一种基于三维dft感知哈希的体数据鲁棒多水印方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三维DFT感知哈希的体数据多数字水印技术，属于多媒体信号处理领域。本发明的步骤是：首先对医用体数据进行全局3D-DFT变换，选取前4×4×4个系数，再进行3D-IDFT变换，然后在反变换系数的实部中提取鲁棒的感知哈希函数，并将多水印序列与该感知哈希值相关联得到一串二值密钥序列，并将该二值密钥序列存于第三方；再通过对待测体数据使用三维DFT求取感知哈希值，并与存于第三方的二值序列相关联来进行多水印的提取。本发明是基于三维DFT感知哈希的体数据多数字水印技术，有较好的鲁棒性，多水印的嵌入不改变原始体数据的内容。
【专利说明】—种基于三维DFT感知哈希的体数据鲁棒多水印方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于三维DFT感知哈希的体数据多数字水印技术，是一种多媒体数据保护方法，属于多媒体信号处理领域。
技术背景
[0002]利用互联网可以实现远程医疗诊断，医学体数据在网络上进行远程传输时，记录在医学图片上的病人的个人信息，很容易被泄露。如何保护患者的个人隐私、使得病人的CT、MRI等医用图像上的个人信息、病人的电子病历等数据不被泄露，这一问题随着互联网的普及变得日益严重。现今的加密方法和访问控制已很难满足医学体数据信息安全的要求，若把个人信息作为数字水印嵌入在医学图片中，即医学图像数字水印技术(MedicalImage Watermarking,简称MIW)可以有效地解决这一问题。
[0003]数字水印技术最初是用于互联网上的数字媒体的版权保护，现在利用数字水印的不可见性、鲁棒性等特点，可以把病人的个人信息隐藏在其医学图像中，以保证它在互联网上的安全传输。医学图像数字水印的出现，使得远程医疗诊断、远程手术所需的相关病人资料在互联网上传输时，可以有效的保护病人的隐私，避免病人的资料被篡改。
[0004]目前对于抗几何攻击的体数据多数字水印算法的研究较少。而体数据在医学图像中大量存在，如:CT、MRI图像都是由切片组成的体数据，因此研究如何在体数据中嵌入多数字水印有较大意义，并且对于医学体数据，一般是不允许修改其内容的。这又为在体数据中嵌入多水印提高了难度。
[0005]总之，在三维体数据中嵌入鲁棒多水印的研究较少，对于基于感知哈希的体数据多水印技术的研究目前尚属空白，未见公开报道。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种基于三维DFT感知哈希，实现既能抗击几何攻击又能抗击常规攻击的体数据多水印嵌入与提取方法，它有较高的鲁棒性，并且多水印的嵌入不影响原始体数据的体素数据值，是一种零水印方案，从而较好的保护了三维体数据。
[0007]本发明的原理是:首先对医用体数据进行全局3D-DFT变换，选取前4X4X4个系数，再进行3D-1DFT变换，然后在反变换后的系数中提取一个鲁棒的感知哈希值，并将多重水印序列与该感知哈希值相关联，利用感知哈希的鲁棒性多数字水印的抗几何和常规攻击。
[0008]为了实现上述目的，本发明是这样进行的:采用三维DFT变换与反变换，获得体数据的哈希值。即:基于全局三维DFT变换，在三维DFT变换系数中选取前4X4X4个系数，再对选取的系数进行三维反DFT变换，取反变换后系数的实部，并求取反变换后实部系数的平均值，然后将每个反变换后系数的实部与其平均值进行比较，进行二值量化处理，大于或等于平均值，记为I ;小于平均值，记为0，得到体数据的哈希值。该哈希值具有抗几何攻击的能力，并将感知哈希、密码学哈希有机结合起来，实现了体数据的鲁棒多数字水印技术。本发明所采用的方法包括多水印嵌入和提取两大部分，第一部分为多水印的嵌入，包括:(I)通过三维DFT感知哈希算法，得到原始体数据的鲁棒感知哈希H(j)，(2)利用密码学HASH函数性质，嵌入多重水印，生成含多水印信息的二值密钥序列Keyg(j)，然后将二值逻辑序列Keyg(j)存在第三方；第二部分为多水印的提取，包括:(3)求出待测体数据的感知哈希值H’(j)，(4)利用存在于第三方的二值逻辑密钥序列Keyg(j)和待测体数据的感知哈希值H’(j)，提取出多水印wg’(j)。
[0009]现对本发明的方法进行详细说明如下:
[0010]首先选择一组有意义的二值序列作为要嵌入医学体数据的多水印，记为Wg= {wg(j) Wg(j)=0, 1; 1≤j≤L};同时,选取Matlab中自带的一个MRI体数据作为原始医学体数据，表示为:F= {f(i, j, k) f(i，j，k) e R; I≤i≤M，I≤j≤N，1≤k≤P}。其中，f(i，j，k)表示原始医学体数据的体素(Voxel)数据值，这类似二维图像中的像素灰度值，方便起见，设M=N。
[0011]第一部分:多水印的嵌入
[0012]I)通过全局三维DFT感知哈希算法,得到一个鲁棒的感知哈希值H(j)；
[0013]先对原始体数据F(i，j，k)进行全局三维DFT变换，得到三维DFT系数矩阵FF(i, j, k)，在系数矩阵FF(i, j, k)中选取前4X4X4个系数FF4(i，j, k)，再对选取出的系数矩阵FF4 (i，j，k)进行三维反DFT变换，得到反变换后的系数，并取其实部FIF (i，j，k)，求取实部系数FIF(i，j，k)的平均值，通过平均值将反变换后的实部系数进行二值量化处理，得到体数据的感知哈希值H(j):
[0014]FF4(i，j，k)=DFT3(F(i，j，k))
[0015]FIF (i，j, k)=IDFT3(FF4(i, j, k))
[0016]H(j) =BINARY (FIF (i, j, k))
[0017]2)利用HASH函数，嵌入多重水印；生成含多水印信息的二值密钥序Keyg(j)；
[0018]Keyg(j)=H(j) ⊕ Wg(J)
[0019]Key8(J)是由体数据的感知哈希值H(j)和多水印序列Wg(j)，通过密码学常用的Hash函数生成。保存Keyg(j)，在下面提取多水印时要用到。通过将Keyg(j)作为密钥向第三方申请，以获得医学体数据的所有权和使用权，达到版权保护的目的。并且多水印的嵌入不影响原始医学体数据的质量，是一种零水印方案。
[0020]第二部分:多水印的提取
[0021]3)求出待测数据的感知哈希值H’ (j)；
[0022]设待测体数据为F’ (i, j, k)，经过体数据的全局三维DFT变换后得到三维DFT系数矩阵为FF’ (i, j, k)，选取适当的系数矩阵，然后进行反DFT变换，取其实部，然后按上述步骤I类似的方法，求得待测体数据的感知哈希值H’ (j)；
[0023]FF’ 4 (i, j, k) =DFT3 (F，(i, j, k))
[0024]FIF’ (i, j, k) =IDFT3 (FF，4 (i, j, k))
[0025]H’(j) =BINARY (FIF，(i，j，k))
[0026]4)利用存在于第三方的二值逻辑密钥序列Keyg(j)和待测体数据的感知哈希值H’(j)，提取出多水印wg’ (j)；
[0027]Wg’ (j) =Keyg(J)⊕H’ (j)[0028]根据在嵌入多水印时生成的逻辑密钥序列Keyg(j)和待测体数据的感知哈希值H’(j)，利用Hash函数性质可以提取出待测体数据中含有的多水印Wg’(j)。再根据^和Wg’的相关程度来判别是否有水印嵌入，从而确认待测体数据的所有权和病患信息的安全性问题。
[0029]本发明与现有的医学多水印技术比较有以下优点:
[0030]首先，由于本发明是基于三维DFT感知哈希算法的多数字水印技术，通过后面的实验数据证实，该多水印不仅有较强的抗常规攻击能力，而且有较强的抗几何攻击能力；并且，多水印的嵌入不影响原始体数据的体素数据值，是一种零水印技术，更好得保护了医学体数据。这个特性，尤其是在医疗图像处理等方面具有很高的实用价值，使用范围广，并且可实现大水印的嵌入与提取。
[0031]以下我们从理论基础和试验数据说明:
[0032]I)感知哈希
[0033]感知哈希是媒体感知内容的简短摘要，可以定义为如下的单向函数:
[0034]h=PH(I)
[0035]其中，PH是感知哈希函数，h表示由媒体对象I提取得到的感知哈希值。一般情况下，感知哈希值h是一个二进制向量H(j);感知哈希函数所具备的基本特性是:
[0036](a)摘要性:感 知哈希值所占用的存储空间应尽可能的小；
[0037](b)感知鲁棒性:感知内容相同或相近的媒体对象应该映射得到相同或者相近的感知哈希值；
[0038](C)抗碰撞性:感知内容不同的媒体对象应该不能映射得到相同或相近的感知哈希值。
[0039](d)单向性:由感知哈希值反推媒体对象的感知内容在计算上应该是不可实现的；
[0040]感知哈希为多媒体数字内容的标识、检索、认证等应用提供了安全可靠的技术支撑逐渐成为多媒体信号处理与多媒体安全及相关领域的研究热点。
[0041]2)三维离散余弦变换(3D-DFT)
[0042]三维DFT变换公式如下:
[0043]对应大小为MXNXP体数据f (X，y, z)，其三维离散余弦正变换(DFT)公式如下:
【权利要求】
1.一种基于三维DFT感知哈希的抗几何攻击的体数据多水印方法，其特征在于:基于3D-DFT变换，选取前4X4X4个系数，再进行3D-1DFT变换，然后在反变换系数的实部中提取鲁棒的感知哈希函数，并将多水印序列与该鲁棒的感知哈希值相关联，实现了医学体数据多数字水印的抗几何攻击和常规攻击，该体数据多数字水印实现方法包括多水印嵌入和提取两大部分，共计四个步骤: 第一部分是多水印的嵌入:通过对多水印的嵌入操作，得到相应的二值逻辑序列Keyg(j)； 1)通过基于三维DFT，获得原始体数据的感知哈希值；即对三维体数据进行DFT变换，选取前4X4X4个低频变换系数，然后进行三维反DFT变换并取实部，求取反变换实部系数的平均值，然后将每个实部系数与其平均值进行比较，进行二值量化处理，大于或等于平均值，记为I ;小于平均值，记为O，得到体数据的感知哈希值H(j)； 2)利用密码学Hash函数性质和多水印序列Wg(j)，生成含多水印信息的二值密钥序列Keyg(J), Keyg(j)=H(j) ? Wg(J); 保存Keyg(j)，下面提取多水印时要用到，通过把Keyg(j)作为密钥向第三方申请，以获得对原始医学体数据的所有权； 第二部分是多水印的提取:通过二值逻辑序列Keyg(j)和待测体数据的鲁棒感知哈希值H’ 0_)，提取出多水印,’ (j)； 3)对于待测体数据，按照步骤I)的方法，求出待测体数据的感知哈希值H’(j)； 4)利用密码学Hash函数性质和存在于第三方的Keyg(j)，提取出多水印Wg’ (J)=Keyg(J) ? H’ (j)； 将^0_)和Wg’ (j)进行归一化相关系数计算，来确定医学体数据的所有权。
【文档编号】G06T1/00GK103886543SQ201410128190
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】李京兵, 陈延伟, 李雨佳, 张利, 仲吉陵 申请人:海南大学