一種基於Arnold置亂變換和DCT的醫學圖像魯棒水印方法
2023-04-27 20:17:41 1
專利名稱：一種基於Arnold置亂變換和DCT的醫學圖像魯棒水印方法
技術領域：
本發明屬於多媒體信號處理領域，涉及一種基於Arnold置亂變換、離散餘弦變換(DCT)和圖像視覺特徵的醫學圖像數字水印技術，具體是一種基於Arnold置亂變換和DCT的醫學圖像魯棒水印方法。
背景技術：
目前，醫學圖像佔整個醫院醫學信息的70% 80%，數字信息管理系統在現代醫療體系中發揮了越來越重要的作用，但隨著網絡的推廣應用，其信息安全問題逐漸暴露出來。 醫學圖像在網絡上進行遠程傳輸時，記錄在醫學圖片上的病人的個人信息，容易被洩露。若把個人信息作為數字水印嵌入在醫學圖片中，就可以較好的解決這個難題，這種水印稱為醫學圖像數字水印。目前對醫學圖像數字水印領域的研究主要集中在空間域和變換域(DCT、DFT和DffT)兩個方面，它們分別通過改變空間域的某些象素的灰度或變換域的一些係數的值來嵌入水印。其中餘弦變換(Discrete Cosine Transform, DCT)域水印方法，由於其計算量較小，且與國際數據壓縮標準(JPEG，MPEG)兼容，目前研究的比較多，是現有大多數的頻率域數字水印算法研究的熱點。鑑於對醫學圖像病灶區保護的特殊性要求，一般文獻中常選擇將水印信息嵌入到圖像的非感興趣區域(Region of Non-Interest, R0NI)。醫學圖像中的感興趣區域(Regionof Interest,R0I)指的是那些包含重要病理特徵或診療信息的病灶區，若在該區域嵌入水印，則有可能造成錯誤的診斷。但往往人們在尋找ROI時，要花費很長的時間與精力，並且一旦選擇有誤，則有可能干擾醫生的診斷。在醫學圖像數字水印研究領域，至今為止幾何攻擊仍是一個比較難以解決的課題，至於同時能有效抵抗常規攻擊和幾何攻擊，這兩種攻擊類型的水印方法研究，目前尚未見報導，尚屬空白。而實際應用中，醫學數字水印圖像常常同時受到這兩種攻擊。不僅如此，對於醫學圖像的研究，考慮到病患信息和一些特殊的隱私性，一旦水印被提取後，可能遭受洩露或篡改的危險。故要採取一些預處理的方式，即俗稱的加密，進行二次保護，從而加強對水印信息的安全性保護。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於Arnold置亂變換和DCT的醫學圖像魯棒水印方法，通過將Arnold置亂變換、醫學圖像的視覺特徵向量、加密技術和第三方的概念有機結合起來，不但能夠對水印信息進行二次加密保護，而且不需要進行感興趣區域的選取，也沒有容量大小的限制性問題，具有很理想的魯棒性和不可見性，有效地解決了醫學圖像的水印的嵌入問題，同時解決了醫學圖像應用中出現的抗擊幾何攻擊和抗擊常規攻擊問題，可以有效的保護病患信息的隱秘性。
為了實現上述目的，本發明是這樣進行的首先利用置亂變換技術對水印信息進行加密，再對全圖進行DCT變換，在DCT變換係數中，提取一個抗幾何攻擊的醫學圖像視覺特徵向量，並將水印技術與密碼學有機結合起來，實現了數字水印的抗幾何和常規攻擊。本發明所採用的方法包括水印嵌入和水印提取兩大部分，第一部分為水印嵌入算法，包括
(I)通過對二值圖像W(i，j)經Arnold置亂變換得到BW(i，j) ； (2)通過進行全圖DCT變換，得到醫學圖像的一個視覺特徵向量V(j) ；(3)將已經經過置亂的水印信息BW(i，j)，和在醫學圖像中提取的特徵向量V(j)，通過Hash函數運算，生成二值邏輯序列Key (i，j)，然後將二值邏輯序列Key (i，j)存在第三方。第二部分為水印提取算法，包括(4)求出待測醫學圖像的視覺特徵向量V』 (j) ；(5)利用已存在第三方的二值邏輯序列Key(i，j)和待測醫學圖像的特徵向量V』(j)，提取出水印BW』(i，j) ；(6)根據置亂變換的周期和迭代次數，利用Arnold置亂逆變換將提取的水印BW』(i，j)進行還原，得到待測圖像的水印W』(i，j)。現對本發明的方法進行詳細說明如下
首先用一幅有意義的二值圖像來作為水印，用W表示，F代表原始醫學圖像。則W={w(i, j) |w(i, j) = 0,1 ;1彡i彡Ml, I彡j彡M2}作為數字水印,而原始醫學圖像記為F= {f(i, j) f(i, j) e R；1 ^ i ^NLl ^ j 彡 N2}，w((i，j))和 f(i，j)分別表示水印圖像及原始醫學圖像的像素灰度值，設Ml = M2 = Μ, NI = N2 = N。第一部分水印嵌入算法I)通過對二值圖像W(i，j)經Arnold置亂變換得到BW(i，j)。Bff(i, j) = AT(ff(i, j))2)通過進行全圖DCT變換，得到醫學圖像的視覺特徵向量V(j)。先對原圖F(i，j)進行全圖DCT變換，得到DCT係數矩陣FD (i，j)，再對DCT係數矩陣FD (i，j)，在低中頻係數中，取前L個係數，並通過DCT係數符號運算得到該圖像的視覺特徵向量V(j)，具體做法是當DCT係數為正或零時我們用「I」表示，係數為負時用「O」表示，程序描述如下FD(i, j) = DCT2(F(i, j))V(j) = -Sign(FD(i, j))3)根據已經過預處理的水印BW(i，j)和圖像的視覺特徵向量V(j)生成一個二值邏輯序列Key (i, j)。Key(ij)=V(j) BW(i,j)Key(i,j)是由圖像的視覺特徵向量V(j)和水印W(i，j)，通過密碼學常用的Hash函數生成。保存Key (i，j)，在以後提取水印時需用。通過將Key (i，j)作為密鑰向第三方申請，以獲得原圖像的所有權，從而達到保護醫學圖像的目的。第二部分水印提取算法4)求出待測醫學圖像的視覺特徵向量V』 (j)。設待測醫學圖像為F』(i，j)，經過全圖DCT變換後得到DCT係數矩陣為FD』(i，j)，按上述Stepl方法，求得待測圖像的視覺特徵向量V』 (j)；FD，(i, j) =DCT2(F，(i,j))V』(j) =-Sign(FD』(i，j))5)在待測圖像中提取出水印BW』(i，j)。
根據在嵌入水印時生成的Key(i，j)和待測圖像的視覺特徵向量V』(j)，利用Hash性質可以提取出待測圖像的水印BW』(i，j)。BWXij)= Key(i』j) V，(j)6)利用Arnold置亂逆變換將提取的水印BW』 (i,j)進行還原，得到待測圖像的水印 W，(i，j)。
再根據W(i，j)和W』(i，j)的相關程度來判別待測圖像的所有權和病人的隱藏信
肩、O本發明與現有的醫學水印技術比較有以下優點由於本發明是基於Arnold置亂變換和DCT的醫學圖像數字水印技術，不僅能夠對水印信息實現二次加密的保護，進一步提高了其安全可靠性，而且計算速度快，精度高，有較好的兼容性，有較強的抗幾何攻擊能力和抗常規攻擊能力；不需要人為的進行感興趣區域的選取，從而解決了水印嵌入的快捷性問題；嵌入的水印是一種零水印，不影響原始醫學圖像質量，在醫療方面具有很高的實用價值，並且該算法可適用於其他領域；利用第三方的概念，適應了現今網絡推廣的實用化和規範化；以下從理論基礎和試驗數據說明l)Arnold 置亂變換鑑於醫學圖像的用途，嵌入圖像中的通常是病人序列號、病人住院號、病人姓名、醫師姓名、診斷報告等文本欄位或其他一些有意義的信息。考慮到這些病患信息隱私性，一旦水印被提取後，可能遭受洩露或篡改的危險。故要進行預處理，即俗稱的加密，進行二次保護。置亂變換技術通常作為加密的一種手段應用在水印的預處理階段。一幅有意義的水印圖像經過置亂變換以後，就變成一幅毫無意義、雜亂無章的圖像。如果不知道置亂算法和密鑰，即使攻擊者從嵌有水印的圖像中提取出水印，也不能從中恢復水印，從而對數字產品起到了二次加密的作用。另外，一幅圖像經過置亂變換後，就打亂了像素空間位置間的關聯關係，能使其均勻地分布在載體圖像的所有空間，提高了算法的魯棒性，二維Arnold置亂變換定義如下
Γ I ^'1 「I I I「丨r, = ,。 mod Wx，ye {O, 1,2, ...，N_1}
_y」L1 2」W其中，x、y為原始空間像素點的坐標；x』、y』為經過迭代運算置亂後像素點的坐標；N為方形圖像的大小，也稱為階數。由上式可以得到相應的逆變換公式(當k+Ι時)
'x~\ f[2 -ΠΓ χ' 「ΛΠ、=+ modiW , j' e {0,1,2, ...，Ν_1}
)」IL-1 1Jb1J此逆變換公式經過相應的迭代次數就可以還原出原始圖像。Arnold變換具有周期性，即當迭代到某一步時，將重新得到原始圖像。所以不知道其周期和迭代的次數也就無法對圖像進行恢復。因此，在置亂變換中，周期和迭代次數可以作為私鑰存在。與此同時，不同的圖像，因為所需要的置亂效果不同，所以迭代次數也應根據需要相應的改變。2)離散餘弦變換DCT用於圖像編碼是目前廣泛使用的JPEG壓縮和MPEG-1/2的標準。DCT是在最小均方差條件小得出的僅次於K-L變換的次最佳正交變換，是一種無損的酋變換。它運算速度快，精度高，以提取特徵成分的能力和運算速度之間的最佳平衡而著稱。二維離散餘弦正變換(DCT)公式如下
權利要求
1.一種基於Arnold置亂變換和DCT的醫學圖像魯棒水印算法，其特徵在於基於Arnold置亂變換、餘弦變換及抗常規和幾何攻擊的特徵向量的提取，並將置亂算法、水印技術、密碼學中的Hash函數特性和「第三方」概念有機結合起來，實現了在醫學圖像中嵌入數字水印的方法，該方法共分兩個部分，共計六個步驟 第一部分是水印嵌入方法通過對水印的嵌入操作，得到相應的二值邏輯序列key(i，j); 1)通過對作為水印的二值圖像W(i，j)經Arnold變換得到BW(i，j)； 2)對原始醫學圖像進行全圖DCT變換，從DCT係數中，根據低中頻係數的符號序列來得到該圖的視覺特徵向量V(j)； 3)利用Hash函數和要嵌入的已經過預處理的水印BW(i，j)，得到二值邏輯序列Key (i，j),Key(i,j)=VG) BW(ij); 保存Key(i，j)，下面提取水印時要用到，通過把Key(i，j)作為密鑰向第三方申請，以獲得對原始醫學圖像的所有權； 第二部分是水印的提取通過二值邏輯序列Key(i，j)和待測醫學圖像的抗常規和幾何攻擊的特徵向量V』(j)，提取出水印BW』(i，j)； 4)對待測醫學圖像進行全圖DCT變換，在DCT係數中，根據低中頻係數的符號提取出待測圖像的視覺特徵向量V』 (j)； 5)利用Hash函數性質，和存在第三方的Key(i，j)，提取出水印，BW，(i，j)=Key(i，j)@V，G); 6)利用Arnold置亂逆變換將提取的水印BW』(i，j)進行還原，得到待測圖像的水印W，(i，j)，W，(i，j) = IAT(BW，(i，j))； 將W(i，j)和W』(i，j)進行歸一化相關係數計算，來確定醫學圖像的所有權。
全文摘要
本發明公開了一種基於Arnold置亂變換和DCT的醫學圖像魯棒水印技術，屬於多媒體信號處理領域。本發明的步驟是先進行水印的嵌入，包括(1)對要嵌入的水印進行Arnold變換，實現預處理；(2)對醫學圖像進行全圖DCT變換，在變換域提取一個特徵的向量；(3)利用該特徵向量和經過預處理的水印通過Hash函數得到一個二值邏輯序列；然後進行水印提取，包括(4)對待測醫學圖像進行全圖DCT變換，提取一個特徵向量；(5)利用Hash函數性質和存在第三方的二值邏輯序列來提取出水印；(6)經Arnold置亂的逆變換得到原始水印。實驗證明本發明具有很好信息隱藏能力。在遠程醫療中，對保護患者的信息意義重大。
文檔編號G06T1/00GK102930500SQ20121046523
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日
發明者李京兵, 杜文才, 隋淼, 塗蓉 申請人:海南大學