一種基于dct密文域的加密醫學圖像魯棒水印方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于多媒體信號處理領域，設及一種基于DCT變換、混濁（LogisticMap) 和圖像視覺特征的醫學圖像數字水印技術，具體是一種基于DCT密文域的混濁加密醫學圖 像魯椿水印方法。
【背景技術】
[0002] 目前，醫學圖像占整個醫院醫學信息的70%~80%，數字信息管理系統在現代醫 療體系中發揮了越來越重要的作用，但隨著網絡的推廣應用，再加上近年來云端數據庫的 高速發展，其信息安全問題逐漸暴露出來。
[0003] 醫學圖像在網絡上進行遠程傳輸時，記錄在醫學圖片上的病人的個人信息，容易 被泄露。若把整張醫學圖像進行混濁加密，再把個人信息作為數字水印嵌入在醫學圖片中， 利用LogisticMap和數字水印的特性，我們就可W對在云端存貶的醫學圖片進行加密保 護。
[0004] 目前對醫學圖像數字水印領域的研究主要集中在空間域和變換域值CT、DFT和 DWT)兩個方面，它們分別通過改變空間域的某些象素的灰度或變換域的一些系數的值來嵌 入水印。其中余弦變換值iscreteCosineTransform)域水印方法，由于其計算量較小，并 且與國際數據壓縮標準（J陽G，M陽G)兼容，目前研究的比較多，是現有大多數的頻率域數 字水印算法研究的熱點。
[0005] 鑒于對醫學圖像病灶區保護的特殊性要求，一般文獻中常選擇將水印信息嵌入到 圖像的非感興趣區域化egionofNon-Interest,R0NI)。醫學圖像中的感興趣區域化egion ofInterest,R0I)指的是那些包含重要病理特征或診療信息的病灶區，若在該區域嵌入水 印，則有可能造成錯誤的診斷。但往往人們在尋找R0I時，要花費很長的時間與精力，并且 一旦選擇有誤，則有可能干擾醫生的診斷。
[0006] 目前大部分的數字水印是直接加在醫學圖像中，但如何在加密醫學圖像中嵌入魯 椿水印仍是一個比較難W解決的問題，目前尚未見報道，尚屬空白。而在云端技術的高速發 展下，醫學圖像往往容易泄露，而且還容易受到常規攻擊和幾何攻擊。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種基于DCT抗幾何攻擊的混濁加密醫學圖像數字水印方 法，通過將醫學圖像的視覺特征向量、加密技術和第=方的概念有機結合起來，不需要進行 感興趣區域的選取，從而解決了云端安全和水印嵌入、提取的快捷性問題，具有很理想的魯 椿性和不可見性，W保護醫學圖像的版權和病患信息的隱秘性，有效地解決病人信息的隱 藏性和醫學圖像的敏感性問題，同時解決醫學圖像應用中出現的抗擊幾何攻擊和抗擊常規 攻擊問題。
[000引為了實現上述目的，本發明是該樣進行的：首先將醫學圖像進行混濁加密(Logistic Map)，再將全圖進行DCT變換，在DCT變換系數中，提取一個抗幾何攻擊的醫學 圖像視覺特征向量，并將普通的水印技術與混濁加密、密碼學、"第=方概念"有機結合起 來，實現了數字水印的抗幾何和常規攻擊。本發明所采用的方法包括醫學圖像的混濁加 密、水印嵌入、水印提取、和醫學圖像解密四大部分，第一部分為在DCT變換域對原始醫學 圖像F(i，j)進行混濁加密，包括；（1)由初始值X。生成混濁序列，經二值化處理后表示為 X(j)，找(j)|X(j) =1，-1}，保存X。作為加密醫學圖像的密鑰。然后對醫學圖像進行全局 DCT變換，再將變換系數與上述的二值混濁序列XU)點乘，然后進行DCT逆變換，生成加密 圖像C(i，j);第二部分為水印嵌入，包括；（2)對加密后的醫學圖像C(i，j)進行全圖DCT變 換，得到加密醫學圖像的一個視覺特征向量V(j)，（3)根據隨機生成的數字水印序列W(j) 和圖像的視覺特征向量V(j).通過化sh函數生成一個二值邏輯序列Key(j)，然后將二值 邏輯序列Key(j)保存在第=方。第=部分為水印提取，包括；（4)求出待測加密醫學圖像 C'（i，j)的視覺特征向量V'（j)，（5)利用存在于第S方的二值邏輯序列Key(j)和待測混 濁加密醫學圖像的視覺特征向量V'（j)，利用化sh函數性質可W得到水印W' (j)。第四部 分為待測加密醫學圖像的解密，包括；做由保存的初始值X。生成混濁序列X(j)，然后通過 在DCT域內進行點乘運算，經過DCT逆變換后得到解密醫學圖像F'（i，j);
[0009] 現對本發明的方法進行詳細說明如下：
[0010] 首先用一組可W代表患者信息的二值偽隨機序列作為要嵌入醫學圖像的水印，記 為w=Mj) |wCi) =0, 1 j《L}，同時，原始醫學圖像，記為F= GR; 1《i《Ni，1《j《馬}。WU)和f(i，_]'）分別表示水印和原始醫學圖像的像素灰度值，為 了便于運算，我們假設Ni=N, =N。
[0011] 第一部分：對原始醫學圖像F(i，j)在DCT變換域進行混濁加密
[0012] 1)生成混濁序列并得到混濁加密醫學圖像C(i，j)。
[0013] 二值混濁序列X(j)由初始值X。生成，并轉化為有1，-1組成的二值系列；保存X。 作為訪問該醫學圖像的密鑰。然后將二值混濁序列x(j)與DCT變換后的原始醫學圖像系 數進行點乘運算，再進行DCT逆變換，得到加密圖像C(i，j)。
[0014] 第二部分；水印的嵌入
[0015] 2)通過對加密圖像C(i，j)進行全圖DCT變換，求得醫學圖像的視覺特征向量 V(j)〇
[0016] 先對加密圖像C(i，j)進行全圖DCT變換，得到DCT系數矩陣CD(i，j)，再在DCT系 數矩陣CD(i，j)的低中頻系數中，取前L個系數，并通過DCT系數符號運算得到該圖像的視 覺特征向量V(j)，具體做法是當DCT系數為正值或零時我們用"1"表示，系數為負值時用 "0"表示，程序描述如下：
[0017] CD(iJ) =DCT2(C(i，j))
[00化]V(_j) =-Si即（CD(i，j))
[0019] 3)根據水印W(j)和圖像的視覺特征向量V(j)生成一個二值邏輯序列Key(j)。
[0020] K巧(j)=V(j)?W(j)
[0021] Key(j)是由加密圖像的視覺特征向量V(j)和要嵌入的水印W(j)，通過密碼學常 用的化sh函數生成。保存Key(j)，在W后提取水印時需用。通過將Key(j)作為密鑰向第 S方申請，W獲得醫學圖像的所有權和使用權，從而達到保護醫學圖像的目的。
[0022] 第=部分；水印的提取
[002引 4)求出待測加密圖像c' (i，如的視覺特征向量r (j)。
[0024] 設待測混濁加密醫學圖像為C' (i，j)，經過全圖DCT變換后得到DCT系數矩陣為 CD'（i，j)，按上述Steps的方法，求得待測圖像的視覺特征向量V'（j);
[002引 CD，（i, _]?) = DCT2(C' (i, _]?))
[0026] V'U) =-Si即仰'（ij))
[0027] 5)在待測加密圖像中提取出水印W' (j)。
[002引根據在嵌入水印時生成的密鑰Key(j)和待測加密圖像C'(i，j)的視覺特征向量V'（j)，利用化sh函數可W提取出待測圖像所含的水印W' (j)。
[002引W，(j)=K^(j)?V，(j)
[0030] 第四部分；待測加密圖像C' (i，如的解密
[0031] 6)生成混濁序列并得到解密醫學圖像
[0032] 由保存的X。，按照上述Stepl的方法得到混濁序列X(j)和解密醫學圖像C' (i，j)。 [003引再根據WU)和W' (j)的相關程度來判別待測圖像的所有權和患者的個人信息。
[0034] 本發明與現有的醫學水印技術比較有W下優點：
[0035] 可W將水印直接嵌入到加密的醫學圖像中，并具有較好的魯椿性。由于本發明是 基于DCT和LogisticMap的醫學圖像的數字水印技術，具有計算速度快，精度高，有較好的 兼容性，有較強的抗幾何攻擊能力和抗常規攻擊能力；不需要人為的進行感興趣區域的選 取，從而解決了水印嵌入的快捷性問題；嵌入的水印是一種零水印，不影響原始醫學圖像質 量，在醫療方面具有很高的實用價值；利用LogisticMap對醫學圖像進行混濁加密處理， 提高了醫學圖像的安全性。
[0036] W下從理論基礎和試驗數據說明：
[0037] 1)離散余弦變換值CT)
[003引 DCT用于圖像編碼是目前廣泛使用的JPEG壓縮和MPEG-1/2的標準。DCT是在最 小均方差條件小得出的僅次于K-L變換的次最佳正交變換，是一種無損的苗變換。它運 算速度快，精度高，W提取特征成分的能力和運算速度之間的最佳平衡而著稱。
[0039] 二維離散余弦正變換值CT)公式如下；
【主權項】
1. 一種基于DCT密文域的加密醫學圖像魯棒水印方法，其特征在于：在DCT變換域對 醫學圖像進行混沌加密，然后對加密醫學圖像進行DCT變換，得到加密醫學圖像的視覺特 征向量，并將原始圖像加密與水印技術有機結合起來，實現了加密醫學圖像的數字水印的 抗幾何攻擊和常規攻擊，該數字水印方法共分四個部分，共計六個步驟： 第一部分為在DCT變換域對原始醫學圖像F(i，j)進行混沌加密，包括：（1)由初始值Xtl 生成混沌序列，經二值化處理后表示為X(j)，{X(j) |X(j) = 1，-1}，保存Xtl作為加密醫學圖 像的密鑰。然后對醫學圖像進行全局DCT變換，再將變換系數與上述的二值混沌序列X(j) 點乘，然后進行DCT逆變換，生成加密圖像C (i，j); 第二部分為水印嵌入，包括：（2)對加密后的醫學圖像C (i，j)進行全圖DCT變換，得到 加密醫學圖像的一個視覺特征向量V(j)，（3)根據隨機生成的數字水印序列W(j)和加密圖 像的視覺特征向量V (j).通過Hash函數生成一個二值邏輯序列Key (j)，然后將二值邏輯序 列Key (j)保存在第三方； 第三部分為水印提取，包括：(4)求出待測加密醫學圖像C'（i，j)的視覺特征向量 V'（j)，（5)利用存在于第三方的二值邏輯序列Key (j)和待測混沌加密醫學圖像的視覺特 征向量V'（j)，利用Hash函數性質可以得到水印W'（j); 第四部分為待測加密醫學圖像的解密，包括：(6)由保存的初始值Xtl生成混沌序列 X (j)，然后通過在DCT域內進行點乘運算，經過DCT逆變換后得到解密醫學圖像F'（i，j)。
【專利摘要】本發明涉及一種基于DCT和Logistic Map的加密醫學圖像水印技術，屬于多媒體信號處理領域。本發明的步驟，先進行原始醫學圖像的預處理和水印的嵌入，包括：(1)利用DCT變換和Logistic Map得到加密圖像；(2)對加密圖像進行DCT變換，并提取特征向量；(3)利用該特征向量和水印序列得到一個二值邏輯序列；再進行水印的提取，包括：(4)對待測加密醫學圖像進行DCT變換，提取一個特征向量；(5)利用Hash函數和嵌入水印時生成的二值邏輯序列來提取水印；(6)利用Logistic Map生成二值加密矩陣，求得還原的解密醫學圖像。本發明在遠程醫療中，對患者個人信息的保護有較大的實用價值。
【IPC分類】G06T1-00
【公開號】CN104867102
【申請號】CN201510338353
【發明人】李京兵, 陳延偉, 傅蔚斌, 涂蓉
【申請人】海南大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年6月18日