基于FPGA的实时数字视频水印设计与实现

辜寂　田凤　王婷　孙钰坤　陈昊　李珂旭　崔岩松

摘  要： 多媒体通信的发展使得数字水印技术作为版权保护的重要手段备受大众关注，本文提出了一种基于离散余弦变换的新型数字水印方法。论文阐述了新型数字水印的原理，搭建了基于FPGA的实时数字视频水印的硬件系统。研究结果表明，与基于软件的数字水印处理相比，基于FPGA的数字水印处理技术具有更高的安全性、隐蔽性和鲁棒性;与已有的数字水印方法相比，新型数字水印方法处理速度明显提升，实现了能够对视频进行实时水印处理，并可实现不同视频播放环境下水印的盲检测，为视频的版权保护提供了有效的解决方案。

关键词： 数字图像处理;数字水印;FPGA

中图分类号： TP391.41   文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.006

本文著录格式：辜寂，田凤，王婷，等. 基于FPGA的实时数字视频水印设计与实现[J]. 软件，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

随着高清视频、AR/VR、人工智能等技术的持续性快速的发展，多媒体通信日益成为人们进行信息传递的主流工具，由此引发的信息安全问题逐渐成为人们关注的重点。近些年数字产品的版权纠纷问题层出不穷，如何有效保护数字产品的版权以及认证数字信息的真伪成为数字信息领域亟待解决的问题[1-3]。

现在市面上已经存在很多基于PC机的软件程序可以实现对图像进行水印加密处理，但是由于软件程序很容易被破解与攻击，从而无法保证数字图像水印处理的安全性与鲁棒性。因此近十年国内外已经有很多学者实现了基于硬件的对静态图像进行水印处理的方案从而达到保护图像版权的目的，这些基于硬件的数字图像水印处理系统大多以芯片携带信息的方式实现，有效提高了数字图像处理的安全性能，同时便于继承，方便携带，正在被广泛应用于银行信息认证、照片水印处理等方面。但是对于视频这种需要实时处理大量图像数据的载体而言以上两种方式都无法满足对视频水印进行处理的实时性要求[4]。

本文我們基于离散余弦变换算法提出了一种新型的数字图像水印处理方法与流程，加快了基于硬件的数字图像水印处理速度，达到了对视频载体进行实时同步地数字图像水印处理的要求，并可实现在不同视频播放环境下对水印的盲检测，为数字视频的版权保护以及信息认证提供了有效的解决方案。

1  系统模型与原理

（1）水印预处理

将要嵌入视频源的二值数字图像水印进行多步置乱，将二值水印映射成经过DCT变换后的分块矩阵，在分块矩阵的中频区域根据二值水印序列信息对应嵌入伪随机序列，最后将分块矩阵进行IDCT变换，得到基于DCT变换的映射水印信息块[5]。

（2）二值水印数据传输

将二值数字图像水印置乱后的200*200数值序列通过UART接口传送到开发板的存储单元中待嵌入视频源。

（3）水印嵌入

将分块图像与映射水印信息块进行像素对应叠加并进行合块处理。

（4）图像传输

将视频源通过HDMI接口传入开发板图像处理单元进行数字图像水印信息的嵌入并实时通过HDMI接口传输至显示器播放显示。

（5）图像采集

通过采集卡从实时输出的视频流中采集图像以备提取数字图像水印信息。

（6）水印提取

其中， 是原始图像在 处的像素值， 是嵌入水印后的图像在 处的像素值， 和 表示图像是 行 列，峰值噪声比单位为分贝（dB）。图9和图10的PSNR为34.641 dB

鲁棒性是指嵌入水印后的视频图像抗攻击的能力。通过对比提取出的水印与原始水印来验证水印算法是否可以抵抗一定程度的攻击。相似程度NC计算公式如下：

其中， 是原水印图像， 是提取出的水印图像[1]。当两个图像越相似时，NC越接近1。图11和图12的NC为1

2.3  抗攻击性能检测

对嵌入水印后的图像进行JPEG压缩攻击、高斯噪声攻击、椒盐噪声攻击、剪切攻击、乘性噪声攻击、白噪声攻击和高斯低通噪声攻击，对提取出的水印图像进行分析，检验其不可见性和鲁棒性。

（1）JPEG压缩攻击实验结果

Q为品质因子，Q越大表示对图像的损害越小。从图13和图14可以看出当对含水印的视频图像进行Q从10到100的JPEG压缩时的PSNR和NC值，结果说明，图像质量在受到轻微影响的情况下基本可以正确地提取出水印。

（2）高斯噪声攻击实验结果

δ为高斯噪声的方差，δ越大表示对图像噪声越大。从图15和图16可以看出当对含水印的视频图像进行δ从0到0.01的噪声压缩时的PSNR和NC值，结果说明，图像在受到轻微攻击的情况下基本可以正确地提取出水印。

3  实验结果

3.1  实验结果及分析

我们需要在水印的不可感知性和提取效果之间取一个平衡，为此在我们的设计中，设置一个重要的参数——水印嵌入的强度因子[12]。该因子取值是否合适对于实验效果有着决定性的作用，如果强度因子过小，则由于硬件对数据的处理造成的误差，使得提取的水印效果变差;如果强度因子过大，则会造成明显的失真，即难以满足不可感知性。我们经过多次测试得到了最佳的强度因子并得到了如下的实验结果。

为了验证水印算法的通用性，我们选取了色调和细节特征不完全相同的两张图像Photo1和Photo2。从主观上观察上面的四幅图像，我们发现嵌入水印后图像基本上没有发生改变，达到了不可感知的隐形水印的效果。至于水印的提取方面，基本上从处理过的两张图像中都能提取清晰可辨识的水印图像，说明该算法具有一定的通用性。

此外，为了能够修改水印图像，我们还设计了修改水印信息的接口程序，方便我们修改水印图像，具体结果如下。

对比以上三幅图，我们发现嵌入水印的图像与原始图像、嵌入不同水印的图像之间均无明显的差异。从嵌入不同水印图像的图像中也能提出各自的较为清晰可辨识的水印图像，基本上达到了我们可随时修改水印图像的目标。

3.2  实验创新点

前人所做的工作都是利用硬件对于静态图像进行数字水印的实时嵌入，鲜有对于视频的相关操作。对于视频的处理，需要在每一帧图像上都要嵌入水印，因此要求更高的处理速度，更小的处理时延。对此我们做了软件和硬件方面的仿真测试，结果是用MATLAB对一幅图像嵌入水印所需时间为2.934 s，而通过硬件达到相同的处理效果则只需约20 ns。由此可见，硬件处理在速度方面具有绝对性的优势，对于视频和静态图像的处理均能够达到实时性的处理要求[13-15]。

此外，对硬件的使用操作的技术门槛比较高，通过加密等手段可使得内置的水印信息难以非法获取或修改，具有较为理想的安全性。未来可内置于相机等摄录设备，作为版权保护及真实性认证的重要手段。

4  结论

本文设计了一种数字水印多步置乱和基于DCT变换的水印嵌入算法，并利用所提出的算法在FPGA开发板上设计实现了实时数字水印嵌入系统。根据仿真测试结果和硬件测试结果可以看出，设计的置乱和嵌入算法大大增强了水印的隐蔽性和鲁棒性。在硬件系统中，我们利用FPGA并行处理、高速处理的特点，实时地对上传的视频进行水印加密，相比现有软件图像水印处理具有更短的延迟性，从而获得更快的处理速度、更大的并发请求以及更低的TCO。上述结果表明，所设计的算法和硬件系统为数字视频水印的嵌入提供了较好的解决方案。

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