基于FPGA的實時數字視頻水印設計與實現

辜寂　田鳳　王婷　孫鈺坤　陳昊　李珂旭　崔巖松

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

關鍵詞： 數字圖像處理;數字水印;FPGA

中圖分類號： TP391.41? ?文獻標識碼： 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的實時數字視頻水印設計與實現[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、人工智能等技術的持續性快速的發展，多媒體通信日益成為人們進行信息傳遞的主流工具，由此引發的信息安全問題逐漸成為人們關注的重點。近些年數字產品的版權糾紛問題層出不窮，如何有效保護數字產品的版權以及認證數字信息的真偽成為數字信息領域亟待解決的問題[1-3]。

現在市面上已經存在很多基于PC機的軟件程序可以實現對圖像進行水印加密處理，但是由于軟件程序很容易被破解與攻擊，從而無法保證數字圖像水印處理的安全性與魯棒性。因此近十年國內外已經有很多學者實現了基于硬件的對靜態圖像進行水印處理的方案從而達到保護圖像版權的目的，這些基于硬件的數字圖像水印處理系統大多以芯片攜帶信息的方式實現，有效提高了數字圖像處理的安全性能，同時便于繼承，方便攜帶，正在被廣泛應用于銀行信息認證、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據的載體而言以上兩種方式都無法滿足對視頻水印進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字圖像水印處理方法與流程，加快了基于硬件的數字圖像水印處理速度，達到了對視頻載體進行實時同步地數字圖像水印處理的要求，并可實現在不同視頻播放環境下對水印的盲檢測，為數字視頻的版權保護以及信息認證提供了有效的解決方案。

1? 系統模型與原理

（1）水印預處理

將要嵌入視頻源的二值數字圖像水印進行多步置亂，將二值水印映射成經過DCT變換后的分塊矩陣，在分塊矩陣的中頻區域根據二值水印序列信息對應嵌入偽隨機序列，最后將分塊矩陣進行IDCT變換，得到基于DCT變換的映射水印信息塊[5]。

（2）二值水印數據傳輸

將二值數字圖像水印置亂后的200*200數值序列通過UART接口傳送到開發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行像素對應疊加并進行合塊處理。

（4）圖像傳輸

將視頻源通過HDMI接口傳入開發板圖像處理單元進行數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行分析，檢驗其不可見性和魯棒性。

（1）JPEG壓縮攻擊實驗結果

Q為品質因子，Q越大表示對圖像的損害越小。從圖13和圖14可以看出當對含水印的視頻圖像進行Q從10到100的JPEG壓縮時的PSNR和NC值，結果說明，圖像質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可以看出當對含水印的視頻圖像進行δ從0到0.01的噪聲壓縮時的PSNR和NC值，結果說明，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? 實驗結果

3.1? 實驗結果及分析

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，為此在我們的設計中，設置一個重要的參數——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，則由于硬件對數據的處理造成的誤差，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果。

為了驗證水印算法的通用性，我們選取了色調和細節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，我們發現嵌入水印后圖像基本上沒有發生改變，達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，具體結果如下。

對比以上三幅圖，我們發現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，基本上達到了我們可隨時修改水印圖像的目標。

3.2? 實驗創新點

前人所做的工作都是利用硬件對于靜態圖像進行數字水印的實時嵌入，鮮有對于視頻的相關操作。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勢，對于視頻和靜態圖像的處理均能夠達到實時性的處理要求[13-15]。

此外，對硬件的使用操作的技術門檻比較高，通過加密等手段可使得內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。未來可內置于相機等攝錄設備，作為版權保護及真實性認證的重要手段。

4? 結論

本文設計了一種數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開發板上設計實現了實時數字水印嵌入系統。根據仿真測試結果和硬件測試結果可以看出，設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行水印加密，相比現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、更大的并發請求以及更低的TCO。上述結果表明，所設計的算法和硬件系統為數字視頻水印的嵌入提供了較好的解決方案。

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