DCT域数字水印算法的FPGA实现

1 引言
    随着计算机网络和数字通信技术的迅速发展，数字技术使数字多媒体(数字视频、数字音频、数字图像等)的传输与复制变得非常容易，但却增加了多媒体信息被非法盗版的机会。数字作品的版权保护成为一个急需解决的难题，已引起学术界与企业界的广泛关注。
    数字水印技术是一种最近发展起来的新技术，用于数字产品认证和保护。大多数水印算法采用软件实现。软件实现具有易于应用、升级和适应性较好等特点，但存在速度受限、难以满足实时处理的问题。而采用硬件实现则可以克服这些问题。
    现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray)是一种设计灵活、开发速度快的现场可编程逻辑器件。与DSP相比，FPGA具有以下主要优点：速度快，内置高速乘法器和加法器；高档 FPGA中含有巨量高速存储器，速度更快，电路更简单；FPGA硬件可编程，使得硬件更简单和小型化。文献[l]利用FPGA实现小波变换，文献[2- 3]利用FPGA实现一种高速DCT处理器件。在此基础上，利用FPGA设计基于DCT域的数字水印算法，DCT变换是该数字水印方案的关键单元之一。采用硬件描述语言VHDL(Very HighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language)有效设计和仿真DCT变换。

2 图像水印算法
    这里设计的图像水印算法是依据文献[4]算法提出的。该算法是在充分考虑人眼视觉特性的基础上，应用一种新的图像分类算法，结合Amold置乱变换，提出的一种基于图像分类的自适应水印算法。图1为图像水印算法框图。

    具体算法步骤如下：
    (1)设水印信号为w，对其进行n次Arnold置乱变换，记为wi,n作为密钥由水印嵌入者保管，然后将wi进行行堆叠或列堆叠变成一维水印序列wt，这里采用行堆叠。
    (2)将原始图像I分成m个互不重叠的8×8的子块fk(x，y)，对每个子块进行DCT变换得Fk(u,v)。
    (3)将图像块分成3类，即平滑区、边缘区、纹理区。依据分类结果为每一类指定一个强度因子αi(i=1，2，3)，为使水印具有更好的鲁棒性和透明性，这里借鉴文献[5]的思想，利用部分DCT低频系数嵌入水印，将水印信号依次叠加到Fk(u，v)的4个低频系数中，即：

  
    式中，4k≤t<4(k+1)，k=0，1……m-1；αi为强度因子。平滑区、边缘区、纹理区的α取值均不相同。
    (4)对所得结果进行DCT逆变换，再将所有子块合并为整幅图像，得到含水印的图像。
  

3 数字水印方案的设计
    根据上述图像水印算法，设计FPGA实现的总体结构。按照自顶向下(Top-to- Down)的设计方法，将总体设计划分为一维DCT单元、外部存储单元和控制单元(由一个有限状态机FSM(finite system machine)控制)。图像数据从外部(如PC机)按行进入一维DCT单元，数据处理后存入存储单元：然后再对该中间数据按列进行一维DCT变换。得到二维处理结果并存入存储单元。控制单元按上述步骤进行图像处理，并产生地址数据、enable信号等。图2为其总体结构图。

3．1 2D-DCT结构
    对于一个大小为N×N的像素块，假设x(i、j)为输入的像素点阵数据，其二维DCT变换公式为：

  
    式中，C为带余弦基本函数的变换系数矩阵，CT为C的转置。
    从式(3)和式(4)可看出，2D-DCT变换是可分离的，它可分裂为串联的2次一维变换。所以可连续进行2次一维DCT变换实现一幅图像的2D- DCT。2D-DCT的结构框图如图3所示。首先将图像数据按行输入一维DCT单元进行行变换，变换后的数据存储到转置缓冲器，以进行行列转换，转换后的数据再按列输入一维DCT单元进行列变换。变换完成后的数据输出到PC机添加水印。

3．2 控制单元
    控制单元控制存储单元和运算单元，其主要功能：产生存储器的控制信号，控制双端口RAM的运行；产生存储器的读写地址和控制运算流程等。

4 实验结果
    在整个电路设计过程中，首先进行计算机Matlab仿真，验证算法的正确性，然后以Xilinx公司的ISE9．1i可编程逻辑器件开发系统作为开发工具，采用可综合的VHDL语言描述DCT变换设计。使用Xilinx Spartan3 XC3S200完成整个电路设计，Spartan3系列器件嵌有18 bit×18 bit补码乘法器和大量RAM块，非常适合DCT变换。在Xilinx公司集成设计环境ISE9．1i下，选用XC3S200-4FT256器件实现综合和仿真，综合后最高时钟频率达98．592 MHz。并对布局布线后的设计用Mentor Graphics公司的Modelsim SE6．1f进行仿真。表1给出2D-DCT变换时FPGA器件的使用情况。

    器件的功能引脚示意图，如图4所示。其中，xin(7：0)为待转换的8位数据输入端，CLK为时钟信号输入端，RST为复位端，dct_2d(11： 0)为12位的DCT转换结果，rdy_out是转换结果就绪指示。DCT变换的逻辑功能如图5所示的时序仿真波形。

5 结论
    设计和实现一种基于DCT域的数字水印算法。DCT变换算法的实现是该设计中数字水印方案的关键算法之一。重点采用FPGA对水印算法DCT变换进行设计和仿真实验。实验结果表明该方案利用FPGA实现水印算法比用软件实现法速度更快，性能更稳定。