一種印刷品數(shù)字水印檢測器的設計和實現(xiàn)

隨著信息時代的到來，特別是Internet的普及，信息的安全保護問題日益突出。當前的信息安全技術基本上都以密碼學理論為基礎，無論是采用傳統(tǒng)的密鑰系統(tǒng)還是公鑰系統(tǒng)，其保護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)密碼學的技術路線，嘗試用各種信號處理方法對聲像數(shù)據(jù)進行隱藏加密，并將該技術用于制作多媒體的數(shù)字水印.數(shù)字水印（Digital Watermark）技術是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標記，這種標記通常是不可見的，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變換和相關算法，結合可編程邏輯器件FPGA和數(shù)字信號處理器DSP,實現(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算機生成，通過激光打印機打印，再由CMOS傳感器采集。整個過程中，圖像信號經歷了DAC變換和ADC變換，并且在不同設備上傳輸。為了保證圖像的失真最小，必須選擇一種獨立于設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與偽隨機序列M序列按位與，具體實現(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，將宿主圖像轉化為CIE-XYZ色彩空間方式，取出亮度分量，將其進行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控制了水印的強度。最后對處理過的DCT系數(shù)進行反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?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空間轉換為CIE-XYZ空間，提取其中的亮度分量；然后對其進行16×16 DCT變換，選取前10個較大的DCT系數(shù)，用已知hi序列與之進行相關運算。由于經M序列調制的hi具有很好的自相關特性，當圖像中含有水印時，相關運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的圖像中添加水印信息，然后用本論文闡述的機讀設備進行檢測，從而將不受保護的圖像檢測出來。對于含有水印信息圖像的復制印刷品，由于其水印能量被削弱，因此檢測得出的相關值偏低，也能將其淘汰。經試驗得出，正品的相關值都在40%以上，而正品的復制品都在15%以下，不含水印信息的相同印刷品的相關值都在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，必須先將其轉換為獨立于設備的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上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領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。

本文所采用的數(shù)字水印算法包含了圖像的2-D DCT運算，計算量極大。為了保證計算的實時性，本文采用具有并行處理結構的FPGA實現(xiàn)。首先改進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算轉化為兩次一維運算。

因此，二維DCT運算可由兩個一維運算得到，并且，公式中的余弦值可以事先計算好并做為運算參數(shù)保存。一維運算的實現(xiàn)采用了DA(Distributed Arithmetic)算法進一步提高運算速度，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式系數(shù)。對于式（8），宜采用16個相同的模塊進行并行運算，所得結果為Z0,Z1,Z2,……，Z15,然后將Zy帶入式（4），進行與上一步相同的運算，得出DCT系數(shù)的值。以上運算用按位與運算和加法運算，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）實現(xiàn)。在電路設計上可采用乒乓操作分時復用一維運算模塊，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進行相關運算。相關運算值超過一個由試驗得出的閾值則表明檢測到水印。

相關運算公式為：

2 系統(tǒng)硬件

數(shù)字水印檢測設備的硬件框圖如圖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，能夠提供高品質的圖像。本文采用FPGA通過SCCB接口對OV3610芯片進行控制，采集圖像。SCCB接口是Omnivision公司開發(fā)的一種串行接口技術。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。主機可以通過SCCB接口訪問CMOS傳感器的內部寄存器，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信號進行幀同步，HSYNC信號進行行同步，HREF用于標志一行未傳輸完畢。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計算出的DCT系數(shù)并不能完全存儲，也沒有必要。因為水印是添加在每個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像素圖片產生的水印信息只有120KB.待FPGA完成圖片的DCT計算后，DSP得到運算完畢信號，從SRAM中取出DCT系數(shù)，進行相關運算。如果運算結果超過事先設定的閾值，則認為該圖片存在水印，反之為不含水印。檢測結果通過系統(tǒng)控制器在點陣液晶屏顯示，并且觸發(fā)語音報警器，實現(xiàn)語音報警。此外，該系統(tǒng)還具有與PC機的通信能力，能夠通過RS232接口從PC機下載新的水印信息，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。

經過試驗得出圖4、圖5、圖6所示的仿真結果。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制品，可以通過設置恰當?shù)拈撝涤枰澡b別。一般含有水印的原始圖像的相關值處于一個平均值，而圖像復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，能夠進行水印的快速檢測。