CN108549762B - 一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统及方法 - Google Patents

一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统及方法，其系统包括多个功能模块，通过各功能模块之间的协同作用来实现电路图的绘制和还原功能。本发明通过将电路图拓扑信息编码成一幅二值水印图像，再嵌入电路图像中，实现电路图拓扑信息与电路图像共存。利用此共存信息，WORD文档能正常显示电路图，本电路绘图系统能反向提取电路拓扑信息，进行电路重绘还原，方便电路二次开发。采用本发明的电路绘图系统绘制电路图，可将电路存于WORD文档中，且多个电路可存于同一个WORD文档，无需单独保存各电路的拓扑文件，既方便电路的存储和管理，又方便电子技术专业教师间交流题库和讲义。

Description

一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统及方法
技术领域
本发明涉及一种电路图绘制还原系统及方法，具体是一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统及方法，属于电子和计算机技术领域。
背景技术
从事电子技术课程教学的教师在进行题库建设和讲义编写时，需要在WORD文档中插入电路图，通常是先应用专业的电路仿真软件来绘制电路图，再将所绘制的电路图复制出来插入WORD文档中。显示于WORD文档的电路图，所存储的数据仅仅是电路的图像信息，不包含电路的拓扑信息（即电路的元件和连接线参数等信息），因此就算将WORD文档中的电路图逆向传回电路仿真软件，电路仿真软件也无法还原电路。因此，为了方便二次开发，我们还需通过电路仿真软件将所绘制的电路图以专有格式保存其电路拓扑文件，凭对应的电路拓扑文件，电路仿真软件可自动重绘还原电路，以便用户基于还原电路上进行二次开发。这种方式，一个WORD文档可以显示和存储若干电路，但每个电路需对应存储一个电路拓扑文件，由于显示用的电路图像信息与绘图用的电路拓扑信息相互分离，给用户带来了不便。
另外，由于种种原因，如同行间交流时，通常只是提供题库和讲义的WORD文档，不提供电路拓扑文件，此时若需对WORD文档内的某一电路进行二次开发，如修改参数或修改电路结构等，只能由零开始，经添加元件、移动元件、编辑元件和添加电气连接线等系列操作，重新绘制电路图，因此效率较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统及方法。数字水印技术是一种以人眼不可察觉的方式，将需隐藏的文字、语音或图像信息等水印信息经一定算法嵌入载体图像，需要时再从载体图像反向提取隐藏其中的水印信息的技术。
本发明的具体技术方案如下：
一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统，包括元件库模块、电路绘图模块、元件提取模块、连接线提取模块、水印图像生成模块、电路图像生成模块、水印嵌入模块、电路图像复制模块、电路图像粘贴模块、水印图像提取模块、元件重构模块和连接线重构模块，其中：
元件库模块与电路绘图模块相连接，用于为电路绘图模块提供元件的图形参数；
电路绘图模块用于给用户提供绘制电路图的界面和交互接口，并负责电路图绘制；
元件提取模块的输入端连接电路绘图模块，元件提取模块用于遍历电路绘图模块所绘电路图中的元件，提取每一元件的参数向量；
连接线提取模块的输入端连接电路绘图模块，连接线提取模块用于遍历电路绘图模块所绘电路图中的连接线，提取每一连接线的参数向量；
水印图像生成模块的两个输入端分别连接元件提取模块的输出端和连接线提取模块的输出端，水印图像生成模块用于将元件和连接线的参数向量进行二进制编码，组合成一幅二值水印图像；
电路图像生成模块的输入端连接电路绘图模块，电路图像生成模块用于将电路绘图模块所绘电路图生成一幅电路图像；
水印嵌入模块的一个输入端连接水印图像生成模块的输出端，另一个输入端连接电路图像生成模块的输出端，水印嵌入模块用于将水印图像生成模块生成的二值水印图像嵌入电路图像生成模块生成的电路图像中，生成隐藏有水印图像的电路图像；
电路图像复制模块的输入端连接水印嵌入模块的输出端，电路图像复制模块用于将水印嵌入模块生成的隐藏有水印图像的电路图像复制到操作系统的剪贴板中，使WORD文档可通过剪贴板获取此电路图像；
电路图像粘贴模块用于读取由WORD文档复制至操作系统剪贴板的电路图像；
水印图像提取模块的输入端连接电路图像粘贴模块的输出端，水印图像提取模块用于从电路图像粘贴模块传来的电路图像中提取隐藏其中的水印图像；
元件重构模块的输入端连接水印图像提取模块的输出端，元件重构模块的输出端连接至电路绘图模块，元件重构模块用于从水印图像提取模块传来的水印图像中提取元件的参数，然后重构元件，将所重构元件送至电路绘图模块重绘元件；
连接线重构模块的输入端连接水印图像提取模块的输出端，连接线重构模块的输出端连接电路绘图模块，连接线重构模块用于从水印图像提取模块传来的水印图像中提取连接线的参数，然后重构连接线，将所重构的连接线送至电路绘图模块重绘连接线。
一种结合数字水印技术的电路图绘制还原方法，其包括电路图的绘制保存方法和电路图的提取还原方法两个部分。
所述电路图的绘制保存方法，包括如下步骤：
（a1）通过电路绘图模块从元件库模块中调用相应的元件并绘制电路图；
（a2）调用元件提取模块对步骤（a1）所绘的电路图遍历电路元件，提取每一元件的参数向量；
（a3）调用连接线提取模块对步骤（a1）所绘的电路图遍历电路连接线，提取每一连接线的参数向量；
（a4）调用水印图像生成模块将步骤（a2）和（a3）所得的元件的参数向量和连接线的参数向量进行二进制编码，组合成一幅二值水印图像；
（a5）调用电路图像生成模块将步骤（a1）所绘的电路图生成一幅电路图像；
（a6）调用水印嵌入模块将步骤（a4）所得的二值水印图像逐像素嵌入步骤（a5）所得电路图像的像素的红、绿、蓝分量的最低比特位，得到一幅隐藏有水印图像的电路图像；
（a7）调用电路图像复制模块将步骤（a6）所得的隐藏有水印图像的电路图像复制到操作系统剪贴板；
（a8）WORD文档通过操作系统剪贴板获取隐藏有水印图像的电路图像，即可通过WORD文档显示、保存电路图。
所述电路图的提取还原方法，包括如下步骤：
（b1）通过WORD程序打开用上述电路图的绘制保存方法生成的WORD文档，选择并复制其中的电路图像，将所选择的电路图像复制到操作系统剪贴板；
（b2）调用电路图像粘贴模块从操作系统剪贴板读取电路图像；
（b3）调用水印图像提取模块从步骤（b2）所得的电路图像中提取隐藏在其中的水印图像；
（b4）调用元件重构模块从步骤（b3）所得的水印图像中提取元件的参数，然后重构元件，将所重构元件送至电路绘图模块，由电路绘图模块逐一重绘元件；
（b5）调用连接线重构模块从步骤（b3）所得的水印图像中提取连接线的参数，然后重构连接线，将所重构的连接线送至电路绘图模块，由电路绘图模块逐一重绘连接线，由此实现对电路图的还原。
本发明采用空域算法的最低有效位算法，将电路图拓扑信息编码成一幅二值水印图像，再嵌入电路图像中，实现电路图拓扑信息与电路图像共存。利用此共存信息，WORD文档能正常显示电路图，本电路绘图系统能反向提取电路拓扑信息，进行电路重绘还原，方便电路二次开发。采用本发明的电路绘图系统绘制电路图，可将电路存于WORD文档中，且多个电路可存于同一个WORD文档，无需单独保存各电路的拓扑文件，既方便电路的存储和管理，又方便电子技术专业教师间交流题库和讲义。
附图说明
图1为本发明电路图绘制还原系统的组成框图。
图2为应用电路绘图模块从元件库模块中调用元件进行绘图的示意图。
图3为应用电路绘图模块进行连接线绘图的示意图。
图4为调用电路图像复制模块将隐藏有水印图像的电路图像复制到操作系统剪贴板的示意图。
图5为电路图像粘贴到WORD文档中的示意图。
图6为调用电路图像粘贴模块从操作系统剪贴板读取电路图像的示意图。
图7为电路图重绘还原后的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的电路图绘制还原系统包括元件库模块、电路绘图模块、元件提取模块、连接线提取模块、水印图像生成模块、电路图像生成模块、水印嵌入模块、电路图像复制模块、电路图像粘贴模块、水印图像提取模块、元件重构模块和连接线重构模块。
元件库模块与电路绘图模块相连接，用于为电路绘图模块提供元件的图形参数。
电路绘图模块用于给用户提供绘制电路图的界面和交互接口，并负责电路图绘制。
元件提取模块的输入端连接电路绘图模块，元件提取模块用于遍历电路绘图模块所绘电路图中的元件，提取每一元件的参数向量。
连接线提取模块的输入端连接电路绘图模块，连接线提取模块用于遍历电路绘图模块所绘电路图中的连接线，提取每一连接线的参数向量。
水印图像生成模块的两个输入端分别连接元件提取模块的输出端和连接线提取模块的输出端，水印图像生成模块用于将元件和连接线的参数向量进行二进制编码，组合成一幅二值水印图像。
电路图像生成模块的输入端连接电路绘图模块，电路图像生成模块用于将电路绘图模块所绘电路图生成一幅电路图像。
水印嵌入模块的一个输入端连接水印图像生成模块的输出端，另一个输入端连接电路图像生成模块的输出端，水印嵌入模块用于将水印图像生成模块生成的二值水印图像嵌入电路图像生成模块生成的电路图像中，生成隐藏有水印图像的电路图像。
电路图像复制模块的输入端连接水印嵌入模块的输出端，电路图像复制模块用于将水印嵌入模块生成的隐藏有水印图像的电路图像复制到操作系统的剪贴板中，使WORD文档可通过剪贴板获取此电路图像。
电路图像粘贴模块用于读取由WORD文档复制至操作系统剪贴板的电路图像。
水印图像提取模块的输入端连接电路图像粘贴模块的输出端，水印图像提取模块用于从电路图像粘贴模块传来的电路图像中提取隐藏其中的水印图像。
元件重构模块的输入端连接水印图像提取模块的输出端，元件重构模块的输出端连接至电路绘图模块，元件重构模块用于从水印图像提取模块传来的水印图像中提取元件的参数，然后重构元件，将所重构元件送至电路绘图模块重绘元件。
连接线重构模块的输入端连接水印图像提取模块的输出端，连接线重构模块的输出端连接电路绘图模块，连接线重构模块用于从水印图像提取模块传来的水印图像中提取连接线的参数，然后重构连接线，将所重构的连接线送至电路绘图模块重绘连接线。
以下结合图2-图7对本发明的电路图绘制还原方法进行详细说明。
本发明的电路图绘制还原方法，包括电路图的绘制保存方法和电路图的提取还原方法两个部分。
所述电路图的绘制保存方法，包括如下步骤：
（a1）通过电路绘图模块从元件库模块中调用相应的元件并绘制电路图。图2为电路绘图模块从元件库模块选择元件、移动元件、编辑元件完成后的界面，图3为增加连接线后的界面。本发明除了常见的电阻、电容、二极管和三极管等元件，将输入信号、电源、地和输入输出端口都视为电路的一个元件。
（a2）调用元件提取模块对步骤（a1）所绘的电路图遍历电路元件，提取每一元件的参数向量。
元件的参数向量CP=(Type，ID，X，Y，Dire，Value，Unit)
其中：Type为元件类型，ID为元件编号，X、Y为元件中心的坐标，Dire为元件摆放方向，Value为参数的量，Unit为参数的单位。
以图3中的电阻R3为例，提取电阻R3的参数向量，得
CP=(“电阻”，3，350，160，“水平方向”，10，“K”)
（a3）调用连接线提取模块对步骤（a1）所绘的电路图遍历电路连接线，提取每一连接线的参数向量。
连接线的参数向量LP=(X0，Y0，X1，Y1)
其中：X0、Y0为连接线的起点坐标，X1、Y1为终点坐标。
（a4）调用水印图像生成模块将步骤（a2）和（a3）所得的元件的参数向量和连接线的参数向量进行二进制编码，组合成一幅二值水印图像。
本步骤的一种具体做法为：先遍历元件，对每一元件的参数向量进行二进制编码，生成一行63位的二进制数，再遍历连接线，对每一连接线的参数向量进行二进制编码，生成一行63位的二进制数，最后由所有行二进制数组成一幅二值水印图像。
以图3中的电阻R3为例，对电阻R3的参数向量进行二进制编码的具体方法如下：
电阻R3的参数向量CP=(“电阻”，3，350，160，“水平方向”，10，“K”)
对参数向量CP的非数值类型分量通过编码转换成十进数，得
CP10=(1，3，350，160，1，10，5)
对参数向量CP10的所有分量进行二进制转换，其中Dire分量转换为4位，Unit分量转换为7位，Type和ID转换为8位，X、Y和Value转换为12位，得
CP2=(00000001，00000011，000101011110，000010100000，0001，000000001010，0000101)
将参数向量CP2的全部分量按序首尾串接，得一行63位二进制数
S=000000010000001100010101111000001010000000010000000010100000101
用同样方法，对连接线对象的参数向量进行二进制编码，每一连接线的参数向量对应生成一行63位二进制数，其中，参数向量LP=(X0，Y0，X1，Y1)的每一分量占12位长，共占48位，余下15位为多余位。
若电路图包括M个元件和N条连接线，则最后组成一幅宽为63位，高为1+M+N的二值水印图像，其中水印图像的第一行用于记录电路元件数量M和连接线数量N的信息。
（a5）调用电路图像生成模块将步骤（a1）所绘的电路图生成一幅电路图像。
（a6）调用水印嵌入模块将步骤（a4）所得的二值水印图像逐像素嵌入步骤（a5）所得电路图像的像素的红、绿、蓝分量的最低比特位，得到一幅隐藏有水印图像的电路图像。
本步骤的一种具体做法为：按行遍历水印图像，将第i行像素分割成3行，分别嵌入第i行电路图像的红、绿、蓝分量的最低比特位。
（a7）调用电路图像复制模块将步骤（a6）所得的隐藏有水印图像的电路图像复制到操作系统剪贴板。如图4所示。
（a8）WORD文档通过操作系统剪贴板获取隐藏有水印图像的电路图像，即可通过WORD文档显示、保存电路图，如图5所示。
电路图的提取还原方法，包括如下步骤：
（b1）通过WORD程序打开用上述电路图的绘制保存方法生成的WORD文档，选择并复制其中的电路图像，将所选择的电路图像复制到操作系统剪贴板。
（b2）调用电路图像粘贴模块从操作系统剪贴板读取电路图像，如图6所示。
（b3）调用水印图像提取模块从步骤（b2）所得的电路图像中提取隐藏在其中的水印图像。
（b4）调用元件重构模块从步骤（b3）所得的水印图像中提取元件的参数，然后重构元件，将所重构元件送至电路绘图模块，由电路绘图模块逐一重绘元件。
（b5）调用连接线重构模块从步骤（b3）所得的水印图像中提取连接线的参数，然后重构连接线，将所重构的连接线送至电路绘图模块，由电路绘图模块逐一重绘连接线，由此实现对电路图的还原，如图7所示。在还原电路图的基础上可以方便地对其进行二次开发。

Claims (5)

1.一种结合数字水印技术的电路图绘制还原系统，其特征是：所述电路图绘制还原系统包括元件库模块、电路绘图模块、元件提取模块、连接线提取模块、水印图像生成模块、电路图像生成模块、水印嵌入模块、电路图像复制模块、电路图像粘贴模块、水印图像提取模块、元件重构模块和连接线重构模块，其中：
元件库模块与电路绘图模块相连接，用于为电路绘图模块提供元件的图形参数；
电路绘图模块用于给用户提供绘制电路图的界面和交互接口，并负责电路图绘制；
元件提取模块的输入端连接电路绘图模块，元件提取模块用于遍历电路绘图模块所绘电路图中的元件，提取每一元件的参数向量；
连接线提取模块的输入端连接电路绘图模块，连接线提取模块用于遍历电路绘图模块所绘电路图中的连接线，提取每一连接线的参数向量；
水印图像生成模块的两个输入端分别连接元件提取模块的输出端和连接线提取模块的输出端，水印图像生成模块用于将元件和连接线的参数向量进行二进制编码，组合成一幅二值水印图像；
电路图像生成模块的输入端连接电路绘图模块，电路图像生成模块用于将电路绘图模块所绘电路图生成一幅电路图像；
水印嵌入模块的一个输入端连接水印图像生成模块的输出端，另一个输入端连接电路图像生成模块的输出端，水印嵌入模块用于将水印图像生成模块生成的二值水印图像嵌入电路图像生成模块生成的电路图像中，生成隐藏有水印图像的电路图像；
电路图像复制模块的输入端连接水印嵌入模块的输出端，电路图像复制模块用于将水印嵌入模块生成的隐藏有水印图像的电路图像复制到操作系统的剪贴板中，使WORD文档可通过剪贴板获取此电路图像；
电路图像粘贴模块用于读取由WORD文档复制至操作系统剪贴板的电路图像；
水印图像提取模块的输入端连接电路图像粘贴模块的输出端，水印图像提取模块用于从电路图像粘贴模块传来的电路图像中提取隐藏其中的水印图像；
元件重构模块的输入端连接水印图像提取模块的输出端，元件重构模块的输出端连接至电路绘图模块，元件重构模块用于从水印图像提取模块传来的水印图像中提取元件的参数，然后重构元件，将所重构元件送至电路绘图模块重绘元件；
连接线重构模块的输入端连接水印图像提取模块的输出端，连接线重构模块的输出端连接电路绘图模块，连接线重构模块用于从水印图像提取模块传来的水印图像中提取连接线的参数，然后重构连接线，将所重构的连接线送至电路绘图模块重绘连接线。
2.一种结合数字水印技术的电路图绘制还原方法，其特征是: 所述方法包括电路图的绘制保存方法和电路图的提取还原方法两个部分；
所述电路图的绘制保存方法，包括如下步骤：
（a1）通过电路绘图模块从元件库模块中调用相应的元件并绘制电路图；
（a2）调用元件提取模块对步骤（a1）所绘的电路图遍历电路元件，提取每一元件的参数向量；
（a3）调用连接线提取模块对步骤（a1）所绘的电路图遍历电路连接线，提取每一连接线的参数向量；
（a4）调用水印图像生成模块将步骤（a2）和（a3）所得的元件的参数向量和连接线的参数向量进行二进制编码，组合成一幅二值水印图像；
（a5）调用电路图像生成模块将步骤（a1）所绘的电路图生成一幅电路图像；
（a6）调用水印嵌入模块将步骤（a4）所得的二值水印图像逐像素嵌入步骤（a5）所得电路图像的像素的红、绿、蓝分量的最低比特位，得到一幅隐藏有水印图像的电路图像；
（a7）调用电路图像复制模块将步骤（a6）所得的隐藏有水印图像的电路图像复制到操作系统剪贴板；
（a8）WORD文档通过操作系统剪贴板获取隐藏有水印图像的电路图像，即可通过WORD文档显示、保存电路图；
所述电路图的提取还原方法，包括如下步骤：
（b1）通过WORD程序打开用上述电路图的绘制保存方法生成的WORD文档，选择并复制其中的电路图像，将所选择的电路图像复制到操作系统剪贴板；
（b2）调用电路图像粘贴模块从操作系统剪贴板读取电路图像；
（b3）调用水印图像提取模块从步骤（b2）所得的电路图像中提取隐藏在其中的水印图像；
（b4）调用元件重构模块从步骤（b3）所得的水印图像中提取元件的参数，然后重构元件，将所重构元件送至电路绘图模块，由电路绘图模块逐一重绘元件；
（b5）调用连接线重构模块从步骤（b3）所得的水印图像中提取连接线的参数，然后重构连接线，将所重构的连接线送至电路绘图模块，由电路绘图模块逐一重绘连接线，由此实现对电路图的还原。
3.根据权利要求2所述的电路图绘制还原方法，其特征是:
在所述步骤（a2）中，
元件的参数向量CP=(Type，ID，X，Y，Dire，Value，Unit)
其中：Type为元件类型，ID为元件编号，X、Y为元件中心的坐标，Dire为元件摆放方向，Value为参数的量，Unit为参数的单位；
在所述步骤（a3）中，
连接线的参数向量LP=(X0，Y0，X1，Y1)
其中：X0、Y0为连接线的起点坐标，X1、Y1为终点坐标。
4.根据权利要求2所述的电路图绘制还原方法，其特征是:所述步骤（a4）的具体做法为：先遍历元件，对每一元件的参数向量进行二进制编码，生成一行63位的二进制数，再遍历连接线，对每一连接线的参数向量进行二进制编码，生成一行63位的二进制数，最后由所有行二进制数组成一幅二值水印图像。
5.根据权利要求2所述的电路图绘制还原方法，其特征是:所述步骤（a6）的具体做法为：按行遍历水印图像，将第i行像素分割成3行，分别嵌入第i行电路图像的红、绿、蓝分量的最低比特位。
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