（信息与通信工程专业论文）一种基于dsp的数字水印检测系统的硬件设计与实现.pdf

摘要摘要数字水印技术是一种信息隐藏技术，在2 0 世纪9 0 年代受到重视并蓬勃发展起来。如今，数字水印技术广泛应用于数字作品的知识产权保护、商务交易中的票据防伪、声像数据的隐藏标识和篡改、隐蔽通信及其对抗提示等方面。本文运用数字水印在印刷防伪方面的独特性质，开发了一套用于门票防伪的基于d s p 的数字水印检测系统。首先，本文叙述了课题的相关背景以及当前国内外数字水印技术的发展现状，简要介绍了数字水印技术的概念及应用。接下来，本文介绍了整个系统的硬件设计与实现。采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 芯片作为系统的核心进行数据处理，利用c m o s 传感器进行图像采集，c p l d 进行逻辑控制，s a r m 进行数据存储。然后，本文对硬件设计中应该注意的问题展开了讨论，重点介绍了电源设计和调试注意事项。接着，本文介绍了系统所用的数字水印相关算法的设计，主要介绍了算法思路。本文的最后总结了前面讨论的内容，实现了一个基于d s p 的数字水印检测系统，并指出了该系统在设计上的不足之处，以及下一步工作中需要解决的问题。关键词：数字水印，门票防伪，数字信号处理器，c o m s 图像传感器a b s t r a c ta b s t r a c td i g i t a lw a t e r m a r k i n gi so n eo ft e c h n o l o g yo fi n f o e m a t i o nh i d i n g ，i ti sv 也e di n9 0 si n2 0c e n t u r i e sa n dd e v e l o pr a p i d l y n o w , t h ed i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g yi se x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ei n t e l l i g e n tp r o p e r t yr i g h tp r o t e c t i o n , a n t i f a k et i c k e ti nb u s i n e s st r a d e ，t h ev o i c ea n di m a g ed a t at oc o n c e a lm a r k i n ga n dd i s t o r t ，c o n c e a l m e n tc o m m u n i c a t i o na n dc o u n t e r m e a s u r ee t c a s p e c t t m st h e s i su s e st h ep e c u l i a rp r o p e r t yo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gi na n t i f a k ep r i n t i n g , d e v e l o p e dad e t e c t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r ks y s t e mb a s e do nd s ef i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do fo u rp r o j e c t ，t h ed e v d o p m e n to fd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g s e c o n d l y , t h i st h e s i sd e s c r i b e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew h o l es y s t e m at it m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ai ss e l e c t e d 嬲t h eh e a r to ft h i ss y s t e m ，a c q u i r e di m a g ed a t af r o mac m o ss e n s o r , l o g i c a lc o n t r o li m p l e m e n t e di nac p l da n ds t o r e dd a t aw i t has r a m t h i r d l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e ds o m et i p sa b o u th a r d w a r ed e s i g n , e s p e c i a l l ya b o u tp o w e rd e s i g na n dd e b u g g i n g a n dt h e n ，t h ea l g o r i t h mo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n go f t h i ss y s t e mw a si n t r o d u c e d l a s t l y , t h i st h e s i ss u m m a r i z e dt h ec o n t e n td i s c u s s e da b o v e ，a n dd e s i g n e dad e t e c t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r ks y s t e mb a s e do i ld s pa n dt h e nm a d e s o m es u g g e s t i o nt ot h en e x tb o a r d k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k , a n t i - f a k et i c k e t ，d s p , c m o si m a g es e n s o r独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：一埘勿日期：砷6 年弓月歹日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：兰砂导师签名：雌第一章绪论1 1 课题背景及国内外概况第一章绪论随着信息时代的到来，特别是i n t e m e t 的普及，信息的安全保护问题日益突出，特别是数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ) 的保护问题。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论是采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。而传统的加密技术和较新的数字签名、数字标签、数字指纹等技术因诸多不足，已不能满足当前数字信息的安全传输和数字产品的版权保护的要求。因此，数字水印技术在2 0 世纪9 0 年代受到重视并蓬勃发展起来的。它一方面弥补了密码技术的缺陷，它可以为解密后的数据提供进一步的保护，因为它在数字产品中嵌入的信息不会被常规处理操作去除；另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术的缺陷，因为它可以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息；同时它还弥补了数字标签容易被修改和剔除的缺陷；弥补了数字指纹仅能给出出版权破坏者信息的局限。人们可设计某种水印，它在解密、再加密、压缩、转化以及文件格式变化等操作下保持完好。因此，数字水印技术成为当今网络信息安全和数字媒体版权保护研究的热点。有关数字水印的论述最初见t i r k e l 等人1 9 9 3 年发表的论文“e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ”。1 9 9 6 年，c o x 等人提出了一种基于扩频通信的思想，将水印嵌入视频和音频信号感知最重要的频域因子中的水印方案。由于该方法在水印提取的过程中需要原始图像，属于私有水印方案。同年，p i t a s 等人在一篇题为“a m e t h o df o rs i g n a t u r ec a s t i n go i ld i g i t a li m a g e s 的论文中提出了一种公有水印方案，检测水印时，无需原始图像的参与。1 9 9 6 年，第一届信息隐藏国际学术讨论研讨会在英国剑桥举行，此后数字水印技术的研究得到了迅速的发展。时至今日，数字水印已成为一大热门话题，许多公司已先后推出自己的数字水印产品。1 1 1 数字水印技术的概念和分类数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是一种信息隐藏技术，它是在数字图像、电子科技大学硕士学位论文音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息，其中的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品相关信息。一般，该秘密信息需要经过适当变换后再嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密信息为数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 。作为一种新型技术，数字水印具有以下最基本特征【1 】：( 1 ) 隐蔽性( 逼真度) ：数字作品嵌入数字水印后不会引起明显的降质，并且不易被察觉，这是数字水印最基本的特点。即在多媒体信息中嵌入数字水印后，数字信息发生的变动和失真应低于通常可感知的门限。如图像加入水印后，人们感觉不到图像在视觉上有任何变化，即使通过自然光或其他外光源照射也察觉不出与原图像有何差异。( 2 ) 安全性：水印能够抵抗有意篡改和恶意攻击的能力。水印信息隐藏于数据中而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。数字水印系统使用一个或多个密钥来确保安全，防止外人修改和擦除水印，未经授权者不能检测出水印。( 3 ) 鲁棒性：它是数字水印的最重要的特征。所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。嵌入水印后的数据经受对数据一些恶意的处理，譬如滤波、再量化、抖动等以及一些蓄意的攻击后，应该还能得到嵌入的数据。数字水印技术可以从不同的角度进行划分【2 】：( 1 ) 按特性划分按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。( 2 ) 按水印所附载的媒体划分按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。( 3 ) 按检测过程划分按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。( 4 ) 按内容划分按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。2第一章绪论( 5 ) 按用途划分按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。( 6 ) 按水印隐藏的位置划分按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时( 空) 域数字水印、频域数字水印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印。1 1 2 数字水印的应用多媒体技术的飞速发展和i n t e r n e t 的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化问题，产生了许多新的研究热点，以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景【3 】。( 1 ) 数字作品的知识产权保护数字作品( 如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画) 的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字水印技术利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。( 2 ) 商务交易中的票据防伪随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1 2 0 0 d p i 的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。另外，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。( 3 ) 声像数据的隐藏标识和篡改提示数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的电子科技大学硕士学位论文篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。( 4 ) 隐蔽通信及其对抗数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家的重视。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密的思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时( 空) 域和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。1 1 3 数字水印在印刷防伪的应用特点基于数字水印的印刷防伪技术彻底更新了印刷防伪的传统观念，并在印刷防伪中具有一些独特的性质，其特点主要有如下几个方面【4 】：1 、作为识别标志的水印以视觉不可见的形式隐藏在印刷品中，通过自然光和外界光源分辨不出未加水印的图像与加入水印图像的差异，只有通过计算机软件或特定的检测设备才可识别；2 、隐藏的水印标志可以是有意义的数字和随机的数码、文本信息、图像及声音，用户可以根据被保护物品的不同要求加入不同内容的水印信息，检测方式可以采取是否存在隐藏的水印或从印刷品中提取出隐藏信息的实际内容等：3 、隐藏的水印信息在不同的时间、地点一直连续存在于印刷品的内部，它不因印刷品经过的各种地点和人员而变异，在这些环节上没有泄露和扩散的可能性；4 、其他特点：( 1 ) 数字水印的加入和加入的内容具有随机性，使伪造者难以仿冒伪造，并且由于通过图像置乱，伪造者要想恢复“原貌”，几乎是不可能的；( 2 ) 防伪技术可逐步升级，从而使相应的印刷防伪技术也可随之不断升级变化；( 3 ) 防伪技术对印刷设备无特殊要求，盗版者难以察觉所在，不需改变印刷材料和设备，不增加印刷成本，因而其应用前景广阔，经济效益大。数字水印技术应用在印刷图像的防伪与认证上具有其他技术难以替代的优点：4第一章绪论( 4 ) 技术独占性：数字水印的技术含量高，其技术难以仿制，但对使用者来说嵌入水印和检测水印都很便利；( 5 ) 透明性：用户可将他们现有的包装和设计改良为高度保密的设计，具有技术含量高、难以伪造等特点。不需特殊材料，无需增加印刷、打印成本和改动原设计，只需通过专用软件处理就可将保密的特征嵌入到印刷产品的设计中；( 6 ) 技术升级快：根据产品特性，每套产品设计一套专用软件，软件容易变化和升级，而且由于嵌入的标志为视觉不可见，不易被发现和伪造；( 7 ) 技术检测独特：由专有的检测器或普通扫描仪加上配套软件检测水印标志；( 8 ) 保密性高：数字水印技术本身具有隐含在媒体内部的隐蔽性，另外，可结合密码学的私钥和公钥控制检测，与其他保密技术兼容；( 9 ) 可分级分权管理：数字水印技术具有难于扩散、保密性强等特点，可加多层保密标志，不同权限人员可以见到不同的隐藏内容；( 1 0 ) 产品可增值：数字水印使图像、文本发行者和商标拥有者增强顾客对其商品的信任感，维护企业的品牌形象，保护税收和经济利益。1 2 数字水印主要相关技术数字水印技术目前正处于一个快速发展和持续深入的阶段，应用领域也在快速扩展，从最初的图像水印发展到音频水印、视频水印等；从最初的算法研究，扩展到行业领域的应用，如数字地图的版权保护、数字图书的版权保护、证件防伪、电子公文防篡改等。基于数字水印技术的这些应用领域当中，许多技术问题还有待进一步研究【5 j 。( 1 ) 脆弱性数字水印技术根据数字水印的识别篡改能力，一般把数字水印分为脆弱水印( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 和半脆弱水印( s e m i - f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 两种，脆弱水印相对与鲁棒性水印，更强调对篡改攻击的敏感性，其主要任务是检测发生在多媒体数据中的篡改，并对其定位。这在一些应用中具有重大意义，如对医学图像的任何修改都可能引起一个误操作，在法庭上，重要证据信息的几个比特值的改变都可能改变证据性质。但在一些有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图象压缩，滤波，扫描与复印，噪声污染，尺寸变化等等) 操作，都会对脆弱水印造成不同程序的危害，对于这类问题需要从脆弱性水印方法本身的设计来减少虚警错误与漏检错误，同时需保护水印的添加与提取过程，以减少攻击者通过推断水印添加方法来5电子科技大学硕士学位论文对水印检测过程进行攻击的可能性，所以要设计一个完善的脆弱水印认证系统时，系统的安全性不只是建立在几个好的算法基础之上，更需要安全有效的协议来保证。( 2 ) 非对称数字水印技术在数字产品中嵌入数字水印，是对其进行版权保护的一种有力的手段。许多学者对于数字水印也提出了不少技术方案，但是大部分都是对称的，即用于水印嵌入和水印检测的密钥是相同的，而许多实际的应用都要求非对称的数字水印方案，即水印嵌入时使用私人密钥，水印检测时只需要一个公开密钥。近年来，有不少学者在非对称水印算法方面作了不少的研究工作，提出了一些可行的技术。这主要包括扩频非对称数字水印，l e g e n d r e 水印，特征向量水印，基于单向信号处理的非对称水印，基于d e f g 图像类型标记水印等技术。现有真正非对称水印算法还不是很多，而且都不是很成熟，大多数算法，其非对称性只是体现在从公钥很难推导出私钥，但是它们很难保证用公钥不能移去或伪造水印。因此，要解决的关键技术问题是提出一种非对称水印算法，在水印检测时，公钥提供的信息足够检测出水印的存在，但又不至于移去水印，也不能伪造出一个水印。1 3 本论文研究的主要内容本论文的基本思路是结合数字视频技术、数字信号处理技术和计算机图像处理技术，开发一套集图像采集、数字水印检测、通信控制于一身的、体积小的、操作简便、适合移动工作的便携式数字水印检测系统。本系统可应用于印刷防伪尤其是门票防伪，其实用价值和应用前景是显著的。本论文以此为原则规划了数字水印检测系统的总体解决方案。本系统主要由数据采集与a d 转换模块、逻辑控制模块、存储模块、数据处理模块、输出模块等组成。各模块功能如下：1 、数据采集与a d 转换模块：采集数据，并将采集到的模拟信号转变为d s p 所需的数字信号。2 、逻辑控制模块，该部分具有以下几个功能：( 1 ) 从c o m s 传感器中读取图像采集数据，并对其提供时钟，进行逻辑控制；( 2 ) 将读取到的图像数据写入s r a m 中存储；( 3 ) 模拟地址总线使d s p 读取s r a m 中数据。3 、数据存储模块：使用外扩存储器s r a m 暂存c p l d 采集到的图像数据。6第一章绪论4 、数据处理模块：该部分包括d s p 与外围存储器的接口设计，它是整个系统设计的处理核心。采集完毕后，d s p 便可访问s r a m 的数据，并完成后继的基于抵抗二次扫描和印刷的半脆弱性数字水印算法的数据处理工作。5 、输出模块：通过d s p 的g p i o 控制l e d 显示处理结果或者根据用户的要求，将放在存储器中的结果通过m c b s p 、u s b 接口送往p c 机。1 4 论文构架及章节安排论文在第二章中，着重叙述了我所设计的基于d s p 的数字水印检i 贝0 系统的硬件方案选择、设计和实现，在第三章介绍了在硬件设计和调试中应注意的若干问题。在第四章中，则介绍了本系统数字水印相关算法的设计。在论文的最后，给出了系统测试总结和展望。7电子科技大学硕士学位论文第二章数字水印检测系统的硬件设计与实现2 1 系统的硬件设计2 1 1 系统硬件框图本系统主要由图像采集和图像处理两大部分组成。由c m o s 传感器负责图像数据的采集，c p l d 进行逻辑控制，s r a m 进行数据存储，d s p 进行数据处理，将图像数据采集和数据处理集成到一个系统中，从而发挥了不同类型可编程芯片的优势，提高了系统的性能。系统的硬件框图如下：图2 - 1 系统的硬件框图系统图像数据的采集、处理过程如下：首先，由d s p 启动对图像数据的采样，通过扩展的i o 口，发送控制信号到c p l d ，控制信号主要由开始采集、采集完成等几个状态组成。c p l d 一旦接收到开始采集信号，就立刻向c m o s 传感器发送采集控制信号。为了实现s r a m 中数据地址的同步，将c m o s 传感器输出的数字信号送往c p l d 进行缓冲，然后送到s r a m 中供d s p 读取。d s p 通过查询和中断方式，监控c p l d 发出的中断信号，一旦接收到c p l d 发出的采集完成中断信号，d s p 在通知c p l d 停止采集的同时，延时一段时间后从s r a m 读取数据，然后在内部进行数据处理，将处理结果通过显示器件显示或者根据用户的要求将放在存储器中的结果通过m c b s p 、u s b 接口送往p c 机。212 系统硬件实物图22 数据采集与a d 转换模块221c m o s 传感器应用前景概述窝电子科技大学硕士学位论文随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到4 0 0 、5 0 0万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机己经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件一图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。c c d ( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) 于1 9 6 9 年在贝尔试验室研制成功，之后由日本一些公司开始量产，其发展历程己经将近3 0 多年，从初期的1 0多万像素己经发展至目前主流应用的6 0 0 万像素。c c d 是主要的实用化固态图像传感器件，它具有读取噪声低、动态范围大、响应灵敏度高等优点。但c c d 技术难以与主流的c m o s 技术集成于同一芯片之中。这样，诸如定时产生、驱动放大、自动曝光控制、模数转换及信号处理等支持电路就不能与像素阵列做同一芯片上，以c c d 为基础的图像传感器难以实现单片一体化，因而具有体积大、功耗高等缺点。c m o s 即互补金属氧化物半导体( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 。和c m o s 相比，c c d 的缺点在于成本昂贵，只能在特定的工厂里通过特定而昂贵的工艺生产。c m o s 却是成熟而普遍的半导体生产技术，从内存到c p u ，c m o s 工艺的半导体产品比比皆是，不但可以生产出p e n t i u mi v 这么复杂的产品，而且大多数的主流半导体厂商都可以生产。所以利用相同的技术和设备工艺生产出来的c m o s 传感器，在成本上要低得多。( 这里提到的c m o s实际是指图像传感器的生产技术) 。除了成本较低外，由于集成度高，c m o s 传感器可以把许多电路集成在单一的芯片上，例如时钟驱动、同步逻辑、信号处理，甚至a d 转换、放大电路等等，而这些电路在c c d 的数码相机上都必须采用分离的芯片，成本较高。同时c m o s传感器还可以在芯片上加入附加的特性电路，例如抗抖动、图像压缩等等，而这一切所需要增加的费用并不多。另外c m o s 传感器的功耗很低，仅相当于c c d的1 8 ，这使得采用c m o s 传感器的数码相机可以非常省电。c m o s 图像传感器的最大优势在于它与d s p 等其他器件的亲和性，这是c c d 器件无法比拟的。虽然两者都是硅器件，c c d 是通过光电效应收集电荷，每行像素的电荷随时钟信号被送到模拟移位寄存器上，然后串行转换为电压。虽然，c c d 技术稳定，但产品成品率低、成本高，且很难把驱动电路、信号处理电路、与c c d 成像阵列单片1 0第二章数字水印检测系统的硬件设计与实现集成，因而系统由多芯片组成。而c m o s 图像传感器则能较容易地做成芯片系统，因而可缩小产品尺寸。所以价格低，也可降低产品功耗。由于进行了高度集成，使设计简单，能缩短产品上市时间，也更适合于便携应用。今后，c m o s 必将成为图像传感器中的主流。经过再三比较，本系统决定采用c m o s 传感器系列，o m n i v i s i o n 作为全球领先的c m o s 传感器厂商，其主要的产品包括：c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) ，v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) ，s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) 和s x g a ( 1 2 8 0 x 1 0 2 4 ) 。本系统选择了v g a 系列的o v 7 6 6 0芯片，主要是基于以下几点考虑：( 1 ) 对于我们的处理系统来说，图像的分辨率要求并不高，过高的分辨率反而造成很大的运算负担，o v 7 6 6 0 的3 0 万像素图像( 6 4 0 x 4 8 0 ) 已经完全能够满足要求。( 2 ) c m o s 芯片高度整合的特点有效的缩短了开发和调试的周期，如果采用c c d传感器，势必需要加入a d 等外围配套芯片，而o v 7 6 6 0 内部整合模数转换( d ) ，自动增益控制( a g c ) ，使系统前端图像采集部分的设计和调试方便了许多。o v 7 6 6 0 芯片自身的一些特点也使它很适合于本系统性能要求，可以将o v 7 6 6 0 设置在q v g a 方式下工作，输出分辨率为3 2 0 x 2 4 0 ；甚至还可以自由设定输出的图像窗口大小及位置，相当于可以任意调节视场，这就带来了很大的方便。2 2 20 v 7 6 6 0 芯片介绍2 2 2 10 v 7 6 6 0 功能及特点o v 7 6 6 0 是一款高度集成的6 4 0 x 4 8 0 像素、完全可编程的c m o s 单片数字相机芯片，它的主要功能特点如下【6 】：( 1 ) 是一款单片彩色黑白可选的c m o s 数字相机芯片；( 2 ) 可配用1 3 英寸镜头；( 3 ) 像素矩阵6 6 4x4 9 2 ，实际最大可使用像素6 4 0 x 4 8 0 ；( 4 ) 可以选用隔行扫描或逐行扫描的方式输出数据，特别是逐行扫描的方式使其易与计算机接口；( 5 ) 输出图像数据格式有y c b c r ( 4 ：2 ：2 ) ，( 4 ：2 ：2 ) ，g r b 4 ：2 ：2 和r g b 原始图像数据；( 6 ) 视频输出数据有单帧输出方式、帧率可选择设置输出方式，最高逐行输出帧电子科技大学硕士学位论文率：3 0 帧秒：( 7 ) 提供串行相机控制总线s c c b ( s e r i a lc a m e r ac o n t r o lb u s ) 接口，对单片相机芯片进行编程控制和功能选择，s c c b 符合1 2 c 总线规范；( 8 ) 电子曝光增益白平衡控制、亮度、对比度、伽玛校正、饱和度、图像增强控制等图像性能参数有自动控制和可更改设置两种方式；( 9 ) 芯片核心电路工作电压1 8 v ，对外数字接口电压2 5 v 可选；2 2 2 2 芯片引脚功能表芯片采用2 2 引脚c s p 封装，具体引脚功能如下：表2 - 10 v 7 6 6 0 引脚表引脚名称类型功能a la v d dp o w e r模拟电源( + 2 5 v )a 2a g n dp o w e r模拟地a 3s i oci n p u ts c c b 串行时钟输入a 4d lo u t p u ty u v r g b 数据输出总线a 5d 3o u t p u ty u v r g b 数据输出总线b 1v i 汪fr e f e r e n c e参考电压一由o 1 u f 电容连接地b 2p 、v d ni n p u t ( 0 )睡眠模式选择，为l 时使芯片进入睡眠模式b 3s i odi os c c b 串行数据b 4d oo u t p u ty u v r g b 数据输出总线b 5d 2o u t p u ty u v r g b 数据输出总线c 1v s y n co u t p u t垂直同步信号输出c 2d v d dp o w e r数字电源( + 1 8 v )d 1h r e fo u t p u t水平窗口参考输出d 2p c l ko u t p u t像素时钟输出d 3r e s t e ti n p u t ( 0 )使寄存器清零并恢复到默认值d 4d 7o u t p u ty u v r g b 数据输出总线d 5d 5o u t p u ty u v r g b 数据输出总线e 1d o v d dp o w e r数字i o 电源e 2x c l k li n p u t系统时钟输入e 3d o g n dp o w e r数字地e 4d 6o u t p u ty u v r g b 数据输出总线e 5d 4o u t p u ty u v r g b 数据输出总线1 2第二章数字水印检测系统的硬件设计与实现2 2 2 3 芯片输出的图像数据格式及时序像素是在像素时钟( p c l k ) 的驱动下输出的。本系统使用的是2 4 m h z 晶振，在8 位r g b 原始数据输出模式下，像素速率与晶振一样，即像素速率为2 4 m h z ，像素时钟周期为4 2 n s 。在默认情况下，输出像素数据在p c l k 的下降沿刷新，在p c l k 的上升数据稳定。h r e f 引脚的输出是水平窗口输出参考信号，在o v 7 6 6 0输出有效的像素值期间h r e f 引脚输出高电平，其他时间输出为低电平。o v 7 6 6 0图像数据的输出时序如图所示：4hk，一li i_绷x t 啦- lx k 4 如 1 t 唯一十k 2 r u t ,卜1 6 t u 鲢卜1 _ 1 4 4 一1 广1 厂 。o r ：镯匦强互= 二二正亚二旺匹磁司曰匠玉蕊嚣=阳嘴g r o w 0r o w lr o w 2r o w 4 1 9n r e ：f o rr a w d a t a , l p = 图2 48 位方式下像素输出时序本系统采用v g a 模式下的r g b 原始数据输出，其时序如图所示：d 驴：0 1n j 图2 - 5v g a 模式下r g b 原始数据输出时序图1 3醑陀敝电子科技大学硕士学位论文2 2 30 v 7 6 6 0 芯片的应用o v 7 6 6 0 是一单片相机芯片，工作方式多且功能强大，对于本系统来说主要用到了单帧传输、逐行扫描、8 位输出、r g b 原始数据格式以及s c c b 控制方式，而各种优化功能如曝光、增益都是采用默认方式( 自动处理方式) 。这就要求对o v 7 6 6 0 片内寄存器的各位的功能和设置方式有足够的了解。2 2 3 1 片内寄存器的配置o v 7 6 6 0 片内有1 5 0 个寄存器，其中在上电模式下通过上电复位采样相应的引脚电平状态可以改变部分寄存器，而通过s c c b 总线可以访问所有的寄存器。限于篇幅不能介绍所有的片内寄存器，下面仅介绍一些重要的以及本系统中用到的寄存器。1 、寄存器1 2 h ：控制寄存器7表2 2 控制寄存器7位b i t 7 b i t 6 】b i t 5 】b i t 4 】b i t 3 】b i t 2 】b i t 1 】b i t 0 】默认值o00ooooob i t 7 ：芯片软件复位。该位设为1 后，芯片执行复位操作，其效果与上电和硬件复位一样。b i t 6 】：保留b i t 5 】：“1 ”选择c i f 输出格式b i t 4 ：“l 选择q v g a 输出格式b i t 3 ：“1 选择q c i f 输出格式b i t 2 ：“1 选择r g b 输出格式b i t 1 】：保留b i t 0 ：“1 选择r g b 原始数据输出格式( b i t 2 必须选择“1 ”)本系统中将控制寄存器7 的值设为“0 5 h 。2 、寄存器1 3 h ：控制寄存器8表2 - 3 控制寄存器8位b i t 7 】b i t 6 】b i t 5 】b i t 4 】b i t 3 】b i t 2 】b i t 1 】b i t 0 】默认值1oo0l11l1 4第二章数字水印检测系统的硬件设计与实现b i t 7 ：使能快速a g c a e c 算法b i t 6 ：a e c 步阶大小选择。“0 为1 1 6 x a e c ，“l ”为a e cb i t 5 ：频带滤波选择b i t 4 】：保留b i t 3 ：保留b i t 2 ：使能a g cb i t 1 ：使能a w bb i t 0 】：使能a e c本系统中将控制寄存器8 的值设为“t 2 h ”。3 、寄存器1 5 h ：控制寄存器1 0表2 - 4 控制寄存器l ol 位b i t 7 b i t 6 】b i t 5 】b i t 4 】b i t 3 】b i t 2 b i t 1 】b i t 0 】l 默认值0oo0oo0ob i t 7 ：保留b i t 6 1 ：“1 选择h e r f 变为h s y - n cb i t 5 】：像素输出时钟选择b i t 4 ：像素输出时钟保留b i t 3 ：水平参考窗口输出保留b i t 2 ：保留b i t 1 ：取消垂直同步信号b i t 0 ：取消水平同步信号本系统中将控制寄存器1 0 的值设为“0 0 h 。4 、寄存器4 0 h ：控制寄存器1 5表2 - 5 控制寄存器1 5位b i t 7 】b i t 6 b i t 5 】b i t 4 】b i t 3 】b i t 2 】b i t 1 】b i t 0 】默认值o0oo0ooob i t 7 ：6 1 = 输出范围选择。0 x 为 1 0 】到 f o 】，1 0 为 0 1 】到 f e 】，1 1 为 o o 】到 f f 】b i t 5 ：4 】：r g b 5 5 5 5 6 5 选择。x o 为普通r g b ，0 1 为r g b 5 6 5 ，1 1 为r g b 5 5 5b i t 3 ：0 】：保留本系统中将控制寄存器1 5 的值设为“e l h 。1 5电子科技大学硕士学位论文5 、寄存器1 7 h ：控制寄存器h s t a r t表2 - 6 控制寄存器h s t a r t位b i t 7 】b i t 6 b i t 5 】b i t e 4 】b i t 3 】b i t 2 b i t 1 】b i t 0 默认值000l0001水平输出帧起始值高8 位，后3 位为控制寄存器h r e f 2 ：0 本系统中将控制寄存器h s t a r t 的值设为“2 6 h 。6 、寄存器1 8 h ：控制寄存器h s t o p表2 7 控制寄存器h s t o p位b i t 7 】b i t 6 】b i t 5 】b i t 4 】b i t 3 b i t 2 b i t 1 】b i t 0 】默认值o11o0oo1水平输出帧终止值高8 位，后3 位为控制寄存器h r e f 5 ：3 本系统中将控制寄存器h s t o p 的值设为“3 3 h 。7 、寄存器3 2 h ：控制寄存器h e r f表2 - 8 控制寄存器h e i fl 位b i t 7 】b i t 6 】b i t 5 】b i t 4 b i t 3 】b i t 2 】b i t 1 b i t 0 】i 默认值1o10o10ob i t 7 6 】：水平窗口参考输出边缘值b i t 5 - 3 】：水平输出帧终止值后3 位b i t 2 - o ：水平输出帧起始值后3 位本系统中将控制寄存器h e r f 的值设为“8 d h 。8 、寄存器1 9 h ：控制寄存器v s t r t表2 - 9 控制寄存器v s t r t位b i t 7 】b i t 6 】b i t 5 】b i t 4 b i t 3 】b i t 2 】b i t 1 b i t 0 】默认值00000o1o垂直输出帧起始值高8 位，后2 位为控制寄存器v r e f i ：0 本系统中将控制寄存器v s t r t 的值设为“3 f l a ”。1 6第二章数字水印检测系统的硬件设计与实现9 、寄存器1 a h ：控制寄存器v s t o p表2 - 1 0 控制寄存器v s t o p位b i t 7 】b i t 6 】b i t 5 b i t 4 】b i t 3 】b i t 2 b i t 1 】b i t 0 】默认值ol111o10垂直输出帧终止值高8 位，后2 位为控制寄存器v r e f 3 ：2 本系统中将控制寄存器v s t o p 的值设为“5 8 h ”。1 0 、寄存器0 3 h ：控制寄存器v r e f表2 - 1 1 控制寄存器v r e f位b i t 7 b i t 6 】b i t 5 b i t 4 】b i t 3 】b i t 2 b i t 1 】b i t 0 】默认值o0o0oo0ob i t 7 - 6 】：a g c 9 8 】b i t 5 ：f i x 增益1b i t 4 ：f i x 增益0b i t 3 ：2 】：垂直输出帧终止值后2 位b i t 1 ：o 】：垂直输出帧起始值后2 位本系统中将控制寄存器v r e f 的值设为“0 a h ”。o v 7 6 6 0 的寄存器众多、功能强大，许多功能特别适合交互模式，但是本系统中设计的系统没有交互操作，因而绝大部分使用了默认的方式进行自动调整。在实际的编程中也是主要用了这几个控制寄存器，对寄存器的读写是使用下一节即将介绍的s c c b 总线进行的。2 2 3 2s c c b 总线s c c b ( s e r i a lc a m e r ac o n t r o lb u s ) 总线是由o m n i v i s i o n 公司定制和发布的串行相机控制总线技术标准。它是一种三线总线，在简化引脚封装的器件中，采用改进的二线串行操作模式，符合1 2 c 总线协议。其特点如下【7 】：( 1 ) 数据传输采用串行方式，只需2 条线，一条时钟线，一条数据线；( 2 ) 主从结构，可以有多个从器件同时挂到总线上；( 3 ) 数据传输的控制方式最简化，串行数据与应答复用数据线；( 4 ) 器件的外围引脚比较简单。在s c c b 总线中，o m n i v i s i o n 相机芯片作为从器件连接在总线中，总线中1 7电子科技大学硕士学位论文可以并接多片相机芯片，微控制器在总线中作为主机对相机芯片进行控制，总线中只能有一个主机。一个可选的挂起控制信号使主机能够控制整个s c c b 总线系统处于掉电方式，三线总线系统的连接方式如图所示：图2 - 6s c c b 总线三线应用连接框图注：s i o _ c ：串行总线时钟信号s i o _ d ：串行总线数据信号s c c b _ e ：串行总线使能禁止信号改进的二线制串行操作模式应用只允许主机与一个从器件连接。二线总线系统的连接方式如图所示：图2 7s c c b 总线二线应用连接框图1 、起始和停止时钟和数据线均为高电平表明总线空闲：时钟s i o c 保持高电平期间，数据线s i o d 由高电平向低电平变化是起始状态；时钟s i o c 保持高电平期间，数据线s i o d 由低电平向高电平变化是终止状态。时序定义如图所示：第二章数字水印检测系统的硬件设计与实现s i o _ _ c 1 弋厂一弋厂；uu s i o _ d 1l _ 一一、ir起始条件结束条件图2 - 8 串行总线起始结束条件2 、数据传输时序s c c b 总线的每次数据传输，都是以起始条件作为传输的开始，以结束条件作为传输的结尾。一次数据传输由若干传输段构成，一个传输段包括一个8 位的数据传输和一个应答位或者不必关心的一位，这主要取决于是读还是写。对于主设备来说，提供从芯片i d 和片内地址及写数据的传输段都是写，传送8 位后主设备释放数据总线，由从设备给出低电平应答信号，对于主设备来说如果确认传输没有错误就可以不关心这一位：而主设备读数据时，在接收到8 位后，应给出应答信号。数据传输时，首先传输字节的高位，在时钟s i o c 的低电平期间数据可以改变，在时钟s i oc 的高电平期间要求数据稳定。数据的传输时序如图所示：图2 - 9s c c b 总线数据传输时序图s i os i o起始传输结束传输1 - 、几1 厂一、八一门厅一弋 二二二虹 i 厂d 7d 6x3 、s c c b 总线数据传输模