[发明专利]一种印刷品数字水印嵌入与提取装置以及方法

权利要求书

1.一种印刷品数字水印嵌入与提取装置，包括水印嵌入机(1)、水印提取机(2)、密钥包(3)，其特征在于：所述水印嵌入机(1)内设置有图片读写器(4)、嵌入控制机构(5)和嵌入机构(7)；所述水印提取机(2)内设置有图片读写器(4)、提取控制机构(6)和提取机构(8)，其中：水印嵌入机(1)和水印提取机(2)共用图片读写器(4)；

所述图片读写器(4)的第一输出端连接所述嵌入控制机构(5)的第一输入端，图片读写器(4)的第一输入端连接嵌入控制结构(5)的第一输出端，所述嵌入控制机构(5)的第六输入端连接密钥包(3)的第一输出端，图片读写器(4)从外界读取待嵌水印的图片数据并将该数据发送给所述嵌入控制机构(5)；嵌入控制机构(5)读取密钥包(3)产生的密钥，并将密钥和待嵌水印的图片数据输入嵌入机构(7)，嵌入机构(7)将待嵌入的水印数据进行扩频处理，将待嵌水印的图片数据进行离散傅立叶变换后，在频域的中频区域嵌入水印，再对已嵌入水印的数据做对数极坐标变换，并嵌入聚类模板，再将处理后的数据做逆对数极坐标变换和逆傅立叶变换，然后输出给嵌入控制机构(5)，嵌入控制机构(5)将已嵌入水印的图片数据输出给图片读写器(4)，图片读写器(4)接收嵌入控制结构(5)输出的已嵌入水印的图片数据，写出已嵌入水印的图片；

其中，所述嵌入机构(7)内还设置有水印信息扩频器(9)、变换器(10)、聚类模板生成器(11)和嵌入器(12)；

所述水印信息扩频器(9)的输入端与嵌入控制机构(5)的第二输出端连接，所述水印信息扩频器(9)的输出端与嵌入控制机构(5)的第二输入端连接，水印信息扩频器(9)接收嵌入控制机构(5)输出的密钥和待嵌水印的图片数据，将待嵌入的水印数据进行扩频处理数据经扩频后再传回嵌入控制机构(5)，由嵌入控制机构(5)将该水印扩频数据输出到嵌入器(12)；

所述聚类模板生成器(11)的输入端连接到嵌入控制机构(5)第三输出端，聚类模板生成器(11)的输出端连接到嵌入控制机构(5)第三输入端，聚类模板生成器(11)接收嵌入控制机构(5)输出的待添加模板的数据和从密钥包(3)中取得的密钥，聚类模板生成器(11)通过密钥来生成嵌入模板的位置，然后以该位置为中心扩展出一个5×5的矩阵，将该矩阵的方差设成0，将其作为一个聚类模板嵌入这个坐标位置，已添加模板的数据再传回嵌入控制机构(5)，由嵌入控制机构(5)将该数据输出到嵌入器(12)；

所述嵌入器(12)用于将水印信息嵌入到图像，其输入端连接嵌入控制机构(5)的第四输出端，其输出端连接嵌入控制机构(5)的第四输入端，嵌入控制机构(5)向嵌入器(12)输出的数据包括从聚类模板生成器(11)传回的图像数据，从水印信息扩频器(9)传回的水印扩频数据，从密钥包(3)中取得的密钥，嵌入器(12)将密钥生成N个嵌入坐标，其中N等于待嵌入水印信息序列的个数，对于每个嵌入坐标F(u，v)取其对于原点成90度夹角的坐标F2(v，-u)，设kw＝F-F2，其中k是嵌入的强度，w是水印扩频信息，嵌入器(12)将水印扩频数据嵌入到图像数据之后，再将聚类模板嵌入到已经嵌入了水印扩频数据的图像数据中，嵌入之后的数据再传回嵌入控制结构(5)，并由嵌入控制结构(5)传给变换器(10)；

所述变换器(10)的第一输入端与嵌入控制机构(5)的第五输出端连接，所述变换器(10)的第一输出端与嵌入控制机构(5)的第五输入端连接，变换器(10)接收嵌入控制机构(5)输出的密钥和待进行变换的图片数据，将数据进行离散傅立叶变换、对数极坐标变换以及它们的逆变换，数据经变换后再传回嵌入控制机构(5)；

所述图片读写器(4)的第二输出端连接所述提取控制机构(6)的第一输入端，图片读写器(4)的第二输入端连接提取控制机构(6)的第一输出端，所述提取控制机构(6)的第六输入端连接密钥包(3)的第二输出端；图片读写器(4)从外界读取已嵌水印的图片并将读取的已嵌水印的图片数据发送给所述提取控制机构(6)，提取控制机构(6)读取密钥包(3)产生的密钥，并将密钥和已嵌水印的图片数据输入提取机构(8)，提取机构(8)将数据进行离散傅立叶变换，对频域矩阵做对数极坐标变换，在对数极坐标域中提取聚类模板，计算出模板位移，算出几何形变矩阵，再将处理后的数据做逆对数极坐标变换和逆傅立叶变换，并使用形变矩阵还原图像，将所还原的图像进行离散傅立叶变换，再在频域矩阵中使用密钥提取水印，然后将数据输出给提取控制机构(6)，提取控制机构(6)将处理后的图片和水印信息输出给图片读写器(4)，图片读写器(4)接收提取控制机构(6)输出的图片和水印信息，写出已嵌入水印的图片和水印；

其中：所述提取机构(8)内还设置有变换器(10)、聚类模板识别器(14)、提取器(15)和校正器(13)；

所述变换器(10)的第二输入端连接提取控制机构(6)的第五输出端，所述变换器(10)的第二输出端连接提取控制机构(6)的第五输入端，变换器(10)接收提取控制机构(6)输出的密钥和待进行变换的数据，将数据进行离散傅立叶变换、对数极坐标变换以及它们的逆变换，数据经变换后再传回提取控制机构(6)；

聚类模板识别器(14)的输入端连接提取控制机构(6)第三输出端，聚类模板识别器(14)的输出端连接提取控制机构(6)第三输入端，聚类模板识别器(14)用于识别由聚类模板生成器(11)嵌入的聚类模板，并将其输出到提取控制机构(6)，由提取控制机构(6)传给校正器(13)；

校正器(13)的输入端连接提取控制机构(6)的第二输出端，校正器(13)的输出端连接提取控制机构(6)的第二输入端，校正器(13)接收提取控制机构(6)传入的待校正数据，数据经校正后再输出到提取控制机构(6)，由提取控制机构(6)将该数据传给提取器(15)；

所述提取器(15)输入端连接提取控制机构(6)的第四输出端，其输出端连接提取控制机构(6)的第四输入端，提取器(15)接收提取控制机构(6)输入的待提取数据和提取控制机构(6)从密钥包(3)中取得的密钥，提取器(15)提取数字水印并将提取后的数据再经过逆扩频处理后输出到提取控制机构(6)，由提取控制机构(6)将该数据传给图片读写器(4)，图片读写器(4)将水印信息写出来。

2.一种印刷品数字水印嵌入与提取方法，其特点是：所述嵌入方法包括如下步骤：

第一步：使用扩频技术处理水印信息：

通过线性移位寄存器产生随机数列v_i，再使用随机数列v_i将待嵌入的水印信息b_i进行扩频处理，具体如下：

扩频后的水印信息w＝b₁×v₁+b₂×v₂+b₃×v₃+.....b_i×v_i；

第二步：使用混沌产生随机密钥：

第三步：读取图像并做离散傅立叶变换：将图像矩阵I(x，y)转变成频域矩阵F(u，v)；

第四步：检测频域的中频区域，并在中频区域嵌入水印：从密钥包中取得N个嵌入坐标，其中N等于待嵌入水印信息序列的个数，对于每个坐标F(u，v)取其对于原点成90度夹角的坐标F2(v，-u)，设kw＝F-F2，其中k是嵌入的强度，w是水印扩频信息，将水印嵌入；

第五步：对矩阵做对数极坐标变换：将频域矩阵F(u，v)做对数极坐标变换转换成对数极坐标矩阵L(r，θ)，其中r是点离中心的距离，θ是点与中心连成的直线与x轴的夹角；

第六步：使用密钥产生特定性质的聚类模板，将模板嵌入矩阵：在对数极坐标域中的密钥包中取得一个关于嵌入坐标位置的密钥，然后以该位置为中心扩展出一个5×5的矩阵，将该矩阵的方差设成0，将其作为一个聚类模板嵌入这个坐标位置；

第七步：对矩阵做逆对数极坐标变换；

第八步：对矩阵做逆傅立叶变换；

所述提取方法包括如下步骤：

第一步：将已嵌入水印和聚类模板的图像进行离散傅立叶变换：即将图像矩阵I(x，y)转变成频域矩阵F(u，v)；

第二步：对矩阵做对数极坐标变换：将频域矩阵F(u，v)做对数极坐标变换转换成对数极坐标矩阵L(r，θ)，其中r是点离中心的距离，θ是点与中心连成的直线与x轴的夹角；做对数极坐标变换能够使在频域中的旋转和缩放对应转变成对数极坐标域中的x轴平移和y轴平移，以便在对数极坐标域中提取聚类模板；

第三步：提取聚类模板，并计算出几何形变矩阵：在对数极坐标域中遍历每个点，以每个点为中心扩展出一个5×5的矩阵，计算该矩阵方差，如果方差为0，则该矩阵是嵌入的聚类模板，再使用初始密钥得到先前嵌入模板的位置，用现在模板的位置比较得出模板在对数极坐标域中的平移值，x轴的平移代表图像的缩放大小，y轴的平移代表图像的旋转大小，从而算出几何形变矩阵；

第四步：做逆对数极坐标变换；

第五步：做逆傅立叶变换；

第六步：使用形变矩阵还原图像：使用得到的形变矩阵，逆向校正图像；

第七步：离散傅立叶变换：在频域中使用初始嵌入水印的密钥得到嵌入的位置；

第八步：使用密钥提取水印：在每个坐标F(u，v)取其对于原点成90度夹角的坐标F2(v，-u)，设kw＝F-F2，其中k是嵌入的强度，w是水印扩频信息，从而提取出水印信息。