利用FPGA实现图像鉴别数码相机硬件设计与探讨

    1 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(digital watermarking)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(trustworthy camera)的基于图像鉴别的FPGA(Field Programmable GateArray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( Very High speed Integrated Circuit Hardware Decription Language,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(Liquid Crystal Display,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:Digital Signal Process-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.在很多情况下,FPGA和高密度ASIC(Application Specific Integrated Circuit,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].