云环境下一种基于dft加密医学图像鲁棒水印方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多媒体信号处理领域，涉及一种基于DFT变换、混沌映射（Logistic Map)和图像特征向量的医学图像数字水印技术，具体是云环境下一种基于DFT加密医学图 像鲁棒水印方法。
【背景技术】
[0002]X光片、CT、MRI、超声波和PET等现代医学图像技术的广泛应用，使得研宄人员对 医学图像的保密性、完整性和真实性开展了深入的研宄。互联网云技术的发展，在为医疗技 术带来便捷的同时，也对数据的安全提出了挑战。云环境下，为了使用云服务不泄露数据隐 私，用户需要对数据进行加密，并希望能在密文域完成数据分析。医学图像包含了病人的重 要信息，当它们在因特网上或以其他方式进行存储和传输时，很容易面临安全威胁。因此， 迫切需要对患者的医学图像采取保护措施。采用合适的信息隐藏手段便可以防止非授权用 户对相关信息进行访问。一些常见的加密方法已经见诸实践，比如DES，IDEA，AES等。但 是，当使用这些方法进行加密时，在计算上需要花费大量的时间，同时也只是适用于对文本 数据的加密。因为医学图像所具有的数据量大，冗余度高，相邻像素间相关性强的特点，使 得传统的加密方法并不适合于用来对图像进行加密。因此，一些新的加密方法被应用到图 像加密中来，比如著名的混沌系统。由于混沌系统所具有的遍历性、对初始值/控制参数的 高度敏感性、伪随机性、数据混合性等特点，使得它很适合于用来设计安全而又快捷的图像 加密算法。
[0003] 按照加密算法的作用域，可以将基于混沌的图像加密算法分为空域加密算法和频 域加密算法。空间域的加密方式一般不需要用到从空间域到频域的变换，计算量相对较少， 但其局部随机置乱效果不是很好。频域算法的优势是，在频域中每一点的变化对整个数据 集合都会产生一定的影响。相对于空间域算法，频域算法加密效率比较高。在医学图像中 把个人信息作为数字水印嵌入在医学图像中，就可以较好地解决患者的信息隐藏问题。传 统方法是直接将置乱后的水印嵌入到原始图像中，这样做可以保护水印信息，但是仍然不 能消除当医学图像遭到非授权访问时载体信息泄露的安全隐患。通过在加密图像中嵌入数 字水印就能很好地解决这个问题，然而，相关研宄目前还未见任何报道。
[0004] 基于此，本发明是云环境下一种基于DFT加密医学图像鲁棒水印方法。首先在DFT 变换域对原始医学图像进行加密，再将病人的重要信息作为水印信号，经置乱后嵌入到加 密医学图像中。这样一来，即使病人的信息受到有意或者无意的攻击，只要非授权用户不知 道密钥，便无法破解出医学图像和水印，使得患者的个人信息真正得到保护。
【发明内容】
[0005] 本发明是云环境下一种基于DFT加密医学图像鲁棒水印方法，通过将加密医学图 像的特征向量、密码学和零水印技术结合，弥补了传统的数字水印方法不能对医学图像本 身进行保护的缺点，具有很强的鲁棒性和不可见性，能同时保护病人的隐私信息和医学图 像的数据安全。
[0006] 为了实现上述目的，本发明是这样进行的：基于全图DFT变换，在DFT变换系数中， 提取一个抗几何攻击的医学图像视觉特征向量，并将水印技术与混沌加密、Hash函数和"第 三方概念"有机结合起来，实现了数字水印的抗几何攻击和常规攻击。本发明所采用的方法 包括原始图像加密、水印置乱、水印嵌入、水印提取、水印还原和加密医学图像还原六大部 分。
[0007] 现对本发明的方法进行详细说明如下：
[0008] 选择一个有意义的二值文本图像作为嵌入加密医学图像的水印，记为W= {w(i，j) |w(i，j) = 0, 1 ;}。同时，我们选取一个医学体数据的第十片作为原始医学图像，记 为I(i，j)，W(i，j)和I(i，j)分别表示水印和原始医学图像的像素灰度值。
[0009] 第一部分：在变换域对原始医学图像I(i，j)加密，生成加密图像El(i，j)
[0010] 1)对原始医学图像I(i，j)进行全图DFT变换，获取系数矩阵D(i，j);
[0011] D(i,j) =DFT(I(i,j))
[0012] 2)根据初始值yQ，应用LogisticMap生成一个混纯序列L(j);
[0013] 3)通过对L(j)升维运算得到二维矩阵，然后将混沌矩阵通过符号运算，将大于等 于0. 5的数，赋值为" 1"，其余赋值为"-1"，以得到二值混沌矩阵C'（i，j));
[0014] 4)将原图的DFT系数矩阵D(i，j)和二值混沌矩阵C'（i，j)进行点乘运算，获得加 密后的DFT系数矩阵ED(i，j);
[0015] ED(i，j) = D(i，j). *C'（i，j)
[0016] 5)对系数矩阵ED(i，j)进行DFT反变换，得到加密医学图像El(i，j);
[0017]EI(i,j) =IDFT(ED(i,j))
[0018] 第二部分：水印的加密
[0019] 6)获取二值混沌矩阵
[0020] 首先根据初始值X(1生成一维混沌序列X(j)，通过升维运算得到二维矩阵；然后， 将混沌序列X(j)通过符号运算，将大于等于0. 5的元素赋值为"1"，其余赋值为"0"，以得 到二值混沌矩阵C(i，j)。
[0021] 7)得到混沌加密的水印
[0022] 将二值水印Wk(i，j)和二值混沌矩阵C(i，j)经过异或运算得到加密的多重水印 Eff(i,j)；
【主权项】
1.云环境下一种基于DFT加密医学图像鲁椿水印方法其特征在于；基于全图DFT变 换，在DFT变换系数中，提取一个抗几何攻击的医学图像视觉特征向量；再将加密后的水印 嵌入到加密医学图像中，不仅将普通的水印技术与混浊加密、"第=方概念"有机结合起来， 实现了数字水印的抗几何和常规攻击，而且使得原始图像也具有了很好的保密性；本发明 所采用的方法包括原始图像加密、水印置乱、水印嵌入、水印提取、水印还原和加密图像还 原六大部分； 第一部分；在变换域对原始医学图像I(i，j)加密，生成加密图像EI(i，j) 1) 对原始医学图像I(i，j)进行全图DFT变换，获取系数矩阵D(i，j); D(i,j) =DFT(I(i,j)) 2) 根据初始值y。，应用LogisticMap生成一个混浊序列L(j); 3) 通过对L(j)升维运算得到二维矩阵，然后将混浊矩阵通过符号运算，将大于等于 0. 5的数，赋值为"1"，其余赋值为"-1"，W得到二值混浊矩阵C'（i，j)); 4) 将原图的DFT系数矩阵D(i，j)和二值混浊矩阵C'（i，j)进行点乘运算，获得加密后 的DFT系数矩阵邸(i，j); ED(iJ) =D(i，j).*C'（i，j) 5) 对系数矩阵邸(i，j)进行DFT反变换，得到加密医学图像EI(i，j); EI(i，j) =IDFT巧D(i，j)) 第二部分；水印的加密 6) 获取二值混浊矩阵 首先根据初始值X。生成一维混浊序列X(j)，通过升维运算得到二维矩阵；然后，将混 浊序列X(j)通过符号运算，将大于等于0. 5的元素赋值为"1"，其余赋值为"0"，W得到二 值混浊矩阵C(i，j); 7) 得到混浊加密的水印 将二值水印Wk(i，j)和二值混浊矩阵C(i，j)经过异或运算得到加密的多重水印EW(iJ); EW(i，j)=Wf/，./；@C(i，j) 第S部分；水印EW(i，j)的嵌入 8) 提取加密医学图像EI(i，j)的特征向量 对加密医学图像EI(i，j)进行DFT变换，得到DFT系数矩阵邸(i，j)，选取系数中 前L个，通过符号运算得到加密图像的视觉特征向量EV(j) = {ev(j)|ev(j) =0,1; 1《j《U，L为所取的DFT变换系数的个数，表示如下： ED(i，j) =DFT2 巧I(i，j)) EV(j) =sign巧D(i，j)) 9) 嵌入水印并得到逻辑密钥 将特征向量EV(j)和加密后的水印EW(i，j)逐位进行异或运算，便可将水印嵌入到加 密图像中，同时得到逻辑密钥Key(i，j); K巧(i，_j) =EW(i，j)@EV(j) 保存Key(i，j)，该在后面提取水印时要用到。通过将Key(i，j)作为密钥向第=方申 请，可w获得原始医学图像的所有权和使用权，从而达到保护医学图像的目的； 第四部分；水印的提取 10) 待测加密医学图像EI'（i，j)的特征向量 对待测的加密医学图像进行DFT变换，得到DFT系数矩阵邸'（i，j)，选取系数中 前L个，通过符号运算得到待测加密图像的视觉特征向量EV'（j) = {ev'（j) |ev(j)= 0, 1《j《U。L为所取的DFT变换系数的个数，本文为32个； ED'（i，_1.) =DFT2 巧I'（i，_1.)) EV'（j) =si即巧D'（ij)) 11) 提取水印EW'（i，j) 将待测加密图像的特征向量EV'（j)和逻辑密钥Key(i，j)进行异或运算，便提取出加 密的水印EW" (i，j); EW'(i,j) =Key(i,j)@EV(j) 该算法在提取水印时只需要密钥Key(i，j)，不需要原始图像参与，是一种盲水印提取 算法； 第五部分；水印的还原 12) 获取二值混浊加密矩阵C(i，j) 利用和水印加密同样的方法，得到相同的二值混浊矩阵C(i，j); 13) 还原提取出的加密水印 将二值混浊矩阵C(i，j)和提取出的加密水印EW(i，j)经过异或运算便得到还原的水 印r(i，j); W'(i，j) =CXi，j)@EW(U) 通过计算w(i，j)和r(i，j)的相关系数NC，确定医学图像的所有权和嵌入的水印信 息； 第六部分；加密原始医学图像EI(i，j)的还原 14) 生成二值加密矩阵 利用和原始图像加密同样的方法，生成相同的二值混浊矩阵C'（i，j); 15) 获取加密医学图像的DFT系数矩阵； 对加密医学图像进行DFT变换，得到DFT系数矩阵邸'（i，j); ED(iJ)=DFT巧 16) 得到解密的原始医学图像I(i，j) 将加密图像的DCT系数矩阵邸(i，j)和二值混浊加密矩阵C'（i，j)进行点乘运算，得 到解密的DFT系数矩阵D'（i，j)，再对其进行DFT反变换，便可得到解密还原的待测的医学 图像I(i，j); D(i，j)=邸(i，j).*C'（i，j) I(i，j) =IDFT值(i，j)) 本算法基于DFT和Logistic混浊映射，兼顾了DFT计算速度快，精度高，兼容性好的优 点和混浊系统遍历性、对初始值的高度敏感性、伪随机性、数据混合性等特点，对水印和医
【专利摘要】本发明公开了云环境下一种基于DFT加密医学图像鲁棒水印方法，属于多媒体信号处理领域，实现了在加密图像中嵌入鲁棒水印的方法。本发明的步骤如下：首先，对原始医学图像进行DFT变换，在变换域中通过与二值混沌序列进行点乘的方法，实现对图像的快速加密，同时对二值文本水印也进行加密；其次，对加密的原始图像进行DFT变换，提取加密图像的特征向量，利用加密图像的特征向量和加密的水印进行异或运算，嵌入水印并得到二值逻辑序列；然后，进行水印的提取和还原；最后对加密图像进行DFT运算，解密成原始图像。该方法为零水印技术。由于水印嵌入到加密图像中，不仅保护了水印而且原始图像也得到了保护。
【IPC分类】G06T1-00
【公开号】CN104851072
【申请号】CN201510338442
【发明人】李京兵, 黄梦醒, 刘振湘, 郝磊
【申请人】海南大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年6月18日