基于FPGA的實時數(shù)字視頻水印設(shè)計與實現(xiàn)

辜寂　田鳳　王婷　孫鈺坤　陳昊　李珂旭　崔巖松

摘? 要： 多媒體通信的發(fā)展使得數(shù)字水印技術(shù)作為版權(quán)保護(hù)的重要手段備受大眾關(guān)注，本文提出了一種基于離散余弦變換的新型數(shù)字水印方法。論文闡述了新型數(shù)字水印的原理，搭建了基于FPGA的實時數(shù)字視頻水印的硬件系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，與基于軟件的數(shù)字水印處理相比，基于FPGA的數(shù)字水印處理技術(shù)具有更高的安全性、隱蔽性和魯棒性;與已有的數(shù)字水印方法相比，新型數(shù)字水印方法處理速度明顯提升，實現(xiàn)了能夠?qū)σ曨l進(jìn)行實時水印處理，并可實現(xiàn)不同視頻播放環(huán)境下水印的盲檢測，為視頻的版權(quán)保護(hù)提供了有效的解決方案。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字圖像處理;數(shù)字水印;FPGA

中圖分類號： TP391.41? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.006

本文著錄格式：辜寂，田鳳，王婷，等. 基于FPGA的實時數(shù)字視頻水印設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2019，40（7）：3541

【Abstract】： The development of multimedia communication makes digital watermarking technology for copyright protection as an important part with much public concern. This paper proposes a new digital watermarking method based on discrete cosine transform. The paper describes the principle of the new digital watermarking， and built a hardware system based on FPGA for real-time digital video watermarking. The research results show that compared with software-based digital watermarking， FPGA-based digital watermarking technology has higher security， concealment and robustness. Compared with the existing digital watermarking method， the processing speed of the new digital watermarking method is obviously improved， realizing real-time watermark processing on video. It can realize blind detection of watermarks in different video playback environments， providing an effective solution for video copyright protection.

【Key words】： Digital image processing; Digital watermarking; FPGA

0? 引言

隨著高清視頻、AR/VR、人工智能等技術(shù)的持續(xù)性快速的發(fā)展，多媒體通信日益成為人們進(jìn)行信息傳遞的主流工具，由此引發(fā)的信息安全問題逐漸成為人們關(guān)注的重點。近些年數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)糾紛問題層出不窮，如何有效保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)以及認(rèn)證數(shù)字信息的真?zhèn)纬蔀閿?shù)字信息領(lǐng)域亟待解決的問題[1-3]。

現(xiàn)在市面上已經(jīng)存在很多基于PC機的軟件程序可以實現(xiàn)對圖像進(jìn)行水印加密處理，但是由于軟件程序很容易被破解與攻擊，從而無法保證數(shù)字圖像水印處理的安全性與魯棒性。因此近十年國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者實現(xiàn)了基于硬件的對靜態(tài)圖像進(jìn)行水印處理的方案從而達(dá)到保護(hù)圖像版權(quán)的目的，這些基于硬件的數(shù)字圖像水印處理系統(tǒng)大多以芯片攜帶信息的方式實現(xiàn)，有效提高了數(shù)字圖像處理的安全性能，同時便于繼承，方便攜帶，正在被廣泛應(yīng)用于銀行信息認(rèn)證、照片水印處理等方面。但是對于視頻這種需要實時處理大量圖像數(shù)據(jù)的載體而言以上兩種方式都無法滿足對視頻水印進(jìn)行處理的實時性要求[4]。

本文我們基于離散余弦變換算法提出了一種新型的數(shù)字圖像水印處理方法與流程，加快了基于硬件的數(shù)字圖像水印處理速度，達(dá)到了對視頻載體進(jìn)行實時同步地數(shù)字圖像水印處理的要求，并可實現(xiàn)在不同視頻播放環(huán)境下對水印的盲檢測，為數(shù)字視頻的版權(quán)保護(hù)以及信息認(rèn)證提供了有效的解決方案。

1? 系統(tǒng)模型與原理

（1）水印預(yù)處理

將要嵌入視頻源的二值數(shù)字圖像水印進(jìn)行多步置亂，將二值水印映射成經(jīng)過DCT變換后的分塊矩陣，在分塊矩陣的中頻區(qū)域根據(jù)二值水印序列信息對應(yīng)嵌入偽隨機序列，最后將分塊矩陣進(jìn)行IDCT變換，得到基于DCT變換的映射水印信息塊[5]。

（2）二值水印數(shù)據(jù)傳輸

將二值數(shù)字圖像水印置亂后的200*200數(shù)值序列通過UART接口傳送到開發(fā)板的存儲單元中待嵌入視頻源。

（3）水印嵌入

將分塊圖像與映射水印信息塊進(jìn)行像素對應(yīng)疊加并進(jìn)行合塊處理。

（4）圖像傳輸

將視頻源通過HDMI接口傳入開發(fā)板圖像處理單元進(jìn)行數(shù)字圖像水印信息的嵌入并實時通過HDMI接口傳輸至顯示器播放顯示。

（5）圖像采集

通過采集卡從實時輸出的視頻流中采集圖像以備提取數(shù)字圖像水印信息。

（6）水印提取

其中， 是原始圖像在 處的像素值， 是嵌入水印后的圖像在 處的像素值， 和 表示圖像是 行 列，峰值噪聲比單位為分貝（dB）。圖9和圖10的PSNR為34.641 dB

魯棒性是指嵌入水印后的視頻圖像抗攻擊的能力。通過對比提取出的水印與原始水印來驗證水印算法是否可以抵抗一定程度的攻擊。相似程度NC計算公式如下：

其中， 是原水印圖像， 是提取出的水印圖像[1]。當(dāng)兩個圖像越相似時，NC越接近1。圖11和圖12的NC為1

2.3? 抗攻擊性能檢測

對嵌入水印后的圖像進(jìn)行JPEG壓縮攻擊、高斯噪聲攻擊、椒鹽噪聲攻擊、剪切攻擊、乘性噪聲攻擊、白噪聲攻擊和高斯低通噪聲攻擊，對提取出的水印圖像進(jìn)行分析，檢驗其不可見性和魯棒性。

（1）JPEG壓縮攻擊實驗結(jié)果

Q為品質(zhì)因子，Q越大表示對圖像的損害越小。從圖13和圖14可以看出當(dāng)對含水印的視頻圖像進(jìn)行Q從10到100的JPEG壓縮時的PSNR和NC值，結(jié)果說明，圖像質(zhì)量在受到輕微影響的情況下基本可以正確地提取出水印。

（2）高斯噪聲攻擊實驗結(jié)果

δ為高斯噪聲的方差，δ越大表示對圖像噪聲越大。從圖15和圖16可以看出當(dāng)對含水印的視頻圖像進(jìn)行δ從0到0.01的噪聲壓縮時的PSNR和NC值，結(jié)果說明，圖像在受到輕微攻擊的情況下基本可以正確地提取出水印。

3? 實驗結(jié)果

3.1? 實驗結(jié)果及分析

我們需要在水印的不可感知性和提取效果之間取一個平衡，為此在我們的設(shè)計中，設(shè)置一個重要的參數(shù)——水印嵌入的強度因子[12]。該因子取值是否合適對于實驗效果有著決定性的作用，如果強度因子過小，則由于硬件對數(shù)據(jù)的處理造成的誤差，使得提取的水印效果變差;如果強度因子過大，則會造成明顯的失真，即難以滿足不可感知性。我們經(jīng)過多次測試得到了最佳的強度因子并得到了如下的實驗結(jié)果。

為了驗證水印算法的通用性，我們選取了色調(diào)和細(xì)節(jié)特征不完全相同的兩張圖像Photo1和Photo2。從主觀上觀察上面的四幅圖像，我們發(fā)現(xiàn)嵌入水印后圖像基本上沒有發(fā)生改變，達(dá)到了不可感知的隱形水印的效果。至于水印的提取方面，基本上從處理過的兩張圖像中都能提取清晰可辨識的水印圖像，說明該算法具有一定的通用性。

此外，為了能夠修改水印圖像，我們還設(shè)計了修改水印信息的接口程序，方便我們修改水印圖像，具體結(jié)果如下。

對比以上三幅圖，我們發(fā)現(xiàn)嵌入水印的圖像與原始圖像、嵌入不同水印的圖像之間均無明顯的差異。從嵌入不同水印圖像的圖像中也能提出各自的較為清晰可辨識的水印圖像，基本上達(dá)到了我們可隨時修改水印圖像的目標(biāo)。

3.2? 實驗創(chuàng)新點

前人所做的工作都是利用硬件對于靜態(tài)圖像進(jìn)行數(shù)字水印的實時嵌入，鮮有對于視頻的相關(guān)操作。對于視頻的處理，需要在每一幀圖像上都要嵌入水印，因此要求更高的處理速度，更小的處理時延。對此我們做了軟件和硬件方面的仿真測試，結(jié)果是用MATLAB對一幅圖像嵌入水印所需時間為2.934 s，而通過硬件達(dá)到相同的處理效果則只需約20 ns。由此可見，硬件處理在速度方面具有絕對性的優(yōu)勢，對于視頻和靜態(tài)圖像的處理均能夠達(dá)到實時性的處理要求[13-15]。

此外，對硬件的使用操作的技術(shù)門檻比較高，通過加密等手段可使得內(nèi)置的水印信息難以非法獲取或修改，具有較為理想的安全性。未來可內(nèi)置于相機等攝錄設(shè)備，作為版權(quán)保護(hù)及真實性認(rèn)證的重要手段。

4? 結(jié)論

本文設(shè)計了一種數(shù)字水印多步置亂和基于DCT變換的水印嵌入算法，并利用所提出的算法在FPGA開發(fā)板上設(shè)計實現(xiàn)了實時數(shù)字水印嵌入系統(tǒng)。根據(jù)仿真測試結(jié)果和硬件測試結(jié)果可以看出，設(shè)計的置亂和嵌入算法大大增強了水印的隱蔽性和魯棒性。在硬件系統(tǒng)中，我們利用FPGA并行處理、高速處理的特點，實時地對上傳的視頻進(jìn)行水印加密，相比現(xiàn)有軟件圖像水印處理具有更短的延遲性，從而獲得更快的處理速度、更大的并發(fā)請求以及更低的TCO。上述結(jié)果表明，所設(shè)計的算法和硬件系統(tǒng)為數(shù)字視頻水印的嵌入提供了較好的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鐵剛. 社交媒體數(shù)據(jù)的獲取分析[J]. 軟件， 2015， 36（2）： 86-91.

[2] 蔣日華， 王文軍. 多媒體軟件教學(xué)設(shè)計與應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].? 軟件， 2015， 36（5）： 49-53.

[3] 崔迎朝. 基于DCT的靜態(tài)圖像數(shù)字水印的Verilog HDL實現(xiàn)[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2015.

[4] 劉國賀， 李玉惠， 李勃， 賴華. 基于FPGA的數(shù)字圖像水印

實時嵌入系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2010， 第3期： 27-30.

[5] 張勇， 趙東寧， 李德毅. 數(shù)字水印技術(shù)及進(jìn)展[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2003：1-5.

[6] 孫峰， 云松， 繼偉. 一種高魯棒性數(shù)字水印算法的FPGA實現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù)， 2017， 40（8）：130-134.

[7] 謝偉風(fēng). 數(shù)字水印算法的FPGA實現(xiàn)技術(shù)研究[D]. 西安： 西安科技大學(xué)， 2009.

[8] 王佳禾. 數(shù)字圖像水印加密算法研究及FPGA實現(xiàn)[D]. 沈陽： 東北大學(xué)， 2011.

[9] 趙健， 馮喬生， 何娟娟. 面向漢字識別的新特征及其提取方法[J].? 軟件， 2015， 36（3）： 31-36.

[10] 曹妍， 陳偉， 徐森. 圖像去噪方法研究與仿真[J].? 軟件， 2015， 36（4）： 33-36.

[11] Uwe Meyer-Baese著， 劉凌， 胡永生譯. 數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2003.

[12] 夏宇聞. Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社， 2008.

[13] 段世杰， 黃華， 王鵬飛. 一種單幀圖像的快速去霧方法[J].? 軟件， 2015， 36（5）： 1-6.

[14] 彭婭利. 基于FPGA的圖像數(shù)字水印算法研究與設(shè)計[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2011.

[15] 阮秋奇. 數(shù)字圖像處理學(xué)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2001.