行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 89－2218－E－011－018
執行期間： 89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日 計畫主持人：鍾國亮教授
共同主持人：鍾國亮教授
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立台灣科技大學資管系暨資工研究所
中 華 民 國 90 年 7 月 31 日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
影像壓縮、隱藏、匹配及其應用(III)
Image Compression, Hiding, Matching, and Applications (III) 計畫編號：NSC 89-2218-E-011-018
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：鍾國亮教授 國立台灣科技大學資管系暨資工研究所
中文摘要
影 像 處理 這 門領 域 一 直 不 斷 的 發 展 著，人們對影像壓縮、匹配及其在網 路上傳輸時之影像隱藏等主題投入的 心力有明顯的增加，這些主題也是目 前主要的研究核心問題之一。計劃主 持人同研究夥伴在過去幾年中，對這 些主題累積不少經驗及成果。本研究 小組在今年度計劃中完成下列主要研 究成果。
(1)地形地圖之三角化壓縮 [1]：給定 一個二維矩陣，如地表資料或影像 資料，並使用架構於有效之小波參 數的方法建立規則的四元樹的三 角片表示法 [2]。我們首先使用對 初設三角片進行二維小波轉換，接 著我們提出一種新的方法來調整 這些小波參數，接著我們可以得到 有效之小波參數，根據這些有效之 曉波參數，可以控制地表化簡程 度，更可將其應用於壓縮上。此結 果 已 投 至 IEEE Trans. on Visualization and Computer Graphics 期刊複審中。
(2)JPEG 中的 DC 及 AC Huffman 表的 新資料結構表示法：我們嘗試尋找 JPEG 裡四個 DC 及 AC 對應表之相 關 特 性 並 加 以 結 合 ， 以 利 快 速 Huffman 編碼與解碼 演算法的設 計，並可以使影像在儲存與解碼空 間的需求量減少許多。
(3) 連續影像之最近似匹配 [3]：使用 架 構 於 修 改 過 的 S-tree 表 示 法，我們提出新的區塊匹配的方 法。此方法是改進 [4] 的方法，
在低位元傳輸環境上，同樣的壓縮 比下，我們的方法可以得到更好的 PSNR 和更快的解碼時間。
(4) 環場影像之壓縮與匹配 [8]：使用 改良的兩階段動態規劃的方式來 進行環場影像的匹配及壓縮，我們 的方法主要是改進 [5] 的方法，
期望得到較快速且精準的結果。
(5) 影 像 在 網 路 傳 輸 上 之 隱 藏 研 究 [6]：使用架構於 SVD 和 VQ 上 的隱藏資料方法，將 VQ 的技巧 套用於 SVD 壓縮方法上，可使壓 縮比和影像品質都可以達到所需 的品質。實驗結果顯示在一般的情
況下，我們無法感覺到被崁入資料 的影像有任何的改變。本實驗結果 以 刊 登 於 Pattern Recognition Letters, Vol. 22, No. 9, pp.1051-1058, 2001.
英文摘要
The field of image processing is continually growing. It has a growing interest in image compression, hiding, and matching. The three topics are also the kernels of this field. In this project, we do the research and have the results as shown below:
(1) Triangular Compression for Terrain Image: Given a regular grid of data such as a terrain data or an image, we can construct triangular mesh based on the effective wavelet coefficients (EWC) and their restricted quadtree model. We first perform a 2D wavelet transform on the initial mesh. Then, a novel approach to adjust the wavelet coefficients to obtain the EWC. By using these EWC, we can control the terrain’s levels of detail. The results have been submitted to IEEE Trans.
on Visualization and Computer Graphics.
(2) New Data Structure for Overlapping DC and AC Huffman Tables in JPEG: We try to find the related characteristics between the four DC and AC Huffman tables and then combine them to two tables. In
addition, the Huffman encoding and decoding algorithms are investigated.
The requirement of storage is also becoming smaller.
(3) Approximate Matching for a Sequence of Images [3]: Based on the modified S-tree representation, an improved block-matching image compression method to improve the previous method [4]. Experimental results that under the low bit rate communication environment and the same compression ratio, the proposed improved compression method has better PSNR (peak signal-to-noise ratio) and faster decoding time.
(4) Compressing and Matching for Stereo Vision [8]: An improved two-level dynamic programming approach is proposed to find the matched features for any two stereo images. The algorithm was improved the previous method [5]. We expect our approach in fast and robust manners.
(5) Image Hiding in the Communication [6]: We presents a novel singular value decomposition (SVD)- and vector quantization (VQ)-based image hiding scheme to hide image data. Plugging the VQ technique into the SVD-based compression method, the proposed scheme leads to good compression ratio and satisfactory image quality. Experimental results
show that the embedding image is visually indistinguishable from the stego-image. The main result has been published in Pattern Recognition Letters, Vol. 22, No. 9, pp.1051-1058, 2001.
計畫緣由、結果與討論
在影像處理的過程裡，我們常會遇到 影像儲存的空間相當大且儲存時所花 的時間也相當長，如何改進相當的重 要。在做影像或資料搜尋的時候，或 者是如何運用匹配的技術來得到物體 的立體深度，常因資料庫過大，而造 成搜尋時間變長了許多。另外，在網 路進行傳輸時，也有很多問題值得在 本計畫裡進行討論研究，例如，當我 們從別處傳一張影像回來時，總是需 要將整張影像完全傳回來後，才能瞭 解此影像的真正意義，如果我們可以 在傳輸的過程中就知道影像的意義，
那麼就不必多花時間將剩下的影像傳 完了。此外，影像在網路傳輸時，常 會被人從中擷取，若能適當地對影像 進行加密，有助於提高影像在傳輸時 的安全性，如何的加密解密，也是本 計畫的重點之一。還有如何對兩張影 像做快速的匹配以求得物體在影像中 的立體深度值，利用動態規劃的方式 來加速影像匹配，也是本計畫的重點 之一。而本計畫主持人和其研究生也 在這方面投入相當多心力，也得出一 些結果，由於這些理論的發展，方使 有效且快速的實作及使用成本降低的 可能性增加。本研究小組針對此基礎 且實用的結果進行以下的研究並完成 下列研究成果。
（一）地形地圖之三角化壓縮之成果 [1]：在地形地物的地圖壓縮方 面，有不少人發表了相關的三 角片的文章，這樣的壓縮方式 可以有效地將地形表面的情形 表現出來。此外，小波轉換也 發展到相當的程度，一些不錯 的小波轉換壓縮方法也都陸續 的發表出來。另外，也有結合 三角片與小波轉換的相關文獻 被提出來，而我們則利用小波 於三角片的應用來發展更進一 步的壓縮。首先給定一個二維 矩 陣 ， 如 地 表 資 料 或 影 像 資 料，並使用架構於有效之小波 參數的方法建立規則的四元樹 的三角片表示法 [2]。我們首先 使用對初設三角片進行二維小 波轉換，接著我們提出一種新 的方法來調整這些小波參數，
接著我們可以得到有效之小波 參數，根據這些有效之曉波參 數，可以控制地表化簡程度，
更可將其應用於壓縮上。
（二）JPEG 中的 DC 及 AC Huffman 表 的 新 資 料 結 構 表 示 法 之 成 果：計劃主持人與其研究夥伴 提 出 快速 的 Huffman 解碼方 法，可以使影像在儲存與解碼 空間的需求量減少許多；其他 的 研 究 同 好 也 曾 提 出 相 關 的 Huffman 的搜尋演算法。JPEG 標準裡的四個 DC 及 AC 對應 表，彼此之間有相關程度上的 相似性，如何有效地找出相似 之處，以利編碼與解碼演算法 的 設 計 是 我 們 主 要 的 研 究 課 題。分析 JPEG 標準裡四個 DC
及 AC 對應表之相似處，以方 便發展新的資料結構表示法，
使 JPEG 的編碼與解碼更有效 率、更省空間。
（三）連續影像之最近似匹配之成果 [3]：修改原先提出的樹狀結構 表示法 [7]，使能有效地在允許 失真之下進行連續影像的壓縮 與解壓縮，以利擴充到高灰階 或 彩 色 影 像 的 壓 縮 設 計 。 此 外，從修改過的樹狀結構表示 法上，利用樹狀結構的特徵，
設計出快速的最近似匹配演算 法。由於過去演算法中的樹狀 匹配演算法的 cost 量度方式不 適用在影像上，因此本子題希 望提出新的 cost 量度方法及有 效率的演算法與實作。我們使 用架 構於修改過的 S-tree 表 示法，我們提出新的區塊匹配 的方法。此方法是改進 [4] 的 方法，在低位元傳輸環境上，
同樣的壓縮比下，我們的方法 可以得到更好的 PSNR 和更 快的解碼時間。
（四）環場影像之壓縮與匹配之成果 [8]：使用改良的兩階段動態規 劃的方式來進行環場影像的匹 配及壓縮，我們的方法主要是 改進 [5] 的方法，期望得到較 快速且精準的結果。在第一階 段，從左右兩張影像中的每一 列去獲得主要的特徵點，然後 針對每一組對應列，運用動態 規 劃 的 技 術 及 三 個 消 去 的 規 則，去準確地獲得那些特徵點 的匹配關係。在第二階段，根
據第一階段的結果利用動態規 劃的技術來加速兩對應列的匹 配關係。
（五）影像在網路傳輸上之隱藏研究 之成果 [6]：早期計劃主持人與 其研究夥伴曾提出利用不同的 SCAN patterns 的方式來提高 影 像 在 網 路 上 傳 輸 時 的 安 全 性；其他的研究同好有曾提出 利用浮水印(watermark)的技術 來保障本身影像的著作權，此 外也有將欲保密的影像隱藏在 一張有意義的偽裝影像內以增 加其安全性，且此種影像的保 密方式上可達到影像壓縮的功 能。於是我們提出使用架構於 SVD 和 VQ 上的隱藏資料方 法 ， 將 VQ 的 技 巧 套 用 於 SVD 壓縮方法上，可使壓縮比 和影像品質都可以達到所需的 品質。實驗結果顯示在一般的 情況下，我們無法感覺到被崁 入資料的影像有任何的改變。
計畫自評
本計畫的成果與報告內容和原計劃的 申請項目大致相同，計畫之分項子題 達成的狀況亦很理想。各個計畫子題 的成果均已完成，其中各計畫子題之 相關的成果皆在國外著名的期刊下審 查過程中。本計畫所提及之各項成果 預期對於影像壓縮、影像匹配及影像 在傳輸上的保密性等研究領域的完整 性有很大的貢獻；除了在學術理論上 將有顯著的成果外，針對提出的影像 壓縮、匹配、影像傳輸與安全性進行
理論的研究與實作的測試。在學術界 或政府機關不但可以減少其影像資料 的儲存空間、加快資料的搜尋速度，
還可以增加影像資料的保密性，並可 加快機關部門間的影像傳輸速度。往 後更可有系統的整合出多媒體系統。
經由本計畫的研究與實作，可以使參 與的人員更深入瞭解影像處理的重要 性，更促使參與人員深入探討影像壓 縮、匹配、影像傳輸與安全性等研究 主題在日常生活的相關性，如此結合 理論與實際應用，提升參與之工作人 員今後之研發能力進而提昇國家競爭 力。
參考文獻
[1] T. C. Yang, K. L. Chung, and S. Y.
Tseng, New Restricted Quadtree Triangulation using effective wavelet coefficients, submitted to IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, in revision.
[2] P. Lindstrom, D. Koller, W.
Ribarsky, L. F. Hodges, N. Faust, and G. A. Turner, Real –time, continuous level of detail rendering of height fields, in Proc.
SIGGRAPH ’96, pp. 109-118, 1996.
[3] L. C. Chang, and K. L. Chung, An improved block-matching algorithm for image compression using S-tree representation, Research Report, Dept. of Information management,
National Taiwan University of Science and Technology.
[4] M. Atallah, Y. Genin, and W.
Szpankowski, Pattern matching image compression: algorithmic and empirical results, IEEE Trans.
PAMI, vol. 21, no. 7, pp. 614-627, July 1999.
[5] C. J. Tsai, and A. K. Katsaggelos, Dense disparity estimation with a divide-and-conquer disparity space image technique, IEEE Trams. on Multimedia, Vol. 1, No.
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[6] K. L. Chung, C. H. Shen, and L. C.
Chang, A Novel SVD- and VQ-Based Image Hiding Scheme, Pattern Recognition Letters, Vol.
22, No. 9, pp.1051-1058, 2001.
[7] K. L. Chung, and L. C. Chang, Efficient algorithms for overlapping a sequence of images, Real-Time Imaging, Vol.7, No.2, pp.159-171 (2001).
[8] K. L. Chung, and M. H. Hwang, An improved algorithm for dense disparity estimation using two-level dynamic programming approach, Research Report, Dept.
of Information management, National Taiwan University of Science and Technology.
