一種印刷品數(shù)字水印檢測(cè)器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，特別是Internet的普及，信息的安全保護(hù)問(wèn)題日益突出。當(dāng)前的信息安全技術(shù)基本上都以密碼學(xué)理論為基礎(chǔ)，無(wú)論是采用傳統(tǒng)的密鑰系統(tǒng)還是公鑰系統(tǒng)，其保護(hù)方式都是控制文件的存取，即將文件加密成密文，使非法用戶不能解讀最近幾年，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(hào)處理方法對(duì)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(hào)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(jiàn)的，只有通過(guò)專用的檢測(cè)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(gè)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(hào)處理器DSP,實(shí)現(xiàn)了印刷品數(shù)字水印的快速檢測(cè)。

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(guò)激光打印機(jī)打印，再由CMOS傳感器采集。整個(gè)過(guò)程中，圖像信號(hào)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度取M序列長(zhǎng)度的整數(shù)倍，從而得到一個(gè)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(gè)塊的前10個(gè)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(duì)處理過(guò)的DCT系數(shù)進(jìn)行反DCT變換后與圖像的另外兩個(gè)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(guò)程與水印的添加過(guò)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(guò)高端CMOS圖像傳感器及其外圍電路采集到存儲(chǔ)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(duì)其進(jìn)行16×16 DCT變換，選取前10個(gè)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(shí)，相關(guān)運(yùn)算的值超過(guò)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(guò)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(cè)，從而將不受保護(hù)的圖像檢測(cè)出來(lái)。對(duì)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(cè)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(chǎng)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(shí)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(gè)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(duì)于式（8），宜采用16個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)16×16塊的前10個(gè)較大的DCT系數(shù)，形成一個(gè)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(guò)一個(gè)由試驗(yàn)得出的閾值則表明檢測(cè)到水印。

相關(guān)運(yùn)算公式為：

2 系統(tǒng)硬件

數(shù)字水印檢測(cè)設(shè)備的硬件框圖如圖2所示。CMOS圖像傳感器是近年來(lái)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(wàn)像素點(diǎn)，能夠提供高品質(zhì)的圖像。本文采用FPGA通過(guò)SCCB接口對(duì)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(shí)鐘信號(hào)、輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)組成。主機(jī)可以通過(guò)SCCB接口訪問(wèn)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(gè)分量的增益、曝光時(shí)間、曝光強(qiáng)度、圖像開窗等，使得到的圖像便于識(shí)別水印。圖像的讀取是由FPGA進(jìn)行時(shí)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(hào)VSYNC、HSYNC、HREF.其中VSYNC信號(hào)進(jìn)行幀同步，HSYNC信號(hào)進(jìn)行行同步，HREF用于標(biāo)志一行未傳輸完畢。時(shí)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(chǔ)體。要完全存儲(chǔ)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(chǔ)，也沒(méi)有必要。因?yàn)樗∈翘砑釉诿總€(gè)16×16塊的前10個(gè)系數(shù)里，因此只需保存每個(gè)塊的前10個(gè)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(hào)，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(guò)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(cè)結(jié)果通過(guò)系統(tǒng)控制器在點(diǎn)陣液晶屏顯示，并且觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(guò)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(cè)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(guò)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(cè)出含有水印的圖像和不含水印的圖像。對(duì)于含有水印的圖像復(fù)制品，可以通過(guò)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(gè)平均值，而圖像復(fù)制品處于一個(gè)較低的平均值。該系統(tǒng)每次檢測(cè)耗時(shí)小于2秒，能夠進(jìn)行水印的快速檢測(cè)。