利用FPGA实现图像鉴别数码相机硬件设计与探讨

1、2006年第1期 青海师范大学学报(自然科学版)JournalofQinghaiNormalUniversity(NaturalScience) 2006No.1利用FPGA实现图像鉴别数码相机硬件设计与探讨蒋天发,祝 颂,熊志勇,王 涛,柳春华,王 强(中南民族大学,湖北武汉 430074)摘 要:本文讨论了FPGA逻辑实现原理及其实现方式,FPGA应用于数码相机的图像鉴别,通过静止图像内容的任何改变,都将反映在嵌入图像中的数字水印上的方式来鉴别图像快照.提出了一种利用FPGA实现图像鉴别可靠数码相机硬件设计方案.关键词:FPGA;版权保护;数字水印;可靠照相机.中图分类号:TP391 文献

2、标识码:A 文章编号:1001-7542(2006)01-0046-041 引言近年来,随着计算机网络分布式1,2和数字通信技术的迅速发展,数字技术的巨大进步使数字多媒体(数字视频3、数字音频4、数字图像5,6等)的传输与复制变得非常容易,但它增加了多媒体信息被非法盗版的机会.目前,盗版问题已成为严重的社会问题.数字作品的版权保护问题成为一个急需解决的难题,它引起了学术界与企业界的广泛关注,基于数字水印(digitalwatermarking)的方法已经被提出来,通过媒体信息的改变都将被嵌入其中的数字水印信息反映的方式来鉴别媒体信息的内容.下面讨论一种用于可靠照相机(trustworthyca

3、mera)的基于图像鉴别的FPGA(FieldProgrammableGateArray可编程逻辑器件)的实现.将这个系统来自CMOS传感器的图像进行实时的图像水印处理并把结果存储到存储设备;数码相机所有组成部分由VHDL(VeryHighspeedIntegratedCircuitHardwareDecriptionLanguage,超高速集成电路硬件描述语言)实现,模拟、综合到FPGA芯片.这种可靠照相机可计算、认证、签名并把其添加到图像上的数码照相机.2 图像鉴别数码相机硬件结构模型数码相机是一种从现场获得图像帧并且把结果存储到闪存的便携设备.在传统的数字相机里面增加一个嵌入式的图像鉴别

4、操作部件,把每一副图像存入闪存前对图像进行鉴别.图1显示了这种数字相机体系结构的实现模型7.在所有的部件当中,FPGA的实现部分是用阴影块显示的.基本上该系统包含3个主要部分:图像获取和LCD(LiquidCrystalDisplay,液晶显示器)控制器,水印嵌入处理部分和数字相机控制单元5图1 具有图像鉴别功能数码相机的结构框图.基金项目:国家民委重点科研项目资助基金(MZY02004).收稿日期:2005-04-16作者简介:蒋天发(1954-),男,湖北荆门人,中南民族大学计算机科学学院教授,研究生导师,中国高师电子学会副理事长.主要研:第1期 蒋天发,祝颂,熊志勇,等:利用FPGA实现

5、图像鉴别数码相机硬件设计与探讨 47 图像鉴别基本思想是在图像获取和LCD控制器部分,从图像传感器获取图像帧,经过图像增强后临时性的存储到存储器里,然后通过LCD控制器,图像帧被连续的显示在LCD上.嵌入式的水印处理部分把图像的鉴别信息位插入到选定的图像帧然后把它发送给JPEG压缩芯片.在整个系统中,数码相机控制单元产生所有的适当控制信号来激活数据的操作5.3 可编程逻辑器件FPGA逻辑实现原理及其实现方式FPGA所具有的设计灵活性和大吞吐量特性使其成为传统数字信号处理(DSP:DigitalSignalProcess-ing)器件可靠的芯片解决方案,如无线基站和图像记录等高性能DSP应用.在

6、很多情况下,FPGA和高密度ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,专用集成电路)、DSP一起布置在同一块电路板上.通常由ASIC和FPGA分担的硬件功能现在主要由FPGA来实现,这是因为FPGA能够为DSP提供具有成本效益的方案.目前FPGA中多使用4输入的LUT(Look-UpTable,查找表),所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM.在用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后,PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果,并把结果事先写入RAM,这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查

7、表,找出地址对应的内容,然后输出即可.下面给出的以一个4输入与门的实际逻辑电路及实现方式的例子如表1所示8.现在通过下面的图2电路来简单讨论FPGA逻辑实现原理.图2 FPGA芯片的管脚电路图2中A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线,并作为地址线连到LUT,LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果,再通过地址查找到相应的数据,然后输出,这样组合逻辑就实现了.该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现.时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道,直接连接到触发器的时钟端.触发器的输出与I/O脚相连,把结果输出到芯片管脚.这样PLD就完成了其电路的功能,并且

8、以上这些操作都是由软件自动完成的,不需要人为干预8.48 青海师范大学学报(自然科学版) 2006年4 图像鉴别数码相机硬硬件实现的描述为了获得自然的现场图像,使用HynixHV7131D型CMOS图像传感器.该传感器有640*480的象素矩阵,其里面集成有8位精度的模/数转换器.由于大多数的FPGA芯片都有像EBA(嵌入式阵列模块)这样用作缓存的片内存储器的体系结构,插值运算在EBA里实现.I2C(内部集成电路)的行为是靠图像传感器的增益的反馈和获取图像调整白平衡来控制图像传感器的补偿.获取的图像被临时性的存放在由3个SRAM芯片组成的内部媒介中.图像数据的每一个8*8大小的数据块通过一个总

9、线被装载到FPGA芯片里,且RGB格式的数据被转化为YCbCr格式的数据.离散余弦变换使用亮度分量Y仅仅是在转换域中嵌入数字水印信息.二维的离散余弦变换的是一系列一维离散余弦变换分开执行来实现的.再用PN序列产生器来产生安全的数字水印序列,该序列的初始值由依赖密钥的函数产生.PN序列产生器的实现的主要部分是置换的步长.数列被存储在查找表里面,PN序列由一个线性反馈的移位寄存器产生.数码相机控制单元对整个系统的正常的运行负责.它给每个组件产生控制和时钟信号.控制信号允许对每一个SRAM存储器的多路访问:对获取图像的写操作,LCD显示的读操作和数字水印的嵌入.图图3 基于水印鉴别数码相机FPGA的

10、框图显示了数码相机的FPGA的实现的块状图5.图3显示的结构首先用VHDL设计,VHDL设计结果用Mentor公司的ModelSim工具进行测试,最后FPGA设计被综合,用MAX+PLUSII软件装载到ALTERAFlex系列的一个FPGA芯片,具体是EPF10K100A,240针的PQFP封装,189个输入/输出引脚9.该FPGA芯片使用了15针输入,62针输出,25针输入/输出,50M赫兹的运行频率.当系统运行在50M赫兹的频率,每一个图像传感器以12.5M赫兹进行图像获取,需要312,000个时钟周期;LCD显示用25M赫兹进行操作10,需要占用420,000个时钟周期;数字水印的嵌入操

11、作需要63,982,400个时钟周期.因此,我们可以估计数字水印嵌入的操作运行时间为1.28秒.这里获取的图像和LCD显示器都是包含640*480个象素的阵列.提出的本系统包含3个开关来控制每一个操作.首先开关1初始化数字相机操作,获取图像序列然后在LCD上面连续的显示.在这期间,2个1024字节的EBA用来对从HV7131D获取的图像帧进行插值.插值后的图像帧被临时性的存到4M的SRAM中.11其次开关2用来关闭数字相机的操作并保留最后显示的一帧图像用来做数字水印嵌入.最后,开关3产生控制信号来开始数字水印嵌入操作和把结果存储到闪存.这里,二进制的标识图像可以在实验前,用160*120的二进

12、制图像离线操作来构建,然后存,.第1期 蒋天发,祝颂,熊志勇,等:利用FPGA实现图像鉴别数码相机硬件设计与探讨 49 接口传输到PC主机上.5 结语本文讨论了FPGA逻辑实现原理及其实现方式,FPGA应用于数码相机的图像鉴别,通过静止图像内容的任何改变,都将反映在嵌入图像中的数字水印上的方式来鉴别图像快照.提出了一种利用FPGA实现可靠照相机硬件设计方案.限于篇幅,FPGA应用于可靠照相机软件设计将在今后进行研究与探讨.参考文献:1 蒋天发.INTRANET关键技术及其信息安全新方案的研究J.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2004,28(5):713-716.2 JiangTianf

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