一种印刷品数字水印检测器的设计和实现

随着信息时代的到来，特别是Internet的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论是采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读最近几年，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"数字水印".数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字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，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印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,实现了印刷品数字水印的快速检测。

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印刷品由计算机生成，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，具体实现是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，将一幅含有水印的印刷品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检测，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上的实现

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。

相关运算公式为：

2 系统硬件

数字水印检测设备的硬件框图如图2所示。CMOS图像传感器是近年来发展迅猛的一种图像传感器，一些高端CMOS芯片所获得的静态图片，其质量可与CCD媲美。本文采用Omnivision公司的高端CMOS芯片OV3610,它具有300万像素点，能够提供高品质的图像。本文采用FPGA通过SCCB接口对OV3610芯片进行控制，采集图像。SCCB接口是Omnivision公司开发的一种串行接口技术。它是一种串行接口总线，由时钟信号、输入数据、输出数据组成。主机可以通过SCCB接口访问CMOS传感器的内部寄存器，从而控制CMOS的工作模式、输出图像的格式、图像的增益、RGB各个分量的增益、曝光时间、曝光强度、图像开窗等，使得到的图像便于识别水印。图像的读取是由FPGA进行时序控制的，图像的输出接口包含了10位的图像数据线和同步信号VSYNC、HSYNC、HREF.其中VSYNC信号进行帧同步，HSYNC信号进行行同步，HREF用于标志一行未传输完毕。时序如图3所示。

 

本文采用容量为256K×16bit的SRAM作为DCT系数的存储体。要完全存储DCT变换的数据是不可能的。因此，FPGA计算出的DCT系数并不能完全存储，也没有必要。因为水印是添加在每个16×16块的前10个系数里，因此只需保存每个块的前10个系数，3145728像素图片产生的水印信息只有120KB.待FPGA完成图片的DCT计算后，DSP得到运算完毕信号，从SRAM中取出DCT系数，进行相关运算。如果运算结果超过事先设定的阈值，则认为该图片存在水印，反之为不含水印。检测结果通过系统控制器在点阵液晶屏显示，并且触发语音报警器，实现语音报警。此外，该系统还具有与PC机的通信能力，能够通过RS232接口从PC机下载新的水印信息，因此便于水印的更新。要检测含有不同水印信息的图片只需下载不同的水印信息即可。

 

经过试验得出图4、图5、图6所示的仿真结果。该系统能够稳定地检测出含有水印的图像和不含水印的图像。对于含有水印的图像复制品，可以通过设置恰当的阈值予以鉴别。一般含有水印的原始图像的相关值处于一个平均值，而图像复制品处于一个较低的平均值。该系统每次检测耗时小于2秒，能够进行水印的快速检测。