专利名称：一种无失真数据隐藏方法
技术领域：
本发明涉及一种多媒体信号处理方法。是一种基于医学中常用的伪彩色图象的特征，将大量信息嵌入在图象中，同时使图象不出现任何失真的数据隐藏方法。
近几年来，数据隐藏技术在许多应用领域体现了它的重要性，也正在受到越来越多的重视。
数据隐藏应用根据隐藏信息和宿主图象间的关系划分成两类。第一类由信息伪装应用组成。在信息伪装术中隐藏信息与宿主图象间没有关系。宿主图象的内容对发送者和接收者来说没有价值。它主要的作用是掩盖被隐藏的秘密信息。信息伪装术应用的典型例子是保密通信，接收者对没有隐藏信息之前的原始宿主图象没有兴趣。因此对于这样的应用不需要无失真的数据隐藏技术。第二类应用通常被称为数字水印。在典型的水印应用中，隐藏信息(水印)与宿主图象间有密切的关系。隐藏信息提供了有关宿主图象的附加信息，如图象的标题、有关图象来历的辅助数据、作者签名、图象认证码等。目前几乎所有的隐藏数据方法都在隐藏过程中不可避免地引入对原始图象的一些失真。一般的数字水印技术在满足一定的稳健性要求以外，还要求在信息嵌入过程中引入的失真不易被人觉察。一种最常用的保证不可见性的方法是改变原始图象灰度值的最低几个有效位，即LSB方法。另外，研究者为了使失真降低到人眼不可察觉的程度，通常引入人类的视觉系统模型用来判断由嵌入水印而引起的失真对观察者的视觉系统来是否是不可觉察的。然而，某些场合却绝对不允许图象有任何的失真，医学图象就是一个例子哪怕是很微小的改动在法律上都是不允许的，其潜在的危险是会引起医务人员对图象的错误理解。另一个例子就是法律证据和军事图象，其分析人员会运用包括极端放大，图象增强等手段对图象进行分析和处理，图象因嵌入数据而引起的失真有可能在处理的过程中得到放大，破坏其不可见性的要求。为了满足这方面应用需求，Miroslav Goljan提出了一种可逆的数据隐藏方法，即允许在嵌入过程中引入失真，但在检测数据时可以将原始图象恢复出来。其基本思想是将原始图象中用于嵌入数据的特征压缩，将压缩了的特征和待嵌入数据一起嵌入在原始图象中，能够嵌入的数据量是特征压缩后的冗余。在数据检测过程中，由于能够检测到原始图象的特征，从而可以恢复原始图象。但这种方法失去了数据隐藏的一个重要的优点，即隐藏信息与原始媒体的不可分离性，一旦隐藏数据从图象中提取出来，得到的无失真的图象中就不再存在有隐藏数据。而本发明提出的方法在保证图象不失真的同时，使隐藏信息与原始媒体具有不可分离性。
本发明的目的是提出一种无失真的数据隐藏方法，既可以隐藏大量的数据，又不引起图象的失真，避免由于数据嵌入引入的失真使观察者对图象产生误解，如医生可能将失真的部分诊断为病变部位，从而导致误诊。
为了实现上述目的，本发明方法利用伪彩色图象的颜色查找表和实际灰度值中存的冗余，将水印信息嵌入在图象中。具体步骤为1)先检测原始图象的灰度的最大值，对于8bit图象，如果小于127，则至少有1bit的冗余位；2)将水印信息位嵌入到图象的冗余位，直接修改像素灰度值的二进制最高有效位，如嵌入信息位为“1”，则将最高有效位置为1，否则置为0；3)将颜色查找表中第0-127项的数据拷贝到第128-255项；4)提取待检测图中各象素灰度值的二进制最高有效位作为水印信息位，进行水印检测。
更具体详细的做法如下1)检测原始图象的灰度的最大值，对于8bit图象，如果小于127，则至少有1bit的冗余位。对于调色板中有256项的伪彩色图象，调色板的每一项对应一种灰度的显示色，如第0项对应灰度值为0时的显示色，第62项对应灰度值为63时的显示色。而现有的方法都是通过改变图象的灰度值来实现数据嵌入的。如采用改变灰度值最后一个二进制有效位的方法，实际上在嵌入信息时，有可能会改变到水印图象的显示色，如，若原始灰度值是0，但嵌入信息“1”后，实际灰度值变为了“1”，则对应的显示色会发生变化，(嵌入“0”，不影响索引色)从而使嵌入水印的图象和原始图象有很大的不同。经过统计，我们发现这一类图象实际的灰度值比较小，通常小于128。这就意味着在调色板中的256项仅用到很少的一部分，存在着冗余。而且实际灰度值的最高有效位也是一个冗余位。因此本发明首先检测原始图象实际灰度的最大值，如果小于127(对于8bit图象)，则至少有1bit的冗余位，即二进制最高有效位。
2)水印信息位嵌入到图象灰度值的冗余位。直接修改像素灰度值的二进制最高有效位，如嵌入信息位为“1”，则将最高有效位置为1，否则置为0。
3)将颜色查找表中第0-127项的数据拷贝到第128-255项。将调色板中的0-127项拷贝到128-255项，嵌入“0”后，图象显示时用调色板上半部分的索引色，嵌入“1”后，图象显示时用调色板下半部分索引色。如，原始灰度值是0，嵌入信息位“1”后，灰度值变为128，显示时的索引色由调色板的第128项给出，是原始灰度值0使用的索引色(第0项)的另一个拷贝，因此和没有嵌入信息时是一样的。本发明从原理上可以保证嵌入数据不会给原始图象带来任何失真。
4)水印检测时提取待检测图象灰度值的最高有效位作为水印信息位。
本发明与现有数据隐藏技术比较有以下优点本发明首先提出了一种完全无失真的数据隐藏算法。以往所有的数据隐藏算法都会在数据嵌入的过程中引入失真，即使是可逆的数据隐藏算法也不例外，只是可逆算法可以在检测时恢复原始图象，但它的数据隐藏量是有限的，因为其中的一部分容量用来嵌入压缩的特征。而本发明在原理上保证了嵌入数据不会给原始图象带来任何失真，同时嵌入数据的信息量较大。本发明的原理还可以推广到实际灰度值大于128但小于255的其它伪彩色图象。
LSB算法是最常用的隐藏信息量较大，又保证不可见性的算法。由于本发明利用图象本身的特征和冗余嵌入数据，每一个象素都可以嵌入信息位，可以达到LSB算法的容量。
附图中给出本发明提出的方法在实际的医学图象上的应用。
图1为一副脊椎图象spine(490×267×63colors)及其局部放大图。
图2为采用无失真数据隐藏方法对图象spine进行处理后的效果图。
图3为改变图象灰度值最低一个有效位的LSB方法对图象spine进行处理后的效果图。
图4是4维的大脑切片图(128×128×1×27×89colors)中的其中一副mr。
图5是采用无失真数据隐藏方法对图mr进行处理后的效果及与原始图象间的绝对误差的放大图。
图6是改变图象灰度值最低一个有效位的LSB方法对图mr进行处理后的效果及与原始图象间绝对误差放大图。
图1中所显示的图象为原始的spine图及其局部放大图，其中图1(a)为原始图象，图1(b)是图1(a)方框中的子图的放大。
图2是本发明提出的方法在spine图中嵌入长度为22,478bytes的字符串后得到的图象中对应于图1(b)的部分。虽然图中已隐藏了大量的数据，但从图中看不到任何失真的存在。
图3是改变图象灰度值最低一个有效位的LSB方法在spine图中嵌入同样长度为22,478bytes的字符串后得到的图象中对应于图1(b)的部分。在同样的隐藏量下，可以看到图中明显存在失真，也即和原始图之间存在着较大差异。
图4是4维的大脑切片图(128×128×1×27×89colors)中的其中一副mr。
图5是本发明提出的无失真数据隐藏方法在图mr中嵌入长度为2048bytes字符串的实验结果。图5(a)是隐藏了数据后得到的图象，图5(b)是原始图与嵌入图之间的绝对误差的64倍，可以看到然图中虽已隐藏了大量的数据，但没有任何失真的存在。
图6是改变图象灰度值最低一个有效位的LSB算法在mr图中嵌入同样长度为2048bytes字符串的实验结果。图6(a)是隐藏了数据后得到的图象，图6(b)是原始图与嵌入图之间的绝对误差的64倍，可以看到在同样的隐藏量下嵌入数据的图存在着失真。
下面就医学图象上的应用对本发明无失真数据隐藏方法作进一步详细说明。
目前医学上电子病历的存储是一个迫切需要解决的问题首先病历需要保持秘密性；其次病历和诊断依据之间需要保持数据一致性。将电子病历隐藏在病人在诊病过程中拍摄的医学影象中，可以解决病历的秘密性和数据一致性的问题。与保护版权的数字水印不同，电子病历对隐藏信息的稳健性要求相对较低。但医学影像的特别用途将产生二个问题1)在某些应用中不允许医学影像有任何失真(包括其它对图象灰度分辨率有较高要求的情况)。常规的信息隐藏方法由于会引入失真，将无法满足要求。2)个人隐私权对于隐藏信息的秘密性提出了极高的要求。
本发明首先保证上述应用中医学影象的特殊要求1，即从原理上保证了隐藏信息的图象和原始图象在视觉上没有任何差别，不会使医生因为嵌入数据引入的失真而对图象产生误解。本发明中嵌入信息不引入失真这一点也使隐藏信息的秘密性得到了提高。另外还可以在信息隐藏前对信息进行加密，进一步提高隐藏信息的秘密性。由于本发明的信息隐藏量较大，通常电子病历都可以隐藏在图中，在保持病历与诊病依据间的数据一致性方面具有很好的优势。
医学中拍摄的某些图象其实际灰度值动态范围较小，可以通过伪彩色进行增强处理，生成伪彩色图象。伪彩色图象数据中包含了调色板(颜色查找表)和实际灰度值两个部分。通常为了存储的方便，调色板和实际灰度值都由一个字节表示，实际灰度值是调色板的索引。
现表述用本发明提出的无失真数据嵌入方法完成数据嵌入和提取的使用。这里给出了用490×267×63colors的伪彩色图象spine嵌入长度为22,478bytes的字符串；及用4维的大脑切片图128×128×1×27×89colors中的一副mr嵌入长度为2048bytes的字符串的实验结果。
权利要求
1.一种无失真的数据隐藏方法，其特征是利用伪彩色图象的颜色查找表和实际灰度值中存的冗余，将水印信息嵌入在图象中。
2.根据权利要求1所述的一种无失真数据隐藏方法，其特征是该方法的具体步骤为1)先检测原始图象的灰度的最大值，对于8bit图象，如果小于127，则至少有1bit的冗余位；2)将水印信息位嵌入到图象的冗余位，直接修改像素灰度值的二进制最高有效位，如嵌入信息位为“1”，则将最高有效位置为1，否则置为0；3)将颜色查找表中第0-127项的数据拷贝到第128-255项；4)提取待检测图中各象素灰度值的二进制最高有效位作为水印信息位，进行水印检测。
全文摘要
本发明涉及一种多媒体信号处理方法。它利用医学影象中常用的伪彩色图象中存在的冗余,在图象中嵌入大量信息的同时保证嵌入信息的图象不会出现任何失真,不会引起主媒体的任何视觉变化。本发明为医学病历的存储提供了一种新的方法,既能满足隐藏信息(如病历)的秘密性要求,也能保证医学影象与隐藏信息之间的数据一致性。
文档编号G09C5/00GK1374628SQ0211510
公开日2002年10月16日 申请日期2002年4月19日 优先权日2002年4月19日
发明者刘红梅, 黄继武, 黄夏菱 申请人:中山大学