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線形予測符号(英: linear predictive coding、LPC)とは、音響信号処理および音声処理で使われるツールであり、圧縮された音声のデジタル信号のスペクトル包絡を表すのに線形予測法を使う。最も強力な音声解析技法の1つであり、低ビットレートで高品位音声を符号化することができ、音声パラメータの非常に正確な予測を提供する。

◆ 概要

話声信号は管の端にあるブザーにより生成され(有声音)、そこに時折こすれる音や破裂する音が加わる(歯擦音や破裂音)という仮定の下、LPC が考案された。このモデルは非常に粗雑ではあるが、実際の話声生成に極めて近いものである。声門がブザーのような音を生成し、その特性は強さ(大きさ)と周波数(高さ)で決まる。声道(咽喉と口)は管を形成し、フォルマントを生み出す共鳴や生成した音の倍音周波数帯で特徴付けられる。歯擦音や破裂音は舌や唇や咽喉の動きによって生み出される。

LPCではフォルマントを予測し、その効果を信号から除去し、残った部分の強さと周波数を予測することで話声信号を分析する。フォルマントを除去する過程を逆フィルタリングと呼び、残った信号を残余 (residue) と呼ぶ。

フォルマントやブザー音や残余の強さと周波数を表す値を記録したり他所に転送することができる。そして、それらの情報を元に逆の工程を経て話声信号を合成できる。ブザー音と残余のパラメータから元の信号を生成し、フォルマントのパラメータから(管を表す)フィルタを生成し、元の信号にフィルタを作用させることで話声を得る。

話声信号は時間と共に変化するので、このプロセスは短時間の信号のかたまりに対して行い、そのかたまりをフレームと呼ぶ。一般に1秒間を30フレームから50フレームに分けると、明瞭な音声が得られ圧縮率もよい。

◆ 歴史

スタンフォード大学の Robert M. Gray によると、LPC の先駆けとなったのは1966年、電電公社の斉藤収三と板倉文忠が行った、最尤法を使った自動音素識別法による音声符号化であった。1967年、John Burg が最大エントロピー原理を使った手法を提案。1969年のアメリカ音響学会年次総会で、板倉と斉藤は部分相関法、May Glen Culler はリアルタイム音声符号化、B.S. Atal はLPC音声符号化を発表した。1971年、Philco-Ford は16ビットLPCハードウェアを使ったリアルタイムLPCのデモンストレーションを行い、4台が売れた。

1972年、ARPAのロバート・カーン、リンカーン研究所の Jim Forgie、BBNテクノロジーズの Dave Walden が音声信号のパケット化の開発を開始し、後のVoIPへと繋がっていった。1973年、リンカーン研究所の記録によると、Ed Hofstetter が最初のリアルタイム2400bit/s LPC を実装した。1974年、ARPANET上で初の双方向LPCパケット音声通信が実現した(Culler-Harrison とリンカーン研究所間)。1976年、LPCを使ったARPANET上の音声会議が行われた。プロトコルは Network Voice Protocol が使われ、3500bit/sで Culler-Harrison、情報科学研究所、スタンフォード研究所、リンカーン研究所を結んで行われた。1978年、BBN の Vishwanath らが可変ビットレートLPCアルゴリズムを開発した。

◆ LPC 係数表現

LPCはスペクトル包絡情報を転送するのによく使われるため、転送誤りに対して耐性がなければならない。フィルタ係数は誤りに弱いため、その直接的な転送(係数の定義は線形予測法を参照)は適当ではない。言い換えれば、ごく小さな誤りでもスペクトル全体がおかしくなり、最悪の場合、予測フィルタが不安定になる。

そのための表現方法として Log Area Ratios (LAR)、線スペクトル対 (LSP) 分解、レビンソン再帰などがある。中でもLSP分解がよく使われる。LSP分解は予測器の安定性を保証でき、誤りがあってもその影響が局所的である。

◆ 応用

LPCは、話声の分析と再合成に広く使われている。電話での音声圧縮にも使われており、例えばGSMで使われている。他にも、音声をデジタイズし暗号化するセキュアな無線通信にも使われ、初期の例として米国政府の Navajo I がある。

LPC合成はヴォコーダーで使われ、電子音楽によく使われている。ポール・ランスキーの notjustmoreidlechatter はLPCを使って制作された[外部リンク]http://www.music.princeton.edu/~paul/liner_notes/morethanidlechatter.html。1980年代に人気を呼んだ教育玩具 Speak & Spell は10次のLPCを使っていた。

ヤマハのデジタルサンプル方式のシンセサイザーでは、波形をLPCアルゴリズムで圧縮してROMに格納している。

FLAC音声コーデックでは、最大32次のLPC予測器を使っている。

◆ 関連項目

・赤池情報量規準

・音声圧縮

◆ 参考文献

・ [外部リンク] Robert M. Gray, IEEE Signal Processing Society, Distinguished Lecturer Program

◆ 外部リンク

・[外部リンク] rt_lpc リアルタイムLPC解析/合成ソフトウェア

・[外部リンク] HawkVoice オープンソースのLPCソフトウェア、およびAPI

・[外部リンク] Chapter 7 Linear Predictive Speech Processing Dr. Sung-won Park[外部リンク]http://www.engineer.tamuk.edu/spark/spark.html Texas A&M University-Kingsville[外部リンク]http://www.tamuk.edu/

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