中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：利用不均等可靠性來提高在無線網路環境下 JPEG2000 影像傳輸品質
Enhancing JPEG2000 Image Quality in the Wireless Environment by Unequal Reliability Transmission
系 所 別：資訊工程學系碩士班 學號姓名：E09202025 陳信光 指導教授：劉志俊 助理教授
中華民國 九十四 年 六 月
摘要
JPEG2000 是目前靜態影像壓縮新一代標準。相對於目前的 JPEG，其編碼架構較 適合在網際網路或無線網路上做漸近式影像傳輸。因此在 JPEG2000 標準中的 PART 11
Wireless JPEG2000，便特別考慮在無線網路中有訊號干擾的情形下，如何使用容錯編碼 來保護其封包傳輸，使得在解碼端或接收端能夠得到較好的影像品質。但此方法同時也 產生了另一個問題：在無線網路中的干擾的程度是無法預測的，若使用低容錯度編碼，
影像品質可能因訊號干擾而變得無法接受；若使用高容錯度編碼，則會產生過大的資料 量，浪費網路資源。因此本文我們提出一種方法可以適應不同無線網路干擾的環境，此 方法利用 JPEG2000 漸近式傳送的特性，以及在封包中提供不同等級的重傳機制，可以 改善在解碼端或接收端的影像品質。
Abstract
JPEG2000 is one of new generation standard for the static image compression. Compared with JPEG, the architecture of its code stream is very suitable for transmitting image on the Internet or the wireless network. In JPEG2000 PART 11 Wireless JPEG2000, issues about the image transmission over the wireless network are taken into consideration. For example, how to use fault-tolerant code to protect image transmission which enables receiver to get better image quality is specified. However, this causes another problem. Since the degree of the interference in the wireless network is unpredictable in advance, if we use the low fault-tolerant degree of codes, image quality may become unacceptable because the signal is interfered. On the other hand, if we use the high fault-tolerant degree of codes, the amount of data to be transmitted will become to large, which will consume greater network resources.
Therefore we propose a method which utilizes the characteristic of the JPEG2000 progression function. In this method, various kinds of reliability are provided by controlling the retransmitting settings for the JPEG2000 image packets with different sensitive levels. The image quality received can be significant improved without to many transmission overheads.
致謝辭
本篇論文得以完成，首先感謝我的指導教授-劉志俊博士。在論文研究期間劉老師 以他豐富的研究經歷和認真嚴謹的教學態度在我投入的研究領域中給予很多的指引和 教導，使我一生受用不盡。
另外特別感謝陳良弼博士等口試委員於百忙之中撥冗給予指導及建議，本論文才得 以順利完成。
當然，我要感謝在這兩年的求學階段中，一直在各方面支持和鼓勵我的家人。 最 後，將這份喜悅與榮耀和我的師長、家人及好朋友分享。
陳信光 寫于 2005/06/28
內文目錄
摘要 ...1
Abstract...2
致謝辭...3
1. 相關研究...7
2. JPEG2000 簡介...9
2.1 JPEG2000 基本編碼與解碼架構 ...9
2.2 JPEG2000 位元串格式 ...10
2.3 JPEG2000 之漸進式傳送 ... 11
3. 802.11 無線網路 ...13
3.1 簡介...13
3.2 傳輸可靠度...13
4. 不均等可靠性傳輸系統架構...14
4.1 系統架構圖...14
4.2 JPEG2000 封包性質之分析 ...15
4.3 不同等級敏感度資料的切割...18
5. 不對等重傳限制的傳輸機制...19
5.1 802.11 無線網路之訊框格式...19
5.2 不對等重傳限制的系統參數設定...21
5.3 鏈結層的重傳機制...22
5.4 傳送效率與緩衝區之考量...22
6. 實驗...24
6.1 實驗環境...24
6.2 各敏感度資訊在位元串中的比例...24
6.3 傳送效率的表現...25
6.4 接收端之影像品質...27
6.5 影像無法解碼的機率分析...29
7. 結論...31
8. 參考文獻...32
圖表目錄
圖 1：JPEG2000 壓縮與解壓縮之系統架構圖 ...9
圖 2：一維、雙次頻帶之小波編碼之主要元件...10
圖 3：影像、區塊、境域、與編碼方塊間之關係...11
圖 4：不對等重傳限制傳輸系統架構圖...14
圖 5：傳送前處理模組架構圖...15
圖 6：LRCP 位元串結構圖...16
圖 7：單一區塊位元串之分類...17
圖 8：多區塊位元串之分類...17
圖 9：位元串與標記之架構...18
圖 10：802.11 之訊框格式...20
圖 11：三種不同等級的封包在不同的 PER 的環境下所得到的 PDR。...26
圖 12：有無使用不對等重傳限制系統之傳輸率。...27
圖 13：使用不對等重傳限制系統在不同 PER 通道中所得到的影像品質 ...28
圖 14：有無使用不對等重傳限制系統在不同 PER 通道中所得到的圖例 ...29
圖 15：避免影像無法解碼的機率...30
表 1：實驗影像資訊...25
1. 相關研究
JPEG2000是目前靜態影像壓縮新一代標準[3][4]。相對於目前普遍使用的JPEG影 像，其編碼架構較適合在網際網路或無線網路上做漸近式影像傳輸。以往在探討多媒體 無線傳輸相關的研究中，許多都將重點放在如何在無線網路的環境下使用糾錯碼來保護 封包的議題上。JPEG2000影像傳輸的相關研究也不例外，在Nicholson [6] 的研究中，
提出一些針對JPEG2000在無線網路的環境中所面對的問題及解決方案。其中包括向後 相容標準的一種保護封包的方法-區塊錯誤更正碼(RS code)，以及對JPEG2000位元串流 以不對等錯誤保護觀念，加入錯誤更正碼來增加位元串的保護。而JPEG2000 Part 11–無 線JPEG2000標準[3][9]也是使用RS碼在適當的位元串位置中保護封包。此方法是可以提 高位元串的可靠度，但是相對的增加了位元串的負載，也就是等於降低了傳送效率。在
JPEG2000的位元串中，我們可以知道主標頭及最低階層的封包，是整個位元串中最重 要的部份，而最後層的封包是影響解碼器影像品質最小的封包。而在Munadi等人的研 究中[7]，所提出的方法是複製一個主標頭及最低階層封包，來取代最後層的封包。如 此可以提昇對最重要的封包提供保護，而且不會對位元串增加負擔。但是對位元串造成 少許封包的遺失，且保護的程度也不高。在[8] 一文中，Sanchez及Mandal提出以
JPEG2000 層 的 結 構 ， 分 別 給 予 不 同 等 級 的 錯 誤 偵 測 碼 (rate compatible punctured convolution, RCPC code)保護。因此我們可以了解在JPEG2000位元串中，可以透過不同 的方式分解出不同等級的子位元串，並且加以保護。
在以上相關研究中，一項共同的觀點是使用JPEG2000位元串中層次的架構來做不
對等的保護措施，而各研究所不同的部份是其保護的方法。而我們所提出的方法，也是 利用JPEG2000位元串中存在各種不同的重要性資料，但是我們並沒有加入任何的錯誤 偵測碼來將封包保護得更好，而是利用JPEG2000位元串中漸近式傳送的特性，將位元 串依照不同漸近式傳送的排序分成三種不同等級的封包，再依照無線網路中三種不同重 傳的機制做封包的錯誤回復。如此只需要針對錯誤的封包來做重傳的動作，可以適應不 同的干擾環境，調整其系統參數來確保接收端或解碼端得以收到某一等級的影像品質。
在相關視訊領域中，也已有相當多的研究使用這種方法來提高視訊 資料串流的可靠 度。例如[10]一文的研究當中，首先將視訊位元串分類，並給予不同等級的ARQ，如此 便可以達到很好的傳輸效果與視訊位元串的可靠度。在[11][12]的兩篇研究論文當中，
提出利用在無線網路鏈結層的重傳機制，來提供視訊位元串適應性的品質服務。在[13]
一文中， Chatzimisios研究使用無線網路中鏈結層重傳機制對整個傳輸過程延遲的影 響。本文參考其結果來作系統參數的設定。
2. JPEG2000 簡介
JPEG2000 是由 JPEG 委員會所定出的新靜態影像壓縮標準[3][4]。近年來吸引很多 的學者與業者，此標準不僅在於壓縮影像效能的提升，更在於它多元化的特性更能適應 現代的網路系統。
2.1 JPEG2000 基本編碼與解碼架構
如圖一所示為 JPEG2000 壓縮端與解壓縮端的架構圖。從原始影像的輸入，經過步 驟說明如下：
圖 1：JPEG2000 壓縮與解壓縮之系統架構圖
前置處理包括區塊切割與色彩轉換。區塊的切割是將原始影像切成大小相同的方 塊，方塊的大小是任意的，而每個方塊都將被獨立的做小波轉、編碼與解碼，如此將可 有效的利用有限的記憶體。
JPEG 中採用的離散餘弦轉換，而在 JPEG2000 中則採用離散小波轉換(Discrete Wavelet Transform)。這是因為離散小波轉換擁有許多可以滿足 JPEG2000 需求的特性。
例如，經過小波轉換後，影像可以有多重解析度的表現，以及不會產生方塊效應等特性。
如圖二所示為一維一階離散小波轉換之方塊圖，而一般 JPEG2000 軟體[5]所使用之預設
前置處理 離散小波轉換 量化器 編碼器
復原 反小波轉換 反量化器 解碼器
原始影像
解壓縮端
還原影像
傳送媒介 壓縮端
離散小波轉換，為二維五階之小波轉換。
X[n]
Low Pass Filter h0[n]
High Pass Filter h1[n]
Sub-Sampling 2:1
Sub-Sampling 2:1
Coder&
Packer&
Tansmission
Decoder&
Unpacker&
Tansmission
0[ ] y n
1[ ] y n
ˆ [ ]0
y n
ˆ [ ]1
y n
Super-Sampling 1:2
Filter g1[n]
Filter g0[n]
⊕ x n ˆ[ ]
Analysis Filter-bank
Super-Sampling 1:2
Synthesis Filter-bank
X[n]
Low Pass Filter h0[n]
High Pass Filter h1[n]
Sub-Sampling 2:1
Sub-Sampling 2:1
Coder&
Packer&
Tansmission
Decoder&
Unpacker&
Tansmission
0[ ] y n
1[ ] y n
ˆ [ ]0
y n
ˆ [ ]1
y n
Super-Sampling 1:2
Filter g1[n]
Filter g0[n]
⊕ x n ˆ[ ]
Analysis Filter-bank
Super-Sampling 1:2
Synthesis Filter-bank
圖 2：一維、雙次頻帶之小波編碼之主要元件
所謂量化器是將一個輸入訊號的值對應的一個索引值，而這個索引值再經過編碼成 為 壓 縮 位 元 。 量 化 器 會 針 對 不 同 的 次 頻 帶 會 有 不 同 的 量 化 區 間 大 小 (quantization
step-size)。一般在低次頻帶會有較高精密度的量化區間，這是因為人眼對低頻影像訊號 比較敏感的緣故。
JPEG2000 編碼器由一級編碼器與二級編碼器所組成。一級編碼器為 JPEG2000 所 採用的 MQ 編碼器，而二級編碼器則是組合 MQ 編碼器所產生的封包。JPEG2000 所採 用的編碼方法，是將每個次頻帶獨立地編碼，這麼做的目的則是為了避免錯誤傳遞到其 他的次頻帶。並且採用稱為 EBCOT(Embedded Block Coding with Optimized Truncation) 的演算法。這個演算法會將每次頻帶進一步切割成小矩形區塊，我們稱之為編碼方塊，
而每一個編碼方塊都將被獨立編碼，藉此以找到在任何一個位元串斷點下的最佳影像品 質。
2.2 JPEG2000 位元串格式
JPEG2000 為了能夠做到漸進式傳送、隨機存取等各種功能，其位元串提供了很大
的彈性，可以透過各元素、區塊、解析度以及編碼方塊在位元串中的不同排列順序來達 成。因此在二級編碼器中，將獨立編碼的每一個編碼方塊所得到的子位元串根據某一些 規則再組合成封包(packet)及層(layer)。如圖三所示，每段封包，也就是境域(precinct，
代表在某一種解析度下同屬於影像某一個小區域分佈在所有 3 個次頻帶的小波係數)是 由數個編碼方塊的幾個位元平面編碼步驟所組成。而在一個區塊內所有解析度下的每一 個境域的所屬封包則共同組成一個層，而原始影像可能由數個影像元素與區塊組合而 成。
圖 3：影像、區塊、境域、與編碼方塊間之關係
2.3 JPEG2000 之漸進式傳送
所謂漸進式傳送是將位元串之封包，依照需求做不同的排列順序再依序傳送，並以 特殊的標記做控制。設定一個區塊後，使用四個參數來決定封包的排列順序，也就是元 素(component)、解析度(resolution)、層(layer)、以及境域(precinct)。由這四個參數，
JPEG2000 制定五種不同的漸進式傳送，分別為(1)層-解析度-元素-境域 漸進式傳送
(LRCP)、(2)解析度-層-元素-境域漸進式傳送(RLCP)、(3)解析度-境域-元素-層漸進式傳 送(RPCL)、(4)境域-元素-解析度-層漸進式傳送(PCRL)、與(5)元素-位置-解析度-層漸進 式傳送(CPRL)。在此我們簡單介紹以 RLCP 這種漸進式傳送，其中是由以下順序來排 列位元串的封包。
for each r=0, ….., Nmax
for each l=0, ……, L-1 for each i=0, ….., Csiz-1
for each k=0,…..,numprecincts-1 處理相對之封包
其中 l 為層數，r 為解析度(如果經過三次的小波分解，就會有四種解析度)，i 為色彩元 素數，k 為每個區塊內之境域數。這種排列的方式所組成的封包可以應用在主從式的應 用系統，因為不同的客戶端很可能會對伺服器要求不同影像品質。
3. 802.11 無線網路
3.1 簡介
802.11 是由 IEEE 協會所制定的無線區域網路協定[1]。目前大部分的無線網路技 術，都是以無線電波為傳輸媒體。根據使用者不同的須求，802.11 制定了數種不同的標 準，分別有針對傳輸速率、頻帶的使用及安全機制等規範。無線網路通信過程中，多少 都會受到一些不需要的額外能量的干擾，也就是雜訊。還有無線通信中多重路徑衰落
(Multi-Path)所造成的傳輸死角。這些問題都可能造成信號的失真及資料的遺失。
3.2 傳輸可靠度
802.11 和大部份其他的網路協定一樣，是透過重傳機制來提供可靠性(Reliability)。
錯誤偵測與更正是由啟始基本訊框交換程序的工作站來決定，也由該工作站負責重傳。
有時傳送端可根據是否有正面回應來推論訊框是否已經遺失，而重傳計數器(retry
counter)在重傳訊框時會加以累計。工作站本身具有兩個重傳計數器，分別有短訊框重 傳計數器(short retry counter)與長訊框重傳計數器(long retry counter)。長度小於 RTS 門 檻值的訊框視為短訊框；長度大於 RTS 門檻值的訊框則視為長訊框，根據訊框長度，
分別對應到長、短訊框重傳計數器。重傳計數由 0 起算，只要訊框傳送失敗即加以累計，
如果達到重傳限制，該訊框隨即被丟棄，並會將此狀況告知上層協定。之所以要有短訊 框與長訊框，其原因是為了網路管理人員利用不同長度的訊框來調整網路的穩定性。
4. 不均等可靠性傳輸系統架構
本文所提出利用無線網路重傳限制來提供 JPEG2000 傳輸的不對等保護措施，系統 整體架構說明如下。
4.1 系統架構圖
本篇論文所提出方法之概觀圖如圖四所示。原始影像經 JPEG2000 編碼器編碼之後 形成 JPEG2000 位元串，而這位元串會進入如圖五所示傳送前處理模組(Pre-transmission
Process)。傳送前處理模組將 JPEG2000 位元串分類，並給予不同等級的”重傳限制”以 利傳輸時提供不同等級的可靠度。傳送前處理模組並將不同的等級的位元串切割成不同 的區段(fragments)，而且傳送順序仍依照原位元串的排列方式依序傳送。如此並不會打 亂原有的順序，所有依照 JPEG2000 標準的解碼器可以順利解碼。在 JPEG2000 解碼器 解碼之後，便可以得到原始影像。
圖 4：不對等重傳限制傳輸系統架構圖
JPEG2000 Encoder 原始影像
Pre-transmission Process
JPEG2000 Decoder Wireless LAN System 影像輸出
圖 5：傳送前處理模組架構圖
4.2 JPEG2000 封包性質之分析
如圖三所示，JPEG2000 位元串是由階層式架構所組成。而為了達成漸進式的傳送，
在位元串中，每一層的資料對接收端重建影像的重要性皆有所不同。發生於位元串中不 同位置的錯誤也將產生不同等級的影響。以往相關研究中大多是在探討如何使用糾錯碼 來完整的對所有封包編碼，以利在無線網路的環境中得到較完善的保護。而我們也知道 在位元串中加入過多的錯誤偵測碼，則會造成傳輸效率的降低。而我們所提出的方法則 是先對 JPEG2000 位元串對接收端重建影像的重要性做分類，而依照此分類給予不同的 保護機制。
和其他多媒體資料一樣，JPEG2000。封包標頭記載著整個位元串中最重要的資訊，
也就是最敏感的資訊，其中包括編碼型式、小波轉換與編碼方塊資訊、量化表等等。封 包標頭的資訊比任何資料位元都來得重要，因為就算資料位元完整接收，而遺失了部份 封包標頭也是無法重建影像。
JPEG2000 Code stream classifier
High Sensitive Data with more retry limit
Middle Sensitive Data with normal retry limit
Low Sensitive Data with 0 retry limit
JPEG2000 Code stream
Transmission system
因為 JPEG2000 影像經過小波分解之後，很明顯大部分的影像能量都往低頻次頻帶 集中，也因此低頻次頻帶資訊對整體影像的真正貢獻量為最高。因此如果低頻次頻帶資 訊毀損過於嚴重，會造成不論之後高頻次頻帶如何的將位元率提高，都將因為低頻次頻 帶資訊的毀損而造成重大失真，也因此無法提昇影像品質(PSNR)。為了提高重建影像 品質，因此我們在傳送端的資料位元串切割成兩個部份，一部分為最高解析度中的「低 通/低通」(LL)低頻次頻帶；另一部份為最高解析度中「低通/高通」(LH)、「高通、低通」
(HL)以及「高通、高通」(HH)的組合，我們稱為中高頻次頻帶。可以很確定的是低頻 次頻帶資訊比中高頻次頻帶還要敏感且重要。我們以 RLCP 漸進式傳輸的位元串格式為 例，如圖六所示，位元串的傳送從左而右，依序為主標頭、解析度 0、解析度 1 到解析 度 2，其中解析度 2 為最高解析度。在接收端，每接收到一個解析度資訊，便是原始影 像解析度的增加。
圖 6：RLCP 位元串結構圖
假設一個單色原始影像，做三階的小波分解後，共有四種解析度，每個解析度有六個境 域，而且分成四層，因此總共有九十六個封包。解析度 0 將帶有 24 個封包，解析度 1 將帶有 48 個封包，解析度 2 將帶有 72 個封包，解析度 3 將帶有 96 個封包。如圖七所
Header LL2 LH2 HL2 HH2 LH1 HL1 HH1
Resolution0
Resolution1
Resolution2
示，我們將資料封包分為兩個部份，在最高解析度下低頻次頻帶共有 72 個封包，而中 高頻次頻帶共有 24 個封包。這裏值得注意的是，封包數量並非代表傳送位元組數量，
因為中高頻次頻帶包含最高解析度下的三個次頻帶，比低頻次頻帶包含了更多的編碼方 塊。前面 72 個封包對整體影像的貢獻量為最高，因此如果低頻次頻帶資訊毀損過於嚴 重將造成重大失真，而無法提昇影像品質(PSNR)。因此我們很容易的判斷，低頻次頻 帶資訊比中高頻次頻帶資訊還要敏感。
圖 7：單一區塊位元串之分類
如果原始影像切割成兩個區塊以上，如圖八所示，則會有兩個以上區塊資料，我們 一樣將每個區塊資料切割成低頻次頻帶資訊與中高頻次頻兩個不同重要性之封包，
圖 8：多區塊位元串之分類
因此，我們將 JPEG2000 位元串分類成以下三種：
y 高敏感度資訊：包含主標頭(main header)資訊以及區塊標頭(tile header)資訊。
y 中敏感度資訊：最高解析度下低頻次頻帶資訊位元串。
y 低敏感度資訊：最高解析度下中高頻次頻帶資訊位元串。
事實上，我們也可以在 JPEG2000 位元串中，根據不同的漸進式傳送方式，將位元串 Main Header Tile1 Header Tile1 Data Tile1 Data Tile2 Header Tile2 Data Tile2 Data
High Sensitive data
High Sensitive data Medium Sensitive data
Medium Sensitive data Low Sensitive data
Low Sensitive data Main Header Tile1 Header Tile1 Data Tile1 Data
72 封包 24 封包
分類成更多等級的位元串，來提供更彈性傳送方式。
4.3 不同等級敏感度資料的切割
在 JPEG2000 位元串中包含許多的標記(marker)與標記片段(marker segments)，用來 宣告或標誌位元串的特性，而標頭也是由許多的標記所組成。而我們正可以使用這些標 記來將我們不同等級敏感度資料做切割。圖九為 JPEG2000 編碼串流結構，由”SOC”
標記位元串的開始，由”EOC”標記位元串的結束。
高敏感度資訊包含主標頭與區塊標頭，分別由”SOC”與”SOT”標記開始，由”SOD”
標記結束。而資料位元串中的中敏感度資訊與低敏感度資訊，我們使用錯誤回復選項，
將封包標頭移到主標頭或區塊標頭內，並且加上封包開始標記”SOP”與封包結束標 記”EPH”，我們便可以得知每個區塊中的封包總數，並且分成兩個敏感度資訊。
圖 9：位元串與標記之架構
5. 不對等重傳限制的傳輸機制
如同前文所述，802.11 和大部份其他的網路協定一樣，可透過重傳機制來提供可靠 性。以下我們介紹 802.11 相關訊框格式、參數以及我們所使用的不對等重傳限制方法。
5.1 802.11 無線網路之訊框格式
為了因應無線資料鏈結所帶來的挑戰，MAC 被迫採用了許多特殊的功能，首先我 們簡介與本篇論文相關控制訊框與變數。
圖十上方所示，為一般 802.11 的訊框，各欄位依序為：
y Frame Control：描述此訊框類型及控制信號。
y Duration：用來設定目前此訊框的傳輸預計使用媒介多少時間，以及代表免競爭期間
所傳送的訊框。
y Address 1~4：一個 802.11 訊框最多包含四個位址欄位，這些欄位隨著訊框類型的不
同作用也有所差異其本上包含目的位址、來源位址、接收端位址、傳送端位址。
y Sequence Control：此欄位用於重組訊框片段以丟棄重覆訊框，其中包含片段編號以
順序編號。
y Frame Body：訊框主體也稱為資料欄位，負責在工作站間摶遞上層資料，其中包含
保全(security)位元。
y CRC：802.11 以訊框檢查序列作為結束，其中以循環冗餘檢查碼(Cyclic redundancy
check)為工作站檢查所收到之訊框的完整性。
圖 10：802.11 之訊框格式
如圖十下方所示為訊框控制欄位，其中包括：
y Protocol version：協定版本。
y Type 與 SubType：用以描述訊框類型，其中包括管理訊框:包括聯結(association)、探
查(probe)、信標(beacon)、身份認證(authentication)。控制訊框:為了因應雜訊與提昇 可靠性，802.11 內建了一些管理功能，如 RTS/CTS 作業與回應(acknowledgment)。資 料訊框:傳送資料訊框之類型，可分為競爭式服務及免競爭式服務兩種資料訊框。
y ToDS 與 FromDS：用以描述目的地是否為分散式系統(distribution system)，位址欄位
的解讀取決於這兩個位元的設定。
y More Fragments：如果上層的封包經過切割處理，最後一個片段除外，其他片段均會
將此位元設定為 1。
y Power management：為了提高電池的使用時間，通常可以關閉網路卡以節省電力。此
位元用以顯示傳送端在完成目前的訊框交換之後是否進入省電模式。
y More data：此位元由基地台用來通知處於省電模式之工作站，代表目前仍有訊框待
傳送給休眠中的工作站。
y WEP：用來描述此訊框是否使用 WEP 來保護訊框，確認資料的真實性。
y Retry：如果訊框需要加以重送則設定此位元，來協助接收端分辦是否為重覆的訊框。
5.2 不對等重傳限制的系統參數設定
無線網路可能隨著使用者人數或使用者的要求，使得網路效能會有所變化，而改變 外在環境(例如調整基地台的擺設位置及個數，使用外接式天線，等等)或許可以解決某 些問題，不過有些問題最好可以透過調整參數來解決。以下列出包含與本篇論文相關之 可調參數：
y RTS 門檻：設定此門檻來輔助較大封包的傳送。任何大於 RTS 門檻的封包都必須
RTS/CTS 程序來處理。RTS/CTS 程序主要是可將來自隱藏節點的干擾降至最低，依 照標準規定，應該設定為 2347 個位元組。如果網路傳輸量相當低，或重傳訊框比例 偏高，就可以降低 RTS 門檻，以啟動 RTS/CTS 淨空機制。如果理論上的最大傳輸量 增加，可以調高 RTS 門檻，以避免啟動 RTS/CTS 淨空機制，以提高傳輸效益。
y 重傳限制(retry limit)：重傳限制也就是丟棄訊框之前可以重傳的次數限制。網路中每
部工作站都具備兩種重傳限制，分別為長訊框重傳限制(long retry limit)與短訊框重傳 限制(short retry limit)。長訊框重傳限制適用大於 RTS 門檻的封包，預設值為 4；而 短訊框重限制則適用小於 RTS 門檻的封包，預設值為 7。如果訊框超過重傳限制則 丟棄該訊框，並通知上層協定。降低重傳限制可減少個別系統所必須準備的暫存空
間，因為訊框越快逾時，丟棄這些訊框的速度也越快，因此所需的記憶體空間越小，
但是相對降低傳輸的可靠度。提高重傳限制，雖然可以提高傳輸的可靠度，但是也 相對的降低了傳輸量。
5.3 鏈結層的重傳機制
JPEG2000 位元串經過分類之後，我們便可以依照不同等級的敏感度，來做不同等 級的保護措施。這裏我們提供鏈結層的保護措施，若傳送端偵測到傳送過程有錯誤的情 形，則自動在鏈結層加以重送，直到成功為止或者重傳次數到達重傳限制，則將該訊框 丟棄，並通知上層協定。而我們將 JPEG2000 位元串中根據不同等級敏感度的位元串給 予不同等級的鏈結層重傳機制。
5.4 傳送效率與緩衝區之考量
我們必須考慮到 JPEG2000 傳送過程中所需要的緩衝區記憶體的大小與傳送效率之 間取得一個平衡點。以下便是我們對不同敏感度的位元串給予相對應的重傳限制：
y 高敏感度資訊
長訊框重傳限制：8 短訊框重傳限制：14 y 中敏感度資訊
長訊框重傳限制：4 短訊框重傳限制：7 y 低敏感度資訊
長訊框重傳限制：0 短訊框重傳限制：0
針對高敏感度資訊，我們給予兩倍預設值的重傳限制，以提高這一等級資訊的保護 層級及可靠度，延長了這類封包在無線傳輸過程中的存活期。另外我們知道，主標頭與 區塊標頭佔整個位元串大約不到 1/100，即使我們提高重傳限制，對整個位元串的傳送 效率並不會有太大的影響。對於中敏感度資訊，我們即給予預設值的重傳限制。對於低 敏感度資訊，我們在鏈結層即不給予重傳的機會。首先，這類封包佔整個位元串中的大 部份，而且對接收端重建影像的貢獻度並不及中敏感度資訊來得高。再加上為了提高位 元串的傳輸效率與降低緩衝區的需求，所以我們將這類封包的重傳限制設定為 0。
6. 實驗
以下依據我們所提出的方法進行一系列的實驗，來顯示這個方法的成效。
6.1 實驗環境
我們的實驗環境中包含兩台有無線網路卡的電腦以及一個可調衰減器(attenuator), 將傳送端無線網卡的天線端接至衰減器的輸入，並將衰減器的輸出端接至接收端無 線網卡的天線端，利用這個可調衰減器來模擬各種不同品質的傳送通道。
圖 11：實驗環境圖
6.2 各敏感度資訊在位元串中的比例
首先第一個實驗我們對一張 512*512 的 Lena 影像做不同敏感度資訊之比例的分析。這 張 JPEG2000 影像資訊如表 1，共有 3 個色彩元素, 以及 4 個層, 而經過位元分類器分類 之後，所得到的高敏感資訊有 130bytes, 佔總位元串的 0.0037%，中敏感度資訊佔總位 元串的 32%，以及低敏感度資訊佔總位元串的 67.9963%，如圖 12。
Adjustable attenuator
表 1：實驗影像資訊
Image 512*512 Color Components 3
Wavelet level 5
Layers 4 Bit rate 10.478bpp
High Sensitive Data 130 Bytes Medium Sensitive Data 109348 Bytes Low Sensitive Data 233874 Bytes Total size 343352 Bytes
0.0037%
68%
32%
低敏感度資訊 中敏感度資訊 高敏感度資訊
圖 12： 各敏感度資訊在位元串中的比例
6.3 傳送效率的表現
在無線傳輸的過程中，傳輸通道容易發生所謂的隨意錯誤與突發式錯誤，而通常我 們以封包錯誤率(Packet error rate, PER)來表示資料在此通道的傳輸品質。因此，第一個 實驗我們分別對 JPEG2000 位元串中不同等級敏感度的資訊，在不同傳輸品質的通道中 測試。而我們所得到的傳輸效率則以該資訊在此通道的封包丟失率(Packet Drop Rate,
PDR)來表示。越高的 PDR 則表示所遺棄的封包越多，表示傳送效率越差。實驗過程中，
度資訊以及高敏感度資訊中的傳輸效率分別為 O(PER)、 O(PER2)、以及 O(PER4)。我 們可以很容易的看出，在鏈結層中提高重傳限制的成效相當明顯。如圖十二所示，在整 個傳輸過程中，我們以最低 PER(1.0E-05)的無線網路環境，也就是以較為乾淨無線網路 為基準，分別比較有無使用本文所提方法在不同品質傳輸通道的傳輸率(throughput)。我 們可以發現在較差的無線通道中，因為我們不允許低敏感度資訊重傳，也因為如此，在 這個環境下，丟棄了很多的較不會影響重建影像品質的封包。就如預期中的，採用我們 的方法，就算是在 PER (1.0E-01)的環境下，只降低了大約 10%的傳輸率。
1.00E-13 1.00E-12 1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00
1.00E-01 1.00E-02 1.00E-03 1.00E-04 1.00E-05 1.00E-06
Packet Error Rate
Packet Drop Rate
Low Sensitive Data Medium Sensitive Data High Sensitive Data
圖 13：三種不同等級的封包在不同的 PER 的環境下所得到的 PDR。
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
100.00%
1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05
Packet Error Rate
Throughput
Normal Transimission Multi-retry limit
圖 14：有無使用不對等重傳限制系統之傳輸率。
6.4 接收端之影像品質
如圖十三所示，我們以原始影像之 PSNR 值為基準，分別對有無使用不對等重傳限 制的方法做一比較。我們可以很明顯的看見，雖然在較差的無線通道中，我們的方法不 只在傳輸效率上較為優越，在影像的品質還是非常接近原有品質。我們分別在不同封包 錯誤率的通道中分別有無使用不對等重傳限制所得到的影像如圖十四。
0 2 4 6 8 10 12 14 16
1.00E-01 1.00E-02 1.00E-03 1.00E-04 1.00E-05 1.00E-06
Packet Error Rate
PSN R (d B )
Normal Transimission Multi-retry limit
∇
圖 15：使用不對等重傳限制系統在不同 PER 通道中所得到的影像品質
(a)PER=1.0E-04,左圖為有使用不對等重傳限制機制，右圖為無使用不對等重傳限制。
(b)PER=1.0E-03,左圖為有使用不對等重傳限制機制，右圖為無使用不對等重傳限制。
(c) PER=1.0E-02,左圖為有使用不對等重傳限制機制，右圖為無使用不對等重傳限制。
(d) PER=1.0E-01,左圖為有使用不對等重傳限制機制，右圖為無使用不對等重傳限制。
(e) PER=1.0E-02,左圖為有使用不對等重傳限制機制，右圖為無使用不對等重傳限制。
(f) PER=1.0E-02,左圖為有使用不對等重傳限制機制，右圖為無使用不對等重傳限制。
圖 16：有無使用不對等重傳限制系統在不同 PER 通道中所得到的圖例
(a)、(b)、(c)與(d)圖分別在 PER 為 1E-04、1E-03、1E-02 與 1E-01 條件下的傳輸通道中 差異。左方為有使用不對等重傳限制方法所得到的結果，而右方為無使用不對等重傳限 制所得到的結果，(e)與(f)圖分別為另兩張標準測試圖在 1E-02 的傳輸通道中有無使用不 對等重傳限制方法的差異。
6.5 影像無法解碼的機率分析
另外我們必須考慮在無線傳輸的過程中，是否會因為某些位元遭到丟棄，而造成接 收端的解碼器無法解碼。通常這種情況都發生在部份的主標頭和區塊標頭資料遭到損 毀，那麼有可能會解碼出錯誤的承載資料長度、量化表、或者是編碼型態。這樣的錯誤 通常會造成解碼器完全無法解碼。如本文所提，我們特別在主標頭與區塊標頭特別給予 雙倍的保護來避免這類情形的發生。就如圖十五所示，如果沒有對這兩個標頭做特別的 保護措施，是非常容易造成解碼器完全無法解碼。
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1.00E- 01
5.00E- 02
4.00E- 02
3.00E- 02
2.00E- 02
1.00E- 02
1.00E- 03
1.00E- 04
Packet Error Rate
Normal Transmission Multi-retry limit
圖 17：避免影像無法解碼的機率
7. 結論
我們現在已走入數位的時代，所有多媒體資訊將透過各種型式之傳輸媒介傳送到所 需要的目的地。而 JPEG2000 的優點不只是在壓縮率的提昇，更重要的是它所支援的漸 進式傳送，這個功能將非常有利於多媒體影像資訊的傳遞。再加上得目前無線網路的普 及化，使用無線網路傳送多媒體資訊將不可避免。而最重要的課題就是達到有效避免無 線通信中的隨機錯誤與突發式錯誤，以提供較完善的傳輸通道與傳輸品質。
而在相關研究中，多位學者以頻道編碼的方式來做封包的保護。誠如本論文所提，
如何在緩衝區記憶體需求與傳輸效率之間達到一個平衡點，都是大家想達成的一個目 標。而 JPEG2000 剛好可以很容易的將位元串做重要性分類的動作，配合無線網路鏈結 層的重傳機制，達到高可靠度，高效率的傳送機制。另外本論文所提之方案，也可以搭 配各種錯誤偵測碼的方式，提高影像的傳輸品質。另外，我們所提的方案並非相當複雜，
相對的可以很容易的實作。
目前數位家庭化的風潮帶領下，數位機上盒也將成為後 PC 時代非常重要的應用之 一，因為它將扮演著家中的多媒體伺服器，其中將會包含網路/無線網路、多媒體資訊(包 含視訊、影像)的傳遞與分享，我們所提的方法便可應用在這種裝置上。接下來的研究 可以朝向根據 JPEG2000 不同數量的層，給予不同重傳限制，讓這其間更為精密化。
8. 參考文獻
[1] ISO/IEC 8022-11, ANSI/IEEE Std 802.11, ”Wireless LAN medium access control (MAC)
and physical layer (PHY) specifications,” 1999.
[2] ISO/IEC IS 15444-1 Information Technology, “JPEG2000 Image Coding System-Part1:
Core Coding System,” 2000.
[3] ISO/IEC JTC1/SC29/WG1, ”JPEG 2000 image coding system – Part 11: Wireless JPEG
2000 – Committee Draft”.
[4] Michael W. Marcellin, Michael J. Gormish, Ali Bilgin, Martin P. Boliek, ”An Overview of JPEG-2000,” IEEE Data Compression Conf., 2004.
[5] David Taubman, “Kakadu software“, http://www.kakadusoftware.com/
[6] Nicholson, D., Lamy-Bergot, C., Naturel, X., and Poulliat, C., ”JPEG 2000 backward compatible error protection with Reed-Solomon codes”, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 49 , Issue 4, Nov. 2003.
[7] Khairul Munadi, Masayuki Kurosaki, Kiyoshi Nishikawa and Hitoshi Kiya “Error Protection for JPEG2000 Encoded Images and its evaluation over OFDM Channel” in Proceedings of International Symposium on Circuits and Systems, Vol. 2 , pp. 25-28, May
2003.
[8] V. S. Sanchez and M. K. Mandal, “Robust Transmission of JPEG2000 Images Over Noisy Channels”, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 48, Issue 3, pp.
451-456, Aug. 2002.
[9] Natu, A.; Taubman, D., “Unequal protection of JPEG2000 code-streams in wireless channels,” IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM '02), Vol.
1, pp. 534-538, 2002.
[10] Chih-Chin Liu and Shu-Chin Su Chen, “Providing unequal reliability for transmitting layered videostreams over wireless networks by multi-ARQ schemes” In Proc. of International Conference on Image Processing, 1999.
[11] Qiong Li and M. van der Schaar, ”Providing adaptive QoS to layered video over wireless local area networks through real-time retry limit adaptation”, IEEE Transactions on Multimedia, Vol. 6, Issue 2, pp. 278-290, April 2004.
[12] Qiong Li and M. van der Schaar, ”Error protection of video over wireless local area networks through real-time retry limit adaptation”, In Proc. of IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP '04), 2004.
[13] Chatzimisios, P., Boucouvalas, A.C., and Vitsas, V., ”IEEE 802.11 packet delay-a finite retry limit analysis,” In Proc. IEEE Global Telecommunications Conf. (GLOBECOM), Vol 2, pp. 950-954, 2003.
[14] 陳信光、劉志俊，”利用不均等可靠性來提高在無線網路環境下 JPEG2000 影像傳輸
品質”，2005 數位生活與網際網路科技研討會,2005
