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[導(dǎo)讀]最近幾年,許多研究人員放棄了傳統(tǒng)密碼學(xué)的技術(shù)路線,嘗試用各種信號處理方法對聲像數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏加密,并將該技術(shù)用于制作多媒體的"數(shù)字水印".數(shù)字水印(Digital Watermark)技術(shù)是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體

最近幾年,許多研究人員放棄了傳統(tǒng)密碼學(xué)的技術(shù)路線,嘗試用各種信號處理方法對聲像數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏加密,并將該技術(shù)用于制作多媒體的"數(shù)字水印".數(shù)字水印(Digital Watermark)技術(shù)是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記,這種標(biāo)記通常是不可見的,只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向。本文采用高端CMOS圖像傳感器采集圖像,基于DCT變換和相關(guān)算法,結(jié)合可編程邏輯器件FPGA和數(shù)字信號處理器DSP,實(shí)現(xiàn)了印刷品數(shù)字水印的快速檢測。

  1 基本原理

  1.1 色彩空間的選擇

  本系統(tǒng)中含有數(shù)字水印的印刷品由計(jì)算機(jī)生成,通過激光打印機(jī)打印,再由CMOS傳感器采集。整個過程中,圖像信號經(jīng)歷了DAC變換和ADC變換,并且在不同設(shè)備上傳輸。為了保證圖像的失真最小,必須選擇一種獨(dú)立于設(shè)備的色彩空間來表示圖像。本系統(tǒng)采用CIE-XYZ色彩空間。XYZ顏色模型將彩色光表示為:

  C=X(x)+Y(y)+Z(z)

  其中,x、y、z是XYZ色彩空間的基色量,X、Y、Z為三色比例系數(shù)。

  1.2 水印的添加和提取

  所要添加的水印信息可以是一段長度為n的由"-1"和"1"表示的二進(jìn)制數(shù)碼{ki},如:-1-1-1-1-1-1-1-1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1-1-1-1-1-1-1-1.將ki與偽隨機(jī)序列M序列按位與,具體實(shí)現(xiàn)是ki序列長度取M序列長度的整數(shù)倍,從而得到一個具有良好自相關(guān)特性的序列,這就是水印hi.宿主圖像可以是任意一幅色彩豐富的彩色圖片。首先,將宿主圖像轉(zhuǎn)化為CIE-XYZ色彩空間方式,取出亮度分量,將其進(jìn)行16×16 DCT變換,選出每個塊的前10個較大的DCT系數(shù)Wi;然后將hi序列按照如下公式計(jì)算得到加有水印的DCT系數(shù)序列:

  Wi′=Wi(1+аhi)

  其中,a控制了水印的強(qiáng)度。最后對處理過的DCT系數(shù)進(jìn)行反DCT變換后與圖像的另外兩個基色量合成并打印,即可得到添加了水印的圖像。

  水印的提取過程與水印的添加過程大體相反。為了保證圖像的大小與原圖相同,將一幅含有水印的印刷品在合適的燈光照明和適當(dāng)?shù)奈锞嘞?,通過高端CMOS圖像傳感器及其外圍電路采集到存儲器,將圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換為CIE-XYZ空間,提取其中的亮度分量;然后對其進(jìn)行16×16 DCT變換,選取前10個較大的DCT系數(shù),用已知hi序列與之進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。由于經(jīng)M序列調(diào)制的hi具有很好的自相關(guān)特性,當(dāng)圖像中含有水印時,相關(guān)運(yùn)算的值超過一定的閾值即表示此圖像含有水印,反之則表示這幅圖片中不含有水印信息。通過上述方法,可以在需要受到保護(hù)的圖像中添加水印信息,然后用本論文闡述的機(jī)讀設(shè)備進(jìn)行檢測,從而將不受保護(hù)的圖像檢測出來。對于含有水印信息圖像的復(fù)制印刷品,由于其水印能量被削弱,因此檢測得出的相關(guān)值偏低,也能將其淘汰。經(jīng)試驗(yàn)得出,正品的相關(guān)值都在40%以上,而正品的復(fù)制品都在15%以下,不含水印信息的相同印刷品的相關(guān)值都在10%以下。

  數(shù)字水印系統(tǒng)原理如圖1所示。

  1.3 算法在FPGA及DSP上的實(shí)現(xiàn)

  由于本文采用CMOS圖像傳感器所采集圖像的色彩空間屬于RGB空間,因此,必須先將其轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于設(shè)備的CIE-XYZ空間,使后續(xù)處理得以繼續(xù)。

  FPGA(Field-Programmable Gate Array),即現(xiàn)場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

  本文所采用的數(shù)字水印算法包含了圖像的2-D DCT運(yùn)算,計(jì)算量極大。為了保證計(jì)算的實(shí)時性,本文采用具有并行處理結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)。首先改進(jìn)2-D DCT算法,使之適合FPGA的并行處理,常用的方法是將二維運(yùn)算轉(zhuǎn)化為兩次一維運(yùn)算。

  因此,二維DCT運(yùn)算可由兩個一維運(yùn)算得到,并且,公式中的余弦值可以事先計(jì)算好并做為運(yùn)算參數(shù)保存。一維運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)采用了DA(Distributed Arithmetic)算法進(jìn)一步提高運(yùn)算速度,具體原理如下:


  Ai(i=0,1,2,……,15)表示某一行某一像素的亮度值,xk表示余弦變換的多項(xiàng)式系數(shù)。對于式(8),宜采用16個相同的模塊進(jìn)行并行運(yùn)算,所得結(jié)果為Z0,Z1,Z2,……,Z15,然后將Zy帶入式(4),進(jìn)行與上一步相同的運(yùn)算,得出DCT系數(shù)的值。以上運(yùn)算用按位與運(yùn)算和加法運(yùn)算,可以避免對乘法器資源的占用,而且可以用FPGA中的查找表(LUT)實(shí)現(xiàn)。在電路設(shè)計(jì)上可采用乒乓操作分時復(fù)用一維運(yùn)算模塊,以提高器件的利用率。

  在得到圖片的DCT系數(shù)矩陣以后,取出每個16×16塊的前10個較大的DCT系數(shù),形成一個一維序列,與前面提到的水印序列hi進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。相關(guān)運(yùn)算值超過一個由試驗(yàn)得出的閾值則表明檢測到水印。[!--empirenews.page--]相關(guān)運(yùn)算公式為:

 

2 系統(tǒng)硬件

  數(shù)字水印檢測設(shè)備的硬件框圖如圖2所示。CMOS圖像傳感器是近年來發(fā)展迅猛的一種圖像傳感器,一些高端CMOS芯片所獲得的靜態(tài)圖片,其質(zhì)量可與CCD媲美。本文采用Omnivision公司的高端CMOS芯片OV3610,它具有300萬像素點(diǎn),能夠提供高品質(zhì)的圖像。本文采用FPGA通過SCCB接口對OV3610芯片進(jìn)行控制,采集圖像。SCCB接口是Omnivision公司開發(fā)的一種串行接口技術(shù)。它是一種串行接口總線,由時鐘信號、輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)組成。主機(jī)可以通過SCCB接口訪問CMOS傳感器的內(nèi)部寄存器,從而控制CMOS的工作模式、輸出圖像的格式、圖像的增益、RGB各個分量的增益、曝光時間、曝光強(qiáng)度、圖像開窗等,使得到的圖像便于識別水印。圖像的讀取是由FPGA進(jìn)行時序控制的,圖像的輸出接口包含了10位的圖像數(shù)據(jù)線和同步信號VSYNC、HSYNC、HREF.其中VSYNC信號進(jìn)行幀同步,HSYNC信號進(jìn)行行同步,HREF用于標(biāo)志一行未傳輸完畢。時序如圖3所示。

  本文采用容量為256K×16bit的SRAM作為DCT系數(shù)的存儲體。要完全存儲DCT變換的數(shù)據(jù)是不可能的。因此,F(xiàn)PGA計(jì)算出的DCT系數(shù)并不能完全存儲,也沒有必要。因?yàn)樗∈翘砑釉诿總€16×16塊的前10個系數(shù)里,因此只需保存每個塊的前10個系數(shù),3145728像素圖片產(chǎn)生的水印信息只有120KB.待FPGA完成圖片的DCT計(jì)算后,DSP得到運(yùn)算完畢信號,從SRAM中取出DCT系數(shù),進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。如果運(yùn)算結(jié)果超過事先設(shè)定的閾值,則認(rèn)為該圖片存在水印,反之為不含水印。檢測結(jié)果通過系統(tǒng)控制器在點(diǎn)陣液晶屏顯示,并且觸發(fā)語音報(bào)警器,實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警。此外,該系統(tǒng)還具有與PC機(jī)的通信能力,能夠通過RS232接口從PC機(jī)下載新的水印信息,因此便于水印的更新。要檢測含有不同水印信息的圖片只需下載不同的水印信息即可。


  經(jīng)過試驗(yàn)得出圖4、圖5、圖6所示的仿真結(jié)果。該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地檢測出含有水印的圖像和不含水印的圖像。對于含有水印的圖像復(fù)制品,可以通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)拈撝涤枰澡b別。一般含有水印的原始圖像的相關(guān)值處于一個平均值,而圖像復(fù)制品處于一個較低的平均值。該系統(tǒng)每次檢測耗時小于2秒,能夠進(jìn)行水印的快速檢測。

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