FPGA实现视频图像的水印添加

时间：2024-02-29 16:09:50

　　图像水印到处可见，如微博图片右下角会有原创者 ID 水印，很多 PDF 文件中也夹有水印，而视频图像同样可以添加水印，最著名的视频图像水印便是电视台的标志了。图像水印在文化产权上起到非常重要的作用，对所有者的权益起到一定的保护。

　　数字图像的水印叠加公式为：fx = (1-a)f + aw
　　未加水印的图像表示为 f，水印表示为 w，常数 a 控制水印和衬底图像的相对可见性。如果 a 为 1，则水印是不透明的，并且衬底图像完全是暗的；随着 a 接近 0，会逐渐看到更多的衬底图像和更少的水印，通常 a 在 0 和 1 之间。
　　本篇博客整理一下如何使用 FPGA 为视频图像添加自定义的水印图案。
 
一、水印图像
　　水印图像可以自己找一张喜欢的图片或字符，但不要太大，否则就喧宾夺主了。如下是我本次实验选取的水印图案：
　　这是我博客的头像，我将其分辨率改为 50x50。
 
二、图像转mif文件
　　网上很多图像转 16位 mif 文件的小软件，当然如果你 MATLAB 学的好，也可以用 MATLAB 来实现。此次我使用的是正点原子开发的 “PicToMif_V1.0.exe”。
 
三、rom生成
　　rom的位宽设置为 16，深度设置为 2500（水印图像分辨率），然后把第二步生成的 mif 文件包含进去即可，不添加锁存器，让数据输出的延时为1个时钟周期，rden信号也不需要，有读地址就够了。
 
四、添加水印图案的设计
1、直接添加水印
　　可以单独设计一个 .v 模块为水印图案模块，这个设计代码量小，我直接写在顶层模块的 TFT_driver 之后，连接管脚之前。代码如下所示：
//==========================================================================
//==                        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                    )   
);
//==========================================================================
//==                        添加视频水印
//==========================================================================
mark_rom u_mark_rom
(
    .clock                  (clk_10m                ),
    .address                (rom_addr               ),
    .q                      (rom_data               )
);
//--------------------------------------------------------------------------
//水印范围
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

//数据显示 
always @(*) begin
    if(rom_rden) begin
        TFT_data <= rom_data;　　　　　　//显示水印
    end
    else
        TFT_data <= rgb;               //显示原图
end

 　　其中 rgb 是原本输出到管脚上的，拿来到“添加视频水印”模块做进一步的处理，而 TFT_x、TFT_y 信号是 TFT_driver 里就设计好的坐标信号，这里不得不又说一下，模块设计的好，移植性就非常强！

　　如果你的 TFT 或 VGA 驱动模块没有设计坐标信号，那么在后面用 de 使能信号设计一下就行，其实就是行列规划的计数器而已。

　　OK来看看下效果：

　　设计成功！我的FPGA开发板引脚有问题，那些红点并不是本工程的 bug 。
 
2、半透明水印
　　上面添加的水印比较生硬，可不可以美化一下呢？是可以的，我们可以让其变得半透明，并且会随着图像的变换跟着变换，仿佛是融入了图像内部一样。
　　代码如下所示：
always @(*) begin
    if(rom_rden) begin
        TFT_data <= rom_data + rgb;   //显示水印
    end
    else
        TFT_data <= rgb;              //显示原图
end

 　　将 rom_data 和 rgb 数据相加，最后实现的效果如下所示：

　　......好像有点打脸？
　　是打脸，也不是打脸，怎么说呢？因此我的水印图案是彩色缤纷的，和原本像素值相加后效果不好，白色的略去了，但是其他色彩也变形了。但是如果我们把水印图案的主要符号选择为黑色，效果就会非常好，感兴趣的同学可以试试。
 
3、略去背景的水印图案
　　如果不喜欢上面第2种效果，那我们再改进一下吧，水印图案的输出就不进行和原像素相加了。观察一下我的水印图案，背景是白色的，因此我们可以想办法把白色背景略去，只保留中心的图案。代码如下所示：
always @(*) begin
    if(rom_rden) begin
        if(rom_data==16\'hffff)              //背景白色显示原图
            TFT_data <= rgb;
        else
            TFT_data <= rom_data;// + rgb;  //否则显示水印
    end
    else
        TFT_data <= rgb;                    //显示原图
end

 　　对水印图案进行判断，如果是白色，则显示原图，否则显示水印，非水印区域也显示原图。最后效果如下所示：

　　效果还是不错的，水印图案还是没有选的特别好，头发那有些白点没有略去，那的像素并不是肉眼以为的纯白，而是一些像白色的灰度数据。如果要达到最好的效果，可以好好对水印图案进行一番选择。
　　实验整体效果如下所示：
　　从视频上可以看到，最后的效果还是不错的，可惜我的板卡有问题，很多地方有红点，而且颜色有些失真了，此外 OV7670 摄像头的成像效果本身也不行。不过我们关注水印就够了，本次FPGA实现视频图像的水印添加实验宣告成功！
 
后记
　　熟悉rom的同学会发现本工程的代码时序应该再调整一下，因为ROM给出地址到出数据是有一定延迟的。但是本工程只是为了看看水印效果，要时序完美对齐也很简单，但代码量明显增多，de，vsync，hsync等都得拿出来打拍。而且现在这样效果挺完美，就这样吧。
 
 
参考资料：[1]OpenS Lee：FPGA开源工作室（公众号）
 
 

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