一種基於DFT和LogisticMap的醫學圖像水印方法

2023-10-20 11:14:22 1

專利名稱：一種基於DFT和LogisticMap的醫學圖像水印方法
技術領域：
本發明屬於多媒體信號處理領域,涉及一種基於DFT、混沛(Logistic Map)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DFT和Logistic Map的可抗幾何攻擊的醫學圖像水印方法。
背景技術：
近年來，隨著計算機科學技術和多媒體通信技術的迅速發展，遠程醫療日益普及，但在網際網路上進行醫學圖像傳輸時，病人的個人信息容易洩漏，利用數字水印的不可見性和魯棒性可以較好的解決這個問題，即把病人的個人信息作為數字水印嵌入在醫學圖像中。
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。鑑於對醫學圖像病灶區保護的特殊性要求，一般的醫學圖像數字水印方法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ROI (Region of Interest)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，至今為止基於DFT和Logistic Map抗擊幾何攻擊的魯棒性水印的嵌入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的水印嵌入方法研究，目前尚未見報導，尚屬空白。而在實際應用中，醫學圖像數字水印常常同時受到這兩種攻擊。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於DFT和Logistic Map的可抗幾何攻擊的醫學圖像水印方法，將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，不需要進行感興趣區域的選取，從而解決了水印的嵌入、提取的快捷性問題和容量限制性問題，具有很理想的魯棒性和不可見性，有效地解決了醫學圖像水印嵌入的問題，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，以保護醫學圖像的版權和病患信息的隱秘性。為了實現上述目的，本發明是這樣進行的基於全圖DFT變換，在DFT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，並將水印技術與混沌加密、Hash函數和「第三方概念」有機結合起來，實現了數字水印的抗幾何攻擊和常規攻擊。本發明所採用的方法包括水印預處理、水印嵌入、水印提取和水印還原四大部分，第一部分為水印的預處理方法，包括(1)由邏輯初始值Xtl生成混沌序列X (·]_)，然後通過升維運算和符號運算得到二值加密矩陣C(i，j) ；(2)通過二值加密矩陣C (i，j)和二值水印W(i，j)得到加密的水印BW (i，j)。第二部分為水印嵌入方法，包括(3)通過進行全圖DFT變換，得到圖像的一個視覺特徵向量V(j) ；(4)由混沌加密的水印BW(i，j)和在醫學圖像中提取的視覺特徵向量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。第三部分為水印提取方法，包括(5)求出待測圖像的視覺特徵向量V』 (j) ；(6)利用存在於第三方的二值邏輯 序列Key (i，j)和待測醫學圖像的特徵向量V』(j)，提取出待測圖像所含的水印BW』(i，j)。第四部分為水印還原方法，包括(7)由邏輯初始值X。生成混沌序列X(j)，然後通過升維運算和符號運算得到二值加密矩陣C(i，j) ；(8)通過二值加密矩陣和提取的加密水印BW』(i，j)，利用Hash函數性質可以得到還原的水印W，(i，j)。現對本發明的方法進行詳細說明如下首先選擇一個有意義的二值圖像作為要嵌入醫學圖像的原始水印，記為W ={w(i, j) |w(i, j) = 0，I ;1彡i彡Ml, I彡j彡M2},同時,我們選取一個醫學體數據的第十片作為原始醫學圖像，記為 F= {f(i, j) f(i, j) e R；1 ^ i ^NLl ^ j ^ N2}, w(i, j)和f(i，j)分別表示水印和原始醫學圖像的像素灰度值，為了便於運算，我們假設Ml = M2=Μ, NI = N2 = N。第一部分水印的預處理方法I)生成混沌序列並得到二值加密矩陣。混沌序列X(j)由初始值Xtl生成，但它是一維序列，為了匹配二維水印，需要通過升維運算得到二維矩陣。最後，混沌序列X (j)通過符號運算得到二值加密矩陣C (i，j)。其中x(j)的值大於O. 5的為「1」，其餘為「O」。2)得到混沌加密的水印。首先將原始水印轉化為二值水印W(i，j)，然後將二值水印和二值加密矩陣C(i，j)通過Hash函數性質得到加密的水印BW(i，j)。第二部分水印嵌入方法3)通過進行全圖DFT變換，得到圖像的視覺特徵向量V(j)。先對原圖F(i，j)進行全圖DFT變換，得到DFT係數矩陣FF (i，j)，再從DFT係數矩陣FF (i，j)的低中頻係數中，取前L個值，並通過DFT係數符號運算得到該圖像的視覺特徵向量V(j)，方便起見，這裡將一個複數看成實部、虛部(虛部只看係數)兩個係數，當係數值為正值和零時我們用「 I」表示，係數為負值時用「O」表示，主要過程描述如下FF(i, j) = DFT2(F(i, j))V(j) = -Sign(FF(i, j))4)根據加密的水印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 (i，j) = BW [ij)十 K )Key(i,j)是由圖像的視覺特徵向量V (j)和加密的水印BW(i，j)，通過密碼學常用的Hash函數生成。保存Key(i，j)，在以後提取水印時要用到。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。第三部分水印提取方法5)求出待測醫學圖像的視覺特徵向量V』(j)。設待測圖像為F』(i，j)，經過全圖DFT變換後得到DFT係數矩陣為FF』(i，j)，按上述Step3的方法，求得待測圖像的視覺特徵向量V』 (j)；FF，(i, j) =DFT2(F，(i，j))V，(j) =-Sign(FF，(i, j))6)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密鑰Key(i，j)和待測圖像的視覺特徵向量V』(j)，利用Hash函數可以提取出待測圖像所含的水印BW』(i，j)。BW\i, j) = Key(i, j) 0 V\j)第四部分水印還原方法
7)生成混沌序列並得到二值加密矩陣按上述St印I的方法得到混沌序列X(j)和二值加密矩陣C(i，j)。8)還原提取的水印根據二值加密矩陣C (i，j)和提取的水印BW』(i，j)，利用密碼學中的Hash函數性質可以得到還原的水印r a，j)。W』(i,j) = C(i,j) BWf(Kj)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患者個人信息的安全性問題。本發明與現有的醫學圖像水印技術相比有以下優點由於本發明是基於DFT變換和Logistic Map的數字水印技術，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的質量，在醫療方面具有很高的實用價值；利用Logistic Map進行混沛加密處理,提高了水印的安全性,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。以下從理論基礎和實驗數據說明I)離散傅立葉變換二維離散傅立葉正變換(DFT)公式如下
權利要求
1.一種基於DFT和Logistic Map的可抗幾何攻擊的醫學圖像水印方法,其特徵在於基於全局DFT的抗幾何攻擊的特徵向量的提取，並將常規的水印技術、Logistic Map混沌加密技術、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進行數字水印的嵌入，該方法共分四個部分，共計八個步驟 第一部分是水印的預處理利用Logistic Map的性質對水印進行混沛加密,得到加密的水印BW (i，j)； 1)由邏輯初始值Xtl生成混沌序列X(j)，然後通過升維運算和符號運算得到二值加密矩陣 C(i，j)； 2)二值加密矩陣C(i，j)和二值水印W(i，j)通過Hash函數性質得到加密的水印BW(i，j); 第二部分是水印的嵌入通過對水印的嵌入操作，得到相應的二值邏輯序列Key(i，j); 3)對原始醫學圖像進行全局DFT，在變換係數中，利用低中頻係數的符號序列來得到該圖的抗幾何攻擊的特徵向量V(j)； 4)利用Hash函數和混沌加密的水印BW(i，j)，得到二值邏輯序列Key(i，j)，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和使用權； 第三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幾何攻擊的特徵向量V』(j)，提取出水印BW』(i，j)； 5)對待測醫學圖像進行全局DFT;在變換係數中，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)； 6)利用Hash函數性質，和存在於第三方的Key(i，j)，提取出水印，BW5(Ij)= Key(i,j) V5G); 第四部分是水印的還原利用Logistic Map性質得到二值加密矩陣,還原水印； 7)由邏輯初始值Xtl生成混沌序列X(j)，然後通過升維運算和符號運算得到二值加密矩陣 C(i，j)； 8)利用Hash函數性質，和二值加密矩陣C(i，j)，還原加密的水印，W』(ij)=BW』(ij) C(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和病人信息的使用。
全文摘要
本發明涉及一種基於DFT和Logistic Map的魯棒水印技術，屬於多媒體信號處理領域。本發明的步驟，先進行水印的預處理和水印的嵌入，包括(1)利用Logistic Map得到二值加密矩陣；(2)得到加密的水印；(3)對原圖進行DFT變換，並提取特徵向量；(4)利用該特徵向量和混沌加密的水印得到一個二值邏輯序列；再進行水印的提取和水印還原，包括(5)對待測圖像進行DFT變換，提取一個特徵向量；(6)利用Hash函數和嵌入水印時生成的二值邏輯序列來提取水印；(7)利用Logistic Map生成二值加密矩陣；(8)求得還原的水印。本發明在遠程醫療中對保護患者個人信息有較高的實用價值。
文檔編號G06T1/00GK102938132SQ20121046865
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者李京兵, 杜文才, 魏應彬, 黃夢醒 申請人:海南大學