【正文】 水 印 的 嵌 入I D C T 變 換含 水 印 的圖 像 圖 DCT 變換的水印嵌入框圖 離散余弦變換的水印提取 設(shè)圖像 D 為已經(jīng)加載了水印的載體圖像，現(xiàn)要將所加載的水印從 D 中提取出來(lái) ,其過(guò)程為上述加載水印算法的逆運(yùn)算 ，圖 是水印提取的框圖： （ 1） 將 D 分解為 (M/8)(N/8)個(gè) 88 大小的方塊 BD； （ 2） 對(duì)每一個(gè) BD 進(jìn)行二維 DFT 變換 ： DBD=DCT(BD)； （ 3） 提取數(shù)據(jù)對(duì)每一個(gè) DBD，按照式 V’=1/ADBD得到 V’； （ 4） 將上面得到的所有 V’合并成一個(gè)水印整圖 。而且低頻系數(shù)通常具有較大的值，信息嵌入后對(duì)圖像的影響小，有利于保證水印的不可見(jiàn)性。而 AC 分量又由 3山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 部分組成，即低頻部分、中頻部分、高頻部分。酉變化是線(xiàn)性變化的一種特殊形式，其基本線(xiàn)性運(yùn)算式是嚴(yán)格可逆的，并且滿(mǎn)足一定的正交條件。該算法是通過(guò)對(duì)選定的 DCT 系數(shù)進(jìn)行微小變換以滿(mǎn)足特定的關(guān)系，以此來(lái)表示一個(gè)比特的信息。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)。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 醫(yī)學(xué)水印所要研究的主要問(wèn)題 總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)醫(yī)學(xué)水印的研究現(xiàn)狀，可以看出數(shù)字醫(yī)學(xué)水印技術(shù)的研究尚處于初級(jí)階段，其中還有很多問(wèn)題尚待研究，這些問(wèn)題主要包括 : （ 1） 如何增加隱藏信息的容量，這樣可 以把較多的病人個(gè)人信息和醫(yī)生的診斷信息隱藏在醫(yī)學(xué)圖像中。 （ 3） 病患信息的隱蔽性 將隱私信息和診療信息嵌入到圖像當(dāng)中，不但節(jié)省了帶寬，隱蔽信息也不容易被截獲而泄露，加強(qiáng)了傳輸過(guò)程的安全性和隱蔽性，而且實(shí)現(xiàn)了患者信息，診療信息與圖像的永久性綁定，能保持診斷數(shù)據(jù)的一致性。 （ 4） 參考水印 參考水印指的是用于進(jìn)行完整性認(rèn) 證的水印。 數(shù)字水印在醫(yī)學(xué)中的分類(lèi) 為了加強(qiáng)醫(yī)療信息的機(jī)密性保護(hù)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的有效管理、真實(shí)性認(rèn)證以及醫(yī)學(xué)圖像檢索，按在醫(yī)學(xué)圖像中實(shí)現(xiàn)的不同功能，可將水印分為以下幾類(lèi)。目前在許多國(guó)家尤其是國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)已廣泛用于心臟、腦外、放射、精神病 、眼科、等多種醫(yī)學(xué)專(zhuān)科的診斷治療和疑難重病的專(zhuān)家會(huì)診。 數(shù)字水印技術(shù)是把水印信息（如認(rèn)證信息或其他任意信息）直接嵌入在圖像（或其他信號(hào)）中，在水印信號(hào)嵌入過(guò)程中，不可避免的會(huì)引起原始圖像的失真。 醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn) 如果水印技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像上，提取水印信息后不能獲得原始圖像，這在法律上是會(huì)產(chǎn)生糾紛的。 表 基于誤差的失真度量方法 均方差 MNIIM S E nmnm nm /)39。前面介紹了對(duì)數(shù)字水印的四類(lèi)攻擊，但它們之間的界限有時(shí)是很模糊的，對(duì)有些攻擊方法并不能明確地將其歸于哪一類(lèi)。 穩(wěn) 健性攻擊中常見(jiàn)的另一種攻擊稱(chēng)為合謀攻擊，這種攻擊方法利用同一數(shù)字產(chǎn)品的幾個(gè)帶有不同水印信號(hào)的版本，采用統(tǒng)計(jì)平均等方法生成一個(gè)近似的集合，以此來(lái)逼近和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生出一個(gè)檢測(cè)不出水印信號(hào)的數(shù)字產(chǎn)品。但在水印嵌入之前，為了提高系統(tǒng)的魯棒性、保密性和自適應(yīng)性，一般會(huì)對(duì)原始水印先進(jìn)行預(yù)處理，即通過(guò) 適當(dāng)?shù)淖儞Q后才作為待嵌入水印信號(hào)，其一般模型如圖 所示。 ③ 按水印的檢測(cè)劃分 按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為非盲水印、半盲水印和盲水印。 （ 3）數(shù)字水印的分類(lèi) 數(shù)字水印的分類(lèi)可以從不同的角度進(jìn)行，比較常見(jiàn)的有以下幾種： 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 ① 按水印的感知特性劃分 對(duì)視頻或靜態(tài)圖像而言，感知性也就是可見(jiàn)性，水印的可見(jiàn)性決定它是可見(jiàn)水印還是不可見(jiàn)水印。比如 當(dāng)希望產(chǎn)生脆弱水印時(shí)，甚至都不要求魯棒性的。 ① 不可感知性 不可感知性也可稱(chēng)作透明性，是衡量信號(hào)在被處理前后的相似性。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 2醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字水印技術(shù)概論 數(shù)字水印的概述 （ 1）數(shù)字水印的定義 數(shù)字水印技術(shù)就是指將秘密信息嵌入進(jìn)作為載體對(duì)象 的多媒體作品中，其中的載體圖像可以是圖像、音頻等不同形式，嵌入水印可以為數(shù)字產(chǎn)品提供版權(quán)歸屬信息或產(chǎn)品是否真實(shí)的證明，數(shù)字水印的嵌入不會(huì)影響原產(chǎn)品的使用價(jià)值，且不易為人的感知系統(tǒng)（視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等）所察覺(jué)。利用小波變換的多分辨特性，嵌入的水印在不同分辨層上具有不同的魯棒性和視覺(jué)特性。 [7]提出了兩種 DFT 域的水印算法。 Wong[5,6]等人提出了一種基于分塊的脆弱水印認(rèn)證算法，算法的主要思想 是把圖像分割為各個(gè)獨(dú)立的小塊，然后分別在各小塊上嵌入各自的水印，該類(lèi)分塊獨(dú)立算法的缺點(diǎn)是不能抵抗偽造真實(shí)圖像的量化攻擊，其原因在于各個(gè)分塊是獨(dú)立的。另外一個(gè)常用方法是利用像素的統(tǒng)計(jì)特征將信息嵌入像素的亮度值中， Patchwork 算法就是隨機(jī)選擇 N 對(duì)像素點(diǎn) (a， b)后將每個(gè) a 點(diǎn)的亮度值加 I，每個(gè) b 點(diǎn)的亮度值減 1，這樣整個(gè)圖像 的平均亮度保持不變。 90 年代中期，采用通信理論模型，將原始圖像和有意無(wú)意的攻擊看作噪聲，特別是將擴(kuò)頻通信理論引入后，水印的魯棒性大大提高，隨后提出結(jié)合感知模型、白適應(yīng)的魯棒水印算法，在此基礎(chǔ)上，提出了更精確的信息隱藏水印模型。國(guó)內(nèi)許多高等學(xué)府和科研院所都開(kāi)始了這項(xiàng)技術(shù)的研究，如中國(guó)科學(xué)院，清華大學(xué)，北京大學(xué)，國(guó)防科技大學(xué)，北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所等單位，對(duì)數(shù)字水印的研究提出了許多獨(dú)到的見(jiàn)解，在理論上也取得了不少 可喜的成果。 Van Schyndelp[2]在 1994 年國(guó)際圖像處理會(huì)議 (ICIP’94)上發(fā)表的題為“ A digital watermark”一文，是第一篇在重要國(guó)際會(huì)議上發(fā)表的關(guān)于數(shù)字水印的文章，具有里程碑的歷史意義。對(duì)于普通的消息，由于網(wǎng)絡(luò)的低層采用糾錯(cuò)編碼的方法處理數(shù)據(jù)，信道可被 看成是無(wú)噪聲的，數(shù)字簽名的方法是非常有效的：但是對(duì)于圖像數(shù)據(jù)而言，由于其本身含有很多冗余信息，只要不影響到圖像的內(nèi)容或視覺(jué)效果，在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換或者經(jīng)過(guò)一些無(wú)害的處理操作，如壓縮、濾波、去噪、對(duì)比度增強(qiáng)等，是可以接受的。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像保存、分發(fā) 介質(zhì)已由膠片轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像光盤(pán)、磁盤(pán)。 本文結(jié)合現(xiàn)有的經(jīng)典水印算法，從離散余弦變換（ DCT）這種常用的數(shù)學(xué)變換入手進(jìn)行了研究。本文主要對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的版權(quán)保護(hù)方面進(jìn)行了研究。 迅猛發(fā)展的數(shù)字化技術(shù)也正在廣泛的滲透到醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域中，采用 X 光斷層掃描技術(shù) (CT)和磁共振成像技術(shù) (MRI)進(jìn)行診斷己成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷不可或缺的有效輔助手段。只能給出認(rèn)證是否通過(guò)的結(jié)果，不能指出具體的篡改位置和程度，更不能完成對(duì)己篡改圖像的恢復(fù)；另外數(shù)字簽名的密文在傳輸中不允許任何改動(dòng)，因 為密文即使是相差 1 比特也會(huì)使解密后的數(shù)據(jù)面目全非，所以使用數(shù)字簽名的前提是信道沒(méi)有噪聲。后來(lái)二詞合二為一就成為“ Watermark”。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 3 數(shù)字水印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究起步稍晚，但這一領(lǐng)域同樣也引起了許多科研人員的濃厚興趣。 數(shù)字水印的基礎(chǔ)研究主 要集中在魯棒水印算法、水印容量等方面。但是由于使用了圖像不重要的比特位，算法的魯棒性差，水印信息很容易被濾波、圖像量化、幾何變形等操作破壞。在空域嵌入算法中，常用的統(tǒng)計(jì)量包括平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差和直方圖等 。為了同時(shí)滿(mǎn)足水印的不可見(jiàn)性和魯棒性，在圖像中 DFT 系數(shù)的幅值上嵌入水印的算法通常情況下都是選擇中頻系數(shù)來(lái)嵌入水印。 類(lèi)似的水印技術(shù)還被引入到離散小波變換 (DWT)域中。 第四章 ，對(duì)整篇論文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)。 （ 2）數(shù)字水印的基本特性 數(shù)字水印有很多特性，但不同的應(yīng)用對(duì)數(shù)字水印的要求是不完全一樣的，一般認(rèn)為數(shù)字水印應(yīng)該具 有下面的特性。 對(duì)于數(shù)字水印魯棒性要求的強(qiáng)弱程度是因需求而異的，在很多情況下，數(shù)字水印只需要對(duì)于可能存在的處理操作保持有穩(wěn)健性就可以了。 其中，不可感知性、魯棒性和容量三者是互相制約的，到目前為止，沒(méi)有哪種算法能夠使三者都達(dá)到最優(yōu)，現(xiàn)在的水印嵌入算法都是根據(jù)具體問(wèn)題的需要在這三者中進(jìn)行折中。穩(wěn)健水印對(duì)常見(jiàn)的各種處理操作都具備魯棒性，相比前兩種水印而言，它的應(yīng)用更廣泛，主要應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)等應(yīng)用中。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 數(shù)字水印系統(tǒng)的基本模型 一個(gè)完整的數(shù)字水印系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是水印的嵌入，另一部分是水印的提取。另一種穩(wěn)健性攻擊是在加有水印的數(shù)據(jù)中簡(jiǎn)單地加入另一個(gè)水印，利用第二個(gè)水印覆蓋的方法來(lái)消除第一個(gè)水印，這種操作幾乎不會(huì)使原始數(shù)據(jù)降低品質(zhì)。 （ 4） 合法性攻擊 合法性攻擊是指攻擊者利用法律條款中的一些漏洞以達(dá)到其攻擊目的。,nmI 分別表示原始圖像和測(cè)試圖像的像素。這是醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字水印的基本應(yīng)用和初始的想法。由此不難看出，無(wú)論從法律上還是從經(jīng)濟(jì) 成本上考慮，任何可能對(duì)醫(yī)學(xué)圖像造成損失的操作都是不可取的。 遠(yuǎn)程醫(yī)療是通過(guò)信息處理和通信技術(shù)提供異地間的信息儲(chǔ)存和處理手段以及傳送山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 聲音、圖像、數(shù)據(jù)、圖片等醫(yī)療活動(dòng)。 （ 3） 影像存檔與通信系統(tǒng) 影像存檔與通信系統(tǒng)（ PACS,Piture Archiving and Communication System）是醫(yī)學(xué)圖像信息管理的重要組成部分，它對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的采集、顯示、儲(chǔ)存、交換和輸出進(jìn)行數(shù)字化處理、數(shù)字化存檔管理和傳輸，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)圖像在醫(yī)院內(nèi)外的告訴傳遞和分發(fā)，使醫(yī)生或患者隨時(shí)隨地都能獲取需要的醫(yī)學(xué)圖像，有助于實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)共享，促進(jìn)醫(yī)院信息化和現(xiàn)代化發(fā)展。索引信息包括從診療報(bào)告中提山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 取的關(guān)鍵字和圖像特征信息。如果能把這些數(shù)據(jù)嵌入到圖像本身，就能確保在同時(shí)處理圖像和歷史記錄過(guò)程中不會(huì)發(fā)生差錯(cuò)。例如，當(dāng)發(fā)生醫(yī)療糾紛時(shí)，圖像數(shù)據(jù)是否被篡改，可以由嵌入在圖像中用于完整性認(rèn)證的水印信號(hào)來(lái)證明。 隨著傅里葉變換（ DFT）、離散余弦變換（ DCT）、小波變換（ DWT）等被廣泛應(yīng)用于圖像的有損壓縮中，許多魯棒性水印的算法采用了變換域算法，從而極大地提高了魯棒性。另一種 DCT 數(shù)字水印算法是首先把圖像分成 88 的不重疊像素塊，在經(jīng)過(guò)分塊 DCT 變換后，即得到由 DCT 系數(shù)組成的頻率塊，然后隨機(jī)選取一些頻率塊，將水印信號(hào)嵌入到由密鑰控制選擇的一些 DCT 系數(shù)中。11,0 ?????????? NvNu ????? 1 2/1)()( vcuc 1,1,0, 0o r 0 ???? ?? Nvu vu 　 離散余弦變換是圖像處理技術(shù)中幾種最基本的酉變換之一。 圖像經(jīng)二維 DCT 變換后 ，其系數(shù)可以分為一個(gè) DC 分量和一系列的 AC 分量，其中， DC 分量表示平均亮度， AC 分量集中了原圖像塊的主要能量。由于人眼對(duì)低頻信號(hào)非常敏感．在低頻加入過(guò)大的水印信息就不能保證水印的不可見(jiàn)性的要求，但只要選擇信息量較小，對(duì)低頻系數(shù)改變不大的水印信號(hào)即可。 （ 4）對(duì)以上得到的每一個(gè) DBC 進(jìn)行逆 DCT 變換： IDBC=IDCT(DBC)并將各方塊IDBC 合并為一個(gè)整圖 I’，即加載了水印的新圖像。 由于圖像大小是 512 512，水印圖像是 64 64，故每 8 個(gè)變換系數(shù)隱藏一位水印信息。 Wimage2=double(Wimage2)+noise0。 括號(hào)中的數(shù)字是剪切載體圖像的具體像素位置。在魯棒性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，該算法對(duì)于常見(jiàn)的噪聲攻擊算法具有一 定的魯棒性，但是抗噪聲能力較抗低通濾波能力較差。因?yàn)槠漭^高的實(shí)用價(jià)值，正逐漸被應(yīng)用到各個(gè)不同的領(lǐng)域中去。 （ 3） 此次論文是面向醫(yī)學(xué)圖像的 ，因此全面介紹了醫(yī)學(xué)圖像的特殊性，概括了醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn)，醫(yī)學(xué)圖像水印的分類(lèi)及其特點(diǎn)，使讀者能對(duì)醫(yī)學(xué)圖像水印有一個(gè)初步的了解，更好的理解本課題。張老師在學(xué)習(xí)和生活中都很仔細(xì)的教導(dǎo)我。感謝他們對(duì)我的無(wú)限關(guān)愛(ài)和鼓勵(lì)，謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給他們！ 祝愿母校山東建筑大學(xué)明天更輝煌！ 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 30 參考文獻(xiàn) [1] ,et al .Electronic watermark[J]. Digital image puting Technology and Applications,Macquarie University, 1: 666673, 1993. [2] Van Schyndel , Tirkel ,Osborne , “A digital watermark”[A]. IEEE Interrmtional Conference on Image Processing, 1994, , pp: 86—90. [3] 劉瑞禎 ,王蘊(yùn)紅 ,譚鐵牛 .基于圖像內(nèi)容的數(shù)字水印模型 [J]. 中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào) ,2020,6(6):558562. [4] 陳明奇 ,忸心析 ,楊義先 . 數(shù)字水印 的研究和應(yīng)用 [J]. 通信學(xué)報(bào) ,2020,22(5):7179. [5] Memon N, Wong P, “Secret and public key authentication watermarking schemes that resist vector quantization attack”[C], Proceedings of the SPIE International Conference on Security and Wat