[发明专利]一种基于FPGA的图像数字水印处理系统及其处理方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的图像数字水印处理系统，其特征在于：包括提取加速算法模块、编写加速软核模块、加速任务调度模块、硬件虚拟化模块、FPGA高性能计算卡和控制主机模块；

提取加速算法模块：对图像数字水印处理流程进行分析，确定最消耗计算性能的关键算法，对离散小波变换及其逆变换进行加速；

编写加速软核模块：对加速算法使用硬件描述语言Verilog实现，即实现算法软核；

加速任务调度模块：控制控制主机模块对FPGA高性能计算卡加速任务进行调度；

硬件虚拟化模块：将FPGA高性能计算卡虚拟化为抽象计算平台，提供供应用程序调用的SDK环境；

FPGA高性能计算卡：包括CPLD芯片以及分别与CPLD芯片连接的12颗高性能FPGA芯片，12颗高性能FPGA芯片用于运行算法软核，CPLD芯片用于控制每颗FPGA芯片软核的加载和数据的输入输出；

控制主机模块：控制主机模块使用USB2.0接口与FPGA高性能计算卡通信，用于控制FPGA高性能计算卡软核的加载及数据的输入输出；

其中，所述基于FPGA的图像数字水印处理系统的图像数字水印的处理方法，包括如下步骤：

S1、将原始宿主图像分块得到若干小块图像，然后对每个小块图像进行离散小波变换，得到分块离散图像和每个小块图像的低频子带矩阵；

S2、对二值水印图像进行处理，得到水印信息均匀分布的二值图像；

S3、取出S1中每个小块图像的低频子带矩阵组合成低频子带矩阵组，并对低频子带矩阵组中的低频子带矩阵进行升序排列得到升序矩阵，将低频子带矩阵组与升序矩阵的像素变换信息记录在排序数组中；

S4、向低频子带矩阵组中嵌入水印信息均匀分布的二值图像；

S5、根据排序数组将嵌入了水印信息的低频子带矩阵组中的嵌有水印信息的低频子带矩阵还原到升序排列之前的位置，得到嵌有水印信息的还原图像；

S6、对嵌有水印信息的还原图像进行离散小波逆变换，得到嵌有水印信息的目标图像；

S7、将目标图像分块得到若干小块目标图像，然后对每个小块目标图像进行离散小波变换，得到每个小块目标图像的目标低频子带矩阵；

S8、取出S7中每个小块目标图像的目标低频子带矩阵组合成目标低频子带矩阵组，根据排序数组对目标低频子带矩阵组中的目标低频子带矩阵进行排序，然后对排序后的目标低频子带矩阵组进行水印信息提取，得到恢复二值图像；

S9、对恢复二值图像进行处理，得到恢复二值水印图像，将恢复二值水印图像与二值水印图像进行对比，实现水印的检测或提取。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像数字水印处理系统，其特征在于，所述S1具体为：将原始宿主图像分为8*8的若干小块图像，每个小块图像的分辨率为64*64，对每个小块图像进行二级离散小波变换，得到由若干经过离散小波变换的小块图像组成的分块离散图像和每个小块图像的低频子带矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像数字水印处理系统，其特征在于，所述S2中对二值水印图像进行处理，具体为：将二值水印图像进行若干轮Arnold置换。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像数字水印处理系统，其特征在于，所述S3中低频子带矩阵组的尺寸大小为128*128，所述排序数组记录像素原始位置与升序后的位置的对应关系。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的图像数字水印处理系统，其特征在于，所述S4具体为：遍历S2得到的二值图像的每个像素点，将每个像素点的像素值均记为，并计算每个像素点与低频子带矩阵组对应位置的2*2小块的两个行向量的两个差值，若第一行行向量的差值小于第二行行向量的差值，记mark为0，否则记为1，对差值较小的行向量的两个系数按如下公式进行水印嵌入：

①

其中，和分别为该行向量的第一个元素和第二个元素的值，和分别为该行向量水印嵌入后第一个元素和第二个元素的值，为该像素点的最小视觉差，即在该值范围内修改像素值大小，不会引起人类视觉识别系统的差别。