（信号与信息处理专业论文）基于arm的数字水印商标检测仪开发设计.pdf

硕士论文 基于a r m 的数宁水印商标检测仪开发设计 摘要 本文分析了国内外数字水印以及商标防伪技术的发展历史和现状，结合当前市 场上商标伪造和仿冒十分严重的现实情况，介绍了一种嵌入式数字水印商标检测装 置。 该检测装置以a r m 处理器为核心，与采集模块，人机交互模块，传输模块相 结合。通过摄像头采集商标图像，在处理器内部进行水印图像处理和判别，最后将 检测结果、商标图片通过网络传输至终端计算机中保存以备后期的统计和处理。本 文首先分析了频域数字水印的两种算法d c t 、d w t ，结合两者的优点以及 m a t l a b 仿真提出了d c t - d w t 混合水印算法，在水印提取前对内嵌水印的图像运 用了图像旋转、倾斜校正技术，起到了较好的图像校正作用。其次介绍了检测仪的 硬件构架，以a r m9 处理器为核心，扩展了外部存储器，串口，网络接口，j t a g 口，键盘及l c d 接口等。最后介绍了l i n u x 开发平台的建立过程，并在该环境下对 图像采集、水印图像校正，水印信息的提取、检测与传输做了调试。 论文的最后对整体工作做了总结，并提出了改进办法。本文的研究结果具有很 强的实用价值，对于商标图像的防伪有重要的意义。 关键字：商标防伪，数字水印，图像处理，a r m ，l i n u x a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n d 仃a d e m a r ka n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t r a d e m a r k c o u n t e r f e i t i n gp h e n o m e n o nh a sb e e nas e r i o u sr e a l i t y ，s ot h i sp a p e r i n t r o d u c e sak i n do f e m b e d d e dd i g i t a lw a t e r m a r kd e t e c t i o nd e v i c e t h i si n s t r u m e n tt a k e st h ea r mp r o c e s s o ra st h ec o r e ，w i t ht h eg a t h e r i n gm o d u l e ， t i l em a l l m a c h i n ei n t e r a c t i o nm o d u l e ，t h et r a n s m i s s i o nm o d u l eu n i f i e d f i r s t l yt h ed e v i c e g e t sb r a n di m a g et h r o u g ht h ec a m e r a ，t h e nc a r r i e so nt h ew a t e r m a r km a a g e r y p r o c e s s l n g 柚dd e a l sw i t ht h ei m a g ei nt h ep r o c e s s o r ，f i n a l l yt r a n s m i t st h ep i c t u r ea n d t h er e s u l tt o t h et e r m i n a lc o m p u t e rt h r o u g ht h ee t h e r n e tp o r t t h ep a p e ra n a l y z e st w of r e q u e n c e d i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ：d c t a n dd w ta l g o r i t h m c o m b i n e dw i t ht h e a d v a n t a g e s o fb o t hd c t ，d w ta n dt h em a t l a bs i m u l a t i o n , w ep r o p o s e t h e d c t - d w tw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m t a k ea d v a n t a g eo f t h ea n t i - r o t a t i o na n da n t i o b l i q u e c o r r e c t i o nb e f o r et h ed e t e c t i o n ，i tp l a y sag o o dr o l e i n t h ea n t i - a t t a c k w i t ht h e i n t r o d u c t i o no ft h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，t h ed e t e c t o ri n c l u d e sa r m 9p r o c e s s o rc o r g ， e x t e n d e de x t e r n a lm e m o r y ，s e r i a lp o r t ，e t h e m e tp o r t , j t a gp o r t ，k e y b o a r d a n dl c d 缸e r f a c e i nt h ee n d ，i ta d j u s t sa n dp r o v e st h ei m a g ea c q u i s i t i o n ，w a t e r m a r ki m a g e c o i t e c t i o n w a t e r m a r kd e t e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nm o d u l e si n t h e l i n u xd e v e l o p m e n t p l a t f o r m f i n a l l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h eo v e r a l lw o r ka n dp r o p o s e si m p r o v e m e n t s t h e r e s u l to ft h i ss t u d yh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dav a l u a b l er e f e r e n c ef o r t h e s e c u r i t yt e s t i n go f t r a d e m a r ki m a g e k e y w o r d ：t r a d e m a r ks e c u r i t y ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，i m a g ep r o c e s s i n g ，a r m ，l i n u x 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他入已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 加d 年引马万日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：捌。年6 月才日 硕士论文基于a l i m 的数字水印商标榆测仪开发设计 1 绪论 随着数字制品的广泛传播和互联网技术的高速进步，加强了全球信息的交流与 发展。但是现在许多数字产品被非法的进行拷贝、篡改以及传播。由于现代技术发 展迅速，仅凭传统的信息保护的手段难以有效的保证数据的安全性，所以为了对传 统的信息保护技术进行改进，产生了数字水印技术。如今，数字印刷品在生活中十 分常见，数字印刷品的仿冒行为也越来越多。在这种情况下，将具有安全性能高而 且制作成本较低的数字水印技术用于印刷品的防伪成了一个新的研究方向。 1 1 工程背景与意义 本课题源于现代社会对数字印刷品真伪鉴定，版权保护的需求。尤其是随着产 品商标的防伪意识的不断增强，需要一种有效的防伪手段以及方便实用的检测方法 来确保消费者和商家的利益。目前，由于图像处理技术的飞速发展，使得商标，货 币等专用印刷图像的伪造变得很容易，对整个社会造成了巨大的经济损失。 现在通过伪造商标来假冒商品的范围很广，尤其是在名烟、名酒和药品等价格 较高的产品中，假冒伪劣产品的现象更为严重。据资料显示，每年由假冒商标、票 据等印刷品造成的损失为1 7 0 0 亿2 0 0 0 亿美元，大概占世界贸易总额的2 5 。 从上世纪9 0 年代开始，制假、售假等违法所得增长率已经超过了4 0 0 5 0 0 。由 现在的情况分析，世界范围内制假和售假行为仍然会持续下去。就我国而言，假冒 伪劣产品在我国一直难以杜绝并有迅速增长的态势。根据相关统计，我国每年因假 票据、假商标、假证件的伪造产生的价值约为2 0 0 0 3 0 0 0 亿元，对国家造成的直接 经济损失高达1 0 0 0 亿元。在2 0 0 0 年的一项检验中，抽查了2 8 3 家名牌产品的生产企 业，共有6 5 0 多种产品存在假冒产品，给这些企业造成了几十亿的直接经济损失。 鉴于假冒商品泛滥的现状，我国的防伪技术产业迅速发展，并得到了国家的高 度重视。前国务院副总理邹家华曾指出：“采用防伪标志，这是打击假冒伪劣产品 的一个好办法，可能走出一条路。目前，为了起到商标防伪的作用所采用的技术 主要有防伪编码技术和激光防伪技术，但由于其核心技术已经广泛传播，导致一些 企业反而采用这些技术来制造假冒商标，另外这些技术都为观察类防伪，一般都是 通过入的视觉去辨别真伪，可靠性不高。因此，应该使用一种更加安全可靠的技术 来实现商标防伪。数字水印技术就是种安全高效的信息隐藏和信息保护技术，能 够应用于多种媒质载体中且具有不可见性，在制作过程中加入了密匙，只有持有密 匙的人才能正确的检测出结果，数字水印的这些特性，正好弥补了前两种方法的不 l 绪论硕士论文 足。所以将数字水印技术应用于商标的防伪在当前社会的发展中有十分重要的意 义。如果能结合相关硬件，研究设计出一种便携式的、高效率、高可靠性、有良好 人际交互环境的设备，能有效的检测商标真伪，那就可以辨别产品的真伪，具有一 定的社会需求和价值。 1 2 国内外研究现状 数字水印技术是信息隐藏技术和版权保护领域的一个新的研究方向。图像数字 水印技术是以纸质印刷品为载体，在此载体中嵌入预先选择好的水印信息，对于嵌 入到印刷品中的水印信息，可以通过特殊的处理装置或者软件来检测、提取。该技 术在信息安全领域、国防科技领域、多媒体及印刷品出版领域都有较高的实用价值 和经济价值； 9 0 年代初，国际上就开始对数字水印技术进行研究。从1 9 9 4 年世界上第一次信 息隐藏会议召开至今，也陆续举办了很多次研讨会。国内也举办了几次数字水印技 术的研究会议，促进了数字水印技术的发展【1 l 。就数字水印技术在商标等印刷品领 域的应用而言，英国s i g n u m 公司推出了一款名为i s e c 的v e f i d a t a 工具软件，该软 件运用了高效的数字水印算法可以向如商标、债券、支票等印刷品中嵌入人的感官 不可感知的重要信息以阻止伪造、更改等非法行为。通过v e f i d a t a 的软件工具，可 以简便的进行检测；瑞士的a i p v i s i o n 【2 】公司设计了名为s a f e p a p e r 的软件，该软件可 以将水印信息嵌入相应的印刷产品中，以辨别产品的真伪。德国的f r a u n h o f e r 公司 和i p s i 研究所研究出了数码图片水印技术。利用此项技术，该研究所开发了配套的 软件，用来检索对应产品的图片水印，辨别其真伪。我国的科研人员也加大了对数 字水印技术的研究投入，并初具成效。大连理工大学成功实现了在印刷品中嵌入水 印，并能够通过扫描仪和专用软件实现水印信息的检测。但是现在国内外大多是将 半透明水印嵌入商标内，通过人的视觉在阳光、x 光等条件下发现水印来辨别真伪， 这种方法安全系数低，客观影响大，可靠性差，并没有真正通过相关技术解出水印。 即使一些商标应用了透明水印嵌入技术，并可通过相关检测软件，扫描仪等设备提 取并检测水印，其实现过程也不便利，具有设备成本过高，携带不便等不足，难以 普遍应用。因此，就迫切需要一种便携式的，性能较好的数字水印提取检测装置。 如今，数字水印技术的作用已经得到了世界范围的关注和肯定。各国的科研机 构、公司都加大了对这一技术的投入。数字水印技术不但在静态图像产品领域中得 到了广泛的应用，也被应用到了如音频、视频等多媒体领域中去。 1 3 论文主要内容以及章节安排 经过对数字水印商标检测仪研究和设计，下面归纳本文主要完成的工作： 2 硕士论文基于a r m 的数字水印商标检测仪开发设计 ( 1 ) 对数字水印的发展和现状做了一定的了解，通过查阅参考资料，明确了图 像数字水印的实现过程。 ( 2 ) 介绍了数字水印商标检测仪的整体结构框架并对各模块进行了分析。 ( 3 ) 对数字水印技术中常用的两种频域算法：离散余弦变换水印和离散小波变 换水印做了深入分析，最终结合两者优点，提出了d c t d w t 混合数字水印算法， 结合旋转倾斜校正等方法对算法进行改善，并通过m a t l a b 仿真得到了较好的结 果。 ( 4 ) 以$ 3 c 4 2 1 0 为核心处理器，扩展外围电路完成了数字水印检测仪的硬件设 计。 ( 5 ) 介绍了在a r m 硬件平台上搭建了l i n u x 开发环境，并在此平台上调试了对 应的程序模块。 ( 6 ) 设计人机交互界面，控制模块，并通过网络接v i 模块将商标图片和检测结 果从检测仪传送到p c 机。 全文的内容安排如下： 第1 章综合概述了本设计的背景以及国内外数字水印技术的历史和发展现状。 第2 章叙述了数字水印技术基本框架以及性能评估手段。 第3 章介绍了数字水印商标检测仪的设计思路和方案，并介绍了检测仪的系 统结构。 第4 章结合d c t 变换和d w t 变换提出了一种d c t d w t 混合数字水印算法 并且对算法进行了仿真。 第5 章阐述了数字水印商标检测仪的硬件架构，以$ 3 c 2 4 1 0 为核心扩展了外 部电路以及各种接口。 第6 章论述了嵌入式l i n u x 在a r m 上的移植，包括b o o t l o a d e r 、交叉编译环 境等。介绍了水印检测的图像采集、过程控制、图像预处理、水印检测、传输等软 件的编写。 第7 章进行系统的功能测试，对检测结果进行了评估。 第8 章对本文的工作进行总结，并提出了设计中需要改进的方面。 2 数字水印相关技术 硕士论文 2 数字水印相关技术 2 1 数字水印定义及类型 2 1 1 数字水印的定义 数字水印技术是将一些重要信息直接嵌入数字产品载体中，嵌入完成以后，水 印信息不可被人的视觉、听觉等感官所感知。在嵌入过程中加入密匙信息，只有密 匙信息的持有者才可以提取出水印信息。通过提取隐藏在载体内的水印信息，和原 水印信息进行相似度检测等手段来辨别产品的真伪。数字水印通常具有不可见性， 安全性和鲁棒性等特点【3 】。如今，数字水印技术已经成为信息隐藏技术的一大分支， 并且被广泛应用于版权保护、产品防伪和安全通信等领域。 2 1 2 数字水印的分类 数字水印按其不同方面的特性，主要有以下几种分类： ( 1 ) 鲁棒数字水印和易损数字水印：鲁棒数字水印用来在数字制品中嵌入和产 品的基本信息相关的内容，并且要求能够抵抗一些以破坏水印为目的的攻击，易损 水印的目的是使得嵌入水印的载体受攻击其数据发生变化的同时水印信息也一起 改变，这样就可以检测出原载体是否经过非法的篡改。 ( 2 ) 盲水印和非盲水印：盲水印的检测不需要原始数据，而非盲水印的检测需 要原始数据才能完成。 ( 3 ) 空域水印和频域水印：空域数字水印指在信号上直接加上水印，而频域数 字水印是指在变换域嵌入水印。经过大量实验论证，相比空域数字水印而言，频域 数字水印具有更大的水印容量更好的不可见性以及鲁棒性，所以本文中主要研究频 域上的数字水印。 2 2 数字水印的基本技术 2 2 1 数字水印的基本框架 如果将水印系统看做一个通信系统，嵌入水印信息的过程可以认为在带宽较宽 的信号上传送一个窄带信号。水印的检测过程就是一个有噪信道中弱信号的检测的 过程【4 5 1 。 数字水印方案可分为水印信号生成、水印嵌入和水印提取检测三部分。水印嵌 入阶段的设计主要涉及两个问题：首先是根据实际需要生成水印信息，其次是确定 水印嵌入的算法，一个好的水印嵌入算法要在水印的透明性和鲁棒性之间寻找恰当 4 硕士论文 基于a r m 的数字水印商标检测仪开发设计 的平衡点，做到两者的折中。并且所选择的嵌入算法能够抵抗各种水印攻击手段。 一般来说，水印的提取阶段就是水印嵌入的逆过程。通过水印提取过程得到的水印 信息是否为原水印或者通过水印性能评估参数来判断水印的真伪，水印检测方案的 目标是使错判与漏判的概率尽量小。 当前根据不同的需要，有很多种数字水印算法。比较常见的有空域算法：即将 水印嵌入到图像中能量较低的部分中去，此算法的透明性较好，但鲁棒性差。变换 域算法：对图像进行频域变换后选择合适的嵌入强度，将水印信息嵌入变换系数中， 其水印提取过程为嵌入的逆过程。频域算法能有效的抵抗滤波，压缩等攻击。压缩 域算法：基于j p e g 和m p e g 标准的算法，是在压缩数据中进行水印的嵌入和提取操 作，压缩域算法节省了解码和编码的过程，在数字电视广播中应用广泛。 2 2 2 水印信号的生成 水印信号w 包含了一些隐藏信息，这些信息经过相应的加密处理后，使得水印 信号具有不可逆性、有效性、相关性等特点，水印载体中可内嵌名称，用户信息， 产品图标等信息。水印信号生成过程中可采取图像置乱技术，将原来水印信息安一 定规律打乱，在检测端提取水印信息后，再将它恢复，整个系统就更加安全。 2 2 3 水印信号的嵌入 水印信号的嵌入过程框图如图2 2 1 所示。 图2 2 1 水印信号的嵌入过程 将水印信息嵌入原始信息的过程中可以加入密匙。密匙有公匙和私匙两种，公 匙是用来加密的。私匙用来解密，自己持有。密匙的加入加强了系统的安全性，以 保证只有持有经授权的密匙的人才能更改和正确提取水印。 对于水印信号的嵌入，通常有两种嵌入规则：加法嵌入和乘法嵌入，具体规则 如下。 x w = x o + h w ( 2 1 ) x w = x o ( 1 + h w ) r ，、 水印加权系数h 代表了嵌入的水印信息的能量强度。系数h 越大表示水印的能 量越强，其鲁棒性也就越好，但是同时它的透明性变差，容易被人所感知，所以在 选择系数h 时要通过大量统计实验决定。通常系数h 可以根据h v s 的时域或者变换 2 数字水印相关技术硕士论文 域的门限值来决定。 设计数字水印嵌入的算法时，也需要考虑其他因素，如嵌入水印的时域或者频 域的选择。时域水印主要是指改变图象的像素的一些特征值，直接在载体信号的时 域嵌入水印信息，时域水印比较简单，但其鲁棒性差，所以现在大多数都采用变换 域水印。变换域水印是事先对载体进行相应的变换，然后在变换域中嵌入信息，具 体的变换方法如小波变换，离散傅里叶变换，离散余弦变换等。 和时域的数字水印相比，变换域上的水印算法【6 1 7 】的透明性好、并有很好的鲁棒 性。从人的视觉角度来分析，图像的低频以及中频分量可以很明显的被感知，原因 是在图像中能量主要集中在这一区域。如果把水印信号嵌入低频和中频的变换系数 上就能有效抵抗信号处理攻击，因为在信号处理过后图像仍较好的保持了其含有主 要能量的部分。但是由于这部分能量较为集中，不能嵌入较强的信号。图像的高频 分量主要显示细节和边缘信息，图像的压缩主要针对这一部分进行，因此不适合嵌 入水印，为了兼顾水印的鲁棒性和透明性，对于嵌入的信息以及区域要有很好的选 择。水印嵌入的频域选择对整个水印系统的性能至关重要，要通过反复实验最终选 择最佳的方案。 2 2 4 数字水印的抽取和检测 水印抽取和检测过程框架如图2 2 2 所示。 图2 2 2 水印抽取检测过程 水印提取和检测是水印嵌入的逆过程，根据实际的需要来判断水印是否存在或 者将嵌入的有用信息直接通过提取技术解出来以备进一步的检测处理。水印提取过 程只需按嵌入过程的逆操作即可，鉴于盲水印检测的优势，本设计就采用盲水印检 测。水印检测过程中存在两种错误【s j 。 虚警：将原来无水印的错判为存在水印。 漏警：将存在水印的错判为无水印。 水印检测结果总会存在一定的错误概率，可以通过最小错误概率准则、贝叶斯 准则等判断出检测结果的可信度范围。水印检测最后要把原始水印信息和抽取出的 水印信息进行相似比对，以判别水印真伪。对比过程中可以运用不同的指标来衡量 这种相似性。 ” 6 硕士论文 基于a r m 的数字水印商标检测仪开发设计 2 3 数字水印系统的性能评估 数字水印系统的设计方法多种多样，要对其整体性能评估，可以从水印的透明 性，鲁棒性，数据容量，嵌入有效性来分析【9 1 。 ( 1 ) 透明性：作为一种信息隐藏技术，数字水印应具有不可感知性，保证嵌入 水印后的产品和原始数字产品具有相似的质量。对于水印透明性的评判，主要分为 主观判断和定量判别两种方式。主观判断即靠人的感觉器官去分析辨别，根据质量 等级评判标准，给出评判结果。定量判别是种比较客观的方法，通过一些基于误 差的失真度量方法得到相应的参数。在实际应用中，使用客观的判别方法居多。主 要的判断参数有m d 、m n s e 、p s n r 、i f 、n c 等，其中i 。为原始信息，i m 卫为 含水印的信息，公式如下。 m d = m a x i l ，。一l 。i ( 2 3 ) 姗艇= ( 乇，一乙，) 2 ，2 ，一 ( 2 4 ) p s n r = m 丸r m a x m a x ( 2 ) 】( 厶，。- ，。) 2 ( 2 5 ) m n m ，r m ，n 廖= 1 一( l 一一乇。) 2 焉，。 ( 2 6 ) 肿，n脚，月 i = ml = m i = m | = m n c = 矿( f ，) 形( f ，j f ) 。形( f ，歹) 2 ( 2 7 ) t = l ，= l ，= l j = l ( 2 ) 鲁棒性：数字水印的鲁棒性是衡量水印质量的十分重要的指标。主要指水 印能够承受破坏水印的攻击以及基本信号处理的能力。水印的鲁棒性和嵌入水印的 能量有关，水印能量越强其鲁棒性越好，但是鲁棒性和透明性是一种折中的关系， 因此在设计水印系统时，要充分考虑到两者之间的平衡。除此之外，数字水印的鲁 棒性还受水印的容量，嵌入信号的强度，图像的尺寸，图象的格式等影响。下面列 举了一些和鲁棒性有关的攻击方法：噪声攻击：通常的噪声攻击有高斯噪声，椒盐 噪声；有损压缩：主要指图像的j p e g 压缩；r s t 攻击：旋转，倾斜，平移，缩放； 滤波处理：均值滤波，中值滤波：数模转换。 ( 3 ) 数据容量：指在水印载体中所能嵌入的最大水印信息的比特数。水印容量 的大小主要和水印载体的特性，水印嵌入的方法有关。 ( 4 ) 嵌入有效性：指嵌入水印后的载体能够检测出水印的概率。水印系统的有 效性可以通过理论上的分析来确定，也可以通过检测大量实例图形的结果来确定。 3 商标水印检测仪总体设计方案 硕士论文 3 商标水印检测仪总体设计方案 数字水印检测仪的设计，首先要确定数字水印的嵌入和提取的方法，由于嵌入 和提取的方法多种多样，要选择一种各方面性能较强的水印嵌入方法，以抵抗各种 攻击手段，较全面的对信息起到保护作用。由于本检测仪主要对印制图像进行水印 的检测，所以在核心处理器的选择上，要选择一种可以较好执行数字图像处理且有 一定控制功能的处理器。本章阐述了数字水印检测仪的设计思路并对检测仪的整体 方案进行了说明。 3 1 设计思路 数字水印商标检测仪主要处理的对象是纸质的印刷品，纸质印刷品如商标的应 用广泛，对于其版权保护的要求也十分高，鉴于这种实际情况，就需要有一种从携 带，使用方法等方面来说都比较方便且高效的设备来对纸质印刷品进行防伪检测， 以识别真伪，减少损失。 根据数字水印商标检测仪的要求，对于商标的检测，首先要进行图像采集，较 好的采集检测对象的图像能有效的提高检测的可靠性。本检测仪通过摄像头进行图 像采集，要选择合适的分辨率、焦距、视角等参数，以满足对于采集图像的质量的 要求。图像采集模块通过u s b 接口和微处理器相连，采集得到的图像存储于a r m 处 理器的外围存储器中。微处理器的主要工作是对传送来的图像进行水印的提取和检 测，得出相关参数判断真伪。最后可通过串口或者以太网口将商标图像以及检测结 果传至主控的p c 机中。 3 2 设计方案 按照数字水印检测仪的设计思路，可以得出数字水印商标检测仪的整体设计方 案。该检测仪主要由采集模块、微处理器、人机交互模块以及输入输出接口组成。 整体的结构框图如图3 2 1 所示。 硕士论文基于a r m 的数字水印商标检测仪开发设计 i i i i 显示模块 lt 采集模块h 输入接口h 微处理器h 输出接口卜 一p c 机 彳 按键模块 图3 2 1 数字水印商标检测仪的整体框图 为了满足设备需要，采用摄像头作为图像采集设备。摄像头的图像传感器 主要有两种：c c d 传感器和c m o s 传感器。c c d 的性能较好但是由于制造厂 商少，制作的过程比较复杂，所以成本偏高而且体积和功耗都较大。c m o s 传 感器集成度高、耗能少、价格较低，但是c m o s 的产品往往对光源的要求高。 由于c m o s 的集成度较高，因此运用c m o s 传感器制造的产品能够做到体积小， 这一特性十分符合便携式产品的要求。c m o s 传感器多用于数字摄像头，数字摄 像头一般使用u s b 接口和相关设备相连，即插即用，十分方便。综合以上分析，决 定本设计采用c m o s 摄像头作为图像采集设备。 处理器是水印检测仪的核心，要选择一款适合数字图像处理，同时又提供丰富 外设接e l 的处理器，这样就能够方便的对外围电路进行扩展。本设计中处理器主要 完成对载入的数字图像进行识别以及检测处理，通过调用加载在处理器中的算法程 序来辨别并提供相关参数。于此同时，该处理器还要具备相应的控制功能，配合键 盘以及显示模块实现控制和显示功能。 对于这一核心的选择主要有三种可供选择的方案，m c u ( 微控制器) 、m p u ( 微 处理器) 、d s p ( 数字信号处理) 【1 0 1 。微控制器的最大特点是单片化，一般叫做单 片机。所谓单片机就是把许多外围设备( 如a d ，i o 等) 都集成到一块芯片中， 在很大程度上减少了成本。单片机十分适合控制领域，较为常用的有5 1 系列。但单 片机有资源有限，处理速度慢等缺点。 嵌入式微处理器类似于通用计算机中的c p u 。和一般的c p u 相比，嵌入式微 处理器具有体积小、功耗低、成本低等优点，但是在速度上略有欠缺。嵌入式微处 理器可以烧写相应的嵌入式操作系统，应用软件等，比较适合手持式、便携式设备 的开发。常用的如3 2 位的a r m 。 d s p 也是微处理器的一种，是用数字信号来处理大量信息的处理器，d s p 芯片十分适合进行运算量比较大的数字信号处理运算，其主要的应用是实时且 9 3 商标水印检测仪总体设计方案 硕士论文 快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 的运算速度很快，但在实现控制方面 能力有所欠缺。 所以本设计选择a r m 微处理器为数字水印商标检测仪的核心，目前主流 的a r m 为a r m9 ，其比较适合对数字、媒体进行处理。s 3 c 2 4 1 0 为三星公司推 出的一款a r m9 芯片，采用五级流水线结构，指令运行速度加快，最高工作频 率为2 0 0m h z ，且内部有l c d 控制器；串口控制器；m m c 、存储器接口等， 片内资源丰富，可以根据用户的需要自己扩充外围设备，同时支持l i n u x 、 w i n c e 、v x w o r k s 等多种操作平台。该芯片很好的满足了本系统的软硬件需求， 因此本设计选用三星公司的s 3 c 2 4 1 0 作为核心处理器。 数字水印常用的算法有空域算法，频域算法和压缩域算法。空域算法鲁棒 性差，压缩域算法适合数字电视广播等以流媒体为载体的水印，而频域算法特 别适合于数字印刷品的防伪保护，在提取水印过程中能较好的抵抗噪声、滤波、 压缩、几何变换等攻击。本系统的处理对象为商标图像，因此频域算法的特点 正符合设计中商标图像载体的要求。数字频域水印常用的两种变换为d c t 变 换和d w t 变换，将水印信息嵌入d c t 域的变换系数中对滤波、压缩等常规的 数字信号处理手段有很好的鲁棒性。在d w t 变换域嵌入水印信息能有效的避 免d c t 变换的分块效应，增加水印容量，保留住了图像的边缘信息。本设计 中结合d c t 与和d w t 频域数字水印技术的优点，经过仿真论证提出了一种基 于d w t 和d c t 变换的混合数字水印算法，并且在此基础上运用了倾斜、旋转 校正等方法得到了较好的效果。 良好的外部控制和显示模块是实现人机交互的重要因素。商标检测仪包含了键 盘模块和显示模块，键盘模块控制复位、检测、传输等操作，配合显示模块在显示 屏上显示对应的执行过程和检测结果。本设计中l c d 显示屏采用1 2 8 x 6 4 点阵式液 晶屏。 最后，检测仪要通过相关接口和终端的p c 机相连，把检测结果和图片传到终 端机上保存和显示。对于这一接口的选择可以使用串口，串口是一种常用的接口， 和p c 机连接方便，也可以选择传输速度快，可靠性高的以太网来实现传输。本设 计中选用了以太网传输。 1 0 硕士论文基于a r m 的数字水印商标枪测仪开发设计 4 基于商标检测仪的水印技术的研究 在实际应用中，在信号频域上嵌入水印( 变换域水印) 能更好的抵抗常规的信 号处理，而且具备了更好的安全性、透明性，因此适用于商标等数字印刷品。这一 类方法利用图像的变换，通过修改变换系数来嵌入水印。比较常用的变换域水印算 法有离散余弦变换( d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 。d c t 水印算法对滤波、压 缩等常规的数字信号处理手段以及几何变换有很好的鲁棒性。d w t 水印算法 能有效的弥补d c t 水印算法的不足，增加水印容量。从商标图像这一处理对象考 虑，水印算法既要抵抗常规信号处理和几何变换，又要有一定的水印容量，防止分 块现象的产生，因此结合d c t 和d w t 的优点提出一种更适合商标水印的算法， d c t - d w t 混合水印算法。 4 1 离散余弦变换( d c t ) 离散余弦变换( d c t ) 是离散傅里叶变换的衍生变换，d c t 用了傅里叶变换【1 1 】 的实数部分。n 点的d c t 变换相当于做2 n 点的离散傅里叶变换，它对原来的n 点 实行对偶扩展后再周期性的延拖，这样就使得在边界处没有不良的突变。 离散余弦变换是图像数据压缩常用的一个变换编码方法。对于图像的d c t 变换 是先将整个图像分成n n 个像素块，接着把n 木n 个像素块逐一进行d c t 变换、 量化和编码以减小图像数据之间的冗余。离散余弦变换是一种无损变换，它仅仅是 把图像从时域变换到频域上，这样做的目的是使后续的编码过程更加简便快捷。 经过d c t 变换后，图像的低频分量集中在变换后的图像的左上角，而高频分量 集中在变换后的图像的右下角。可以通过z i g z a g 扫描将变换后的数据从低频到高频 排列为一组一维向量。在量化过程中，对于图像的高频分量的量化可以采用模糊量 化的方法，这是因为图像的高频分量所含的能量较少，一般不影响人的视觉效果。 经过量化后，信息更加精简。假设图像为f ( x ，y ) ，则d c t 正变换和逆变换可以由下 面的公式实现。 舷1 c i = 委n - ! 帅力掣铲) 掣学) ( 4 1 ) 舷1 c i = 脚触力峨等) 嘶鼍) ( 4 1 ) 他力= 萎n - 1 驴n - i 舷铲) 桦) ( 4 2 ) 他力= 脚舷嘣鼍) 0 0 s ( 鼍) ( 4 2 l 卢0v = o “t “ 斤r 其中，c ( 此c ( v ) 2 专，材，v = 0 ；c ( n c ( v ) = 、亩，材，v - l ，2 ，- 1 4 # r 曲标榆制仪的水印技术的研r目十m 女 和空域的数字水印相比，经过d c t 变换后，在频域嵌入水印信息对滤波，压缩 和其他信号处理于段有较好的鲁棒性，同时也和一般的图象压缩标准兼容。所以得 到r 广泛的使用。 以c o x 算法为例，此算法对水印的鲁棒性和透明性进行了折巾处理，效果较为 理想其具体步骤如下： ( 1 ) 对原始图象进行离散余弦变换 ( 2 ) 对变换后的d c t 系数进行z i g z a g 排序 ( 3 ) 对1 前m 个较大的系数，把水印嵌入到图像数据中 ( 4 ) 进行反离散余弦变换，得到己嵌入水印的图像 还有一个重要问题就是要选择台适的频域嵌入水印，把水印嵌入图像的高频部 分可以提高整个系统的透明性，但鲁棒性降低，把水印嵌入低频部分可以得到较好 的鲁棒性，将水印嵌入中频区域可以兼顾透明性和鲁棒性i “】。下面就以c o x 算法为 例进行m a t l a b 仿真： 选择2 5 6 x2 5 6 的图像a 作为水印的载体图像选择3 2 x3 2 的图像b 作为水印图 像。对a 进行图像获度化以及8 x 8 的分块，对每一个分块做d c t 变换后可以得到 相应的变换系数f ( i j ) ，1 f ，j 3 2 。将f ( i j ) ，i f ，j 3 2 进行z i g z a g 扫描得到频率 从低到高排列的变换系数，对水印的变换系数通过加法嵌入图像的低中频变换系数 中去最后对每个f ( i , j ) 1s f ，j 3 2 进行反离散余弦变化即可得到嵌入水印后的 图像。水印的提取过程为嵌入过程的逆过程，这样就可以方便的提取水印图像，具 体仿真图像如图4 1 1 所示。 载体图像 祷 提取的水印图像 梦 图4 il0 c t 水印仿真图 由图41 l 可见，嵌入水印后的图像在视觉效果上发生了一些变化，但是仍然 可以较好的提取出水印图像。 凰囫 硕士论文基于a 啪的数字水印商标检测仪开发设计 4 2 离散小波变换( d w t ) 小波变换 1 3 - 1 4 】也是一种信号分析的工具，它不仅能够对频率域的信号进行分 析，而且也能够处理信号的突变以及信号的非平稳过程。小波变换的一大特点就是 使用了时间与尺度域来分析信号，且具有局部分析特性，它能够对一段信号做到较 全面的频谱分析和频率变换，因而可以很好的弥补离散余弦变换以及傅里叶变换的 不足。在小波变换域嵌入水印可以利用多分辨率分析，能够有效的抵抗有损压缩带 来的攻击，和人眼的视觉特性相符合。 在小波变换中要进行频率分解，小波的多分辨率分解只针对分解对象的低频部 分做处理，而对高频部分不做分解。如下图所示h 1 为低通滤波器，h 2 为高通滤波 器，原始信号的频带宽度为( 0 ，刀) 。经过一级分解以后，原始信号的频带被分为两 块：低频带( o ，7 2 ) ，高频带( 万2 ，万) 。然后进行二级分解，即对下一级低频带做 分解，获得更低一级的频带，如图4 2 1 所示。 图4 2 1 小波频率空间分解图 离散小波变换是对连续的小波变换进行离散化，假设函数x ( t ) 的小波变换为 w ( a ，b ) ，其中a ，b 为尺度因子，现在令9 ( t ) 为小波基函数，对a ，b ，t 实现离散化， 假设a = 2 j ( _ 0 ，z ) ，b = x r 2 7 ，t 为时间的采样间隔。因此小波函数序列可以 表示为。 矿“( f ) = 2 - j 1 2 缈( 2 1 一七) ( 4 3 ) 于是函数x ( f ) 的离散小波变换为。 嘿( 歹，露) = i 艾( f ) 9 膳( o a t ( 4 4 ) 在小波分解【1 5 】基础上的多分辨率分析可以对图像进行时域和频域的分解，经过 小波分解后，一级分解后的图象被分解为四个频带，分别为低频带，水平频带，垂 直频带以及对角线频带。二级分解是对低频带再次分解成以上的四个频带。以后的 多级分解也是如此。二级分解图如图4 2 2 所示。 4 毕j 杯椅洲仪的水印技术的研宄 十皓z 工 啦 l h l - i l 2 h h 2 地 h h ， 图4 22 图像小波二级分解 上图左上角( l l ，) 是图像最低频经过滤波后的低尺度逼近，l h ，所含的是经 过垂直方向的高通，水平方向的低通滤波后的信息h l ，所含的是水平方向的高通， 垂南方向的低通滤波后的信息，h h ，所含的是水平方向和垂直方向的高通滤波后信 息。在其它几块也是相问的结果。 经过多分辨率分解的图像的总数据量和小波变换前的总数据量相等，但同时也 产生了原始图像没有的一些新特点：由图4 23 可见，经过三级小波变换后，图像 的能量大部分集中在低频部分，垂直方向，水甲方向和对角线方向的能量相对较少。 图像的水平，垂直和对角线分块主要表现了相关的细节信息和边缘信息。图像的低 频部分完整的保留，原来图像的基本信息。图像经过= 二级小波分解后效果如图423 所示。 原始图像三缓分解后的图像 闰423 二级小波分解后的图像 下面对基于d w t 的数字水印进行m a t l a b 仿真0 1 8 - 2 0 l 。 同样的，选择2 5 6 x 2 5 6 的图像a 作为水印的载体图像，选抒3 2 x3 2 的图像b 作 为水印图像。水印的嵌入：首先对图像a 进行三级小波分解，可以获得四个于带。 把水印图像b 进行一级小波分解，得到各个于带的小波变换系数。然后选取小波变 1 4 颐十论文 堆ta r m 的数字水目商标枪d 仪 发设 换的低频和中频域的相对重要小渡系数嵌入水印信息。选择绝对值较大的小波系数 记为f ( i ，) ，嵌八公式如下。 f 。( f ，j ) = f ( i ，) + 口矿( f ，) ( 4 5 ) f ( l j ) 为嵌入水印后的小波系数，矿u j ) 为原始图像的( l ，) 位置上所嵌入的水印 图像。a 为嵌入强度。待承印嵌入完成以后，对小波系数，u ，) 进行小波逆变换即 可得到含有水印的图像了。 水印的提取步骤为：首先将原始载体和嵌入承印后的图像进行三级小波分解， 得到对应的小渡系数。然后通过密匙找到原始载体中嵌入信息的小渡系数f ( i ，j ) 位 置( f ，j ) ，由( ，) 就可以根据公式( 46 ) 在包含水印的图像的小波系数中找到f i i ，) ， 并得到水印的变换系数，公式如下。 1 ( f ，j ) = ( f 。( f ，j ) 一f ( i ，肋日 ( 4 6 ) 最后对矿yz ，) 进行小波逆变换可得到水印信息w 1 ( ) 。d w t 变换水印仿真结果如 图424 所示。 原始图像 水印图像 爷 水印图像 蛩 图424 d w t 水印仿真结果 由图4 24 可以看出原始图像和嵌人水印后的图像无太大差别，所以d w t 数字 水印模型较d c t 数字水印模型而言有较大的水印容量和较好的透明性，同时也能很 好的提取出水印图像。 囫一囫 4 基于商标检测仪的水印技术的研究硕士论文 4 3d c t - d w t 混合数字水印算法 经过d c t 变换后，在频域嵌入水印信息对滤波，压缩，几何变换和其他信号处 理手段有较好的鲁棒性，经d w t 变换后嵌入水印信息能较好的兼顾边缘的细节信 息，弥补了d c t 变换的不足，同时也和一般的图象压缩标准兼容，水印的不可见性 强且水印容量较大，抗噪性能好。基于两种变换的频域数字水印算法各有优势，所 以本设计中采用了d c t - d w t 混合数字水印算法，通过提取图像的重要特征信息来 检测水印。 此算法以小波变换为基础，结合了离散余弦变换，解决了其抗几何攻击能力差 的缺点。通常图像经过小波变换后若受到几何攻击，其低频部分的系数会发生突变， 使得检测结果发生错误。为了解决这个问题，就要找到一些在图像的变换系数值发 生变化后，仍然能稳定的保持其特性的参数，以此来作为提取水印的依据，就有较 高的可靠性。经过大量实验发现，图像经过几何变换后，图像的低中频系数符号基 本不变。所以，对图像进行频域变换后，选取其低频和中频系数的符号组成一组数， 可以作为重要的特征信息。 算法的基本描述如下： ( 1 ) 水印嵌入 对水印载体图像进行三级小波分解，得到其逼近子图的变换系数。 在逼近子图的变换系数中嵌入水印信息n ( i ) ，可采用加法规则或者乘法规 则。 对已经嵌入水印的图像进行d c t 变换和z i g z a g 排序，得到按频率升序排列 的一组系数，提取其中前l 个低频系数作为包含图像的特征信息的基本码m ( i ) 。 通过将m ( i ) 和n ( i ) 的符号序列相异或获得特征信息，即经过几何变换后保持 稳定性质