专利名称：一种基于Arnold置乱变换和DFT的医学图像鲁棒水印方法
技术领域：
本发明属于多媒体信号处理领域，涉及一种基于Arnold置乱变换、离散傅里叶变换(DFT)和图像视觉特征的医学图像数字水印技术，具体是一种基于Arnold置乱变换和DFT的医学图像鲁棒水印方法。
背景技术：
近年来，随着计算机科学技术和多媒体通信技术的迅速发展，远程医疗日益普及，但在互联网上进行医学图像传输时，病人的个人信息容易泄漏，利用数字水印的不可见性和鲁棒性可以较好的解决这个问题，即把病人的个人信息作为数字水印嵌入在医学图像中。目前对医学图像数字水印领域的研究主要集中在空间域和变换域(DFT、DFT和DffT)两个方面，它们分别通过改变空间域的某些象素的灰度或变换域的一些系数的值来嵌入水印。鉴于对医学图像病灶区保护的特殊性要求，一般的医学数字水印方法常选择将水印信息嵌入到图像的非感兴趣区域(Region ofNon-interest, RONI)。医学图像中的感兴趣区域ROI (Region of Interest)指的是那些包含重要病理特征或诊疗信息的病灶区,若在该区域嵌入水印，则有可能造成错误的诊断。但往往人们在寻找ROI时，要花费很长的时间与精力，并且一旦选择有误，则有可能干扰医生的诊断。在医学数字水印研究领域，至今为止抗击几何攻击和水印的嵌入仍是一个比较难以解决的课题，至于同时能有效抵抗常规攻击和几何攻击的水印嵌入方法研究，目前尚未见报道，尚属空白。而实际应用中，医学图像数字水印常常同时受到这两种攻击。不仅如此，对于医学图像的研究，考虑到病患信息和一些特殊的隐私性，一旦水印被提取后，可能遭受泄露或篡改的危险。故要采取一些预处理的方式，对要嵌入的水印先进行置乱，进行二次保护，从而加强对水印信息的安全性保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Arnold置乱变换和DFT的医学图像鲁棒水印方法，该方法将Arnold置乱变换、医学图像的视觉特征向量、加密技术和第三方的概念有机结合起来，不但能够对要嵌入的水印信息进行二次加密保护，而且不需要进行感兴趣区域的选取，也没有容量大小的限制性问题，具有很理想的鲁棒性和不可见性，有效地解决了水印嵌入的问题，同时解决了医学图像应用中出现的抗击几何攻击和抗击常规攻击问题，以保护医学图像的版权和病患信息的隐秘性。为实现上述目的，本发明思路如下首先进行预处理，利用置乱变换对水印信息进行加密，然后对医学图像再进行全图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，将置乱技术、图像特征、零水印技术和第三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。本发明所采用的方法包括水印嵌入和水印提取两大部分，第一部分为水印嵌入方法，包括(I)通过对二值图像W(i，j)进行Arnold置乱得到Bff (i,j) ;(2)再对原始图像进行全图DFT变换，得到图像的一个视觉特征向量V(j) ;(3)将经过置乱的水印信息BW(i，j)，和在医学图像中提取的特征向量V(j)，通过Hash函数运算，生成二值逻辑序列Key (i，j)，将生成的二值逻辑序列Key (i，j)存在第三方。第二部分为水印的提取，包括(4)求出待测图像的视觉特征向量V’ (j) ；(5)利用已存在第三方的二值逻辑序列Key(i，j)和待测医学图像的特征向量V’(j)，提取出水印BW’(i，j) ； (6)根据置乱变换的周期和迭代次数，利用Arnold置乱逆变换将提取的水印BW’(i，j)进行还原，得到待测图像的水印W’(i，j)。现对本发明的方法进行详细说明如下首先用一幅有意义的二值图像来作为水印，用W表示，F代表原始医学图像。则W={w(i, j) |w(i, j) = 0,1 ;1彡i彡Ml, I彡j彡M2}作为数字水印,而原始医学图像记为F= {f(i, j) f(i, j) e R；1 ^ i ^NLl ^ j 彡 N2}，w((i，j))和 f(i，j)分别表示水印图像及原始医学图像的像素灰度值，设Ml = M2 = Μ, NI = N2 = N。第一部分水印的嵌入I)对二值图像W(i，j)进行Arnold置乱得到BW(i，j)。Bff(i, j) = AT(ff(i, j))2)对宿主图像的原图进行全图DFT变换，得到图像的视觉特征向量V(j)。先对原图F(i，j)进行全图DFT变换，得到DFT系数矩阵FF(i，j)，在低频系数中，取前L个值，并通过DFT系数符号运算得到该图像的视觉特征向量V (j)，方便起见，这里一个复数看成实部、虚部(虚部只看系数)两个系数，当系数值为“正”时我们用“I”表示(含系数值为“O”的情况)，系数为负时用“O”表示，主要过程描述如下FF(i, j) = DFT2(F(i, j))V(j) = -Sign(FF(i, j))3)利用预处理过的水印BW(i，j)和图像的视觉特征向量V(j)进行Hash运算，生成一个二值逻辑序列Key (i，j)。Key(ij)=VG) BW(i,j)Key(i，j)是由图像的视觉特征向量V (j)和置乱预处理后的水印BW(i，j)，通过密码学常用的Hash函数生成。保存Key(i，j)，在以后提取水印时需用。通过将Key(i，j)作为密钥向第三方申请，以获得原图像的查看和所有权，从而达到保护医学图像的目的。第二部分水印的提取4)求出待测图像F’(i，j)的视觉特征向量V’(j)。设待测图像为F’(i，j)，经过全图DFT变换后得到DFT系数矩阵为FF’(i，j)，按上述Stepl方法，求得待测图像的视觉特征向量V’ (j)；FF，(i, j) =DFT2(F，(i,j))V，(j) =-Sign(FF，(i, j))5)在待测图像中提取出水印BW’(i，j)。根据在嵌入水印时生成的Key(i，j)和待测图像的视觉特征向量V’(j)，利用Hash性质可以提取出待测图像的水印BW’(i，j)。BW’(ij)= Key(ij) V’(j)
6)利用Arnold置乱逆变换将提取的水印BW’ (i,j)进行还原，得到待测图像的水印 W，(i，j)。再根据嵌入的水印W(i，j)和提取的水印r (i,j)的相关程度来判别待测图像的所有权和病人的隐藏信息。本发明与现有的医学水印技术比较有以下优点由于本发明是基于Arnold置乱变换和DFT的医学图像数字水印技术，不仅能够对水印信息实现二次加密的保护，进一步提高了其安全可靠性，也有较强的抗几何攻击能力和抗常规攻击能力；不需要人为的进行感兴趣区域的选取，从而解决了水印嵌入的快捷性问题；并且嵌入的水印是一种零水印，不会影响原始医学图像的质量，在医疗方面具有很高的实用价值。以下从理论基础和试验数据说明l)Arnold 置乱变换鉴于医学图像的用途，嵌入图像中的通常是病人序列号、住院号、姓名和医师姓名、诊断报告等文本字段或其他一些有意义的信息。考虑到这些病患信息隐私性，一旦水印被提取后，可能遭受泄露或篡改的危险。故要先进行预处理，即俗称的加密，进行二次保护。置乱变换技术通常作为加密的一种手段应用在水印的预处理阶段。一幅有意义的水印图像经过置乱变换以后，就变成一幅毫无意义、杂乱无章的图像。如果不知道置乱算法和密钥，即使攻击者从嵌有水印的图像中提取出水印，也不能从中恢复原始水印，从而对数字产品起到了二次加密的作用。另外，一幅图像经过置乱变换后，就打乱了像素空间位置间的关联关系，能使其均匀地分布在载体图像的所有空间，提高了算法的鲁棒性，二维Arnold置乱变换定义如下
权利要求
1. 一种基于Arnold置乱变换和DFT的医学图像鲁棒水印实现方法，其特征在于基于Arnold置乱变换、傅里叶变换及抗常规和几何攻击的特征向量的提取，并将置乱算法、水印技术、密码学中的Hash函数特性和“第三方”概念有机结合起来，实现了在医学图像中嵌入数字水印的方法，该方法共分两个部分，共计六个步骤第一部分是水印嵌入通过对水印的嵌入操作，得到相应的二值逻辑序列Key(i，j)；1)通过对作为水印的二值图像W(i，j)经Arnold置乱变换得到BW(i，j)；2)对原始医学图像进行全局DFT，在变换系数中，利用低中频系数的符号序列来得到该图的抗几何攻击的向量V(j)；3)利用Hash函数和要嵌入的已经过预处理的水印BW(i，j)，得到二值逻辑序列Key (i，j),Key(i,j)=V(j) BW(ij)；保存Key(i，j)，下面提取水印时要用到，通过把Key(i，j)作为密钥向第三方申请，以获得对原始医学图像的所有权；第二部分是水印的提取通过二值逻辑序列Key(i，j)和待测医学图像的抗常规和几何攻击的特征向量V’(j)，提取出水印BW’(i，j)；4)对待测医学图像进行全局DFT;在变换系数中，根据低中频系数的符号提取出待测图像的视觉特征向量V’ (j)；5)利用Hash函数性质，和存在第三方的Key(i，j)，提取出水印，BW5(Ij)= Key(ij) e VjG);6)利用Arnold置乱逆变换将提取的水印BW’(i，j)进行还原，得到待测图像的水印W，(i，j)，W，(i，j) = IAT(BW，(i，j))；将W(i，j)和W’(i，j)进行归一化相关系数计算，来确定医学图像的所有权和隐藏的信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于Arnold置乱变换和DFT的医学图像鲁棒水印技术，属于多媒体信号处理领域。本发明的步骤是先进行水印的嵌入，包括(1)对要嵌入的水印进行Arnold变换，实现预处理；(2)对医学图像进行全图DFT变换，在变换域提取一个特征的向量；(3)利用该特征向量和经过预处理的水印通过Hash函数得到一个二值逻辑序列；然后进行水印提取，包括(4)对待测医学图像进行全图DFT变换，提取一个特征向量；(5)利用Hash函数性质和存在第三方的二值逻辑序列来提取出水印；(6)经Arnold置乱的逆变换得到原始水印。实验证明本发明具有很好信息隐藏能力。在远程医疗中，对保护患者的信息意义重大。
文档编号H04N7/26GK102932644SQ20121046548
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者李京兵, 杜文才, 隋淼, 涂蓉 申请人:海南大学