【正文】 IM180。 數(shù)字圖像可以看作二元函數(shù)在 離散網(wǎng)格點(diǎn)處的采樣值，圖像內(nèi)容通常覺有某種程度的自相關(guān)性，即圖像局部的內(nèi)容往往變換不大，所以，對數(shù)字圖像進(jìn)行離散余弦變換可以充分利用圖像的白相關(guān)性減少數(shù)據(jù)量，達(dá)到壓縮數(shù)字圖像的目的。其中， DCT 域圖像水印與國際壓縮標(biāo)準(zhǔn)更加兼容，而且算法簡單，魯棒性更強(qiáng)，因此本次設(shè)計(jì)選用 DCT 域算法。 （ 3）如何優(yōu)化嵌入水印的算法。嵌入到圖像中的水印信息被認(rèn)為是圖像的第三維特征。 數(shù)字水印在醫(yī)學(xué)中的用途 通過歸納總結(jié)文獻(xiàn)資料，關(guān)于數(shù)字水印在醫(yī)學(xué)圖像中的應(yīng)用研究主要集中在一下幾個(gè)方面。水印主要包括圖片所屬醫(yī)院、拍攝時(shí)間、患者信息以及主治醫(yī)生信息等等。 醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通訊標(biāo)準(zhǔn) DICOM 中詳細(xì)定義了醫(yī)學(xué)影像及其相關(guān)信息的組成格式和交換方法，利用這個(gè)協(xié)議，人們可以在影像設(shè)備上建立一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口來完成影像數(shù)據(jù)的輸入 /輸出工作。 下面介紹幾個(gè)在醫(yī)學(xué)水印常見的名詞 : （ 1）病灶區(qū) 病灶區(qū)指的是醫(yī)學(xué)圖像中包含了最重要病理信息的感興趣區(qū)域（ ROI）。 醫(yī)學(xué)圖像是醫(yī)生對患者的生理疾病信息獲取及診斷病情的一個(gè)重要依據(jù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)上對于用于診斷的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，往往不允許對醫(yī) 學(xué)數(shù)據(jù)作任何改動。(/lg (10 2., , ,2 nmnm nmnm nm IIIS NR ?? ?? 峰值信噪比 ))39。主觀評價(jià)的方法是召集一批實(shí)驗(yàn)觀察者，讓觀察者根據(jù)一些事先規(guī)定的評價(jià)尺度或者自己的經(jīng)驗(yàn)，對測試圖像按視覺效果提出質(zhì)量判斷，并給出質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按所有觀察者給出的分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均，所得的結(jié)果即為圖像的主觀質(zhì)量評價(jià)。最為典型的兩種表示攻擊是幾何變形攻擊和馬賽克攻擊。 原 始 水 印 水 印 生 成 算 法 待 嵌 入 水 印生 成 密 鑰 圖 水印生成的一般模型 水 印 嵌 入算 法嵌 入 密 鑰待 嵌 入 水 印載 體 作 品含 水 印 載 體 作品水 印 檢 測算 法水 印 信 息密 鑰原 始 載 體圖 像 圖 水印的嵌入和提取過程 數(shù)字水印的攻擊方法 數(shù)字水印技術(shù)作為數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和認(rèn)證的重要手段，必然會受到各種形式的攻擊，對數(shù)字水印系統(tǒng)的攻擊主要可分為以下幾類： （ 1） 穩(wěn)健性攻 擊 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 這類攻擊以減少或去除數(shù)字水印的存在為目的。一般來說，非盲水印的魯棒性，到存儲成本的限制，而盲水印技術(shù)更有實(shí)用性，尤其是面對大數(shù)據(jù)量的數(shù)字視頻信息，盲水印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更具有商業(yè)價(jià)值?？梢娝t是因?yàn)榍度氲乃?qiáng)度足夠大，能夠通過肉眼直接觀察出來的水印。解釋攻擊就是對數(shù)字水印的確定性攻擊的一個(gè)例子。對魯棒的或易損的不可見性水印來說，這是最基本的要求。水印的數(shù)據(jù)形式有多種，常見的是一維和二維，也可以是更高的維數(shù)，而具體的維數(shù)要由載體對象來確定，比如音頻可以嵌入一維的水印，靜止 圖像可以嵌入二維的水印，而動態(tài)圖像可以嵌入的水印可以是三維的。 本論文的研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu) 本課題就是針對當(dāng)前水印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)用于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字水印算法 ，并討論嵌入算法的性能。 在離散余弦變換（ DCT）水印算法中，數(shù)字載體首先進(jìn)行 DCT 變換，該變換的對象可以是整個(gè)載體 (如整幅圖像 )，也可以是載體的各個(gè)部分 (比如對圖像進(jìn)行分塊，塊的大小一般為 88 或者 1616)。由于許多脆弱性水印系統(tǒng)要求能夠抵抗有損壓縮，這在變換域中更容易實(shí)現(xiàn)。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然后對每一個(gè)圖像塊進(jìn)行嵌入操作。在不同算法中，水印容量分析相當(dāng)重要，因?yàn)檫@是應(yīng)用中首先需要明確的問題，目前結(jié)合信息論、通信理論。1999 年 12 月，中國信息安全領(lǐng)域召開了國內(nèi)第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會 (CIHW)， 2000 年 1 月，由國家“ 863”智能專家組和中科院自動化所模式識別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組織召開了數(shù)字水印學(xué)術(shù)研討會，與會專家學(xué)者和研究人員深入討論了數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)，報(bào)告了各自的研究成果。 1996 年 5 月，在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆信息隱藏技術(shù)國際研討會 (International Information Hiding Workshop,IIHW)，接著 lEEE ICLP(Intgmational Conferenceon Image Processing)、 IEEE ICASSP(Intemational Conference On Acoustics,Speech and Signa|Processing)、 IEEE Transactions on ImagesProcessing,IEEEComputerGraphics and Its Application 等許多國際重要期刊都發(fā)表了大量的有關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的論文。 如果在存儲和傳輸過程中保證不被壓縮以及其它處理，雖然能夠認(rèn)證成功，但這山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 顯然會造成數(shù)據(jù)量過于巨大，影響存儲器和網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。這標(biāo)志著通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷的數(shù)字化醫(yī)療時(shí)代已經(jīng)到來。 實(shí) 驗(yàn) 證明，該算法滿足水印系統(tǒng)的要求。因此，醫(yī)療影像及數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中同樣會遭遇篡改、非法復(fù)制、版權(quán)保護(hù)等信息安全問題。由于數(shù)字媒體很容易在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中被復(fù)制、處理、傳播和公開，如何防止數(shù)字產(chǎn)品被侵權(quán)、盜版和隨意篡改以成為當(dāng)前亟待解決的問題。 目前在多媒 體信息安全中常用的技術(shù)是數(shù)字簽名，它利用加密技術(shù)，是一種傳統(tǒng)的認(rèn)證及完整性保護(hù)方法。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1993 年，澳大利亞的 [1]等所撰寫的“ Electronic Water Mark”一文首次使用了“ Water Mark ”這一術(shù)語。其中美國 Digimarc 公司于 1995 年就推出了具有專利權(quán)的水印制作技術(shù)，它是世界上第一個(gè)商用數(shù)字水印軟件，并在 和 中 得到應(yīng)用。從目前的發(fā)展來看，我國相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究與世界水平處在同一階段，而且部分己推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，如成都宇飛信息公司推出“宇飛數(shù)字水印印刷應(yīng)用技術(shù)”和上海阿須數(shù)碼技術(shù)有限公司研制的“數(shù)字印章技術(shù)”等。 （ 1）空域算法： 該類算法通常包括基于像素的水印和基于分塊的水印兩類。從而達(dá)到盲檢測的目的。且可利用變換后的相位信息嵌入水印。而載體的高頻信息是人類感知系統(tǒng)不敏感的信息，通常被壓縮技術(shù)所剔除，故若在該頻帶 中嵌入水印信息，水印的魯棒性較差。 第二章 ，數(shù)字水印系統(tǒng)的基本理論和醫(yī)學(xué)數(shù)字水印技術(shù)的基本介紹，本章主要概述了數(shù)字水印的基本原理和醫(yī)學(xué)水印的基本內(nèi)容。從通信原理方面分析，載體相當(dāng)于一個(gè)寬帶信道，而水印則是一個(gè)窄帶信號，嵌入過程就是信號在信道傳輸?shù)倪^程 [8]。 ② 魯棒性 數(shù)字水印的魯棒性主要是指含水印的數(shù)據(jù)在接受了一些無意或者刻意的處理后，包含的水印依舊保持完整且可以被準(zhǔn)確識別，換句話說就是具有魯棒性的水印是不能被輕易刪除活著修改的。 ⑤ 容量 水印容量是指在載體不發(fā)生形變的情況下，單位時(shí)間內(nèi)或一個(gè)作品中最多可以嵌入水印信息的量。脆弱水印對任何變換或處理操作都非常敏感，主要用于完整性認(rèn)證等應(yīng)用中。變換域水印主要是利用變換域系數(shù)的改變來隱藏水印信息的 ，較為常見的有 DCT 變換、小波變換、傅里葉變換等，相對空間域水印而言，變換域水印的優(yōu)點(diǎn)在于擁有更大的水印容量和更好的不感知性。攻擊方法包括濾波、壓縮、添加噪聲、圖像量化等。此類攻擊通常通過偽造水印來產(chǎn)生假的原始數(shù)據(jù)或假的水印數(shù)據(jù)，從而制造混亂，使得最早嵌入的原始水印不能和偽造的水印被清楚地區(qū)分開來，引起對水印權(quán)限的懷疑?？陀^評價(jià)方法是用被測圖像偏離原始圖像的誤差來衡量被測圖像的質(zhì)量，其思想來源于數(shù)據(jù)傳輸過程中均方信噪比的思想 度量指標(biāo)中比較經(jīng)典的指標(biāo)是基于誤差的，表 列出了一些常用的基于誤差的失真度量方法，包括了均方差（ MSE)、信噪比（ SNR)、峰值信噪比（ PSNR）、圖像保真度（ IF）、歸一化系數(shù)（ NC）。 醫(yī)學(xué)數(shù)字水印的概念 隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療的日益普及，醫(yī)學(xué)圖像在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸也變得非常方便，但這里就存在一個(gè)重要問題，即如何保護(hù)病人的個(gè)人隱私不被泄露。另外，醫(yī)學(xué)圖像的獲取往往代價(jià)相當(dāng)高，臨床上普通的一次 CT、 MRI、 PET 的檢查都要不菲的費(fèi)用，這些設(shè)備的成本都十分昂貴。 （ 2）數(shù)字醫(yī)學(xué)成像及通信標(biāo)準(zhǔn) 在 1993 年，美國放射學(xué)會和美國電器制造商協(xié)會在 ACRNEMA 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上聯(lián)合推出了醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信標(biāo)準(zhǔn) [10]，簡稱 DICOM 標(biāo)準(zhǔn)。 DICOM 標(biāo)準(zhǔn)對醫(yī)學(xué)圖像的安全保護(hù)進(jìn)行了全面的規(guī)定。將診療報(bào)告嵌入到相應(yīng)圖像中，實(shí)現(xiàn)了診療報(bào)告與圖像的永久性綁定，保持了數(shù)據(jù)的一致性，防止圖像和診療報(bào)告的錯(cuò)亂現(xiàn)象?；跀?shù)字水印技術(shù)的醫(yī)學(xué)圖像完整性控制是發(fā)展較為成熟的一個(gè)領(lǐng)域。 （ 5） 法律憑證 數(shù)字水印可以作為最終的安全性證明。由于 LSB方法是通過調(diào)整原始數(shù)據(jù)的最低位來隱藏信息，所以一般用戶對于隱藏的信息在視覺上很難察覺。選擇在中頻分量編碼是因?yàn)樵诟哳l編碼易于被各種信號處 理方法所破壞，而在低頻編碼則由于人的視覺對低頻分量很敏感，對低頻分量的改變易于被察覺。 1,...,1,0 ?? N? ?)(uc?????MM21 12,10 ?????? Muu ??????NNvc21)( 12,10 ?????? Nvv 在二維離散余弦變換， x、 y 為空間域采樣值。若要 求高壓縮比，則方塊應(yīng)選擇大一些；若減小運(yùn)算的復(fù)雜程度，則要求方塊小一些。但是，這些算法可以嵌入較多的數(shù)據(jù)，對視覺影響較小，隱蔽性較好，嵌入水印信號較健壯。 離散余弦變換的水印嵌入 數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進(jìn)行 88 的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的 DCT 變換域中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。 k2=randn(1,8)。 在此次論文的程序中，代表把載體 圖片分成 8 8 像素塊進(jìn)行 dct2 變換。 選用的濾波攻擊是高斯低通濾波，窗口選擇為 3 3,， 是濾波參數(shù) ?。 表 不同位置的剪切攻擊后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 剪切過的圖像 提取的水印 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 （ 4） 旋轉(zhuǎn)攻擊 表 是經(jīng)過 90 度和 180 度旋轉(zhuǎn)后的圖像以及提取的水印圖像 圖 不同角度的旋轉(zhuǎn)攻擊后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 旋轉(zhuǎn) 角度 180 度 90 度 旋轉(zhuǎn)過的圖像 提取的水印 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析 從實(shí)驗(yàn)的效果圖可以看出，該算法在嵌入強(qiáng)度為 10 的情況下可以達(dá)到水印不可見的要求。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明該水印嵌入算法可以在嵌入強(qiáng)度為基本不可見的情況下對一些通常的水印攻擊具有一定的魯棒性。通過以上工作，對圖像數(shù)字水印有了較深入的理解和認(rèn)識，對國內(nèi)外最新相關(guān)研究動態(tài)有了較全面的了解。 （ 3） 本文研究離散余弦變換雖然有運(yùn)算速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但對一些抗攻擊能力不全面，所以研究開發(fā)更實(shí)用全面的算法，實(shí)現(xiàn)水印的抗攻擊能力全面且較強(qiáng)，是未來研究的重中之重。也是由于你們的幫助，使我在各方面都有了進(jìn)步，也讓我感覺到了團(tuán)結(jié)的力量。當(dāng)我在課題研究上遇到困難時(shí)，張老師總是不厭其煩的給我講解種種的問題，并一直鼓勵(lì)我，幫助我拓寬思路和研究內(nèi)容。同時(shí)，還介紹了一些在實(shí)驗(yàn)過程中的重點(diǎn)程序，便于讀者理解。 本文的圖像數(shù)字水印以醫(yī)學(xué)圖像為載體，水印為二值圖像，有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。噪聲強(qiáng)度越大，對相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果影響就越強(qiáng)；而低通濾波對于兩個(gè)隨機(jī)序列的改變是相同的，低通濾波的系數(shù)越大，只是相當(dāng)于將水印強(qiáng)度變小，即相當(dāng)于隨機(jī)序列的值變小，因此也會影響相關(guān)運(yùn)算，但是由于改變對兩個(gè)隨機(jī)序列是相同的，因此算法表現(xiàn)了良好的抗低通濾波攻擊的能力。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 (a) (b) (c) 圖 (a) 水印圖像 (b) 原始圖像 (c) 嵌入水印的圖像 魯棒性測試實(shí)驗(yàn) （ 1） 白噪聲攻擊 表 是在不同的白噪聲強(qiáng)度下，得出的不同數(shù)值的圖像信噪比 PSNR、歸一化系數(shù) NC 以及提取的水印圖像，白噪聲的均值取 0，方差為噪聲強(qiáng)度。 (5) 濾波攻擊 H=fspecial(39。水印信息的 0 和 l 將分別由兩個(gè)不同的 8 位隨機(jī)序列 kl， k2 來代替。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 合 并 分 塊 的 水 印得 到 完 整 的 圖 像含 水 印 的 圖 像8 8分 塊 處 理D C T變 換提 取 每 塊 的水 印 信 息 圖 DCT 變換的水印嵌入框圖 主要 Matlab函數(shù) (1) rgb2gray: I = rgb2gray(I) 功能： 將 真彩色 RGB 圖像轉(zhuǎn)換成 灰度圖像 （ RGB 并不發(fā)生變化） 。 （ 2) 直流系數(shù)代表了塊的