面向医学图像版权和隐私保护的双水印方案_石慧.pdf

第 卷第期 年月辽宁师范大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（；）；辽宁省振兴人才计划项目（）；辽宁省教育厅科学研究项目（）；教育部产学合作协同育人项目（；）；辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目（辽教办 号）作者简介：石慧（），女，辽宁锦州人，辽宁师范大学副教授，博士 ：文章编号：（）：面向医学图像版权和隐私保护的双水印方案石慧，翁科，宋天然，冯泽晨（辽宁师范大学 计算机与信息技术学院，辽宁 大连 ）摘要：针对医学图像隐私泄露、非法拷贝和安全性低的问题，提出面向医学图像版权和隐私保护的双水印方案首先提出了一种新的编码方式 编码，将字母变换为矩阵，利用少量数据进行编码和扩展，将病人敏感信息加密，不仅实现了隐私保护，还实现零水印和鲁棒水印的关联；然后基于 编码、变换，变换，奇异值分解（）和 置乱，将鲁棒水印嵌入医学图像中；最后以嵌入鲁棒水印后的医学图像为载体，提取 特征，并结合 编码加密后的病人信息及指纹图像生成零水印，不同于传统零水印，提出的零水印方案不仅可以实现版权保护，还可以实现篡改检测本算法通过三重安全机制，加强对病人敏感信息和医学图像版权及隐私保护理论分析和仿真实验表明，该算法具有良好的不可见性、强鲁棒性和高安全性关键词：医学图像；零水印；鲁棒水印；版权与隐私保护；编码中图分类号：文献标识码：随着互联网技术的飞速发展，文本、音频、图片和视频等多媒体信息无处不在，然而，这些多媒体信息存在着被恶意传播和复制的问题，威胁了其隐私及版权安全数字水印技术作为一种有效的安全手段，在数字化作品的版权保护、篡改检测、电子证件及票据防伪等方面发挥了重要作用传统水印算法大多是单水印算法，存在着功能单一的问题，双水印技术得到了广泛关注 年，一种交互支持双水印算法被提出，该算法通过零水印的使用减少了双水印对原始图像视觉效果的影响，可以有效避免两种水印之间的干扰，且压缩感知理论的引入实现了两种水印之间的交互支持 年，一种结合 特征的多功能彩色图像双水印算法被提出，该算法采用 算子提取图像亮度分量的特征点构造出顽健零水印进行版权保护，并将图像子块奇异值范数异或运算产生的脆弱水印嵌入每个子块像素的最低有效位进行内容认证 年，等人提出了一种基于分数阶傅里叶变换的双水印算法，通过采用灰色关系分析方法、易阻塞法和分层嵌入法，将，序列映射到两个不同的随机序列中，实现了鲁棒水印过程 同年，等人提出了一种基于纠错码，离散小波变换和基于奇异值分解的双水印方案，该方案考虑种不同纠错码对文本水印进行编码，以增强文本数据的鲁棒性，通过改变水印强度，提高其抵抗各类信号处理攻击的能力 年，等人提出了一种基于提升小波变换（）和离散余弦变换（）的双水印方法，该算法对各种攻击具有足够的鲁棒性和安全性，且具有较好的不可见性 低频子带对比于高频子带来说，高频 辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷子带蕴含图像纹理信息，人眼对此更敏感，而低频子带蕴含的是图像强度，人眼不会那么敏感 年，等人提出了一种基于提升小波变换（）、离散余弦变换（）和奇异值分解（）的数字图像水印方法，该方法在水印图像的不可感知性和水印图像的鲁棒性方面具有良好的性能 同年，一种基于 密文域图像双水印算法被提出，该算法基于小波变换（）、分组密码算法和 同态密码设计了一个密文域双水印算法 该算法加解密速度快，水印的不可见性好 年，等人提出了一种新型双水印方案，在多媒体版权保护、完整性认证方面具有较好性能 同年，等人 提出了一种基于平稳小波变换和奇异值分解的优化彩色图像水印算法，该算法利用遗传算法求出嵌入过程的最优比例因子，在嵌入能力和时间复杂度上均取得较好的效果目前的双水印算法大多集中在自然图像，少有人将其应用在医学图像的版权保护上 随着疫情防控常态化，网络提供了更优网络能力同时，医学图像数据在安全传输上也面临着如隐私泄露、非法盗版和恶意篡改等问题，这将对医患双方的隐私及健康安全构成严重威胁，甚至带来医疗机构、国家安全方面的连锁反应针对此问题，本文提出了一种面向医学图像版权和隐私保护的双功能水印算法 编码器为保护病人隐私信息，本文设计了 编码器（），对病人信息进行编码 编码器将 个英文字母按照对称方式分为类进行编码，表给出了依据对称方式构造的字母编码表表字母编码表 对称分组（组号）字母编码上下对称（）：左右对称（）：中心对称（）：不对称（）：将字母编码扩展为字母矩阵，每行取编码的位扩展为位，扩展方式为对编码进行复写，得到大小的字母矩阵 以字母“”为例，首先取前两位，复写扩展为 ，再取第二、第三位，复写扩展为 ，以此类推，如图所示然后将病人信息以字母为单位排列，依次得到每个字母扩展后的矩阵，将所有字母矩阵相加求和，得到的 （）矩阵，并求出矩阵的均值 （）依次将矩阵的每个元素与比较，若，则为，反之为，（为矩阵 （）的元素）如式（）所示：（）第期石慧等：面向医学图像版权和隐私保护的双水印方案 图“”字母矩阵扩展举例 最后，将第一个字母的矩阵与下一个字母的矩阵依次异或，根据异或密钥得到信息编码以“”为例，将其转换为编码信息的操作如图所示图“”转化为编码信息 双水印算法本文面向医学图像隐私和版权保护，提出了基于鲁棒水印和零水印的双水印算法，实现了三重安全保护机制，即病人敏感信息利用新提出 编码器加密实现一重保护、含密指纹图像经过置乱嵌入鲁棒水印实现二重保护、零水印多级认证实现三重保护 整体流程如图所示鲁棒水印为提高鲁棒水印安全性，将病人敏感信息利用新提出的 编码进行加密，嵌入指纹图像，再将含密指纹图像置乱生成待嵌入鲁棒水印 本文将文献 进行优化与改进，实现一重鲁棒水印，具体流程如图所示图像预处理首先对医学图像进行小波变换，得到（低频）、（中频）、（中频）、（高频）子带，为了提高水印的鲁棒性，选择低频子带进行分块，再进行 变换，得到图像隐私保护为了实现隐私保护，利用新提出的 编码器对病人秘密信息进行编码，将 比特编码信息嵌入到大小为 的病人指纹图像中，得到嵌入信息后的指纹图像，具体嵌入方法如下：将病人指纹图像分为 （感兴趣区域）和 （非感兴趣区域）；辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷图整体流程图 图嵌入鲁棒水印流程图 第期石慧等：面向医学图像版权和隐私保护的双水印方案 在 将编码信息与原始像素相加，实现信息的嵌入；对 进行 置乱，如式（）式（）所示，（其中，是正方形图像的边长，（，）是像素点（，）变换后的坐标）得到置乱后的指纹图像，再将二维 转换为一维 ，即待嵌入鲁棒水印 （），（）（）（），（）（）（）.（）水印嵌入利用奇异值分解实现鲁棒水印嵌入，具体步骤如下 对预处理后的医学图像子块，取每个子块 变换后的首个频域值，组成矩阵；由式（）得到矩阵；.（）对进行奇异值分解（），按照式（）、式（）得到、，其中，是阶酉矩阵，是半正定阶对角矩阵，是的共轭转置，阶酉矩阵，（）.（）依据式（）将对角矩阵进行变换，得到新的对角矩阵是自定义系数（为保证数据更平滑，取值通常为），为随机生成的密钥；.（）用替换掉，依照式（）得到新的矩阵，中所有元素依次替换中每个子块的第一个像素值，成为新的分块图像；.（）最后对嵌入水印后的图像进行处理 对已经改变了首个像素值的子块进行逆 处理，得到已经嵌入了水印的医学图像低频子带，再对其进行逆处理，得到嵌入了鲁棒水印的医学图像 水印提取鲁棒水印、指纹图像和病人敏感信息的提取过程为嵌入的逆过程，信息提取和图像恢复的具体流程图如图所示 对含水印图像 进行 小波变换，得到（低频）、（中频）、（中频）、（高频）子带；对低频子带进行分块，再进行 变换，将变换后子块的首数据组成矩阵，进行奇异值分解，如式（）所示：，（）（）生成与嵌入时相同的随机数密钥，利用式（）和式（）产生的对角矩阵 替换式（）中的，并利用式（）进行计算，得到信息 （），（），（）.（）利用阈值机制，自定义阈值函数（），存在使通过阈值函数（）得到指纹图像 值，当 最大时就是满足当前条件的阈值，实验获得的取值范围为，；对 进行逆 变换再与原指纹图像比较得出编码信息，利用密钥 辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷图信息提取和图像恢复 得到 编码后的病人信息，根据 编码规则提取出病人信息.零水印零水印与鲁棒棒水印密切相关，零水印以含鲁棒水印图像为载体提取 特征，并将加密后的指纹图像、编码后病人信息以及含鲁棒水印医学图像的 特征信息相结合，将三者异或生成零水印用于版权认证，实现对医学图像的版权保护和篡改检测传统零水印只用于版权保护，本文提出的零水印方案以嵌入鲁棒水印后图像为载体，不仅可以实现版权保护，而且利用提取出的鲁棒水印与零水印还可以实现篡改检测具体流程如图所示图零水印构造与认证流程图 第期石慧等：面向医学图像版权和隐私保护的双水印方案 零水印的构造提取含鲁棒水印医学图像的 特征，将其与加密后的指纹图像、病人信息异或，并将得到的篡改检测序列放入版权保护中心，实现零水印的构造，具体步骤如下：对含鲁棒水印医学图像按照式（）式（）进行 特征提取，并二值化得到大小为 的二值矩阵（，）（，）（，），（）（，）（，）（，），（）（，）（，）（，），（）（，）（，）（，）.（）其中，（，），（，）分别表示图像中子块像素点（，）处的水平方向梯度、垂直方向梯度，（，）和（，）分别表示像素值的梯度幅值和梯度方向 将病人非敏感信息按照本文提出的 编码进行编码后得到编码矩阵，对其进行扩展至 ，得到病人信息二值矩阵以“”为例，将需要扩展的两个字母编码组号异或得到扩展字母的组号，组序进行加和取余防止溢出得到扩展字母的组序，为扩展字母组序的字母数，如图所示图扩展举例 将 加密后的指纹二值图像与 特征二值矩阵、病人信息二值矩阵三者进行异或运算，得到篡改检测序列，并放入版权保护中心用于版权认证零水印认证将由待检测图像提取的检测序列与从版权保护中心得到的检测序列进行运算，对比运算结果不仅可以实现图像版权的认证，还可以实现篡改检测，具体操作步骤如下 提取待检测含水印医学图像的 特征，并得到其 特征二值矩阵；利用提出的 编码将病人敏感信息进行编码后得到编码矩阵，对其进行扩展至 ，得到病人信息二值矩阵；将提取到的 特征二值矩阵与病人信息二值矩阵进行异或运算得到检测序列；将上面计算得到的检测序列与版权保护中心获得的检测序列按位异或，得到新的指纹图 辽宁师范大学学报（自然科学版）第 卷像；利用病人指纹图像实现版权保护；提取待检测图像的水印，经过逆置乱得到提取的指纹图像；对比零水印得到指纹图像 与鲁棒水印提取的指纹图像，实现篡改检测令 与按位相减，若结果为，则图像通过认证，可用于进一步的医疗诊断；若结果不为，则证明图像遭到篡改实验性能分析本文实验环境为 系统，平台 为了测试算法的性能，保证实验数据的有效性，本文基于 、数据集进行实验，每种图像选取两种不同部位图像，每组选用 张作为实验数据采集样本，实验数据均为平均值不可见性分析本文采用峰值信噪比（，）和结构相似性（，）作为客观评价指标衡量图像质量通常，大于 代表水印图像的质量很好 图展示了本文算法在自然图像上与文献 的 对比，本文算法 值均高于 ，达到了优秀的水平，由于本文算法在嵌入时数据更平滑，除个别图像如 ，图像略低于文献 和文献 ，本文算法的 值均高于文献 ；对比于同样在频域变换的文献 和文献 ，本文的不可见性更优秀；文献 使用 优化算法和加速鲁棒特征（）的平稳小波变换（）在高频系数区进行嵌入，本文选择在低频系数区进行嵌入的水印不可见性更好；本文算法对比于使用非频域变换的文献 ，文献 所提出的基于多 位替换算法的 平均在 左右，较本文的 差距较大；对于 而言，本文算法平均可达 以上，且对比相关文献 ，文献 ，除文献 与本文算法性能十分接近，其他算法均低于本文算法，所以本文算法具有更优秀的水印不可见性综合来看，与现有的其他相关算法对比，本文算法在水印不可见性上具有更优越的性能图本文与相关文献 和 对比 第期石慧等：面向医学图像版权和隐私保护的双水印方案 此外相对于在原始图像上做 分解，本文算法选择在小波变换