基于DCT域的图像数字盲水印算法设计及硬件实现

论文摘要

近年来,半导体技术不断发展,CMOS图像传感器以其集成度高、成本低、功耗低、设计简单等优点,在卫星遥感、视觉监控、工业检测、军事侦察、医疗诊断等许多领域取得了越来越广泛的应用。随着集成电路工艺尺寸的缩小,越来越多的图像处理功能被集成到CMOS图像传感器上,这使得数字水印技术作为图像处理功能的一部分与CMOS图像传感器的结合成为可能。本文提出了一种用于图像和视频版权保护的基于DCT域的数字盲水印算法,并对该算法进行了硬件实现。在分析了CMOS图像传感器的发展趋势及数字水印技术的发展历史和现状的基础上,本文阐述了将水印算法硬件实现并与CMOS图像传感器结合的可行性与必要性。本文详细介绍了数字水印技术的基本原理、特征和分类,分析了基于DCT域的水印算法的原理、优势和评价标准,并提出了一种盲水印算法。该算法基于DCT,通过对DCT域中中频系数的修改来嵌入水印,以达到保护图像和视频版权的目的。采用了CMOS图像传感器的固定模式噪声作为水印置乱的密钥,将水印与CMOS图像传感器绑定,具有更高的安全性。经验证,该算法具有较好的不可感知性和鲁棒性,嵌入水印后载体图像质量不会受到很大影响,经过一般攻击后仍能提取出水印信息。然后,对FDCT、IDCT和本文提出的水印嵌入算法进行了硬件实现。FDCT和IDCT采用行列分解法,一维变换采用W.H.Chen快速算法,运算量大大减少。采用多级流水结构,能够满足数据实时性处理的要求。将水印嵌入模块嵌入到FDCT电路中,充分利用FDCT电路数据转置输出的时间,减少了数据的延迟时间,使FDCT电路的输出数据即为嵌入水印后的频域系数。对电路进行了功能仿真和逻辑综合,并在由CMOS图像传感器、硬件开发板和上位机软件组成的硬件验证平台上进行了FPGA验证,经调试能够正常工作,输出的含有水印的图像质量良好,并且能够提取出清晰的水印图像。对电路进行了ASIC后端设计,采用Chartered 0.18μm工艺进行流片。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 CMOS图像传感器的发展现状
• 1.1.2 数字水印技术的发展历史
• 1.2 课题主要研究内容和方向
• 1.3 论文章节安排
• 第二章 DCT原理及硬件电路设计
• 2.1 DCT简介
• 2.2 DCT原理及算法
• 2.2.1 1D FDCT/IDCT定义
• 2.2.2 2D FDCT/IDCT定义
• 2.2.3 行列分解法
• 2.3 1D FDCT/IDCT快速算法
• 2.3.1 1D FDCT快速算法
• 2.3.2 1D IDCT快速算法
• 2.4 FDCT/IDCT硬件电路设计
• 2.4.1 FDCT/IDCT总体结构
• 2.4.2 转置RAM
• 2.4.3 1D FDCT运算单元
• 2.4.4 1D IDCT运算单元
• 2.4.5 常系数乘法器
• 2.5 FDCT/IDCT电路时序分析与功能仿真
• 2.5.1 FDCT/IDCT电路时序分析
• 2.5.2 FDCT电路功能仿真
• 2.5.3 IDCT电路功能仿真
• 第三章 基于DCT域的图像数字盲水印算法及其硬件实现
• 3.1 数字水印技术简介
• 3.1.1 数字水印的基本原理
• 3.1.2 数字水印的基本特征
• 3.1.3 数字水印的分类
• 3.1.4 针对数字水印的攻击手段
• 3.2 针对图像的DCT域数字水印算法
• 3.2.1 用于图像和视频版权保护的数字水印的基本要求
• 3.2.2 针对图像的典型数字水印算法
• 3.2.3 变换域水印算法的优势
• 3.2.4 DCT域水印算法原理
• 3.2.5 人类视觉系统与基于DCT域的Watson模型
• 3.2.6 针对图像的数字水印算法的评估方法
• 3.3 本文提出的DCT域水印算法及其验证
• 3.3.1 算法基本思想
• 3.3.2 水印图像的置乱
• 3.3.3 水印的嵌入
• 3.3.4 水印的提取
• 3.3.5 水印算法的验证方案
• 3.3.6 水印算法的性能验证
• 3.3.7 水印算法的抗攻击性验证
• 3.4 本文提出水印算法的硬件电路设计及功能仿真
• 3.4.1 水印嵌入算法硬件电路总体结构
• 3.4.2 水印嵌入模块
• to_YCbCr模块和YCbCr_to_RGB模块'>3.4.3 RGB_to_YCbCr模块和YCbCr_to_RGB模块
• 3.4.4 水印嵌入模块的功能仿真
• 第四章 水印算法硬件电路的FPGA验证
• 4.1 硬件验证平台的搭建
• 4.1.1 验证平台的构成
• 4.1.2 验证平台的数据流动
• 4.2 水印算法硬件电路的综合及FPGA验证效果
• 第五章 水印算法硬件电路的后端设计
• 5.1 逻辑综合
• 5.1.1 设计约束
• 5.1.2 IP模块的调用
• 5.1.3 综合结果
• 5.2 布局布线
• 5.2.1 布局布线流程
• 5.2.2 布局布线结果
• 5.3 静态时序分析和形式验证
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢