摘 要： 采用高端CMOS圖像傳感器進行圖像采集，基于DCT和M序列算法實現數字水印" title="數字水印">數字水印提取，基于FPGA" title="FPGA">FPGA采用DA算法實現二維DCT變換。與基于PC機和掃描儀的印刷品數字水印檢測設備相比，大大提高了圖片數字水印檢測的速度，實現了印刷品數字水印的快速檢測。
關鍵詞： 數字水印 檢測 CMOS DCT FPGA
數字水印技術是近年來發展起來的一種信息隱藏技術，可以用于網絡多媒體文件的版權保護、印刷品的防偽等。早期的圖像數字水印技術是對圖像進行空域處理。這種方法魯棒性較差，經過一些常用的信號算法處理后，水印信息難以保存。有人提出了在頻域里添加水印的方法，使水印具有一定的魯棒性，如Cox提出的基于擴頻通信思想的數字水印算法。我國在數字水印方面的研究始于1999年，之后，數字水印很快成為了信息安全領域的熱點問題，產生了基于DCT(Discrete Cosine Transformation)變換、小波變換、維納濾波等具有交叉技術特點的水印算法。目前，諸多的數字水印技術都是基于網絡傳輸，針對印刷品數字水印的研究還處于起步階段。傳統的印刷品數字水印系統采用掃描儀進行圖像采集并且基于PC機實現算法。此種方案速度慢、體積大、難以投入實用。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和數字信號處理器DSP" title="DSP">DSP，實現了印刷品數字水印的快速檢測。
1 基本原理
1.1 色彩空間的選擇
本系統中含有數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。
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，具體實現是ki序列長度取M序列長度的整數倍，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的物距下，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，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。
數字水印系統原理如圖1所示。
1.3 算法在FPGA及DSP上的實現
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，使后續處理得以繼續。
本文所采用的數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。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保存。一維運算的實現采用了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。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。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系數矩陣以后，取出每個16×16塊的前10個較大的DCT系數，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 系統硬件
數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展迅猛的一種圖像傳感器，一些高端CMOS芯片所獲得的靜態圖片，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、輸入數據、輸出數據組成。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位的圖像數據線和同步信號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系數的存儲體。要完全存儲DCT變換的數據是不可能的。因此，FPGA計算出的DCT系數并不能完全存儲，也沒有必要。因為水印是添加在每個16×16塊的前10個系數里，因此只需保存每個塊的前10個系數，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，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。檢測結果通過系統控制器在點陣液晶屏顯示，并且觸發語音報警器，實現語音報警。此外，該系統還具有與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。該系統能夠穩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，可以通過設置恰當的閾值予以鑒別。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。該系統每次檢測耗時小于2秒，能夠進行水印的快速檢測。
參考文獻
1 Cox I J，Killian J，Leighton F T etc al.Secure spread spec-trum watermarking for multimedia[J].IEEE Trans Image Pro-cessing，1997；6(12)：1673～1687
2 LiHui，Xu Taiyuan.The Application of Electronic Watermark in Presswork Anti-Imitations.JESTC，2004；2(1)：72～75
3 阮秋琦.數字圖像處理.北京：電子工業出版社，2001
4 孫兆林.MATLAB6.X圖像處理.北京：清華大學出版社，2002
5 宋玉杰，劉瑞禎，譚鐵牛等.數字水印技術在印刷品防偽中的應用.中國圖像圖形學報，2001；6(5)
6 孟 兵，周良柱，萬建偉.基于維納濾波的數字水印算法.計算機工程與應用，2000