專利名稱：一種基于三維dwt和dft在醫(yī)學(xué)圖像中嵌入大水印的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于三維小波變換(DWT)和三維傅里葉變換(DFT)，在醫(yī)學(xué)圖像 中嵌入大容量數(shù)字水印方法，是一種多媒體數(shù)據(jù)保護方法，屬于多媒體信號處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)字媒體如文本、圖像、聲音、視頻 等都可以通過互聯(lián)網(wǎng)快速方便地進(jìn)行傳輸，信息化給人們的生活帶了極大的方便；但同時 這也使得這些信息的篡改和盜版等變得非常容易。數(shù)字水印是實現(xiàn)對數(shù)字作品版權(quán)保護的有效手段。因此，該技術(shù)成為多媒體信息 安全領(lǐng)域的一個研究熱點。但多數(shù)研究方向是在圖像、音頻數(shù)字水印。目前在數(shù)字水印研究領(lǐng)域中，如何在醫(yī)學(xué)圖像中(默認(rèn)情況下，醫(yī)學(xué)圖像主要指 CT, MRI等體數(shù)據(jù))嵌入水印的研究較少，這些醫(yī)學(xué)圖像，原則上其內(nèi)容是不容許修改，另 外，下一代圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000是基于小波變換的，因此對于基于三維DWT，在醫(yī)學(xué)圖像 中嵌入大容量水印的研究有較大意義，并且要求嵌入的大容量水印有較強的魯棒性，其實 現(xiàn)難度較大，目前尚未見報道，尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于三維小波、傅里葉變換在醫(yī)學(xué)圖像(體數(shù)據(jù))中嵌 入大容量水印的方法，并且該水印算法具有較強的魯棒性，既能抗擊幾何攻擊又能抗常規(guī) 攻擊，而且水印的嵌入不影響原始醫(yī)學(xué)圖像，是一種零水印方式。從而較好的保護了醫(yī)學(xué)圖 像的版權(quán)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣進(jìn)行的先對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換，得到 “近似系數(shù)”和“細(xì)節(jié)系數(shù)”，這類似二維圖像的小波變換，“近似系數(shù)”代表醫(yī)學(xué)圖像的低頻 特性，反映的是醫(yī)學(xué)圖像的主要輪廓；“細(xì)節(jié)系數(shù)”代表醫(yī)學(xué)圖像的高頻特性反映的是醫(yī)學(xué) 圖像的高頻信息。由于小波變換本身的抗幾何攻擊能力較差，為此，我們先對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行 三維小波變換(DWT)，然后再對反映低頻特性的“近似系數(shù)”再進(jìn)行全局傅里葉變換(DFT)， 在DFT系數(shù)中，提取一個抗幾何攻擊的特征向量，并將水印技術(shù)與密碼學(xué)中的Hash函數(shù)和 “第三方概念”有機結(jié)合起來，實現(xiàn)了基于三維小波變換，抗幾何攻擊大容量數(shù)字水印的嵌 入。本發(fā)明所采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，包括 (1)通過對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換，然后對近似系數(shù)進(jìn)行全局DFT變換，得到一個抗幾 何攻擊的特征向量V (j)，(2)將大容量水印W分成k個子水印Wk(j)，k = 1，2，. . .，η，η表 示子水印的個數(shù)；再將子水印Wk(j)和從醫(yī)學(xué)圖像中提取的特征向量V(j)，通過Hash函數(shù) 生成二值邏輯序列Keyk(j)，然后將二值邏輯序列Keyk(j)存在第三方；第二部分為大容量 水印的提取，包括(3)求出待測醫(yī)學(xué)圖像的抗幾何攻擊的特征向量V’ (j), (4)利用已存 在第三方的二值邏輯序列Keyk(j)和待測醫(yī)學(xué)圖像的特征向量V’(j)，提取出多個子水印 Wk' (j)。
現(xiàn)對本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說明如下第一部分大容量水印的嵌入首先用Wk(j)表示組成大容量水印的一系列子水印，Wk(j) = {wk(j) |w(j) =0,1 ； 1彡j彡L，1彡k彡η}，L代表要嵌入的一個子水印的長度，η為子水印的個數(shù)。原始醫(yī)學(xué) 圖像記為 F = {f(i, j,k) f(i，j，k) e R;1 彡 i 彡M，1 彡 j 彡 N，1 彡 k 彡 P)}，其中，f(i， j，k)表示醫(yī)學(xué)圖像的體素(Voxel)數(shù)據(jù)值，類似二維圖像中的圖像的像素灰度值，設(shè)N = M(設(shè)切片的長寬一樣)，多重水印的嵌入步驟如下1)通過對原始醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換，然后對小波變換的“近似系數(shù)”再進(jìn) 行全局DFT變換，在DFT的低中頻系數(shù)中，得到該醫(yī)學(xué)圖像的一個抗幾何攻擊的特征向量 V(J)；先對原始醫(yī)學(xué)圖像F(i，j，k)進(jìn)行三維DWT小波變換，得到系數(shù)矩陣ca_cd(i，j， k)，再對其中的“近似系數(shù)” ca(i，j，k)進(jìn)行全局DFT變換，得到系數(shù)矩陣FF(i，j，k)中，取 出前L個值，并通過對FF(i，j, k)系數(shù)進(jìn)行符號運算得到該醫(yī)學(xué)圖像的特征向量V(j)，方 便起見，這里一個復(fù)數(shù)看成實部、虛部(虛部只看系數(shù))兩個系數(shù)，當(dāng)系數(shù)值為“正”時我們 用“ 1”表示(含系數(shù)值為“0”的情況)，系數(shù)為負(fù)時用“0”表示，主要過程描述如下ca_cd(i, j,k) = DWT3(F(i, j，k)) ； %對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換FF(i，j,k) = DFT3(ca(i, j,k)) ； %對近似系數(shù)進(jìn)行全局傅里葉變換V(j) = Sign(FF(i, j, k)) ； %求出醫(yī)學(xué)圖像的一個特征向量2)根據(jù)要嵌入的多個子水印Wk(j)和已提取的醫(yī)學(xué)圖像的特征向量V(j)，利用 Hash函數(shù)特性，生成二值邏輯序列Keyk(j)Keyk(j)=V(j) Wk(j);k = 1,2,... ,ηKeyk(J)是由醫(yī)學(xué)圖像的特征向量V(j)和要嵌入的多個子水印Wk(j)，通過密碼學(xué) 常用的Hash函數(shù)生成。保存Keyk(j)，在以后提取多個子水印時需用。通過將Keyk(j)作 為密鑰向第三方申請，以獲得原醫(yī)學(xué)圖像的所有權(quán)，達(dá)到版權(quán)保護的目的。第二部分多個子水印的提取3)求出待測醫(yī)學(xué)圖像的特征向量V’ (j)設(shè)待測醫(yī)學(xué)圖像為F’(i，j，k)，經(jīng)過小波變換(DWT)，和對其近似系數(shù)進(jìn)行的全局 傅里葉變換(DFT)，得到系數(shù)矩陣DF’(i，j, k)，按上述步驟1)的方法，求得待測醫(yī)學(xué)圖像 的特征向量V’(j)，主要步驟程序描述如下ca_cd' (i，j, k) = DWT3(F' (i，j, k)) ； %對待測醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換DF' (i，j, k) = DFT3(ca' (i，j, k)) ； %對近似系數(shù)進(jìn)行全局傅里葉變換ψ (j) = Sign(DF’(i，j, k)) ； %求出一個特征向量4)從待測醫(yī)學(xué)圖像中提取出多個子水印Wk，(j)根據(jù)存在第三方的在嵌入水印時生成的Keyk(j)和待測醫(yī)學(xué)圖像的特征向量 V’(j)，利用Hash函數(shù)性質(zhì)可以提取出待測醫(yī)學(xué)圖像的多個子水印Wk’(j)。Wk，(j)=Keyk ① θ V，①再根據(jù)Wk(j)和Wk’ (j)的相關(guān)程度來判別待測圖像的所有者。本發(fā)明有以下優(yōu)點首先由于本發(fā)明是基于三維DWT、三維DFT的數(shù)字水印技術(shù)，DffT是下一代圖像壓縮技術(shù)JPEG2000的核心，DFT是在頻率域，可以在其中找到抗幾何攻擊的特征向量，通過后 面的實驗數(shù)據(jù)證實，該水印嵌入方法不僅有較強的抗常規(guī)攻擊能力，而且有較強的抗幾何 攻擊能力；其次，重復(fù)嵌入的多個子水印不影響原始醫(yī)學(xué)圖像的內(nèi)容，這是是一種零水印技 術(shù)。這個特性尤其是在醫(yī)學(xué)圖像等方面具有較大的實用價值，使用范圍廣。以下我們從理論基礎(chǔ)和實驗數(shù)據(jù)說明1)三維離散小波變換(DWT)三維小波變換的一層分解過程如

圖1所示，圖1中的L、H分別表示醫(yī)學(xué)圖像 (體數(shù)據(jù))經(jīng)過低頻和高頻濾波之后得到的低頻成分和高頻成分，與二維圖像的小波變 換類似，醫(yī)學(xué)圖像經(jīng)過三維小波變換后，被分解成一個代表醫(yī)學(xué)圖像低頻特性的“近似系 數(shù)” LLL1 (低頻三維子帶)，和該醫(yī)學(xué)圖像的高頻信息的“細(xì)節(jié)系數(shù)”(高頻三維子帶)，下標(biāo) “1”表示是三維DWT的第一層分解；一個醫(yī)學(xué)圖像的三維小波變換(兩層)的例子見圖2， 圖2 (a)為醫(yī)學(xué)圖像的一個切片，圖2(b)為醫(yī)學(xué)圖像的三維成像，圖2(c)為醫(yī)學(xué)圖像的三 維小波變換(兩層)。觀察圖2(c)可以發(fā)現(xiàn)，圖像的主要能量和低頻特征是集中在低頻系 數(shù)中。2)醫(yī)學(xué)圖像的抗幾何攻擊的特征向量V(j)提取目前大部分水印算法抗幾何攻擊能力差的主要原因是人們將數(shù)字水印嵌入在體 素或變換系數(shù)中，圖像的輕微幾何變換，常常導(dǎo)致體素數(shù)據(jù)值或變換系數(shù)值的較大變化。這 樣嵌入在醫(yī)學(xué)圖像中的水印便被輕易攻擊。如果能夠找到一個反映醫(yī)學(xué)圖像幾何特點的 特征向量，并且當(dāng)醫(yī)學(xué)圖像發(fā)生小的幾何變換時，該特征向量值不會發(fā)生明顯的突變，而把 要嵌入的多重水印和該特征向量相關(guān)聯(lián)，就可以較好的解決水印的魯棒性問題。小波變換 的抗擊幾何攻擊的能力較差，通過實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)將醫(yī)學(xué)圖像的三維小波變換和三維傅里 葉變換相結(jié)合，可以找到一個抗幾何攻擊的特征向量，當(dāng)對一個醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行常見的幾何 變換時(通過對每個切片進(jìn)行幾何變換來實現(xiàn))，三維DFT低中頻系數(shù)值(指實部、虛部系 數(shù))的大小可能發(fā)生一些變化，但其系數(shù)符號基本保持不變，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的這么一個規(guī)律，我 們先對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換(這里選用一層)，然后對其近似系數(shù)再進(jìn)行全局DFT變 換，我們通過表1的一些實驗數(shù)據(jù)來說明。表1中用作測試的原圖是圖3(a)，是matlab中 自帶的一個MRI醫(yī)學(xué)圖像的一個切片(取第十個切片)，表1中“第1列”顯示的是醫(yī)學(xué)圖 像受到攻擊的類型，受到常規(guī)攻擊后的該切片圖像見圖3(b)-(d)，受到常規(guī)攻擊后的體數(shù) 據(jù)對應(yīng)的三維成像見圖3 (e) - (h)；受到幾何攻擊后的切片圖像見圖4 (a) - (d)，其對應(yīng)的三 維成像見圖4 (e) - (h)。表1的“第2列，，到“第7列”，這是三維DffT-DFT系數(shù)矩陣中取的 DF(1，1，1)-DF(1，2，3)，12個低中頻系數(shù)(一個復(fù)數(shù)這里算兩個系數(shù))。對于常規(guī)攻擊，這 些低中頻系數(shù)值DF(1，1，1)-DF(1，2，;3)基本保持不變；對于幾何攻擊，大部分系數(shù)有較大 變化，但是從表1中可以發(fā)現(xiàn)，大部分DWT-DFT低中頻系數(shù)的大小發(fā)生了變化但其符號基本 沒有發(fā)生變化。我們將正的DWT-DFT系數(shù)用” 1”表示(含值為零的系數(shù))，負(fù)的系數(shù)用”0” 表示，那么對于沒有受到攻擊的“原始醫(yī)學(xué)圖像”來說，三維DWT-DFT系數(shù)矩陣中的DF(1，1， 1)-DF(1, 2, 3)系數(shù)，對應(yīng)的系數(shù)符號序列為”1100 0011 0011”，具體見表1的第“8”列中 的第二行，我們觀察該列可以發(fā)現(xiàn)，無論常規(guī)攻擊還是幾何攻擊該“符號序列”和原始醫(yī)學(xué) 圖像的保持相似，與原始醫(yī)學(xué)圖像對應(yīng)的符號序列的歸一化相關(guān)系數(shù)都較大，為1，(見表1 的“第9列”)。
表1三維DWT-DFT低頻“部分系數(shù)”及受不同攻擊后的變化值
權(quán)利要求
1. 一種基于三維DWT和DFT在醫(yī)學(xué)圖像中嵌入大水印的方法，其特征在于基于三維 小波、傅里葉變換及抗幾何攻擊的特征向量的提取，將水印技術(shù)、密碼學(xué)中的Hash函數(shù)特 性和“第三方”概念有機結(jié)合起來，實現(xiàn)了基于三維小波變換、傅里葉變換在醫(yī)學(xué)圖像中嵌 入大容量數(shù)字水印的方法，該方法共分兩個部分，共計四個步驟第一部分是水印的嵌入先將大水印分成多個小的子水印，然后通過對多個子水印的 重復(fù)嵌入操作，得到相應(yīng)的二值邏輯序列Keyk(j)；1)對原始醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換，再對近似系數(shù)進(jìn)行三維全局傅里葉變換，在傅 里葉變換系數(shù)中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號序列來得到該醫(yī)學(xué)圖像的一個抗幾何攻擊的特征 向量V(j)；2)利用Hash函數(shù)和要嵌入的多個子水印Wk(J)，k= 0，1，2，· · ·，η ；得到二值邏輯序列
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三維DWT和DFT在醫(yī)學(xué)圖像中嵌入大水印的方法，屬于多媒體信號處理領(lǐng)域。本發(fā)明的步驟是先進(jìn)行水印的嵌入，包括(1)對原始醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換、全局傅里葉變換，在變換系數(shù)中提取一個抗幾何攻擊的特征向量；(2)先將大水印分成多個子水印，然后把醫(yī)學(xué)圖像的特征向量和要嵌入的多個子水印通過Hash函數(shù)運算，得到相應(yīng)的二值邏輯序列，并將該二值序列存于第三方。然后進(jìn)行水印提取，包括(3)對待測醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換、全局傅里葉變換，在變換域提取待測對象的特征向量；(4)利用Hash函數(shù)特性和存在第三方的二值邏輯序列提取多個子水印。實驗證明該算法有較強的抗幾何和常規(guī)攻擊能力。
文檔編號G06T1/00GK102129656SQ20111005665
公開日2011年7月20日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者李京兵, 杜文才 申請人:海南大學(xué)