專利名稱：一種基于Arnold置亂變換和DWT-DFT的醫(yī)學(xué)圖像魯棒水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多媒體信號處理領(lǐng)域，涉及一種基于Arnold置亂變換、離散小波變換(DWT)、離散傅里葉變換(DFT)和圖像視覺特征的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字水印技術(shù)，具體是一種基于Arnold置亂變換和DWT-DFT的醫(yī)學(xué)圖像魯棒水印方法。
背景技術(shù)：
隨著多媒體技術(shù)和數(shù)字圖像處理的不斷進(jìn)步和發(fā)展，數(shù)字成像技術(shù)已廣泛地滲透到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，采用計(jì)算機(jī)X光斷層掃描技術(shù)(CT)和磁共振成像技術(shù)(MRI)進(jìn)行診斷已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷不可或缺的有效輔助手段。目前，醫(yī)學(xué)圖像占整個(gè)醫(yī)院醫(yī)學(xué)信息的70% -80%，數(shù)字信息管理系統(tǒng)在現(xiàn)代醫(yī)療體系中發(fā)揮了越來越重要的作用，基于數(shù)字醫(yī) 學(xué)成像及通信(DICOM, Digital Imaging and Communications in Medicine)標(biāo)準(zhǔn)的圖像存檔及通信系統(tǒng)(PACS)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。但隨著PACS的推廣應(yīng)用，其信息安全問題逐漸暴露出來。與傳統(tǒng)的膠片圖像相比，作為診斷依據(jù)的數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像如果發(fā)生異常(如偽造、篡改、信息錯(cuò)亂等)，不僅無法作為醫(yī)療事故判案的有力證據(jù)，更會延誤病人的最佳診治時(shí)間甚至發(fā)生誤診；現(xiàn)在加密方法和訪問控制已很難滿足PACS信息安全要求的情況下，尋求新的信息安全技術(shù)措施已迫在眉睫。數(shù)字水印技術(shù)為解決這種信息安全問題提供了有效的手段。數(shù)字水印技術(shù)將標(biāo)志性數(shù)字信息嵌入到多媒體數(shù)字作品中，其特有的魯棒性和安全性保證了在經(jīng)歷信息交流過程中的數(shù)據(jù)處理后，仍能完整可靠地提取水印標(biāo)志，從而起到鑒別內(nèi)容真?zhèn)?、保護(hù)版權(quán)等作用。目前對醫(yī)學(xué)數(shù)字水印領(lǐng)域的研究主要集中在空間域和變換域(DCT、DFT和DWT)兩個(gè)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系數(shù)的值來嵌入水印。其中DWT(Discrete wavelet Transform)域水印方法，與新一代的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000相兼容，JPEG2000的核心是小波變換，DffT具有良好的空間、頻率特性和與人類視覺系統(tǒng)(HVS)相符的多分辨率特性。因此基于DWT的水印技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)之一，但DWT不具有RST不變性的特點(diǎn)，因此研究基于DWT的抗幾何攻擊數(shù)字水印算法，有較大意義。鑒于對醫(yī)學(xué)圖像病灶區(qū)保護(hù)的特殊性要求，一般文獻(xiàn)中常選擇將水印信息嵌入到圖像的非感興趣區(qū)域(NROI)。醫(yī)學(xué)圖像中的病灶區(qū)指的是那些包含重要病理特征或診療信息的感興趣區(qū)域ROI (Region of Interest),若在該區(qū)域嵌入水印，則有可能造成錯(cuò)誤的診斷。但往往人們在尋找ROI時(shí)，要花費(fèi)很長的時(shí)間與精力，并且一旦選擇有誤，則有可能干擾醫(yī)生的診斷。對于醫(yī)學(xué)圖像的研究，考慮到病患信息和一些特殊的隱私性，一旦水印被提取后，可能遭受泄露或篡改的危險(xiǎn)。故要采取一些預(yù)處理的方式，即俗稱的加密，進(jìn)行二次保護(hù)，從而加強(qiáng)對水印信息的安全性保護(hù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于Arnold置亂變換和DWT-DFT的醫(yī)學(xué)圖像魯棒水印方法，通過將Arnold置亂變換、醫(yī)學(xué)圖像的視覺特征向量、加密技術(shù)和第三方的概念有機(jī)結(jié)合起來，不但能夠?qū)λ⌒畔⑦M(jìn)行二次加密保護(hù)，而且不需要進(jìn)行感興趣區(qū)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(yī)學(xué)圖像的水印的嵌入問題，同時(shí)解決了醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用中出現(xiàn)的抗擊幾何攻擊和抗擊常規(guī)攻擊問題，可以有效的保護(hù)病患信息的隱秘性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣進(jìn)行的首先利用置亂變換技術(shù)對水印信息進(jìn)行加密，再對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行小波變換，得到“近似系數(shù)”和“細(xì)節(jié)系數(shù)”，而根據(jù)小波理念可知，“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)圖像的細(xì)節(jié)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(gè)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(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了基于Arnold置亂變換和DWT-DFT的醫(yī)學(xué)圖像魯棒數(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方法，包括(I)通過對二值圖像W(i，j)經(jīng)Arnold置亂變換得到BW(i，j) ；(2)通過對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行小波變換，然后對近似系數(shù)進(jìn)行全局DFT變換，得到圖像的一個(gè)視覺特征向量V(j) ；(3)將已經(jīng)經(jīng)過置亂的水印信息BW(i，j)，和在醫(yī)學(xué)圖像中提取的特征向量V(j)，通過Hash函數(shù)運(yùn)算，生成二值邏輯序列Key (i，j)，然后將二值邏輯序列Key (i，j)存在第三方。第二部分為水印提取方法，包括(4)求出待測圖像的視覺特征向量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(yī)學(xué)圖像的特征向量V’(j)，提取出水印BW’(i，j) ；(6)根據(jù)置亂變換的周期和迭代次數(shù)，利用Arnold置亂逆變換將提取的水印BW’(i，j)進(jìn)行還原，得到待測圖像的水印W’(i，j)?，F(xiàn)對本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)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(xiàn)代表原始醫(yī)學(xué)圖像。則W={w(i, j) |w(i, j) = 0，I ;1彡i彡Ml, I彡j彡M2}作為數(shù)字水印,而原始醫(yī)學(xué)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(yī)學(xué)圖像的像素灰度值，設(shè)Ml = M2 = Μ, NI = N2 = N。第一部分水印的嵌入方法I)通過對二值圖像W(i，j)經(jīng)Arnold置亂變換得到BW(i，j)。Bff(i, j) = AT(ff(i, j))2)通過對原始醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行小波變換，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(gè)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)進(jìn)行DWT小波變換，得到系數(shù)矩陣ca_cd(i，j)，再對其中的“近似系數(shù)” ca (i，j)進(jìn)行全局DFT變換，得到DFT系數(shù)矩陣FF(i，j)，再在低中頻系數(shù)中，求得頻率由低到高的DFT系數(shù)序列Y(j)，取前L個(gè)值，并通過DFT系數(shù)符號運(yùn)算得到該圖像的視覺特征向量V(j)，方便起見，這里一個(gè)復(fù)數(shù)看成實(shí)部、虛部(虛部只看系數(shù))兩個(gè)系數(shù)，當(dāng)系數(shù)值為“正”時(shí)我們用“ I”表示(含系數(shù)值為“O”的情況)，系數(shù)為負(fù)時(shí)用“O”表示，主要過程描述如下
ca_cd(i, j) = DWT2 (F (i, j))FF (i，j) = DFT2 (ca (i，j))V(j) = -Sign(FF(i, j))3)根據(jù)已經(jīng)過預(yù)處理的水印BW(i，j)和圖像的視覺特征向量V(j)生成一個(gè)二值邏輯序列Key (i, j)。
權(quán)利要求
1.一種基于Arnold置亂變換和DWT-DFT的醫(yī)學(xué)圖像魯棒水印算法，其特征在于基于Arnold置亂變換、基于小波、傅里葉變換及抗常規(guī)和幾何攻擊的特征向量的提取，并將置亂算法、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(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了在醫(yī)學(xué)圖像中嵌入數(shù)字水印的方法，該方法共分兩個(gè)部分，共計(jì)六個(gè)步驟 第一部分是水印嵌入通過對水印的嵌入操作，得到相應(yīng)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(jīng)Arnold變換得到BW(i，j)； 2)對原始醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行小波變換，再對近似系數(shù)進(jìn)行全局傅里葉變換，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(gè)抗幾何攻擊的特征向量V(J)； 3)利用Hash函數(shù)和要嵌入的已經(jīng)過預(yù)處理的水印BW(i，j)，得到二值邏輯序列Key (i，j)，Key(i，j)=V(j) BW(i,j); 保存Key(i，j)，下面提取水印時(shí)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(yī)學(xué)圖像的所有權(quán)； 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(yī)學(xué)圖像的抗常規(guī)和幾何攻擊的特征向量V’(j)，提取出水印BW’(i，j)； 4)對待測醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行小波變換和對近似系數(shù)進(jìn)行全局DFT變換；在變換系數(shù)中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號提取出待測醫(yī)學(xué)圖像的一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量V’ (j)； 5)利用Hash函數(shù)性質(zhì)，和存在第三方的Key(i，j)，提取出水印，BWXij)= Key(ij) θ V5G); 6)利用Arnold置亂逆變換將提取的水印BW’(i，j)進(jìn)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(jìn)行歸一化相關(guān)系數(shù)計(jì)算，來確定醫(yī)學(xué)圖像的所有權(quán)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Arnold置亂變換和DWT-DFT的醫(yī)學(xué)圖像魯棒水印技術(shù)，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)對要嵌入的水印進(jìn)行Arnold變換；(2)對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行DWT變換，再對其逼近子圖進(jìn)行DFT變換，提取一個(gè)特征的向量；(3)利用該特征向量和經(jīng)過預(yù)處理的水印通過Hash函數(shù)得到一個(gè)二值邏輯序列；然后進(jìn)行水印提取，包括(4)對待測醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行DWT變換，再對其逼近子圖進(jìn)行DFT變換，并提取一個(gè)特征向量；(5)利用Hash函數(shù)和存在第三方的二值邏輯序列提取水??；(6)經(jīng)Arnold逆變換得到原始水印。該發(fā)明在遠(yuǎn)程醫(yī)療中，對保護(hù)患者的信息意義重大。
文檔編號G06T1/00GK102938133SQ20121046887
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者李京兵, 杜文才, 白勇, 任佳 申請人:海南大學(xué)