JP2899024B2 - Vector quantization method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、音声の分析合成系や音声波形符号化に用
いられ、音声信号などの時系列信号のスペクトル包絡特
性を表すLPCスペクトルパラメータを少ない情報量で効
率良く符号化するベクトル量子化方法に関するものであ
る。The present invention is used in a speech analysis / synthesis system and speech waveform coding, and has a small number of LPC spectrum parameters representing a spectrum envelope characteristic of a time-series signal such as a speech signal. The present invention relates to a vector quantization method for encoding efficiently with an information amount.
「従来の技術」 音声のスペクトルパラメータをできるだけ少ない情報
量で符号化することは、音声分析合成系や音声波形符号
化において基本となる技術である。音声のスペクトルパ
ラメータの低ビット符号化に有効な方法として、これま
でベクトル量子化法が知られている。ベクトル量子化法
では、複数個のパラメータを一つにまとめてベクトルと
見なして標準パタンベクトルとの距離を求め、複数個の
標準パタンの中から距離が最も小さくなる標準パタンを
選択して量子化出力とする。この場合、入力ベクトルと
標準パタンベクトル間の距離尺度と距離が最小となる標
準パタンを見出すための探索方法がベクトル量子化の基
本要素となる。従来のベクトル量子化で用いられている
距離尺度と探索方法に関しては、文献(R.M.Gray著“Ve
ctor Quatization",IEEE ASSP Magazine Vol.1No.2 198
4)、あるいは文献(古井著“デジタル音声処理",東海
大学出版会、1985)にその詳細に記載されている。[Background Art] Encoding a speech spectral parameter with a minimum amount of information is a basic technique in a speech analysis / synthesis system and speech waveform encoding. A vector quantization method has been known as an effective method for low-bit coding of speech spectral parameters. In the vector quantization method, a plurality of parameters are grouped into one and regarded as a vector to determine the distance from the standard pattern vector, and a standard pattern having the smallest distance is selected from among the plurality of standard patterns to perform quantization. Output. In this case, a basic measure of vector quantization is a distance scale between the input vector and the standard pattern vector and a search method for finding a standard pattern that minimizes the distance. For the distance measure and search method used in the conventional vector quantization, see RMGray's “Ve
ctor Quatization ", IEEE ASSP Magazine Vol.1No.2 198
4) or in the literature (Furui, "Digital Speech Processing", Tokai University Press, 1985).
スペクトルパラメータのベクトル量子化で用いられる
距離尺度としては、これまでLPCパラメータベクトル間
の平均二乗誤差(ユークリッド距離)や重み付き平均二
乗誤差、あるいは対数尤度比などが用いられてきた。こ
れらの距離尺度の良否は、通常、符号化音声のスペクト
ル歪みによって測られ、最終的には符号化音声の主観的
な品質によって判断される。スペクトル歪みは、通常入
力音声と符号化音声との対数スペクトル間の二乗誤差を
各周波数成分毎に求め、これを全帯域にわたって加算し
た平均歪みとして算出する。一方、各周波数成分毎のス
ペクトル歪みは聴感上は異なる寄与を持つ。このような
聴覚的な特性を利用したスペクトル歪み尺度としてメル
ケプストラム尺度がある。メルケプストラム尺度は、各
周波数でのスペクトル歪みを不均一な周波数間隔で求
め、これを全帯域にわたって加算したスペクトル歪みと
して定義される。具体的には対数周波数軸に対して対数
振幅スペクトルをフーリエ級数展開することによりメル
ケプストラム係数を求め、入力音声と符号化音声のメル
ケプストラム係数間の平均二乗誤差が最小になるように
メルケプストラム係数を量子化する。メルケプストラム
尺度を音声分析合成系に適用した具体例は、文献、北
村、今井“メルケプストラムを利用する音声の分析合成
系と合成音声の品質",電子情報通信学会、J68−A,9,198
5に記載されている。この文献では、個々のメルケプス
トラム係数をスカラー量子化する方法が用いられている
が、これらの係数をまとめてベクトル量子化する方法に
拡張することは容易に推察できる。この方法では、周波
数軸を対数目盛りにとることにより、相対的に高域より
低域での振幅スペクトル成分が精度良く再現され、一様
な周波数目盛を用いる方法にくらべて同一ビットレート
で符号化した音声の主観的な品質を向上させることがで
きる。しかし、メルケプストラムを用いる方法では、周
波数軸に沿ったスペクトル歪みの重み付けは入力音声の
スペクトルの特性とは無関係に固定であることから、ス
ペクトル特性が時間的に変化する音声信号のような信号
に対しては、スペクトル歪みに関する聴感的な性質が十
分に反映されていない。その結果、スペクトルパラメー
タの符号化に要するビットレートが十分に低減できない
問題があった。また、メルケプストラム係数をベクトル
量子化する場合には、合成フィルタの安定性を保証する
メルケプストラム係数の標準パタンを作成することは困
難であった。As a distance measure used in vector quantization of spectral parameters, a mean square error (Euclidean distance) between LPC parameter vectors, a weighted mean square error, a log likelihood ratio, and the like have been used. The quality of these distance measures is usually measured by the spectral distortion of the coded speech and ultimately determined by the subjective quality of the coded speech. The spectrum distortion is calculated as an average distortion obtained by calculating a square error between a logarithmic spectrum of an input speech and a coded speech for each frequency component, and adding this over the entire band. On the other hand, the spectral distortion for each frequency component has a different contribution to the audibility. There is a mel-cepstral scale as a spectrum distortion scale utilizing such auditory characteristics. The mel-cepstral scale is defined as the spectral distortion obtained by calculating the spectral distortion at each frequency at non-uniform frequency intervals and adding this over the entire band. Specifically, the mel-cepstral coefficients are obtained by Fourier series expansion of the log-amplitude spectrum with respect to the logarithmic frequency axis, and the mel-cepstral coefficients are minimized so that the mean square error between the mel-cepstral coefficients of the input speech and the coded speech is minimized. Is quantized. A specific example of applying the mel-cepstral scale to a speech analysis / synthesis system is described in the literature, Kitamura and Imai, "Speech analysis-synthesis system using mel-cepstrum and quality of synthesized speech", IEICE, J68-A, 9,198.
It is described in 5. In this document, a method of scalar quantizing individual mel-cepstral coefficients is used. However, it can be easily inferred that the method is extended to a method of vector quantizing these coefficients collectively. In this method, the logarithmic scale of the frequency axis is used to accurately reproduce the amplitude spectrum components in the lower frequency range than the high frequency range, and the coding is performed at the same bit rate as compared with the method using a uniform frequency scale. The subjective quality of the reproduced speech can be improved. However, in the method using the mel-cepstrum, the weighting of the spectrum distortion along the frequency axis is fixed independently of the spectrum characteristics of the input voice, so that the signal such as a voice signal whose spectral characteristics change with time is fixed. On the other hand, the audible nature of the spectral distortion is not sufficiently reflected. As a result, there is a problem that the bit rate required for coding the spectrum parameter cannot be sufficiently reduced. Further, when vector quantizing the mel-cepstral coefficient, it has been difficult to create a standard pattern of the mel-cepstral coefficient that guarantees the stability of the synthesis filter.
この発明の目的は、音声や音響信号などの時系列信号
のスペクトル包絡パラメータ、特にLPCパラメータを少
ないビットレートで符号化し、かつスペクトル歪みに関
する聴感的な性質を利用したスペクトル距離尺度を用い
てLPCパラメータをベクトル量子化する方法を提供する
ことにある。An object of the present invention is to encode a spectral envelope parameter of a time-series signal such as a voice or an acoustic signal, particularly an LPC parameter at a low bit rate, and use an LPC parameter using a spectral distance measure that utilizes an audible property regarding spectral distortion. Is to provide a method of vector quantizing.
「課題を解決するための手段」 この発明によれば入力信号のLCPパラメータと標準パ
タンとのスペクトル距離として入力信号のスペクトル包
絡の強度に応じて重みづけしたスペクトル距離を求め、
このようなスペクトル距離が最小となる標準パタンを選
択して、その標準パタンを量子化出力とする。According to the present invention, a spectrum distance weighted according to the intensity of the spectrum envelope of the input signal as a spectrum distance between the LCP parameter of the input signal and the standard pattern,
A standard pattern with such a minimum spectral distance is selected, and the standard pattern is used as a quantized output.
入力信号のスペクトル包絡の強度に応じて重みづけし
たスペクトル距離は重みつきケプストラム距離として次
のように求められる。2つの全極形のパワースペクトル
をf(λ),(λ)とした時、重みつき対数スペクト
ル歪みを次式で定義する。The spectral distance weighted according to the intensity of the spectral envelope of the input signal is obtained as a weighted cepstrum distance as follows. Assuming that the power spectra of the two all-pole types are f (λ) and (λ), the weighted log spectrum distortion is defined by the following equation.
重みの特性W(λ)はスペクトルf(λ)の振幅強度
が強い周波数成分に対して大きな値をとるように、入力
音声の予測係数αKから決定される。その算出方法は実
施例の中で述べる。パワースペクトルf,は、次のよう
にフーリエ級数展開される。 The weighting characteristic W (λ) is determined from the prediction coefficient α K of the input speech such that the weight characteristic W (λ) takes a large value for a frequency component having a strong amplitude intensity of the spectrum f (λ). The calculation method will be described in an embodiment. The power spectrum f, is subjected to Fourier series expansion as follows.
ここで、ck,kはケプストラム係数であり、c0=
0=0、ck=c-k、k=-kである。全極形スペクト
ルに対するケプストラム係数は次の漸化式を用いて予測
係数から求められる。 Here, c k and k are cepstrum coefficients, and c 0 =
0 = 0, ck = c- k , k = -k . The cepstrum coefficient for the all-pole spectrum is obtained from the prediction coefficient using the following recurrence formula.
ただし、上式においてak=0(k>p)である。k
もkから上式を用いて同様に求められる。この時、ケ
プストラム係数を用いて重みつき対数スペクトル歪みは
次のように書き換えられる。以下、この歪み尺度を重み
つきケプストラム距離と呼ぶ。 However, in the above equation, a k = 0 (k> p). k
Is similarly obtained from k using the above equation. At this time, the weighted logarithmic spectral distortion is rewritten as follows using the cepstrum coefficient. Hereinafter, this distortion measure is referred to as a weighted cepstrum distance.
ここで、γはケプストラムの打ち切り次数である、ck
wは重みつきケプストラム係数であり、ケプストラム係
数と重み係数との畳み込み演算により次式で与えられ
る。 Where γ is the cepstrum truncation order, c k
w is a weighted cepstrum coefficient, which is given by the following equation by a convolution operation of the cepstrum coefficient and the weighting coefficient.
ケプストラム係数を要素とするベクトルをc=(c
−γ,…,c0,…,cγ)t、=(−γ,…,0,…,
γ)t(tは転値を表す)とすると、重みつきケプス
トラム距離は近似的に次式で表される。 A vector having cepstrum coefficients as elements is represented by c = (c
−γ ,…, c 0 ,…, c γ ) t , = (− γ ,…, 0 ,…,
Assuming that γ ) t (t represents an inverted value), the weighted cepstrum distance is approximately expressed by the following equation.
d2=(c−)tV(c−) (2) ここで、Vは2γ+1×2γ+1の重み行列であり、
行列の要素vijは重み係数wkの相関関数として次式で与
えられる。d 2 = (c−) t V (c−) (2) where V is a 2γ + 1 × 2γ + 1 weight matrix,
The matrix element v ij is given by the following equation as a correlation function of the weight coefficient w k .
ただし、wk=0(k<0,k>q)である。 Here, w k = 0 (k <0, k> q).
「実施例」 次に、この発明の実施例について説明する。第1図は
この発明によるLPCパラメータのベクトル量子化の構成
例を示したものである。入力端子1から標本化された音
声信号のサンプル系列が入力される。LPC分析部2で
は、10−20msのフレーム周期毎に、20−30msの分析窓内
に含まれる音声信号のサンプル値に関して線形予測分析
を行い、p個の予測係数αi(i=1,2,…,p)を求め
る。ケプストラム係数算出部3では、(1)式にしたが
って、予測係数からγ個のケプストラム係数ck(k=1,
2,…,γ)を求める。重み係数算出部4では、重みつき
ケプストラム距離における重み係数wkを以下の手順で算
出する。重み係数の算出方法として次のような3つの方
法が考えられる。"Example" Next, an example of the present invention will be described. FIG. 1 shows a configuration example of vector quantization of LPC parameters according to the present invention. A sample sequence of a sampled audio signal is input from an input terminal 1. The LPC analysis unit 2 performs a linear prediction analysis on the sample value of the audio signal included in the analysis window of 20 to 30 ms for each frame period of 10 to 20 ms, and obtains p prediction coefficients α i (i = 1, 2 ,…, P). The cepstrum coefficient calculator 3 calculates γ cepstrum coefficients c k (k = 1,
2, ..., γ). The weight coefficient calculation unit 4 calculates a weight coefficient w k at the weighted cepstrum distance in the following procedure. The following three methods are conceivable as calculation methods of the weight coefficient.
・方法1 極のバンド幅を拡大した線形予測フィルタA(γ
z-1)の逆特性を低次の全極形のフィルタで近似し、そ
の時の予測係数を重み係数とする。具体的には、 とし、予測係数をα′k=αkγk(k=1,2,…,p),
α′0=1として求める。次に、予測係数α′kの自己
相関関数を として求め、次の連立方程式を解いて重み係数を算出す
る。-Method 1 Linear prediction filter A (γ
The inverse characteristic of z -1 ) is approximated by a low-order all-pole filter, and the prediction coefficient at that time is used as a weight coefficient. In particular, And the prediction coefficients are α ′ k = α k γ k (k = 1, 2,..., P),
α ′ 0 = 1. Next, the autocorrelation function of the prediction coefficient α ′ k is And solve the following simultaneous equations to calculate the weighting coefficients.
ただし、w0=1である。 However, w 0 = 1.
・方法2 極のバンド幅を拡大した線形予測フィルタA(γ
z-1)に対するインパルス応答として重み係数を次式に
より求める。Method 2 Linear prediction filter A (γ
The weighting factor is obtained by the following equation as an impulse response to z -1 ).
ここで、wk=0(k<0)、δkはクロネッカのデル
タ関数であり、δ0=1、δk=0(k≠0)である。 Here, w k = 0 (k <0), δ k is a Kronecker delta function, and δ 0 = 1 and δ k = 0 (k ≠ 0).
・方法3 フィルタA(z-1)/A(γz-1)のインパルス応答とし
て重み係数を次式により求める。Method 3 A weighting factor is obtained by the following equation as an impulse response of the filter A (z -1 ) / A (γz -1 ).
方法1と方法2では、いづれも入力音声のLPCスペク
トルの外形に応じて、各周波数でのスペクトル歪みが重
みづけられる。重み定数γは、LPCスペクトルのバンド
幅を変化させる定数であり、0γの範囲の値をとる。
γ=1の時に重みづけの程度も最も大きく、0に近づく
ほど重みづけの程度が弱まり、γ=0の時重み係数はw0
=1、wk=0(k>0)となり各周波数でのスペクトル
歪みの重みづけは均一になる。通常は0.4−0.6の値が用
いられる。一方、方法3はLPCスペクトルのピークの付
近でのスクトル歪みに重みづけが行われる。γ=0の時
に重みづけの程度が最も大きく、1に近づくほど重みづ
けの程度が弱まり、γ=1の時重み係数はw0=1、wk=
0(k>0)となり各周波数でのスペクトル歪みの重み
づけは均一になる。通常は0.4−0.8の値が用いられる。 In each of the methods 1 and 2, the spectral distortion at each frequency is weighted according to the contour of the LPC spectrum of the input voice. The weight constant γ is a constant that changes the bandwidth of the LPC spectrum, and takes a value in the range of 0γ.
When γ = 1, the degree of weighting is the largest, and as it approaches 0, the degree of weighting decreases. When γ = 0, the weighting factor is w 0
= 1, w k = 0 (k> 0), and the weighting of the spectrum distortion at each frequency becomes uniform. Usually, a value of 0.4-0.6 is used. On the other hand, in method 3, weighting is applied to the strain distortion near the peak of the LPC spectrum. When γ = 0, the degree of weighting is the largest, and as it approaches 1, the degree of weighting decreases. When γ = 1, the weighting factors are w 0 = 1 and w k =
0 (k> 0), and the weighting of the spectrum distortion at each frequency becomes uniform. Usually, a value of 0.4-0.8 is used.
ベクトル量子化は複数個のコードブックを用いて多段
階に行われる。第1図の実施例では3段階の構成が示さ
れている。コードブック6には、LSPパラメータを要素
とするM1個のコードベクトル(標準パターン)θ
i (1)(i=1,2,…,M1)が蓄えられている。また、コー
ドブック9、12には、正規乱数を要素とするMn個のコー
ドベクトルθi (n)(i=1,2,…,Mn)が蓄えられてい
る。Vector quantization is performed in multiple stages using a plurality of codebooks. In the embodiment of FIG. 1, a three-stage configuration is shown. The codebook 6 includes M 1 code vectors (standard patterns) θ having LSP parameters as elements.
i (1) (i = 1, 2,..., M 1 ) is stored. In addition, the codebook 9, 12, M n-number of code vectors θ i (n) (i = 1,2, ..., M n) to the normal random entries are stored.
多段ベクトル量子化の手順は、まずコードブック6に
含まれる各LSPパラメータを変換部7においてケプスト
ラム係数i (1)に変換する。最小距離探索部8では、ケ
プストラム係数を要素とする入力ベクトルcとコードベ
クトルi (1)との間の重みつきケプストラム距離を
(2)式によって算出し、全てのコードベクトルの中か
ら距離が最小となるコードベクトルを決定する。その時
の最適なコードベクトルの番号を1とし、1段目のLS
Pパラメータの量子化出力を として出力する。2段目では、1段目における最適なLS
Pパラメータとコードブック9に含まれる各コードベク
トルとを換算した後、変換部10でケプストラム係数i
(2)に変換し、最小距離探索部11において1段目と同様
な手順により重みつきケプストラム距離が最小となるコ
ードベクトルを決定する。この時の最適なコード番号
2とし、LSPパラメータの量子化出力を として出力する。各段での量子化手順は次式によって表
される。In the multi-stage vector quantization procedure, first, each LSP parameter included in the codebook 6 is converted into a cepstrum coefficient i (1) by the conversion unit 7. The minimum distance search unit 8 calculates the weighted cepstrum distance between the input vector c having the cepstrum coefficient as an element and the code vector i (1) according to the equation (2), and calculates the minimum distance among all the code vectors. Is determined. The optimal code vector number at that time is set to 1 and the first stage LS
P parameter quantization output Output as In the second stage, the optimal LS in the first stage
After converting the P parameter and each code vector included in the codebook 9, the conversion section 10 converts the cepstrum coefficient i
(2) , and the minimum distance search unit 11 determines the code vector with the minimum weighted cepstrum distance by the same procedure as in the first stage. Optimal code number at this time
2 and the quantized output of the LSP parameter Output as The quantization procedure at each stage is represented by the following equation.
N段の多段ベクトル量子化を行うことにより入力音声
の予測係数は各段における最適なコードベクトルの番号
の組{1,2,…,N}によって表される。LPCパラ
メータの量子化出力は、変換部15において最適なLSPパ
ラメータ を変換することにより求められる。LSPパラメータから
予測係数やパーコール係数などのLPCパラメータを求め
る手順は、前述の古井著の文献に記載されている。復号
化は、各コードブックの中から番号n(n=1,2,…,
N)にしたがってコードベクトルを読み出し、それらを
加算してLSPパラメータを求める。パーコール係数や予
測係数など他のLPCパラメータを求めたい場合は、LSPパ
ラメータを変換することによって求められる。 By performing N-stage multi-stage vector quantization, the prediction coefficient of the input speech is represented by the optimal set of code vector numbers { 1 , 2 ,..., N } in each stage. The quantization output of the LPC parameter is converted to the optimum LSP parameter Is obtained by converting The procedure for obtaining LPC parameters such as prediction coefficients and Percoll coefficients from LSP parameters is described in the above-mentioned document by Furui. Decoding is performed by using a number n (n = 1, 2,...,
The code vectors are read according to N), and they are added to obtain the LSP parameter. If another LPC parameter such as a Percoll coefficient or a prediction coefficient is to be obtained, it is obtained by converting the LSP parameter.
各段のコードベクトル以下の手順によって作成され
る。学習用音声から求めたLSPパラメータの複数個のサ
ンプルを、LBGアルゴリズムによりクラスター化して第
1段目のコードベクトルを作成する。アルゴリズムの詳
細は前述のR.M.Grayの文献に記載されている。LSPパラ
メータの各サンプルをこのコードベクトルを用いてベク
トル量子化し、その時の量子化誤差ベクトルを求める。
この誤差ベクトルの各要素の分散に等しい分散を持つ正
規乱数を要素とする乱数ベクトルを複数個生成し、これ
らのベクトルを2段目のコードベクトルとする。次に、
この誤差ベクトルを2段目のコードベクトルを用いてベ
クトル量子化し、その時の量子化誤差ベクトルから2段
目と同様な手順で3段目のコードベクトルを作成する。
この手順を繰り返すことにより、第N段目までのコード
ベクトルが作成される。The code vector of each stage is created by the following procedure. A plurality of LSP parameter samples obtained from the learning speech are clustered by the LBG algorithm to create a first-stage code vector. The details of the algorithm are described in the aforementioned RMGray document. Each sample of the LSP parameter is vector-quantized using this code vector, and a quantization error vector at that time is obtained.
A plurality of random number vectors each having a normal random number having a variance equal to the variance of each element of the error vector are generated, and these vectors are used as a second-stage code vector. next,
This error vector is vector-quantized using the second-stage code vector, and a third-stage code vector is created from the quantized error vector at that time in the same procedure as the second-stage code vector.
By repeating this procedure, code vectors up to the N-th stage are created.
「発明の効果」 この発明による、LPCパラメータのベクトル量子化法
を音声分析合成系に適用し、合成音声の品質評価により
この発明方法の量子化効率を検討した。分析は標本化周
波数8kHz、分析窓長(ハミング窓)30ms、フレーム周期
10ms、分析次数10とし、ラグ窓(遮断周波数100Hz)に
よるスペクトル平滑化を行った。音声サンプルには男女
話者21名が発声した短文章音声を用い、19名分を標準パ
タン学習用(6600フレーム)とし、他の男女各1名の音
声を評価用とした。重み係数wkは方法1を算出し、この
時定数γは0.4とした。また、ケプストラムの次数はγ
=30とした。入力音声から抽出されたLPCパラメータを
次に示す5種類の方法で量子化した後、LSP合成器を用
いて合成音声を作成した。[Effects of the Invention] The vector quantization method of LPC parameters according to the present invention was applied to a speech analysis / synthesis system, and the quantization efficiency of the method of the present invention was examined by evaluating the quality of synthesized speech. Analysis is at sampling frequency 8kHz, analysis window length (Humming window) 30ms, frame period
The spectrum was smoothed using a lag window (cutoff frequency 100 Hz) with 10 ms and analysis order 10. The voice samples used were short sentence voices uttered by 21 male and female speakers, 19 of which were used for standard pattern learning (6600 frames), and the voices of one other male and female were used for evaluation. The weight coefficient w k is calculated by the method 1, and the time constant γ is set to 0.4. The order of the cepstrum is γ
= 30. After the LPC parameters extracted from the input speech were quantized by the following five methods, a synthesized speech was created using an LSP synthesizer.
・方法1 LSPパラメータのユークリッド距離を用いたMax−Lloy
dスカラー量子化(SQ) ・方法2 同多段ベクトル量子化(VQ−LSP) ・方法3 ケプストラム距離を用いた多段ベクトル量子化(VQ−
CD) ・方法4 重み付きケプストラム距離を用いた多段ベクトル量子
化(VQ−WCD) ・方法5 重み付きケプストラム距離を用いた差分多段ベクトル
量子化(DVQ−WCD) ・LPCパラメータを量子化しない場合(ORG) 上記の量子化法の中で、方法1は従来から良く用いら
れているスカラー量子化法である。方法1では、LSPパ
ラメータをパラメータ当たり2,3,4ビット(フレーム当
たり20,30,40ビット)の3種類の量子化ビット数で量子
化した。方法2、3、4は、いづれも多段ベクトル量子
化を用い、スペクトル距離尺度が異なっている。また、
方法5は、LSPパラメータに関して2フレーム前のパラ
メータを用いて線形予測した予測値と当該フレームのケ
プストラム係数との差分ベクトルについて、この発明に
よるベクトル量子化法を適用する方法である。方法2−
5では、コードベクトルの数を各段8ビット(256個)
とし、1フレーム当たり16(2段)、24(3段)、32ビ
ット(4段)の3種類の量子化ビット数を比較した。音
声品質の評価は、2つの合成音声サンプルを被験者に提
示して、どちらの音声の品質が主観的に良いかを判断さ
せる対比較品質評価法を用いて行った。・ Method 1 Max-Lloy using Euclidean distance of LSP parameter
d Scalar quantization (SQ) ・ Method 2 Multistage vector quantization (VQ-LSP) ・ Method 3 Multistage vector quantization using cepstrum distance (VQ-LSP)
CD) ・ Method 4 Multi-stage vector quantization using weighted cepstrum distance (VQ-WCD) ・ Method 5 Difference multi-stage vector quantization using weighted cepstrum distance (DVQ-WCD) ・ When LPC parameters are not quantized ( ORG) Among the above-mentioned quantization methods, method 1 is a scalar quantization method that has been often used conventionally. In the method 1, the LSP parameters are quantized with three kinds of quantization bit numbers of 2, 3, 4 bits per parameter (20, 30, 40 bits per frame). Methods 2, 3, and 4 all use multi-stage vector quantization and differ in the spectral distance measure. Also,
Method 5 is a method in which the vector quantization method according to the present invention is applied to a difference vector between a predicted value linearly predicted using a parameter two frames before the LSP parameter and a cepstrum coefficient of the frame. Method 2-
In 5, the number of code vectors is 8 bits per stage (256)
Then, three types of quantization bit numbers of 16 (two stages), 24 (three stages), and 32 bits (four stages) per frame were compared. The evaluation of speech quality was performed using a paired quality evaluation method in which two synthesized speech samples were presented to the subject, and which speech quality was subjectively better determined.
第2図は、先に示した各量子化法を用いてLPCパラメ
ータを量子化した時の分析合成音の主観的な品質の良さ
を、プリファレンス値によって示したものである。図中
の数字はフレーム当りの量子化ビット数を示す。音声品
質が同等になる時の各量子化法の量子化ビット数を比較
すると、この発明による重みつきケプストラム距離を用
いたベクトル量子化法(方法4)は、従来の重み付けを
行わないケプストラム距離を用いる方法3より8ビッ
ト、またLSPのユークリッド距離を用いるベクトル量子
化法より16ビット程度フレーム当たりの量子化ビット数
が低減できる。また、差分ベクトル量子化と組み合わせ
た量子化法(方法5)では、フレーム当たり24ビットで
量子化した時の合成音声の品質は、量子化を行わない場
合と同等であり、量子化によるスペクトル歪みを検知限
以下にすることができる。FIG. 2 shows, by preference values, the subjective quality of the analyzed and synthesized sound when the LPC parameters are quantized using each of the quantization methods described above. The numbers in the figure indicate the number of quantization bits per frame. Comparing the number of quantization bits of each quantization method when the voice quality becomes equal, the vector quantization method using the weighted cepstrum distance according to the present invention (method 4) determines the conventional cepstrum distance without weighting. The number of quantization bits per frame can be reduced by about 8 bits compared to the method 3 used and by about 16 bits compared to the vector quantization method using the Euclidean distance of the LSP. Also, in the quantization method (method 5) combined with the difference vector quantization, the quality of the synthesized speech when quantized at 24 bits per frame is equivalent to that when no quantization is performed, and the spectral distortion due to the quantization is reduced. Can be less than the detection limit.
以上、この発明による重みつきケプストラム距離に基
づくLPCパラメータのベクトル量子化法は、同じ量子化
ビット数において、従来の方法にくらべてはるかに高い
音声品質が得られる。逆に、従来の方法と同程度の音声
品質を得るのに必要な量子化ビット数を確実に低減でき
る効果がある。また、この発明によるLPCパラメータの
ベクトル量子化法は、音声符号化以外にも、ベクトル量
子化を用いた音声認識におけるベクトル量子化方法とし
ても適用できる。As described above, the vector quantization method of LPC parameters based on the weighted cepstrum distance according to the present invention can obtain much higher voice quality than the conventional method at the same number of quantization bits. Conversely, there is an effect that the number of quantization bits required to obtain the same sound quality as the conventional method can be reliably reduced. Further, the LPC parameter vector quantization method according to the present invention can be applied as a vector quantization method in speech recognition using vector quantization, in addition to speech coding.
第1図はこの発明によるベクトル量子化法の一例を示す
構成図、第2図は各種量子化方法に対する合成音声の主
観的品質を比較した図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of a vector quantization method according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram comparing the subjective qualities of synthesized speech for various quantization methods.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G10L 3/00 - 9/18 H03M 7/30 H04B 14/04 JOISファイル(JICST)────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G10L 3/00-9/18 H03M 7/30 H04B 14/04 JOIS file (JICST)
Claims (3)
線形予測分析してスペクトル包絡特性を表すLPCパラメ
ータを算出する過程と、その算出された入力信号のLPC
パラメータとその標準パターンに関して、入力信号のス
ペクトル包絡の強度に応じて重みづけしたスペクトル距
離を算出する過程と、複数個の標準パターンの中から上
記スペクトル距離が最小となる標準パターンを選択し、
この標準パターンをLPCパラメータの量子化出力とする
過程を有するLPCパラメータのベクトル量子化方法にお
いて、 全極形のフィルタA(γZ-1)の予測係数α′Kを α′K=αKγKから求め、 αKは上記入力信号のLPCパラメータ、(K=1、2・
・・P) 0<γ<1 α′Kの自己相関係数φKを φK=Σα′iα′i+Kから求め、 重み係数WKを、 ΣφK-iWK=−φKの連立方程式を解いて求め、 この重み係数WKを上記スペクトル距離を算出する際の重
みづけとすることを特徴とするLPCパラメータのベクト
ル量子化方法。1. A process for calculating an LPC parameter representing a spectrum envelope characteristic by performing linear predictive analysis on a time-series input signal such as a voice or an audio signal, and an LPC parameter of the calculated input signal.
For the parameter and its standard pattern, a process of calculating a spectral distance weighted according to the intensity of the spectral envelope of the input signal, and selecting a standard pattern that minimizes the spectral distance from a plurality of standard patterns,
In the LPC parameter vector quantization method having the process of using the standard pattern as the LPC parameter quantization output, the prediction coefficient α ′ K of the all-pole filter A (γZ −1 ) is calculated as α ′ K = α K γ K Α K is the LPC parameter of the input signal, (K = 1, 2,
··· P) The autocorrelation coefficient φ K of 0 <γ <1 α ′ K is obtained from φ K = Σα ′ i α ′ i + K , and the weighting coefficient W K is calculated as の φ Ki W K = −φ K A vector quantization method for LPC parameters, wherein the vector is obtained by solving an equation, and the weighting coefficient W K is used as a weight when calculating the spectrum distance.
線形予測分析してスペクトル包絡特性を表すLPCパラメ
ータを算出する過程と、その算出された入力信号のLPC
パラメータとその標準パターンに関して、入力信号のス
ペクトル包絡の強度に応じて重みづけしたスペクトル距
離を算出する過程と、複数個の標準パターンの中から上
記スペクトル距離が最小となる標準パターンを選択し、
この標準パターンをLPCパラメータの量子化出力とする
過程を有するLPCパラメータのベクトル量子化方法にお
いて、 線形予測フィルタA(γZ-1)に対するインパルス応答
として重み係数WKを、 WK=−ΣαiγKWK-i+δK αiは上記入力信号のLPCパラメータ、δ0=1、δK
=0(Kは0以外)、WK=0(K<0) より求め、 この重み係数WKを上記スペクトル距離を算出する際の重
みづけとすることを特徴とするLPCパラメータのベクト
ル量子化方法。2. A process for calculating an LPC parameter representing a spectrum envelope characteristic by performing linear predictive analysis on a time-series input signal such as a voice or an acoustic signal, and calculating an LPC parameter of the calculated input signal.
For the parameter and its standard pattern, a process of calculating a spectral distance weighted according to the intensity of the spectral envelope of the input signal, and selecting a standard pattern that minimizes the spectral distance from a plurality of standard patterns,
In the vector quantization method of the LPC parameters with a step of the reference pattern and the quantization output of the LPC parameters, the weighting factor W K as an impulse response for linear prediction filter A (γZ -1), W K = -Σα i γ K W Ki + δ K α i is the LPC parameter of the input signal, δ 0 = 1, δ K
= 0 (K is other than 0), W K = 0 (K <0), and the weighting factor W K is used as a weight when calculating the spectrum distance. Vector quantization of LPC parameters Method.
線形予測分析してスペクトル包絡特性を表すLPCパラメ
ータを算出する過程と、その算出された入力信号のLPC
パラメータとその標準パターンに関して、入力信号のス
ペクトル包絡の強度に応じて重みづけしたスペクトル距
離を算出する過程と、複数個の標準パターンの中から上
記スペクトル距離が最小となる標準パターンを選択し、
この標準パターンをLPCパラメータの量子化出力とする
過程を有するLPCパラメータのベクトル量子化方法にお
いて、 フィルタA(Z-1)/A(γZ-1)のインパルス応答として
重み係数WKを、 WK=−ΣαiγKWK-i+ΣαiδK-i αiは上記入力信号のLPCパラメータ、0<γ<1、 δ0=1、δK-i=0(K−iは0以外)、WK=0(K
<0) より求め、この重み係数WKを上記スペクトル距離を算出
する際の重みづけとすることを特徴とするLPCパラメー
タのベクトル量子化方法。3. A process of calculating an LPC parameter representing a spectrum envelope characteristic by performing linear predictive analysis on a time-series input signal such as a voice or an acoustic signal, and calculating an LPC parameter of the calculated input signal.
For the parameter and its standard pattern, a process of calculating a spectral distance weighted according to the intensity of the spectral envelope of the input signal, and selecting a standard pattern that minimizes the spectral distance from a plurality of standard patterns,
In a vector quantization method of LPC parameters having a process of using this standard pattern as a quantization output of LPC parameters, a weight coefficient W K is used as an impulse response of a filter A (Z −1 ) / A (γZ −1 ), and W K = −Σα i γ K W Ki + Σα i δ Ki α i is the LPC parameter of the input signal, 0 <γ <1, δ 0 = 1, δ Ki = 0 (K−i is other than 0), W K = 0 (K
<0), wherein the weighting factor W K is used as a weight for calculating the spectrum distance.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1277725A JP2899024B2 (en) | 1989-10-25 | 1989-10-25 | Vector quantization method |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1277725A JP2899024B2 (en) | 1989-10-25 | 1989-10-25 | Vector quantization method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03138700A JPH03138700A (en) | 1991-06-13 |
| JP2899024B2 true JP2899024B2 (en) | 1999-06-02 |
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ID=17587452
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1277725A Expired - Fee Related JP2899024B2 (en) | 1989-10-25 | 1989-10-25 | Vector quantization method |
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| JP (1) | JP2899024B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3500616B2 (en) | 1993-11-25 | 2004-02-23 | オムロン株式会社 | Apparatus and method for comparing signal waveform data |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3351746B2 (en) * | 1997-10-03 | 2002-12-03 | 松下電器産業株式会社 | Audio signal compression method, audio signal compression device, audio signal compression method, audio signal compression device, speech recognition method, and speech recognition device |
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1989
- 1989-10-25 JP JP1277725A patent/JP2899024B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH03138700A (en) | 1991-06-13 |
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