FPGA實現視頻圖像的水印添加

　　圖像水印到處可見，如微博圖片右下角會有原創者 ID 水印，很多 PDF 文件中也夾有水印，而視頻圖像同樣可以添加水印，最著名的視頻圖像水印便是電視台的標志了。圖像水印在文化產權上起到非常重要的作用，對所有者的權益起到一定的保護。

　　數字圖像的水印疊加公式為：f _x = (1-a)f + aw

　　未加水印的圖像表示為 f，水印表示為 w，常數 a 控制水印和襯底圖像的相對可見性。如果 a 為 1，則水印是不透明的，並且襯底圖像完全是暗的；隨着 a 接近 0，會逐漸看到更多的襯底圖像和更少的水印，通常 a 在 0 和 1 之間。

　　本篇博客整理一下如何使用 FPGA 為視頻圖像添加自定義的水印圖案。

 

一、水印圖像

　　水印圖像可以自己找一張喜歡的圖片或字符，但不要太大，否則就喧賓奪主了。如下是我本次實驗選取的水印圖案：

　　這是我博客的頭像，我將其分辨率改為 50x50。

 

二、圖像轉mif文件

　　網上很多圖像轉 16位 mif 文件的小軟件，當然如果你 MATLAB 學的好，也可以用 MATLAB 來實現。此次我使用的是正點原子開發的 “PicToMif_V1.0.exe”。

 

三、rom生成

　　rom的位寬設置為 16，深度設置為 2500（水印圖像分辨率），然后把第二步生成的 mif 文件包含進去即可，不添加鎖存器，讓數據輸出的延時為1個時鍾周期，rden信號也不需要，有讀地址就夠了。

 

四、添加水印圖案的設計

1、直接添加水印

　　可以單獨設計一個 .v 模塊為水印圖案模塊，這個設計代碼量小，我直接寫在頂層模塊的 TFT_driver 之后，連接管腳之前。代碼如下所示：

//==========================================================================
//==                        TFT
//==========================================================================
TFT_driver u_TFT_driver 
(
    .clk                    (clk_10m                ), 
    .rst_n                  (rst_n                  ),
    .TFT_req                (rd_en                  ),
    .TFT_x                  (TFT_x                  ),
    .TFT_y                  (TFT_y                  ),
    .TFT_din                (rd_data                ),
    .TFT_clk                (TFT_clk                ),
    .TFT_de                 (TFT_de                 ),
    .TFT_pwm                (TFT_pwm                ),
    .TFT_hsync              (TFT_hsync              ),
    .TFT_vsync              (TFT_vsync              ),
    .TFT_data               (rgb                    )   
);
//==========================================================================
//==                        添加視頻水印
//==========================================================================
mark_rom u_mark_rom
(
    .clock                  (clk_10m                ),
    .address                (rom_addr               ),
    .q                      (rom_data               )
);
//--------------------------------------------------------------------------
//水印范圍
assign rom_rden = (TFT_x >= 1) && (TFT_x <=50) && 
                  (TFT_y >= 1) && (TFT_y <=50);

//rom地址
always @(posedge clk_10m or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        rom_addr <= 12'b0;
    else if(rom_addr==2500-1)
        rom_addr <= 12'b0;
    else if(rom_rden)
        rom_addr <= rom_addr + 1'b1;
end

//數據顯示 
always @(*) begin
    if(rom_rden) begin
        TFT_data <= rom_data;　　　　　　//顯示水印
    end
    else
        TFT_data <= rgb;               //顯示原圖
end

 　　其中 rgb 是原本輸出到管腳上的，拿來到“添加視頻水印”模塊做進一步的處理，而 TFT_x、TFT_y 信號是 TFT_driver 里就設計好的坐標信號，這里不得不又說一下，模塊設計的好，移植性就非常強！

　　如果你的 TFT 或 VGA 驅動模塊沒有設計坐標信號，那么在后面用 de 使能信號設計一下就行，其實就是行列規划的計數器而已。

　　OK來看看下效果：

　　設計成功！我的FPGA開發板引腳有問題，那些紅點並不是本工程的 bug 。

 

2、半透明水印

　　上面添加的水印比較生硬，可不可以美化一下呢？是可以的，我們可以讓其變得半透明，並且會隨着圖像的變換跟着變換，仿佛是融入了圖像內部一樣。

　　代碼如下所示：

always @(*) begin
    if(rom_rden) begin
        TFT_data <= rom_data + rgb;   //顯示水印
    end
    else
        TFT_data <= rgb;              //顯示原圖
end

 　　將 rom_data 和 rgb 數據相加，最后實現的效果如下所示：

　　......好像有點打臉？

　　是打臉，也不是打臉，怎么說呢？因此我的水印圖案是彩色繽紛的，和原本像素值相加后效果不好，白色的略去了，但是其他色彩也變形了。但是如果我們把水印圖案的主要符號選擇為黑色，效果就會非常好，感興趣的同學可以試試。

 

3、略去背景的水印圖案

　　如果不喜歡上面第2種效果，那我們再改進一下吧，水印圖案的輸出就不進行和原像素相加了。觀察一下我的水印圖案，背景是白色的，因此我們可以想辦法把白色背景略去，只保留中心的圖案。代碼如下所示：

always @(*) begin
    if(rom_rden) begin
        if(rom_data==16'hffff)              //背景白色顯示原圖
            TFT_data <= rgb;
        else
            TFT_data <= rom_data;// + rgb;  //否則顯示水印
    end
    else
        TFT_data <= rgb;                    //顯示原圖
end

 　　對水印圖案進行判斷，如果是白色，則顯示原圖，否則顯示水印，非水印區域也顯示原圖。最后效果如下所示：

　　效果還是不錯的，水印圖案還是沒有選的特別好，頭發那有些白點沒有略去，那的像素並不是肉眼以為的純白，而是一些像白色的灰度數據。如果要達到最好的效果，可以好好對水印圖案進行一番選擇。

　　實驗整體效果如下所示：

　　從視頻上可以看到，最后的效果還是不錯的，可惜我的板卡有問題，很多地方有紅點，而且顏色有些失真了，此外 OV7670 攝像頭的成像效果本身也不行。不過我們關注水印就夠了，本次FPGA實現視頻圖像的水印添加實驗宣告成功！

 

后記

　　熟悉rom的同學會發現本工程的代碼時序應該再調整一下，因為ROM給出地址到出數據是有一定延遲的。但是本工程只是為了看看水印效果，要時序完美對齊也很簡單，但代碼量明顯增多，de，vsync，hsync等都得拿出來打拍。而且現在這樣效果挺完美，就這樣吧。

 

 

參考資料：[1]OpenS Lee：FPGA開源工作室（公眾號）