JPS5918719B2 - デ−タ圧縮方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音声信号やビデオ信号等の近接した標本点間に
おいて強い相関を有するデータに対して有用なデータ圧
縮方式に関する。

一般に音声信号を標本化し、ディジタル化して記録再生
あるいは伝送する場合、８ｋＨ２のサンプリング（標本
化）周期にて一標本化当り８ｂｉｔ程度の精度で量子化
する必要がある。

この為には毎秒６４ｌｄ）ｉｔの情報処理能力を要する
ので、従来より記録装置の容量節約や通信回線の帯域幅
の狭域化を図らんが為に毎秒当りの情報量を少なくする
種々のデータ圧縮が試みられている。例えば近年では、
情報信号から予め定められた情報処理によつて特徴パラ
メータを抽出し、このパラメータを合成して上記情報信
号を復元再生するＰＡＲＣＯＲ方式等が注目されている
。

上記特徴パラメータの抽出によればデータ量を毎秒２ｋ
ｂｉｔないし４ｌｄ）ｉｔ程度と大幅に圧縮することが
できるが、その反面、特徴パラメータの抽出およびその
合成に特殊な信号処理を要し、装置構成が相当複雑化す
る不具合があつた。また復元再生情報の自然性や明瞭性
を求めんとした場合、その信号処理が極めて複雑化し、
大損りなものとなるので実現性に乏しかつた。その他、
フオルマント合成法によるデータ圧縮等も提唱されてい
るが、同様な問題があつた。本発明はこのような事情を
考慮してなされたもので、その目的とするところは、簡
易な信号処理によつて音声信号やビデオ信号等の近接し
た標本点における相関の強い情報信号データを効果的に
データ圧縮することができ、しかも原情報データに対す
る忠実性を十分に確保することのできるデータ圧縮方式
を提供することにある。

即ち本発明は音声信号やビデオ信号等は近接した標本点
において強い相関を有し、且つ周期性を有すること、ま
た雑音に対して選択抽出性を有することを効果的に利用
して理論的にも明快な従来とは異なる新規なデータ圧縮
方式を提供せんとするものである。

先ず本発明に係るデータ圧縮方式の概要につき説明する
。

本発明は音声信号やビデオ信号等が有する性質を最大限
に利用したもので、その性質は次のように列挙される。

（ａ）近接した標本点における相関が極めて強い。

（ｂ）信号データは乱数的でなく、或る程度の周期性を
有する。（ｅ）或る標本点のデータ極性と次の標本点の
データ極性が同じであることが多い。

（ｄ）復元データが完全なものでなくても情報再生に不
都合がない。

等の性質を有する。

ちなみに電子計算機等にあつては１ｂｉｔのデータ誤り
も許容されないことが多いのに比し、音声データ等では
多小のビツトエラ一が存在しても全体の音声データから
情報読取りを行うので何ら支障がない。これは、例えば
周囲が相当に騒しい環境にあつても、人間は所望とする
音声のみを聞き取ることができることからも裏付けられ
る。つまり、所望とする一つの音声データにつき着目し
た場合、残る音声データがホワイトノイズ的に作用して
上記所望データに対して意味を持たなくなる為であり、
上記残る音声データが完全にホワイトノイズ化すれば明
瞭度の一層の向上が期待できることになる。そこで本発
明方式にあつては複数の情報データを相互に乱数となる
ようにして重畳合成し、この重畳データを上記乱数化と
逆の手順で読出し再生することによつてホワイトノイズ
中から所望情報データを抽出し、これによりデータ復元
するようにしたものである。

即ち、上記重畳データを所定の順序で読出した場合、或
る情報のみがその周期性等の性質から見出され、残る成
分は乱数性等によつて意味を持たなくなることを利用し
たものである。またこのような重畳処理、即ちデータ圧
縮した場合、乱数的にＮ個のデータを加えてもその振幅
は高々Ｊとなるだけであることを利用してＳ／Ｎを確保
し、信号の忠実化および高品質化を図つている。以下、
図面を参照して本発明方式の一実施例につき説明する。

第１図は本発明に係るデータ圧縮方式を採用して構成さ
れた信号記録再生装置の概略構成図である。

マイクロホンより入力された音声信号はバツフアアンプ
やサンプル回路等から構成される入力装置を介して、例
えば１００ｋＨｚの周期でサンプリング（標本化）され
る。この標本化信号はＡ／Ｄ変換器１に導かれて１サン
プル当り１０ｂｉｔの精度で量子化されている。上記サ
ンプル周波数および量子化ビツト数は、通常の音声信号
に対するものより１０倍程度多く、その容量も膨大なも
のではあるが、後述する本発明に係るデータ圧縮処理に
よつて効果的にデータ圧縮される。しかして各標本点に
おける各量子化データは微分回路２に導かれて各標本点
間の変化分データが求められている。この微分回路２は
、このようなデイジタル処理にあつては、一般に差分器
にて構成される。そしてこの差分値はサンプル周波数が
十分高いことより十分小さい値として求められる。また
このとき、１０ｂｉｔ１７）Ａ／Ｄ変換器により精度よ
く求められる。このような信号処理により求められ入力
音声信号の情報データは、乱数アドレス発生回路３によ
つて予め定められた乱数的順序に従つてアドレス指定さ
れる記憶装置４に順次書込まれる。

疑似乱数発生はＰ．Ｑの周期を有するカウンタで行われ
る。例えばＮ番目のデータのアドレスＭはＭ＝（Ｎ＋−
Ｐのあまり）×Ｑ＋（Ｎ＋−Ｐの商）となる。上記アド
レス指定順序は、乱数アドレス発生回路３に与えられる
りセツト信号により初期化される再現性のあるもので、
音声信号周期に比して十分長い周期性を有している。そ
して記憶装置４では、同一アドレスに指定された複数の
データに対して所定の演算処理を施し、例えば上記複数
のデータを総和を求め、その極性符号と共に上記総和値
を上記アドレスに格納している。尚、信号データの負極
性成分に対しては、「２］の補数表示するようにしてお
けば、総和演算等に好都合である。この総和演算によつ
て前記音声信号のサンプルデータがデータ圧縮されて記
憶装置に書込まれることになる。具体的には、上記サン
プル周期で得られた１００秒分に亘るサンプルデータを
１秒単位に区分し、１０５個からなるアドレスを有する
記憶装置４に前述した乱数的順序に従つてアドレス指定
して信号を書込む場合、１つのアドレスには１００サン
プルのデータが指定されることになる。

この１００サンプルのデータが前述した如く総和演算処
理されて、その極性符号と共に書込まれることになる。
一方、上記のようにデータ圧縮されて記憶装置４に書込
まれた情報データは、前記乱数アドレス発生回路３のア
ドレス指定制御を受けて前記乱数的順序と同じ順序で読
出される。

この際、後に詳述するが、データ圧縮により重畳された
各データを反映した極性符号データのみが順状読出され
る。この乱数的に読出されたデータ系列は原情報信号で
ある音声信号波形の前記微分回路２を介して得られた差
分データ系列に対応し、これを反映したものとなつてい
る。そして、この読出しデータはアツプダウンカウンタ
等からなる積分回路５に入力されて積分処理され、音声
信号波形に対応した信号に変換されている。補正回路６
は誤差によるドリフト等の不要信号分を抑制して信号補
正を行つており、この補正回路６の出力を受けてＤ／Ａ
変換器７は量子化データをアナログ信号に復元している
。そしてアナログ復元信号は図示しないフイルタ回路等
を介して高周波成分除去等がなされたのち、出力装置か
らスピーカへと供給され、ここに音声信号再生がなされ
ている。ところで、前記記憶装置４への予め定められた
乱数的順序に従うアドレス指定によつて書込まれるデー
タ圧縮作用、およびその復元作用は次のように説明され
る。

第２図はその作用を模式的に示すもので、上述した例で
は１秒間のデータが１００サンプルあるところ、ここで
は３サンプルとし、また９単位期間のみを抽出して簡易
化して表記してある。所定のサンプリング周期で連続す
る標本化データに対して、ここでは一単位時間毎に区分
してＡ，Ｂ．Ｃなるコードを付し、そのデータ系列を１
、２・・・・・・・・・、９なるサフイクスを付して示
してある。

従つて入力音声信号のデータ系列は、第２図ａに示すよ
うにＡｌ，Ａ２，・・・・・・・・・，Ａ９，Ｂｌ，Ｂ
２，・・・・・・・・・，Ｂ９，Ｃｌ，Ｃ２，・・・・
・・・・・，Ｃ９として示される。しかしてこれらのデ
ータは、単位時間毎に前述した乱数的順序に従つて記憶
装置４のアドレスにそれぞれランダム指定されて供給さ
れる。例えばデータ系列Ａに対して「１、２、３、４、
５、６、ノ７、８、９」なる順序でアドレス指定がなさ
れ、データ系列Ｂに対しては「６、８、４、２、９、７
、５、１」なる順序、そしてデータ系列Ｃに対しては「
５、８、２、４、７、１、２、９」なる順序で所定の規
則に従う乱数的なアドレス指定が行われる。

この場合、隣接標本点のデータが連続したアドレスに格
納されることがないような乱数構成がなされている。従
つて、全体としてデータの分散化がなされ、他のデータ
系列との間の相関が十分低くなるようになつている。従
つて、データ配列構成は第２図ｂに示すようになり、例
えば同一アドレスには「Ａｌ，Ｂ，，Ｃ６」のように相
関のないデータが指定される。尚、この乱数化は、再現
性のある乱数系列を採用することが必須の条件である。
かくしてこのような乱数化配列したデータ系列に着目す
れば、データ系列Ａに対して他のデータ系列Ｂ，Ｃは全
くランダムな音韻を有さないホワイトノイズと看做すこ
とができる。即ち、特定のデータ系列に着目すれば、残
るデータ系列は全てホワイトノイズとしての意味しか持
たなくなる。従つて、或るデータ系列のみをその乱数的
配列順序を逆に辿つてデータ系列再生して信号復元した
場合には、残るデータが全てホワイトノイズとして再生
信号に含まれるだけなので、ここに所望するデータ系列
の情報信号のみを抽出することが可能となる。従つて今
、同一アドレスに指定された複数のデータに対して所定
の演算処理を施し、これらのデータを反映する情報Ｓを
得る。

例えばデータＡｌ，Ｂ９，Ｃ６より情報Ｓ１を得、各ア
ドレスＡ２，Ｂ４，Ｃ３より情報Ｓ２を得、各アドレス
につきそれぞれ情報Ｓ１〜Ｓ９を求める。これらの情報
Ｓ１〜Ｓ，を記憶装置４に格納するようにする。即ち、
データＡ，Ｂ，Ｃが正なるとき自然２進数として示され
、負なるとき「２」の補数として示されるとき、情報Ｓ
はデータＡ，Ｂ，Ｃの総和演算により、その極性が正ま
たは零のとき「０」、負のとき「１」として与えられる
。つまり総和値のサインビツトデータがそのまま情報Ｓ
として用いられる。またこのような演算処理によれば、
不要データであるノイズ成分によつてデータ値が極端に
大きくなることが効果的に抑制される。例えば、原信号
波形の信号レベルが１あり、これが１００チヤンネル合
成された場合の信号レベルが１００Ｖに達することが予
想されるが、上述した本方式に係る演算処理によれば正
負の極性しか判別しない為、極端に大きい成分が自動的
に飽和するので不都合が生じることはない。換言すれば
、情報「０」を１ｖに対応させるとすれば、１００チヤ
ンネルのデータ系列のデータ合計レベルが何ボルトにな
ろうとも、データとして１を越えることがなくなる。尚
、情報「０」と「１」にそれぞれ何ボルトを対応させる
かは仕様に応じて定めればよいものであり、またチヤン
ネル数の増減によつて合計レベルが左右されることもな
い。ところで、各チヤンネルのデータ系列から見た場合
、記憶装置４にデータ圧縮情報として書込まれるデータ
は「０」と「１」のいずれか一方として与えられること
になる。

また別のチヤンネルのデータが上記情報Ｓのデータ「Ｏ
」および「１」に及ぼす影響は、同データ「０」および
「１」が正しく現われない確率として示される。別の表
現によれば、入力音声信号（先に示した装置では、電圧
値として示される微分値）は、上記情報Ｓを求める演算
処理において、「１」、「０」が正しく出現する為の確
率としての意味を持つ。従つて、例えば情報Ｓ１を求め
る演算において、データＡ，，Ｂ，，Ｃ６のうちデータ
Ａ１の絶対値１Ａ１１が大きければ、上記情報Ｓ１はデ
ータＡ１に引込まれて 二Ａ１の極性符号側に設定され
る確率が高くなる。故にこの場合にあつては、情報Ｓ１
はデータＡ１を一番良く反映したものとなる。然乍ら、
音声信号の有する性質から、近接標本点の情報Ｓを参酌
してこれを補償して信号再生に供することもある。 Ｊ
かくしてこのような演算処理により求められた情報Ｓｌ
，Ｓ２，〜，Ｓ，は第２図ｃに示す系列のデータとして
記憶装置４の各アドレスにそれぞれ格納される。しかし
て記憶装置４に格納されたデータは各チ ｊヤンネル毎
に前記した乱数的順序に従うアドレス指定により、第２
図ｄに示すように繰返して読出される。

即ち、各アドレスのデータは複数チヤンネルのデータ系
列を構成する各データが畳込まれたものであるから、上
記チヤンネル数に相当した ４回数だけ繰返して読出さ
れる。従つて、データ系列Ａに対しては、情報Ｓｌ，Ｓ
２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ，なる系
列でデータが読出され、これに続いて情報Ｓ９，Ｓ４，
Ｓ８，Ｓ３，Ｓ７，Ｓ，，Ｓ６，Ｓ２，Ｓ５が、次に情
報Ｓ６，Ｓ３，Ｓ７，Ｓ４，Ｓｌ，Ｓ８，Ｓ５，Ｓ２，
Ｓ，が順に読出されることになる。従つて、上記情報系
列Ｓｌ，Ｓ２，〜，Ｓ，に着目してみれば、この情報系
列はデータ系列Ａを反映し、同情報に畳込まれたデータ
系列Ｂ，Ｃのデータはそれぞれ分散されてホワイトノイ
ズ化されている為、これを無視して上記データ系列Ａの
情報のみを抽出再生することが可能となる。また２チヤ
ンネル目の情報系列についてみればデータ系ＪｌＢを反
映しており、データ系列Ａ，Ｃのデータ成分はホワイト
ノイズ化されている。同様に３チヤンネル目の情報系列
についてみればデータ系列Ｃを反映し、データ系列Ａ，
Ｂのデータ成分がホワイトノイズ化されている。従つて
ここにデータ圧縮された情報系列Ｓから極めて効果的に
データ再生を行うことが可能となる。尚、このデータ読
出しの乱数的順序に従うアドレス指定は、データ圧縮時
と同一順序で行うものであるから、乱数アドレス発生回
路３は再現性ある乱数パターンを発生することは勿論の
ことである。この場合、同一アドレスを１００チヤンネ
ルに対応して１００回アクセスすることになるので、各
アドレス指定ビツト数として１７ビツトを定めておけば
、各チヤンネル当り１０ｂｉｔの精度を反映できる。し
かし実際には無音声期間等の余裕がある為、１６ビツト
でも十分である。ところで１００チヤンネルのデータが
圧縮された記憶装置４の格納データは、注目する１チヤ
ンネルのデータに残り９９チヤンネルのランダム性ノイ
ズ化されたデータが重畳されたものとなつている。

この為、上記ノイズによる誤差分はデータ圧縮チヤンネ
ル数の％乗に比例して増大しており、これ故、データ再
生のＤ／Ａ変換有効ビツト数を越える虞れがある。そこ
で前記補正回路６では、アツプダウンカウンタからなる
積分回路５の出力が正なるとき、予め設定した係数を乗
じたのちカウンタにて減算処理を行い、逆に負なるとき
には加算処理を行つている。これによつて補正出力が常
に零レベルに近付くように補償され、誤差分の抑圧が行
われている。尚、Ｄ／Ａ変換器７は例えば１６ビツト構
成され、実際の変換に要する１０ビツトに対して残つた
６ビツトを上述した誤差ドリフトを許容する為に備えら
れている。尚、補正回路６によつて発生する歪は上記ノ
イズによる誤差分より低く抑えられることは云うまでも
ない。ホワイトノイズ成分は１００ｋＨｚの乱数である
ためほとんど聞こえない。以上述べたように本方式を適
用して構成された装置によれば、１００秒分のデータを
１秒分に圧縮することができ、上述した１００秒分のデ
ータを高々１０５ｂｉｔで表現することを可能とする。

従つてデータ速度を１ｋｉ）Ｉｔ／Ｓｅｃとして容量の
大幅な低減を図り得る。しかも上述したように圧縮アル
ゴリズムが極めて簡単である上、自然性にも優れている
と云う効果を奏する。次に上記した本方式によるＳ／Ｎ
について説明する。

次表はデータＡ，Ｂ，Ｃのとり得る値を簡単のために１
、０のみとしこれによつて生成される情報Ｓとの一致不
一致を示したものである。Ａ＝Ｓなる確率が５０％であ
るとき、情報ＳはデータＡを全く反映していないことを
意味し、逆にＡ＝Ｓなる確率が１００％あるいはＯ％の
とき情報ＳはデータＡを極めて良く反映していると云え
る。つまりこの場合、情報ＳによつてデータＡが完全に
示されると云つても過言ではない。しかして今、上記表
に示されるデータＡ，Ｂ，Ｃによつて生成される情報Ｓ
は、単純に考えるならば情報Ｓに対するデータＡ，Ｂ，
Ｃの寄与の度合が同等であるから、Ａ−Ｓとなる確率は
かなように、その確率は７５％にも達する。

これはデータＢ，Ｃについても同様である。しかして更
に考察を進めるならば、１００チヤンネルのデータに対
しては二項定理に従うところ、Ａ−Ｓなる確率はになる
。

従つて逆にＡ＼Ｓなる確率は４５％となる。この４５％
の確率は１００チヤンネルのうちの９９チヤンネルのデ
ータがランダム化されたノイズとして寄与する為に生じ
るものであり、またこの性質を積極的に利用して本発明
に係るデータ圧縮がなされているのである。そこで今、
５０％から１００％の間にある情報のみを信号分として
考えると、１００チヤンネルの時、上記信号分は１／Ｊ
丁ｈ下、つまり０．１となる。また音声信号波形の周波
数が４ｋＨｚであつたとすれば、この信号成分は１００
ｋＨｚのサンプリング点によつて示されるデータ系列の
うち２５点によつて代表されることになる。これらの２
５点のサンプリングデータにより生じる誤差分、つまり
ランダムウオーク成分はＪΣτ＝５ドツトである。これ
に対して上記信号分は上記２５点中の０．１であるから
２．５ドツトとなり、従つてＳ／Ｎは０．５となること
になる。然乍ら実際には、各チヤンネルのデータ信号が
情報Ｓに寄与する割合は均等ではなく、注目したチヤン
ネルに比して少ないのが一般的であるから、Ｓ／Ｎは上
述した値以上に改善される。即ち先ず簡単に考えられる
ことは、音声信号中に含まれる無音声期間は、一般に相
当長いことであり、この分だけ着目したデータの情報Ｓ
に対する寄与率が高いと考えることができる。また音声
信号の波形を分析してみれば、各ピツチの始りにおいて
波形振幅が大きく、しだいに波形振幅が小さくなる。従
つて音声ピツチの後半部に存在する情報量が小さく、そ
れだけ情報Ｓに対する寄与率も少ないと考えられる。し
かも音声信号の波形の中で強度の高い部分は情報Ｓに対
する寄与率が高い上、Ｓ／Ｎも大きくなるので、その結
果全体としての音韻の把握に有用である。このような音
声信号の性質を考え合せれば、前述したＳ／Ｎは高々０
．５程度でなく、容易に１以上となり、信号の復元再生
に十分である。

また上述した考察は４ｋＨｚの音声信号成分に対して行
つたものであるが、音韻の決定に更に良く寄与するのは
１００Ｈｚ程度の低い周波数であるから、これについて
同様に考察してみれば、サンプリング数が１０３個でそ
のランダムウオーク誤差が３２、一方、信号分は二×１
０３＝１００として明快な信号として現われる。故に極
めて明瞭に音声信号認識することが可能となる。つまり
低周波成分についてはＳ／Ｎのよい信号再生が可能であ
る。また高い周波数についてはＳ／Ｎが悪くなるが、信
号の出現率、寄与率も高くなる為、さほどその成分が失
われる虞れがない。故に音声信号に対して効果的なデー
タ復元再生を可能とする。ところで、今迄の説明では連
続した音声信号の１００チヤンネル分、つまり１００秒
分を１秒の信号にデータ圧縮するものを例に説明した。
然乍ら、独立した１００チヤンネルの音声信号を１チャ
ンネルに重畳してデータ圧縮することも可能である。即
ち、第３図ａ−ｄに示すように独立したチヤンネルのデ
ータを０．１秒等に設定された基本単位時間に抽出し、
これを同図ｂに示すように乱数的配列して取込む。しか
るのち、これらの各データに対する総和演算を行つて第
３図ｃに示すよ゛うに一旦記憶し、これを通信あるいは
記憶保持する。しかるのち同データを先の乱数的配列順
序に従つて第３図ｄに示すように読み出すことによつて
データ再生が行われる。このようにすればデータ圧縮再
生の実時間処理が可能であり、高々２単位時間（０．２
秒）の信号遅延が生じるのみである。しかも少ない信号
容量を以つて大量の情報（１００チヤンネル分）を同時
通信することが可能である。

その上、上記信号遅延は国際電話の時に生じる遅れに比
べても少ないものであるから、実用上不具合を生じる虞
れがない。また基本単位時間を更に短く設定することも
できるので、全く不都合を招くことなくデータ圧縮によ
る通信を可能とする。尚、本発明は上記実施例にのみ限
定されるものではない。

例えばデータ圧縮の対象となる信号を、同じ波形から周
波数分離した各周波数成分のものとしてもよい。また同
一アドレスに与えられるデータ数を均等に分配すること
なく、単純乱数的順序に従つて不均等にしても不都合を
招くことはない。更には音声信号に限らず、ビデオ信号
や文字・パターン情報に対しても適用できる。また情報
Ｓの形態も種々変えることが可能である。２ｂｉｔ以上
の２進化情報としてもよい。

更にはチヤンネル数やビツト数等は仕様に応じて定めれ
ばよく、微分積分処理を省略してＡ／Ｄ変換データを直
接的にデータ圧縮処理するようにしてもよい。この場合
は符号のみを用いるのではなくメモリ内容を直接Ｄ／Ａ
に出力する。また乱数の発生手法もかけ算の中央部分を
とる等種々変形でき、要するにアドレス指定時に再現性
があればよい。要するに本発明はその要旨を逸脱しない
範囲で種々変形して各種装置に広く適用して実施するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方式を適用して構成された信
号記録再生装置の概略構成図、第２図ａ〜ｄはデータ圧
縮とその復元作用を示す図、第３図ａ−ｄは他の実施例
のデータ圧縮と復元作用を示す図である。 １・・・・・・Ａ／Ｄ変換器、２・・・・・・微分回路
、３・・・・・・乱数アドレス発生回路、４・・・・・
・記憶装置、５・・・・・・積分回路、６・・・・・・
補正回路、７・・・・・・Ｄ／Ａ変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 近接した標本点において強い相関を持つ標本化デー
   タに対して予め定められた順序に従つてメモリのアドレ
   スを順次指定し、同一アドレスに指定された上記複数の
   標本化データの所定の演算処理結果を上記指定アドレス
   に書込み、前記メモリの各アドレスに書込まれた演算処
   理結果を前記順序に従つて順次読出してデータ復元する
   ことを特徴とするデータ圧縮方式。 ２ 指定アドレスに書込まれる複数の標本化データの演
   算処理結果は、上記複数の標本化データの総和値の極性
   符号である特許請求の範囲第１項記載のデータ圧縮方式
   。 ３ 標本化データは、原情報データの差分情報としてメ
   モリに与えられるものであつて、メモリから読出されて
   復元されるデータは、演算処理結果を累積加算処理して
   得られるものである特許請求の範囲第１項記載のデータ
   圧縮方式。 ４ 定められた順序は、複数の標本化データ系列に対し
   て十分長い繰返し周期を有する疑似乱数であり、同一ア
   ドレスに指定される標本化データに対してランダム性を
   有するものである特許請求の範囲第１項記載のデータ圧
   縮方式。