面向医学图像的数字水印算法设计毕业论文(编辑修改稿)

面向医学图像的数字水印算法设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

出不同的描述。 水印的嵌入在数字信号处理中可以看作是信号的叠加操作，相对而言，水印信息是弱信号，载体信息是强信号。 从通信原理方面分析，载体相当于一个宽带信道，而水印则是一个窄带信号，嵌入过程就是信号在信道传输的过程 [8]。 但粗略说来，数字水印的基本流程主要由水印的嵌入、提取和检测三部分组成 [9]。 （ 2）数字水印的基本特性 数字水印有很多特性，但不同的应用对数字水印的要求是不完全一样的，一般认为数字水印应该具 有下面的特性。 ① 不可感知性 不可感知性也可称作透明性，是衡量信号在被处理前后的相似性。 从水印是否可感知的角度来分，可以分为可见水印和不可见水印两类，不同应用场合对水印可见性的要求也不一样，需要根据具体情况作出选择。 对鲁棒的或易损的不可见性水印来说，这是最基本的要求。 不可感知包含两个方面的内容：首先从感官角度来看应该不可感知，是指水印嵌入会对宿主数据造成改变，但人光凭听觉或视觉是不会觉察出这种变化的，只是对于人的主观感受而言的。 只要不使人的视觉、听觉等器官感受发生变化，就是不可感知的；另一个是指统计上的 不可感知，即：对于使用相同方法嵌入的不同作品而言，即使采用统计方法对其进行处理，也找不到可以判定作品中是否含水印的山东建筑大学毕业设计说明书 7 共性。 ② 鲁棒性 数字水印的鲁棒性主要是指含水印的数据在接受了一些无意或者刻意的处理后，包含的水印依旧保持完整且可以被准确识别，换句话说就是具有鲁棒性的水印是不能被轻易删除活着修改的。 数字水印的鲁棒性可以体现在以下几个方面 :首先，数字水印应该具有抵抗一般信号处理（如压缩、剪切、滤波与平滑等）的鲁棒性；第二，数字产品中嵌入的水印可以抵抗几何变换攻击，目前很多算法都是基于小波变换或离散余弦变换提 出的，这些算法的不足就是抵抗几何攻击的能力非常弱；第三，数字水印能够抵抗删除、篡改等恶意攻击，事实上攻击者比较容易得到含水印的数据，但在不破坏原始数据的前提下完全删除水印信息或伪造新的含水印的数据是非常困难的。 对于数字水印鲁棒性要求的强弱程度是因需求而异的，在很多情况下，数字水印只需要对于可能存在的处理操作保持有稳健性就可以了。 比如 当希望产生脆弱水印时，甚至都不要求鲁棒性的。 ③ 确定性 数字水印所携带的信息必须能够被唯一确定的鉴别，且提取应该是容易的，即使遭到一定破坏，水印仍然能被鉴别，以判定数字作品的 真正所有者。 解释攻击就是对数字水印的确定性攻击的一个例子。 ④ 安全性 安全性是指数字水印的信息要难以被篡改或伪造。 对于有目的的攻击，要具有抵抗力，使非授权用户无法检测和破坏水印。 ⑤ 容量 水印容量是指在载体不发生形变的情况下，单位时间内或一个作品中最多可以嵌入水印信息的量。 对于一个水印算法而言，必须可以提供足够的水印容量，才可以满足较多的需求。 其中，不可感知性、鲁棒性和容量三者是互相制约的，到目前为止，没有哪种算法能够使三者都达到最优，现在的水印嵌入算法都是根据具体问题的需要在这三者中进行折中。 （ 3）数字水印的分类 数字水印的分类可以从不同的角度进行，比较常见的有以下几种： 山东建筑大学毕业设计说明书 8 ① 按水印的感知特性划分 对视频或静态图像而言，感知性也就是可见性，水印的可见性决定它是可见水印还是不可见水印。 不可见水印是最为常用的水印技术，它是通过利用人类视觉系统（ HVS）的特点，将水印隐藏在数据中，使得人们无法通过肉眼分辨出来。 可见水印则是因为嵌入的水印强度足够大，能够通过肉眼直接观察出来的水印。 当然也可以用于音频中，即可听或不可听水印。 ② 按水印的稳健性划分 不同水印在抵抗攻击时表现出的稳健性是不同的，因此水印可 以分为脆弱水印、半脆弱水印及稳健水印。 脆弱水印对任何变换或处理操作都非常敏感，主要用于完整性认证等应用中。 半脆弱水印是对某些特定的处理操作有鲁棒性，但对其他的处理却不具备鲁棒性，主要应用于内容认证等应用中。 稳健水印对常见的各种处理操作都具备鲁棒性，相比前两种水印而言，它的应用更广泛，主要应用于版权保护等应用中。 ③ 按水印的检测划分 按水印的检测过程可以将数字水印划分为非盲水印、半盲水印和盲水印。 非盲水要原始数据和原始水印的参与；半盲水印则不需要原始数据，但需要原始水印来进行只需要密钥，既不需要原始 数据，也不需要原始水印。 一般来说，非盲水印的鲁棒性，到存储成本的限制，而盲水印技术更有实用性，尤其是面对大数据量的数字视频信息，盲水印技术的实现更具有商业价值。 ④ 按水印的嵌入位置划分 目前已有的算法中，水印可以嵌入在空间域或变换域中，对应的水印成为空间域水印和变换域水印。 在数字水印技术发展的进程中，出现较早的水印算法多是空间域的，是通过修改空间域中采样点的幅度值来嵌入水印信息的，比如：最低有效位（ LSB）方法、拼凑（ Patchwork）方法等。 变换域水印主要是利用变换域系数的改变来隐藏水印信息的 ，较为常见的有 DCT 变换、小波变换、傅里叶变换等，相对空间域水印而言，变换域水印的优点在于拥有更大的水印容量和更好的不感知性。 ⑤ 按水印的载体划分 作为数字水印载体的数字产品可以是任何一种多媒体类型，根据水印所附载的媒体的类型，可以把水印分为静止图像水印、视频水印、音频水印、软件水印、文档水印等。 山东建筑大学毕业设计说明书 9 数字水印系统的基本模型 一个完整的数字水印系统主要由两部分组成，一部分是水印的嵌入，另一部分是水印的提取。 但在水印嵌入之前，为了提高系统的鲁棒性、保密性和自适应性，一般会对原始水印先进行预处理，即通过 适当的变换后才作为待嵌入水印信号，其一般模型如图 所示。 水印的嵌入和提取一般过程则如图 所示，其中虚线框内“原始载体数据”体现了盲检测和非盲检测的区别。 原 始 水 印 水 印 生 成 算 法 待 嵌 入 水 印生 成 密 钥 图 水印生成的一般模型 水 印 嵌 入算 法嵌 入 密 钥待 嵌 入 水 印载 体 作 品含 水 印 载 体 作品水 印 检 测算 法水 印 信 息密 钥原 始 载 体图 像 图 水印的嵌入和提取过程 数字水印的攻击方法 数字水印技术作为数字产品版权保护和认证的重要手段，必然会受到各种形式的攻击，对数字水印系统的攻击主要可分为以下几类： （ 1） 稳健性攻 击 山东建筑大学毕业设计说明书 10 这类攻击以减少或去除数字水印的存在为目的。 最普通的一种称为基本攻击，如在图像水印技术中，通过采用常规的图像处理手段来对水印图像进行某些操作，降低图像质量，从而削弱或删除其中所嵌入的水印。 这种攻击对加有水印的数据进行整体操作而并不是将水印区分和隔离出来。 攻击方法包括滤波、压缩、添加噪声、图像量化等。 基本攻击易于实现．有大量的图像处理工具可供攻击者使用。 另一种稳健性攻击是在加有水印的数据中简单地加入另一个水印，利用第二个水印覆盖的方法来消除第一个水印，这种操作几乎不会使原始数据降低品质。 稳 健性攻击中常见的另一种攻击称为合谋攻击，这种攻击方法利用同一数字产品的几个带有不同水印信号的版本，采用统计平均等方法生成一个近似的集合，以此来逼近和恢复原始数据，从而产生出一个检测不出水印信号的数字产品。 （ 2） 表示攻击 表示攻击对图像内容进行修改，使水印的相关检测失效或使得水印检测者不能对水印信号进行提取及恢复，这类攻击的特点是水印尽管还存在于原始数据中，但水印检测过程已不能将其恢复或检测到其存在。 最为典型的两种表示攻击是几何变形攻击和马赛克攻击。 几何变形攻击采用缩放、旋转、裁剪、重采样 手段对数据 (主要针对图像及视频 )进行最低的几乎无法察觉的几何扭曲，使数据被轻微的拉伸、平移、裁剪或旋转，本质上并没有去除数据中所含的水印，但却使得水印嵌入位置和水印检测位置不再相符，水印检测者不知道水印嵌入的确切位置就无法检测出水印。 （ 3） 解释攻击 解释攻击中攻击者设计出一种情况以阻止对所有权的断言。 此类攻击通常通过伪造水印来产生假的原始数据或假的水印数据，从而制造混乱，使得最早嵌入的原始水印不能和伪造的水印被清楚地区分开来，引起对水印权限的怀疑。 抵御解释攻击可以采用时间戳、不可逆水印等方法。 （ 4） 合法性攻击 合法性攻击是指攻击者利用法律条款中的一些漏洞以达到其攻击目的。 前面介绍了对数字水印的四类攻击，但它们之间的界限有时是很模糊的，对有些攻击方法并不能明确地将其归于哪一类。 山东建筑大学毕业设计说明书 11 数字水印系统的性能评估 传统的图像质量的评价方法一般可以分为两种：主观评价和客观评价。 主观评价的方法是召集一批实验观察者，让观察者根据一些事先规定的评价尺度或者自己的经验，对测试图像按视觉效果提出质量判断，并给出质量分数，按所有观察者给出的分数进行加权平均，所得的结果即为图像的主观质量评价。 因为图像的虽终 信宿是人，所以这种评价方法似乎更为可靠。 但由于操作要求过于复杂，且存在不确定性，如受人的心情、疲劳程度的影响等，在实际应用中受到严重限制，甚至根本不适合于某些应用场合。 客观评价方法是用被测图像偏离原始图像的误差来衡量被测图像的质量，其思想来源于数据传输过程中均方信噪比的思想 度量指标中比较经典的指标是基于误差的，表 列出了一些常用的基于误差的失真度量方法，包括了均方差（ MSE)、信噪比（ SNR)、峰值信噪比（ PSNR）、图像保真度（ IF）、归一化系数（ NC）。 其中最常用的评价图像质量的指标是信噪比和峰值信噪比，公式中 nmI, 和 39。 ,nmI 分别表示原始图像和测试图像的像素。 表 基于误差的失真度量方法 均方差 MNIIM S E nmnm nm /)39。 ( 2, ,   信噪比 ))39。 (/lg (10 2., , ,2 nmnm nmnm nm IIIS NR   峰值信噪比 ))39。 (/m a xl g (10 2, ,2, nmnm nmnmnm IIIMNP S NR   图像保真度   nm nmnmnm nm IIIIF , ,22, , /)39。 (1 归一化系数  nm nmnmnm nm IIINC , ,2, , /39。 医学数字水印的概念 随着远程医疗的日益普及，医学图像在互联网上的传输也变得非常方便，但这里就存在一个重要问题，即如何保护病人的个人隐私不被泄露。 利用数字水印的不可 见山东建筑大学毕业设计说明书 12 性和鲁棒性，将病人的个人信息当作水印信息来处理，将其隐藏在二维或者三维医学图像中，这样就可以保证其在互联网上传输时，个人的隐私不被泄露。 这是医学图像数字水印的基本应用和初始的想法。 医学图像的特点 如果水印技术应用在医学图像上，提取水印信息后不能获得原始图像，这在法律上是会产生纠纷的。 因此，水印技术要应用在医学图像上，必须先解决由于嵌入水印引起的失真问题。 医学图像是医生对患者的生理疾病信息获取及诊断病情的一个重要依据，在医学领域，传统上对于用于诊断的医学数据的质量要求非常严格，往往不允许对医 学数据作任何改动。 这反映在医生对待用于医学图像的有损压缩算法的态度上。 尽管从一般意义上不难看出，图像的有损压缩可以大量节省图像的存储空间，且解压后的图像与原始图像从视觉上看不出有什么差别，但是由于目前还没有一个统一的标准来衡量图像质量的损失对于医生判别图像的影响，一旦出现误诊，很容易引起法律纠纷。 另外，医学图像的获取往往代价相当高，临床上普通的一次 CT、 MRI、 PET 的检查都要不菲的费用，这些设备的成本都十分昂贵。 这与普通的数码相机获取的数字图像所需的代价形成迥然的对比。 由此不难看出，无论从法律上还是从经济 成本上考虑，任何可能对医学图像造成损失的操作都是不可取的。 数字水印技术是把水印信息（如认证信息或其他任意信息）直接嵌入在图像（或其他信号）中，在水印信号嵌入过程中，不可避免的会引起原始图像的失真。 这种失真对于用于诊断用的医学图像是不可接受的。 下面介绍几个在医学水印常见的名词 : （ 1）病灶区 病灶区指的是医学图像中包含了最重要病理信息的感兴趣区域（ ROI）。 在实际医疗活动中，病灶区直接决定了医生对病情的判断。 所以只要在加入水印的时候不改变病灶区的内容，将传统有损数字水印技术应用于医学图像就成为可能。 （ 2）数字医学成像及通信标准 在 1993 年，美国放射学会和美国电器制造商协会在 ACRNEMA 标准的基础上联合推出了医学数字成像与通信标准 [10]，简称 DICOM 标准。 就当前而言， DICOM是医学图像及其相关信息在计算机间传输的国际统一标准。 远程医疗是通过信息处理和通信技术提供异地间的信息储存和处理手段以及传送山东建筑大学毕业设计说明书 13 声音、图像、数据、图片等医疗活动。 目前在许多国家尤其是国外一些发达国家，远程医疗技术已广泛用于心脏、脑外、放射、精神病 、眼科、等多种医学专科的诊断治疗和疑难重病的专家会诊。 医学图像通 信系统是其中重要的组成部分。 医学数字成像和通讯标准 DICOM。