CN102184518A - 基于边缘检测的dicom医学图像加密和解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边缘检测的DICOM医学图像加密和解密方法，包括加密过程和解密过程。本发明基于选择加密的思想，首先利用边缘检测技术计算明文图像的边缘信息，并通过图像形态学变换操作扩大边缘范围，然后利用混沌系统对边缘所对应的明文图像像素进行加密和解密。本发明较之传统的医学图像加密方法，能够很好的加密医学图像中的关键信息，并且较大幅度的降低了加密的数据量，提高了加解密的效率，具有很强的实用性。

Description

基于边缘检测的DICOM医学图像加密和解密方法

技术领域

本发明属于图像处理领域，具体涉及一种基于边缘检测的DICOM医学图像加密和解密方法。

背景技术

DICOM（医学数字影像和通信标准，Digital Imaging Communication in Medicine）是目前建设PACS(影像归档和通信系统，Picture Archiving and Communication Systems)广泛遵循的一个国际标准。DICOM标准的推出大大简化了医学图像信息交换的实现，推动了远程放射学系统、图像归档与通信系统的研究与发展，使得与其他医学应用系统（医学信息系统HIS、放射科信息管理系统RIS）的集成成为可能，为医学数字化带来了新机遇。

随着DICOM标准的普及化和远程医疗的兴起，如何安全有效地加密医学图像至关重要。近年来大量的医学图像加密方法被提出，例如基于像素处理与混沌序列的医学图像加密方法和基于AES（高级加密标准）与混沌序列的医学图像加密方法等。但是这些方法大都存在计算开销过大或保密性不足以隐藏原图信息等问题。此外由于医学图像可能包含有一些关于病症的重要信息，任何的数据损失都有可能导致病情的误判。因此部分基于压缩的医学图像选择加密方法，如利用AES的思想选择加密JPEG2000比特流、感兴趣区域（ROI）或者敏感区域等，由于在加密过程中会丢失部分图像数据，同样也不适用于医学图像。

现有技术的缺点是：医学图像数据量大，像素结构性较强，而且不容许失真，但是目前的加密方法要么计算速度慢，保密性不足，要么会损失图像信息，导致病情的误判，不能同时达到运算速度快、保密性好，不失真的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于边缘检测的DICOM医学图像加密和解密方法，能同时达到运算速度快、保密好、不失真的要求。

为达到上述目的，本发明提供一种基于边缘检测的DICOM医学图像加密和解密方法，包括加密过程和解密过程，其关键在于：

所述加密过程按以下步骤进行：

步骤一，对明文图像GM进行边缘检测，获取明文图像GM的边缘图像GE；

医学图像主要是通过提供轮廓、密度、形状、大小等信息作为诊断病情的依据，边缘检测可以帮助我们快速获取医学图像中的关键信息，我们只需要加密这些信息就可以实现在短时间内不失真地加密医学图像的目的。

步骤二，利用图像形态学变换，将所述边缘图像GE中的边缘进行扩散，并将扩散后图像进行二值化处理，得到边缘扩散图像GS，该边缘扩散图像GS的边缘部分像素值为a，其余部分像素值为b；

仅仅隐藏图像的边缘并不能很好的隐藏医学图像中所蕴含的病症等关键信息，对边缘图像进行扩散后，原有图像边缘得到扩展，边缘区域变得更宽，能更好的隐藏图像的关键信息，使图像加密达到更好的效果。

步骤三，利用混沌系统并设定密钥，产生混沌序列S_i，i=1,2，…，n(GS)，其中，n(GS)为所述边缘扩散图像GS边缘的像素数；

步骤四，按下式对所述明文图像GM进行选择加密处理，获得密文图像GC：

其中，GS(x,y)、GM(x,y)、GC(x,y)为所述边缘扩散图像GS、明文图像GM、密文图像GC在坐标（x,y）处的像素值；

在本步骤中，对明文图像GM的加密处理可按照从左到右从上到下的顺序依次对每个像素点进行处理，也可以按照从右到左从下到上的顺序依次对每个像素点进行处理。为保证混沌序列中的元素对应加密、解密中同一位置的像素点，无论采用什么顺序，在后面的解密过程中都需要与加密过程中处理的顺序保持一致。

整个加密过程中，明文图像GM、边缘图像GE、边缘扩散图像GS、密文图像GC大小一致。选择加密就是只对明文图像中与边缘扩散图像中具有边缘像素值a的对应区域进行加密，明文图像中的其他区域不变。

步骤五，将所述边缘扩散图像GS的像素按行程编码压缩后添加在所述密文图像GC之后，一起写入DICOM文件标号为（7FE0,0010）的像素数据元素之中，并根据写入的边缘扩散图像GS和密文图像GC的大小修改DICOM文件的数据长度；DICOM文件的结构……

解密过程是加密过程的逆过程。

所述解密过程按以下步骤进行：

步骤一：将待解密的DICOM文件分解为所述密文图像GC与边缘扩散图像GS；

步骤二：采用所述加密过程中的混沌系统及密钥，生成混沌序列S_i，i=1,2，…，n(GS)，其中，n(GS)为所述边缘扩散图像GS边缘的像素数；

步骤三：按下式对密文图像GC进行解密，获得所述明文图像GM：

其中，GS(x,y)、GM(x,y)、GC(x,y)为所述边缘扩散图像GS、明文图像GM、密文图像GC在坐标（x,y）处的像素值。

本发明的显著效果是：本发明采用边缘检测算法进行加密处理，既符合医学图像的结构特点，又能较大幅度降低加密的数据量，提高了加解密的效率。采用图像形态学变换对边缘图像进行扩散，结合混沌系统，能够隐藏医学图像中所蕴含的病症等关键信息，在减小计算量、保密性好的情况下做到图像信息不失真。

附图说明

图1是本发明的加密过程流程图；

图2是本发明的解密过程流程图；

图3是实施例1加密过程中的明文图像；

图4是实施例1加密过程中的边缘图像；

图5是实施例1加密过程中的边缘扩散图像；

图6是实施例1加密过程中的密文图像；

图7是实施例1解密过程中的密文图像；

图8是实施例1解密过程中的边缘扩散图像；

图9是实施例1解密过程中的明文图像；

图10是实施例1解密过程中采用错误的密钥得到的明文图像；

图11是实施例2加密过程中的明文图像；

图12是实施例2加密过程中的边缘图像；

图13是实施例2加密过程中的边缘扩散图像；

图14是实施例2加密过程中的密文图像；

图15是实施例2解密过程中的密文图像；

图16是实施例2解密过程中的边缘扩散图像；

图17是实施例2解密过程中的明文图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1:

本实施例的明文图像GM是从CASIMAGE DICOM样本图形文件集合中一幅大小为256×256的颅骨图像，如图3所示。

如图1所示：一种基于边缘检测的DICOM医学图像加密和解密方法，包括加密过程和解密过程，所述加密过程按以下步骤进行：

步骤一，对图3所示的明文图像GM进行边缘检测，获取明文图像GM的边缘图像GE，如图4所示；

所采用的边缘检测方法为：用3*3的Laplace卷积核对图像进行卷积处理。

步骤二，利用图像形态学变换，将所述边缘图像GE中的边缘进行扩散，并将扩散后图像进行二值化处理，得到边缘扩散图像GS，该边缘扩散图像GS的边缘部分像素值为a，其余部分像素值为b；

所采用的图像形态学变换方法为：选用大小为3*3 ，参考点横纵坐标为（1,1）的矩形卷积核对边缘扩散图像GE做3次迭代的卷积处理。采用OTSU算法进行二值化处理后得到的边缘扩散图像GS，如图5所示，a=255，b=0。

步骤三，利用混沌系统并设定密钥，产生混沌序列S_i，i=1,2，…，n(GS)，其中，n(GS)为所述边缘扩散图像GS边缘的像素数，即像素值为255的像素数；

本实施例中采用斜帐篷映射的混沌系统，斜帐篷映射是一种推广的帐篷映射，其定义如下：

该函数是二对一的映射，没有一一对应的逆函数。若想直接利用其的迭代来加密明文图像，然后用其逆函数直接解密，则其逆函数的不唯一将使该解密面临一致性的问题，解密不能恢复出原文，因此具有很好的加密效果。

本实施例中设定初始值即密钥为：a=0.6674 x₀=0.5812。利用密钥产生混沌序列。

步骤四，按下式对所述明文图像GM进行选择加密处理，获得密文图像GC，如图6所示：

其中，GS(x,y)、GM(x,y)、GC(x,y)为所述边缘扩散图像GS、明文图像GM、密文图像GC在坐标（x,y）处的像素值；

本实施例中对明文图像GM的加密处理按照从左到右从上到下的顺序依次对每个像素点进行处理，具体加密方法如下：

第一步：设定i=1；

第二步：判断GS(x,y)是否等于255；

第三步：若GS(x,y)不等于255，则GC(x,y)=GM(x,y)，并返回到所述第二步；

第四步：若GS(x,y)等于，则GC(x,y)= GM(x,y)⊕S_i；

第五步：i=i+1；

第六步，判断i是否大于n(GS) ，若i不大于n(GS)，则返回到第二步；若i大于n(GS)，则进入步骤五；

步骤五，将所述边缘扩散图像GS的像素按行程编码压缩后添加在所述密文图像GC之后，一起写入DICOM文件标号为（7FE0,0010）的像素数据元素之中，并根据写入的边缘扩散图像GS和密文图像GC的大小修改DICOM文件的数据长度；

所述解密过程按以下步骤进行：

步骤一：将待解密的DICOM文件分解为密文图像GC与边缘扩散图像GS；所述密文图像GC如图7所示，所述边缘扩散图像GS如图8所示。

步骤二：采用所述加密过程中的混沌系统及密钥，生成混沌序列S_i，i=1,2，…，n(GS)，其中，n(GS)为所述边缘扩散图像GS边缘的像素数；

即采用斜帐篷映射的混沌系统，并利用密钥即加密过程中的初始值a=0.6674 x₀=0.5812，产生混沌序列。

步骤三：按下式对密文图像GC进行解密，获得明文图像GM，如图9所示：

其中，GS(x,y)、GM(x,y)、GC(x,y)为所述边缘扩散图像GS、明文图像GM、密文图像GC在坐标（x,y）处的像素值。

本实施例中对密文图像GC的解密处理按照从左到右从上到下的顺序依次对每个像素点进行处理，具体解密方法如下：

第一步：设定i=1；

第二步：判断GS(x,y)是否等于255；

第三步：若GS(x,y)不等于255，则GM(x,y)=GC(x,y)，并返回到所述第二步；

第四步：若GS(x,y)等于255，则GM (x,y)= GC (x,y)⊕S_i；

第五步：i=i+1；

第六步，判断i是否大于n(GS) ，若i不大于n(GS)，则返回到第二步；若i大于n(GS)，则解密结束。

比较图3和图9，可以发现图像加密解密后无失真现象，保真性好。

若在解密过程中采用错误的密钥，如a=0.6674 x0=0.5813，利用该密钥得到的解密后的明文图像如图10所示，比较图10与图3，两幅图差别很大，图10已经显现不出图3所示的病症信息。

实施例2:

本实施例的明文图像GM也是从CASIMAGE DICOM样本图形文件集合中选取的一幅大小为256×256的颅骨图像，如图11所示。

本实施例与实施例1大致相同，其不同之处在于：所采用的边缘检测方法为：使用宽为3的方形滤波器Sobel算子在横纵轴各进行一次一阶求导；所采用的图像形态学变换方法为：参考点位于中心的3*3的矩形核进行一次迭代的膨胀操作。

本实施例加密过程中的明文图像GM、边缘图像GE、边缘扩散图像GS、密文图像GC分别如图11、12、13、14所示；解密过程中的密文图像GC、边缘扩散图像GS、明文图像GM分别如图15、16、17所示。本实施例中采用的密钥为a=0.6674 x0=0.5812。同样可以发现，图11与图17相比，具有高度的保真性。

本发明并非仅限于上述明确描述的实施例，本技术领域的普通技术人员应当认识到以上的实施例仅用来说明本发明，本发明中的边缘检测方法、图像形态学变换方法、二值化处理、混沌系统都不局限于本实施例中提到的方法，实施者可自行选择自己熟悉的方法，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变形都将落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于边缘检测的DICOM医学图像加密和解密方法，包括加密过程和解密过程，其特征在于：

所述加密过程按以下步骤进行：

步骤一，对明文图像GM进行边缘检测，获取明文图像GM的边缘图像GE；

步骤二，利用图像形态学变换，将所述边缘图像GE中的边缘进行扩散，并将扩散后图像进行二值化处理，得到边缘扩散图像GS，该边缘扩散图像GS的边缘部分像素值为a，其余部分像素值为b；

步骤三，利用混沌系统并设定密钥，产生混沌序列S_i，i=1,2，…，n(GS)，其中，n(GS)为所述边缘扩散图像GS边缘的像素数；

步骤四，按下式对所述明文图像GM进行选择加密处理，获得密文图像GC：

 

其中，GS(x,y)、GM(x,y)、GC(x,y)为所述边缘扩散图像GS、明文图像GM、密文图像GC在坐标（x,y）处的像素值； 

步骤五，将所述边缘扩散图像GS的像素按行程编码压缩后添加在所述密文图像GC之后，一起写入DICOM文件标号为（7FE0,0010）的像素数据元素之中，并根据写入的边缘扩散图像GS和密文图像GC的大小修改DICOM文件的数据长度；

所述解密过程按以下步骤进行：

步骤一：将待解密的DICOM文件分解为密文图像GC与边缘扩散图像GS；

 步骤二：采用所述加密过程中的混沌系统及密钥，生成混沌序列S_i，i=1,2，…，n(GS)，其中，n(GS)为所述边缘扩散图像GS边缘的像素数；

步骤三：按下式对密文图像GC进行解密，获得明文图像GM：

其中，GS(x,y)、GM(x,y)、GC(x,y)为所述边缘扩散图像GS、明文图像GM、密文图像GC在坐标（x,y）处的像素值。

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