FPGA implementation of a video watermarking algorithm

Abstract

This thesis explores the FPGA-implementation of video watermarking. The watermarking of the real-time video stream produced by a battery-operated surveillance camera was selected as a prototype application. This application was chosen because it can take advantage of the low-power characteristics of the FPGA, and provided the project’s context and requirements. A comprehensive study of the relevant literature revealed no previous research on the use of an FPGA to implement video watermarking. After a detailed analysis of the relevant literature, the algorithm developed by Hartung and Girod to watermark MPEG-2 compressed video was chosen, and adapted to the requirements of the present project. A low-power, distributed-arithmetic version of the discrete cosine transform -the primary computational unit required by the algorithm- was used. The FPGA implementation was compared with one performed on a digital signal processor. In terms of speed of processing, power consumption and device cost, the results suggest that the FPGA is a better option. However, the digital signal processor implementation appears to require a lower development cost. The following contributions have been accomplished in this project: (1) a methodical analysis of the issues related to watermarking for surveillance systems was performed; (2) design practices for the low-power implementation of this type of algorithm were identified; and (3) a novel architecture for video watermarking on an FPGA was developed. These results can be extended relatively straightforwardly to other watermarking methods that rely on the DCT.

Esta tesis explora la implementación de un algoritmo de marca de agua digital para video en un FPGA. El uso de este algoritmo en el video producido por una cámara de vigilancia operada con pilas eléctricas fue seleccionado como una aplicación prototipo que proveyó un contexto para el proyecto y definió los requisitos del mismo. Esta aplicación fue escogida porque puede sacar ventaja del bajo consumo de potencia del FPGA. Un estudio comprensivo de la literatura relacionada con el tema reveló que aparentemente no existe investigación previa en el uso de un FPGA para implementar el marcaje de agua de video. Luego de un detallado análisis de la literatura, el algoritmo desarrollado por Hartung y Girod para marcar video comprimido con el formato MPEG-2 se seleccionó, y fue adaptado para cumplir con los requisitos del proyecto presente. Una versión de bajo consumo de potencia de la transformada discreta del coseno -la unidad computacional principal requerida por el algoritmo escogido- que utiliza aritmética distribuida fue seleccionada para ser implementada La implementación en el FPGA fue comparada con una similar efectuada en un procesador de señales digitales. En término de rapidez de procesamiento, consumo de potencia, y costo por unidad, los resultados sugieren que el FPGA es una mejor opción. Sin embargo, aparentemente el costo de desarrollo de la implementación que utiliza el procesador de señales digitales es inferior. Este trabajo contribuye los siguientes logros: (1) se efectuó un análisis metódico de los problemas relacionados con el marcaje de agua de video; (2) se identificaron prácticas efectivas de diseño para implementar este tipo de algoritmo con un bajo consumo de potencia; y (3) se desarrollo una nueva arquitectura para la implementación del marcaje de agua de video en un FPGA. Estos resultados pueden extenderse con relativa sencillez a otros métodos de marca de agua basados en el cómputo de la transformada discreta del coseno.