（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的图像数字水印算法研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着数字技术和互联网的发展，数字作品的便利性和不安全性并存；针对这种状 况，数字产品的版权保护和数据的安全维护的要求也愈加迫切，数字水印( d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ) 技术在这样的要求下迅速发展起来，成为近些年来信息隐藏技术研究领 域的又一个重要分支。 目前对于数字水印算法的研究是比较成熟的，绝大部分算法都是通过m a t l a b 软件 实现的。随着技术的发展，对数字水印算法也提出了更高的实时性和安全性的要求， 采用硬件的方法实现算法的思想得到了人们的认同。本文在前人研究的基础上，实现 了数字水印算法基于f p g a 的提升式离散小波变换。其中5 3 小波是整数到整数的小 波变换，多应用于无损压缩的场合；9 7 小波的系数不是整数，应用于有损压缩的场合， 应用范围更广。文中对于数字水印的嵌入采用的是l s b 数字水印原理。论文研究的重 点有以下两个方面： 1 对提升小波变换算法进行了分析，对5 3 小波和9 7 小波设计了一维小波提升变 换的电路和二维一次提升小波变换的电路，并给出了具体的设计架构和仿真结果；对 二维多次提升小波变换的设计思想进行了描述。在整体电路的设计中应用了对称周期 延拓保证了数据处理的正确性；在整个电路的架构中引入了工程设计中常用的流水线 设计来提高系统的实时性；将系统中乘法模块采用移位加的方法来实现节省硬件资源 的使用。整个电路的设计采用v e r i l o gh d l 语言进行描述，用f p g a 的相应软件进行了 功能和时序的仿真。 2 经过对数字水印技术的分析和介绍，研究其基于f p g a 的实现，选用了最低位 嵌入的方法。在数字水印嵌入方案的设计中，采用混沌序列和m 序列异或的方式生成 新的混合混沌序列，结合提升式离散小波变换的f p g a 设计，实现了数字水印方案； 并在m a t l a b 软件的帮助下实现了比较验证。 关键词：数字水印；f p g a ；提升算法：离散小波变换；混沌序列 西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页 a b s t r a c t t h ec o n v e n i e n c ea n di n s e c u r i t yo fd i g i t a lp r o d u c t sg ot o g e t h e r 、析t ht h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lt e c h n o l o g ya n dt h ei n t e r n e t ，f o rw h i c ht h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dd a t as e c u r i t y m a i n t e n a n c eo fd i g i t a l p r o d u c t s h a v eb e c o m e m o r ea n dm o r eu r g e n t t h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gh a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n db e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tb r a n c h e s o f i n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h o n o l o g yu n d e rt h i ss i t u a t i o ni nr e c e n ty e a r s t h er e s e a r c hm e t h o d so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ma r e r e l a t i v e l ym a t u r ei n c u r r e n t m o s to ft h ea l g o r i t h m sa r er e a l i z e db ym a t l a b t h ea l g o r i t h mi sr e q u i r e dt ob ef a s t e r a n dm o r es e c u r ea n dt h et h o u g h to fr e a l i z i n ga l g o r i t h m sw i t l lh a r d w a r eo b t a i n st h ei d e n t i t y 埘t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y al i f t e dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m b a s e dd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sr e a l i z e dt h r o u g hf p g ai nt h i sp a p e r l eg a l l 53 w a v e l e tt r a n s f o r mi sa i li n t e g e rt oi n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m ，w h i c hi s m a i n l ya p p l i e dt o l o s s l e s sc o m p r e s s i o n ；c d f 9 7 ，t h ec o e f f i c i e n t so fw h i c hi sn o ta ni n t e g e r ，i su s e dm o r e w i d e l ya n dm a i n l yu s e di nl o s s yc o m p r e s s i o n i nt h i sp a p e r ，l s bw a t e r m a r k i n gp r i n c i p l e s a r eu s e df o rt h ee m b e do fd i g i t a lw a t e r m a r k t h e r ea r et w om a i na s p e c t si nt h i sp a p e r ： 1 t h el i f t e dw a v e l e tt r a n s f o r ma l g o r i t h mi sa n a l y z e di nt h i sp a p e r ao n e d i m e n s i o n a l a n dat w o - d i m e n s i o n a ll i f t e dw a v e l e tt r a n s f o r mc i r c u i t sa r ed e s i g n e da n dt h es p e c i f i c f r a m e w o r ka n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n ；t h ei d e a so ft w o - d i m e n s i o n a lm u l t i l e v e ll i f t e d w a v e l e tt r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e d t h ec o r r e c t n e s so ft h ed a t ap r o c e s s i n gi si n s u r e db yt h e u s eo fs y m m e t r yp e r i o d i ce x t e n s i o ni nt h ew h o l ec i r c u i t ；t h es p e e do ft h es y s t e mi si m p r o v e d t h r o u g ht h eu s eo ft h ep i p e l i n ee n g i n e e r i n g ；t h ed i s p l a c e m e n tp l u sm e t h o di su s e dt os a v e h a r d w a r er e s o u r c e s t h ew h o l ec i r c u i ti sd e s i g n e db yv e r i l o gh d ll a n g u a g e ，a n ds i m u l a t e d o nt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eo f f p g a 2 t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sr e a l i z a t i o no nf p g aa r ea n a l y z e d ，a n d t h el e a s ts i g n i f i c a n tb i t sm e t h o di sc h o s e n i nt h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ge m b e d d i n gp r o g r a m d e s i g n ，t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gs c h e m ei sr e a l i z e dt h r o u g han e wh y b r i dc h a o t i cs e q u e n c e s ， w h i c hi sg e n e r a t e db yc h a o t i cs e q u e n c e sa n dam s e r i e s ，a n dl i f t e dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m b a s e do nf p g a t h ev e r i f i c a t i o nh a sb e e nd o n ei nt h em a t l a bs o f t w a r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第f if 页 k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；f p g a ；l i f t e da l g o d t h m ；d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ； c h a o t i cs e q u e n c e s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着数字技术和因特网的发展，以图像、视频和音频等为主的多媒体数字作品纷 纷在网络上发表，给作品的推广带来了很大的便利，显著的提高了信息表达的准确度 和效率。但随之而来的副作用也是非常明显的一它可以高速度、低成本的被复制和传 播，因此，为了采取相应的手段对数字作品进行版权保护、对侵权者和盗版者进行惩 罚，数字水印技术的研究在这种要求下逐步发展起来n 2 3 。 数字水印是一种有效的数据安全维护和数字产品版权保护技术，它将数字、序列 号、文字、图像标志等版权信息( 冗余信号) ，利用数字嵌入的方法隐藏在多媒体信息 中，用以证明创作者对作品的所有权，并作为鉴定作品、起诉非法侵权的证据；并且 可以通过对水印的检测及分析来保证信息的完整可靠性，起到版权保护、秘密通信、 数据文件的真伪鉴别和产品标志等作用。在现实生活中，类似数字作品的产权保护、 医疗领域医学图像系统中的信息隐藏、商务交易中的票据防伪以及声像数据的标识的 隐藏和篡改这种引起普遍关注的现象构成了水印技术的研究背景口吲。 目前的数字水印技术多利用软件来实现，这种用算法来实现的系统速度缓慢，不 能达到实时高效的要求，而且在信息高速发展的今天，算法的复制和破解也变的越来 越容易，为了改进单纯用算法在软件上实现水印存在的缺陷，于是我们使用了用硬件 的方法来实现数字水印。这是基于硬件本身的特点进行的，因为用硬件来实现数字水 印算法可以根据需要提高系统速度便于实时处理，也可以弥补软件易于破解的不足； 因此用硬件实现具有重要的意义。 1 2 数字水印技术的发展及国内外研究现状 人们在日常使用人民币时，常通过观察它是否具有水印来辨别真伪，这是一种很 大众的检测防伪的方式，因为这种防伪的分辨不需要借助任何仪器就能够达到辨认的 目的，现在一些商业上的发票也采用这种方法。实际上，早在盛唐时期，一些生产高 质量纸张的抄纸作坊为了垄断市场和防止他人假冒，在纸张上就采用了水印防伪的方 法。这种防伪的方法是那些抄纸工人在实践中摸索出来的，仅掌握在少数人手中，秘 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 不示人，世袭相传，因此覆盖面很窄，这种防伪水印方式简单，用途单一。数字水印 这一概念真正提出是在2 0 世纪的9 0 年代，不过通过在作品中嵌入标识码来证明创作 者所有权的思想最早可追溯到1 9 5 4 年。 1 9 5 4 年，美国m u z a c 公司的e m i lh e m b r o o k e 为一份音乐作品( 含水印的) 申请 了一项名为“i d e n t i f i c a t i o no f s o u n da n dl i k es i g n a l s 的专利。该专利描述的是将标识码 不可感知的嵌入音乐作品中来证明音乐所有权的方法，它的作用类似于纸张中的水印。 这是目前知道的最早的电子水印技术。1 9 9 3 年，t i r k e l 等人发表的文章“e l e c t r o n i c w a t e r m a r k n 1 中首先提出了电子水印的说法，随后s c h y n d e l 等人发表了另一篇题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章暗1 ，正式提出了“数字水印”这一术语。1 9 9 3 年以后，数字 水印发展的较为迅速，鉴于其在信息安全领域和经济上的重要地位，世界各国的科研 机构、大学实验室和商业集团都积极参与或投资支持这方面的研究工作。如美国财政 部、美国海陆空研究实验室、美国洛斯阿莫斯国家实验室、德国国家信息技术研究中 心、欧洲电信联盟、麻省理工学院、剑桥大学、南加利福尼亚大学、瑞士洛桑联邦工 学院、朗讯贝尔实验室、微软公司、c a 公司以及菲利普公司等都在进行这方面的研究 工作。i b m 公司、n e c 公司、日立公司、s o n y 公司和p i o n e e r 电子公司等五家公司 还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。随着数字水印理论研究的不断深入，其商 用价值也逐渐显现，在上个世纪末已经有公司开始正式销售水印产品。其中，美国的 d i g i m a r c 公司率先推出了第一个商用的图像数字水印软件，随后又以插件的形式将这 个软件集成到p h o t o s h o p 和c o r e ld r a w 图像处理软件中。随后该公司还推出了媒体桥 ( m e d i a b r i d g e ) 技术，它可以直接将用户带到与含有d i g i m a r c 水印信息的图像内容相 关联的网络站点。a l p v i s i o n 公司推出的l a v e li t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏 若干字符( 即水印) ，借助这些隐藏的标记就可以知道它的原始出处。s a f ep a p e r 可用 于证明一份文件是否是指定的组织或公司打印的，如法律文书、契约、医疗处方等， 还可以将一些如商标、名字、专利或者金额等重要信息，隐藏到数字水印中阳1 。 随着数字水印的理论研究的深入，国际学术界也陆续发表了很多关于数字水印技 术的文章；像i e e e 、s c i 、e l 等有影响的国际会议以及s i g n a lp r o c e s s i n g 等国际权威学 术期刊也相继出版了数字水印技术方面的专题。1 9 9 6 年5 月，在英国剑桥牛顿研究所 召开了国际第一届信息隐藏学术讨论会( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ， i h w ) 。在1 9 9 9 年的i h w 研讨会上，数字水印成为主旋律，相关的文章超过了总数二 分之一这标志着数字水印作为一个研究课题受到了实质上的关注，逐渐形成一门新兴 的学科。相对于国际学术界在数字水印方面的研究而言，国内起步稍晚，但也引起了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 相关领域研究人员的普遍关注。1 9 9 9 年1 2 月以何德全院士为首的有关人士和研究单位 联合发起召开了国内的第一届信息隐藏学术研讨会，会议中决定每年召开一次研讨会， 以便促进国内信息隐藏技术的研究工作。随后随着网络的迅速发展，信息技术交流更 加便利，水印技术迅速发展起来，国内各大高校和研究所等机构纷纷投入数字水印的 研究，其中比较有代表性的是中国科学院自动化研究所、哈尔滨工业大学、北京邮电 大学、清华大学等，这些科研机构和院校是国内较早投入水印研究并且取得了较好成 绩的单位。现在国内也出现了一些能生产水印产品的公司，其中2 0 0 2 年刘瑞祯、谭铁 牛等人在上海创办的上海阿须数码技术有限公司是比较有代表性的公司，该公司是专 门从事数字水印技术、防伪技术、多媒体信息和网络安全等软硬件开发，现己申请了 多项数字水印技术专利。虽然数字水印技术在国内的研究和应用还处于初级阶段，但 通过水印公司的创办已经逐步走上了商业化和实用化的道路，这将会进一步推动国内 数字水印技术的蓬勃发展，并且可以加强理论与实践互相推动促进，为国内信息安全 产业提供更有力的的保障。 1 3 本文研究的主要内容 本文的主要研究内容是图像数字水印算法基于f p g a 的硬件的研究与设计。文中 介绍了数字水印的基本理论和算法，介绍了小波变换的基础理论，通过对小波提升算 法的研究，用硬件描述语言实现对整个设计进行编码，并通过仿真验证了设计的正确 性和可行性。文中数字水印算法采用的是提升式离散小波变换的数字水印算法，在完 成提升式小波变换时，采用了两种小波变换：5 3 滤波器小波变换和9 7 滤波器小波变 换。对于水印的嵌入采用的是l s b 方法。各章节的主要内容安排如下： 第1 章绪论 介绍了课题的研究背景及意义，数字水印的发展及国内外研究现状。 第2 章数字水印技术的理论基础 介绍了数字水印技术的基本理论框架和模型，水印的嵌入算法及应用：重点介绍 了离散小波变换原理及在小波变换中的边界处理问题。 第3 章基于5 3 小波提升变换的f p g a 设计 介绍了f p g a 的开发平台设计流程和硬件描述语言，讲解了提升式5 3 小波的理 论基础，然后介绍了该小波一维离散小波变换的硬件架构，根据提升式的小波变换的 特点实现了一种高效并行的二位离散小波变换硬件架构。 第4 章基于9 7 小波提升变换的f p g a 设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 介绍了9 7 小波提升式变换的理论基础及其实现方式，分析了9 7 小波滤波器与上 一章中5 3 小波的不同之处，给出了相应的硬件架构。 第5 章数字水印算法的f p g a 设计 介绍了数字水印的嵌入算法，设计了一种混合混沌序列用于数字水印算法，并用 硬件描述语言实现了设计的算法，达到了最初的设计目的。 第6 章仿真与验证 对文中的设计进行了综合和仿真，并与m a t l a b 软件仿真的结果相比较，验证设计 的正确性。 最后是结论与需要改进的地方。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章数字水印技术的理论基础 数字水印技术指的是一种利用图像及声音等多媒体信息的冗余性，在数字化的多 媒体数据中嵌入可鉴别的标记信息，并且不影响宿主数据可用性的方法n 们。被嵌入的 标记信息就称为数字水印，它可以是特定的图像、一段文字、序列号或标识等。水印 信息通常是不可觉察的或不可见的，需要通过专用的检测器来提取。数字水印与原始 数据紧密的结合并隐藏于原始数据中，成为原始数据不可分离的一部分。 2 1 数字水印的基本理论 2 1 1 水印的基本理论框架 根据v o y a t z i s 和p i t a s n 的思想，对数字水印技术的基本框架进行介绍。数字水 印有多种形式，通常可以定义水印形为 w = 国( 尼) i 缈( 后) u ，k i f - d ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中，矿d 表示维数是d 的水印信域，d = l ，2 ，3 分别表示声音、静止图像和视频 中的水印。水印信号可以是高斯噪声形式或二值形式( u = 一1 ，1 或u = 0 ，1 ) 。w 也可 称为“原始水印，以便于和变换域水印f ( 形) 区分开来。 水印的处理系统的基本框架可以定义成六元体( ，形，k ，g ，e ，d ) ，其中： ( 1 ) ，一所要保护的数字产品，的集合。 ( 2 ) 形一所有可能水印信号形的集合。 ( 3 ) k 标识码( 也称为水印密钥) 的集合。 ( 4 ) g 一利用密钥k 和待嵌入水印的，共同生成水印的算法，即 g ：i xk 寸w ，w = g ( i ，k ) ( 2 - 2 ) ( 5 ) e 一将水印矿嵌入数字产品厶中的嵌入算法，即 e ：i x w 专，l = e ( i o ，w )( 2 - 3 ) ( 6 ) d 一水印检测算法，即 d ：i xk _ o ，1 ) ( 2 4 ) ，= 然霖嚣嚣( 2 - 5 ) 这里，夙和h 代表二值假设，分别表示水印的无和有。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 2 数字水印的一般模型 数字水印可以由数字标识、随机序列、文本及图像等构成。一个完整的水印系统 中必然包括水印的产生、水印的嵌入和水印的提取或检测。水印嵌入的过程如图2 - 1 所示。如图中所示，在水印嵌入过程中常常会加入密码，增强水印的鲁棒性和安全性。 图2 - 1 水印嵌入框图 水印提取或检测可以看作是解码过程，在提取或检测时原始图像可以参与也可以 不参与。水印提取框图如图2 2 所示，检测框图如图2 - 3 所示。 图2 - 2 水印提取框图 2 1 3 水印的嵌入算法 图2 - 3 水印检测框图 自从1 9 9 3 年正式提出数字水印的概念之后，很快其算法就成为研究的热点和重点。 因为数字水印横跨了数字通信、信号处理、密码学等多种学科，使得各专业领域的学 者从不同的角度提出了许多数字水印方案。本小节这要针对图像数据的算法进行了简 单的介绍和分析，其中有些算法也适合音频和视频数据。数字水印算法按照不同的标 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第7 页 准可以分成很多类，目前按算法最主要的特征可以分为空域算法、变换域算法、压缩 域算法、生理模型算法、n e c 算法等。 1 空域算法 空域水印嵌入算法是指在原始数据的空间域中嵌入水印的算法，其中最典型的是 最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ，l s b ) 算法n 羽、p a t c h w o r k 算法阳1 和文档结构微调算 法。l s b 算法是用水印信息来代替原始数据最低的有效位( 也称为最不显著位) ，该算 法具有较大的信息隐藏量和较好的不可见性，但是实现的水印很脆弱，容易被擦除和 绕过。p a t c h w o r k 算法是在一载体图像中嵌入具有特定的统计特性的水印，是基于统计 检测理论的一种算法，类似的还有p i t a s 等提出的一种方案n3 1 。自从p a t c h w o r k 算法提 出后，很多研究工作者为了完善该算法提出了新的建议，其中l a n n g e l a a r 等人就提出 了一种改进的算法n 钔，不仅提高了算法的稳健性还增加嵌入的信息量。文档结构微调 算法是b r a s s i l n 5 ，吲等人首先提出来的。在文献【15 ，1 6 介绍了3 种将特定二进制信息隐藏 在通用文档图像中的技术，其水印信息通过轻微调整文档中的行距、字距、字体等结 构来完成编码。基于这种方法的水印可以抵御一些比较简单的操作，如扫描复制和照 相复制，但容易被破坏，仅适用于文档图像类。由此可知，空域算法虽然简单直接， 便于实现，但水印的抗攻击能力很差，水印信息的鲁棒性很弱。 2 变换域算法 变换域算法有别于空域算法，并不是直接在空间域中嵌入水印信息，而是通过相 应的变换将图像变换到频率域，然后通过改变其系数的方法来实现数字水印的嵌入。 目前比较完备的变换域算法包括离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 域算法、离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，d c t ) 域算法、离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ，d w t ) 域算法和直接序列扩频水印算法。 傅里叶变换是一种经典且有效的数学工具，它能够计算出角度和幅值的信息，在 信号处理领域已得到广泛利用，在水印领域也发展起来。d f t 算法充分利用了人类视 觉特性中对于相位敏感度很高的特性。最早将傅里叶变换引入到水印算法的是 o r u a n a i d h n 7 1 等人，其基本思想是从傅里叶变换系数中取一个函数f ( x ；y ) ，通过改变其 相位来实现数据( 水印) 的嵌入。 d c t 是基于实数的正交变换，由于其矩阵的基向量的特性与体现人类语言及图像 的相关特性的矩阵的特性很近似，所以d c t 常被当做是对语音信号和图像信号进行处 理的准最佳变换。二维d c t 变换是目前有损数字图像压缩( j p e g ) 系统的核心。最典 型的d c t 域算法是由c o x h 砌等人提出的，是一种基于d c t 变换的扩频水印技术，利 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 用了人类的视觉特性和序列的扩频技术，其原理是先选定重要的视觉系数然后再进行 修改。d c t 算法是目前研究最多、最成熟的水印算法。 小波变换可以看作是d f t 的延续和发展，它是时间和频率的局部交换，可以更加 有效的提取和分析局部信号。d w t 域数字水印算法的基本思想就是将图像进行多分辨 率分解，把原始图像分解为不同空间和频率的子图像。图像经过d w t 后被分割成低频、 水平、垂直和对角线四个频带，其中低频部分还可以根据需要进一步分解。在后续章 节中将详细介绍离散小波变换。 扩频水印算法是将扩频通信技术应用于数字水印中，其基本思想是将水印散布在 整个频谱，使其具有伪随机特性。 3 压缩域算法 随着水印技术的发展，基于j p e g 、m p e g 标准的压缩域水印系统节省了大量的解 码和编码过程，在数字电视广播中也有很大的实用价值。视频产品( v c d 、d v d ) 的 推出，使数字产品版权保护市场需求愈加迫切，因此，压缩域算法的研究也是当前水 印技术研究方向中的热点。 4 生理模型算法 人的生理模型是指人类听觉系统和人类视觉系统。这类算法的基本思想是通过人 的听觉或视觉系统来确认产品可以容忍的水印信号的最大强度，以便尽可能的减少破 坏听觉或视觉的质量。 5 n e c 算法 由c o x 等人n 蜘提出的n e c 算法的实现方法可以如下描述：先以密钥作为种子产生 具有高斯n ( 0 ，1 ) 分布的伪随机序列，其密钥一般是由图像和标识码的哈希值组成，然 后对图像做离散余弦变换，最后用生成的序列来调制( 叠加) 此图像除直流分量外的一千 个最大的d c t 系数。这种算法具有较好的透明性、安全性和鲁棒性。 以上介绍的这些算法并不是相互独立的，可根据不同的需求将这些算法有效的结 合使用，制作出比较实用的符合各种要求的数字水印系统。 2 1 4 数字水印的主要应用领域 数字水印出现的时间虽然不长，但其应用前景是广阔的。总的来说，这一技术有 以下主要的应用领域n 1 。 1 版权保护 随着互联网和电子商务的迅猛发展，数字化多媒体产品可以直接在网上购买下载， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 如何有效的保护产品的版权维护创作者的权益就成为一个非常关键的问题。在有了数 字水印技术后，数字产品的所有者将密钥产生的水印嵌入到原始数据，然后公布的作 品就是含有水印版本的作品。当出现版权纠纷或盗版侵权时，所有者可利用从出现纠 纷和盗版的作品中提取水印作为依据来保护自己的权益。因而用于该应用领域的水印 要求有较好的透明性、安全性、稳健性和水印嵌入的不可逆性。 2 标题与注释 将作品的标题、注释等内容作为水印嵌入该作品，如果出现侵权行为，只需要检 测水印信息便可以跟踪盗版。这种数字水印也可称为数字指纹。 3 内容认证 认证的目的是为了检测对当前作品内容的修改。为了便于检测，一般用易碎水印 来实现对作品的内容认证。这类水印对稳健性的要求是所有应用中最低的。 4 篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻等严肃的领域时，需要确定它们是否被篡改、 伪造或特殊处理过，为实现该目的，所用到的水印必须是脆弱的，并且检测水印信号 时，不需要原始数据。 5 操作跟踪 在这类应用中，数字水印可以记录下带水印产品在复制或其他操作过程中发生过 的每一步操作步骤，如果产品被滥用，所有者可以查明应该由谁负责。 6 使用控制 这类应用多见于多媒体发行体系，为从根本上防止人们制造非法副本，它不允许 未授权的媒体拷贝。 2 2 小波变换的基本理论 与d f t 变换一样，小波变换的基本思想是将带变换信号展开为一族基函数的加权 和，也就是用一族函数来表示( 或逼近) 信号或函数。而这一族函数是通过基函数的 伸缩和平移构成的。 2 2 1 连续小波变换 设x ( r ) 是平方可积函数，缈( f ) 指基小波或母小波函数，则 l 呢( 口，6 ) = 怫e x ( ，) 缈( ( t - b ) a ) d t 口 o 称暇( 巩6 ) 是信号x ( ，) 的连续小波变换，其中，妒( ，) 是妒( ，) 的复共轭， ( 2 - 6 ) 口 0 是尺度 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 函数，b r 是位移。由公式( 2 - 6 ) 可知，连续小波变换是把基小波函数缈( r ) 的共轭 先平移b 后，再在不同的尺度a 与待分析的x ( t 1 做内积。口是尺度函数，其作用是将基 本小波作伸缩，口越小，妒( 口) 越窄；口越大，妒( f 口) 越宽。1 口与角频率国等价。改 变a 就相应改变了小波分析的区间。 2 2 2 离散小波变换及m a l l a t 算法 在实现小波变换时，从减少信息的冗余度出发，常常需要将连续的小波变换进行 离散化。前面介绍的式( 2 - 6 ) 中的口、b 和f 均是连续变量，在将它们离散化时一般用 二进制离散的方法，即令口= 2 j , 0 ，z ；b = k t ，2 j , 互为时间采样间隔。此时小波函 数序列可以表示为 纺，女( ，) = 2 - i n 缈( 2 吖t - k ) ( 2 7 ) 任意函数x ( f ) 的离散小波变换可表示为 w t x ( ，k ) = 二x ( ，) p ( f ) 西 ( 2 8 ) 从理论上可以证明将连续小波变换离散成离散小波变换，信号的基本信息不会丢 失，相反由于小波基函数的正交性，使得计算的误差更小，变换结果中的时频函数更 能反映信号本身的性质。 1 9 8 7 年m a l l a t 乜将计算机视觉领域的多分辨思想引入了小波分析，提出了多分 辨分析( m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i s ，m r a ) 的理论，从空间的概念上形象地说明了小波 的多分辨特性，将在此之前所有小波变换理论统一起来。1 9 8 9 年，m a l l a t 在小波变换 l v l r a 理论应用于图像处理的研究中受到塔式算法的启发，提出了信号的塔式m r a 分 解与重构的快速算法，即著名的m a l l a t 算法。这一算法在小波分析中的地位相当于快 速傅立叶变换( f f t ) 在经典傅立叶分析中的地位口羽。对于一维信号的离散小波多分辨分 析，m a l l a t 分解算法可以用式( 2 - 9 ) 表示： f q ，。= 硪q 扎七 1q 。：圭g 柚。q “。( 2 - 9 ) l 舯 m a l l a t 重构算法可以用式( 2 1 0 ) 表示： q + 1 。= ( 埘q 。+ 硪d j ，。)( 2 - 1 0 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，序列 q 。) 和 q ，。) 可分别由序列 q 扎。) 通过数字滤波器 h ) 和 g ) ，并对输出做偶数点抽样得到位鲫。这一过程可用图2 - 4 中的( a ) 图表达，图中 的分解低通滤波器 h ) 和分解高通滤波器 g ) 分别由h 和g 表示；通过低通滤波器得到 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 的是近似序列( 信号) ，通过高通滤波器得到的是细节序列( 信号) 。式( 2 - 1 0 ) 表示的 重构算法可用图2 - 4 中的( b ) 图来表达，图中的表示重构低通滤波器，g 表示重构高 通滤波器，向上的箭头表示上采样( 补零) 。 ( a ) 分解算法( b ) 重构算法 图2 4m a l l a t 算法 如果需要，可以根据具体情况对信号进行多级( 多次) 分解，最后保留的数据包 括：最低一级的近似序列( 低频信号) 、最低一级细节序列和所有高级细节序列。 将一维小波推广至二维空间，就可以用于对图像的分解和重构；二维m a l l a t 算法 在图像处理中有着很广泛的应用，图2 - 5 所示即二维m a l l a t 小波的分解。 图2 - 5 二维m a l l a t 小波分解 图中l l 表示低频信号( 近似信号) ，l h 表示水平低频垂直高频信号，h l 表示水 平高频垂直低频信号，h h 表示水平高频垂直高频信号，l h 、h l 、h h 都属于边缘细 节分量。对图像来说，m a l l a t 分解算法构成了对它的多尺度的时频分解，如图2 - 6 所示， 是对w o m a n 图像的两个尺度的分解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 l l 2 l h 2 u j l h l h l 2h h 2 h l l h h 1 图2 - 6 对w o m a n 图像的两层m a l l a t 小波分解 作为一种优秀的时频分析的优秀工具，小波变换已经获得了广泛的应用，但是在 许多应用场合也存在一些不足之处：对信号长度有严格的要求、无法实现信号的无损 恢复、计算复杂、对内存需求大以及不适合硬件实现陋引。这些局限性已经限制了小波 变换的使用，为了克服这些缺陷必须寻找一种新的小波变换方法。 2 2 3 提升式小波变换及整数小波变换 提升方案瞳5 3 是s w e l d e n s 等学者于上个世纪九十年代中期提出的，基于此方案的小 波称为第二代小波。相比于传统小波，提升小波所有的运算都是在空间域实现的，而 且容易实现快速算法。采用提升方案实现小波滤波具有节约存储空间、结构简单、运 算速度快和能实现整数小波变换的优点。其基本过程可以分为三个环节：分裂、预测 和更新。 分裂( s p l i t ) 分裂是指将原始信号x ，序列分裂成两个互不相交的子集c ，- l 和d ，- l ， 它们分别代表信号的低频部分和高频部分。一般是将序列分裂为奇偶两个部分，即 印z 打( 一) = ( k ，x o = ) - - ( c j 州d j 一。) ( 2 1 1 ) 预测( p r e d i c t ) 预测是指利用数据的相关性用偶数序列c ，- 1 ( 置) 去预测奇数 序列d 一( k ) ，其主要作用是消除s p l i t 后留下的冗余。即只需要采用一个与原始 信号无关的预测算子p ，使得细节信号d ，可以通过偶数序列k 。得到，如式( 2 1 2 ) 所示 d ，= 义一尸( 五。) = d j 一，一尸( e ，1 ) ( 2 1 2 ) 更新( u p d a t e ) 更新是利用高频系数乘上更新系数u ，再与偶数部分之和，从而 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 得到低频系数q ，其目的是为了保持原始信号的某些整体特性。表达式如式( 2 1 3 ) 所示 q - - x 。, e n + u ( q ) ( 2 - 1 3 ) 以上介绍的是分解过程的三个环节，其逆过程( 即重构) 也有三个步骤：反更新、 反预测与合并( m e r g e ) 。其分解过程和重构过程如图2 二7 所示。 ( a ) 分解( b ) 重构 图2 7 提升小波算法的分解和重构原理图 在传统的小波变换中，相应的小波变换系数都是实数；而实数变换系数需要浮点 存储，这将需要更大的空间，对于小波变换应用于图像压缩时会产生一定的限制。因 为数字图像一般都是用整数表示，因此希望图像矩阵的小波系数能是用整数表示的， 因而产生了一种将整数序列映射到整数小波系数的整数小波变换。其中最简单的方法 是在提升小波算法的预测p 和更新u 的步骤中加入取整运算，即可得到整数小波变换。 整数小波变换同样是分为分裂、预测和更新三个环节，用公式表示时，分裂步骤不变 如式( 2 1 1 ) 表示，预测和更新可用( 2 1 4 ) 表示，其中ii 代表取整。 骺芝节刹 协 iq = k + i 【，( q ) l “ 2 2 4 边界处理 将以上介绍的d w t 和提升式d w t 分解和重构算法应用于信号处理时就必须解决 边界问题，因为实际信号总是以有限长序列的形式给出的。在后续的章节中对图像数 据做提升d w t 时，也需要对边界数据进行延拓，常用的边界延拓有以下几种方法乜3 1 。 1 补零延拓 补零延拓是直接假定边界之外的信号全部为零，这是最简单的处理方法。但是这 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 种延拓方式将使得分解过程的数据总量增大，而且在边界处会产生很大的阶跃变化， 会造成令人难以接受的视觉效果。因此，在图像处理中很少采用补零延拓。 2 简单周期延拓 这种延拓方法是以序列的长度为周期进行延拓，得到一个周期序列，它克服了补 零延拓数据总量增大的缺点，但周期序列的边界处仍然存在周期性的剧烈突变( 当信 号两端边界值相差很大时) ，因此在图像应用中也较少采用。 3 对称周期延拓 对称周期延拓有两种形式，第一种是边界值重复的对称周期延拓，如图2 8 ( a ) 所示。 这种延拓方式在延拓时将重复原信号的边界值。另外一种是以边界点为对称中心的对 称周期延拓，如图2 - 8 ( b ) 所示。这两种延拓方式不论原信号的两个边界值有多大差异， 都可以克服边界值突变的问题，本文采用的是第二种对称周期延拓方式。 c) c ) () ) ( i) o 下彳了。(订 9 l l il a ) 边界值重复的 2 3 本章小结 j ， j 、 ， c ) c ： ) c) 9 | 9 9 甲 | f 1 l l r 图2 - 8 对称周期延拓 b 1 以边界点为对称中心 这一章主要介绍了数字水印的基本概念、应用和算法，详细介绍了小波理论和提 升格式的小波变换算法，同时对信号的边界延拓作了简要的概括。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章基于5 3 d x 波提升变换f l , f p g a 设计 3 1f p g a 简介 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , 现场可编程门阵列) 是从可编程阵列逻辑 ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ，p a l ) 、通用阵列逻辑( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，g a l ) 等逻辑 器件发展起来的可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) ，结合了超大规模 集成电路的单片集成和可编程逻辑器件设计灵活、周期短等的优点，是一种配置可由 用户自行定义的高密度的专用集成电路，设计更加灵活和易实现，已成为一类标准的 产品5 4 1 。 3 1 1f p g a 设计方法和流程 传统的设计方法是以固定功能元件为基础，采用自下而上( b o t t o m u p ) 的设计方 式。这种设计方法思想上有一定的局限性，需要依赖设计师的设计经验，到后期的仿 真不容易实现，当出现问题时调试起来非常复杂，整体设计时灵活性较差、效率低下嘲1 。 文中采用的是现在数字集成电路设计中常用的自上而下( t o p d o w n ) 的设计方法。这 种方法将整个系统共分解成各个子系统和模块，逐步细化，这样经过逐层分解后的系 统便于电路的设计和实现，降低了硬件电路的设计难度。图3 1 给出了f p g a 设计的 典型的开发流程。 图3 1f p g a 设计的开发流程 f p g a 的设计流程一般分为电路设计与输入、设计综合、功能仿真、实现与布 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 局布线( 适配) 、时序仿真和加载配置在线调试六个步骤。 1 电路设计与输入 电路设计与输入是指通过规范的描述方式，将设计者的电路构思输入到相应的软 件的过程。常用的设计输入方式有两种：文本方式( 硬件描述语言方法) 和原理图输 入方式。其中原理图输入很直观，便于用户理解，用于模块化结构更方便，但是可维 护性较差；硬件描述语言( 玎) l ) 输入可移植性强，通用性好，能描述和仿真比较复 杂的逻辑设计。常用的硬件