JP6211069B2 - 高次アンビソニックス信号表現を圧縮又は圧縮解除するための方法又は装置 - Google Patents
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Description
支配的な方向を推定するステップであって、前記支配的な方向は、エネルギ的に支配的なHOA信号成分の方向性パワー分布に依存する、ステップと、
前記HOA信号成分を、時間領域における複数の支配的な方向性信号及び関連する方向情報と、HOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するステップであって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、ステップと、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより、前記残留アンビエント成分を圧縮するステップと、
低次数化された前記残留アンビエント成分を、空間領域に変換するステップと、
変換された前記残留アンビエント成分と前記支配的な方向性信号とを知覚符号化するステップと、
を有する方法である。
支配的な方向を推定するステップであって、前記支配的な方向は、エネルギ的に支配的なHOA信号成分の方向性パワー分布に依存する、ステップと、
前記HOA信号成分を、時間領域における複数の支配的な方向性信号及び関連する方向情報と、HOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するステップであって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、ステップと、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより、前記残留アンビエント成分を圧縮するステップと、
低次数化された前記残留アンビエント成分を、空間領域に変換するステップと、
変換された前記残留アンビエント成分と前記支配的な方向性信号とを知覚符号化するステップとを有し、本方法は、
知覚符号化された支配的な方向性信号と、知覚符号化された変換された残留アンビエント成分とを、知覚復号化するステップと、
知覚復号化された変換された残留アンビエント成分を逆変換し、HOA領域の表現を取得するステップと、
逆変換された残留アンビエント成分について次数拡張の処理を実行し、元の次数のアンビエントHOA成分を取得するステップと、
知覚復号化された支配的な方向性信号と、前記方向情報と、前記元の次数のアンビエントHOA成分とを合成し、HOA信号表現を取得するステップと、
を有する方法である。
支配的な方向を推定するように適合された手段であって、前記支配的な方向は、エネルギ的に支配的なHOA信号成分の方向性パワー分布に依存する、手段と、
前記HOA信号成分を、時間領域における複数の支配的な方向性信号及び関連する方向情報と、HOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するように適合された手段であって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、手段と、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより、前記残留アンビエント成分を圧縮するように適合された手段と、
低次数化された前記残留アンビエント成分を、空間領域に変換するように適合された手段と、
変換された前記残留アンビエント成分と前記支配的な方向性信号とを知覚符号化するように適合された手段と、
を有する装置である。
支配的な方向を推定するステップであって、前記支配的な方向は、エネルギ的に支配的なHOA信号成分の方向性パワー分布に依存する、ステップと、
前記HOA信号成分を、時間領域における複数の支配的な方向性信号及び関連する方向情報と、HOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するステップであって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、ステップと、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより、前記残留アンビエント成分を圧縮するステップと、
低次数化された前記残留アンビエント成分を、空間領域に変換するステップと、
変換された前記残留アンビエント成分と前記支配的な方向性信号とを知覚符号化するように形成されたステップとを有し、本装置は、
知覚符号化された支配的な方向性信号と、知覚符号化された変換された残留アンビエント成分とを、知覚復号化するように形成された手段と、
知覚復号化された変換された残留アンビエント成分を逆変換し、HOA領域の表現を取得するように形成された手段と、
逆変換された残留アンビエント成分について次数拡張の処理を実行し、元の次数のアンビエントHOA成分を取得するように形成された手段と、
知覚復号化された支配的な方向性信号と、前記方向情報と、前記元の次数のアンビエントHOA成分とを合成し、HOA信号表現を取得するように形成された手段と、
を有する装置である。
アンビソニックス信号は、球面調和(SH)展開を利用して音源のない領域の音場を記述する。この理論の実現可能性は、音圧の時間及び空間的な振る舞いが本質的には波動方程式により決定されるという物理的性質に起因する。
アンビソニックスに関する詳細な説明を行うため、以下においては球面座標系又は極座標系が仮定され、空間内の点x=(r,θ,φ)Tは、半径r>0(すなわち、座標系の原点に至るまでの距離)と、原線又は極軸であるz軸に対してなす傾斜角θ∈[0,π]と、xy平面内でx軸から図った方位角φ∈[0,2π]とにより表現される。この球面座標系において、結合された音源のない領域(connected source-free area)における音圧p(t,x)の波動方程式は以下のように与えられる。
アンビソニックスの目的は、座標系の原点付近の音場を表現することである。一般性を失うことなく、対象の領域は、座標系の中心から半径Rの球又はボールであると仮定され、数学的には{x|0≦r≦R}という集合により指定される。この表現に関する重要な仮定は、このボールが如何なる音源も含んでいないと仮定されることである。このボールの中の音場の表現を見出す問題は、「内部問題」と言及される(例えば、上記のウィリアムの書籍)。
同様に、実数SH関数の展開係数qn m(kr)は、次式のように因子分解できる(積の形式で表現できる)。
座標系の原点を中心とする音源の無いボールの中の音場は、全ての可能な方向からボールに入射する様々な角波数kの平面波の無限個の重ね合わせとして表現できる(この点については、例えば、上記のウィリアムスの書籍における「Plane-wave decomposition...」等を参照されたい)。Ω0の方向からの角波数kの平面波の複素振幅は、D(k,Ω0)により与えられると仮定すると、数式(11)及び数式(19)を用いて行った導出法と同様に、次数SH関数展開に関する対応するアンビソニックス係数は、次式のように与えられる。
bn m(k)=4πincn m(k) (25)
実際には、座標系の原点付近の音場は、n≦Nである次数の有限個のアンビソニックス係数cn m(k)のみを利用して記述される。次式に従って打ち切られたSH関数の級数から振幅密度関数を計算することは、真の振幅密度関数D(k,Ω)に対して或る種の空間分散成分(spatial dispersion)を導入する(例えば、上記の文献の「Plane-wave decompression...」を参照されたい)。
cosΘ=cosθcosθ0+cos(φ-φ0)sinθsinθ0 (39)
νN(Θ)=ST(Ω)S(Ω0) (47)
或るアプリケーションの場合、有限数J個の離散的な方向Ωjにおける時間領域の振幅密度関数のサンプルから、スケーリングされた時間領域のアンビソニックス係数C~n m(t)を決定することが望ましい。数式(28)における積分は、次のようにB. Rafaely, "Analysis and Design of Spherical Microphone Arrays", IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, vol.13, no.1, pp.135-143, January 2005による有限個の総和により近似される。
c~n m(t)=0 (51)
が成立することである。
ΨGΨ H =I (53)
ここで、Ψは次式により規定されるモード行列を示す。
G:=diag(g1,,gJ) (55)
w(t)=ΨHc(t) (58)
c(t)≒ΨGw(t) (59)
Ψ+:=(ΨΨH)-1ΨΨH (60)
時間領域の振幅密度関数サンプルのベクトルから、スケーリングされた時間領域のアンビソニックス係数ベクトルc(t)の妥当な近似は、
c(t)≒Ψ+w(t) (61)
により与えられる。
Ψ + =(ΨΨH)-1Ψ=Ψ-HΨ-1Ψ=Ψ-H (62)
Ψ-H=ΨG (63)
が成立し、近似的な数式(59)及び(61)は等価であり一致する。
本発明は、所与のHOA信号表現の圧縮に関連する。上述したように、HOA信号表現は、時間領域における所定数の支配的方向性信号とHOA領域におけるアンビエント成分とに分解され、その後に低次数化によりアンビエント成分のHOA表現を圧縮する処理が続く。この処理は、テストを監視することを前提とし、周辺の音場成分は、低次のHOA表現で十分に正確に表現可能であるという仮定を活用する。支配的な方向性信号を抽出することで、圧縮及びそれに対応する圧縮解除の処理の後に、高い空間分解能を維持することを保証できる。
とにより表現される時間領域信号に変換される。残留アンビエント成分は、アンビエントHOA成分算出ステップ又はステージ24において算出され、HOA領域係数C A (l)により表現される。
_通常の時間領域方向性信号X(l)は、何らかの既知の知覚圧縮技術を利用して、知覚符号化器27において個別的に圧縮されることが可能である。
_アンビエントHOA領域成分C A (l)の圧縮は、2つのサブステップ又はステージにおいて実行される。
及び低次数化された符号化された空間領域信号
が出力され、変換又は保存されることが可能である。
図3には、受信又は再生される信号についての圧縮解除処理が示されている。圧縮処理の場合と同様に、2つのステップが含まれている。
及び低次数化された符号化された空間領域信号
についての知覚復号化又は圧縮解除が実行され、
は方向性成分を表現し、
はアンビエントHOA成分を表現する。知覚復号化された又は非圧縮化された空間領域信号
は、逆球面調和変換部32において、逆球面調和変換又は逆SH変換により、次数がNREDであるHOA領域表現
に変換される。その後、次数伸張ステップ又はステージ33において、次数がNである適切なHOA表現
が、次数伸張により
から推定される。
及び対応する方向情報
に加えて元々の次数のアンビエントHOA成分
から、完全なHOA表現
が再構築される。
本発明の実施形態により解決される課題は、HOA表現に対する既存の圧縮方法と比較してデータレートの顕著な減少を図ることである。以下、圧縮されていないHOA表現に対する達成可能な圧縮率を議論する。圧縮率は、次数がNである非圧縮HOA信号C(l)を伝送するのに必要なデータレートと、圧縮された信号表現を伝送するのに必要なデータレートとの比率から得られ、圧縮された信号表現は、D個の知覚符号化された方向性信号X(l)及び対応する方向情報
とアンビエントHOA成分を表現するNRED個の知覚符号化された空間領域信号WA,RED(l)とを有する。
は、サンプリングレートfbよりもかなり遅いレートで算出されることが仮定されており、例えば、B個のサンプルで形成される信号フレームの持続時間に固定されていてもよく、一例としてfs=48kHzのサンプリングレートの場合にB=1200であり、圧縮されたHOA信号の全体的なデータレートの計算の際に、対応するデータレートの分担量(share)は無視されてもよい。
背景技術で説明したように、特許文献1で説明されている空間領域信号の知覚圧縮は、信号同士の間の残存する相互相関の影響を被り、知覚符号化ノイズの露呈(unmasking)を招いてしまうことが懸念される。本発明によれば、支配的な方向の信号が、先ず、知覚符号化される前にHOA音場表現から取り出される。これは、HOA表現を構築する場合に、知覚復号化の後に、符号化ノイズが、その方向性信号と厳密に一致する空間的な指向性を有することを意味する。特に、符号化ノイズだけでなく指向性信号の任意の方向に対する影響が、有限次数の空間分解能の箇所で説明したように空間分散関数により決定論的に記述される。言い換えれば、任意の時点において、符号化ノイズを表現するHOA係数ベクトルは、方向性信号を表現するHOA係数ベクトルを正確に何倍かしたものである。このため、ノイズを含むHOA係数の任意の重み付け加算は、知覚符号化ノイズの如何なる露呈も招かなくなる。
本発明による方向推定は、エネルギ的に支配的なHOA成分の方向性パワー分布に依存している。方向性パワー分布(directional power distribution)は、HOA表現に関するランクが削減された相関行列から計算され、これはHOA表現の相関行列の固有値分解から得られる。
HOA表現を、複数の方向性信号及び関連する方向情報とHOA領域のアンビエント成分とに分解する技術は、Pulkkiの文献の「Spatial Sound Reproduction with Directional Audio Coding」に示されている方法に従って、HOA表現の信号適応DirACライクレンダリング(signal-adaptive DirAC like rendering)に使用可能である。
<入力フォーマットの決定>
入力として、数式(26)で決定されたスケーリングされた時間領域HOA係数
が、レートfs=1/Tsでサンプリングされると仮定する。ベクトルc(j)は、サンプリング時間tがt=jTs、j∈Zに属する全ての係数により形成されるように定義される:
スケーリングされたHOA係数の到来ベクトルc(j)は、フレーム化ステップ又はステージ21において、次式のように長さがBのオーバーラップ(又は重複)しないフレーム群にフレーム化される:
支配的な方向を推定するため、次のような相関行列が算出される:
B(l)=V(l)Λ(l)VT(l) (68)
に従って実行され、ここで、行列V(l)は次式のように固有値ベクトルvi(l)(1≦i≦O)により形成される:
λ1(l)≧λ2(l)≧・・・≧λO(l) (71)
個の支配的な方向
が算出される。支配的な方向の数は、一定のデータレートを保証するために、
を満たすように制限される。しかしながら、可変のデータレートが許容される場合、支配的な方向の数を現在の音の状況に適合させることが可能である。
が次式を満たすことを意味する:
が、先行する複数のフレームによる方向とともにスムージングされ、スムージングされた方向(スムージング方向)
(1≦d≦D)が得られる。この処理は2つの連続する部分(a)及び(b)に分割できる:
は、先行するフレームにより、スムージング方向
(1≦d≦D)に割り当てられる。割り当て関数
は、次式のように、割り当てられた方向同士の間の角度の合計が最小化されるように決定される:
と先行するフレームからのインアクティブな方向
との間の角度が、2ΘMINに設定される(「インアクティブな方向(inactive direction)」については後述する)。これは、先行するアクティブな方向
に対して2ΘMINより近い現在の方向
が、スムージング方向に割り当てられるようにするという作用をもたらす。距離が2ΘMINを超える場合、対応する現在の方向は新たな信号に属するように仮定され、これは、先行するインアクティブな方向
に割り当てられることが好ましいことを示す。
(1≦d≦D)はステップ(a)を用いて算出される。スムージング又はスムージングは、ユークリッド幾何学よりもむしろ球面幾何学に基づく。現在の支配的な方向
の各々に関し、スムージングは、球面上の2点を通る大円の部分的な円弧に沿って実行され、それらは
及び
により指定される。具体的には、スムージング因子αΩと共に指数的に重み付けされる移動平均を計算することにより、方位角及び傾斜角は独立にスムージングされる。傾斜角に関し、これは次のようなスムージング処理を行うことになる:
が先行するフレーム内に存在する。対応するインデックス群は次式のように指定される:
方向性信号の計算は、モードマッチング(mode matching)に基づく。特に、方向性信号を探す探索が行われ、その方向性信号のHOA表現は所与のHOA信号の最良の近似をもたらすものである。連続するフレームの間の方向の変化は、方向性信号の不連続性を招く場合があるので、オーバーラップするフレームの方向性信号の推定計算を実行した後に、適切なウィンドウ関数を利用して、連続するオーバーラップするフレームの結果をスムージングする。しかしながら、スムージングは、1フレームの遅延を招く。
ΞACT(l)XINST,ACT(l)-[C(l-1) C(l)] (97)
のような誤差のユークリッドノルムを最小化するように算出される。その解は次式により与えられる:
xINST,WIN,d(l,j):=xINST,d(l,j)・w(j), 1≦j≦2B (99)
xd((l-1)B+j)=xINST,WIN,d(l-1,B+j)+xINST,WIN,d(l,j) (101)
アンビエントHOA成分CA(l-1)は、次式のように、全体のHOA表現C(l-1)から、全体の方向性HOA成分CDIR(l-1)を減算することにより得られる:
球面調和変換は、低次数化されたアンビエントHOA成分CA,RED(l)にモード行列の逆行列を乗算することで実行される:
WA,RED(l)=(ΞA)-1CA,RED(l) (111)
である。
最終的な圧縮解除されたHOA係数は、次式のように、指向性成分及びアンビエントHOA成分の加算により算出される:
の成分又は要素を表現する場合、ウィンドウ処理は、ウィンドウ信号
を次式によって計算することにより行われる:
以下、<支配的な方向の推定>の説明箇所で言及した方向探索アルゴリズムに関する事項を説明する。先ず、これは幾つかの仮定に基づいている。
・支配的なソース信号(群)は平均的にはゼロであるように仮定されている:
はl番目のフレームについてのi番目の信号の平均パワーを示す。
・支配的なソース信号(群)は、HOA係数ベクトルのアンビエント成分と相関を有しないように仮定されている:
DAR(l)≧DARMIN (126)
である。
説明の便宜上、相関行列B(l)(数式(67))が、L-1個の先行するフレームのサンプルを考慮することなく、l番目のフレームのサンプルのみに基づいて算出される状況を考察する。この処理は、Lを1に設定すること(L=1)に相当する。従って、相関行列は次式のように表現できる:
及び2番目の項のΣA(l)の行列の列が張る部分空間は、互いに直交していないので、ΣA(l)のいくらかの部分は不可避的にBI(l)に洩れ込むことに留意すべきである。数式(132)によれば、数式(77)のベクトルσ2(l)は、支配的な方向の探索に使用され、次のように表現できる:
Claims (15)
- 高次アンビソニックス(HOA)信号表現を圧縮する方法であって、
支配的な方向を推定するステップと、
前記HOA信号表現を、時間領域における複数の支配的な方向性信号および関連する方向情報とHOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するステップであって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、前記ステップと、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより前記残留アンビエント成分を圧縮するステップと、
前記低次数化された残留アンビエント成分を空間領域に変換するステップと、
前記支配的な方向性信号と前記変換された残留アンビエント成分とを知覚符号化するステップと
を含む、前記方法。 - 圧縮された高次アンビソニックス(HOA)信号表現を圧縮解除する方法であって、前記圧縮は、
支配的な方向を推定するステップと、
前記HOA信号表現を、時間領域における複数の支配的な方向性信号および関連する方向情報とHOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するステップであって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、前記ステップと、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより前記残留アンビエント成分を圧縮するステップと、
前記低次数化された残留アンビエント成分を空間領域に変換するステップと、
前記支配的な方向性信号と前記変換された残留アンビエント成分とを知覚符号化するステップとを含み、当該方法は、
前記知覚符号化された支配的な方向性信号と、前記知覚符号化された変換された残留アンビエント成分とを、知覚復号化するステップと、
前記知覚復号化された変換された残留アンビエント成分を逆変換してHOA領域の表現を取得するステップと、
前記逆変換された残留アンビエント成分の次数拡張処理を実行し、元の次数のアンビエントHOA成分を取得するステップと、
前記知覚復号化された支配的な方向性信号と、前記方向情報と、前記元の次数のアンビエントHOA成分とを合成してHOA信号表現を取得するステップと、
を含む、前記方法。 - HOA係数の到来ベクトルをオーバーラップしないフレームにするフレーム化処理が行われ、フレームの持続時間は25msであり得る、請求項1に記載の方法。
- 前記支配的な方向の推定は、現在のフレーム各々に対して隣接するフレームの内容が考慮されるように、長くオーバーラップするフレーム群に依存する、請求項1または3に記載の方法。
- 前記支配的な方向性信号および変換された残留アンビエント成分が共に知覚圧縮される、請求項1、3および4のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記HOA信号表現を、時間領域における複数の支配的な方向性信号および関連する方向情報とHOA領域における残留アンビエント成分とに分解する処理は、前記HOA信号表現の信号適応DirAC的なレンダリングに使用され、DirACはPulkkiによる方向オーディオ符号化を意味する、請求項1、3〜5のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記支配的な方向の推定は、エネルギ的に支配的なHOA成分の方向性パワー分布に依存する、請求項1、3〜6の何れか1項に記載の方法。
- 高次アンビソニックス(HOA)信号表現を圧縮する装置であって、
支配的な方向を推定するように適合された手段と、
前記HOA信号表現を、時間領域における複数の支配的な方向性信号および関連する方向情報とHOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するように適合された手段であって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、前記手段と、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより前記残留アンビエント成分を圧縮するように適合された手段と、
前記低次数化された残留アンビエント成分を空間領域に変換するように適合された手段と、
前記支配的な方向性信号と前記変換された前記残留アンビエント成分とを知覚符号化するように適合された手段と、
を備える、前記装置。 - 圧縮された高次アンビソニックス(HOA)信号表現を圧縮解除する装置であって、前記圧縮は、
支配的な方向を推定するステップと、
前記HOA信号表現を、時間領域における複数の支配的な方向性信号および関連する方向情報とHOA領域における残留アンビエント成分とに分解または復号化するステップであって、前記残留アンビエント成分は、前記HOA信号表現と前記支配的な方向性信号の表現との間の差分を表す、前記ステップと、
前記残留アンビエント成分の次数を元の次数より低減することにより前記残留アンビエント成分を圧縮するステップと、
前記低次数化された残留アンビエント成分を空間領域に変換するステップと、
前記支配的な方向性信号と前記変換された残留アンビエント成分とを知覚符号化するステップとを有し、当該装置は、
前記知覚符号化された支配的な方向性信号と、知覚符号化された変換された残留アンビエント成分とを、知覚復号化するように適合された手段と、
前記知覚復号化された変換された残留アンビエント成分を逆変換してHOA領域の表現を取得するように適合された手段と、
逆変換された残留アンビエント成分について次数拡張の処理を実行し、元の次数のアンビエントHOA成分を取得するように適合された手段と、
前記知覚復号化された支配的な方向性信号と、前記方向情報と、前記元の次数のアンビエントHOA成分とを合成してHOA信号表現を取得するように適合された手段と、
を備える、前記装置。 - HOA係数の到来ベクトルをオーバーラップしないフレームにするフレーム化処理が行われ、フレームの持続時間は25msであり得る、請求項8に記載の装置。
- 前記支配的な方向の推定は、現在のフレーム各々に対して隣接するフレームの内容が考慮されるように、長くオーバーラップするフレーム群に依存する、請求項8または10に記載の装置。
- 前記支配的な方向性信号および変換された残留アンビエント成分が共に知覚圧縮される、請求項8、10および11のうち何れか1項に記載の装置。
- 前記HOA信号表現を、時間領域における複数の支配的な方向性信号および関連する方向情報と、HOA領域における残留アンビエント成分とに分解する処理は、前記HOA信号表現の信号適応DirAC的なレンダリングに使用され、DirACはPulkkiによる方向オーディオ符号化を意味する、請求項8、10〜12のうちの何れか1項に記載の装置。
- 前記支配的な方向の推定は、エネルギ的に支配的なHOA成分の方向性パワー分布に依存する、請求項8、10〜13の何れか1項に記載の装置。
- 請求項1〜7のうちの何れか1項に記載の方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
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