これらデータに基いて周波数成分の実数部及び虚数部に
復元し、得られた周波数成分に逆直交変換を施してデジ
タル音声信号に復元するので、高品位のデジタル音声信
号への復元が可能である。また、請求項２に記載のデー
タ圧縮、伸長方法は正規化の尺度の大きいデータが連続
するような場合に対処するものである。また、請求項３
に記載のデータ圧縮、伸長方法は特殊な楽器音等を含ま
ない場合に有効である。さらに、請求項４に記載のデー
タ圧縮、伸長方法は、周波数成分の対称性に鑑みて、対
称になる成分の一方を除去して絶対値データを送信又は
記録することにより、送受信データ又は記録再生データ
が略半分にして伝送系又は記録媒体のさらに効率的な利
用を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するデータ圧縮、伸長装置の構成
を示すブロック図である。

【図２】本発明を実施するデータ圧縮、伸長装置の動作
を説明するためのデータ系列図である。

【図３】本発明の原理を説明するために、時間軸のサン
プルデータと周波数軸のサンプルデータとの概略関係を
説明するための説明図である。

【図４】本発明の原理を説明するために、時間軸のサン
プルデータと周波数軸のサンプルデータとの詳細な関係
を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１１入力バッファ１２，１４，２２，２４メモリ１３，１５，２３，２５デジタル信号処理プロセッサ１６エンコード回路２１デコード回路２７出力バッファ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】デジタル音声信号を送信又は記録側で圧縮
し、受信又は再生側で伸長して音声信号に復元するデー
タ圧縮、伸長方法において、送信又は記録側は、前記デジタル音声信号を直交変換
し、得られた各周波数成分の実数部及び虚数部をそれぞ
れ複数の帯域に分割し、分割帯域毎にそれぞれ周波数成
分の絶対値の最大値より大きく、かつ、最大値に最も近
い２のべき乗を正規化の尺度に決定し、この尺度に従っ
て前記各周波数成分の実数部及び虚数部を正規化し、正
規化の尺度データ、正規化されたデータの絶対値及びそ
の符号ビットを送信又は記録し、受信又は再生側は、正規化の前記尺度データ、正規化さ
れた前記データの絶対値及びその符号ビットに基づいて
前記各周波数成分の実数部及び虚数部に復元し、得られ
た周波数成分に逆直交変換を施してデジタル音声信号に
復元する、ことを特徴とするデータ圧縮、伸長方法。
【請求項２】所定数のサンプルに対応するデータ量が所
定値を超えるとき、前記所定値に納まるまで周波数の最
も高い成分から順次ゼロとして送信又は記録する請求項
１記載のデータ圧縮、伸長方法。
【請求項３】デジタル音声信号を送信又は記録側で圧縮
し、受信又は再生側で伸長して音声信号に復元するデー
タ圧縮、伸長方法において、送信又は記録側は、前記デジタル音声信号を直交変換
し、得られた各周波数成分の実数部及び虚数部をそれぞ
れ複数の帯域に分割し、分割帯域毎に予め定めた正規化
の尺度で正規化し、正規化の尺度データ又は予め定めた
正規化の尺度であることを示すフラグ、正規化されたデ
ータの絶対値及びその符号ビットを送信又は記録し、受信又は再生側は、正規化の前記尺度データ又は予め定
めた正規化の尺度であることを示すフラグ、正規化され
た前記データの絶対値及びその符号ビットに基づいて前
記各周波数成分の実数部及び虚数部を復元し、得られた
周波数成分に逆直交変換を施してデジタル音声信号を得
ることを特徴とするデータ圧縮、伸長方法。
【請求項４】前記送信又は記録側は、所定の周波数を境
にして対称になる一方の周波数領域の周波数成分を除去
して送信又は記録し、前記受信又は再生側は、周波数成
分の対称性を利用して除去された周波数領域の周波数成
分を併せて復元することを特徴とする請求項３記載のデ
ータ圧縮、伸長方法。