渐进式JPEG

1 植基於 JPEG 之漸進式影像傳遞技術的改進 A New Improvement of JPEG Progressive Image Transmission Using Weight Table on DCT Coefficient Bits 陳同孝** 林真伊* Tung-Shou Chen and Chen-Yi Lin 國立台中技術學院 資訊管理系 **tschen@ntit.edu.tw *eva_38@mail2000.com.tw 摘 要 傳統 JPEG 漸進式壓縮模式（progressive coding） 在傳送影像的過程中，並未對各 DCT 係數值中的資 料位元依其重要性加以區分，因此在第一、二個傳 送階段所產生出的影像，尚無法大略地辨別出其輪 廓。在本篇論文中，我們針對此缺失提出一個新的 方法來加以改進。我們採用的方法為：依資料位元 的重要性給予不同大小的權重值，產生一份權重 表，此權重表是固定的，且為傳送端與接收端共同 擁有。傳送端利用此權重表，將資料位元陸續傳送 至接收端；相對地，接收端也可以根據此權重表， 將所接收到的資料位元加以還原。根據實驗結果顯 示，我們的方法在每一個傳送階段之 PSNR 值皆比 JPEG 好；尤其是在第一個傳送階段平均勝過 1.5dB；除此之外，在視覺效果上，以我們方法所產 生出的結果之影像品質都明顯地比 JPEG 來得清楚。 關鍵字：JPEG、漸進式壓縮模式、權重表 1. 前言 由於多媒體網路的盛行，數位影像漸漸取代了 傳統上以文字為主的表達方式，且數位影像的資料 量通常都相當龐大，但在網路頻寬不充裕的環境 下，使用者若透過網路瀏覽的方式來尋找所要的數 位影像，必須花費許多時間在影像的傳輸上，為了 節省使用者的撥接時間及費用，因而產生了漸進式 影像傳輸（Progressive Image Transmission，PIT）的 技術[1]。一般而言，漸進式影像傳輸會分成數個傳 送階段，在前幾個傳送階段，傳送端會傳送部份的 影像資訊至接收端，當接收端在接收到影像資訊 後，根據此影像的輪廓，決定是否為其所需要的影 像。如果是的話，則繼續接收下一個傳送階段所傳 送過來的影像資訊，直到影像完整呈現為止；反之， 使用者可以立即中斷傳送端更進一步的傳送。漸進 式影像傳輸的基本準則為： 1. 漸進式影像傳輸將影像資料分成數個傳送階段， 影像的輪廓必須在前幾個傳送階段就能清楚的 呈現。 2. 在最短的時間內，將最為重要的影像資料在前幾 個傳送階段傳送至接收端。 3. 接收端必須將每一個傳送階段所接收的影像資 料，與前一個傳送階段影像資料相結合。 通常數位影像的表示方式分為空間域（spatial domain）資料格式及頻率域（frequency domain）資 料格式。在空間域中的數位影像資料，其任一像素 值通常與四周的像素值具有相似的特性，因此在論 文[2]、[3]、[4]、[5]、[6]及[7]中，都是針對此特性 來對漸進式影像傳輸做改良，但是對於影像壓縮的 效果較差。而在頻率域中的數位影像資料，分為低 頻、中頻及高頻三部份，人類肉眼對低頻的部份較 為敏感，對高頻的部份較不敏感，換言之，低頻的 部份較為重要，高頻的部份較不重要。數位影像通 常需要相當大的儲存空間，利用頻率域的特性，可 以對數位影像的資料進行壓縮，如此一來，可以減 少數位影像的儲存空間，且加速影像在網路上的傳 輸時間。 傳統 JPEG（Joint Photographic Experts Group） 壓縮技術[8]就是利用影像資料在頻率域中的特性， 來達到影像壓縮的目的。其為一套通行於全球的標 準影像格式，共分為四種壓縮模式，其中一種為漸 進式壓縮模式（progressive coding）[9][10]，是專門 針對漸進式影像傳輸所設計，但是經過我們觀察發 現，傳統 JPEG 漸進式壓縮模式會將一張完整的影像 以由上而下、由左而右的方式，切割成 8×8 不重疊 的區塊，每一區塊分別經由 DCT 轉換後產生 64 個 係數值，再以 Zig-Zag 的順序，將 64 個係數值分為 十個部份分批傳送至接收端。此作法使得影像無法 在第一、二個傳送階段大略地辨認出影像輪廓，因 此本論文針對此缺失提出一種新的改進方法，讓影 像在前幾個傳送階段就能夠清楚地呈現。 一般而言，在頻率域中，低頻的係數值通常會 比中頻的係數值重要，而中頻的係數值通常又比高 頻的係數值來得重要，且係數值中 MSBs 部份的資 料位元，通常會比 LSBs 來得重要，但是傳統 JPEG 的傳送方式並未考慮到在中、高頻的係數值位元中 前面幾個屬於 MSBs 的部份可能比在低頻的係數值 位元中後面幾個屬於 LSBs 的部份對影像品質之加 強效果來得好。我們以 512¯512 大小的 Lena 為例， 將影像以由上而下、由左而右的方式，切割成 8¯8 不重疊的區塊，每個區塊經由 DCT 轉換後所產生的 DC 值，將其資料位元中後面三個屬於 LSBs 的位元 清為 0 後，所重建的影像之 PSNR 值為 51.58396 dB， 2 但若將 AC1 係數值的資料位元中的前面三個屬於 MSBs 的位元清為 0，則所重建的影像之 PSNR 值只 有 27.68891 dB，由此可證明 AC1 係數值中屬於 MSBs 的資料位元確實比 DC 係數值中屬於 LSBs 的 資料位元對於影像品質更為重要。 故在本篇論文所提出的方法中，依照 DCT 係數 值中的每一個位元對整張影像品質影響程度均不 同，給予不同的權重值，接著再將各權重值彙整成 一份權重表。此權重表必須是固定的，且為傳送端 與接收端雙方共同擁有，傳送端根據此權重表內的 權重值，選擇對整張影像品質影響較大的資料位 元，隨後將其傳送至接收端；相對地，當接收端接 收到這一連串的資料位元時，亦根據此權重表，將 影像重建。 本篇論文分為五個章節：第一章為前言，第二 章為傳統 JPEG 相關技術的介紹，第三章為我們所 提出的改進方法，第四章為實驗結果與分析，第五 章為結論。 2. 傳統 JPEG 2.1 JPEG 介紹 在 1986 年，ISO 與 CCITT 共同協定出一個國際 標準的靜態影像壓縮技術－JPEG（Joint Photographic Experts Group），其主要應用於壓縮全彩影像及灰階 影像，其具有高壓縮比及還原後影像品質相當不錯 的特性。 由於網際網路擁有龐大的使用人群，但又限制 於頻寬不足的窘境，利用 JPEG 壓縮技術可以加速數 位影像在網際網路上的傳遞，所以使得 JPEG 壓縮技 術被廣為使用。JPEG 壓縮技術[8]分為基本壓縮模式 （baseline sequential coding）、漸進式壓縮模式 （ progressive coding）、無損編碼模式（ lossless coding）及階層模式（hierarchical coding）四種壓縮 模式；其中漸進式壓縮模式、無損編碼模式及階層 模式是由基本壓縮模式改良所產生的。JPEG 基本壓 縮模式的處理主要分為：（1）色相轉換（color space transform）、（2）取樣（sampling）、（3）離散 餘弦轉換（Discrete Cosine Transformation）、（4）量 化（quantization）及（5）熵編碼（entropy coding） 五種技術；其中取樣及量化的動作可以達到影像壓 縮的目的。 2.2 JPEG 漸進式壓縮模式 JPEG 漸進式壓縮模式與 JPEG 基本壓縮模式在 壓縮技術方面完全相同；JPEG 漸進式壓縮模式與 JPEG 基本壓縮模式主要的差別在於漸進式壓縮模 式在傳送端將數位影像壓縮完成後，必須透過網際 網路，將影像中的資料位元分成數個傳送階段依序 傳送至接收端，此時接收端對其所接收到的影像資 料位元，進行解壓縮的動作，並且與前一個傳送階 段的資料相結合，構成一張更完整的影像。 JPEG 漸進式壓縮模式是將一張完整的影像以 由上而下、由左而右的方式，切割成 8×8 不重疊的 區塊，每一個區塊再經過 DCT 轉換後產生 64 個係 數值，但此 64 個係數值對整張影像品質的重要性並 不盡相同，可以依其重要性區分為低頻、中頻及高 頻三個部份，以 Zig-Zag 的方式（圖 1），依序讀取 低頻、中頻，最後為高頻的部份中的係數值，並分 成 10 個傳送階段傳送至接收端。當接收端接收到影 像資料時，亦依其順序加以還原出影像。 在各傳送階段所傳送的資料內容（表 1）中表 示，傳送端將區塊中的 64 個係數值分為 10 個傳送 階段分批傳送，先傳送低頻，然後中頻，最後高頻 的部份，在每個傳送階段傳送所有區塊中相同位置 的係數值至接收端，如：傳送端在第一次傳送階段， 會傳送所有區塊中的 DC 係數值至接收端。接收端 利用所接收到的係數值，結合前一個傳送階段的影 像資訊，並加以還原。如此一來，將可以把模糊的 影像逐漸變為清淅的影像。 表 1. 各傳送階段所傳送的資料內容 傳送階段 每次傳送的資料內容 第一個階段 DC 第二個階段 AC1 第三個階段 AC2 第四個階段 AC3 及 AC4 第五個階段 AC5 及 AC6 第六個階段 AC7 及 AC8 第七個階段 AC9、AC10 及 AC11 第八個階段 AC12、AC13 及 AC14 第九個階段 AC15、AC16、AC17、AC18 及 AC19 第十個階段 AC20 至 AC63 3. 我們的方法 傳統 JPEG 將影像切割成 8¯8 不重疊的區塊， 經由 DCT 轉換後所產生的 64 個係數值，採用 Zig-Zag 的方式，分成十個傳送階段依序傳送至接收 端。但在此過程中，並未考慮到在中、高頻的係數 值位元中前面幾個屬於 MSBs 的部份可能比在低頻 的係數值位元中後面幾個屬於 LSBs 的部份對影像 品質之加強效果來得好，故本篇論文針對此部份加 以改進，方法說明如下： 3.1 權重表的設計 在本篇論文中，根據各個係數值中的各個位元 對整張影像品質的影響程度，給予不同的權重值。 圖 1. Zig-Zag 的傳送方式及 8×8 區塊的頻率分佈圖 AC 63 AC 62 AC 58 AC 57 AC 49 AC 48 AC 36 AC 35 AC 61 AC 59 AC 56 AC 50 AC 47 AC 37 AC 34 AC 21 AC 60 AC 55 AC 51 AC 46 AC 38 AC 33 AC 22 AC 20 AC 54 AC 52 AC 45 AC 39 AC 32 AC 23 AC 19 AC 10 AC 53 AC 44 AC 40 AC 31 AC 24 AC 18 AC 11 AC 9 AC 43 AC 41 AC 30 AC 25 AC 17 AC 12 AC 8 AC 3 AC 42 AC 29 AC 26 AC 16 AC 13 AC 7 AC 4 AC 2 AC 28 AC 27 AC 15 AC 14 AC 6 AC 5 AC 1DC 低頻 中頻 高頻 8 8 3 基本上，對影像品質影響程度愈大的位元，給予愈 大的權重值；反之，給予愈小的權重值。利用此方 式，將所有係數值中各個位元的權重值彙整成權重 表。 i ∈ { 1 〜 64 } （3.1） j ∈ { 1 〜 10 } （3.2） W [ i , j ] = W1（i）+ W2（j） （3.3） 在公式（3.1）中的 i 是表示在頻率域之係數值 位置，其範圍包括 DC、AC1、AC2……AC63，共 64 個係數值，如：i 為 1 是表示 DC 係數值。在公式 （3.2）中的 j 是表示在係數值中各位元的位置，而 且 j 愈小則表示此位元在係數值中愈為重要，換言 之，若 j 為 1，則此位元是屬於係數值中 MSB 的部 份。至於在公式（3.3）中，W1（i）表示係數值 i 的 權重值，W2（j）在係數值中位元 j 的權重值，W [ i , j ] 表示在係數值 i 中的第 j 個位元之權重值。如： W1（1）表示 DC 係數值的權重值，W2（1）表示係 數值中 MSB 的權重值。故 W [ 1 , 1 ] 表示在 DC 係 數值中 MSB 的權重值，此權重值必須透過 W1（1） ＋W2（1）計算得之。 基本上，在權重表中，愈往左上角的權重值會 愈大，愈往右下角的權重值會愈小。權重表如此設 計的目的是為了在數位影像中，對影像品質影響程 度愈大的資料位元愈優先傳送至接收端，愈不重要 的資料位元則在最後幾個傳送階段再傳送至接收 端；因此，我們的方法在前幾個傳送階段就能將影 像清楚的呈現。 3.2 傳送與接收流程 數位影像在傳送前，傳送端與接收端必須共同 擁有一份相同的權重表，根據權重表中的內容，且 事先協調在每一個傳送階段傳送端必須傳送多少位 元的資料量至接收端，而接收端將所接收到影像資 料加以還原。 首先，我們假設 DC 係數值之長度為 x 個位元 長度，AC1 係數值之長度為 y 個位元長度，AC2 係 數值之長度為 z 個位元長度。在傳統 JPEG 漸進式壓 縮模式的第一個傳送階段是將所有 8¯8 區塊中的 DC 係數值傳送至接收端，換言之，在第一個傳送階 段，每一個區塊將傳送 x 個位元長度的資料量；在 第二個傳送階段，每一個區塊將傳送 y 個位元長度 的資料量；在第三個傳送階段，每一個區塊亦將傳 送 z 個位元長度的資料量，以此類推，直到所有傳 送階段完成後，即可將所有影像資料傳送至接收 端。而在本篇論文所提出的改進方法，傳送端在每 一個傳送階段所傳送的資料量，與 JPEG 漸進式壓縮 模式在每一個傳送階段所傳送的資料量相同。 傳送端根據各個傳送階段所應傳送的資料量， 以權重表中各權重值的大小來決定哪些係數值的哪 幾個位元將優先傳送至接收端。當接收端接收到一 連串位元後，則利用權重表找出這些位元分別表示 哪些係數值的哪幾個位元，並且與前一個傳送階段 的資料相結合；在還原影像的過程中，剩餘未傳送 過來的資料位元是以平均值取代。如此一來，接收 端所要的影像，在前幾個傳送階段即可清楚地呈現。 原始影像 色彩轉換 取　　樣 無損　　　　　　有損 離散餘弦正 轉換(FDCT) 量　化 選擇所要傳送的係數值 位元 量化表　　　 　　權重表 前置處理 8╳8影像區塊 無損 有損 脈差調變 編　　碼 (DPCM) Zig-Zag 掃　　描 (SCAN) DC值霍夫曼編碼(DC Huffman coding) 無使用長度變動編碼 (Run-Length coding) 使用長度變動編碼 (Run-Length coding) AC值霍夫曼編碼(AC Huffman coding) 傳送影像DC及 AC係數值 DC值 AC值 熵編碼　　　　　　　　無損 傳送影像DC及 AC係數值 熵編碼的解碼 選擇所要還 原的係數值 位元 權重表 反　量　化 量化表 8╳8影像區塊 反　取　樣 色彩反轉換 無損　　　　　　　有損 離散餘弦反 轉換(IDCT) 還原影像 圖 3. 本篇論文的方法之接收流程圖 在傳送流程圖（圖 2）中，在壓縮技術方面與傳 統 JPEG 漸進式壓縮模式完全相同，不同的是 JPEG 漸進式壓縮模式在傳送過程中，只是單純以 Zig-Zag 的順序來傳送影像中的係數值，並沒有針對係數值 中的各個位元之重要性加以區分傳送。故在傳送流 程圖（圖 2）中的傳送影像 DC 及 AC 係數值之部份 是依權重表中權重值的大小來決定在每一個傳送階 段所要傳送的資料位元。在接收流程圖（圖 3）中， 當接收端接收到影像資訊時，亦使用權重表來加以 還原出影像。 3.3 舉例 本篇論文以 128¯128、256¯256 及 512¯512 大 小的 Airplane、Baboon、Girl、Lena 及 Zelda 這 15 張灰階影像為實驗對象。經由我們多次的實驗發 現，將這些影像經過 JPEG 壓縮後，每一個區塊中的 64 個係數值在量化後，總長度最多佔 430 個位元數， 其中以 DC 係數值所佔的位元長度最多，為 10 個位 元數；其他係數值所佔的長度如（表 2）中的傳送的 資料量（位元）所示。 表 2. 各傳送階段所傳送的資料量 傳送階段 每次傳送的資料內容 傳送的資料量（位元） 第一個 DC 10 第二個 AC1 9 第三個 AC2 9 第四個 AC3 及 AC4 9+9=18 第五個 AC5 及 AC6 9+8=17 第六個 AC7 及 AC8 8+8=16 第七個 AC9、AC10 及 AC11 8+8+7=23 第八個 AC12、AC13 及 AC14 8+7+8=23 第九個 AC15、AC16、AC17、AC18 及 AC19 7+7+7+7+7+7+7=35 第十個 AC20 至 AC63 8+7+…＋0=270 基於漸進式影像傳輸的基本準則，經由我們以 往的經驗，以（表 3）這個權重表最為適當；也就是 說，利用此權重表來選擇每一個傳送階段所要傳送 的資料位元，能使接收端在前幾個傳送階段，重建 圖 2. 本篇論文的方法之傳送流程圖 4 的影像最為清淅。由（表 2）得知，在所有係數值中， 以 DC 係數值所佔的位元長度最長，佔 10 個位元長 度，故在我們所採用的權重表中，係數值的位元長 度預設為 10 個位元，若係數值的位元長度不滿 10 個位元數，則多餘部份的長度之權重值用“0”取 代。例如：在係數值 AC1 的部份，其係數值的位元 長度為 9 個位元，故在位元為 1 的權重值等於“0”。 由各傳送階段所傳送的資料量（表 2）得知，在 第一個傳送階段，傳送端必須傳送 10 個位元長度至 接收端。因此，在第一個傳送階段的時候，必須根 據權重表（表 3）來找出前十個最大的權重值，其結 果為 12500、12420、12350、12340、12280、12270、 12260、12210、12200 及 12190；而這 10 個權重值 分別代表 DC 的前 4 個位元、AC1 的前 3 個位元、 AC2 的前 2 個位元及 AC3 的第 1 個位元，此時將各 區塊中的這 10 個位元組成一連串的數值資料，並傳 送至接收端。 當接收端接收到這一連串的數值後，首先，將 這些數值以每 10 個位元為一個單位，接著根據權重 表，找出前十個相同的權重值，利用這些權重值可 以得知其分別代表哪些係數值中的哪些位元，如此 一來，即可還原出由傳送端所傳送過來的影像；在 還原影像的過程中，由於 DC 尚有 6 個資料位元、 AC1 有 6 個資料位元、AC2 有 7 個資料位元及 AC3 有 8 個資料位元未被傳送，此時接收端採平均值的 方式來取代這些未傳送過來的資料。其中，平均值 的作法為：若 DC 係數值為“1101110001”，在第一 個傳送階段傳送端就會將 DC 的前四個位元，也就 是“1101”傳送至接收端；接收端接收到 DC 的 “ 1101 ”後，會自動的在“ 1101 ”後面加上 “100000”，所以在還原影像時，DC 係數值是以 “1101100000”來表示，其目的是為了將重建的影 像更趨近於原圖。 因為在第一個傳送階段，就已經將在 DC、 AC1、AC2 及 AC3 中最重要的部份先傳送至接收 端，不像 JPEG 漸進式壓縮模式，只是傳送全部的 DC 係數值，所以使用我們的方法，接收端在一開始 所接收到的影像就會比 JPEG 更逼近於原圖。 表 3. 權重表 位元 係數值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DC 12500 12420 12340 12260 12180 12100 12020 11940 11860 11780 AC1 0 12350 12270 12190 12110 12030 11950 11870 11790 11710 AC2 0 12280 12200 12120 12040 11960 11880 11800 11720 11640 AC3 0 12210 12130 12050 11970 11890 11810 11730 11650 11570 AC4 0 12140 12060 11980 11900 11820 11740 11660 11580 11500 AC5 0 12070 11990 11910 11830 11750 11670 11590 11510 11430 AC6 0 0 11920 11840 11760 11680 11600 11520 11440 11360 AC7 0 0 11850 11770 11690 11610 11530 11450 11370 11290 AC8 0 0 11780 11700 11620 11540 11460 11380 11300 11220 AC9 0 0 11710 11630 11550 11470 11390 11310 11230 11150 AC10 0 0 11610 11530 11450 11370 11290 11210 11130 11050 4. 實驗結果與分析 本篇論文之實驗平台為 Pentium III 667、256MB RAM，作業系統為 Windows 2000 professional 版， 程式撰寫工具為 Java 語言。以 128¯128、256¯256 及 512¯512 大小的 Airplane、Baboon、Girl、Lena 及 Zelda 這 15 張灰階影像為實驗對象。 在十個傳送階段中，利用 PSNR（Peak- Signal- to- Noise- Rate）（1）值來對 JPEG 漸進式壓縮模式 與本篇論文所提出的方法所產生出的影像做比較， 基本上，PSNR 值愈大，則表示與原影像的相似程度 愈高；相反地，PSNR 值愈小，則表示與原影像的相 似程度愈差。而 MSE（2）的定義與 PSNR 相反， MSE 值愈小，表示與原影像的相似程度愈高。 dB MSE PSNR 2 10 255log10= （1） ∑∑− = − = β−α= 1m 0i 1m 0j 2 ijij2 )()m 1(MSE （2） 在 128¯128 影像之 PSNR 值比較表（表 4）、 256¯256 影像之 PSNR 值比較表（表 5）及 512¯512 影像之 PSNR 值比較表（表 6）中，分別以 128¯128、 256¯256 及 512¯512 大小的 Airplane、Baboon、 Girl、Lena 及 Zelda 這 15 張灰階影像為實驗對象， 在壓縮率為 4.6557026 的情況下，使用本篇所提出的 新方法，在十個傳送階段中所產生的十張影像個別 與使用 JPEG 漸進式壓縮模式的十個傳送階段所產 生的十張影像做比較。表中的傳輸之資料量是表示 在各傳送階段中，每個區塊所要傳送的傳輸量除以 每個區塊的總資料量。如：經過我們統計發現，每 個區塊的總資料量為 430 個位元數，且 DC 的長度 為 10 個位元數，故在第一個傳送階段，傳輸之資料 量為 0.0233（10÷430），其餘傳送階段的傳輸之資料 量，也能以此相同方式得知。 由 128¯128 影像之 PSNR 值比較表（表 4）得 知，在第一個傳送階段，採用我們的方法所得到的 PSNR 值平均比 JPEG 高出 1.63dB，甚至都比 JPEG 的第二個傳送階段來得高。接著，在 256¯256 影像 之 PSNR 值比較表（表 5）中，我們的方法在第一個 傳送階段，PSNR 值平均比 JPEG 好 1.53dB，且除了 Baboon 外，其餘的影像都比 JPEG 的第二個傳送階 段來得好。其原因為對於較為複雜的影像，其重要 的資訊會較平均分配於低頻、中頻及高頻，並不會 只集中於低頻的係數值，所以 Baboon 此影像在第一 個傳送階段，使用我們的方法所得到的 PSNR 只比 JPEG 高出 0.231dB。 在 256¯256 影像中的任一個 8¯8 區塊，若是以 512¯512 影像中的 8¯8 區塊來表示，則會平均分配 為四個 8¯8 區塊代替；也就是說，在 512¯512 大小 的影像中的每一個8¯8區塊會比256¯256大小的影 像中的每一個 8¯8 區塊來得平滑，亦區塊中的變化 程度會比 256¯256 大小的影像小。在 512¯512 影像 之 PSNR 值比較表（表 6）中，由於每個 8¯8 區塊 中的影像資訊變化程度較小，又 JPEG 的第一個傳送 階段是將每個 8¯8 區塊中的 DC 係數值全部傳送至 接收端，故接收端利用這些 DC 係數值所還原出來 的影像，就已經能清淅的呈現其影像輪廓。但是以 我們的方法在第一個傳送階段，Baboon、Lena 及 MSB LSB 5 Zelda 這三張灰階影像的 PSNR 值都輸給 JPEG 的第 二個傳送階段；不過，我們的方法在第一個傳送階 段，PSNR 值平均比 JPEG 好 1.46dB。 總而言之，由表中可以發現，在第五個傳送階 段之後，雖然只是些許地勝過 JPEG 漸進式壓縮模 式，不過在前四個傳送階段，我們的方法之影像品 質明顯地比 JPEG 漸進式壓縮模式來得清淅。事實 上，在前幾個傳送階段，接收端若能清楚的分辨此 張正在傳送中影像之輪廓，就可以決定此張影像是 否為接收端所要的，若不是，則會立即中止此張影 像繼續的傳送；又每一個傳送階段所須花費的時間 亦為主要考量，而我們的方法在每一個傳送階段與 JPEG 漸進式壓縮模式的每一個傳送階段傳送相同 的資料量。在傳送相同的資料量下，由 128¯128 影 像之 PSNR 值比較表（表 4）、256¯256 影像之 PSNR 值比較表（表 5）及 512¯512 影像之 PSNR 值比較 表（表 6）可得知，利用我們的新方法其效果確實會 比傳統 JPEG 漸進式壓縮模式來得好。 另外，在權重表中的權重值，應該隨著影像本 身的複雜程度來變動。基本上，結構愈簡單的影像， 如：Airplane，在每個 8¯8 區塊中的影像資訊變化 程度較小，故利用 DC 係數值中的部份資料位元， 就已經能清楚的呈現影像輪廓，因此在權重表中， DC 係數值中的位元之權重值應較大，AC 係數值中 的位元之權重值相對地應較小，使得 DC 係數值中 的位元優先傳送至接收端；反之，則其 DC 係數值 中的位元之權重值應較小，AC 係數值中的位元之權 重值相對地應較大。 表 4. 128¯128 影像之 PSNR 值比較表 傳送 階段 傳輸之 資料量 採用 方式 Airplane Baboon Girl Lena Zelda JPEG 20.207 21.76 20.062 19.632 21.231第一 階段 0.0233 本方法 21.973 22.832 21.801 21.367 23.047 JPEG 21.575 22.406 21.323 20.246 22.611第二 階段 0.0209 本方法 22.837 23.748 23.373 23.14 24.962 JPEG 22.529 23.845 22.549 22.209 24.608第三 階段 0.0209 本方法 23.805 24.476 24.216 24.061 25.989 JPEG 23.559 24.636 24.556 24.231 26.446第四 階段 0.0419 本方法 24.79 25.280 25.676 24.829 28.031 JPEG 24.819 25.374 25.550 24.62 27.795第五 階段 0.0395 本方法 25.867 26.004 26.955 25.812 29.368 JPEG 25.675 25.964 26.97 25.698 29.408第六 階段 0.0372 本方法 26.374 26.436 27.518 26.756 30.056 JPEG 26.781 26.854 28.034 27.206 30.703第七 階段 0.0535 本方法 27.655 27.358 28.749 28.136 31.384 JPEG 28.006 27.699 29.049 28.473 31.968第八 階段 0.0535 本方法 28.43 27.835 29.431 28.602 32.177 JPEG 29.427 28.67 30.494 29.931 33.438第九 階段 0.0814 本方法 29.777 28.794 30.841 30.218 33.751 JPEG 33.51 30.636 31.616 34.125 34.473第十 階段 0.6279 本方法 33.51 30.636 31.616 34.125 34.473 表 5. 256¯256 影像之 PSNR 值比較表 傳送 階段 傳輸之 資料量 採用 方式 Airplane Baboon Girl Lena Zelda JPEG 21.379 21.258 22.296 21.338 23.637第一 階段 0.0233 本方法 23.214 21.489 23.891 23.349 25.636 JPEG 22.604 21.801 23.564 21.894 25.196第二 階段 0.0209 本方法 24.308 22.413 25.279 25.236 27.832 JPEG 23.878 22.612 25.164 24.446 27.836第三 階段 0.0209 本方法 25.33 22.787 26.25 26.215 29.38 JPEG 25.111 23.292 26.486 26.445 29.818第四 階段 0.0419 本方法 26.703 23.556 27.32 27.031 30.798 JPEG 26.493 23.866 27.327 26.879 30.917第五 階段 0.0395 本方法 27.701 23.909 28.527 28.239 32.218 JPEG 27.529 24.476 28.569 28.013 32.241第六 階段 0.0372 本方法 28.243 24.508 29.125 29.044 32.932 JPEG 28.775 24.981 29.697 29.576 33.705第七 階段 0.0535 本方法 29.685 25.024 30.518 30.245 34.408 JPEG 30.185 25.748 31.032 30.643 34.804第八 階段 0.0535 本方法 30.679 25.768 31.37 30.899 35.124 JPEG 32.135 26.951 33.237 32.413 36.374第九 階段 0.0814 本方法 32.524 26.919 33.418 32.616 36.822 JPEG 35.723 30.826 35.898 36.327 38.606第十 階段 0.6279 本方法 35.723 30.826 35.898 36.327 38.606 表 6. 512¯512 影像之 PSNR 值比較表 傳送 階段 傳輸之 資料量 採用 方式 Airplane Baboon Girl Lena Zelda JPEG 23.294 20.57 24.594 24.027 26.974第一 階段 0.0233 本方法 25.531 21.103 26.028 25.805 28.306 JPEG 24.665 21.116 25.95 27.818 28.423第二 階段 0.0209 本方法 27.006 21.675 27.642 28.17 30.555 JPEG 26.609 21.725 27.856 27.573 31.519第三 階段 0.0209 本方法 28.328 22.269 29.532 29.589 32.824 JPEG 28.168 22.359 30.018 30.028 33.467第四 階段 0.0419 本方法 29.866 23.299 31.451 30.822 34.547 JPEG 29.81 23.22 31.632 30.58 34.695第五 階段 0.0395 本方法 31.357 23.817 33.203 32.376 35.853 JPEG 31.030 23.848 33.501 32.449 35.912第六 階段 0.0372 本方法 32.173 24.079 34.191 33.421 36.843 JPEG 32.709 24.27 34.913 34.056 37.578第七 階段 0.0535 本方法 33.627 25.048 6.192 35.318 38.163 JPEG 34.37 25.371 36.903 35.787 38.676第八 階段 0.0535 本方法 34.825 26.169 37.467 35.859 38.94 JPEG 36.029 26.873 38.502 37.609 39.7第九 階段 0.0814 本方法 36.607 26.912 38.847 37.826 40.032 JPEG 38.28 32.252 39.928 38.999 40.672第十 階段 0.6279 本方法 38.28 32.252 39.928 38.999 40.672 再來我們做視覺上的比較，我們以 256¯256 大 小的 Lena 為例。（圖 4）為 256¯256 大小的 Lena 原 圖；在（圖 5 至圖 8）中的（a），是使用 JPEG 漸進 式壓縮模式在前四個傳送階段所產生的影像；在（圖 5 至圖 8）中的（b），是使用我們的方法在前四個傳 送階段所產生的影像。在（圖 5）中的（a）是 JPEG 漸進式壓縮模式在第一個傳送階段所產生的影像， 整張影像是以模糊的方式呈現，只能大概地看出 Lena 的輪廓。而（b）是使用我們的方法在第一個傳 送階段所產生的影像，不難發現，以肉眼來看，整 張影像已經可以清楚地呈現，甚至比 JPEG 的第二個 傳送階段更為清淅。如在（圖 5）中的（a），Lena 的肩膀、帽子的形狀及 Lena 的五官等，均是以區塊 的方式呈現，較不平滑；但在（b）中，卻都可以較 清楚地呈現。同樣地，在後面的幾個傳送階段，我 們的方法都比 JPEG 清楚許多。故本篇論文所提出的 方法在重建影像的品質上都比 JPEG 佳。 傳統 JPEG 在傳送階段的過程中所呈現的影 像，如（圖 7）及（圖 8）中的（a）在某些地方會 有少許看起來像雜訊的小黑點之出現，而以我們的 方法所呈現的影像，如（圖 5）、（圖 6）、（圖 7）及 （圖 8）中的（b），在某些地方亦有小黑點的出現。 這是因為在傳送的過程中，若包含除了 DC、AC1 係數值外的資料位元，就會有如同這些圖中的小黑 點出現。 圖 4. 原圖：Lena （a）JPEG（PSNR：20.207） (b)新方法（PSNR：21.973） 圖 5. 第一個傳送階段 6 （a）JPEG（PSNR：21.575） (b)新方法（PSNR：22.837） 圖 6. 第二個傳送階段 （a）JPEG（PSNR：22.529） (b)新方法（PSNR：23.805） 圖 7. 第三個傳送階段 （a）JPEG（PSNR：23.559） (b)新方法（PSNR：24.79） 圖 8. 第四個傳送階段 5. 結論 在本篇論文中，我們提出一個新的方法，試圖 對以 DCT 為基礎的 JPEG 漸進式壓縮模式在前幾個 傳送階段的重建影像品質加以改良。首先，我們依 據每一個係數值中的每一個位元對影像品質的影響 程度，給予不同的權重值，進而產生了一張權重表， 傳送端利用此權重表選擇要傳送的資料位元；而接 收端利用此權重表分析出由傳送端所送出的資料位 元分別屬於哪些係數值中的哪幾個位元，其分析結 果再與前一個傳送階段的資料相結合，則重建的影 像會逐漸由模糊至清淅。 以 256¯256 大小的 Lena 影像為例，使用我們 的方法與傳統 JPEG 漸進式壓縮模式做比較，根據實 驗結果，我們的方法在每一個傳送階段都比 JPEG 好，特別是在第一個傳送階段的影像之 PSNR 值為 23.349，比 JPEG 的第一個、二個傳送階段之 PSNR 值高出許多，且在視覺效果上，也比 JPEG 來得清 楚，故我們的方法在每一個傳送階段的影像品質確 實都比 JPEG 漸進式壓縮模式好。 一般而言，低頻的係數值比中頻的係數值重 要，中頻的係數值又比高頻的係數值重要，不過在 本篇論文中，證實了某些在中、高頻的係數值中屬 於 MSBs 的資料位元確實比低頻的係數值中屬於 LSBs 的資料位元對於影像品質要來得重要。另外， 在本篇論文中，提出了權重表的觀念，經由我們多 次實驗的結果，得知（表 3）的權重表最為適當，依 據此權重表中的權重值，各係數值中的各資料位元 對影像品質的重要性分批傳送，所重建出影像品質 是最為清淅。 參考文獻與著作 [1] 張真誠、黃國峰及陳同孝，電子影像技術 （Electronic Imaging Techniques），松崗電腦圖 書資料股份有限公司，2000 年 12 月。 [2] Chin-Chen Chang, Fun-Chou Shiue, and Tung-Shou Chen, “A New Scheme of Progressive Image Transmission Based on Bit-Plane Method,” Proceeding of Fifth Asia-Pacific Conference on Communications and Fourth Opto-electronics and Communications Conference (APCC/OECC’99), Beijing, China, Oct. 1999, pp. 892-895. [3] Chin-Chen Chang, Hsien-Chu Hsia, and Tung-Shou Chen, “A New Progressive Image Transmission Scheme Based on Block Truncation Coding,” to appear in International Conference on Human Society @Internet. [4] Chin-Chen Chang, Jr-Ching Jau, and Tung-Shou Chen, “A Fast Reconstruction Method for Transmitting Images Progressively,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 44, No. 4, Nov. 1998, pp. 1225-1233. [5] Chin-Chen Chang, Tung-Shou Chen, and Guang-Xue Xiao, “A Simple Prediction Method for Progressive Image Transmission,” to appear in Distributed Multimedia Databases: Techniques and Applications. [6] Kuo-Lung Hung, Chin-Chen Chang, and Tung-Shou Chen, “A Side Match Reconstruction Method Using Tree-Structured VQ for Transmitting Images Progressively,” to appear in IEICE Transactions of Fundamentals of Electronics, Communications and Computer. [7] Tung-Shou Chen and Chin-Chen Chang, “Progressive Image Transmission Using Side Match Method,” Information Systems and Technologies for Network Society, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 1998, pp. 191-198. [8] 陳同孝、張真誠及黃國峰，數位影像處理技術， 松崗電腦圖書資料股份有限公司，2001 年 1 月。 [9] W. B. Pennebaker and J. L. Mitchell, JPEG: Still Image Data Compression Standard. New York: Van Nostrand Reinhold, 1993. [10] W. M. Lam and A. R. Reibman, “Self-Synchronizing variable-length codes for image transmission,” Proceedings of IEEE Int. Conf. Acoust,. Speech, Signal Processing, 1992, pp. Ш-447-Ш-480.