DCT域數(shù)字水印算法的FPGA實現(xiàn)

1 引言
    隨著計算機網(wǎng)絡和數(shù)字通信技術的迅速發(fā)展，數(shù)字技術使數(shù)字多媒體(數(shù)字視頻、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像等)的傳輸與復制變得非常容易，但卻增加了多媒體信息被非法盜版的機會。數(shù)字作品的版權(quán)保護成為一個急需解決的難題，已引起學術界與企業(yè)界的廣泛關注。
    數(shù)字水印技術是一種最近發(fā)展起來的新技術，用于數(shù)字產(chǎn)品認證和保護。大多數(shù)水印算法采用軟件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)具有易于應用、升級和適應性較好等特點，但存在速度受限、難以滿足實時處理的問題。而采用硬件實現(xiàn)則可以克服這些問題。
    現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray)是一種設計靈活、開發(fā)速度快的現(xiàn)場可編程邏輯器件。與DSP相比，F(xiàn)PGA具有以下主要優(yōu)點：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器，速度更快，電路更簡單；FPGA硬件可編程，使得硬件更簡單和小型化。文獻[l]利用FPGA實現(xiàn)小波變換，文獻[2- 3]利用FPGA實現(xiàn)一種高速DCT處理器件。在此基礎上，利用FPGA設計基于DCT域的數(shù)字水印算法，DCT變換是該數(shù)字水印方案的關鍵單元之一。采用硬件描述語言VHDL(Very HighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language)有效設計和仿真DCT變換。

2 圖像水印算法
    這里設計的圖像水印算法是依據(jù)文獻[4]算法提出的。該算法是在充分考慮人眼視覺特性的基礎上，應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)設水印信號為w，對其進行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個互不重疊的8×8的子塊fk(x，y)，對每個子塊進行DCT變換得Fk(u,v)。[!--empirenews.page--]
    (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強度因子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[5]的思想，利用部分DCT低頻系數(shù)嵌入水印，將水印信號依次疊加到Fk(u，v)的4個低頻系數(shù)中，即：

  
    式中，4k≤t<4(k+1)，k=0，1……m-1；αi為強度因子。平滑區(qū)、邊緣區(qū)、紋理區(qū)的α取值均不相同。
    (4)對所得結(jié)果進行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)字水印方案的設計
    根據(jù)上述圖像水印算法，設計FPGA實現(xiàn)的總體結(jié)構(gòu)。按照自頂向下(Top-to- Down)的設計方法，將總體設計劃分為一維DCT單元、外部存儲單元和控制單元(由一個有限狀態(tài)機FSM(finite system machine)控制)。圖像數(shù)據(jù)從外部(如PC機)按行進入一維DCT單元，數(shù)據(jù)處理后存入存儲單元：然后再對該中間數(shù)據(jù)按列進行一維DCT變換。得到二維處理結(jié)果并存入存儲單元?？刂茊卧瓷鲜霾襟E進行圖像處理，并產(chǎn)生地址數(shù)據(jù)、enable信號等。圖2為其總體結(jié)構(gòu)圖。

3．1 2D-DCT結(jié)構(gòu)
    對于一個大小為N×N的像素塊，假設x(i、j)為輸入的像素點陣數(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)進行2次一維DCT變換實現(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單元進行行變換，變換后的數(shù)據(jù)存儲到轉(zhuǎn)置緩沖器，以進行行列轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)再按列輸入一維DCT單元進行列變換。變換完成后的數(shù)據(jù)輸出到PC機添加水印。

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

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4 實驗結(jié)果
    在整個電路設計過程中，首先進行計算機Matlab仿真，驗證算法的正確性，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語言描述DCT變換設計。使用Xilinx Spartan3 XC3S200完成整個電路設計，Spartan3系列器件嵌有18 bit×18 bit補碼乘法器和大量RAM塊，非常適合DCT變換。在Xilinx公司集成設計環(huán)境ISE9．1i下，選用XC3S200-4FT256器件實現(xiàn)綜合和仿真，綜合后最高時鐘頻率達98．592 MHz。并對布局布線后的設計用Mentor Graphics公司的Modelsim SE6．1f進行仿真。表1給出2D-DCT變換時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為時鐘信號輸入端，RST為復位端，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所示的時序仿真波形。

5 結(jié)論
    設計和實現(xiàn)一種基于DCT域的數(shù)字水印算法。DCT變換算法的實現(xiàn)是該設計中數(shù)字水印方案的關鍵算法之一。重點采用FPGA對水印算法DCT變換進行設計和仿真實驗。實驗結(jié)果表明該方案利用FPGA實現(xiàn)水印算法比用軟件實現(xiàn)法速度更快，性能更穩(wěn)定。