CN108985082B - 一种基于数字水印的医学图像加密方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于数字水印的医学图像加密方法，利用对水印图像进行SVD分解后产生的U矩阵和V矩阵生成签名信息，在将水印嵌入原始医学图像的过程中，利用签名信息修改原始医学图像经过DWT分解至第四级的子带，获得含有水印的医学图像，在从含有水印的医学图像中提取水印的过程中，将从含有水印的医学图像中提取的签名信息与原始签名信息进行比对，以判断提取的水印图像是否正确。本发明不仅具有良好的不可见性，同时也可以抵抗常见的图像攻击手段，提高了水印算法的安全性。

Description

一种基于数字水印的医学图像加密方法
技术领域
本发明涉及一种基于数字水印的医学图像加密方法。
背景技术
目前医疗信息交流日益普遍，但在其交流传输的过程中，也存在信息被破坏的可能，医疗信息安全问题已引起广泛关注。医学图像为医生进行临床诊断和科研教学等提供了有效的依据，其包含了许多敏感信息，这些敏感信息可能受到信息拦截，故意篡改和网络传输过程中其他安全问题的困扰。数字水印技术将签名或有意义的水印信息嵌入到医学图像中，需要使用时，使用者可以将水印提取出来，同数据库中的信息做对比，以提高医学图像的安全性和可靠性，从而实现版权保护、完整性认证等。医疗系统目前亟需解决的问题之一就是如何通过数字水印技术来提高医学图像的安全性。
与普通图像不同，医学图像对于数字水印的质量提出了更高的要求，这是由于医学图像对于医生的诊断具有不可忽视的作用，任何一点微小的改动都有可能影响医生的判断。因此，水印算法的不可见性在医学图像中显得尤为重要。鉴于医学图像与传统数字图像相比的特殊性，目前常用的数字水印技术是否能用于医学图像中还有待研究。
发明内容
本发明提供一种基于数字水印的医学图像加密方法，旨在解决医学图像在传输过程中容易遭受攻击和篡改的问题，从而达到加强医学图像保密性和安全性的目的。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于数字水印的医学图像加密方法，利用对水印图像进行SVD分解后产生的U矩阵和V矩阵生成签名信息，在将水印嵌入原始医学图像的过程中，利用签名信息修改原始医学图像经过DWT分解至第四级的子带，获得含有水印的医学图像，在从含有水印的医学图像中提取水印的过程中，将从含有水印的医学图像中提取的签名信息与原始签名信息进行比对，以判断提取的水印图像是否正确。
所述的生成签名信息的方法包含以下步骤：
步骤S1.1、对水印图像进行SVD分解，
Figure BDA0001726833850000021
步骤S1.2、分别对分解后产生的正交矩阵U0和V0的列进行求和，创建对应的一维数组；
步骤S1.3、根据矩阵中值的阈值，将一维数组的值映射到相应的二进制代码；
步骤S1.4、对两个正交矩阵的二进制代码进行异或操作，生成给定正交矩阵的8位的签名信息。
所述的将水印嵌入原始医学图像的方法包含以下步骤：
步骤S2.1、对原始的医学载体图像进行DWT分解，得到4个子带：LL、LH、HL、HH；
步骤S2.2、将LL子带分解到第4级子带LL4；
步骤S2.3、将签名信息嵌入第4级子带LL4，完成对第4级子带LL4的修改；
步骤S2.4、对医学载体图像的LL子带进行SVD分解，O＝USVT；
步骤S2.5、嵌入水印：为嵌入强度；
步骤S2.6、进行逆SVD变换重构：O’＝US’VT；
步骤S2.7、用修改后的第4级子带LL4进行逆DWT变换，重构含水印的医学图像。
所述的步骤S2.3中，将签名信息嵌入第4级子带LL4的方法包含以下步骤：
步骤S2.3.1、通过密钥从第4级子带LL4中选择8个随机系数，将其整数部分转换为16位的二进制代码，该8个系数所在的序号值形成密钥；
步骤S2.3.2、用签名信息代替步骤S2.3.1中16位二进制代码的第10位，将二进制代码转换为十进制表示。
所述的从含水印的医学图像中提取水印的方法包含以下步骤：
步骤S3.1、对含水印的医学图像进行DWT分解，得到4个子带：LL’、LH’、H’、HH’；
步骤S3.2、将LL’子带分解到第4级子带LL4’；
步骤S3.3、从第4级子带LL4’中提取签名信息；
步骤S3.4、将提取的签名信息与原始的签名信息进行验证，如果匹配，则进行步骤S3.5，如果不匹配，则验证失败，结束提取水印；
步骤S3.5、对LL’子带进行SVD分解，O1＝U1S1V1 T；
步骤S3.6、提取水印：
Figure BDA0001726833850000032
步骤S3.7、进行逆SVD变换，重构水印图像：
Figure BDA0001726833850000031
所述的步骤S3.3中，从第4级子带LL4’中提取签名信息的方法包含以下步骤：
步骤S3.3.1、根据步骤S2.3.1中的密钥中的序号值，从第4级子带LL4’中选择8个与序号值对应的系数；
步骤S3.3.2、将所选系数的整数部分转换为16位的二进制代码，选择第10位以提取签名。
本发明不仅具有良好的不可见性，同时也可以抵抗常见的图像攻击手段，提高了水印算法的安全性。
附图说明
图1是生成签名信息的方法流程图。
图2是将水印嵌入原始医学图像的方法流程图。
图3是从含水印的医学图像中提取水印的方法流程图。
具体实施方式
以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
针对医学图像对于数字水印的特殊要求，其需要数字水印具有较好的不可见性。SVD(奇异值分解)在水印算法中被广泛使用，这是由于SVD分解的特性会使得水印算法的不可见性和鲁棒性较好。图像经SVD分解得到U、S、V矩阵后，U、V矩阵包含了图像的大部分信息，SVD分解后的S矩阵的微小变换通常不影响图像的视觉感受，会具有良好的抵抗攻击的能力，因此被用于水印的嵌入。通常，如果在S矩阵中进行水印的嵌入，在提取水印时只要U、V矩阵，同样可以构造出与原水印极为相似的图像，攻击者可以用改变U、V矩阵来提取虚假的水印。为解决SVD水印算法的虚警性问题，本发明引入签名的认证机制来解决该问题，以提高水印算法的安全性。DWT(离散小波变换)的多分辨率特性使其在水印的应用中可以使得嵌入的水印在不同的频率段有不同的视觉掩蔽特性和鲁棒性。
本发明结合DWT和SVD的在水印算法中的特性，提出了一种基于数字水印的医学图像加密方法，利用对水印图像进行SVD分解后产生的U矩阵和V矩阵生成签名信息，在将水印嵌入原始医学图像的过程中，利用签名信息修改原始医学图像经过DWT分解至第四级的子带，获得含有水印的医学图像，在从含有水印的医学图像中提取水印的过程中，将从含有水印的医学图像中提取的签名信息与原始签名信息进行比对，以判断提取的水印图像是否正确。
进一步，如图1所示，所述的生成签名信息的方法包含以下步骤：
步骤S1.1、对水印图像进行SVD分解，
Figure BDA0001726833850000041
步骤S1.2、分别对分解后产生的正交矩阵U0和V0的列进行求和，创建对应的一维数组；
步骤S1.3、根据矩阵中值的阈值，将一维数组的值映射到相应的二进制代码；
步骤S1.4、对两个正交矩阵的二进制代码进行异或操作，生成给定正交矩阵的8位的签名信息。
如图2所示，所述的将水印嵌入原始医学图像的方法包含以下步骤：
步骤S2.1、对原始的医学载体图像进行DWT分解，得到4个子带：LL、LH、HL、HH；
步骤S2.2、将LL子带分解到第4级子带LL4；
步骤S2.3、将签名信息嵌入第4级子带LL4，完成对第4级子带LL4的修改；
步骤S2.4、对医学载体图像的LL子带进行SVD分解，O＝USVT；
步骤S2.5、嵌入水印：为嵌入强度；
步骤S2.6、进行逆SVD变换重构：O’＝US’VT；
步骤S2.7、用修改后的第4级子带LL4进行逆DWT变换，重构含水印的医学图像。
进一步，所述的步骤S2.3中，将签名信息嵌入第4级子带LL4的方法包含以下步骤：
步骤S2.3.1、随机从第4级子带LL4中选择8个系数，将其整数部分转换为16位的二进制代码，该8个系数所在的序号值形成密钥；
步骤S2.3.2、用签名信息代替步骤S2.3.1中16位二进制代码的第10位，将二进制代码转换为十进制表示。
如图3所示，所述的从含水印的医学图像中提取水印的方法包含以下步骤：
步骤S3.1、对含水印的医学图像进行DWT分解，得到4个子带：LL’、LH’、HL’、HH’；
步骤S3.2、将LL’子带分解到第4级子带LL4’；
步骤S3.3、从第4级子带LL4’中提取签名信息；
步骤S3.4、将提取的签名信息与原始的签名信息进行验证，如果匹配，则进行步骤S3.5，如果不匹配，则验证失败，结束提取水印；
步骤S3.5、对LL’子带进行SVD分解，O1＝U1S1V1 T；
步骤S3.6、提取水印：
Figure BDA0001726833850000052
步骤S3.7、进行逆SVD变换，重构水印图像：
Figure BDA0001726833850000051
进一步，所述的步骤S3.3中，从第4级子带LL4’中提取签名信息的方法包含以下步骤：
步骤S3.3.1、根据步骤S2.3.1中的密钥中的序号值，从第4级子带LL4’中选择8个与序号值对应的系数；
步骤S3.3.2、将所选系数的整数部分转换为16位的二进制代码，选择第10位以提取签名。
实验表明，本发明提出的一种基于数字水印的医学图像加密方法不仅具有良好的不可见性，同时也可以抵抗常见的图像攻击手段，提高了水印算法的安全性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于数字水印的医学图像加密方法，其特征在于，利用对水印图像进行SVD分解后产生的U矩阵和V矩阵生成签名信息，在将水印嵌入原始医学图像的过程中，利用签名信息修改原始医学图像经过DWT分解至第四级的子带，获得含有水印的医学图像，在从含有水印的医学图像中提取水印的过程中，将从含有水印的医学图像中提取的签名信息与原始签名信息进行比对，以判断提取的水印图像是否正确；
所述的将水印嵌入原始医学图像的方法包含以下步骤：
步骤S2.1、对原始的医学载体图像进行DWT分解，得到4个子带：LL、LH、HL、HH；
步骤S2.2、将LL子带分解到第4级子带LL4；
步骤S2.3、将签名信息嵌入第4级子带LL4，完成对第4级子带LL4的修改；
步骤S2.4、对医学载体图像的LL子带进行SVD分解，O＝USVT；
步骤S2.5、嵌入水印：
Figure FDA0002313117480000011
Figure FDA0002313117480000012
为嵌入强度；
步骤S2.6、进行逆SVD变换重构：O’＝US’VT；
步骤S2.7、用修改后的第4级子带LL4进行逆DWT变换，重构含水印的医学图像。
2.如权利要求1所述的基于数字水印的医学图像加密方法，其特征在于，所述的生成签名信息的方法包含以下步骤：
步骤S1.1、对水印图像进行SVD分解，
Figure FDA0002313117480000013
步骤S1.2、分别对分解后产生的正交矩阵U0和V0的列进行求和，创建对应的一维数组；
步骤S1.3、根据矩阵中值的阈值，将一维数组的值映射到相应的二进制代码；
步骤S1.4、对两个正交矩阵的二进制代码进行异或操作，生成给定正交矩阵的8位的签名信息。
3.如权利要求2所述的基于数字水印的医学图像加密方法，其特征在于，所述的步骤S2.3中，将签名信息嵌入第4级子带LL4的方法包含以下步骤：
步骤S2.3.1、通过密钥从第4级子带LL4中选择8个随机系数，将其整数部分转换为16位的二进制代码，该8个系数所在的序号值形成密钥；
步骤S2.3.2、用签名信息代替步骤S2.3.1中16位二进制代码的第10位，将二进制代码转换为十进制表示。
4.如权利要求3所述的基于数字水印的医学图像加密方法，其特征在于，所述的从含水印的医学图像中提取水印的方法包含以下步骤：
步骤S3.1、对含水印的医学图像进行DWT分解，得到4个子带：LL’、LH’、HL’、HH’；
步骤S3.2、将LL’子带分解到第4级子带LL4’；
步骤S3.3、从第4级子带LL4’中提取签名信息；
步骤S3.4、将提取的签名信息与原始的签名信息进行验证，如果匹配，则进行步骤S3.5，如果不匹配，则验证失败，结束提取水印；
步骤S3.5、对LL’子带进行SVD分解，O1＝U1S1V1 T；
步骤S3.6、提取水印：
Figure FDA0002313117480000021
步骤S3.7、进行逆SVD变换，重构水印图像：
Figure FDA0002313117480000022
5.如权利要求4所述的基于数字水印的医学图像加密方法，其特征在于，所述的步骤S3.3中，从第4级子带LL4’中提取签名信息的方法包含以下步骤：
步骤S3.3.1、根据步骤S2.3.1中的密钥中的序号值，从第4级子带LL4’中选择8个与序号值对应的系数；
步骤S3.3.2、将所选系数的整数部分转换为16位的二进制代码，选择第10位以提取签名。
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