基于SOPC数字图像水印的实现

论文摘要

多媒体处理技术和网络技术迅速发展,使得数字产品在互联网上传播越来越普遍。同时对版权归属问题也产生了极大挑战,比如数字媒体(数字音频,文本,图像和视频)的原版受到非法拷贝处理等,这样严重损害了原创作者权益。为此,本文在业界热门的数字水印技术上进行了研究。简言之,数字水印技术(Digital Watermarking)就是在不影响原始数据正常使用的情况下嵌入防伪信息,并且该信息不易被剔除,只能由专门的水印提取算法才能检测并提取其信息。数字水印作为保护数字多媒体信息安全的有效方法,已经成为多媒体信息安全领域研究的重点并引起了人们极大的关注和研究。另外,集成电路技术的发展也极为迅速,FPGA(Field Programmable Gata Array)芯片制造技术更加凸现其优势,使得集成度更高处理能力更强。从而使FPGA在复杂电路设计方面更具优势,也备受用户青睐。本文利用FPGA可编程特点,设计并实现了数字水印嵌入系统。针对位图,数字水印嵌入系统是在其DCT域内进行水印嵌入的,先对数字图像进行分块处理,然后选择DCT的中频系数部分作为水印信息的载体,针对JPEG图像则是通过解码器先解码然后在数据域嵌入水印。该系统硬件部分主要完成二维DCT、IDCT及JPEG解码,这样就可以通过硬件电路实现复杂的运算,极大地提高了系统运算速度。该系统的软件部分主要实现水印信息的嵌入及SD卡的读写,这样可以灵活地更新算法并且缩短开发周期。本文介绍了数字水印技术和FPGA技术的发展现状,研究了典型的数字水印算法及其应用领域。结合已有的数字水印算法并分析其不足,整合出一种新的算法,该算法与已有的算法相比其在数字水印不可见性方面有了很大的改进。在系统硬件架构方面,介绍了片上可编程系统(SOPC)设计方案及开发流程,详细论述了本系统的硬件模块结构并通过数据说明了本结构与传统的软件方式相比在运算速度方面的优势。在系统软件架构方面,介绍了数字水印信息嵌入的流程及各部分的功能。最后通过实验效果验证了水印嵌入系统可行性,满足系统设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 数字水印研究动态和发展概况
• 1.3 可编程硬件电路现状和趋势
• 1.4 本文研究内容和结构
• 第二章 数字图像水印算法
• 2.1 数字图像水印
• 2.1.1 常见的空间域中数字水印算法
• 2.1.2 变换域数字图像水印
• 2.2 BMP位图片水印信息的处理
• 2.2.1 DCT频域系数选择及嵌入
• 2.2.2 水印信息选择
• 2.3 JPEG图像水印算.法
• 2.3.1 迭代嵌入水印算法
• 2.3.2 基于DCT频域关系水印嵌入算法
• 2.3.3 本水印嵌入系统JPEG算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 数字图像水印系统设计
• 3.1 数字图像水印处理功能设计
• 3.2 数字水印嵌入系统的设计
• 3.3 SOPC设计概述
• 3.4 水印嵌入系统硬件
• 3.5 水印嵌入系统软件
• 3.6 水印嵌入系统开发平台
• 3.7 本章小结
• 第四章 嵌入水印系统硬件设计
• 4.1 嵌入水印系统硬件架构
• 4.1.1 FPGA硬件结构模块
• 4.1.2 硬件开发流程
• 4.1.3 Avalon总线
• 4.2 二维DCT及二维IDCT算法硬件实现
• 4.2.1 二维DCT及二维IDCT原理
• 4.2.2 DCT2及IDCT2硬件模块搭建
• Decoder硬件设计及HDL实现'>4.3 JPEG_Decoder硬件设计及HDL实现
• 4.3.1 数据读入模块
• 4.3.2 状态控制模块
• 4.3.3 熵解码模块的硬件实现
• Zag扫描模块'>4.3.4 反量化和反Zig_Zag扫描模块
• 4.4 SOPC Builder搭建系统
• Decoder、DCT、IDCT Avalon总线通信配置'>4.5 JPEG_Decoder、DCT、IDCT Avalon总线通信配置
• 4.6 生成系统
• 4.7 本章小结
• 第五章 系统的软件设计
• 5.1 Niosll介绍
• 5.2 Niosll系统软件设计
• 5.2.1 SD卡的读写
• 5.2.2 BMP图片编码
• 5.2.3 JPEG图片编码
• 5.2.4 水印嵌入部分
• 5.3 本章小结
• 第六章 嵌入水印系统的运行调试及实验效果
• 6.1 系统运行调试
• 6.2 实验结果
• 6.3 水印系统主要参数
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A:攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录B:JPEG文件解码部分源程序