利用FPGA實現(xiàn)圖像鑒別數(shù)碼相機硬件設(shè)計與探討

1、2006年第1期 青海師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofQinghaiNormalUniversity(NaturalScience) 2006No.1利用FPGA實現(xiàn)圖像鑒別數(shù)碼相機硬件設(shè)計與探討蔣天發(fā),祝 頌,熊志勇,王 濤,柳春華,王 強(中南民族大學(xué),湖北武漢 430074)摘 要:本文討論了FPGA邏輯實現(xiàn)原理及其實現(xiàn)方式,FPGA應(yīng)用于數(shù)碼相機的圖像鑒別,通過靜止圖像內(nèi)容的任何改變,都將反映在嵌入圖像中的數(shù)字水印上的方式來鑒別圖像快照.提出了一種利用FPGA實現(xiàn)圖像鑒別可靠數(shù)碼相機硬件設(shè)計方案.關(guān)鍵詞:FPGA;版權(quán)保護;數(shù)字水印;可靠照相機.中圖分類號:TP391 文獻

2、標識碼:A 文章編號:1001-7542(2006)01-0046-041 引言近年來,隨著計算機網(wǎng)絡(luò)分布式1,2和數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)字技術(shù)的巨大進步使數(shù)字多媒體(數(shù)字視頻3、數(shù)字音頻4、數(shù)字圖像5,6等)的傳輸與復(fù)制變得非常容易,但它增加了多媒體信息被非法盜版的機會.目前,盜版問題已成為嚴重的社會問題.數(shù)字作品的版權(quán)保護問題成為一個急需解決的難題,它引起了學(xué)術(shù)界與企業(yè)界的廣泛關(guān)注,基于數(shù)字水印(digitalwatermarking)的方法已經(jīng)被提出來,通過媒體信息的改變都將被嵌入其中的數(shù)字水印信息反映的方式來鑒別媒體信息的內(nèi)容.下面討論一種用于可靠照相機(trustworthyca

3、mera)的基于圖像鑒別的FPGA(FieldProgrammableGateArray可編程邏輯器件)的實現(xiàn).將這個系統(tǒng)來自CMOS傳感器的圖像進行實時的圖像水印處理并把結(jié)果存儲到存儲設(shè)備;數(shù)碼相機所有組成部分由VHDL(VeryHighspeedIntegratedCircuitHardwareDecriptionLanguage,超高速集成電路硬件描述語言)實現(xiàn),模擬、綜合到FPGA芯片.這種可靠照相機可計算、認證、簽名并把其添加到圖像上的數(shù)碼照相機.2 圖像鑒別數(shù)碼相機硬件結(jié)構(gòu)模型數(shù)碼相機是一種從現(xiàn)場獲得圖像幀并且把結(jié)果存儲到閃存的便攜設(shè)備.在傳統(tǒng)的數(shù)字相機里面增加一個嵌入式的圖像鑒別

4、操作部件,把每一副圖像存入閃存前對圖像進行鑒別.圖1顯示了這種數(shù)字相機體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)模型7.在所有的部件當(dāng)中,FPGA的實現(xiàn)部分是用陰影塊顯示的.基本上該系統(tǒng)包含3個主要部分:圖像獲取和LCD(LiquidCrystalDisplay,液晶顯示器)控制器,水印嵌入處理部分和數(shù)字相機控制單元5圖1 具有圖像鑒別功能數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)框圖.基金項目:國家民委重點科研項目資助基金(MZY02004).收稿日期:2005-04-16作者簡介:蔣天發(fā)(1954-),男,湖北荊門人,中南民族大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院教授,研究生導(dǎo)師,中國高師電子學(xué)會副理事長.主要研:第1期 蔣天發(fā),祝頌,熊志勇,等:利用FPGA實現(xiàn)

5、圖像鑒別數(shù)碼相機硬件設(shè)計與探討 47 圖像鑒別基本思想是在圖像獲取和LCD控制器部分,從圖像傳感器獲取圖像幀,經(jīng)過圖像增強后臨時性的存儲到存儲器里,然后通過LCD控制器,圖像幀被連續(xù)的顯示在LCD上.嵌入式的水印處理部分把圖像的鑒別信息位插入到選定的圖像幀然后把它發(fā)送給JPEG壓縮芯片.在整個系統(tǒng)中,數(shù)碼相機控制單元產(chǎn)生所有的適當(dāng)控制信號來激活數(shù)據(jù)的操作5.3 可編程邏輯器件FPGA邏輯實現(xiàn)原理及其實現(xiàn)方式FPGA所具有的設(shè)計靈活性和大吞吐量特性使其成為傳統(tǒng)數(shù)字信號處理(DSP:DigitalSignalProcess-ing)器件可靠的芯片解決方案,如無線基站和圖像記錄等高性能DSP應(yīng)用.在

6、很多情況下,FPGA和高密度ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,專用集成電路)、DSP一起布置在同一塊電路板上.通常由ASIC和FPGA分擔(dān)的硬件功能現(xiàn)在主要由FPGA來實現(xiàn),這是因為FPGA能夠為DSP提供具有成本效益的方案.目前FPGA中多使用4輸入的LUT(Look-UpTable,查找表),所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的16x1的RAM.在用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后,PLD/FPGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結(jié)果,并把結(jié)果事先寫入RAM,這樣,每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查

7、表,找出地址對應(yīng)的內(nèi)容,然后輸出即可.下面給出的以一個4輸入與門的實際邏輯電路及實現(xiàn)方式的例子如表1所示8.現(xiàn)在通過下面的圖2電路來簡單討論FPGA邏輯實現(xiàn)原理.圖2 FPGA芯片的管腳電路圖2中A,B,C,D由FPGA芯片的管腳輸入后進入可編程連線,并作為地址線連到LUT,LUT中已經(jīng)事先寫入了所有可能的邏輯結(jié)果,再通過地址查找到相應(yīng)的數(shù)據(jù),然后輸出,這樣組合邏輯就實現(xiàn)了.該電路中D觸發(fā)器是直接利用LUT后面D觸發(fā)器來實現(xiàn).時鐘信號CLK由I/O腳輸入后進入芯片內(nèi)部的時鐘專用通道,直接連接到觸發(fā)器的時鐘端.觸發(fā)器的輸出與I/O腳相連,把結(jié)果輸出到芯片管腳.這樣PLD就完成了其電路的功能,并且

8、以上這些操作都是由軟件自動完成的,不需要人為干預(yù)8.48 青海師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2006年4 圖像鑒別數(shù)碼相機硬硬件實現(xiàn)的描述為了獲得自然的現(xiàn)場圖像,使用HynixHV7131D型CMOS圖像傳感器.該傳感器有640*480的象素矩陣,其里面集成有8位精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器.由于大多數(shù)的FPGA芯片都有像EBA(嵌入式陣列模塊)這樣用作緩存的片內(nèi)存儲器的體系結(jié)構(gòu),插值運算在EBA里實現(xiàn).I2C(內(nèi)部集成電路)的行為是靠圖像傳感器的增益的反饋和獲取圖像調(diào)整白平衡來控制圖像傳感器的補償.獲取的圖像被臨時性的存放在由3個SRAM芯片組成的內(nèi)部媒介中.圖像數(shù)據(jù)的每一個8*8大小的數(shù)據(jù)塊通過一個總

9、線被裝載到FPGA芯片里,且RGB格式的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為YCbCr格式的數(shù)據(jù).離散余弦變換使用亮度分量Y僅僅是在轉(zhuǎn)換域中嵌入數(shù)字水印信息.二維的離散余弦變換的是一系列一維離散余弦變換分開執(zhí)行來實現(xiàn)的.再用PN序列產(chǎn)生器來產(chǎn)生安全的數(shù)字水印序列,該序列的初始值由依賴密鑰的函數(shù)產(chǎn)生.PN序列產(chǎn)生器的實現(xiàn)的主要部分是置換的步長.數(shù)列被存儲在查找表里面,PN序列由一個線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生.數(shù)碼相機控制單元對整個系統(tǒng)的正常的運行負責(zé).它給每個組件產(chǎn)生控制和時鐘信號.控制信號允許對每一個SRAM存儲器的多路訪問:對獲取圖像的寫操作,LCD顯示的讀操作和數(shù)字水印的嵌入.圖圖3 基于水印鑒別數(shù)碼相機FPGA的

10、框圖顯示了數(shù)碼相機的FPGA的實現(xiàn)的塊狀圖5.圖3顯示的結(jié)構(gòu)首先用VHDL設(shè)計,VHDL設(shè)計結(jié)果用Mentor公司的ModelSim工具進行測試,最后FPGA設(shè)計被綜合,用MAX+PLUSII軟件裝載到ALTERAFlex系列的一個FPGA芯片,具體是EPF10K100A,240針的PQFP封裝,189個輸入/輸出引腳9.該FPGA芯片使用了15針輸入,62針輸出,25針輸入/輸出,50M赫茲的運行頻率.當(dāng)系統(tǒng)運行在50M赫茲的頻率,每一個圖像傳感器以12.5M赫茲進行圖像獲取,需要312,000個時鐘周期;LCD顯示用25M赫茲進行操作10,需要占用420,000個時鐘周期;數(shù)字水印的嵌入操

11、作需要63,982,400個時鐘周期.因此,我們可以估計數(shù)字水印嵌入的操作運行時間為1.28秒.這里獲取的圖像和LCD顯示器都是包含640*480個象素的陣列.提出的本系統(tǒng)包含3個開關(guān)來控制每一個操作.首先開關(guān)1初始化數(shù)字相機操作,獲取圖像序列然后在LCD上面連續(xù)的顯示.在這期間,2個1024字節(jié)的EBA用來對從HV7131D獲取的圖像幀進行插值.插值后的圖像幀被臨時性的存到4M的SRAM中.11其次開關(guān)2用來關(guān)閉數(shù)字相機的操作并保留最后顯示的一幀圖像用來做數(shù)字水印嵌入.最后,開關(guān)3產(chǎn)生控制信號來開始數(shù)字水印嵌入操作和把結(jié)果存儲到閃存.這里,二進制的標識圖像可以在實驗前,用160*120的二進

12、制圖像離線操作來構(gòu)建,然后存,.第1期 蔣天發(fā),祝頌,熊志勇,等:利用FPGA實現(xiàn)圖像鑒別數(shù)碼相機硬件設(shè)計與探討 49 接口傳輸?shù)絇C主機上.5 結(jié)語本文討論了FPGA邏輯實現(xiàn)原理及其實現(xiàn)方式,FPGA應(yīng)用于數(shù)碼相機的圖像鑒別,通過靜止圖像內(nèi)容的任何改變,都將反映在嵌入圖像中的數(shù)字水印上的方式來鑒別圖像快照.提出了一種利用FPGA實現(xiàn)可靠照相機硬件設(shè)計方案.限于篇幅,FPGA應(yīng)用于可靠照相機軟件設(shè)計將在今后進行研究與探討.參考文獻:1 蔣天發(fā).INTRANET關(guān)鍵技術(shù)及其信息安全新方案的研究J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2004,28(5):713-716.2 JiangTianf

13、a,JiangWei.APerformanceAnalysisontheCo-operationbasedINTRANETJ.JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOL-GY(TransportationScience&Engineering)Vol.29No.2Dec2005:319-322.3 蔣天發(fā).網(wǎng)絡(luò)信息安全及數(shù)字水印技術(shù)的研究J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2003,27(6):826-828.4 蔣天發(fā),周熠,何秉姣,等.基于感知數(shù)字水印對音頻信息穩(wěn)鍵性影響的研究J.武漢:武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2004,37(6):93-96.5 hy

14、unlim,soon-yuongPark,Wan-hyunCho.FPGAImplementationofimagewatermarkingalgorithmforadigitalcameraM.IEEE2003:1000-1003.6 熊志勇,蔣天發(fā).一種基于塊的彩色圖像人證水印方法J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2005,29(1):144-146.7 WangQiang,JiangTianfa.STUDYONWATERMARKINGINJPEG2000DOMAIN.JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLGYJ.(TransportationScien

15、ce&Engineering)2004,28(5):795-798.8 佚名.PLD/FPGA結(jié)構(gòu)與原理初步(二).EIBBSJan2003.9 AlteraFLEX10KEmbeddedProgrammableLogicDeviceFamilyVer4.2AlteraCorporation,Jan2003.10 LP064V16.4VGATFTLCDPreliminarySpecification.LGPhilipsLCD.CO.Ltdhttp:/www.lgphi;ips-Feb.1998.11 K6R4008VID4MbitFastSRAMDatasheet,SamsungEle

16、ctronics,CO.Ltd,Dec.2001.ThediscussandhardwaredesignofFPGA-basedimagedifferentiationdigitalcameraJIANGTian-fa,ZHUSong,XIONGZhi-yong,WANGTao,LIUChun-hua,WANGQiang(South-CentralUniversityforNationalities,Wuhan430074,China)Abstract:Inthispaper,wediscussthetheoryandtheimplementofFPGAandtheapplicationontheimagedifferentiationoftrustworthydigitalcamera.Anyc