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PAGE/99 成都工业学院科研成果汇编

3. “嵌入式数字水印编解码工具”开发项目

项目简介

受清华四川能源互联网研究院委托，开发了“嵌入式数字水印编解码工具”，开发的原型通过了客户并行分析稳定性测试、
并行分析性能测试、低代码框架稳定性测试和分析算法稳定性测试等四项测试，一次性验收通过。
本系统基于 Nios Ⅱ双核处理器的嵌入式数字水印编解码工具采用软硬协同设计方式，整个系统在一片 FPGA 芯片上
完成。利用 Mutex 互斥硬核和共享存储实现主从两个 Nios Ⅱ软核处理器之间的通信。系统采用基于 DCT 变换的数字水
印算法，将其中的二维 DCT 变换及其反变换交由 FPGA 中设计的专用模块处理。
本系统的处理速度将得到了较大提高，在保证数字水印处理便携的同时，很好地满足了系统实时处理的需要。

①系统硬件设计

硬件系统利用 Altera 公司最新发布的 Qsys 标准化图形环境进行 SOPC 系统的搭建。

首先添加系统中所需的各种组件，主要包括 Nios Ⅱ软核处理器 Master 和 Slave，Mutex 互斥硬核，On-Chip
Memory，时钟组件，SD Ｒ AM Controller，SD Card Controller，离散余弦正变换和反变换 zdct 及 zidct 组件等。
其中将 On-Chip Memory 作为两个处理器之间的共享存储。

然后将每个组件相应的时钟、复位、数据及指令信号连接起来，通过系统自动分配基地址和中断号，最后生成 SOPC
系统，完成硬件设计。

②系统软件设计

系统的软件设计是在 Nios Ⅱ EDS 软件开发环境中完成的，建立两个工程分别对 Master 和 Slave 进行编程，最后
分别将程序下载到 FPGA 芯片中。

首先在 SD 卡中建立三个文件夹 Input Files、Watermark 和 Output Files，分别存放原始图像、水印图像和嵌入水
印后的图像。其中原始图像为 640 × 480 的 24 位彩色 BMP 图像，水印图像为 160 × 120 的 8 位灰度 BMP 图像。

软件总体设计：软件设计主要包括 : Master 和 Slave 处理器的并行计算、水印的嵌入和 SD 卡的读写过程。

Slave 处理器状态转换设计：Slave 处理器总共进行了 5 种类型的处理过程，再加上处于等待阶段的状态，需要将
Slave 定义为 6 个状态。分别是 FSM_IDLE、FSM_CALC0、FSM_CALC1、FSM_P Ｒ E0、FSM_P Ｒ E1 和 FSM_
WAT，分别对应的过程是 Slave 的等待过程、对 G、B 分量进行还原处理的过程、对还原得到的 G、B 分量进行排序过程、
将部分图像数据分解为Ｒ、G、B 分量的过程、提取Ｒ、G、B 分量的低 3、2、3 位的过程和对部分频域系数添加水印信
息的过程。