专利名称：用于防止伪造或更改数字成像的水印系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种数字成像水印装置和方法，特别涉及一种用于找出被伪造或更改的数据的准确区域的数字成像水印装置和方法。
此外，水印技术是为了保护数字信息的完整性。为了这种目的，提供了一种方法，定义用于数据库完整性的数据，和检测对所定义的数据的伪造和更改。这种方法对数据的完整性的保护是根据一系列先前由数据库的管理者或应用于数据库管理系统(DBMS)的程序的开发商定义的规则。但是，其缺陷是不能保证输出的数据和源数据一致，因为这种方法强制性地执行先前定义的规则。
此外，为了保护数据的完整性，提供了一种使用混编功能的方法。正如通常所知的，由于这种混编功能是单向功能，将任意长度的信息映射到确定的短的长度上，在传送信息时，该衰减值同相关信息被一起传送。因此，这种方法经常用来检查问题，诸如在信息传送过程中可能发生的第三方对信息的修改和嵌入。同样，使用经计算的衰减值来确定主数据的完整性也是可能的，当存储数据文件时该衰减值的计算该文件相关。但是，在首先产生单图象数据后，当这种单图象数据在其第一次产生后通过网络被传送给其他用户时，最后收到该数据的用户很难确定该接收的数据是否与源数据相同。
同样，韩国专利申请10-2000-53755中公开了一种用于通过转换源图象的频率特征来嵌入水印的装置和方法，其申请人与本发明相同。根据这种传统的装置，利用嵌入该源图象数据中的水印，就可以检测是否对源图象做出任何伪造或更改，并识别使用相关水印的用户。但是很难检测来自源图象的伪造或更改的准确位置，因为这种装置对该源图象的所有数据都施加了这种频率转换。特别是，在使用与医学相关的系统的情况下，确保与相应的系统拍摄的与原始医疗图象相关的原始性非常重要。因此，需要这样的系统，能够找出伪造或更改的数据的准确位置以及在源图象中的伪造或更改。
为了实现上述的目的，根据本发明的优选实施例，一种用于从嵌入了水印的水印图象中找出伪造或更改的数据区域的方法，首先将数字图象传送到预定的用于嵌入水印的格式。该传送的数字图象的象素值被调整到预定的电平。在形成用于嵌入水印的空间后，根据预定的用户密钥数据产生了第一个水印密钥，以便该第一水印密钥分别响应到具有所述用于嵌入水印的空间的图象的象素值。根据产生的第一个水印密钥，预定值被有选择地加到或从每个所述的以预定的电平调整的数字图象的象素值中减去，随后，水印就被嵌入了所述的数字图象内。之后，该第一个水印密钥根据该水印数字图象的象素值从该水印数字图象中提取。根据在加水印时使用的预定的用户密钥数据，产生了第二个水印密钥，以便它们对应于水印数字图象的象素值。在计算完在每个水印数字图象的象素中的第一水印密钥和第二水印密钥间的关连之后，就能够确定该经计算的关连是否落入了预定的范围。如果该与所述象素有关的关连在预定范围以内，则决定将用户希望的水印嵌入到数字图象的每个象素中。在比较完在每个象素中的第一水印密钥和第二水印密钥后，如果存在一对不一致的水印，则该嵌入了相应水印的所述数字图象的相应的象素值被确定为被伪造或更改。在这种情况下，该伪造或更改的象素值的位置被指出；但是，如果不存在一对不一致的水印，则相应的象素值被作为真实的数据输出并随后被检测。
本发明的这些和其他的目的、特点和优点，将通过对与附图相结合的优选实施例的详细说明而更加明了。
在部分或所有的图象数据中，例如通过图象存档及通信系统(PACS)发送的检测图象数据，存在被伪造或更改的数据，根据本发明的数字图象水印系统能够在找到它们后提供给用户该伪造或更改的数据的准确区域。众所周知，PACS系统是一种集成所有用于创建数据库、以数字方式发送或搜寻诊断图象所需的功能的处理系统，它是医疗图象设备例如计算机X线断层摄影术(CT)、磁共振成像(MRI)、X光系统或超声波诊断设备所需要的。
图1是示出了根据本发明的优选实施例的用于向数字图象数据中嵌入水印的数字图象水印系统的示意性方框图。
在图1中，将被输入的数字图象是医疗成像设备(未示出)所需的，并被输入到图象分析单元10。
该图象分析单元10分析输入的医疗成像设备所需的数字图象数据的格式，转换该经分析的图象数据到适于本发明的系统的格式，并随后发送该转换的图象数据到预处理单元20。通常，标准的DICOM(医疗数字图象及通信)3.0用于医疗图象数据格式。
预处理单元20调整数字图象数据至某一电平值以形成将嵌入水印的空间，而不损坏该图象数据的质量。在此，形成能够嵌入水印的空间意味着象素值被预先调整到即使在嵌入水印后也总是低于预定的有效范围的值。例如，当象素值为在范围0～255中的整数时，如果在水印处理过程中加入+1，原值为255的象素就会超出被定义的象素值。因此，在这种情况下，该象素值应预先调整到254以下。
更具体讲，如果在输入的数字图象中，最大和最小的象素值在0～255的灰度范围内，允许用户建立最小和/或最大的象素值，例如，1和/或254，而不损坏图象质量。
由预处理单元20预处理的图象被发送到水印嵌入单元40。预处理单元20还将输入的数字图象数据尺寸信息发送到水印密钥产生单元30。
水印密钥产生单元30产生水印密钥，该水印密钥被用于根据预处理图象数据(即输入的数字图象数据)的尺寸，根据预定的用户密钥数据，向预处理图象数据中嵌入水印。用户密钥数据由对信息的尺寸和从预处理单元20传送的图象有一定权利的用户输入。用户密钥数据指出个人信息，例如发送该图象数据到PACS的用户或管理者的身份号码、名称、固有数字及其他。同样，向水印密钥产生单元30的输入可以是用户的识别数据或任何将被保护的数据文件。
此外，水印密钥产生单元30能够为输入的用户密钥数据加密并利用加密的密钥数据产生将嵌入到数字图象数据的水印。加密的用户密钥数据可以隐藏用户密钥本身，而不必轻易地发送该用户密钥的值。因此，如果由加密的用户密钥产生的水印被嵌入到数字图象中，其优点为在从随后的数字图象中提取嵌入的水印时不必担心泄露用户密钥本身。可以采用通用的方法，例如DES(数据加密标准)、RSA(Ronald Rivest，Adi Shamir，Leonard Adelman)加密方法、ECC(错误修正码)等来进行加密。
例如，当输入的数字图象数据的尺寸为256×256时，水印产生单元30产生同样大小的256×256的水印密钥。该水印产生单元30产生的水印密钥被发送到水印嵌入单元40。
水印嵌入单元40将使用水印密钥产生单元30输入的水印密钥的水印嵌入到通过使用水印运算法则40a从预处理单元20输入的预处理数字图象数据中。根据本发明的一个实施例的水印嵌入方法是这样的，是通过向象素值加入或从中减掉预定的值(例如，1或-1)，从而使结果值满足根据每象素的水印密钥确定的预定规则。因此，不满足根据水印密钥确定的规则的象素就被确定为伪造的或更改的象素。
下面是用于在水印嵌入单元40内嵌入水印的规则的例子。在此制定了这样的规则，对应于每个象素的水印密钥具有值A或值B，并因此如果该水印密钥具有值A，则最终的结果值被调节到奇数；但是，如果为值B，则调节为偶数。例如，如果原始的象素值为偶数“100”，并其水印密钥具有值A，“1”则被加入或从该原始的象素中减掉以使其成为奇数象素值“101”或“99”。如果原始的象素值为奇数“101”，并其水印密钥具有值A，则该原始象素值被保留。同样，如果原始的象素值为偶数“100”，并其水印密钥具有值B，则该原始象素值被保留。但是，如果原始的象素值为奇数“101”，并其水印密钥具有值B，“1”则被加入或从该原始的象素中减掉以使其成为偶数象素值“100”或“102”。
如前所述，这种为每个预处理的图象数据嵌入水印的操作可以直接进行。但是，在本发明的另一个事实例中，可以通过使用一种不是象素值的值来嵌入水印，这种值代表了落入围绕一任意象素的预定范围的相邻的多个象素值的统计特性。例如，建立与任意位置的象素相邻的预定区域，以找出包括在该预定区域内的象素的平均值和从这个区域内的用户密钥数据中找出嵌入了水印之后的象素值的理想的平均值。随后，计算两个平均值间的差值，该差值将被顺序加入或从每个在预定区域中的象素中顺序减掉，因为在输入的数据图象的预定区域内的象素的平均值要与该理想的平均值值匹配，因此水印嵌入。同样，嵌入水印时，除了该平均值以外，也可以用各种统计特征值，例如平均值+(或-)标准偏差、变量等。
本发明采用称为“脆弱嵌入水印方法”。根据这种方法，因为预定值与原始像素值相比是非常小的值，按照水印密钥将该预定值加到或从原始像素值中减去，即使相关像素值的微小变化亦会导致用于嵌入水印的水印密钥的敏感变化。因而，这种方法能够轻易地觉察到对原始图像数据的伪造或变更。
到现在已经说明了如何向图像数据中嵌入每个像素的水印，然而，可以利用同样的方法向图像数据中嵌入批量单元的水印。
根据本发明，在空间域中可传向图像数据中嵌入水印，这对图像数据的质量几乎没有影响。因此，本发明适用于要求高速处理，高质量图像和保密的系统，例如PACS。把水印嵌入单元40产生的水印图像数据提供到图像重建单元50。
图像重建单元50将从水印嵌入单元40输入到源文件格式的水印图像数据进行重建，从而输出重建的水印嵌入图像数据。
图2和图3分别示出根据本发明的优选实施例，图象检测设备需要的用于找出与数字图象有关的伪造或更改数据区域的数字图象水印系统的示意性方框图和用于检测数字图象是否被伪造或更改的处理过程流程图。
在图2中，根据输入的象素值为奇数或偶数，水印提取单元60找到例如每个象素的水印密钥值，并随后从水印嵌入图象中提取水印密钥WE。提取的水印密钥WE被发送到关连计算单元80。
在图2和3中，水印密钥产生单元70在根据具有某种权利的用户(S30和S31)输入的用户密钥数据和识别数据产生水印密钥W的同时，执行与图1中的水印产生单元30相同的功能。同样，水印密钥产生单元70通过使用如前所述的为用户密钥数据加密制成的加密的密钥数据而能够产生水印。水印密钥产生单元70产生的水印密钥W被发送到关连计算单元80。
关连计算单元80找到从图象中提取的水印密钥和用户产生的水印密钥间的关连，然后首先确定用户期望的水印是否已经嵌入到了输入的图象中。即，一旦用户产生的水印密钥和从图象中提取的水印密钥问的关连超过预定范围，则认为同样的水印被嵌入了输入的图象中。但是如果关连显著低于预定范围，则认为用户期望的水印没有嵌入到输入的图象中。在后一种情况下，由于水印没能适当地被嵌入到输入的数据中，用于确定与每个象素相关的伪造和更改的图象的程序就没有意义了。
更具体地解释，如本发明的同一申请人提出的韩国专利申请10-2000-53755所公开的，关连计算单元80通过使用如下公式计算从水印提取单元60中提取的水印WE和由水印密钥产生单元70产生的水印密钥W之间的关连(S32)。
Corr(WE，W)＝real(IFFT(FFT(W)×FFT(WE)))在此，FFT表示傅里叶变换的复杂共轭(FFW)，IFFT(W)表示反向FFT(W)。
关连计算单元80确定水印是否通过由上述公式(1)或峰度，第4瞬间创立的水印关连值的最大值的定位数据被嵌入了。对于其具体的解释被公开在以本发明的同一申请人名义提出的韩国专利申请第10-2000-53755中。如果确定要嵌入水印，关连计算单元80发送相应的象素的水印密钥WE和W到伪造或更改数据检测单元90。
伪造或更改数据检测单元90比较输入的两个水印密钥WE和W，并随后确定源图象中的相应的象素值是否被伪造或更改了(S34)。如果这些水印密钥值与源图象中的值不一致，伪造或更改数据检测单元90确定相应的源图象中的象素被伪造或更改了。然后，伪造或更改数据检测单元90用黑色或白色将该对应的象素值屏蔽并指出它们，如图3(d)(S35)所示。从图象数据中发现伪造和更改的区域F，该图象数据被恢复成源文件形式(即DICOM)或公司提供的自身格式图象，并因此被传送到PACS系统。同时，一旦水印密钥值与对应的每个象素中的象素值一致，伪造或更改数据检测单元90确定对应的源图象中的象素值没有被伪造或更改，并因此作为经鉴别的数据输出该象素值(S36)。
图4(a)是示出了医疗成像设备所需的数字图象数据的示意图，图4(b)是示出了根据本发明的预定实施例的水印数字图象数据的示意图，图4(c)是示出在数字图象中的伪造或更改部分P的示意图，图4(d)是通过在数字图象数据中采用本发明的系统指出被检测出的伪造或更改的数据的准确位置F的示意图。
因此，通过在诸如X射线、CT和MRI等医疗检测设备所需的医疗图象数据中采用本发明的数字图象水印系统，就可以检测医疗图象是否被伪造或更改。同样，通过向PACS提供检测的结果数据，也可以保护重要的医疗图象数据免遭伪造或更改。
通过前面的叙述，及在此所描述的用于说明目的的本发明的事实例，本技术领域的技术人员可以在不偏离本发明的权利要求的范围内对本发明进行各种修改。
因此，根据本发明，可以通过适当调整空间区域内源图象的象素值来嵌入水印，而不损坏源图象的质量。也可以在发生来自外部的伪造或更改的情况下，可以准确地通过对在嵌入中使用的水印密钥值敏感的调整来找到伪造和更改的数据的区域。
并且，根据本发明，即使没有未包含嵌入水印的源图象，也可以检测水印，所以嵌入的水印能够被很容易并及时地检测，而不用通过复杂的水印检测处理过程。
此外，根据本发明，在医生和患者间出现医疗纠纷时，可以辨别原始医疗记录(图象，例如，X光、CT、MRI、电子医疗证明、电子处方等)的真实性。因此，本发明在解决医疗纠纷上很有用并可以预防非法伪造或更改医疗记录。
权利要求
1.一种用于向数字图象中嵌入水印的方法，包括以下步骤(a)将数据图象转换为用于嵌入水印的预定格式；(b)通过调整所述的转换数字图象的象素值到预定的电平，来形成用于嵌入水印的空间；(c)根据预定的用户密钥数据，产生将对应于图象的每一个象素值的第一水印密钥，在所述图像内形成用于嵌入水印的空间；和(d)通过有选择地向调整到所述预定电平的所述数字图象的每个象素值加入或从中减掉预定值来嵌入水印。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的用户密钥数据是所述用户的个人信息，包括所述用户的身份号码、名称、固定号码或标识中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(c)包括下列步骤对所述的用户密钥数据加密；和通过使用所述的加密的用户密钥数据，产生将对应于图象的每个象素值的第一水印密钥，在所述图象内形成用于嵌入水印的空间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一水印密钥表示所述的水印数字图象的每个象素值是奇数或偶数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤(d)以这种与图象的每个象素相关的方式处理，在所述图象内形成用于嵌入水印的空间，如果所述的第一水印密钥为偶数，则加入或减掉所述的预定值，以使水印数字图象的象素值为偶数，如果所述的第一水印密钥为奇数，则加入或减掉所述的预定值，以使水印数字图象的象素值为奇数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一水印密钥表示落入预定范围的相邻的多个象素值的统计值，所述的预定范围围绕所述水印数字图象的任意象素。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括下列步骤计算落入预定范围的相邻的多个象素的统计特征值，所述预定范围围绕调整到所述预定电平的所述数字图象的预定象素；和根据所述的第一水印密钥，有选择地向所述的数字图象的每个象素中加入或从中减掉预定值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的预定统计特征是平均值、平均值±标准偏差和变量中的一个。
9.一种检测采用根据权利要求1至8中的任一项所述方法的嵌入水印方法，其特征在于，包括步骤(e)根据所述的水印数字图象的象素值，从水印数字图象中检测第一水印密钥；(f)根据在制作水印时使用的所述的预定用户密钥数据，产生将对应于所述水印数字图象的象素值的第二水印密钥；(g)计算在所述水印数字图象中的每个象素的所述第一水印密钥和所述第二水印密钥之间的关连，并确定计算出的关连是否落入预定范围；(h)当与所述象素有关的关连落在所述预定范围内时，确定用户所希望的水印嵌入了所述数字图象的每个象素中，并比较每个象素的所述第一水印密钥值和所述第二水印密钥值；(i)如果所述比较的结果是存在一对一致的水印密钥，则确定嵌入了对应的水印密钥的所述数字图象的对应的象素值被伪造或更改了；但是，如果不存在，则将对应的象素值作为可信的数据输出；和(j)指出伪造或更改的象素值的位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤(g)包括用如下的数学公式计算关连Corr(WE，W)＝real(IFFT(FFT(W)×FFT(WE)))在此，FFT表示傅里叶变换的复杂共轭(FFT)，IFFT(W)表示反向FFT(W)。
11.一种向数字图象中嵌入水印的装置，包括转换装置，用于将数字图象转换到用于嵌入水印的预定格式；象素值调节装置，用于将所述的转换的数字图象的象素值调节到预定电平，以便形成用于嵌入水印的空间；第一水印密钥产生装置，用于根据将由用户输入的所述预定的用户密钥数据，产生与图象的每个象素值对应的第一水印密钥，在所述图象内形成用于嵌入水印的空间；和水印嵌入装置，用于通过选择性地向根据产生的第一水印密钥调整到预定电平的所述的数字图象的每个象素中加入或从中减掉预定的值来嵌入水印。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的用户密钥数据是所述用户的个人信息，包括所述用户的身份号码、名称、固定号码或标识中的至少一个。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的第一水印密钥产生装置包括为所述的用户密钥数据加密的装置；和第一水印密钥产生装置，通过使用所述的加密的用户密钥数据，产生将对应于图象的每个象素值，在所述图象内形成用于嵌入水印的空间。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的第一水印密钥表示所述的水印数字图象的每个象素值是奇数或偶数。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，对于内部形成有用于嵌入水印的所述空间的图象的每个象素，如果所述的第一水印密钥为偶数，则所述的水印嵌入装置加入或减掉所述的预定值，以使水印数字图象的象素值为偶数，如果所述的第一水印密钥为奇数，则所述的水印嵌入装置加入或减掉所述的预定值，以使水印数字图象的象素值为奇数。
16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的第一水印密钥表示落入预定范围的相邻的多个象素值的统计值，所述的预定范围围绕所述水印数字图象的任意象素。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述水印嵌入装置计算落入预定范围的相邻的多个象素的统计特征值，所述预定范围围绕调整到所述预定电平的所述数字图象的预定象素，并根据所述的第一水印密钥有选择地向所述的数字图象中加入或从中减掉预定值。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述的预定统计特征质是平均值、平均值±标准偏差或变量中的一个。
19.一种检测采用根据权利要求11至18中任一项所述装置的嵌入水印装置，包括水印提取装置，用于根据所述的水印数字图象的象素值，从所述水印数字图象中提取第一水印密钥；第二水印密钥产生装置，用于根据在制作水印时使用的所述的预定用户密钥数据，产生将对应于所述水印数字图象的象素值的第二水印密钥；关连计算装置，用于计算在所述水印数字图象的每个象素中的所述第一水印密钥和所述第二水印密钥间的关连，并确定计算出的关连是否落入预定范围；确定装置，用于在与所述象素有关的关连落在所述预定范围内时，确定用户所希望的水印嵌入了所述数字图象的每个象素中，并比较每个象素的所述第一水印密钥值和所述第二水印密钥值，如果所述比较的结果是存在一对一致的水印密钥，则确定嵌入了对应的水印密钥的所述数字图象的对应的象素值被伪造或更改了，但是，如果不存在，则将对应的象素值作为可信的数据输出；和指出装置，用于指出伪造或更改的象素值的位置。
20.用于检测采用根据权利要求19所述的装置嵌入水印的装置，其特征在于，所述关连是通过如下的数学公式计算的Corr(WE，W)＝real(IFFT(FFT(W)×FFT(WE)))在此，FFT表示傅里叶变换的复杂共轭(FFT)，IFFT(W)表示反向FFT(W)。
全文摘要
本发明提供一种系统和方法，用于找出在水印图象中的被伪造或更改的数据的准确位置。水印图象是以这样的方式产生的将源图象中的每个象素值调整到预定的电平；根据预定的用户密钥产生将被嵌入的第一水印密钥，所述密钥对应于每个象素；根据对应每个象素的第一水印密钥，通过有选择地向每个象素值中加入或从中减掉预定值来嵌入水印。通过这样的方法，根据用户密钥数据产生第二水印密钥，找到伪造或更改的数据；从水印图象中提取第一水印密钥；以及计算对这些水印密钥中的对应水印间的关连。比较每个象素中的对应的水印密钥。
文档编号H04N1/387GK1394319SQ01803421
公开日2003年1月29日 申请日期2001年11月2日 优先权日2000年11月2日
发明者崔钟昱, 李元河 申请人:密刻爱你有限公司