CN114978464A - 基于dicom信息生成密钥的医学图像选择加密方法 - Google Patents

基于dicom信息生成密钥的医学图像选择加密方法 Download PDF

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CN114978464A CN202210464895.9A CN202210464895A CN114978464A CN 114978464 A CN114978464 A CN 114978464A CN 202210464895 A CN202210464895 A CN 202210464895A CN 114978464 A CN114978464 A CN 114978464A
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Abstract

基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，涉及图像加密技术领域，解决现有医学图像加密技术加密效率低，无法抵抗已知明文和选择明文攻击的安全缺陷等问题，本发明所述的加密方法，在生成密钥阶段，使用DICOM文件中的患者信息生成加密密钥，使明文与密文高度相关，在很大程度上提高了密文安全性，并利用此生成模型生成的密钥对医学图像感兴趣区域进行加密，加密阶段采用索引置乱和二维双向扩散，在保证图像安全的前提下，提高了医学图像加密效率。本发明将医学文件DICOM中的数据信息用于密钥流的生成，极大的提高了明文相关性。

Description

基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法
技术领域
本发明涉及图像加密技术领域，具体涉及一种基于DICOM(Digital Imaging andCommunications in Medicine，医学中的数字成像和通信)医学中的数字成像和通信信息生成密钥的医学图像感兴趣区域混沌加密方法。
背景技术
随着信息和互联网技术的迅猛发展，大量的信息需要在互联网上传输，因此信息安全受到了广泛的关注。数字图像作为多媒体传输的重要数据内容，包含了大量可视化的隐私信息，其在公共信道的安全传输和云环境下的可信存储难以得到充分的保障。医学图像作为特殊的图像类型，不同于普通数字图像，携带着与病人生命息息相关的重要信息，其分辨率高，存储空间大，数据量大，由于医学图像具有很强的敏感性和私密性，一旦被盗取和流散将会对患者个人、医院、社会造成不良影响。医学图像数据量大且数目多，现有的加密技术一般是对整幅医学图像进行加密，但是一幅医学图像中仅仅是一部份区域有意义，全加密会浪费资源并且会降低效率，因此我们对医学图像感兴趣区域进行选择加密，将自适应阈值分割与医学图像加密结合，仅加密图像的感兴趣区域，提高了加密效率。为了提高传输的安全性，与其他加密技术不同的是，我们将医学文件DICOM中的数据信息用于密钥流的生成，极大的提高了明文相关性。
发明内容
本发明为解决现有医学图像加密技术加密效率低，无法抵抗已知明文和选择明文攻击的安全缺陷等问题，提供一种基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法。
基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、取大小为M×N的灰度医学图像作为原始图像Image；
步骤二、采用随机数生成器生成长度为T的初始密钥序列A；T>M×N；
步骤三、舍弃A的前10000个元素，获得控制密钥序列B，选取B中的前x个元素，记为b1,b2,……,bx；
步骤四、对b1,b2,…,bx进行向下取整及取余操作，获得元素序列b1′,b2′,……,bx′，将所述元素序列b1′,b2′,……,bx′作为DICOM标签信息选取的控制指针；并选取对应的标签信息d1,d2,…,dx；
采用哈希算法对d1,d2,……,dx进行哈希运算，获得哈希值字符串d1hash,d2hash,……,dxhash；
将d1hash,d2hash,……,dxhash转为二进制哈希值字符串：d1(2) hash,d2(2) hash,…,dx(2) hash；
步骤五、将步骤三中的控制密钥序列B转换为二进制序列B(2)，以L为步长对B(2)共截取x次，获得x个长度为L的标签密文序列
Figure BDA0003623470940000021
步骤六、对步骤四的二进制哈希值字符串进行加密，获得标签密文C1,C2,……,Cx,
将标签密文C1,C2,……,Cx每一个密文序列分成y组，
Figure BDA0003623470940000022
且y<L,每组序列长度为L/y，对小组元素按下式方法进行折叠加密：
Figure BDA0003623470940000023
式中，
Figure BDA0003623470940000024
表示异或运算，C11，C12，……Cxy为小组分段后的结果；
对获得的key1,key2,key3,key4,key5,key6进行计算，获得加密过程中的控制参数u0,u1,u2,和初始值x0,x1,x2；计算公式如下：
Figure BDA0003623470940000025
Figure BDA0003623470940000026
式中，key(1:)、key(2:)、key(3:)、key(4:)、key(5:)和key(6:)分别为第一行、第二行、第三行、第四行、第五行和第六行的所有元素；
步骤七、计算原始图像Image的感兴趣区域分割，获得感兴趣区域分割阈值t；
将所述原始图像Image分为n×n的图像块Bs，共得
Figure BDA0003623470940000027
个图像块，
Figure BDA0003623470940000028
Figure BDA0003623470940000029
其中n为用户根据需求所划分的图像块大小；计算图像块Bs内所有像素灰度值的平均值
Figure BDA0003623470940000031
步骤八、进行感兴趣区域判别，具体方法如下：
当
Figure BDA0003623470940000032
时，则该图像块Bs为感兴趣区域ROIr，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000033
为1；
当
Figure BDA0003623470940000034
时，则该图像块Bs为非感兴趣区域ROB，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000035
为0；
其中
Figure BDA0003623470940000036
为对应的第s个感兴趣区域的标志位，其中r为图像感兴趣区域编号，r＝1,2,…,sum(ROI)，sum(ROI)为图像中所有被判别为感兴趣区域的图像块的个数；
步骤九、将ROIr区域中像素进行重排，变形为长度为(n×n)×sum(ROI)的一维感兴趣序列ROI1D；
步骤十、将步骤六中的控制参数u1和初始值x1分别带入步骤二随机数生成器中，迭代M×N+1000次，获得混沌序列A1；
将控制参数u2,u3和初始值x2,x3分别带入步骤二随机数生成器中，迭代2×M×N+1000次，获得混沌序列A2；
步骤十一、舍弃所述混沌序列A1的前1000个随机数，从1001开始选取(n×n)×sum(ROI)个随机数作为置乱序列Q1；
舍弃所述混沌序列A2,A2前1000个随机数，从1001开始选取(n×n)×sum(ROI)个随机数作为扩散序列Q2,Q3；
步骤十二、将步骤二十中扩散序列Q2,Q3进行计算，获得扩散密钥流K1,K2；并将所述扩散密钥流K1分成2个长度均为M×N混沌序列K11,K12；
将所述扩散密钥流K2分成2个长度均为M×N混沌序列K21,K22；
分别对混沌序列K11K12,K21,K22进行截取，获得四个长度均为
Figure BDA0003623470940000037
的混沌序列D1,D2,D3,D4；
步骤十三、将所述混沌序列D1,D2,D3,D4进行变形，获得大小为
Figure BDA0003623470940000038
的扩散密钥矩阵P1,P2,P3,P4；
步骤十四、对步骤十一所述的置乱序列Q1升序排序，并记录索引值，组成索引序列T；将步骤九所述的一维感兴趣序列ROI1D进行置乱得到置乱后一维序列CROI1D；
步骤十五、将所述置乱后一维序列CROI1D进行变形，获得大小为sum(ROI)×(n×n)的置乱后的矩阵CROI；
将置乱后的矩阵序列CROI与步骤十三中的扩散密钥矩阵P1进行自上至下的取模行扩散得到第一次扩散后的矩阵E1；
将所述矩阵E1与扩散密钥矩阵P2进行自左至右的取模列扩散，获得第二次扩散后的矩阵E2；
将所述矩阵E2与扩散密钥矩阵P3进行自下至上的取模行扩散，获得第三次扩散后的矩阵E3；
将所述矩阵E3与扩散密钥矩阵P4进行自右至左的取模列扩散，获得最终的16位无符号整数感兴趣区域密文矩阵EnROI；
步骤十六、将所述16位无符号整数感兴趣区域密文矩阵EnROI，按照步骤八中的感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000041
为1的元素位置放回，获得最终的密文图像EnImg。
本发明的有益效果：本发明提出的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，在生成密钥阶段，使用DICOM文件中的患者信息生成加密密钥，使明文与密文高度相关，在很大程度上提高了密文安全性，并利用此生成模型生成的密钥对医学图像感兴趣区域进行加密，加密阶段采用索引置乱和二维双向扩散，在保证图像安全的前提下，提高了医学图像加密效率。
附图说明
图1为本发明所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法的加密过程流程图；
图2为本发明所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法中解密过程流程图；
图3为采用本发明所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法的效果图：其中图3(a)为“腹腔”原始图像；其中图3(b)为“腹腔”图像的加密后效果图；其中图3(c)为“腹腔”图像最终的解密结果图。
图4为采用本发明所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法对直方图分析图：其中图4(a)为图3(a)的直方图，其中图4(b)为图3(b)的直方图，其中图4(c)为图3(c)的直方图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、取大小为M×N的灰度医学图像作为原始图像Image；
步骤二、使用随机数生成器生成长度为T(T>M×N)的初始密钥序列A；
步骤三、舍弃A的前10000个元素,得到控制密钥序列B，选取B中的前x个元素记为b1,b2,……,bx；
步骤四、对b1,b2,…,bx进行公式(1)的操作，得到b1′,b2′,……,bx′；
Figure BDA0003623470940000042
其中R为医疗文件DICOM标签信息总数，将b1′,b2′,……,bx′作为DICOM标签信息选取的控制指针；
步骤五、使用步骤四中的b1′,b2′,……,bx′从DICOM标签中选取对应的标签信息d1,d2,…,dx；
Figure BDA0003623470940000051
步骤六、使用哈希算法对d1,d2,……,dx进行公式(3)所示运算，得到哈希值字符串d1hash,d2hash,……,dxhash；
Figure BDA0003623470940000052
步骤七、将d1hash,d2hash,……,dxhash,转为二进制字符串：d1(2) hash,d2(2) hash,…,dx(2) hash；
步骤八、将步骤三中的控制密钥序列B转换为二进制序列B(2)，以L为步长对B(2)共截取x次，得到x个长度为L的标签密文序列
Figure BDA0003623470940000053
步骤九、对步骤七的二进制哈希值字符串进行加密，得到标签密文C1,C2,……,Cx,如公式(4)所示：
Figure BDA0003623470940000054
其中，bitxor()表示异或运算；
步骤十、将C1,C2,……,Cx每一个密文序列分成y组，
Figure BDA0003623470940000055
且y<L,每组序列长度为L/y，对小组元素进行如公式(5)所示的方法进行折叠加密：
Figure BDA0003623470940000056
其中
Figure BDA0003623470940000057
表示异或运算，C11，C12，……Cxy为小组分段后的结果；
步骤十一、根据得到的key1,key2,key3,key4,key5,key6进行公式(6)、(7)操作得到后续加密过程中需要的控制参数u0,u1,u2,和初始值x0,x1,x2；
Figure BDA0003623470940000061
Figure BDA0003623470940000062
步骤十二、计算原始医学图像Image的感兴趣区域分割阈值，得到感兴趣区域分割阈值t；
步骤十三、将原始医学图像Image分为大小为n×n的图像块Bs，共得
Figure BDA0003623470940000063
个图像块，
Figure BDA0003623470940000064
其中n为用户根据需求所划分的图像块大小；
步骤十四、根据公式(8)依次计算步骤十三所述图像块Bs内所有像素灰度值的平均值
Figure BDA0003623470940000065
Figure BDA0003623470940000066
其中mean2()表示矩阵均值函数；
步骤十五、感兴趣区域判别方法如下：
当
Figure BDA0003623470940000067
时，则该图像块Bs为感兴趣区域ROIr，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000068
为1；
当
Figure BDA0003623470940000069
时，则该图像块Bs为非感兴趣区域ROB，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure BDA00036234709400000610
为0；
其中
Figure BDA00036234709400000611
为对应的第s个感兴趣区域的标志位，其中r为图像感兴趣区域编号，r＝1,2,…,sum(ROI)，sum(ROI)为图像中所有被判别为感兴趣区域的图像块的个数；
步骤十六、将ROIr区域中像素进行重排，变形为长度为(n×n)×sum(ROI)的一维感兴趣序列ROI1D；
ROI1D＝reshape(ROIr,1,(n×n)×sum(ROI)) (9)
其中，reshape()表示矩阵变形操作。
步骤十七、将步骤十一中的控制参数u1和初始值x1分别带入步骤二中随机数生成器中，迭代M×N+1000次，得到混沌序列A1，
步骤十八、将步骤十一中的控制参数u2,u3和初始值x2,x3分别带入步骤二中随机数生成器中，迭代2×M×N+1000次，得到混沌序列A2,A2；
步骤十九、舍弃步骤十七所述混沌序列A1前1000个随机数，从1001开始选取(n×n)×sum(ROI)个随机数作为置乱序列Q1；
步骤二十、舍弃步骤十八所述扩散序列A2,A2前1000个随机数，从1001开始选取(n×n)×sum(ROI)个随机数作为扩散序列Q2,Q3；
步骤二十一、将步骤二十中混沌序列Q2,Q3进行如公式(10)(11)所示操作，得到扩散密钥流K1,K2：
K1＝int16(mod(floor(A3×10.9),65536) (10)
K2＝int16(mod(floor(A4×10.9),65536) (11)
步骤二十二、步骤二十一所述的扩散密钥流K1分成2个长度为M×N混沌序列K11,K12；
步骤二十三、步骤二十一所述的扩散密钥流K2分成2个长度为M×N混沌序列K21,K22；
步骤二十四、分别对混沌序列K11K12,K21,K22进行截取，得到4个长度为(n×n)×
Figure BDA0003623470940000071
的混沌序列D1,D2,D3,D4；
步骤二十五、将混沌序列D1,D2,D3,D4进行变形，得到大小为
Figure BDA0003623470940000072
的扩散密钥矩阵P1,P2,P3,P4；
Figure BDA0003623470940000073
Figure BDA0003623470940000074
Figure BDA0003623470940000075
Figure BDA0003623470940000076
步骤二十六、按照公式(14)所示方法对步骤十九中的置乱序列Q1升序排序，并记录索引值，组成索引序列T；
[Q1sorted,T]＝sort(Q1) (16)
其中sort()表示排序函数，Q1sorted表示Q1升序排序后的序列，T表示排序后Q1sorted的数值在Q1中的位置信息；
步骤二十七、将步骤十六所述的一维感兴趣序列ROI1D，按照公式(16)得到的索引序列T进行置乱得到置乱后一维序列CROI1D，置乱公式如下：
CROI1D＝ROI1D(T) (17)
步骤二十八、将步骤二十七得到的置乱后一维序列CROI1D进行变形，得到大小为sum(ROI)×(n×n)的矩阵CROI；
CROI＝reshape(CROI1D,n×n,sum(ROI)) (18)
步骤二十九、将置乱后的矩阵序列CROI与扩散密钥矩阵P1进行自上至下的取模行扩散得到第一次扩散后的矩阵E1；
E1(1,:)＝mod(E1(0)+P1(1,:)+CROI1D(1,:),65536) (19)
E1(i,:)＝mod(E1(i-1,:)+P1(i,:)+CROI1D(i,:),65536) (20)
其中i＝2,3,……n×n；
步骤三十、将矩阵E1与扩散密钥矩阵P2进行自左至右的取模列扩散，得到第二次扩散后的矩阵E2；
E2(:,1)＝mod(E2(0)+P2(:,1)+E1(:,1),65536) (21)
E2(:,j)＝mod(E2(:,j-1)+P2(:,j)+E1(:,j),65536) (22)
其中j＝2,3,……,sum(ROI)；
步骤三十一、将矩阵E2与扩散密钥矩阵P3进行自下至上的取模行扩散，得到第三次扩散后的矩阵E3；
E3(n×n,:)＝mod(E3(0)+P3(n×n,:)+E2(n×n,:),65536) (23)
E3(i:)＝mod(E3(i+1,:)+P3(i,:)+E2(i,:),65536) (24)
其中i＝n×n-1,……,1；
步骤三十二、将矩阵E3与扩散密钥矩阵P4进行自右至左的取模列扩散，得到最终密文矩阵EnROI；
EnROI(:,sum(ROI))＝mod(EnROI(0)+P4(:,sum(ROI))+D(:,sum(ROI)),65536) (25)
EnROI(:,j)＝mod(En_ROI(:,j+1)+P4(:,j)+E3(:,j),65536) (26)
其中j＝sum(ROI)-1,……,2,1；
步骤三十三、将步骤三十二所述16位无符号整数感兴趣区域密文EnROI，按照步骤十四所述判别为感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000081
为1的元素位置放回，得最终加密图像EnImg。
结合图2说明本实施方式，本实施方式还包括解密方法，解密过程如下：
步骤三十四、使用加密过程中的感兴趣区域阀值t对密文图像EnImg进行分割；
步骤三十五、将加密图像EnImg分为大小为n×n的图像块B2s,共得
Figure BDA0003623470940000082
个图像块，其中s为图像块B2s的编号，
Figure BDA0003623470940000083
步骤三十六、根据公式(27)依次计算步骤三十二所诉图像块B2s内所有像素灰度值的平均值
Figure BDA0003623470940000084
Figure BDA0003623470940000085
其中mean2()表示矩阵均值函数；
步骤三十七、加密图像的加密区域判别，判别方法如下：
当
Figure BDA0003623470940000086
时，则该图像块B2s为加密区域EnROIz。设置对应的加密区域标志位EnROIz为1；
当
Figure BDA0003623470940000087
时，则该图像块B2s为非加密区域。设置对应的加密区域标志位EnROIz为0；
其中t为加密过程中的感兴趣区域阀值，其中k为图像加密区域编号，
Figure BDA0003623470940000091
其中EnROIz为对应的第Z个加密区域的标志位，sum(EnROIz)为EnImg中所有被判别为加密区域的图像块的个数；
步骤三十八、将步骤三十七所述Z个加密区域EnROIz进行矩阵重排，变形为大小为为(n×n)×sum(EnROIz)的加密区域序列En_ROI；
En_ROI＝reshape(EnROIz,sum(EnROIz),n×n) (28)
步骤三十九、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P4与加密的感兴趣区域En_ROI进行逆扩散操作，得到逆扩散矩阵de_E3；
de_E3(:,sum(EnROIz))＝
mod(En_ROI(:,sum(EnROIz))-En_ROI(0)-P4(:,sum(EnROIz)),65536) (29)
de_E3(:,j)＝mod(En_ROI(:,j)-En_ROI(:,j+1)-P4(:,j),65536) (30)
其中j＝sum(EnROIz)-1,……,2,1；
步骤四十、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P3与de_E3进行逆扩散操作，得到逆扩散矩阵de_E2；
de_E2(n×n,:)＝mod(de_E3(n×n,:)-de_E3(0)-P3(n×n,:),65536) (31)
de_E2(i,:)＝mod(de_E3(i,:)-de_E3(i+1,:)-P3(i,:),65536) (32)
其中i＝n×n-1,……2,1；
步骤四十一、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P2与de_E2进行逆扩散操作，得到逆扩散矩阵de_E1；
de_E1(:,sum(EnROIz))＝
mod(de_E2(:,sum(EnROIz))-de_E2(0)-P2(:,sum(EnROIz)),65536) (33)
de_E1(:,j)＝mod(de_E2(:,j)-de_E2(:,j-1)-P2(:,j),65536) (34)
其中j＝2,3,……,sum(EnROIz)；
步骤四十二、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P1与de_E1进行逆扩散操作，得到置乱后的矩阵de_CROI1D；
de_CROI1D(1,:)＝mod(de_E1(1,:)-de_E1(0,:)-P1(1,:),65536) (35)
de_CROI1D(i,:)＝mod(de_E1(i,:)-de_E1(i-1,:)-P1(i,:),65536) (36)
其中i＝1,2,……,n×n-1；
步骤四十三、将步骤十九所述置乱随机数序列Q1作为解密置乱序列de_Q1；
[de_Q1sorted,DT1]＝sort(De_Q1) (37)
其中sort()表示排序函数，de_Q1sorted表示de_Q1升序排序后的序列，DT1表示排序后de_Q1sorted的数值在De_Q1中的位置信息；
步骤四十四、将步骤四十二所述置乱后的de_CROI1D与步骤四十三所述索引值DT1执行公式(36)进行逆置乱，得到一维逆置乱解密序列De_ROI；
de_C1DROI(DT1)＝De_ROI (38)
步骤四十五、将感兴趣区域序列De_ROI的矩阵像素由十六位无符号整数转换为八位无符号整数；
步骤四十六、将解密后的八位无符号整数感兴趣区域明文De_ROI′，按照步骤二十三所述判别为加密区域标志位EnROI_flags为1的块位置放回，得最终解密图像DeImg。
具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法的实施例，具体过程如下：
步骤一、取大小为512×512的灰度医学图像作为原始图像Image；
步骤二、使用随机数生成器logistic混沌映射生成长度为T(T>512×512)的初始密钥序列A；
xn+1＝μ(1-xn)xn (1)
其中μ＝3.89，x0＝0.23；
步骤三、舍弃A的前10000个元素,得到控制密钥序列B，选取B中的前6个元素记为b1,b2,b3,b4,b5,b6；
步骤四、对b1,b2,b3,b4,b5,b6进行公式(2)的操作，得到b1′,b2′,b3′,b4′,b5′,b6′；
Figure BDA0003623470940000101
其中R为医疗文件DICOM标签信息总数，将b1′,b2′,b3′,b4′,b5′,b6′作为DICOM标签信息选取的控制指针；
步骤五、使用步骤四中的b1′,b2′,b3′,b4′,b5′,b6′从DICOM标签中选取对应的标签信息d1,d2,d3,d4,d5,d6；
Figure BDA0003623470940000102
步骤六、选择哈希算法中的SHA-512算法对d1,d2,d3,d4,d5,d6分别进行运算，得到长度为128位且为十六进制的哈希值字符串，将其哈希值记为d1hash,d2hash,d3hash,d4hash,d5hash,d6hash,
Figure BDA0003623470940000111
步骤七、将d1hash,d2hash,d3hash,d4hash,d5hash,d6hash,分别从十六进制转为二进制，因为一个十六进制数等于四个二进制数，所字符串长度变为为512,得到6个二进制序列分别为：
Figure BDA0003623470940000112
步骤八、将混沌序列B由十进制转换为二进制，对于混沌序列B，每512位截取一次，共截取六次，得到六个长度为512的二进制混沌序列记为
Figure BDA0003623470940000113
步骤九、对步骤七的二进制哈希值字符串进行加密，得到标签密文C1,C2,C3,C4,C5,C6如公式(5)所示：
Figure BDA0003623470940000114
其中，bitxor()表示异或运算；
步骤十、将C1,C2,C3,C4,C5,C6每一个密文序列分成32组，每组序列长度为16，对小组元素进行如公式(6)所示的方法进行折叠加密,并将加密结果由二进制转为十进制：
Figure BDA0003623470940000115
其中
Figure BDA0003623470940000116
表示异或运算，C1,1,C1,2,……,C1,32为小组分段后的结果；
步骤十一、根据得到的key1,key2,key3,key4,key5,key6进行公式(7)、(8)操作得到后续加密过程中需要的控制参数u0,u1,u2,和初始值x0,x1,x2；
Figure BDA0003623470940000117
Figure BDA0003623470940000121
其中u1＝3.74，u2＝3.99，u3＝3.69，x1＝0.32,x2＝0.28,x3＝0.19。
步骤十二、计算原始医学图像Image的感兴趣区域分割阈值，得到感兴趣区域分割阈值t＝66；
步骤十三、将原始医学图像Image分为大小为4×4的图像块Bs，共得到4194304个图像块。
步骤十四、根据公式(8)依次计算步骤十三所述图像块Bs内所有像素灰度值的平均值
Figure BDA0003623470940000122
Figure BDA0003623470940000123
其中mean2()表示矩阵均值函数；
步骤十五、感兴趣区域判别方法如下：
当
Figure BDA0003623470940000124
则该图像块Bs为感兴趣区域ROIr，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000125
为1；
当
Figure BDA0003623470940000126
则该图像块Bs为非感兴趣区域ROB，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000127
为0；
其中
Figure BDA0003623470940000128
为对应的第s个感兴趣区域的标志位，其中r为图像感兴趣区域编号，r＝1,2,…,8146为图像中所有被判别为感兴趣区域的图像块的个数；
步骤十六、将ROI区域中像素进行重排，变形为长度为130336的一维序列ROI1D；
ROI1D＝reshape(ROI,1,130336) (10)
步骤十七、将步骤十一中的控制参数u1和初始值x1分别带入步骤二中随机数生成器中，迭512×512+1000次得到混沌序列A1；
步骤十八、将步骤十一中的控制参数u2,u3和初始值x2,x3分别带入步骤二中随机数生成器中，迭代2×512×512+1000次得到混沌序列A2,A3；
步骤十九、舍弃步骤十七所述混沌序列A1前1000个随机数，从1001开始选取130336个随机数作为置乱序列Q1；
步骤二十、舍弃步骤十八所述扩散序列A2,A2前1000个随机数，从1001开始选取130336个随机数作为扩散序列Q2,Q3；
步骤二十一、将步骤二十中混沌序列Q2,Q3进行如公式(11)(12)所示操作，得到扩散密钥流K1,K2：
K1＝int16(mod(floor(A3×10.9),65536) (11)
K2＝int16(mod(floor(A4×10.9),65536) (12)
步骤二十二、将步骤二十一所述的扩散密钥流K1分成2个长度为512×512的混沌序列K11,K12；
步骤二十三、将步骤二十一所述的扩散密钥流K2成2个长度为512×512的混沌序列K21,K22；
步骤二十四、分别对混沌序列K11K12,K21,K22进行截取，得到4个长度为16×130336的混沌序列D1,D2,D3,D4；
步骤二十五、将混沌序列D1,D2,D3,D4进行变形，得到大小为16×130336的扩散密钥矩阵P1,P2,P3,P4；
P1＝reshape(K1,16,130336) (13)
P2＝reshape(K2,16,130336) (14)
P3＝reshape(K3,16,130336) (15)
P4＝reshape(K4,16,130336) (16)
步骤二十六、按照公式(17)所示方法对步骤十九中的置乱序列Q1升序排序，并记录索引值，组成索引序列T；
[Q1sorted,T]＝sort(Q1) (17)
其中sort()表示排序函数，Q1sorted表示Q1升序排序后的序列，T表示排序后Q1sorted的数值在Q1中的位置信息；
步骤二十七、将步骤十六所述的一维感兴趣序列ROI1D，按照公式(17)得到的索引序列T进行置乱得到置乱后一维序列CROI1D，置乱公式如下：
CROI1D＝ROI1D(T) (18)
步骤二十八、将步骤二十七得到的置乱后一维序列CROI1D进行变形，得到大小为sum(ROI)×(n×n)的矩阵CROI；
CROI＝reshape(CROI1D,16,8146) (19)
步骤二十九、将置乱后的矩阵序列CROI与扩散密钥矩阵P1进行自上至下的取模行扩散得到第一次扩散后的矩阵E1；
E1(0)＝107
E1(1,:)＝mod(E1(0)+P1(1,:)+CROI1D(1,:),65536) (20)
E1(i:)＝mod(E1(i-1,:)+P1(i,:)+CROI1D(i,:),65536) (21)
其中i＝2,3,……,16；E1(1,:)为E1中第一行所有元素；
步骤三十、将矩阵E1与扩散密钥矩阵P2进行自左至右的取模列扩散，得到第二次扩散后的矩阵E2；
E2(0)＝122
E2(:,1)＝mod(E2(0)+P2(:,1)+E1(:,1),65536) (22)
E2(:,j)＝mod(E2(:,j-1)+P2(:,j)+E1(:,j),65536) (23)
其中j＝2,3,……,8146；E2(:,1)为E2中第一列所有元素；
步骤三十一、将矩阵E2与扩散密钥矩阵P3进行自下至上的取模行扩散，得到第三次扩散后的矩阵E3；
E3(0)＝122
E3(16,:)＝mod(E3(0)+P3(16,:)+E2(16,:),65536) (24)
E3(i:)＝mod(E3(i+1,:)+P3(i,:)+E2(i,:),65536) (25)
其中i＝15,14……,1；
步骤三十二、将矩阵E3与扩散密钥矩阵P4进行自右至左的取模行扩散，得到最终密文矩阵EnROI；
EnROI(0)＝135
EnROI(:,8146)＝mod(EnROI(0)+P4(:,8146)+D(:,8146),65536) (26)
EnROI(:,j)＝mod(En_ROI(:,j+1)+P4(:,j)+E3(:,j),65536) (27)
其中j＝8145,……,2,1；
步骤三十三、将步骤三十二所述16位无符号整数感兴趣区域密文EnROI，按照步骤十四所述判别为感兴趣区域标志位
Figure BDA0003623470940000141
为1的元素位置放回，得最终加密图像EnImg。
本实施方式中，还包括解密步骤，具体过程如下：
步骤三十四、使用加密过程中的感兴趣区域阀值t对密文图像EnImg进行分割；
步骤三十五、将加密图像EnImg分为大小为4×4的图像块B2s,共得4194304个图像块，其中s为图像块B2s的编号，s＝1,2,3,…,4194304。
步骤三十六、根据公式(28)依次计算步骤三十二所诉图像块B2s内所有像素灰度值的平均值
Figure BDA0003623470940000142
Figure BDA0003623470940000143
其中mean2()表示矩阵均值函数；
步骤三十七、加密图像的加密区域判别，判别方法如下：
当
Figure BDA0003623470940000144
时，则该图像块B2s为加密区域EnROIz。设置对应的加密区域标志位EnROIz为1；
当
Figure BDA0003623470940000145
时，则该图像块B2s为非加密区域。设置对应的加密区域标志位EnROIz为0；
其中t为加密过程中的感兴趣区域阀值，其中k为图像加密区域编号，Z＝1,2,…,8146。其中EnROIz为对应的第Z个加密区域的标志位，sum(EnROIz)为EnImg中所有被判别为加密区域的图像块的个数；
步骤三十八、将步骤三十七所述Z个加密区域EnROIz进行矩阵重排，变形为大小为16×8146的加密区域序列En_ROI；
En_ROI＝reshape(EnROIz,16,8146) (29)
步骤三十九、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P4与加密的感兴趣区域En_ROI进行逆扩散操作，得到逆扩散矩阵de_E3；
de_E3(:,8146)＝mod(En_ROI(:,8146)-En_ROI(0)-P4(:,8146),65536) (30)
de_E3(:,j)＝mod(En_ROI(:,j)-En_ROI(:,j+1)-P4(:,j),65536) (31)
其中j＝8145,……,2,1；
步骤四十、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P3与de_E3进行逆扩散操作，得到逆扩散矩阵de_E2；
de_E2(16,:)＝mod(de_E3(16,:)-de_E3(0)-P3(16,:),65536) (32)
de_E2(i,:)＝mod(de_E3(i,:)-de_E3(i+1,:)-P3(i,:),65536) (33)
其中i＝15,……,1；
步骤四十一、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P2与de_E2进行逆扩散操作，得到逆扩散矩阵de_E1；
de_E1(:,1)＝mod(de_E2(:,1)-de_E2(0)-P2(:,1),65536) (34)
de_E1(:,j)＝mod(de_E2(:,j)-de_E2(:,j-1)-P2(:,j),65536) (35)
其中j＝2,3,……,8146；
步骤四十二、将步骤二十五中所述的扩散密钥矩阵P1与de_E1进行逆扩散操作，得到置乱后的矩阵de_CROI1D；
de_CROI1D(1,:)＝mod(de_E1(1,:)-de_E1(0,:)-P1(1,:),65536) (36)
de_CROI1D(i,:)＝mod(de_E1(i,:)-de_E1(i-1,:)-P1(i,:),65536) (37)
其中i＝1,2,……,15；
步骤四十三、将步骤十九所述置乱随机数序列Q1作为解密置乱序列de_Q1；
[de_Q1sorted,DT1]＝sort(De_Q1) (38)
其中sort()表示排序函数，de_Q1sorted表示de_Q1升序排序后的序列，DT1表示排序后de_Q1sorted的数值在De_Q1中的位置信息；
步骤四十四、将步骤四十二所述置乱后的de_CROI1D与步骤四十三所述索引值DT1执行公式(39)进行逆置乱，得到一维逆置乱解密序列De_ROI；
de_C1DROI(DT1)＝De_ROI (39)
步骤四十五、将感兴趣区域序列De_ROI的矩阵像素由十六位无符号整数转换为八位无符号整数；
步骤四十六、将解密后的八位无符号整数感兴趣区域明文De_ROI′，按照判别为加密区域标志位EnROI_flags为1的块位置放回，得最终解密图像DeImg。
结合图3和图4，其中图3(a)为“腹腔”原始图像；其中图3(b)为“腹腔”图像的加密后效果图；其中图3(c)为“腹腔”图像最终的解密结果图。图4为采用本实施方式所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法的直方图分析，其中图4(a)为图3(a)的直方图，其中图4(b)为图3(b)的直方图，其中图4(c)为图3(c)的直方图。横坐标代表像素值；纵坐标代表像素个数。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、取大小为M×N的灰度医学图像作为原始图像Image；
步骤二、采用随机数生成器生成长度为T的初始密钥序列A；T＞M×N；
步骤三、舍弃A的前10000个元素，获得控制密钥序列B，选取B中的前x个元素，记为b1，b2，......，bx；
步骤四、对b1，b2，...，bx进行向下取整及取余操作，获得元素序列b1′，b2′，......，bx′，将所述元素序列b1′，b2′，......，bx′作为DICOM标签信息选取的控制指针；并选取对应的标签信息d1，d2，...，dx；
采用哈希算法对d1，d2，......，dx进行哈希运算，获得哈希值字符串d1hash，d2hash，......，dxhash；
将d1hash，d2hash，......，dxhash转为二进制哈希值字符串：d1(2) hash，d2(2) hash，...，dx(2) hash；
步骤五、将步骤三中的控制密钥序列B转换为二进制序列B(2)，以L为步长对B(2)共截取x次，获得x个长度为L的标签密文序列
Figure FDA0003623470930000011
步骤六、对步骤四的二进制哈希值字符串进行加密，获得标签密文C1，C2，......，Cx，
将标签密文C1，C2，......，Cs每一个密文序列分成y组，
Figure FDA0003623470930000012
且y＜L，每组序列长度为L/y，对小组元素按下式方法进行折叠加密：
Figure FDA0003623470930000013
式中，
Figure FDA0003623470930000014
表示异或运算，C11，C12，......Cxy为小组分段后的结果；
对获得的key1，key2，key3，key4，key5，key6进行计算，获得加密过程中的控制参数u0，u1，u2，和初始值x0，x1，x2；计算公式如下：
Figure FDA0003623470930000015
Figure FDA0003623470930000021
式中，key(1：)、key(2：)、key(3：)、key(4：)、key(5：)和key(6：)分别为第一行、第二行、第三行、第四行、第五行和第六行的所有元素；
步骤七、计算原始图像Image的感兴趣区域分割，获得感兴趣区域分割阈值t；
将所述原始图像Image分为n×n的图像块Bs，共得
Figure FDA0003623470930000022
个图像块，
Figure FDA0003623470930000023
Figure FDA0003623470930000024
其中n为用户根据需求所划分的图像块大小；计算图像块Bs内所有像素灰度值的平均值
Figure FDA0003623470930000025
步骤八、进行感兴趣区域判别，具体方法如下：
当
Figure FDA0003623470930000026
时，则该图像块Bs为感兴趣区域ROIr，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure FDA0003623470930000027
为1；
当
Figure FDA0003623470930000028
时，则该图像块Bs为非感兴趣区域ROB，设置对应的感兴趣区域标志位
Figure FDA0003623470930000029
为0；
其中
Figure FDA00036234709300000210
为对应的第s个感兴趣区域的标志位，其中r为图像感兴趣区域编号，r＝1，2，…，sum(ROI)，sum(ROI)为图像中所有被判别为感兴趣区域的图像块的个数；
步骤九、将ROIr区域中像素进行重排，变形为长度为(n×n)×sum(ROI)的一维感兴趣序列ROI1D；
步骤十、将步骤六中的控制参数u1和初始值x1分别带入步骤二随机数生成器中，迭代M×N+1000次，获得混沌序列A1；
将控制参数u2，u3和初始值x2，x3分别带入步骤二随机数生成器中，迭代2×M×N+1000次，获得混沌序列A2；
步骤十一、舍弃所述混沌序列A1的前1000个随机数，从1001开始选取(n×n)×sum(ROI)个随机数作为置乱序列Q1；
舍弃所述混沌序列A2，A2前1000个随机数，从1001开始选取(n×n)×sum(ROI)个随机数作为扩散序列Q2，Q3；
步骤十二、将步骤二十中扩散序列Q2，Q3进行计算，获得扩散密钥流K1，K2；并将所述扩散密钥流K1分成2个长度均为M×N混沌序列K11，K12；
将所述扩散密钥流K2分成2个长度均为M×N混沌序列K21，K22；
分别对混沌序列K11K12，K21，K22进行截取，获得四个长度均为
Figure FDA0003623470930000031
的混沌序列D1，D2，D3，D4；
步骤十三、将所述混沌序列D1，D2，D3，D4进行变形，获得大小为
Figure FDA0003623470930000032
的扩散密钥矩阵P1，P2，P3，P4；
步骤十四、对步骤十一所述的置乱序列Q1升序排序，并记录索引值，组成索引序列T；将步骤九所述的一维感兴趣序列ROI1D进行置乱得到置乱后一维序列CROI1D；
步骤十五、将所述置乱后一维序列CROI1D进行变形，获得大小为sum(ROI)×(n×n)的置乱后的矩阵CROI；
将置乱后的矩阵序列CROI与步骤十三中的扩散密钥矩阵P1进行自上至下的取模行扩散得到第一次扩散后的矩阵E1；
将所述矩阵E1与扩散密钥矩阵P2进行自左至右的取模列扩散，获得第二次扩散后的矩阵E2；
将所述矩阵E2与扩散密钥矩阵P3进行自下至上的取模行扩散，获得第三次扩散后的矩阵E3；
将所述矩阵E3与扩散密钥矩阵P4进行自右至左的取模列扩散，获得最终的16位无符号整数感兴趣区域密文矩阵EnROI；
步骤十六、将所述16位无符号整数感兴趣区域密文矩阵EnROI，按照步骤八中的感兴趣区域标志位
Figure FDA0003623470930000033
为1的元素位置放回，获得最终的密文图像EnImg。
2.根据权利要求1所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，其特征在于：还包括解密过程，具体解密方法如下：
步骤A、采用加密过程中的感兴趣区域阈值t对密文图像EnImg进行分割；即：将所述密文图像EnImg分为n×n的图像块B2s，共得
Figure FDA0003623470930000034
个图像块，其中s为图像块B2s的编号，
Figure FDA0003623470930000035
并计算所述图像块B2s内所有像素灰度值的平均值
Figure FDA0003623470930000036
步骤B、对所述密文图像的加密区域进行判别，判别方法如下：
当
Figure FDA0003623470930000037
时，则该图像块B2s为加密区域EnROIz，设置对应的加密区域标志位EnROIz为1；
当
Figure FDA0003623470930000038
时，则该图像块B2s为非加密区域，设置对应的加密区域标志位EnROIz为0；
其中t为加密过程中的感兴趣区域阈值，其中k为图像加密区域编号，
Figure FDA0003623470930000039
其中EnROIz为对应的第Z个加密区域的标志位，sum(EnROIz)为EnImg中所有被判别为加密区域的图像块的个数；
步骤C、将所述Z个加密区域EnROIz进行矩阵重排，变形为(n×n)×sum(EnROIz)的加密的感兴趣区域En_ROI；
步骤D、将所述扩散密钥矩阵P4与加密的感兴趣区域En_ROI进行逆扩散操作，获得逆扩散矩阵de_E3；
将所述扩散密钥矩阵P3与逆扩散矩阵de_E3进行逆扩散操作，获得逆扩散矩阵de_E2；
将所述扩散密钥矩阵P2与逆扩散矩阵de_E2进行逆扩散操作，获得逆扩散矩阵de_E1；
将所述扩散密钥矩阵P1与逆扩散矩阵de_E1进行逆扩散操作，获得置乱后的矩阵de_CROI1D；
步骤E、将步骤十一所述的置乱随机数序列Q1作为解密置乱序列de_Q1，用下式表示为：
[de_Q1sorted，DT1]＝sort(De_Q1)
式中，sort()表示排序函数，de_Q1sorted表示de_Q1升序排序后的序列，DT1表示排序后de_Q1sorted的数值在De_Q1中的位置信息；
步骤F、将步骤D所述R置乱后的de_CROI1D与步骤E所述索引值DT1进行逆置乱，获得感兴趣区域序列De_ROI；
步骤G、将感兴趣区域序列De_ROI的矩阵像素由16位无符号整数转换为8位无符号整数；将解密后的8位无符号整数感兴趣区域明文序列De_ROI′，按照步骤B所述判别为加密区域标志位EnROI_flags为1的块位置放回，获得最终解密图像DeImg。
3.根据权利要求1所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，其特征在于：步骤九中，一维感兴趣序列ROI1D用下式表示为：
ROI1D＝reshape(ROIr，1，(n×n)×sum(ROI))
其中，reshape()表示矩阵变形操作。
4.根据权利要求1所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，其特征在于：步骤十三的中的扩散密钥矩阵P1，P2，P3，P4用下式表示为：
Figure FDA0003623470930000041
Figure FDA0003623470930000042
Figure FDA0003623470930000043
Figure FDA0003623470930000044
。
5.根据权利要求1所述的基于DICOM信息生成密钥的医学图像选择加密方法，其特征在于：步骤十四的具体过程为：对步骤十一所述的置乱序列Q1升序排序，并记录索引值，组成索引序列T；
[Q1sorted，T]＝sort(Q1)
式中，sort()表示排序函数，Q1sorted表示Q1升序排序后的序列，T表示排序后Q1sorted的数值在Q1中的位置信息；
将步骤九所述的一维感兴趣序列ROI1D，按照上述公式得到的索引序列T进行置乱，获得置乱后一维序列CROI1D，置乱公式如下：
CROI1D＝ROI1D(T)。
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