The realization of digital watermarking based on FPGA

程前 1 ，董長旭 1 ，廖媛媛 2
（1.電子科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610000；
2.電子科技大學(xué)，通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都 610000）

       摘要：數(shù)字水印技術(shù)在信息安全、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和認(rèn)證等領(lǐng)域有著重要的功能和地位。本文基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），通過流水線設(shè)計，乒乓緩沖和分布式算法，實(shí)現(xiàn)8×8矩陣的二維DCT變換，充分利用FPGA的查找表（LUT）和塊RAM（BRAM）資源，實(shí)現(xiàn)載體圖像的快速DCT域變換。原始水印圖像通過Arnold變換進(jìn)行置亂，并與Logistic映射的混沌序列選擇合適的水印信息嵌入點(diǎn)。最后通過不同的水印攻擊來驗證本系統(tǒng)的
隱蔽性和魯棒性。
       關(guān)鍵詞：水印圖像；二維DCT；分布式算法；Arnold置亂；混沌序列
       0 引言
　　隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字媒體通信在信息交流中得到了廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)信息交換之間的安全和加密等問題引起了高度重視^[1]，保證信息不被非法利用和破壞也變得越來越重要。圖像數(shù)據(jù)可承載比文字更多的內(nèi)容，成為信息傳遞的重要途徑。傳統(tǒng)的加密方法主要針對數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行保護(hù)，而不能完全解決接收解密后的安全性問題，而利用信息隱藏技術(shù)通過在公開的載體信息中插入隱藏的機(jī)密信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了信息的安全隱秘傳輸^[2]。

　　數(shù)字水印技術(shù)可以廣泛用于信息安全、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和認(rèn)證等領(lǐng)域，其通過某一種水印算法，實(shí)現(xiàn)將包含機(jī)密信息的水印圖像隱藏在傳輸?shù)妮d體圖像中，而數(shù)據(jù)接收方則通過專用解密方法提取水印信息，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)安全提取和傳輸^[3]。
　　1 圖像水印實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體方案

　　本系統(tǒng)分為水印嵌入和水印提取兩個模塊，實(shí)現(xiàn)將水印圖像嵌入載體圖像后提取加密水印，整體框架圖如圖1所示。
　　2 水印嵌入模塊

　　水印嵌入模塊選擇在空間域或變換域進(jìn)行水印圖像嵌入載體圖像。首先將200×200的二值水印圖像進(jìn)行置亂處理后，利用混沌序列在800×800載體圖像中選擇合適的水印嵌入位置，在制定的嵌入規(guī)則指導(dǎo)下進(jìn)行水印的嵌入。本系統(tǒng)的水印嵌入模塊主要包括DCT變換模塊、Arnold置亂模塊、混沌序列模塊等。
　　2.1.1 二維DCT變換模塊

　　最初的數(shù)字水印算法是基于空間域?qū)崿F(xiàn)，是在嵌入規(guī)則下直接實(shí)現(xiàn)水印圖像嵌入。雖然空間域嵌入可實(shí)現(xiàn)高速變換并降低系統(tǒng)復(fù)雜度，但是難以實(shí)現(xiàn)較好的魯棒性和不可感知性。變換域是指通過某一算法，常見的包括離散余弦變換（DCT），離散傅里葉變換（DFT），離散小波變換（DWT）等，將載體圖像變換到頻域進(jìn)行水印圖像的嵌入，這樣可實(shí)現(xiàn)高魯棒性，高安全性的水印不可感知嵌入系統(tǒng)。因為DCT變化是圖片JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)，所以本系統(tǒng)選擇在DCT域進(jìn)行水印嵌入，實(shí)現(xiàn)高抗JPEG壓縮攻擊性^[4]。

　　本 系 統(tǒng) 選 擇 對 8 0 0 × 8 0 0 的 載 體 圖 像 進(jìn) 行8 × 8 矩 陣 分 塊 后 ， 形 成 x(i,j) 0 ≤ i < 8, 0 ≤ j < 8的矩陣數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)過二維DCT得到變換結(jié)果X(m,n) 0 ≤ m < 8, 0 ≤ n < 8 ，二維DCT的公式如下：

　　其中0≤m , n≤7，尺度因子。

　　二維DCT運(yùn)算算法十分復(fù)雜，若用組合邏輯實(shí)現(xiàn)將大大影響系統(tǒng)的時序性能，本系統(tǒng)利用其可分解性質(zhì)，對8×8矩陣每行首先進(jìn)行一維DCT變化，然后對變換結(jié)果每列進(jìn)行一維DCT即可得到二維DCT變換結(jié)果，具體操作步驟如下：一維DCT變換公式可以表示為矩陣形式：對于二維DCT變換，其公式可以用矩陣表示為：更進(jìn)一步，可以將二維DCT變換分解:為了得到更快的工作頻率，本系統(tǒng)選擇通過流水線設(shè)計改善其時序性能，提高計算效率。緩存時加入乒乓操作改善輸入速度和輸出速度差距過大的問題，巧妙設(shè)計時序增加資源利用率。由于dct模塊和轉(zhuǎn)置ram只例化一次，實(shí)現(xiàn)最小資源耗費(fèi)。一維DCT算法基本操作即為8×8矩陣相乘，需要大量的乘累加運(yùn)算，占用FPGA的專用乘法器資源，所以為了實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化，本系統(tǒng)通過分布式算法，將一維DCT的系數(shù)矩陣C 8×8 與輸入數(shù)據(jù)可能的運(yùn)算結(jié)果事先存儲在FPGA的BRAM資源中，利用真正的輸入行/列數(shù)據(jù)產(chǎn)生地址進(jìn)行讀操作即可正確實(shí)現(xiàn)一維DCT運(yùn)算。最終本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100個周期內(nèi)完成一次完整的兩個8×8矩陣的DCT變換（IDCT同理）。
　　 2.1.2 Arnold置亂模塊

　 　水印圖像的置亂操作，簡單來說就是將所有像素按照一定規(guī)則實(shí)現(xiàn)重新排序，使得圖像成為雜亂的不可識別圖像，從而隱藏水印信息，本質(zhì)上就是對水印圖像的加密 [5] 。置亂后的水印圖像可以降低噪聲或者攻擊的影響，提高水印信息的魯棒性和抗攻擊性。本系統(tǒng)采用Arnold置亂對水印圖像進(jìn)行處理，通過FPGA將32位200×200的原始水印圖像進(jìn)行置亂。模塊將水印信息原存儲地址經(jīng)過置亂后，得到Arnold存儲器地址后將水印信息重新存入。
　　地址變換是將水印圖像原地址（x,y）處的像素點(diǎn)移動至變換后的位置（x’,y’），其中位置變換公式為：x’ = (x + y) / 200，y’ = (x + 2y) / 200。

　　同時Arnold置亂具有周期性，通過仿真發(fā)現(xiàn)圖像的置亂周期為150，即經(jīng)過150次置亂后得到原圖像，所以在水印嵌入模塊進(jìn)行N Arnold 次置亂后，在水印提取模塊進(jìn)行150-N Arnold 次置亂即可恢復(fù)水印圖像。
　　本系統(tǒng)的Arnold置亂模塊利用上述公式，對水印圖片的行/列地址進(jìn)行置亂。首先將輸入的水印圖像信息按行的順序串行輸入并進(jìn)行N Arnold 次Arnold置亂，利用遞減循環(huán)操作進(jìn)行置亂地址的200減法求余運(yùn)算，最終得到完成Arnold置亂的水印圖像，圖3的原始水印圖像經(jīng)過90次Arnold置亂后得到圖4所示的置亂水印圖像。
　　 2.1.2 混沌序列模塊

　 　混沌現(xiàn)象非周期，不收斂，有界且對初值敏感，是非線性動態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定的類似隨機(jī)過程，可以容易地生成很多非相關(guān)、類隨機(jī)的確定再生信號。
　　映射是廣泛應(yīng)用于混沌系統(tǒng)中的一個非線性方程 [6] ，公式如下：其 中 x， μ 是 分 支 系 數(shù) ， 且3.5699456≤μ≤4時，Logistic映射工作于混沌狀態(tài)，本系統(tǒng)選擇μ=3.875，初始值x 0 =0.621，在基于FPGA設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)盡可能避免小數(shù)操作，所以將μ右移3位得到U=31，初始值x 0 右移8位得到x 0 =159。輸入初值進(jìn)行Logistic映射時，按照x i+1 =U×X i (1-X i )運(yùn)算，得到的值x i+1 左移11位即可得到0~1之間的混沌序列。

　?。?）嵌入規(guī)則

　 　本系統(tǒng)設(shè)計為盲水印算法，即在水印檢測過程中時，只需要密鑰而不需要原始數(shù)據(jù)的參與。在水印嵌入過程中，引入了混沌序列作為水印嵌入點(diǎn)選擇的條件。
　　由于混沌序列本身具有初值敏感性特性（即初值不同產(chǎn)生的序列完全不同），因此，引入混沌序列作為密鑰將進(jìn)一步提高算法的隱蔽性。
　　DCT 域8×8矩陣中的頻域系數(shù)進(jìn)行編號得到順序排列表，且表從左上角到右下角代表著從圖像的低頻部分到高頻部分，如下表1所示。
　　根據(jù) Waston 模型的頻率敏感度特性，同時考慮圖像進(jìn)行JPEG壓縮后圖像質(zhì)量不出現(xiàn)明顯降低，本系統(tǒng)選擇在中頻系數(shù)選擇合適的像素點(diǎn)，基于加法水印嵌入規(guī)則將200×200的水印圖像嵌入800×800的載體圖像，即可劃分為將4個水印圖像信息嵌入8×8載體圖像矩陣中，同時基于嵌入規(guī)則在可選4個像素點(diǎn)中選擇嵌入1個水印信息，嵌入比為1/16，因此為了嵌入所有水印信息，需要在8×8的載體圖像矩陣中選擇4組16個像素點(diǎn)。綜合考慮，本文選擇Zigzag 表中編號為19、20和 8、10 ，9、11和12、14 , 13、15和17、21 , 16、18和22、23這4組像素點(diǎn)進(jìn)行水印圖像嵌入。最后根據(jù)上述置亂后的水印信息W，混沌序列值為X，每組像素點(diǎn)的系數(shù)分別為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，最終選擇一個合適的a值實(shí)現(xiàn)加法嵌入規(guī)則得到最終的像素點(diǎn)F0：

　 　如果 X = 1，W = 1：若 F4 < F3，則F0 = F3+a，否則F0 = F4+a；

　 　如果 X = 1，W = 0：若 F4 > F3，則F0 = F3- a，否則F0 = F4 -a；

　 　如果 X = 0，W = 1：若 F2 < F1，則F0 = F1+a，否則F0 = F2+a；

　 　如果 X = 0，W = 0：若 F2 > F1，則F0 = F1- a，否則F0 = F2-a。

　?。?）系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

　　 將800×800載體圖像和200×200的水印圖像轉(zhuǎn)化成二值數(shù)據(jù)傳入本系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖5（a）（b）
　?。╟）（d）所示，可以發(fā)現(xiàn)嵌入水印后的圖像與載體圖像并沒有視覺上的失真，具有良好的水印不可見性，同時在未受攻擊時，水印圖像具有很好的隱蔽性。
　　 對嵌入水印后的載體圖像分別進(jìn)行1/4裁剪攻擊，方差 0.01的高斯加噪攻擊和馬賽克攻擊后提取水印信息來驗證本系統(tǒng)的魯棒性，攻擊方法如圖4（e）（g）（i）所示，結(jié)果如圖4（f）（h）（j）
　 　所示，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過三種水印攻擊后，本系統(tǒng)仍舊可以提取水印信息，且通過仿真知，抵抗剪裁攻擊后的相關(guān)系數(shù)NC=0.7464，抵抗高斯噪聲后的相關(guān)系數(shù)NC=0.9998，抵抗馬賽克攻擊后的相關(guān)系數(shù)。

　 　3.2 硬件速度與資源使用情況

　 　通過仿真圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)在經(jīng)過時序優(yōu)化后，完成一次圖片處理小于1 ms，可在頻率下正常工作，并實(shí)現(xiàn)100 ms內(nèi)完成100個水印圖像嵌入操作。FPGA硬件使用資源如圖5（b）所示，除IO接口外使用的資源不足FPGA開發(fā)板資源的1%。
　　4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)在全國大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，適用于參賽題目“華為云杯-圖片水印實(shí)現(xiàn)”，最終獲得西南分賽區(qū)一等獎，全國總決賽三等獎。本系統(tǒng)將繼續(xù)在架構(gòu)上對二維DCT變換模塊進(jìn)行優(yōu)化，在保證功能的同時，降低FPGA的IO接口資源使用率。

　　參考文獻(xiàn)：
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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第76頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處