（通信与信息系统专业论文）基于arm的数字水印商标检测仪的设计与实现.pdf

硕士论文基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 摘要 i y 2 0 61613 i i i l l ll ll 1l l lll l li i 本文针对目前市场上假冒伪劣商品泛滥的实际问题，提出了一种检测商标水印真伪 的便携式检测仪的实现方案。 该检测仪的硬件构成以s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器为核心，外围扩展u s b 、人机对话接口 等。使用摄像头完成图像采集，将采集数据传输到微处理器中处理和检测，若检测仪检 测到商标图像含有水印信息，则显示检测成功的结果；否则，显示检测失败结果，并给 予警告提示。 该检测仪的软件实现是在l i n u x 操作系统平台上完成，需要搭建嵌入式交叉编译环 境，为图像处理的软件实现构建平台。软件主要实现商标图像的采集、商标图像的预处 理以及数字水印的检测。图像预处理包括图像的灰度化、除噪、校正等，水印检测采用 d c t ( 离散余弦变换) 和d w t ( 离散小波变换) 相结合的算法实现数字水印的提取和检测， 从而判别商标的真伪。经m a t l a b 仿真工具仿真，发现该水印检测算法抗几何攻击能 力较强，对于版权保护具有一定的实用价值。该监测仪具有高可靠性、体积小、操作方 便、实用性强等特点，对于版权防伪具有重要意义。 关键字：商标检测仪，数字水印，d w td c t ，嵌入式 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ec u r r e n tc o m m o d i t ym a r k e r sc o u n t e r f e i t sa n di n f e r i o rp h e n o m e n o n , t h i sp a p e r p r e s n t sad e s i g no fp o r t a b l ei n s t r u m e n tf o rd e t e c t i n gt r a d e m a r k 、耐md i g i t a lw a t e r m a r k t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h i s d e t e c t i n g i n s t r u m e n ti s c e n t e r i n g i n $ 3c 2 410 m i c r o p r o c e s s o r , e x p a n d i n gp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ，s u c ha su s b ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n a n ds oo n t h i sd e t e c t i n gi n s t r u m e n tc o m p l e t e si m a g ea c q u i s i t i o nu s i n gc a m e r a a n dt h e c o l l e c t e di n f o r m a t i o nb yc a m e r aw i l lb et r a n s m i t t e dt om i c r o p r o c e s s o rf o rp r o c e s s i n ga n d d e t e c t i n g i ft h ed e t e c t i n gi n s t r u m e n td e t e c t st h er i g h tw a t e r m a r ki n f o r m a t i o nf r o mt r a d e m a r k , i ts h o w ss u c c e s s f u lo u t c o m e i fn o tt h ed e t e c t i n gi n s t r u m e n gw o u l ds h o wf a i l e dr e s u l t sa n d g i v ew a r n i n g s o f t w a r ei sf i n i s h e di nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m s ob u i l d i n ge m b e d d e d c r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n ti st ob u i l ds o f t w a r ep l a t f o r mf o ri m a g ep r o c e s s i n g s o f t w a r ei st o a c h i e v et h et r a d e m a r ki m a g ea c q u i s i t i o n , i m a g ep r e p r o c e s s i n ga n dd i g i t a lw a t e r m a r k d e t e c t i o n i m a g ep r e p r o c e s s i n gi n c l u d e si m a g eg r a y i n g ，n o i s er e m o v a l ，i m a g ec o r r e c t i o na n d s o0 1 1 w a t e r m a r kd e t e c t i o ns o f t w a r ec h o o s e sac o m b i n a t i o no fd c t ( d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ) a n dd w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) a l g o r i t h ma st h ed e t e c t i n ga l g o r i t h mo ft h i s d e t e c t i n gi n s t r u m e n tf o re x t r a c t i n ga n dd e t e c t i n gw a t e r m a r k t h e nw ec a nd i s t i n g u i s ht h e a u t h e n t i c i t yo ft r a d e m a r k b yu s i n gm a t l a bs i m u l a t i o nt o o l si nt h i sp a p e r , w ef i n dt h a tt h e w a t e r m a r kd e t e c t i o na l g o r i t h mh a ss t r o n g e ra b i l i t yt oa g a i n s tg e o m e t r i ca t t a c k ，a n di ta l s oh a s s o m ep r a c t i c a lv a l u ef o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n t h ed e t e c t i n gi n s t r u m e n ti sc h a r a c t e r i z e db y l l i g hr e l i a b i l i t y , s m a l ls i z e ，e a s yo p e r a t i o na n dg o o dp r a c t i c a b i l i t yf o ra p p l i c a t i o n t h e d e t e c t i n gi n s t r u m e n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rc o p y r i g h ta n t i c o u n t e r f e i t k e y w o r d s ：t r a d e m a r kd e t e c t i n gi n s t r u m e n t ，d i g i t a lw a t e r m a r k , d c td w t ，e m b e d d e d i i 硕士论文 基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 1 绪论 近几年，假冒伪劣产品泛滥，其危害设计到社会的方方面面。并且假冒产品不断向 高智能、高科技方向发展，已逐渐形成集团化、规模化，假冒伪劣产品对社会危害越来 越严重，不容忽视，其势头发展迅猛，已引起相关部门的重视。因此解决假冒伪劣商品 问题已是迫在眉睫。 经研究发现，数字水印技术是解决假冒伪劣商品问题的有效手段之一【。数字水印 属于信息隐藏技术的一部分，利用数字内嵌的方法将水印信息嵌入到商品的商标图像 中，用于证明该产品的原创作者的所有权，并可作为起诉非法侵权、鉴定产品真伪的证 据，同时还可以通过对数字水印信息的检测及分析，确保产品商标的信息可靠性和完整 性。 如今，数字水印技术在很多方面己广泛应用，正是由于该技术在多方面的广泛应用， 使得该技术成为当前信息安全研究领域发展最快的热点技术之一，已受到各界的高度关 注。所以，对数字水印技术进行研究不但具有重要的学术意义，同时还具有很重要的实 用价值。 1 1 课题背景和研究意义 造假自古有之，假冒商品遍布全世界。据不完全统计，每年伪造的美元有2 0 亿， 全世界假护照有3 0 0 万。关于名牌产品，其商标的伪造问题也是非常严重的，根据有关 的资料表明，其每年的交易金额高达约5 0 0 亿美元。据估计，2 0 国集团内部盗版产品的 价值可能会从2 0 0 8 年6 5 亿美元激增至2 0 1 5 年的1 7 7 万亿美元，将会造成1 2 5 0 亿美 元的经济损失。 在我国，1 9 8 7 到1 9 9 6 年间，海关查获了价值相当于2 7 7 亿元人民币的走私案。1 9 9 9 年第四季度，国家质量技术监督局对2 8 3 家企业进行了问卷调查，该问卷调查结果表明， 其中每年1 8 2 家企业专门用于打假的费用总额达到2 4 2 亿元人民币，2 2 2 家企业专门从 事打假工作的人员共有1 6 7 6 人，平均下来，每个企业大约有7 至8 个人员专门从事打 假工作；1 6 0 家企业遭遇假冒伪劣商品侵害，在1 9 9 8 年损失产值9 5 7 5 亿元人民币，损 失产值占当年总产值的1 1 1 2 ，年利税损失达到1 3 1 6 亿元人民币，占当年总利税的 7 8 5 ；以上统计数据仅仅是对2 0 0 多家企业的调查结果。 假冒伪劣商品主要有食品、各种名牌烟酒【2 1 、品牌服装、化妆品、药品、洗涤用品、 种子、机械器件等。据统计，1 9 8 5 至1 9 9 4 年间，我国共发生假酒中毒案件2 0 余起，造 成上百多人死亡，上千人中毒。据估算，我国仅一年时间，因假冒伪劣商品所造成的经 济损失达到1 3 0 0 多亿元人民币；假冒伪劣商品通过非法的市场销售行为进行销售，不 i 绪论 硕士论文 仅败坏了我国出口商品的信誉，同时也致使国家税收大量流失；假冒国外的名牌产品， 不仅会损害国家形象，也会对国外名牌产品生产企业在我国是否进行投资造成影响，最 终会致使国家失去一部分引进外资和国外先进技术的机会。 近十年来，我国的假冒伪劣商品十分猖獗，并不断发展蔓延，如今已得到相关部门 和政府的高度重视。数字水印技术是信息隐藏领域的一个重要分支，该技术为版权保护 及产品防伪等提供了一种有效的手段 3 1 。数字水印防伪技术具有易识别、易分辨、安全 可靠、检测提取易操作、难以伪造、成本相对较低等特性，它既不需要增加用户的固定 资产投资，也不需要用户使用特殊材料，更不需改变技术工艺流程，也不会增加成本( 数 字水印技术成本低) ，仅需要通过专用软件进行处理，就可将用于防伪的水印信息嵌入 到商标图像中，然后通过特殊的机读设备或软件来提取、检测出水印信息，进而有效判 断商标真伪，实现版权保护功能及产品防伪。 1 2 国内外研究现状及进展 数码防伪技术是常用的产品防伪技术。但该防伪标识本身的技术含量较低，查询率 也不高，标示方法单一，在市场上没有响应的机器识读。而数字水印技术是唯一可以跨 媒体应用的信息安全与防伪技术，防伪技术含量较高，投资少，保密性强，技术升级快， 具有与现有防伪技术相兼容的特性和充分的安全性。 数字水印技术是解决假冒伪劣产品问题的有效手段，作为该领域一个新的研究方 向，有着良好的发展前景【4 】。数字水印真正流行于2 0 世纪9 0 年代初期，到现在，已得 到了飞速发展。 目前对数字水印进行研究的单位既有学校，也有企业及政府等。第一届信息隐藏学 术研讨会，于1 9 9 6 年5 月3 0 日一6 月1 日在英国剑桥牛顿研究所召开，到现在，已举办 了三届。相关专题在i e e e 以及s p i e 的一些重要会议上都有开辟。在国外，i b m 公司 在其“数字图书馆揿件中就提供了数字水印功能，a d o b e 公司也在自己的产品p h o t o s h o p 软件中集成了d i g i m a r e 公司提供的数字水印插件。美国、日本、荷兰等，已研究用于防 伪的数字水印技术，其中，以麻省理工学院为代表的一批研究机构已申请了数字水印方 面的专利。在德国，已研究了在打印和印刷的纸质介质中嵌入水印信息的技术，这种技 术使用计算机的专有软件，可以将水印信息打印并隐藏于证件中，当检测证件真伪时， 利用专用的检测设备便可检测出真伪。在英国，s i g n u m 公司推出的i p a k 软件，将不可 见的水印信息嵌入到包装或商标上，防止商标盗版。 在我国，已有相关部门研究人员投入到了对水印的研究工作。比如大连理工大学将 数字水印技术应用于印刷防伪，在该方面的研究已经取得了富有成效的成果。学术界对 数字水印技术也引起了学术界的兴趣，该技术在学术界的研究也相当迅速，现已有一批 相当有实力的研究机构投入到数字水印技术的研究工作中，其中包括清华大学，中国科 2 硕士论文基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 技大学，北京理工大学，中国科学院，北京电子技术应用研究所，上海交通大学等单位。 目前，我国学术领域的相关技术研究水平并不落后，与世界水平相比差距不大，况且已 经形成了自己的研究思路。 目前，随着用于产品防伪的数字水印技术不断完善和普及，对于便携式的数字水印 检测设备有了迫切需求。因此实现这种便携式数字水印检测设备，具有一定的实用价值。 1 3 论文的目的及主要内容 基于市场上烟酒假冒商品泛滥的现状，以及数字水印防伪技术的特点和优势，对产 品的商标使用数字水印技术，将水印信息嵌入到商标图像中，然后采用专门的检测仪来 检测，提取出水印信息，从而判断商标真伪。此检测仪应具有使消费者和管理者在市场 上方便流通，检测方便、快速，并能有效提高检测查询率等特点。 基于以上要求，我们对检测仪选型进行考虑，选择a r m 系列，扩展一定的外围接 口，用以满足检测仪携带方便、检测查询率高效的要求。在对产品商标图像进行水印检 测之前，需要结合图像处理技术，对产品商标图像进行一定的图像处理，然后再对处理 后的商标图像进行水印检测。对于数字水印检测算法，考虑到水印要具有商标防伪效果， 要求具备不可见性等特点，使用m a t l a b 工具对水印算法进行仿真，最终选择抗几何 攻击能力较强的水印算法。在硬件基础上，选用l i n u x 操作系统，建立交叉编译环境， 在构建好的平台上，采用c 语言实现数字水印算法。 1 4 论文组织结构 全文主要有以下五个部分： ( 1 ) 主要介绍课题选择的背景、意义、国内外发展现状及课题设计的目标。 ( 2 ) 数字水印技术基本概述。 ( 3 ) 检测仪的硬件设计。以$ 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心，扩展一定的外围接口，主要 包括图像采集模块、人及交互模块等，实现检测仪的硬件设计。 ( 4 ) 检测仪的软件设计。主要介绍检测仪的软件平台的构建和数字水印算法的软件 实现。软件平台构建包括b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核、根文件系统的编译、调试和移植； 数字水印算法软件实现，主要通过m a t l a b 软件仿真结果的对比，选择抗几何攻击较 好的水印算法，并在l i n u x 操作系统下用c 语言实现算法的软件设计。 ( 5 ) 实验测试结果，根据测试结果，给予分析。 ( 6 ) 最后对工作进行了总结与展望。 3 2 数字水印技术硕士论文 2 数字水印技术 数字水印技术5 1 是信息隐藏技术6 1 研究领域的一个分支，数字水印技术将水印信息 嵌入到数字产品中，用于证明产品的所有者，并且该技术可作为起诉非法侵权、鉴定产 品真伪的证据。 2 1 数字水印特点 ，数字水印有很多特性忉，衡量一个数字水印系统的好坏，通常从以下几个特性考虑。 ( 1 ) 鲁棒性 鲁棒性也称为稳健性，指对嵌有水印信息的作品进行各种攻击或各种有意或无意的 信号处理后，数字水印信息的可提取性或可检测性。水印的鲁棒性一般包含两个方面， 一方面是水印对非恶意攻击( 即常规攻击) 的鲁棒性，该类攻击主要包括滤波、有损压缩、 噪声干扰等；另一方面是水印对恶意攻击( 即几何攻击) 的鲁棒性，该类攻击主要包括平 移、缩放、旋转等。水印系统的鲁棒性是指系统承载常规处理的能力，而实际上一个系 统不可能经受住任意攻击，目前水印系统的抗几何攻击能力较差，比较难处理。 ( 2 ) 不可感知性 不可感知性也称为保真度。水印的不可感知性是指人眼无法察觉到水印信息的存 在，它的不可见性是相对于被保护的数据而言的，也就是水印的存在以不明显干扰被保 护的数据为前提。 ( 3 ) 嵌入容量 嵌入容量有时也叫嵌入率、有效载荷或加载率，指在一个作品中或在单位时间内最 多可以嵌入水印信息的比特数。通常来说，水印嵌入容量越大越好，容量越大，嵌入的 水印信息就越多，况且，当预嵌入的水印信息量较少时，还可以通过采用纠错编码等技 术来减少提取水印的误码率。但对水印算法而言，嵌入的水印信息量越大，水印的鲁棒 性就有可能受到影响，所以，在实际应用中，要尽量使水印嵌入容量和鲁棒性两者之间 平衡。 ( 4 ) 安全性 不同的应用对安全性的要求也不同。对于版权保护，水印的安全性是在恶意攻击后， 数字水印仍能够被准确提取和鉴别出来，为版权保护或者完整性保护提供清晰的结论。 ( 5 ) 无损性 无损性是指水印的嵌入不能损失载体的原有信息，确保水印载体原始信息的完整 性。 4 硕士论文基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 2 2 数字水印攻击类型 数字水印主要攻击方法可分为以下四类：去除攻击、几何攻击、密码攻击以及协议 攻击【引。 ( 1 ) 去除攻击 去除攻击就是将水印作品中的水印信息完全去除。常规攻击( 降噪、量化、有损压 缩等) 和共谋攻击都属于去除攻击。 常规攻击也称为简单攻击，一般采用图像处理操作就可做到简单攻击，比如重采样、 重量化、模数转换等。去除攻击可将载体图像中的水印信息基本消除或完全消除掉，从 而使得检测系统无法提取或检测到水印信息。 去除攻击中最为典型的攻击方法当属共谋攻击，它将多个含有水印信息的图像进行 统计，利用这些统计信息对水印进行攻击。研究表明攻击者只需使用1 0 个左右含水印 信息图像的拷贝，就可利用共谋攻击成功地去除掉水印信息。 ( 2 ) 几何攻击 几何攻击一般是对含水印图像进行各种投影变换等几何操作，可以对局部进行攻 击，也可以对全局进行攻击，几何攻击主要包括旋转( r o t a t i o n ) 、缩放( s c a l e ) 、平移 ( t r a n s l a t i o n ) ，简称r s t 。其他的几何攻击还包括有剪切、反转等，以及这些攻击方法的 多种组合。几何攻击简单易行，它对水印算法威胁很大，一般简单的几何攻击往往都能 造成水印的丢失，甚至载体图像的损坏，对水印有效性影响极大。 ( 3 ) 密码攻击 密码攻击是指从含水印作品中减去分析得到的水印，其攻击的目的是破坏水印算法 的安全性，使当前检测器无法检测到水印。密码攻击包括穷举搜索攻击和所谓的o r a c l e 攻击，穷举搜索攻击对嵌入的水印信息进行强力搜索，尝试获得水印；而o r a c l e 攻击则 是通过破坏嵌入的水印实现攻击目的。 ( 4 ) 协议攻击 协议攻击侧重于攻击水印应用协议，造成水印应用混乱，其最终目的是使水印在认 证时无法判定真伪。 2 3 数字水印工作过程 数字水印的工作过程主要包括数字水印的嵌入、数字水印的提取和数字水印的真伪 评估三个部分，其实现过程如下。 2 3 1 数字水印的嵌入 水印的嵌入是在密钥k 的控制下，通过数字水印嵌入算法，将需要嵌入的水印信息 嵌入到要保护的原始商标图像中，生成新的商标图像就是含有水印的商标图像。其水印 5 2 数字水印技术硕士论文 嵌入过程原理图如图2 1 所示。 图2 1 数字水印嵌入原理图 数字水印嵌入的具体过程，就是将数字水印信号w - 、啾) ) 嵌入到原始图像x = x 中，生成含有水印信号的水印图像x w = x w ( k ) ) 【9 】。比较常用的嵌入公式有加法和乘法准 则，分别表示如式2 1 和2 2 所示。 x w ( k ) - - x ( k ) + w ( k )( 2 1 ) 姒k ) = x + a w ( k )( 2 2 ) 其中a 是水印嵌入强度，对于图像，在空间域中x 可以是像素值，在变换域中x 可以是 变换域的系数值。对于本文我们需要鲁棒性较好，抗几何攻击能力较强的水印。相对于 空间域的数字水印算法，基于变换域的数字水印算法有较强的鲁棒性，且抗几何攻击能 力较强，所以本文选用变换域的数字水印算法。 2 3 2 数字水印的提取 通过密钥k 和数字水印提取算法( 非盲水印算法中要用到原始图像) ，可提取出带水 印的图像中含有的水印信号，图2 2 所示为数字水印提取过程原理图。 ：原始图像： 图2 2 数字水印提取过程原理图 图中的原始图像并不是必需的，对于盲水印算法，不需要原始图像。盲水印算法更符合 人们的要求( 不需要原始图像) ，具有较大的使用价值。 2 3 3 水印的真伪评估 水印的真伪评估原理图如图2 3 所示。 6 硕士论文基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 图2 3 数字水印真伪评估原理图 由于待测图像会受到常规或几何攻击，所以从中提取出的水印信号与原始水印相 比，会有一定的变化。所以要判断待测图像中是否含有数字水印信号，只需计算提取出 的水印信号与原始水印信号的相关度，然后根据相关度的值便可判断出待测图像中是否 含有真确的水印信息。 2 4 数字水印系统性能评估标准 水印系统的评估一般考虑两个方面：透明性和鲁棒性。一般这两者相互矛盾。一般 情况下，嵌入强度越强鲁棒性就越好，而透明性就可能相对越差。所以要对这两者综合 考虑，折中处理。经常使用的水印评估参数有峰值信噪比和相关系数。 ( 1 ) 峰值信噪比p s n r ，用来衡量嵌入水印的能力，它的值越高，表明水印透明性 越好。 。 p s n r = 1 0 l 0 9 1 0 矿笋堕盟 ，) 一x u ，) 】 i = ij = l 式中，x ( i j ) 与x ( f ，歹) 均表示坐标为( i j ) 的像素点的灰度值，而x ( i j ) 表示原始图像中 的灰度值，x ( f ，) 表示含水印图像中的灰度值；m ，n 则分别为图像的行、列像素值。 ( 2 ) 归一化相关系数n c 。检测含水印信息的图像中的水印信号形，计算与原始 水印信息w 之，间的相似性。归一化相关系数计算公式为： mn 形o ，j ) w ( f ，歹) n c - - 旦等百一 w ( i ， f ；lj = l 其中w 表示原始水印信号，形表示从含水印图像中提取出的水印信号。 7 3 数字水印商标检测仪的硬件设计 硕士论文 3 数字水印商标检测仪的硬件设计 3 1 检测仪硬件设计方案 3 1 1 硬件设计需求分析 对于数字水印商标检测仪的设置，首先要确定数字水印检测算法，该水印算法要具 备不可感知性、较好的鲁棒性等特点，其中，在进行水印检测前，利用图像处理技术对 商标图像进行一定的图像处理，如灰度处理、噪声处理、角度校正处理等，以便给商标 图像的水印检测提供更有效的数据信息。我们主要用此水印检测仪对产品包装上的商标 进行水印检测，对于正品的包装上的商标图像嵌入不可感知的水印信息，对于检测者， 可以使用此商标水印检测仪对产品进行检测，若该产品是正品，就能将水印信息提取出 来，从而进行检测，判断出产品的真伪；若产品非正品，对商标图像进行水印检测时； 将会检测出不正确的水印信息或者检测不到水印信息，检测仪根据性能评估给出检测结 果，判断出产品真伪。 根据以上检测仪的功能需求，基本上我们可以确定检测仪的整体工作流程为：先通 过图像采集设备对商标图像进行图像采集，然后将采集后的图像进行图像预处理，对预 处理后的商标图像进行数字水印商标检测，提取水印信息并进行检测，根据水印的检测 结果判断商品的真伪。 根据需求分析，检测仪的整体设计框图如图3 1 所示。 按键控制 上 i 商标图像采集h 微处理器h 接口模块 j 终端显示 图3 1 检测仪整体设计框图 根据以上对商标检测仪的整体设计框图，可以确定商标检测仪主要应包含的功能模 块，这些模块主要是商标图像采集模块、微处理器模块、终端显示模块、按键控制模块 以及接口模块。 ( 1 ) 商标图像采集模块。要实现商标图像的水印检测，首先要对产品包装上的商标图 像进行图像采集。这一过程需要摄像头来实现。 ( 2 ) 微处理器模块。微处理器模块主要用来实现商标图像的存储和处理功能。存储功 能主要存储商标图像采集过程及商标图像处理过程中的图像数据信息；处理功能主要 实现商标图像的预处理及商标图像水印的检测功能，采集到的原始商标图像相对 8 硕士论文 基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 于嵌入时的原始图像有旋转、缩放和移位等，为了保证水印检测结果的高精度， 商标图像的预处理就是要把采集到的商标图像进行校正，经过定位、旋转等处理， 使待检测图像像素坐标与标准图像保持一致。商标图像水印检测模块是数字水印商 标检测仪的核心处理模块。主要目的是对预处理的商标图像进行水印提取和检测，并判 断商标的真伪，从而实现版权保护，防止假冒伪劣产品的出现。 ( 3 ) 按键控制模块。主要用于实现人机交互，协调工作。 ( 4 ) 终端显示模块。终端显示模块用于显示检测结果。 ( 5 ) 接口模块。为外围设备和微处理器之间提供通信接口。 3 1 2 硬件设计方案 根据数字水印商标监测仪的硬件设计需求分析，需选择以图像处理为基础的微处理 器。本检测仪以三星公司的微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 为核心，它的内核采用的是三星公司推 出的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理器。a r m 9 2 0 t 具有m m u 、a m b a 总线以及h a r v a r d 高速缓存体系结柯，该结构具备独立的大小均为1 6 k b 的指令及数据c a c h e ，每个c a c h e 都由8 字长的行组成1 1 0 1 。$ 3 c 2 4 1 0 a 含有丰富的组件，如l c d 控制器、u s b 主从设备、 u a r t1 3 、p l l 时钟发生器等。具有一组完整的系统外围设备，可方便扩展外围接口【1 1 】， 且大大降低了整个系统的成本。检测仪的硬件设计电路图如图3 2 所示。 图3 2 检测仪硬件设计电路图 检测仪工作过程如下：首先由$ 3 c 2 4 1 0 a 启动对商标图像的采集，通过i o1 3 发送 控制信号，摄像头接收到采集信号后，, - 亡r 亥w j 对商标图像进行采集，并将采集到的数字信 号传送到s d r a m 中供微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 处理，微处理器读取s d r a m 中的数据，然 后在内部进行数据处理，将处理结果通过显示器显示或蜂鸣器蜂鸣【1 2 】。 9 3 数字水印商标检测仪的硬件设计 硕士论文 3 2 商标图像采集模块 3 2 1 摄像头的选择 随着u s b 摄像头的普及和a r m 的嵌入式芯片的快速发展，这两者的结合给广大用 户带来了便携性，使他们在广大用户中越来越受欢迎。随着两者的结合，嵌入式l i n u x 的迅速发展为二者的结合铺平了道路。在本检测仪的设计中，我们选用基于a r m 9 的嵌 入式l i n u x 下，用u s b 摄像头采集商标图像。 我们采用的$ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器本身集成了两个u s b 主设备接口和一个u s b 从设 备接口，所以可以采用带有u s b 接口的摄像头完成数字水印商标图像采集功能。摄像 头主要有c m o s 和c c d 两种，本检测仪采用带有u s b 接口的c m o s 摄像头【1 3 j 。 c c d 和c m o s 传感器是当前采用的两种图像传感器，两者都是把图像转换为数字 数据，主要差异是数字数据的传送方式不同。因此在效能和应用上有所不同。 c m o s 传感器采集图像方式为主动式采集，而c c d 传感器采用被动式采集，所以 c c d 传感器需要外加电压，此外加电压一般需要1 2 v - 1 8 v 。所以c c d 传感器的电源管 理电路设计较c m o s 传感器的复杂，且c c d 传感器的功耗与c m o s 传感器功耗相比较 高。除此以外，将一些周边电路( 如c d s 、d s p 等) 集成在传感器芯片中，对于c m o s 传感器来说是很容易的。因为其普遍采用的是半导体电路最常用的c m o s 工艺，所以 可以节省外围芯片的使用成本，而c c d 传感器却不容易做到这一点，所以c c d 传感器 的成本会比c m o s 传感器高。虽然c c d 传感器灵敏度高于c m o s 传感器灵敏度，但随 着技术的不断发展，许多c m o s 传感器的成像质量并不比c c d 传感器差。况且c m o s 传感器容易集成到传感器芯片中，做成芯片系统，因而可以缩小产品尺寸，相对c c d 价格较低，更适合便携式应用。 经比较，数字水印商标检测仪选用c m o s 传感器系列。嵌入式l i n u x 本身自带了采 用o v 5 1 1 芯片的摄像头，而本检测仪选用的摄像头采用的是z c 3 0 1 芯片，该款摄像头 在现如今市场上应用比较广泛。通常来说，摄像头的性能主要取决于主控芯片、感光芯 片和镜头这三个关键元器件，其中主控芯片主要是控制摄像头传输图像时的传输速度， 影响图像的流畅性。所以选择摄像头时当以图像流畅性好、清晰度高、图像质量好为参 考依据。 本检测仪采用的中星微3 0 1 摄像头，该摄像头采用c m o s 感光芯片，调焦范围是 2 0 m m ，3 0 万像素，具有5 l 度水平视角，视角具有图像色彩鲜艳、图像清晰度高等特 点。采用的图像输出格式为j p e g 格式，帧速率可达3 0 帧秒( 3 2 0 2 4 0c i f ) ，捕捉静态 图像的最大分辨率是8 0 0 x6 0 0 ，动态捕获的存储格式是m p e g 1 ( 支持音频的捕获) 、 m p e g - 4 、a v i ，硬件压缩比例为5 ：1 ，闪烁频率控制在5 0 h z f 。 该系列摄像头采用中星微生产的主控芯片z e 3 0 1 ，支持u s b l 1 接口，配以先进的 1 0 硕士论文 基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 图形处理技术，支持多种操作系统。采用硬件j p e g 压缩方式，图像处理速度相对较快。 具有很强的层次表现力、平滑的图像变化以及比较好的视觉效果，图像转换速度也较快。 3 2 2 摄像头接口 $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器内部集成的u s bh o s t 控制器支持两个u s bh o s t 通信端口， 该控制器符合u s b1 1 协议规范，同时支持u s b 低速和全速设备的连接，集成了u s b 收发器，具有支持挂起和远程唤醒功能【l5 1 。 摄像头通过图3 3 所示的u s b 接口和微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 相连接，u s b 总线协议 定义了4 条信号线，其中两条负责供电，另两条负责数据的传输。电源供电5 v ，u s b 接口应用电路图如图3 3 所示。 一：j “一_ _ ：；一弋m 晒审一r 。r ”? ；。 7 ，：； 图3 3 摄像头的u s b 接口应用电路图 图3 3 的u s b 接口，是检测仪和采集设备之间的通信接口，即摄像头通过图3 3 所 示的接口图和检测仪相连接。 3 3 数据存储模块 3 3 1f l a s h 存储设备 f l a s h ( u - 存) 是可读、可写且掉电保存数据的存储介质，是嵌入式系统中最常用的存 储设备。引导代码b o o t l o a d e r 、l i n u x 操作系统映像、文件系统以及应用程序等，一般 都存储在存储设备f l a s h 中。闪存分为n a n df l a s h 和n o rf l a s h 两种，本检测仪采用一块 n a n df l a s h 和一块n o rf l a s h ，有两种启动方式，可选择从n a n df l a s h 启动，也可选择从 n o rf l a s h 启动。 n o rf l a s h 较n a n df l a s h 容量较小，如果闪存只是用来存储少量的代码，n o rf l a s h 更合适一些。n o rf l a s h 是芯片内执行，其执行速度快，而且数据不易丢失，应用程序可 直接在n o rf l a s h 闪存内运行，不必把代码读写到r a m 中运行。但n o rf l a s h 的价格较 为昂贵，n a n df l a s h 和s d r a m 存储器的价格相对来说比较适中，而n a n df l a s h 不具有 1 1 3 数字水印商标检测仪的硬件设计 硕士论文 芯片内执行功能，存储在n a n df l a s h 中的应用程序，执行时需要将程序复制到r a m 中 运行。 3 3 1 1n a n df l a s h 存储设备 n a n df l a s h 存储器具备的特点可概括如下：( 1 ) 2 5 6 或5 1 2 b ( 字节) 为一页，4 k b 、8 k b 或1 6 k b 为一块，读和编程操作以页为单位，擦除操作以块为单位，其块擦除时间只用 2 m s ，而n o r 技术的块擦除时间却相对较长，可以达到几百毫秒。( 2 ) 可实现串行读取， 因其数据及地址采用同一总线。( 3 ) 因其具有较少的芯片引脚及较小的芯片尺寸，所以该 存储器成本最低。( 4 ) 芯片包括失效块，其数目最多可达到3 至3 5 块，虽然有效块的性 能不会受失效块的影响，但设计者需要将失效块在地址映像表中屏蔽起来。 一个典型的n a i a df l a s hk 9 f 1 2 0 8 的接口引脚定义如表3 1 所示。 表3 1k 9 f 1 2 0 8 引脚定义 引脚名称引脚说明 i o o i 0 7数据输入输出端口，可以在读周期输出数据，写周期输入数据。 r b 可用忙标志，用于控制操作的同步。 c e 片选信号 c l e 指令锁存使能端口，高电平有效，i o 口输入控制指令在n e w 引脚上升沿保存到 指令寄存器 a l e 地址锁存使能，高电平有效，i o 口输入数据在n e w 引脚上升沿保存到地址寄存 器 r e 读信号 w e 写信号 w p 写保护 v c c电源引脚 v s s 接地引脚 $ 3 c 2 4 1 0 有两种启动模式，一种是n a n df l a s h 启动，一种是n o rf l a s h 启动。若选 择从n a n df l a s h 启动，则不能对n o rf l a s h 进行读写操作。n a n df l a s h 接口应用电路图 如图3 4 所示。 1 2 硕士论文 基于a r m 的数字水印商标监测仪的设计与实现 m 5 ：rv d 3 v d a t a 0， i _ 1 0 0v c c 1 2 d a t a l3 0 i ，o lv c c 3 7 ： d a t a 23 l i 船1 2n c 2 6 d a t a 33 22 7 i ： d a t a 44 1 i d 3n c d a t a 54 2 i 幻4n c 2 8 d a t a 64 3 i d 5n c 3 31 = c 5 乏：_ _ - - - - - c 5 3 二c 5 ： d a t a 7“ i 虻晤h c 3 40 1 l 正0 1 柚f1 - - l & 1 i 幻7n c 3 5 0 2 n cv s s 1 3 。 3 nc、礴 3 6 1 4 n ch c 弼i 5 m cn c j ， ： ：f ? 6 n cn c 4 0 1 0 n cn c 4 5 l l n cn c 4 6 !v d 3 p 1 4 n cn c 4 7 ；1 5 n cn c 4 8 ： 2 0 n cr 旧 7，r 曲 2 1 n c雎 8 ，l l l 砸 怒4 ；2 2 n cc e 9h f c e ；：2 3 n cc l e 1 6c l e 2 4 n ca l e 1 7a l e ；：2 5 n cw e 1 8f w e n cw p 1 9 ：i 图3 4n a n df l a s h 接口应用电路图 $ 3 c 2 4 1 0 a 支持从n a n df l a s h 存储器的自启动( 因微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 配置了内部缓 冲器s t e p p i n g s t o n e ) ，n a n df l a s h 存储器启动之后仍可作为外部的存储器使用。n a n df l a s h 的前4 k b 代码一般放的是启动代码b o o t l o a d e r ，n a n df a l s h 将这4 k b 的启动代码加载 到内部缓冲器中，然后系统将会自动执行这段启动代码，这段启动代码将n a n df l a s h 存 储器中的内容拷贝到s d r a m 中执行【l6 1 。 要是能n a i a df l a s h 控制器为自启动模式，需配置o m 1 ：o = o o b ，且存取器页面大小 应该为5 1 2 字节，每5 1 2 字节数据产生3 字节的e c c 奇偶校验码。 3 3 1 2n o rf l a s h 存储设备 n o rf l a s h 存储器的特点有：( 1 ) 具有独立的数据及地址总线，同一芯片上可同时存 放数据及程序，具有快速的随即读写性能，从f l a s h 中读取的代码可以直接执行，而不 需要将代码先下载到s d r a m 中后再执行：( 2 ) 支持单字节及单字编程，但并不支持单字 节擦除，所以进行擦除操作时只可以以块为单位或对整片执行，在进行重新编程前，需 要对n o rf l a s h 进行预编程以及擦除操作。但由于对n o rf l a s h 进行擦除及编程时速度比 较慢，且n o rf l a s h 块尺寸又比较大，所以在进行编程以及擦除操作时所花费的时间较 长，因此在文件存储及纯数据存储的应用中，不建议采用n o r 技术【1 7 】。 一个典型的n o rf l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 1 的接口引脚定义如表3 2 所示。 表3 2s s t 3 9 v f l 6 0 1 引脚说明 引脚名称引脚说明 a m l 9 地址输入端口，扇区擦除时，a 1 9 ，a l l 用来选择扇区。块擦除时，a 1 9 ，a 1 5 用来选择块 d 0 d 1 5 数据输入输出端口，写周期内输入数据，读周期内输出数据。 c e 芯片使能端口。低电平有效。 1 3 3 数字水印商标检测仪的硬件设计 硕士论文 表3 2 ( 续) o e输出使能端口。 w e 写使能，用来控制写操作。 r s t n c 复位端口。 v d d 电源。 v s s接地。 我们前面提到，$ 3 c 2 4 1 0 有两种启动模式，若选择从n a n df l a s h 启动，则不能对 n o rf l a s h 进行读写操作。我们采用两种方式启动，既可以n a n df l a s h 启动，又可以n o r f l a s h 启动，可以选择一个连接跳线，配置o m 1 - 0 】。通过是否连接跳线帽决定是从 n a n df l a s h 还是从n o rf l a s h 启动。图3 5 是n o rf l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 1 接口应用电路图。 u 1 6；i： j； d d r l2 s 0 2 9d t 直0 ：； a d d r 22 4 ld 1 3 ld a t a l a d d r 32 3 2d 2 3 3 d a t a 2 ：5 a d d r 42 23 5d t a 3 ；：f a d d r 52 l 3d 3 3 8d t a 4：。 a d d l 强 4 d 4 4 0 d t a 5； a d d r 71 9 a 5 d 5 4 2d t a 6 i ：， a d d r 81 8 6m 4 4d t a 7 a d d r 98 a 7d 7 3 0d t a 8t ，； ； a d d r l 07 们d8 3 2d t a 9 ! ! a d d