智慧型校園生活環境研擬與建置(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

智慧型校園生活環境研擬與建置(3/3) 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 96-2218-E-011-001-

執 行 期 間 ： 96 年 11 月 01 日至 97 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電子工程系

計 畫 主 持 人 ： 陳金蓮

共 同 主 持 人 ： 方文賢、劉政光、胡能忠、呂永和、陳玲鈴 馬自莊

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

公 開 資 訊 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 98 年 01 月 21 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ^{▓ 成 果 報 告}

□期中進度報告

智慧型校園生活環境研擬與建置

計畫類別：□ 個別型計畫  整合型計畫 計畫編號：NSC94-2218-E-011-011、NSC95-2218-E-011-008

NSC96-2218-E-011-001

執行期間：94 年

11

1

97

10

31

計畫主持人：

陳金蓮教授

共同主持人：

馬自莊教授 國立臺灣科技大學電機工程系 方文賢教授 國立臺灣科技大學電子工程系 劉政光教授 國立臺灣科技大學電子工程系 胡能忠教授 國立臺灣科技大學電子工程系 呂永和教授 國立台灣科技大學資訊管理系 陳玲鈴教授 國立臺灣科技大學工商業設計系

計畫參與人員：

黎碧煌教授 國立臺灣科技大學電機工程系 鄭瑞光教授 國立臺灣科技大學電子工程系 陳建中教授 國立臺灣科技大學電機工程系 楊成發教授 國立台灣科技大學電機工程系 王乃堅教授 國立臺灣科技大學電機工程系 劉馨勤教授 國立臺灣科技大學電機工程系 曾德峰教授 國立臺灣科技大學電機工程系 王煥宗教授 國立臺灣科技大學電子工程系 張立中教授 國立臺灣科技大學電機工程系 賴坤財教授 國立臺灣科技大學電子工程系

羅乃維教授 國立臺灣科技大學資訊管理系 陳建雄教授 國立臺灣科技大學工商業設計系 張文智教授 國立臺灣科技大學工商業設計系 鄭金典教授 國立臺灣科技大學工商業設計系 柯志祥教授 國立臺灣科技大學工商業設計系

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：

□精簡報告 完整報告

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

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究 計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，

□一年□二年後可公開查詢

中文摘要

本計畫之目的旨在研究建構智慧型校園環境所必要之核心技術，用以營造智 慧生活與科技化的多元整合校園環境，並以創造安全、健康、便利、舒適與永續 等五大願景的生活型態為目標。本計畫前半段執行期間，由子計畫一至六優先研 發實現智慧校園願景所必需要的核心技術與能力，並透過子計畫七之情境模擬與 概念產品設計，尋求技術發展與生活需求的一致性。透過子計畫間的協調與溝 通，本計畫於後半段執行期間，逐步建構智慧校園的真實生活情境，並展現整合 結果。

子計畫一以研究網路互連之核心技術，建構隨處可用的網路基礎建設，並進 行語音、影像等多媒體服務以及自動偵測感應系統的整合。本子計畫運用校園電 話網路、有線及無線區網，整合目前校內各自運作的語音與網際網路存取服務。

建立智慧型之校園媒體中心，發展無線感測網路系統，以支援其他子計畫所需的 網路傳送功能。子計畫二以射頻辨識系統為研究目標。射頻辨識系統係利用射頻 電磁波原理自動感應目標物之相關資料。本子計畫針對校園生活空間，進行射頻 辨識系統之讀取範圍與讀取距離之改善，及關鍵硬體組件之研製及系統協定的創 新規劃，藉以提昇標籤回應品質。子計畫三以定位系統之射頻技術為研究目標。

而本計畫中所要探討的 RFID 技術也已廣泛的應用在日常生活中之定位技術。本 子計畫是以射頻辨識系統，藉由發射四個方位的電磁波到待測物的標籤上，利用 其反射的電磁波強度判斷其所在位置，做一種定位的功能。子計畫四研究影像辨 識與光纖技術在光電感應系統之應用，經由攝影機偵測位置、煙霧、振動、濕度 等，研究多重偵測、感應與智慧分析，來提供校園安全與監控應用。主要工作包 括：(1)煙霧偵測監控與學習狀態監控系統；(2)影像異動於振動與濕度偵測應用；

(3)被動光網路於影像資訊傳輸之應用。子計畫五利用田口式實驗法與提出使用 紅、藍、綠三色螢光粉利用紫外光 LED 激發混合成白光，以此方法所製作的白 光 LED 擁有良好的發光特性，能得到色座標接近 D65 光源的色座標點。本子計 畫更進一步實現可變頻譜日光，利用平均日光篩選 LED 及推演出兩個評估指數 SRSE 及 AC/DC，以利用最小最大法來求得最小的評估指數。子計畫六建立可動 態調整的智慧型空間的方法，將情境變數或環境變數等資料及所對應的設備設 定，存入資料庫之中，利用資料探勘中的分群與分類方法，建立情境與設備設定 之間的推論規則。本研究提供三種設備含燈光、聲音與投影片播放的自動設定。

本方法著重於系統設計的方法論，及將 Analysis Server 內嵌於應用系統的實作方 式。子計畫七推廣智慧校園情境模擬建置，並以智慧型校園飲水機為例。主要設 計構想為飲水機配備有無線射頻辨識系統 (RFID)讀卡裝置與標籤，標籤可貼附 於個人專屬之杯子底下，以區辨使用者身份，飲水機可計算使用者當天所累積的 飲水量，提醒使用者每日應攝取適當的水份。本研究歷經功能需求與情境特性分 析之過程，完成互動介面模擬原型設計。

Abstract

This project aims at developing and integrating the core technologies for smart living space with the visions of security, health, convenience, comfort and everlasting.

In the first half of this project, Sub-projects 1 to 6 are engaged in studying the essential building blocks for realizing future smart campus. Meanwhile, Sub-project 7 performs scenario simulations and concept product designs to integrate the smart living space with developed advance technologies. Based on the research conducted in the first half, the project focus on integrating and building up real scenarios for demonstrating smart campus in the second half of the execution years.

Subproject 1 Studies the core technologies of network inter-connection and construct a ubiquitous network infrastructure. Audio, images, multimedia services and automatic wireless sensor system have been integrated on the network. The campus phone network, wire and wireless network have been utilized to integrate all independently operated speech and internet access services. In addition, a media center has been developed to provide campus-wide ubiquitous media and information service. We have also developed the wireless sensor network technologies to support the information transmission for other subprojects. Subproject 2 aims at developing the core technologies in radio-frequency identification (RFID) system.

The RFID system utilizes backscattered principle to automatically acquire information from tagged items. The subproject develops the core techniques for improving the read rang and read distance of the RFID system implemented in campus. Key RF components like phase array, reader antenna, tag antenna, tag IC are involved in the subproject. New protocol planning are proposed and investigated as well. Subproject 3 develops a positioning technology by using radio-frequency identification (RFID) systems. We use four RFID readers to collect automatically information from tagged items. Based on these information, we use our developed algorithm to find the position. The developed phase-array antenna by subproject 2 also helps us find the position more accurately. In our field test, we find our developed positioning technology is absolutely high performance. Subproject 4 studies the applications of image recognition and fiber technologies to optoelectronic sensing systems. Multiple detections, sensing, and intelligent analysis can be applied to campus security and monitoring systems through the use of cameras in positioning, tracking, vibration, humidity, and smoke detections/sensing. Three main topics are: (1) monitoring systems for smoke detection and student learning status; (2) applications of image changing to vibration and humidity detections; and (3) applications of passive optical

D65. Algorithms for selecting LEDs to imitate a group of daylight spectra based on minimizing the obtained index by applying the daylight spectra to the candidates achieves a minimax solution. A pruning process is followed to delete redundant LEDs.

Subproject 6 develops a smart space system which can dynamically adjust the settings of devices to fit the requirement of different users under different contexts.

We model the context management problem as a classification problem in data mining.

In the training phase, we record the valuesof environmentalvariables,user’s ID, user’slocationsand theexisting settingsofdevicesin atable.In theprediction phase, we use the model to get suitable settings of the controlled devices. This research emphasizes on the methodology in building the prediction model and the way of embedding the Analysis Server of SQL 2005 into our application program.

Subproject 7 performs scenario simulations and concept product designs. For an example, a intelligent water dispensers for both office and campus uses is proposed.

This innovative design is equipped with a RFID reader and tags. The tag can be stuck on the bottom of a personalized mug for identification purpose. Based on the device, the water dispenser can keep track of an individual’s daily water intake and provide appropriate advices. After a series of iterative design process pertinent to functional requirements and scenario analyses, this study has completed the design of two interactive simulation prototypes.

Keywords: Smart campus, Smart Living, sensor network, smart media center, VoIP, RFID, antenna, IC, positioning, protocol, image recognition, smoke detection, passive optical network, omni-directional reflector, white light LED, phosphors, daylight recovery, Context aware, Data mining, Embedded Systems, water dispenser, Interaction

目 錄

第一章 簡 介...1

1.1 研究背景...1

1.2 研究目的...1

1.3 研究過程...2

第二章 子計畫一：隨處行動網路平台架構 ...4

2.1 研究背景與目的...4

2.2 計畫第一年研究項目...4

2.2.1 校園內隨處皆可存取的 VoIP 服務 ... 4

2.2.2 設計媒體編解碼品質可調之系統 ... 6

2.2.3 建立無線感測網路之階層式叢集拓樸，針對 CSMA/CA 機制與 IEEE 802.15.4 最佳化研究... 11

2.3 計畫第二年研究項目... 11

2.3.1 研究 WLAN/HSDPA 與 WiMAX 互連關鍵技術 ... 11

2.3.2 Fully Scalable 之媒體編解碼系統設計 ... 13

2.3.3 分析無線感測網路的交通，並針對第一年建立的階層式叢集拓樸設計繞徑協 定進行效能分析... 15

2.4 計畫第三年研究項目...16

2.4.1 結合語音輸入之 Skype 系統 ... 16

2.4.2 RFID 室內尋物系統... 24

2.4.3 無線感測網路最佳化設計及效能分析 ... 29

2.5 成果自評及與其他子計畫之交流 ...35

第三章 子計畫二：人機介面之射頻技術 ...36

3.1 研究背景與目的...36

3.2 超高頻射頻辨識系統之門禁控制系統 ...36

3.2.1 系統介紹... 36

3.2.2 系統設計... 36

3.2.3 系統量測結果 ... 39

3.2.4 系統實測... 41

3.2.4 系統實測... 42

3.3 超高頻射頻辨識系統之波束掃瞄天線 ...43

3.3.4 系統實測... 47

3.4 被動式標籤背向散射之頻率分集研究 ...47

3.5 RFID 標籤晶片之研究...48

3.5 RFID 標籤晶片之研究...49

3.5.1 電路架構與模擬 ... 49

3.5.2 晶片量測及分析 ... 53

3.5.3 讀取距離量測 ... 58

3.6 成果自評及與其他子計畫之交流 ...60

第四章 子計畫三：定位系統之射頻技術 ...61

4.1 研究背景與目的...61

4.2 射頻辨識系統之安全性研究...61

4.2.1 介紹... 61

4.2.2 二元樹金鑰交換協定 ... 62

4.2.3 防碰撞兼具認證功能的通訊協定 ... 66

4.3 結合消除干擾技術的防碰撞演算法 ...72

4.3.1 系統介紹... 72

4.3.2 模擬與數值結果 ... 73

4.4 Reader 量測之控制系統 ...76

4.4.1 系統介紹... 76

4.4.2 系統設計... 77

4.4.3 系統量測結果 ... 78

4.4.4 系統實測... 80

4.5 RFID 定位介面系統之三角定位演算法介面系統...83

4.5.1 系統介紹... 83

4.5.2 系統設計... 83

4.5.3 系統量測結果 ... 87

4.5.4 實驗量測結果 ... 89

4.6 成果自評及與其他子計畫之交流 ...91

第五章 子計畫四：自動偵測光電感應系統 ...92

5.1 煙霧偵測監控與學習狀態監控系統 ...92

5.1.1 研究背景與目的 ... 92

5.1.2 煙霧偵測監控系統 ... 92

5.1.3 學習狀態監控系統 ... 94

5.2.3 系統設計與影像差異偵測技術 ... 100

5.2.4 系統量測結果 ... 102

5.2.5 影像異動量測資訊傳輸技術 ... 102

5.3 遠端泵激光纖放大器於被動光網路傳輸應用 ...104

5.3.1 研究背景與目的 ... 104

5.3.2 光纖放大器之模組研製 ... 104

5.3.3 光檢測技術... 108

5.4 成果自評及與其他子計畫之交流 ... 111

第六章 子計畫五：次世代照明... 112

6.1 研究背景與目的... 112

6.2 白光 LED 技術之研發 ... 112

6.2.1 研究目的... 113

6.2.2 文獻探討... 113

6.2.3 研究方法... 115

6.2.4 全方位反射器(光子晶體)之研究 ... 115

6.2.5 田口式實驗法 ... 116

6.2.6 實驗數據分析 ... 116

6.2.7 結論... 117

6.2.8 成果自評及與其他子研究之交流 ... 118

6.3 LED 篩選做變頻譜照明燈 ... 118

6.3.1 LED 篩選 ... 119

6.3.2 LED 篩選之數學推演 ... 119

6.3.3 由日光光譜篩選 LED ... 122

6.3.4 模擬及討論... 123

6.3.5 結論... 125

6.3.6 成果自評及與其他子研究之交流 ... 126

第七章 子計畫六：普及資訊擷取架構 ...127

7.1 研究背景與目的...127

7.2 智慧型教室之教師系統...127

7.2.1 將資料探勘模組內嵌在應用程式之中 ... 127

7.2.2 系統架構... 128

7.2.3 情境推論模式的建立(本研究的方法論) ... 131

7.2.4 系統實作... 132

7.2.5 實驗結果與分析 ... 143

7.3.3 系統功能... 147

7.3.4 系統情境實例展示 ... 148

7.4 成果自評...150

第八章：子計畫七：未來生活情境模擬與概念產品設計 ...151

8.1 研究背景與目的...151

8.2 智慧型辦公室飲水機...151

8.3 智慧型辦公室飲水機介面與互動設計模擬 ...152

8.4 智慧型校園飲水機...153

8.5 智慧型校園飲水機介面與互動設計模擬 ...154

8.6 結論...156

8.7 成果自評及與其他子計畫之交流 ...156

第九章 結 論...157

參考文獻...159

可供推廣之研發成果資料表...164

附 錄...167

一、國際期刊...167

二、國際會議：...170

三、國內會議...174

四、專利：...175

第一章 簡 介

1.1 研究背景

本計畫承蒙國科會『前瞻優質生活計畫』專案補助，自2005年11月起連續執 行三年，由陳金蓮教授擔任計畫主持人，經參與教授共同討論，擬定計畫名稱為：

『智慧型校園生活環境研擬與建置』。本計畫整合各領域學有專精之教授團隊，

冀以建構智慧型校園環境之必要核心技術為目標。根據計畫書提案當年(即2005 年)之行政院產業科技策略會議所勾勒出的發展遠景，未來智慧化生活空間是要

「透過資訊基礎設施，結合電子、電機、資訊、通訊相關產業技術與自動化設備，

建構智慧化空間，創造及享有安全、健康、便利、舒適與永續的生活型態」[1, 2] 。 對於此需要高度整合的願景，吾人認為台灣科技大學是最為合適的研究單位。台 科大是一個小而美的學校，五個學院(工程、電資、管理、設計以及人文社會)交 流密切，常有跨領域之合作。台科大也是一個勇於創新的學校，舉例來說，為了 提供學校師生隨處可用的網路基礎建設，學校率先建置全國第一所全校園無線網 路；為了加強校園停車管理，學校也採用自動車牌辨識系統及射頻辨識系統，監 控車輛進出；此外，學校更積極推動電子識別證，結合悠遊卡，以降低師生同時 持有各種卡片的不便，並可於未來提供個人化的服務。本計畫擬整合台科大多樣 性的研究專長以及完備的軟硬體架構，藉由計畫團隊的通力合作，將台科大校園 建置成智慧型生活空間，並可以藉此積極研究開發關鍵技術以及系統整合技術，

並發表國際知名會議及期刊論文。

1.2 研究目的

本計畫的目的旨在研究建構一智慧型校園環境必要之核心技術，並擬在本校 校園內建立創意應用空間，營造出智慧生活與科技化的多元整合環境，以創造安 全(如：訪客紀錄、門禁管理、停車管理、保全監控)、健康(如：飲用水管理記錄)、

便利(如：網路電話、小額付款、圖書管理)、舒適(如：智慧照明)與永續(如：節 能設計、資源回收)等五大願景的校園生活。為了營造出上述之智慧生活與科技 化的多元整合環境，需掌握多項前瞻性的關鍵技術與能力，諸如：隨處可用的網 路設施、射頻辨識技術、自動化感測及控制技術、隨意擷取的服務應用軟體，及 智慧化生活情境模擬等。本計畫藉由整合台灣科技大學內學有專精的各領域教授 以及完備軟硬體設施，過去三年逐步實現各領域之關鍵技術及其整合，且逐步於 台科大校園環境內建置符合上述願景之智慧生活空間。

本計畫由「隨處行動網路平台架構」、「人機介面之射頻技術」、「次世代

構」、「前瞻智慧空間感應/制動系統軟硬體建構」、「人和機器的最佳化介面 研究」，以及「各種工作模組與制動系統的開發研究」等四大研究主題。本計畫 之七個研究團隊，於計畫書所擬定研發之核心技術如圖1-1所示，而各子計畫依 循核心技術所擬定之研發技術里程圖，則整理於圖1-2。

1.3 研究過程

本計畫是以學生與教職員的觀點出發，由校內設計、電資與管理學院相關研 究團隊跨領域合作來執行。設計學院負責校園智慧化生活情境模擬與創意構想設 計；電資學院將基於此情境模擬的分析結果，在目前的有線及無線網路基礎建設 上建構無線行動網路平台架構，研究RFID與自動化設備的關鍵模組(如：RFID 標 籤天線技術、RFID 讀取器基頻技術、智慧感測技術與智慧照明技術)，完成部份 實驗平台；管理學院則是負責協助服務應用軟體的開發及系統整合的工作。本計 畫之第一年研究著重於各領域之關鍵技術的研發，依次打造智慧空間生活所必須 的核心技術與能力，第二年研究內容著重於智慧校園之核心技術的實現，第三年 研究則利用各子計畫已研發完成之關鍵技術，配合子計畫七所提供之智慧校園情 境，選擇適當題材進行子計畫間之關鍵技術整合，並依循校園生活空間之展示原 則，進行智慧生活環境的實體展示或影片介紹。本計畫已分別於2007年3月30日 及2008年5月30日國科會「前瞻優質生活環境」專案暨「前瞻工程科技之未來性 產品概念設計」專案計畫聯合發表會進行實地展示，研究內容豐富，頗受好評。

本計畫累計三年之研究經驗與成果，共計完成 25 項研究主題，包括：子計 畫一之『校園內提供隨處皆可存取的 VoIP 服務』、『設計媒體編解碼品質可調 之系統』、『建立無線感測網路之階層式叢集拓樸，針對 CSMA/CA 機制與 IEEE 802.15.4 最佳化研究』、『研究 WLAN/HSDPA 與 WiMAX 互連關鍵技術』、『進 行 Fully Scalable 之媒體編解碼系統設計』、『分析無線感測網路的交通，並針 對第一年建立的階層式叢集拓樸設計繞徑協定進行效能分析』、『結合語音輸入 之 Skype 系統；Skype 影像訊務之量測與分析』、『RFID 室內尋物系統』、『無 線感測網路最佳化設計及效能分析』、子計畫二之『超高頻射頻辨識系統之門禁 控制系統』、『超高頻射頻辨識系統之波束掃瞄天線』、『被動式標籤背向散射 之頻率分集研究』、『射頻辨識標籤晶片之研究』；子計畫三之『射頻辨識系統 之安全性研究』、『結合消除干擾技術的防碰撞演算法』、『讀取器量測之控制 系統』、『射頻辨識定位介面系統之三角定位演算法介面系統』；子計畫四之『煙 霧偵測監控與學習狀態監控系統』、『影像異動於振動與濕度量測應用與影像』、

『遠端泵激光纖放大器於被動光網路傳輸應用』；子計畫五之『白光 LED 技術 之研發』、『LED 篩選做變頻譜照明燈』；子計畫六之『智慧型教室之教師系 統』、『智慧型教室之學生系統』；以及子計畫七之『智慧型辦公室飲水機』等。

本計畫執行期間，共發表國際期刊論文30篇、國際會議論文37篇、國內會議 論文9篇，且目前尚有17項國內外專利申請中。此外，本計畫之執行，更促成子 計畫2與3、子計畫5與7、以及子計畫1與2、6之整合研究，共同創造智慧校園之

圖 1-1

本計畫研發之核心技術

第二章 子計畫一：隨處行動網路平台架構

2.1 研究背景與目的

本子計畫旨在研究網路互連之先進核心技術，並能於台科大校園內，建構隨 處可用的網路基礎建設，並於此網路基礎建設上，進行語音、影像等多媒體服務 以及自動偵測感應系統的導入與整合，以提供師生更方便舒適的生活環境。要達 到此目的，本子計畫預定適當的運用校園目前現有的電話網路、有線區域網路以 及無線區域網路等基礎建設，適度的整合目前校內各自運作的語音與網際網路存 取(Internet Access)服務功能。研究開發相關的多媒體編碼與通信的技術，建立智 慧型之校園媒體中心。發展無線感測網路系統，以支援其他子計畫所需的網路傳 送功能。同時，還將積極引入新的網路技術如 WiMAX，以建構一個可提供更高 速傳輸，更多樣性服務的隨處行動網路平台架構。

本研究計畫預定在現有校園網路架構上，逐漸導入語音、影像等多媒體服 務，並透過新式無線網路互連技術的開發，持續更新校園網路基礎建設，並於這 些基礎架構上提供基本的服務品質(quality of service, QoS)保證機制。建立校園媒 體中心，提供媒體 QoS 控制,fully scalable 及通透異質網域等服務功能。完成無 線感測網路繞徑最佳化及整合測試。

依規劃本子計畫第一年之研究目的包括：

(1) 在校園內提供隨處皆可存取的 VoIP 服務；

(2) 設計媒體編解碼品質可調之系統；

(3) 建立無線感測網路之階層式叢集拓樸，針對 CSMA/CA 機制與 IEEE 802.15.4 最佳化研究。

依規劃本子計畫第二年之研究目的包括：

(1) 研究 WLAN/HSDPA 與 WiMAX 互連關鍵技術；

(2) 進行 Fully Scalable 之媒體編解碼系統設計；

(3) 分析無線感測網路的交通，並針對第一年建立的階層式叢集拓樸設計繞徑協 定進行效能分析。

依規劃本子計畫第三年之研究目的包括：

(1) 結合語音輸入之 Skype 系統；Skype 影像訊務之量測與分析；

(2) RFID 室內尋物系統

(3) 無線感測網路最佳化設計及效能分析。

2.2 計畫第一年研究項目

2.2.1 校園內隨處皆可存取的VoIP服務

本研究希望利用 Skype[3]突出的語音特性，結合校園內的網路基礎建設，進 行 語 音 、 影 像 等 多 媒 體 服 務 。 本 年 度 我 們 透 過 自 行 撰 寫 的 程 式 ， 配 合 由

的短距 RFID 系統，以簡化使用者登入 Skype 系統時的程序，再藉由一個簡單的 資料庫系統管理師生的資料，並根據使用者是否登入系統，讓使用者可在校園內 任何有加裝本系統的地方，順利的登入系統進行語音影像、聽取留言等多媒體之 服務。

Skype 校園服務網路架構如圖 2-1 所示，藉由目前校內以建設完成的有線與 無線網路，搭配校園內的導覽電腦，我們可在導覽電腦中加裝簡單的 RFID Reader 以及專為 Skype 所設計的語音交換機，讓使用者可以直接使用現有的話機來撥打 Skype 電話。其中，每台導覽電腦皆與集中式資料庫伺服器連線，資料庫內記載 著所有使用者的基本資料，包括記錄著唯一的 RFID 標籤編號，以提供使用者在 使用 RFID 登入時進行身份的確認。每一個據點分別代表著校園內不同的位置，

使用者透過 Tag 卡片配合 RFID Reader 進行登入的動作，同時對應至 Database 的 On_line 及 Location 欄位，由 On_line 欄位可得知使用者是否已登入，而由 Location 欄位可得知使用者目前的所在的位置。

圖 2-1 Skype 校園服務網路架構示意圖

利用 Skype 優質的語音服務及 Skype API 開發校園服務網路，在校園內各大 樓擺設導覽電腦，並在導覽電腦旁加裝 RFID 讀卡機、電話話機及 Skype 專用語 音交換機 VoSKY Exchange，先由 RFID 讀卡機感應登入本系統，對應資料庫伺 服器連線比對身份資料，確認身份後將出現於目前線上使用者表單，登入系統的 人皆能於導覽電腦查詢其他使用者的所在地，得到查詢結果便能使用播打功能進 行通話。

本計畫居於對方無法接聽及通話無回應的情況考量下，加設語音留言，供使 用者在無人接聽的通話過程中，直接切換至語音留言系統，進行聲音錄製，儲存 後將記錄於資料庫的『Voice mail』欄位，當接收方在離開大樓登出前，系統即 會出現目前的留言資訊，接收方即可由簡單操作選擇是否聽取留言，再完成登出 程序。以上所敘述的 Skype 應用架構圖如圖 2-2 所示。

在第一年已經完成 Skype 電話網路的測試平台，並已經初步與 RFID 系統與 資料庫系統相結合，讓用戶可以省去繁瑣的鍵盤鍵入登入手續。接下來會進行使 用者情境測試，將根據測試結果細部修正相關軟硬體的設定。近一步的結合其他 人機介面，例如加入語音撥號的功能，這部份在計畫第三年已經完成，讓原本專 為單人使用的 Skype 可以逐漸延伸到校園的大眾化應用。

2.2.2設計媒體編解碼品質可調之系統

圖 2-3 媒體串流播放處理

媒體串流播放方式[5]之一為將全部檔案傳送到接收端才播放，另外是將串 流資料從伺服器端傳送至接收端緩衝器，只要緩衝器內的資料足夠播放，即立即 播放，邊下載邊播放。以 Microsoft® Windows Media Server 傳播 Streaming Media 時，選擇適當的傳播方式是很重要的一件事情，針對不同需求而做不同的傳播方 式，比如 On-Demand Media，最好是選擇 Unicast；而 Live Media 則適合 Multicast。

Unicast 是一種一對一窄頻廣播，每個客戶端獨自擁有一份串流。適合隨選媒體 (On-Demand Media)，但缺點是對於 CPU 的負載相當的重。Multicast 也是一個窄 頻廣播，在網路中透過專門的路由器(Router)將串流複製並傳送至客戶端們，每 個 客 戶 端 得 到 相 同的串 流 。 適 用 於 現 場直播 (Live) 或 已 排 定 好 時 間 的 媒 體 (Scheduled Media)，可以節省網路寬頻及降低 CPU 的負載。缺點是無法像 Unicast 彈性化地對串流做控制。Microsoft® Windows Media 技術[6]的關鍵是使用 MMS 協定及 ASF(Advanced Streaming Format)檔案格式，其 ASF 檔案格式出現的副檔 名為.ASF、.WMV (Windows Media Video)及.WMA(Windows Media Audio)。MMS 協定用於網路傳輸和控制，而 ASF 檔案格式則用於媒體內容和編碼方案的封裝。

系統的架構可分為四個部份：(a) Capture 輸入設備 Camera、DVB-T、DVD Player、

Cable TV、…等影音設備連接至影音擷取卡 Osprey-440，將輸入訊號轉換成 Microsoft® Windows Media Encoder 可接受的格式。Osprey-440 擁有 4 組輸入的

的存取權限及控制的服務，可設定存取的 IP 範圍、節目時間的安排、…等；(d) Playback 客戶端的使用者透過瀏覽器去點選要觀賞的多媒體內容，此時發出一個 請求給 Web Server，而 Web Server 則通知 Media Server，收到通知之後，Media Server 將所選定的多媒體內容以串流的方式傳送給使用者，則 Player 端邊解碼邊 播放。系統圖如圖 2-4 所示。

數位權利管理一般解釋廠商用來控制數位媒體使用權的一些技術，這些技術 保護的有數位內容，例如：軟體、音樂、電影以及硬體(處理數位媒體的使用限 制)。著重於數位權利的管理、發行及保護，避免被非法下載、複製及轉移，確 保合法擁有者的權益。在數位權利管理系統的設計中，分成數位媒體(assets)與權 利(rights)兩個部份，數位媒體是透過既有的系統，可任意地被下載與分享，但在 沒有憑證(license)的情況下，內容無法被正確使用或撥放。而憑證是根據權利描 述語言(Rights Expression Language, REL)，產生後並加密傳送到用戶端。目前市 面已有多種數位權利管理的設備或軟體，如 Apple 公司的 iPod 與 iTunes、Microsoft 公司的 Windows Media Player 和 PlaysForSure 裝置等。

圖 2-4 校園媒體中心架構與服務 圖 2-5 數位權利管理伺服器 圖 2-5 為數位權利管理伺服器(DRM Server)的架構圖，在此系統中扮演關鍵 性的角色。它記錄了使用者、數位媒體以及權限三個數位版權管理系統的核心元 素。任何數位媒體想要發行，都得先經過數位權利管理伺服器驗證後，才能進行。

以加密來說，使用者端或串流媒體伺服器想要分享發佈某數位媒體，都需由數位 權利管理伺服器的認證，才會由數位媒體產生相對應的金鑰將即時影像加密。使 用者欲收看受保護的即時串流，需要先經由數位權利管理伺服器確認身份，其播 放此即時影像的權限與解碼參數，方會給予代表權利的憑證、金鑰與撥放此數位 媒體所需要之解碼工具，讓使用者可以收看。

除上述之外，數位權利管理伺服器在此系統中，還需要扮演網路連線機制的 管理者。當使用者從數位權利管理伺服器進行登入，要求即時串流服務，確認後 傳送給使用者所需的工具、金鑰和憑證。接著由數位權利管理伺服器根據演算 法，判斷出適合此使用者進入網路，從指定位置連線。數位權利管理伺服器與使

Directshow.net 編寫完成。整個 P2P 即時影像串流縮放編碼系統包含三大部份，

串流媒體伺服器(Stream Server)，數位權利管理伺服器(DRM Server)和使用者端 程式(IPMP Terminal)。連接的架構圖如圖 2-6 所示。

圖 2-6 點對點架構與端點

P2P 系統使用 Centralized P2P 架構，數位權利管理伺服器除了管理用戶端登 入、認證、提供解碼工具和決定金鑰的內容外，還需負責點對點連接機制，建立 與控管 P2P 網路。串流媒體伺服器負責即時影像截取，依照設定做壓縮編碼，用 數位權利管理伺服器所給予資訊將影像加密後，傳送給使用者端。使用者端程式 提供使用者介面登入，數位權利管理伺服器確認使用者身份後，回傳憑證、解碼 工具、金鑰與連線資訊，使用者端程式依照頻寬能力與延遲度，照連線資訊指示 開始收取影像封包，並依憑證內容，給與不同等級的使用者不同的解碼參數。使 用者端程式加入 P2P 串流網路成為節點，也開始提供後續進入的使用者影像串 流。

使用者與伺服器的交握(handshake)步驟：

1. 使用者先透過網頁界面的方式向數位權利管理伺服器註冊身份。

2. 從網頁伺服器下載 IPMP 用戶端程式，做為登入時之用。

3. 透過 IPMP 用戶端程式，輸入帳號及密碼登入至數位權利管理伺服器，這些 溝通皆以 AES 加密，以確保安全性。

4. 當數位權利管理伺服器收到使用者登入的資料時，將加密的資料還原，與系 統資料庫連線，比對使用者身份與相關資訊。

5. 確認使用者身分之後，依照使用者欲收看的數位媒體，給予所需之解碼器、

金鑰，並根據演算法從目前已建立之點對點網路架構中，選擇適合進入節 點，通知該節點將有新使用者連線。金鑰週期性由數位權利管理伺服器更新 後，統一發佈。

6. 使用者收取資訊後，依指示從指定的節點開始接受即時影像。使用者根據憑 證內的資訊對數位媒體內容做解密及解碼的動作，並立即的播放媒體內容。

同時也成為節點，回報所能提供的負載能力給數位權利管理伺服器。

Certificate：存放數位媒體憑證。DoImage：內含三個單元，Descriptor、Decoder 和 Display，專門處理所收取的影像封包。Peer service：負責與其他節點的連線 與管理暫存於 Buffer 的影像封包。使用者端與數位權利管理伺服器間的訊息交換 使用 AES 加密。

圖 2-7 使用者端架構圖

系統運作如下，首先將數位權利管理伺服器開啟，如圖 2-8 所示，接著再開 啟串流媒體伺服器並與數位權利管理伺服器連線以取得金鑰，確定可以提供即時 串流後，串流媒體伺服器加入 Peer List。

圖 2-8 啟動後的數位權利管理伺服器

第一位使用者 John 輸入帳號與密碼後連線，向數位權利管理伺服器登入系 統。身份確認後，回傳憑證、金鑰與連線資訊。John 的使用者端程式依照連線 資訊，對指定父節點進行連線，圖 2-9 為 John 收看即時影像的畫面，憑證指定 的 Decompress Ratio 為 0，依使用者等級不同，值越大畫面越模糊。

圖 2-9 使用中的使用者端

當使用者數量大於一時，串流媒體伺服器才會開始壓制串流，圖 2-9 的畫 面框率為 15，顯示使用者端收訊狀況一切正常。圖 2-10 為運作中的串流媒體伺 服器，右方的 Capture Size 與 Encoder Rate 可以動態調整，當使用者群的平均畫 面框率降低許多時，可手動調整系數，控制串流的 Bit Rate。

圖 2-10 作用中的串流媒體伺服器

圖 2-11 為運作中的數位權利管理伺服器，左方的為系統回報參數，讓管理 者能了解目前系統運作狀態，右上方顯示目前使用者數量為 2，右方為目前 Peer List 上的節點，也代表正在收看即時串流的使用者清單。

2.2.3建立無線感測網路之階層式叢集拓樸，針對CSMA/CA機制與 IEEE 802.15.4最佳化研究

無線感測網路是近年來快速成長的新興領域，而 IEEE 802.15.4 標準的發 表，更加速了無線感測網路的實現及普及。IEEE 802.15.4 標準的目標在實現一 低功率消耗、低成本之無線感測網路。IEEE 802.15.4 的傳輸週期可分為競爭週 期(contention access period; CAP)及非競爭週期(contention free period; CFP)二 種，其中競爭週期的資料傳輸是以載波偵測多重擷取/碰撞避免(carrier-sense multiple access/ collision avoidance; CSMA/CA)做為其競爭機制。我們針對 IEEE 802.15.4 的 CSMA/CA 機制加以研究，並提出一延遲後退演算法(delayed backoff algorithm; DBA)。根據模擬的結果，我們提出的演算法能在相同的功率消耗下，

提高有效資料傳送量(goodput)並降低媒體存取控制層之延遲(MAC delay)，明顯 的提升無線感測網路的服務效能。

我們所提出之演算法適用於具有主碼框架構的 IEEE 802.15.4 無線感測網 路。由於隨機倒退時間容易導致頻寬的浪費，故在主碼框架構的競爭週期中，欲 傳送資料的感測節點其倒退時間可分為已預先設定及未預先設定二種。在第 n 個 主碼框中已預先設定倒退時間之感測節點，代表其於第(n-1)個主碼框中傳送資料 時，已得知其於第 n 個主碼框中將進行資料的傳送，並以夾帶的方式向協調者 (coordinator)要求預先配置倒退時間。協調者依據要求配置的先後，將配置(0, 1, 2, ..., j)的預設等待時間供感測節點於第 n 個主碼框使用。此外，協調者於第 n 個 主碼框中發送 Beacon 信號給感測節點時，將附加資料等待訊息(pending frame notification)給感測節點，告知協調者上有資料等待感測節點索取，並告知感測節 點於第(n-1)個主碼框中已配置的等待時間 j。此時被通知有等待訊息的感測節 點，依照 Beacon 中資料等待欄位的順序，於稍後發送資料要求封包給協調者時 將使用(j+1, j+2, ..., k)做為其預設等待時間，其中 k 為已預先設定等待週期之感測 節點總數。其餘未預先配置等待時間，但欲進行資料傳送之感測節點，於稍後發 送資料封包時，均使用(k+1)至(2

^macMaxBE

2.3 計畫第二年研究項目

2.3.1 研究WLAN/HSDPA與WiMAX互連關鍵技術

由於近年來 WiMAX 技術發展快速，儼然有取代 3G 系統之勢，因此， 在 WLAN 與 WiMAX 雙網互聯系統下，提供整合行動上網與無線上網應用，將是 未來智慧校園生活的重要應用之ㄧ。因應此趨勢，本計畫針對 WLAN 與 WiMAX 的存取控制以及 QoS 支援等相關議題，進行初步的研究。

根據目前的研究，我們仿照 3GPP 與 WLAN 互聯架構提出一個可行的 WLAN-WiMAX 雙網互聯架構，如圖 2-12 所示。就目前的研究所知，要建置一 個完整的 WLAN-WiMAX 互聯網路，主要有兩大里程碑。第一個重大的里程碑 是提供一個單一系統為主的存取控制方式(single system based access control)，在 此階段必須對於存取控制的信令 (Signaling) 方式及相關功能加以完整的定義，

(Measurement Parameters)與量測程序等，有一通盤性瞭解，並進而對於雙網交遞 控制演算法，連線控制，移動及位置管理的相關信令方式及程序，都必須要有清 楚之定義。當然，要如何在此雙網架構下保證用戶的服務品質(QoS)，更是一個 挑戰。

圖 2-12 WLAN-WiMAX 互聯網路架構示意圖

除此之外，本計畫針對 HSDPA 與 WiMAX 互連所需關鍵技術進行瞭解，以 設法提升校園網路基礎建設的效能。為因應無線寬頻數據服務之整合與發展，本 計畫提出一套完整之 WiMAX (World Interoperability for Microwave Access；全球 互通微波存取)與 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access；高速下行封包接 取)網路互聯機制：包括兩個網路的互聯架構，服務品質保證機制，及交遞觸發 模組 HTM (Handover Trigger Module)等；並在實際網路上進行效能評估及驗證。

本計畫提出一套可符合 HSDPA 及 WiMAX 標準的網路互連架構，如圖 2-13 ， 並 建 議 在 網 路 進 行 交 遞 時 ， 可 透 過 “服 務 感 知 式 之 服 務 品 質 映 射 ” (WiMAX-HSDPA Service Aware QoS Mapping；WHSAQM)；使應用服務從原先網 路交遞至下個網路時，仍能維持服務品質之接續；並可透過交遞觸發模組之各運 作機制：如網路連接管理，預先註冊，場強監控及交遞觸發等機制以即時反應網 路及無線通道狀況，減少可能發生之服務品質衰減或交遞中斷。本研究最後依據 文中所提出之互聯機制，在實際 WiMAX 及 HSDPA 網路上進行測試，以驗證各 服務之關鍵績效指標(KPI)及所提機制之可行性。

本架構在 Nortel 的網路上進行實際測試，測試結果顯示：採用本研究之互聯 機制，如圖 2-14，可保證所有應用服務均能順利在兩個網路間完成交遞，並可確 保各應用服務所需之服務品質需求。在各國 WiMAX 頻譜執照陸續釋出之際，此 機制可為既有或新起之電信業者提供一套完整之網路互聯解決方案。

圖 2-13 提出的 HSDPA 及 WiMAX 標準網路互連架構

圖 2-14 提出的標準網路互連機制

2.3.2 Fully Scalable之媒體編解碼系統設計

提供可個人化之校園媒體中心，除了整合不同視訊信號源於單一介面，另外 仍須管理與保護個人化媒體傳輸。本年度計畫中，我們結合網路多媒體管理與通 用媒體存取的系統概念，提功具備智財管理功能之使用者終端系統(Intellectual Property Management Protocal)與 UMA 功能之系統整合。系統架構如圖 2-15 所 示。Digital Right Management(DRM)[7]伺服器接收來自 IPMP 終端[8]的認證請 求，認證無誤則授權給使用者，使用者 IPMP 終端則可以用所授權的金鑰，解開 來自媒體中心的媒體碼流。此一架構可以讓 DRM server 適當的更新金鑰加密方 法，同時管理使用者的存取權限，例如不同的空間或時間解析度，以及不同的編 碼品質等。此架構可以不改變媒體中心資料庫的狀態，有效的管理使用者最新存 取資料庫權限。在此我們利用 JPEG2000[9]的全縮放串流功能提供媒體碼流，並 採用 block shuffling 的方法來加密碼流，對攝影機訊號做即時的編碼與加密串流 控制。

圖 2-16 交握協定

系統實作採用 Win Sock API[10]架構來建立系統。經由登入階段驗證使用者的身 分之後，使用者、數位權利管理伺服器與串流媒體伺服器會做交握，如圖 2-16 所示：

(1)DRM 伺服器詢問串流媒體伺服器是否已達到最大人數，若否，則回傳接受的 訊息。若為是，則回傳拒絕的訊息。

(2)DRM 管理伺服器，依使用者播放權限，給定解壓縮的參數，品質及解析度，

並與解密影像所需的重組表格，根據驗證階段所收到的密鑰做 AES 加密，最後 傳送至 IPMP 用戶端。

(3)當用戶端收到封包之後，利用密鑰解密並且設置完用戶端程式的參數，回傳 準備完成的訊息。

(4)當數位權利管理伺服器收到用戶端傳來準備完成的訊息時，將該使用者的位 址通知串流媒體伺服器。

圖 2-17 智慧型媒體中心功能展示

圖 2-17 顯示媒體中心與 IPMP 使用者端的顯示功能，上兩張為不同畫質的 即時攝影機監控，左下為解析度縮小的顯示圖，右下為非法存取碼流所看到的加 密視訊。

2.3.3分析無線感測網路的交通，並針對第一年建立的階層式叢集拓樸 設計繞徑協定進行效能分析

在第一年計畫，我們針對 IEEE 802.15.4 的 CSMA/CA 機制加以研究，於具 有主碼框架構 的無線 感測網路中 ， 提出一 延遲後退演算 法 (delayed backoff algorithm; DBA)並進行模擬，以改善 IEEE 802.15.4 無線感測網路之效能。

本年度計畫中，我們延續了第一年的研究，首先針對 IEEE 802.15.4 的隱藏 式主機問題進行探討，並以分群策略(Grouping Strategy; GS)為基礎，在感測節點 傳輸距離相等的環境下，提出了公平且動態的分群策略(Fairness and Dynamic Grouping Strategy; FDGS)。所謂分群策略，是將可能發生隱藏式主機問題的感測 節點切割成不同的群，並令各群在不同的時間進行資料傳輸的動作。分群策略雖 然改善了隱藏式主機的問題，但卻無法相容於不支援分群策略的節點，且由於各 群之感測節點數量不一，相當容易導致各群分配到之傳輸時間不一致。為了改善 以上的缺點，在我們所提出的策略中，協調者(coordinator)可依照不支援分群策 略的節點數目比例，調整競爭存取週期(contention access period; CAP)的長度，使 其有自己的競爭的空間，不會干擾到執行分群策略的節點；此外，我們的策略在 每個超碼框(superframe)之前利用頻寬預約機制，使得網路上的節點能夠更加有 效的使用網路頻寬，且 FDGS 分群演算法分配的各群成員數也比 GS 分配的成員 數平均，具備更佳的公平性。由模擬結果顯示，我們提出的方法在區域性事件中 可提高有效資料傳送量(goodput)並降低媒體存取控制層之延遲(MAC delay)。此 外，我們的方法亦可有效改善各成員存取傳輸通道之公平性，改善了無線感測網

MTS310 為一感測模組，支援 MICAz 所提供之傳輸介面，可進行溫度、濕度、

光線、加速度及磁場等物理現象之感測。目前已經完成無線感測網路環境之架 設。其中，為了增加無線感測網路的傳輸距離，在我們的環境中，資料的傳輸以 multi-hop 的方式進行。此外，在我們的環境中，感測節點可依照使用者設定之 時間，週期性資料回報至資料收集端(sink)，且使用者可設定一臨界值，當感測 節點感測到的資料在臨界值之外時，感測節點將立即將此一事件加以回報。

2.4 計畫第三年研究項目

2.4.1 結合語音輸入之Skype系統

目前 Skype 在網路上已十分普及，通話品質高、操作介面簡易、加上 Skype 對所有通話和即時訊息均採用端到端加密技術，可絕對保護你的隱私。Skype 甚 至可以保持多個開放連線，並動態選擇當時最適用的連線。如此一來，可顯著降 低反應時間的影響，並提高網路中的通話品質。

延續 Skype 的應用研究，將原本的鍵盤、滑鼠輸入改成語音辨識提供使用者 更方便操作，並且增加通話計費、通話時間，如果使用者是利用網內通話完全免 費，假如是撥打手機或是室內電話以網外 Skype out 來計費，讓使用者知道目前 通話費，不必擔心電話費太高，讓你講的開心，用的放心。

Skype 是第一個提供真實可行的 P2P 網路通訊模式，大幅降低了提供服務所 需的基本投資，而採用一種使用者貢獻/分享的服務模式，隨著寬頻網路的大幅 普及，此模式的可行性與方便性也真正達成實用階段。Skype 提供了即時語言、

即時訊息、視訊...等。例如 : MSN、Yahoo、ICQ 和 Google Talk 等即時通訊工具 混合使用主從式與混合點對點架構來傳送即時訊息，Skype 則是採用第二代的 P2P 技術作為語音訊息傳送的基礎架構。

在第二代 P2P 的網路結構設計中並沒有中央伺服器的存在，Skype 的網路架 構中只有一部登入伺服器(login server)，它是負責儲存所有用戶的帳號和密碼，

並在用戶登入時作確認的動作。當 Skype 被用戶下載使用時，Skype 軟體可以自 行判斷該用戶的硬體設備等級，如 CPU 速度，記憶體、頻寬大小與具有實體 IP 位址等。若用戶的硬體設備達到某個等級之上，Skype 軟體便將此用戶列為整個 Skype 網路中的超節點(super node)，若在這等級之下則為普通主機(ordinary host)。

語音系統是一套用來發展電話語音應用程式。它把低階的電話語音卡介面指 令高階化已供應用程式呼叫，且其內建語音辨識模組，因此利用它可方便快速建 構電話語音應用系統。提供校內師生一個方便的隨身通訊環境，如圖 2-18，利用 校園目前完善的網路設施，將目前免費的網路電話整合至校內，讓全校的人都可 以憑証使用，不必付任何費用。且通話品質高、操作介面簡單，可以無時間、區 域限制的通話。在工業應用上，也可以推廣至各校園、公共場所、行政單位及各 大公司做節費應用，將省下的錢拿去做其他有義意的用途，不必再因這筆支出而 限制了其他事務的發展。且 Skype 能夠穿透 Firewall 和 NAT，同時 Skype 注重安 全性問題，所以在使用時不需擔心保密性問題。在網路上同時建立語音以及 RFID 的導入與整合，提供師生在校園更便利的生活環境。

為了方便使用者更容易操作，本計畫結合工研院資通所所開發之語音辨識系

圖 2-18 結合語音輸入之 Skype 系統架構圖

2.4.1.1 Skype影像訊務之量測與分析

Skype 主要提供了三種的服務型態：語音、短訊息、以及新增的影像視訊 (Video Conference)服務，其中短訊息對於即時性(Real Time)的要求性不高，而在 語音及影像視訊都需要有嚴格的網路服務品質(Quality of Service, QoS)控管，才 能保証其接收品質。近年來己有許多針對 Skype 語音品質的研究，但是在影像視 訊品質上尚未討論文獻。

在本段中，我們提出量測 Skype 影像的方法，並針對 Skype 直接連線模式 (Direct Mode)進行量測。在此模擬環境中本論文利用螢幕側錄的方式將接收端的 影像記錄下來，並與傳送端的影像比較峰值信號雜訊比(Peak Signal to Noise Ratios, PSNR) 值 來 衡 量 其 影 像 品 質 ， 同 時 利 用 網 路 損 傷 模 擬 器 (Network Impairment Emulator)，模擬封包經網路傳遞後的損傷進行量測。相關的模擬的結 果除了可以了解 Skype 在各種網路環境下的影像品質外，亦可提供給 Skype 設計 者參考進而改進其影像品質。

我們採用參考式方法取得傳送端及接收端畫面，量測 Skype 在直接連線模式 下，利用比較傳送端及接收端影像的 PSNR，再配合 MOS 等級來衡量影像經過 網際網路傳輸後的影像品質，再根據每次量測時的網路的訊務不同，來找出影響 Skype 影像品質優劣的主因。

圖 2-18[11]是 Skype 影像量測模擬環境，其中主要元件有登入伺服器(Login Server)、超節點(Super Node)、Switch Hub、傳送端(Sender)、接收端(Receiver)、

網 路 損 傷 模 擬 器 (Network Impairment Emulator) 及 PSNR 比 較 器 (PSNR Calculator)，為了量測 Skype 影像在經過網際網路時損傷，我們參考 Hossfeld [12]

的模擬環境，利用一台網路損傷模擬器，模擬封包經過網際網路的損傷。至於取 得傳送端及接收端畫面概念上，在傳送端我們利用虛擬攝影機輸入測試影像；在 接收端則利用螢幕側錄的方式，擷取 Skype 在接收端的視訊畫面，取得傳送端及 接收端畫面後，最後利用 PSNR 比較傳輸前後的影像品質。

我們僅考慮 Skype 的直接建立連線模式，如圖 2-19 中所示，由右邊的傳送 端單向傳送影像至左邊的接收端，其中傳送端與接收端分別都具有實體 IP，且

2.4.1.2 Skype影像訊務之量測

在量測開始時，我們首先調整網路損傷模擬器的參數，以達到我們所預期模 擬的環境，接下來傳送端與接收端開啟 Skype 超節點及登入伺服器連線，進行登 入 Skype 網路的動作，在登入 Skype 網路後傳送端與接收端開始進行視訊對話。

因為採用直接建立連線模式並根據 P2P 的特性，傳送端與接收端會直接相互溝 通，而不會透過第三者轉傳封包，所以我們可以利用網路損傷模擬器來達到模擬 網際網路的功能，最後則是利用 PSNR 計算器將傳送端及接收端的影像進行比 較。

Internet

Switch Hub Network

Impairment Emulator Receiver

PSNR Calculator

Login Server Super Node

Sender

圖 2-19 Skype 影像量測模擬環境

2.4.1.3 Skype影像訊務之分析

根據前述的量測方法來比較 Skype 影像品質，並測試 Skype 在面對各種環境 時所呈現的影像品質，我們將混合不同的頻寬、延遲抖動率及封包遺失率來觀察 Skype 在影像上的表現。

表 2-1 是測試影像的格式，在實驗中我們選用了三種不同動態的影像，其中 Akiyo 及 News 在測試畫面長度上，都只取用標準測試影片中前 150 張畫面進行 測試；因為 Football 原標準影像長度僅 90 張畫面，所以在此就只用 90 張畫面進 行測試。因為利用螢幕側錄軟體錄製而成，造成每個測試影片有部份重複的畫 面，在本實驗測試影片中 Akiyo、News 及 Football 中分別有 7 張、2 張、2 張畫 面是重複的。每個測試影片的每秒播放畫面數設定為每秒 15 畫面；影像畫面大 小設定為 384 * 288 pixels；色彩品質為 16 bits/pixel；根據以上設定可以計算出未 經 Skype 壓縮的影像畫面，每秒資料量為 25.3 Mbps。

表 2-1 測試影像的格式

Motion Low Medium High Length 150 Frames 150 Frames 90 Frames

Duplicate frame 7 2 2

Frame rate 15 frame/sec

Image size 384 * 288 pixels

Color depth 16 bits/pixel

Raw data rate 25.3 Mbps

以下的實驗數據中，圖中每個點是 50 次模擬的平均結果，每個點所標示的 範圍是模擬所得的 95%信心區間，此外 B 代表頻寬、L 代表封包遺失率、J 代表 延遲抖動率。而延遲抖動率的產生是利用網路損傷模擬器在一段區間內隨機產生 延遲值，並且利用前後延遲時間之差異度所計算出。

本段目的為得知僅受經 Skype Encoder 壓縮後影像的 PSNR 值，在進行影像 測試之前，先定義以下三個參數：

 PSNR

in

 PSNR

out

 PSNR

loss

PSNR

loss

in

out

out in loss

PSNR PSNR PSNR 式(2.1)

圖 2-20 PSNR

_loss

_in

_out

首先我們在網路損傷模擬器限制網路傳輸的最大頻寬，以觀察 Skype 在不同 網路頻寬限制下，所能得到的影像品質。圖 2-21 是三種不同動態影像在最大可 用頻寬限制下的影像品質表現，其中封包遺失率為 0 %，延遲抖動率為 0 msec。

而圖中橫軸是所限制的頻寬，縱軸為網路造成 PSNR 品質下降指標，首先我們觀 察各影像品質在頻寬無限制的條件下，其中低動態的 Akiyo 所得到的 PSNR

_loss

loss

_in

當可用頻寬越變越大時，畫面品質也越來越好，但因為傳遞的影像為高動態 影像，所以傳遞的封包量更多，雖然還是有不少的封包太晚到達造成接收端無法

圖 2-21 改變最大可用頻寬時的影像表現

當頻寬限制在 128 Kbps 下時，圖 2-21 內 Akiyo 曲線，與 PSNR

in

(a) Akiyo 傳送端第 78 張畫面 (b) Akiyo 接收端第 78 張畫面 圖 2-22 Akiyo 影像在頻寬 128 Kbps 時接收端畫面與傳送端畫面差異性 由上述得知，在影像品質的界定上 PSNR 僅能呈現出兩畫面間的相似程度，

卻無法精確的顯示出因網路損傷造成流暢度降低的現象，所以我們另外透過檢查

及 News 時，畫面重複率保持在 10%上下。實際的觀察 Football 曲線，可以發現 在頻寬 512 Kbps 以下時，畫面重複率一路上升，到 128 Kbps 時畫面重複率已高 達 68%，在此明顯的表示出，即使 Skype 在頻寬足夠時(大於 512 Kbps 時)，僅能 維持畫面的流暢度，卻無法顧及其影像品質，此可能是造成其 PSNR 值低落可能 的原因。

圖 2-23 改變最大可用頻寬時的畫面重複率

本節將網路可用頻寬限制在 512 Kbps，並搭配封包遺失率及延遲抖動率觀察 何者為主要影響 Skype 影像品質的關鍵參數。圖 2-24 及圖 2-26 是限制網路最大 可用頻寬為 512 Kbps 下改變封包遺失率時的影像表現及畫面重複率，我們可以 很清楚的發現中動態及低動態影像在封包遺失率超過 8%時，其影像品質明顯的 下降，在封包遺失率為 16 %時 Akiyo 的 PSNR

loss

loss

此外在圖 2-24 內可發現，News 曲線在封包遺失率 0 %及 2 %區段時，其 PSNR

loss