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基于FPGA的数字水印处理装置

作　者: 杨江峰
导　师: 周枫
学　校: 昆明理工大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: FPGA 数字水印 DCT2 IDCT2 NiosⅡ CORDIC算法 SOPC Builder QuartusⅡ
分类号: TP309.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 41次
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内容摘要

近年来,随着通讯技术的快速发展和因特网的日益普及,越来越多的数字信息在网络上迅速方便地发布、传播。多媒体处理软件和网络通讯技术可以对数字媒体(数字声音,文本,图像和视频)的原版进行无限制的任意编辑、修改、拷贝和散布,数字媒体的盗版问题变得日益严重,数字媒体的版权保护问题受到了广泛关注,数字水印技术作为一种先进的知识产权保护方式也得到了重视。同时,随着集成电路制造技术的不断提高,FPGA (Field Programmable Gata Array,现场可编程门阵列)芯片的集成度和处理速度都得到了很大的提升,使得FPGA能够实现复杂电路的功能,并且处理速度也能满足大部份用户的要求。本文提出了一种利用FPGA的电路可编程的特点,设计和实现一种对数字图像进行水印处理的FPGA装置。该装置的硬件部分负责实现二维离散余弦变换(DCT2)和逆二维离散余弦变换(IDCT2),以及VGA显示所需的控制信号的产生；软件部分负责数字水印图标的嵌入、同PC机的通讯和数字图像的写入、更新。本文简要介绍了数字水印技术和FPGA技术的发展现状及未来方向,研究了典型数字水印算法及其应用领域。给出了片上可编程系统(SOPC)设计方案及开发流程,详细讨论了本系统的硬件处理部分的架构、数据处理流程,并给出了实验分析。考虑到与常用的图像压缩标准JPEG兼容,本文中的数字水印处理系统是对DCT域进行处理,系统先对数字图像进行分块处理,选择DCT2的高频系数作为水印信息的载体。为提高嵌入水印图标的鲁棒性,文中介绍了混沌理论的基本概念,要求对水印图标嵌入前作Arnold置乱变换。对于系统中的DCT2模块和IDCT2模块的关键部分：余弦函数的硬件实现,分别提出了三种不同的硬件实现方式,对三种方式的设计思想和理论支持做了设计,并进行了功能仿真试验,给出了实验报告。文章最后分别设计了两套基于FPGA的数字水印处理装置：一套是利用NIOSⅡ软核实现DCT2、IDCT2的变换,及水印的添加；另一套是利用DCT2、IDCT2的硬件模块来实现DCT2、IDCT2的变换。并且,对这两套系统进行了对比,得出了结论。试验证明,利用基于DCT2硬件模块和IDCT2硬件模块的数字水印装置的处理速度要比用软件方式实现数字水印处理速度快的多,但是,前者的系统复杂程度和所花的调试时间要比后者大的多。本系统的硬件模块使用HDL (Hardware Description Language,硬件描述语言)语言进行编写,并用Altera的QuartusII软件负责硬件模块的编译,系统硬件框架由Altera的SOPC Builder软件搭建,NIOSⅡ软件提供系统软件的开发环境和编译服务。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-18
  1.1 引言  11-12
  1.2 信息隐藏技术  12-13
  1.3 数字水印技术的发展现状  13-15
  1.4 支撑数字水印技术的相关技术发展现状  15-16
  1.5 本文研究内容  16-17
  1.6 论文的组织  17-18
第二章数字水印技术  18-26
  2.1 数字水印技术的基本原理  18
  2.2 数字水印的基本特征  18-19
  2.3 数字水印的主要应用领域  19-20
  2.4 数字图像水印算法的分类  20-22
    2.4.1 空间域数字图像水印算法  20-21
    2.4.2 变换域数字图像水印算法  21-22
  2.5 水印置乱  22-26
    2.5.1 混沌理论  22-23
    2.5.2 混沌的特征  23-24
    2.5.3 混沌与数字水印  24-26
第三章数字图像水印系统的设计  26-34
  3.1 数字水印处理系统整体构架设计  26-28
    3.1.1 系统硬件架构设计  26-27
    3.1.2 系统软件架构设计  27-28
  3.2 系统硬件、软件开发平台  28-29
  3.3 SOPC设计思想及开发流程  29-31
  3.4 IP硬核和IP软核  31-34
第四章水印嵌入的硬件实现  34-65
  4.1 二维离散余弦变换  34-47
    4.1.1 CORDIC算法  35-38
    4.1.2 迭代算法的余弦函数  38-42
    4.1.3 流水线结构的余弦函数  42-47
  4.2 DCT2硬件模块的设计与实现  47-54
    4.2.1 DCT2硬件模块的直接生成型  47-50
    4.2.2 基于查找表的DCT2硬件模块  50-54
  4.3 IDCT2硬件模块的设计与实现  54-58
    4.3.1 IDCT2硬件模块的直接生成型  54-55
    4.3.2 基于查找表的IDCT2硬件模块  55-58
  4.4 Avalon总线  58-59
  4.5 Avalon外部总线桥  59-62
  4.6 VGA显示及控制模块  62-63
  4.7 VGA图像存储模块  63-64
  4.8 水印存储模块  64-65
第五章水印嵌入的软件实现  65-71
  5.1 开发平台概述  65-66
  5.2 DCT2软件模块的设计与实现  66-67
  5.3 IDCT2软件模块的设计与实现  67-68
  5.4 水印置乱的实现  68-71
    5.4.1 本系统采用的混沌模型  68-69
    5.4.2 混沌模型软件模块的设计与实现  69-71
第六章系统调试与验证  71-82
  6.1 软件方式实现水印嵌入  71-74
  6.2 硬件方式实现水印嵌入  74-79
  6.3 软件实现方式与硬件实现方式对比  79-82
第七章总结与展望  82-85
  7.1 论文工作总结  82-83
  7.2 工作展望  83-85
参考文献  85-88
致谢  88-89
附录A 硕士学位期间发表的论文  89

基于FPGA的数字水印处理装置

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