一種印刷品數字水印檢測器的設計和實現

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，無論是采用傳統的密鑰系統還是公鑰系統，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密碼學的技術路線，嘗試用各種信號處理方法對聲像數據進行隱藏加密，并將該技術用于制作多媒體的數字水印.數字水印（Digital Watermark）技術是指用信號處理的方法在數字化的多媒體數據中嵌入隱蔽的標記，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和數字信號處理器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。

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，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有限的缺點。

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。