印刷品数字水印检测器的实现

最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的.(Digital Watermark)技术是指用信号处理的方法在化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的器或阅读器才能提取。数字是信息隐藏技术的一个重要研究方向。本文采用高端CMOS图像传感器采集图像，基于DCT变换和相关算法，结合可编程逻辑器件FPGA和数字信号处理器DSP,了数字水印的快速。

　　1 基本原理

　　1.1 色彩空间的选择

　　本系统中含有数字水印的由计算机生成，通过激光打印机打印，再由CMOS传感器采集。整个过程中，图像信号经历了DAC变换和ADC变换，并且在不同设备上传输。为了保证图像的失真最小，必须选择一种独立于设备的色彩空间来表示图像。本系统采用CIE-XYZ色彩空间。XYZ颜色模型将彩色光表示为：

　　C=X(x)+Y(y)+Z(z)

　　其中，x、y、z是XYZ色彩空间的基色量，X、Y、Z为三色比例系数。

　　1.2 水印的添加和提取

　　所要添加的水印信息可以是一段长度为n的由-1和1表示的二进制数码{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.将ki与伪随机序列M序列按位与，具体是ki序列长度取M序列长度的整数倍，从而得到一个具有良好自相关特性的序列，这就是水印hi.宿主图像可以是任意一幅色彩丰富的彩色图片。首先，将宿主图像转化为CIE-XYZ色彩空间方式，取出亮度分量，将其进行16×16 DCT变换，选出每个块的前10个较大的DCT系数Wi;然后将hi序列按照如下公式计算得到加有水印的DCT系数序列：

　　Wi′=Wi(1+аhi)

　　其中，a控制了水印的强度。最后对处理过的DCT系数进行反DCT变换后与图像的另外两个基色量合成并打印，即可得到添加了水印的图像。

　　水印的提取过程与水印的添加过程大体相反。为了保证图像的大小与原图相同，将一幅含有水印的在合适的灯光照明和适当的物距下，通过高端CMOS图像传感器及其外围电路采集到存储器，将图像从RGB空间转换为CIE-XYZ空间，提取其中的亮度分量;然后对其进行16×16 DCT变换，选取前10个较大的DCT系数，用已知hi序列与之进行相关运算。由于经M序列调制的hi具有很好的自相关特性，当图像中含有水印时，相关运算的值超过一定的阈值即表示此图像含有水印，反之则表示这幅图片中不含有水印信息。通过上述方法，可以在需要受到保护的图像中添加水印信息，然后用本论文阐述的机读设备进行，从而将不受保护的图像检测出来。对于含有水印信息图像的复制印刷品，由于其水印能量被削弱，因此检测得出的相关值偏低，也能将其淘汰。经试验得出，正品的相关值都在40%以上，而正品的复制品都在15%以下，不含水印信息的相同印刷品的相关值都在10%以下。

　　数字水印系统原理如图1所示。

　　1.3 算法在FPGA及DSP上的

　　由于本文采用CMOS图像传感器所采集图像的色彩空间属于RGB空间，因此，必须先将其转换为独立于设备的CIE-XYZ空间，使后续处理得以继续。

　　FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

　　本文所采用的数字水印算法包含了图像的2-D DCT运算，计算量极大。为了保证计算的实时性，本文采用具有并行处理结构的FPGA实现。首先改进2-D DCT算法，使之适合FPGA的并行处理，常用的方法是将二维运算转化为两次一维运算。

　　因此，二维DCT运算可由两个一维运算得到，并且，公式中的余弦值可以事先计算好并做为运算参数保存。一维运算的实现采用了DA(Distributed Arithmetic)算法进一步提高运算速度，具体原理如下：

　　Ai(i=0,1,2,……，15)表示某一行某一像素的亮度值，xk表示余弦变换的多项式系数。对于式(8)，宜采用16个相同的模块进行并行运算，所得结果为Z0,Z1,Z2,……，Z15,然后将Zy带入式(4)，进行与上一步相同的运算，得出DCT系数的值。以上运算用按位与运算和加法运算，可以避免对乘法器资源的占用，而且可以用FPGA中的查找表(LUT)实现。在电路设计上可采用乒乓操作分时复用一维运算模块，以提高器件的利用率。

　　在得到图片的DCT系数矩阵以后，取出每个16×16块的前10个较大的DCT系数，形成一个一维序列，与前面提到的水印序列hi进行相关运算。相关运算值超过一个由试验得出的阈值则表明检测到水印。