專利名稱：一種bmp圖像的數(shù)字水印處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種BMP圖像的數(shù)字水印處理的方法，屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著多媒體處理技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)字產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)上方便地發(fā)布、傳播。多媒體及通信技術(shù)帶來方便的同時(shí)，同樣會(huì)帶來一些負(fù)面作用。例如，一些個(gè)人或團(tuán)體在未經(jīng)許可的情況下就對(duì)作品進(jìn)行非法拷貝、傳播及出售有版權(quán)保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品， 從而極大損害了版權(quán)所有者及廠商的利益；此外數(shù)字產(chǎn)品還常常用于司法取證當(dāng)中，這時(shí)就需要保證數(shù)字產(chǎn)品的完整性和真實(shí)性，如果被不法分子通過技術(shù)手段對(duì)數(shù)字內(nèi)容(音頻、 視頻、圖像等)進(jìn)行篡改、偽造等將會(huì)妨害司法的公正。因此，如何通過信息安全手段有效保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品成為業(yè)界亟需解決的問題。在這種迫切需求的推動(dòng)下，數(shù)字水印嵌入技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的數(shù)字水印嵌入方式是對(duì)需要進(jìn)行防偽處理的數(shù)字產(chǎn)品通過計(jì)算機(jī)軟件處理來實(shí)現(xiàn)的，在傳播過程中增加了許多不確定的因素，不能保證數(shù)字產(chǎn)品的原始性和完整性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種BMP圖像的數(shù)字水印處理方法，適用于需要進(jìn)行版權(quán)保護(hù)的BMP圖像和確保司法取證真實(shí)性與完整性的BMP圖像；系統(tǒng)是采用Altera Cyclone II EP2C70系列FPGA作為主控芯片、SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)的便攜裝置式數(shù)字水印處理系統(tǒng)，解決脫離PC機(jī)環(huán)境下對(duì)原始獲得的數(shù)字圖像即時(shí)進(jìn)行水印嵌入的難題。本方法采用的技術(shù)方案是首先在SD卡中建立三個(gè)文件夾，分別命名為hpuL Files、Output_Files和water ；分別用于存放原始圖像、已嵌入水印信息的圖像和需要嵌入的水印圖像；開機(jī)后BMP圖像的數(shù)字水印處理系統(tǒng)自動(dòng)加載固化在Flash存儲(chǔ)器中的程序，硬件程序通過三態(tài)橋控制器和數(shù)據(jù)總線加載到Nios II處理器中，形成系統(tǒng)的硬件架構(gòu)；軟件程序通過三態(tài)橋控制器、數(shù)據(jù)總線和SDRAM控制器加載到SDRAM存儲(chǔ)器中運(yùn)行， 程序讀取SD卡中存儲(chǔ)的原圖像數(shù)據(jù)，通過SD卡控制器、數(shù)據(jù)總線和SDRAM控制器緩存到 SDRAM存儲(chǔ)器中；然后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器和數(shù)據(jù)總線送入數(shù)字水印處理模塊中處理；再將含水印信息的BMP圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線和SDRAM控制器緩存到SDRAM存儲(chǔ)器中；最后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器、數(shù)據(jù)總線和SD卡控制器回寫到SD卡接口中的SD 卡里，存儲(chǔ)已經(jīng)嵌入水印信息的BMP圖像；存儲(chǔ)完畢后，Nios II處理器通過數(shù)據(jù)總線向PIO 控制器發(fā)送指令，使LED指示燈亮起，表明BMP圖像的數(shù)字水印處理完成。所述的數(shù)字水印處理模塊針對(duì)BMP格式圖像水印嵌入方法是 第一步將BMP格式彩色圖像的R、G、B三個(gè)分量分解出來；第二步提取三個(gè)分量的低3位低2位和低3位數(shù)據(jù)；
第三步將提取出的3、2、3位數(shù)據(jù)重新組合成一個(gè)Sbits的數(shù)組，構(gòu)成一幅灰度圖像； 第四步每8X8個(gè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二維DCT變換得到相對(duì)應(yīng)的頻域系數(shù)矩陣； 第五步將每4個(gè)水印數(shù)據(jù)依次疊加到頻域系數(shù)矩陣中的4個(gè)中頻系數(shù)上，再對(duì)嵌入后的系數(shù)矩陣進(jìn)行二維IDCT變換得到已經(jīng)嵌入水印信息的圖像矩陣，構(gòu)成一幅含水印信息的灰度圖像；
第六步將含水印信息的灰度圖像按每一個(gè)Sbits數(shù)組拆分出3、2、3位數(shù)據(jù)，重新再替換回R、G、B三個(gè)分量中的低3位低2位和低3位，即得到含水印信息的彩色M位BMP圖像。本方法配套使用的BMP圖像的數(shù)字水印處理系統(tǒng)由中央處理模塊FPGA 1、JTAG 接口 2、SDRAM存儲(chǔ)器3、Flash存儲(chǔ)器4、SD卡接口 5和LED指示燈6組成；中央處理模塊 FPGA 1由Nios II處理器7、數(shù)字水印處理模塊8、JTAG控制器10、SDRAM控制器11、三態(tài)橋控制器12、SD卡控制器13、PI0控制器14組成；各個(gè)組件通過數(shù)據(jù)總線9采用常規(guī)連接接在一起JTAG接口 2、SDRAM存儲(chǔ)器3、Flash存儲(chǔ)器4、SD卡接口 5和LED指示燈6采用常規(guī)連接方式分別和JTAG控制器10、SDRAM控制器11、三態(tài)橋控制器12、SD卡控制器13、 PIO控制器14連接。所述的數(shù)字水印處理模塊8由DCT2變換模塊15、BMP水印嵌入模塊16、IDCT2變換模塊17組成；DCT2變換模塊15與BMP水印嵌入模塊16連接，BMP水印嵌入模塊16與 IDCT2變換模塊17連接，DCT2變換模塊15和IDCT2變換模塊17接在數(shù)據(jù)總線9上，各個(gè)模塊間采用常規(guī)方式連接。所述的二維DCT變換、二維IDCT變換用Verilog HDL語言進(jìn)行編寫，封裝成組件模塊，用自定義指令的方式通過數(shù)據(jù)總線對(duì)各組件進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同模塊的協(xié)同工作。其他所有外設(shè)都是通過數(shù)據(jù)總線9與Nios II處理器7相連接；數(shù)據(jù)總線9是一種協(xié)議簡(jiǎn)單的片內(nèi)總線；總線接口分為兩類主端口和從端口，主端口是一個(gè)主控接口，從端口是一個(gè)從控端口，主端口具有與其相接的數(shù)據(jù)總線控制權(quán)；從端口控制數(shù)據(jù)總線的從讀和從寫；傳輸結(jié)構(gòu)有數(shù)據(jù)總線從讀、數(shù)據(jù)總線帶一個(gè)延遲狀態(tài)從讀、數(shù)據(jù)總線從寫和數(shù)據(jù)總線帶一個(gè)延遲狀態(tài)從寫。所有外設(shè)的接口與數(shù)據(jù)總線時(shí)鐘同步；系統(tǒng)配備有JTAG接口 2，可以使用USB_ Blaster數(shù)據(jù)線將本處理系統(tǒng)與個(gè)人計(jì)算機(jī)連接。本系統(tǒng)采用Altera Cyclone II EP2C70系列FPGA作為主控芯片，是整個(gè)系統(tǒng)的核心；SDRAM存儲(chǔ)模塊是用來運(yùn)行程序的存儲(chǔ)芯片；Flash存儲(chǔ)模塊是用來固化核心程序的存儲(chǔ)芯片；SD卡接口模塊是數(shù)字產(chǎn)品的輸入、輸出通道，可以接入通用的SD卡、Mini SD卡、 Micro SD卡，同時(shí)，Mini SD卡、Micro SD卡需要使用相應(yīng)的卡套支持。本發(fā)明的有益效果本方法能對(duì)原始獲得的數(shù)字圖像即時(shí)進(jìn)行水印嵌入處理，解決脫離PC機(jī)環(huán)境下對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行水印嵌入的難題，從而有效縮短數(shù)字圖像產(chǎn)品公開前的傳播路徑，減少數(shù)字產(chǎn)品被篡改的幾率。


圖1為本方法的原理示意框圖2為本方法的配套系統(tǒng)中數(shù)字水印處理模塊的原理示意框圖； 圖3為本方法的配套系統(tǒng)中數(shù)據(jù)總線與外設(shè)的連接結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本方法中BMP圖像嵌入水印的工作流程示意圖。圖中1-中央處理模塊FPGA、2_JTAG接口、3-SDRAM存儲(chǔ)器、4-Flash存儲(chǔ)器、 5-SD卡接口、6-LED指示燈、7-Nios II處理器、8-數(shù)字水印處理模塊、9-數(shù)據(jù)總線、10-JTAG 控制器、11-SDRAM控制器、12-三態(tài)橋控制器、13-SD卡控制器、14-PI0控制器、15-DCT2變換模塊、16-BMP水印嵌入模塊、17-IDCT2變換模塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本方法作進(jìn)一步說明
如圖ι所示，首先完成BMP圖像的數(shù)字水印處理系統(tǒng)的裝配，BMP圖像的數(shù)字水印處理系統(tǒng)由中央處理模塊FPGA 1、JTAG接口 2、SDRAM存儲(chǔ)器3、Flash存儲(chǔ)器4、SD卡接口 5和 LED指示燈6組成，中央處理模塊FPGA 1由Nios II處理器7、數(shù)字水印處理模塊8、JTAG 控制器10、SDRAM控制器11、三態(tài)橋控制器12、SD卡控制器13、PI0控制器14組成；各個(gè)組件通過數(shù)據(jù)總線9采用常規(guī)連接接在一起JTAG接口 2、SDRAM存儲(chǔ)器3、Flash存儲(chǔ)器4、 SD卡接口 5和LED指示燈6采用常規(guī)連接方式分別和JTAG控制器10、SDRAM控制器11、三態(tài)橋控制器12、SD卡控制器13、PIO控制器14連接。如圖2所示，所述的數(shù)字水印處理模塊8由DCT2變換模塊15、BMP水印嵌入模塊 16、IDCT2變換模塊17組成；DCT2變換模塊15與BMP水印嵌入模塊16連接，BMP水印嵌入模塊16與IDCT2變換模塊17連接，DCT2變換模塊15和IDCT2變換模塊17接在數(shù)據(jù)總線 9上，各個(gè)模塊間采用常規(guī)方式連接。針對(duì)BMP格式圖像的數(shù)據(jù)量、二維DCT變換、二維IDCT變換運(yùn)算量大的特點(diǎn)，本發(fā)明中將二維DCT變換、二維IDCT變換用Verilog HDL語言進(jìn)行編寫，封裝成硬件組件模塊， 用自定義指令的方式通過數(shù)據(jù)總線對(duì)各軟硬件組件進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟硬件模塊的實(shí)時(shí)協(xié)同工作。這種軟硬件協(xié)同工作方式較純軟件方式能更高效地進(jìn)行大數(shù)據(jù)量運(yùn)算，從而提高數(shù)字水印處理系統(tǒng)的處理效率。如圖3所示，本發(fā)明的數(shù)據(jù)總線與外設(shè)的連接結(jié)構(gòu)。所有外設(shè)都是通過數(shù)據(jù)總線與Nios II處理器相連接，本發(fā)明中的數(shù)據(jù)總線9是一種協(xié)議較為簡(jiǎn)單的片內(nèi)總線?？偩€接口分為兩類主端口和從端口。主端口是一個(gè)主控接口，從端口是一個(gè)從控端口，主端口具有與其相接的數(shù)據(jù)總線控制權(quán)，從端口控制數(shù)據(jù)總線的從讀和從寫。本發(fā)明用到的傳輸結(jié)構(gòu)有數(shù)據(jù)總線從讀、數(shù)據(jù)總線帶一個(gè)延遲狀態(tài)從讀、數(shù)據(jù)總線從寫和數(shù)據(jù)總線帶一個(gè)延遲狀態(tài)從寫。所有外設(shè)的接口與數(shù)據(jù)總線時(shí)鐘同步，不需要復(fù)雜的握手和應(yīng)答機(jī)制，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)總線的時(shí)序行為，而且便于集成高速外設(shè)。所有的信號(hào)都是高電平或低電平有效，便于信號(hào)在總線中高速傳輸。在數(shù)據(jù)總線中，由數(shù)據(jù)選擇器決定哪個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)哪個(gè)外設(shè)，因此外設(shè)即使在未被選中時(shí)也不需要將輸出置為高阻態(tài)。本發(fā)明中外設(shè)的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)使用分離的、專用的端口。外設(shè)不需要識(shí)別地址總線周期和數(shù)據(jù)總線周期，也不需要在未被選中時(shí)使輸出無效。
本系統(tǒng)配備有JTAG接口 2，可以使用USB_Blaster數(shù)據(jù)線將本處理系統(tǒng)與個(gè)人計(jì)算機(jī)連接。借助個(gè)人計(jì)算機(jī)中安裝的相關(guān)開發(fā)環(huán)境，能夠根據(jù)市場(chǎng)需求及時(shí)更新處理系統(tǒng)中的核心程序。本方法使用前，首先在SD卡中建立三個(gè)文件夾，分別命名為Input_FileS、 Output_Files和water ；分別用于存放原始圖像、已嵌入水印信息的圖像和需要嵌入的水印圖像。開機(jī)后系統(tǒng)自動(dòng)加載固化在Flash存儲(chǔ)器4中的程序，硬件程序通過三態(tài)橋控制器12和數(shù)據(jù)總線9加載到Nios II處理器7中，形成系統(tǒng)的硬件架構(gòu)；軟件程序通過三態(tài)橋控制器12、數(shù)據(jù)總線9和SDRAM控制器11加載到SDRAM存儲(chǔ)器3中運(yùn)行。程序讀取SD 卡中存儲(chǔ)的原圖像數(shù)據(jù)，通過SD卡控制器13、數(shù)據(jù)總線9和SDRAM控制器11緩存到SDRAM 存儲(chǔ)器3中；然后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器11和數(shù)據(jù)總線9送入數(shù)字水印處理模塊8 中處理；再將含水印信息的BMP圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線9和SDRAM控制器11緩存到SDRAM 存儲(chǔ)器3中；最后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器11、數(shù)據(jù)總線9和SD卡控制器13回寫到 SD卡接口 5中的SD卡里，存儲(chǔ)已經(jīng)嵌入水印信息的BMP圖像。存儲(chǔ)完畢后，Nios II處理器7通過數(shù)據(jù)總線9向PIO控制器14發(fā)送指令，使LED指示燈6亮起，表明BMP圖像的數(shù)字水印處理完成。如圖4所示數(shù)字水印處理模塊針對(duì)BMP格式圖像水印嵌入方法是 第一步將BMP格式彩色圖像的R、G、B三個(gè)分量分解出來；
第二步提取三個(gè)分量的低3位低2位和低3位數(shù)據(jù)；
第三步將提取出的3、2、3位數(shù)據(jù)重新組合成一個(gè)Sbits的數(shù)組，構(gòu)成一幅灰度圖像； 第四步每8X8個(gè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二維DCT變換得到相對(duì)應(yīng)的頻域系數(shù)矩陣； 第五步將每4個(gè)水印數(shù)據(jù)依次疊加到頻域系數(shù)矩陣中的4個(gè)中頻系數(shù)上，再對(duì)嵌入后的系數(shù)矩陣進(jìn)行二維IDCT變換得到已經(jīng)嵌入水印信息的圖像矩陣，構(gòu)成一幅含水印信息的灰度圖像；
第六步將含水印信息的灰度圖像按每一個(gè)Sbits數(shù)組拆分出3、2、3位數(shù)據(jù)，重新再替換回R、G、B三個(gè)分量中的低3位低2位和低3位，即得到含水印信息的彩色M位BMP圖像。其中，DCT變換的全稱是離散余弦變換(Discrete Cosine Transform)，是數(shù)碼率壓縮常用的一個(gè)變換編碼方法。它是先將整個(gè)圖像分成NXN的像素塊，然后對(duì)N Χ N像素塊逐一進(jìn)行DCT變換。其中N是像素塊的水平、垂直像素?cái)?shù)，一般取N=8。N大于8 時(shí)效率增加不多而復(fù)雜性大為增加。二維DCT變換就是對(duì)8 S 二維像素塊進(jìn)行離散余弦變換處理，先對(duì)每行進(jìn)行變換，然后對(duì)每列進(jìn)行變換，得到的是一個(gè)8 χ 8的變換系數(shù)矩陣。其中(0，0)位置的元素是直流分量，矩陣中的其他元素根據(jù)其位置不同表示不同頻率的交流分量。并且左上角部分為低頻系數(shù)，中間部分為中頻系數(shù)，右下角為高頻系數(shù)。低頻系數(shù)集中了圖像的大部分能量，無法保證水印信息的不可見性，圖像會(huì)明顯失真。高頻系數(shù)容易受到攻擊，因此本發(fā)明將水印信息嵌入在中頻系數(shù)當(dāng)中。對(duì)于分辨率為8X8的圖像來說，X(U)是圖像坐標(biāo)為(i，j)點(diǎn)的像素值
為變換后頻域矩陣(u，ν)點(diǎn)的值。首先把構(gòu)造的灰度圖像分割成(A 18) χ (X2 / 8 )個(gè)8x8的圖像塊，再將這些圖像塊進(jìn)行二維DCT變換；水印信息與二維DCT變換后的中頻系數(shù)替換后，再對(duì)(Z1ZS)X(Z2ZS)個(gè)8x8系數(shù)矩陣進(jìn)行二維IDCT變換。二維DCT和二維IDCT的定
義分別為式1、式2所示。式1
權(quán)利要求
1.一種BMP圖像的數(shù)字水印的處理方法，其特征在于首先在SD卡中建立三個(gè)文件夾，分別命名為Input_Files、Output_Files和water ；分別用于存放原始圖像、已嵌入水印信息的圖像和需要嵌入的水印圖像；開機(jī)后BMP圖像的數(shù)字水印處理系統(tǒng)自動(dòng)加載固化在 Flash存儲(chǔ)器中的程序，硬件程序通過三態(tài)橋控制器和數(shù)據(jù)總線加載到Nios II處理器中， 形成系統(tǒng)的硬件架構(gòu)；軟件程序通過三態(tài)橋控制器、數(shù)據(jù)總線和SDRAM控制器加載到SDRAM 存儲(chǔ)器中運(yùn)行，程序讀取SD卡中存儲(chǔ)的原圖像數(shù)據(jù)，通過SD卡控制器、數(shù)據(jù)總線和SDRAM 控制器緩存到SDRAM存儲(chǔ)器中；然后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器和數(shù)據(jù)總線送入數(shù)字水印處理模塊中處理；再將含水印信息的BMP圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線和SDRAM控制器緩存到 SDRAM存儲(chǔ)器中；最后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器、數(shù)據(jù)總線和SD卡控制器回寫到SD卡接口中的SD卡里，存儲(chǔ)已經(jīng)嵌入水印信息的BMP圖像；存儲(chǔ)完畢后，Nios II處理器通過數(shù)據(jù)總線向PIO控制器發(fā)送指令，使LED指示燈亮起，表明BMP圖像的數(shù)字水印處理完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種BMP圖像的數(shù)字水印的處理方法，其特征在于所述的數(shù)字水印處理模塊針對(duì)BMP格式圖像水印嵌入方法按以下步驟進(jìn)行第一步將BMP格式彩色圖像的R、G、B三個(gè)分量分解出來；第二步提取三個(gè)分量的低3位低2位和低3位數(shù)據(jù)；第三步將提取出的3、2、3位數(shù)據(jù)重新組合成一個(gè)Sbits的數(shù)組，構(gòu)成一幅灰度圖像；第四步每8X8個(gè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二維DCT變換得到相對(duì)應(yīng)的頻域系數(shù)矩陣；第五步將每4個(gè)水印數(shù)據(jù)依次疊加到頻域系數(shù)矩陣中的4個(gè)中頻系數(shù)上，再對(duì)嵌入后的系數(shù)矩陣進(jìn)行二維IDCT變換得到已經(jīng)嵌入水印信息的圖像矩陣，構(gòu)成一幅含水印信息的灰度圖像；第六步將含水印信息的灰度圖像按每一個(gè)Sbits數(shù)組拆分出3、2、3位數(shù)據(jù)，重新再替換回R、G、B三個(gè)分量中的低3位低2位和低3位，即得到含水印信息的彩色M位BMP圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種BMP圖像的數(shù)字水印處理的方法，屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域；首先在SD卡中建立三個(gè)文件夾；開機(jī)后BMP圖像的數(shù)字水印處理系統(tǒng)自動(dòng)加載固化在Flash存儲(chǔ)器中的程序，然后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器和數(shù)據(jù)總線送入數(shù)字水印處理模塊中處理；再將含水印信息的BMP圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線和SDRAM控制器緩存到SDRAM存儲(chǔ)器中；最后將圖像數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器、數(shù)據(jù)總線和SD卡控制器回寫到SD卡接口中的SD卡里，存儲(chǔ)已經(jīng)嵌入水印信息的BMP圖像；存儲(chǔ)完畢后LED指示燈亮起，處理完成；本方法處理速度快、體積小巧、簡(jiǎn)單便攜、便于及時(shí)對(duì)獲取到的原始圖像信息進(jìn)行版權(quán)保護(hù)處理。
文檔編號(hào)G06T1/00GK102402780SQ20111039811
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者何鑫亮, 李勃, 李玉惠, 羅成緒, 郝世博 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)