DCT域數(shù)字水印算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

1 引言
    隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)使數(shù)字多媒體(數(shù)字視頻、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像等)的傳輸與復(fù)制變得非常容易，但卻增加了多媒體信息被非法盜版的機(jī)會(huì)。數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)成為一個(gè)急需解決的難題，已引起學(xué)術(shù)界與企業(yè)界的廣泛關(guān)注。
    數(shù)字水印技術(shù)是一種最近發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，用于數(shù)字產(chǎn)品認(rèn)證和保護(hù)。大多數(shù)水印算法采用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)具有易于應(yīng)用、升級(jí)和適應(yīng)性較好等特點(diǎn)，但存在速度受限、難以滿足實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題。而采用硬件實(shí)現(xiàn)則可以克服這些問(wèn)題。
    現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray)是一種設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)速度快的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件。與DSP相比，F(xiàn)PGA具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：速度快，內(nèi)置高速乘法器和加法器；高檔 FPGA中含有巨量高速存儲(chǔ)器，速度更快，電路更簡(jiǎn)單；FPGA硬件可編程，使得硬件更簡(jiǎn)單和小型化。文獻(xiàn)[l]利用FPGA實(shí)現(xiàn)小波變換，文獻(xiàn)[2- 3]利用FPGA實(shí)現(xiàn)一種高速DCT處理器件。在此基礎(chǔ)上，利用FPGA設(shè)計(jì)基于DCT域的數(shù)字水印算法，DCT變換是該數(shù)字水印方案的關(guān)鍵單元之一。采用硬件描述語(yǔ)言VHDL(Very HighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language)有效設(shè)計(jì)和仿真DCT變換。

2 圖像水印算法
    這里設(shè)計(jì)的圖像水印算法是依據(jù)文獻(xiàn)[4]算法提出的。該算法是在充分考慮人眼視覺(jué)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用一種新的圖像分類算法，結(jié)合Amold置亂變換，提出的一種基于圖像分類的自適應(yīng)水印算法。圖1為圖像水印算法框圖。

    具體算法步驟如下：
    (1)設(shè)水印信號(hào)為w，對(duì)其進(jìn)行n次Arnold置亂變換，記為wi,n作為密鑰由水印嵌入者保管，然后將wi進(jìn)行行堆疊或列堆疊變成一維水印序列wt，這里采用行堆疊。
    (2)將原始圖像I分成m個(gè)互不重疊的8×8的子塊fk(x，y)，對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換得Fk(u,v)。
    (3)將圖像塊分成3類，即平滑區(qū)、邊緣區(qū)、紋理區(qū)。依據(jù)分類結(jié)果為每一類指定一個(gè)強(qiáng)度因子αi(i=1，2，3)，為使水印具有更好的魯棒性和透明性，這里借鑒文獻(xiàn)[5]的思想，利用部分DCT低頻系數(shù)嵌入水印，將水印信號(hào)依次疊加到Fk(u，v)的4個(gè)低頻系數(shù)中，即：

  
    式中，4k≤t<4(k+1)，k=0，1……m-1；αi為強(qiáng)度因子。平滑區(qū)、邊緣區(qū)、紋理區(qū)的α取值均不相同。
    (4)對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行DCT逆變換，再將所有子塊合并為整幅圖像，得到含水印的圖像。
  

3 數(shù)字水印方案的設(shè)計(jì)
    根據(jù)上述圖像水印算法，設(shè)計(jì)FPGA實(shí)現(xiàn)的總體結(jié)構(gòu)。按照自頂向下(Top-to- Down)的設(shè)計(jì)方法，將總體設(shè)計(jì)劃分為一維DCT單元、外部存儲(chǔ)單元和控制單元(由一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)FSM(finite system machine)控制)。圖像數(shù)據(jù)從外部(如PC機(jī))按行進(jìn)入一維DCT單元，數(shù)據(jù)處理后存入存儲(chǔ)單元：然后再對(duì)該中間數(shù)據(jù)按列進(jìn)行一維DCT變換。得到二維處理結(jié)果并存入存儲(chǔ)單元?？刂茊卧瓷鲜霾襟E進(jìn)行圖像處理，并產(chǎn)生地址數(shù)據(jù)、enable信號(hào)等。圖2為其總體結(jié)構(gòu)圖。

3．1 2D-DCT結(jié)構(gòu)
    對(duì)于一個(gè)大小為N×N的像素塊，假設(shè)x(i、j)為輸入的像素點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，其二維DCT變換公式為：

  
    式中，C為帶余弦基本函數(shù)的變換系數(shù)矩陣，CT為C的轉(zhuǎn)置。
    從式(3)和式(4)可看出，2D-DCT變換是可分離的，它可分裂為串聯(lián)的2次一維變換。所以可連續(xù)進(jìn)行2次一維DCT變換實(shí)現(xiàn)一幅圖像的2D- DCT。2D-DCT的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。首先將圖像數(shù)據(jù)按行輸入一維DCT單元進(jìn)行行變換，變換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到轉(zhuǎn)置緩沖器，以進(jìn)行行列轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)再按列輸入一維DCT單元進(jìn)行列變換。變換完成后的數(shù)據(jù)輸出到PC機(jī)添加水印。

3．2 控制單元
    控制單元控制存儲(chǔ)單元和運(yùn)算單元，其主要功能：產(chǎn)生存儲(chǔ)器的控制信號(hào)，控制雙端口RAM的運(yùn)行；產(chǎn)生存儲(chǔ)器的讀寫地址和控制運(yùn)算流程等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在整個(gè)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先進(jìn)行計(jì)算機(jī)Matlab仿真，驗(yàn)證算法的正確性，然后以Xilinx公司的ISE9．1i可編程邏輯器件開發(fā)系統(tǒng)作為開發(fā)工具，采用可綜合的VHDL語(yǔ)言描述DCT變換設(shè)計(jì)。使用Xilinx Spartan3 XC3S200完成整個(gè)電路設(shè)計(jì)，Spartan3系列器件嵌有18 bit×18 bit補(bǔ)碼乘法器和大量RAM塊，非常適合DCT變換。在Xilinx公司集成設(shè)計(jì)環(huán)境ISE9．1i下，選用XC3S200-4FT256器件實(shí)現(xiàn)綜合和仿真，綜合后最高時(shí)鐘頻率達(dá)98．592 MHz。并對(duì)布局布線后的設(shè)計(jì)用Mentor Graphics公司的Modelsim SE6．1f進(jìn)行仿真。表1給出2D-DCT變換時(shí)FPGA器件的使用情況。

    器件的功能引腳示意圖，如圖4所示。其中，xin(7：0)為待轉(zhuǎn)換的8位數(shù)據(jù)輸入端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，RST為復(fù)位端，dct_2d(11： 0)為12位的DCT轉(zhuǎn)換結(jié)果，rdy_out是轉(zhuǎn)換結(jié)果就緒指示。DCT變換的邏輯功能如圖5所示的時(shí)序仿真波形。

5 結(jié)論
    設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于DCT域的數(shù)字水印算法。DCT變換算法的實(shí)現(xiàn)是該設(shè)計(jì)中數(shù)字水印方案的關(guān)鍵算法之一。重點(diǎn)采用FPGA對(duì)水印算法DCT變換進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案利用FPGA實(shí)現(xiàn)水印算法比用軟件實(shí)現(xiàn)法速度更快，性能更穩(wěn)定。