交通大學資訊科學與工程研究所學位論文
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雙階層視訊分割 --- 即對視訊影片作前景層與背景層的區域切割 --- 是電腦視覺領域中一個極具挑戰性的問題，蓋因視訊內容的變化多樣，使得前景與背景的階層分割變得複雜。對於此一問題，我們在論文中分別以「背景模型初始化」、「背景模型維護」與「視訊階層遞移」三個研究主題來進行探討；其中，前兩個研究主題，是針對固定式攝影機所拍攝的影片，作靜態背景模型的建構與維護，使得前景階層，可透過與背景相減分割出來，而第三個研究主題，則是針對移動式攝影機所拍攝的動態影片，作前景與背景階層的遞移分割。 在背景模型初始化的研究主題探討中，我們開發一個以影像區塊為基礎的快速背景模型估計法，並提出新穎的背景模型完整度量測法則，使得一個完整的初始背景模型，可被快速建構出來。在背景模型維護的研究主題探討中，我們檢視了常用的高斯混合模型，發現在高斯混合模型中，需要兩種型態的學習速率控制，方可有效地平衡背景變化容忍度與前景偵測敏感度兩項拮抗因素，對此，我們提出一個基於高階資訊回饋的新式學習速率控制法，來改良高斯混合模型之背景模型維護方式。在視訊階層遞移的研究主題探討中，我們提出一個基於半監督式頻譜叢集法的動態階層分割架構，來對於移動式攝影機所拍攝的視訊影像，逐張作前景與背景的階層分割；其中，我們進一步擴充了半監督式頻譜叢集法的數學模型，以便在視訊階層分割過程中，調控階層標籤估計的可靠度，以增進階層分割的準確性，實驗結果顯示，此一視訊階層遞移分割架構，對動態影片的切割具有良好的效果。
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無線網狀網路(wireless mesh network)是一種無需實體電纜連接的網路架構，因此具有低成本與快速佈署等優勢。隨著應用需求的日趨成長，如何在此網路下提供安全通訊(secure communication)與支援快速換手(fast handoff)為迫切面對的問題。針對這個問題，我們提出將IEEE 802.1X認證者(authenticator)角色移往網狀網路入口(mesh portal)擔任的新安全架構，藉以建立行動節點(mobile station)與網狀網路入口間的端點對端點安全通道(end-to-end secure channel)。藉由我們所提出的架構，在不失去安全性的前提下，行動節點利用快速認證機制可以在漫遊時快速的與網路端互相認證，並且同時建立安全連線，而不需要一再的執行IEEE 802.1X認證與金鑰分配流程，因而可以有效降低行動節點換手時的認證延遲。 多躍步(multi-hop)無線網狀網路的另一個嚴峻挑戰就是必須克服頻道干擾問題(co-channel interference)。既使隨著無線技術的進步而使得無線介面(radio interface)的資料傳輸率(data bit rate)不斷提昇，但仍可能因干擾問題而使得整體網路的流量(throughput)無法獲得相對應的提昇。這個問題同時也將造成無線網狀網路會有不可預期的傳輸延遲，成為快速換手機制的不安定因素。針對此問題，過去已有相當多研究提出利用分配頻帶不重疊的頻道(non-overlapping channels)來降低干擾與利用多無線介面的架構來提昇整體網路流量。然而考慮到無線網狀網路的應用特性，頻道分配(channel allocation)機制應該要同時考量到端點對端點的傳輸與同網域(intra-mesh)及跨網域(inter-mesh)通訊並存的情況，這也是過去研究所忽略的問題。因此，我們提出一套基於頻道與時間切割(radio-frequency-slot)的端點對端點的頻道分配機制，除了使得任意端點對端點傳輸路徑本身的多躍步之間都可以避免干擾外，不同傳輸路徑之間的干擾也可以被避免。雖然分離封包(packet)傳輸的接收與發送到不同的頻道上進行並非是一個新的發現，但是我們觀察到若是導入此概念至我們所提出的機制中，將可提升頻道的再利用率並且使我們的機制得以應用在多網路介面架構的無線網狀網路。接著，進一步配合適用於此機制的路徑選擇(route selection)方法，使得每一路徑的傳輸流量與延遲得以被維持，且有助於提昇整體網路的流量。 最後，為了讓行動節點能即時感知到網路環境的變化，因而能適時執行快速換手機制，我們提出一套跨網路協定階層(cross-layer)的互動機制與中介平台(middleware platform)。基於此平台，其上層的應用程式可透過程式開發介面(application programming interfaces)使用跨階層訊息交換機制(cross-layer signaling mechanism)來取得下層的網路狀態及通知下層改變網路連接點等。應用程式同樣可透過此介面使用事件通知機制(event notification mechanism)來即時感知其關注的網路變化。 透過端點對端點的安全通訊架構，在不失安全性前題下有效改進行動節點換手時的認證延遲。端點對端點的頻道分配機制可提昇網路流量且避免非預期傳輸延遲的發生，也連帶確保了行動節點換手時的訊息交換延遲。跨網路協定階層互動機制與中介平台則讓行動節點有能力即時感知網路變化並適時進行換手程序。結合前述三項研究，我們提供一套可在無線網狀網路下支援快速換手的解決方案。
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網路導向式計算流行病學利用電腦與理論或真實網路拓樸結構研究人類疾病動態和社會趨勢。本論文的主旨在於探討網路導向式計算流行病的重要性、研究現況、優勢與建模過程，並詳述三項原創研究。首先，第一項研究以理論探討無尺度網路下個體資源和疾病傳播成本對於疾病傳播關鍵門檻值的影響，並於流行病模型的基礎上提出解析方程式來解釋關鍵門檻值在無尺度網路下的存在性。該研究指出個體資源和疾病傳播成本的控管對於在無尺度網路下疫情擴散防治的可行性。其次，第二項研究提出整合真實社會網路、個體觀點、國家觀點的多層流行病學架構－多層流病動態模擬器（MEDSim），並以該架構模擬2009年A型H1N1流感疫情在台灣爆發的情形，測試該架構對於不同爆發地點和傳染阻絕方案的靈活性，希望藉此釐清複雜的個體接觸行為對於疾病傳播動態的影響。最後，在第三項研究中分析網路導向式計算流行病學的潛在優勢，並針對網路導向式計算流行病學初學者給予建立網路導向式流行病模型的方法。該研究的目標在於協助擁有較低電腦技能者建立流行病學模型、決定合適的模擬參數與建立操作流程。本論文期望透過上述三項研究，利用電腦模擬來分析多層次的個體互動行為，進而協助傳染阻絕政策的制定。