【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 任何改動(dòng)。這反映在醫(yī)生對(duì)待用于醫(yī)學(xué)圖像的有損壓縮算法的態(tài)度上。盡管從一般意義上不難看出，圖像的有損壓縮可以大量節(jié)省圖像的存儲(chǔ)空間，且解壓后的圖像與原始圖像從視覺(jué)上看不出有什么差別，但是由于目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量圖像質(zhì)量的損失對(duì)于醫(yī)生判別圖像的影響，一旦出現(xiàn)誤診，很容易引起法律糾紛。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。這與普通的數(shù)碼相機(jī)獲取的數(shù)字圖像所需的代價(jià)形成迥然的對(duì)比。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。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。這種失真對(duì)于用于診斷用的醫(yī)學(xué)圖像是不可接受的。下面介紹幾個(gè)在醫(yī)學(xué)水印常見(jiàn)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）。在實(shí)際醫(yī)療活動(dòng)中，病灶區(qū)直接決定了醫(yī)生對(duì)病情的判斷。所以只要在加入水印的時(shí)候不改變病灶區(qū)的內(nèi)容，將傳統(tǒng)有損數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像就成為可能。（2）數(shù)字醫(yī)學(xué)成像及通信標(biāo)準(zhǔn)在1993年，美國(guó)放射學(xué)會(huì)和美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)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(jiǎn)稱DICOM 標(biāo)準(zhǔn)。就當(dāng)前而言，DICOM是醫(yī)學(xué)圖像及其相關(guān)信息在計(jì)算機(jī)間傳輸?shù)膰?guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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聲音、圖像、數(shù)據(jù)、圖片等醫(yī)療活動(dòng)。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)?？频脑\斷治療和疑難重病的專家會(huì)診。醫(yī)學(xué)圖像通信系統(tǒng)是其中重要的組成部分。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(lái)完成影像數(shù)據(jù)的輸入/輸出工作。數(shù)字醫(yī)學(xué)成像及通信的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于病人隱私的保護(hù)是通過(guò)“基本應(yīng)用程序級(jí)機(jī)密概要”進(jìn)行保護(hù)的。該摘要分為去標(biāo)識(shí)符和恢復(fù)標(biāo)識(shí)符兩部分。DICOM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的安全保護(hù)進(jìn)行了全面的規(guī)定。DICOM標(biāo)準(zhǔn)的制定，為PACS的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。（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。 數(shù)字水印在醫(yī)學(xué)中的分類為了加強(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。（1） 認(rèn)證水印認(rèn)證水印的主要功能是用來(lái)進(jìn)行真實(shí)性認(rèn)證，確保圖像來(lái)源可靠。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。（2） 詮釋水印 詮釋水印主要目的是講醫(yī)生的診療報(bào)告信息嵌入到圖像中。每一份診療報(bào)告都是來(lái)之不易的，特別是有的診療報(bào)告是專家會(huì)診的成果。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。（3） 索引水印索引水印的引入可實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字水印的圖像檢索。索引信息包括從診療報(bào)告中提取的關(guān)鍵字和圖像特征信息。（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。在原始圖像中嵌入?yún)⒖妓?，通過(guò)提取、認(rèn)證圖像中的水印信息，確保醫(yī)學(xué)圖像的完整性認(rèn)證得以實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字水印在醫(yī)學(xué)中的用途通過(guò)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。（1） 醫(yī)學(xué)圖像的完整性控制如果病人的電子病歷分發(fā)到各處，經(jīng)過(guò)不同的服務(wù)，進(jìn)行各種治療，文件會(huì)發(fā)生不同的變化，因而需要有一種機(jī)制來(lái)確保原始圖像的完整性。數(shù)字水印技術(shù)非常適合于對(duì)圖像進(jìn)行完整性認(rèn)證?；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。（2） 認(rèn)證和追蹤醫(yī)學(xué)圖像通常要經(jīng)過(guò)各科醫(yī)生不同的處理和附言，這些內(nèi)容與病人的一些其他的檢車數(shù)據(jù)，通常都記錄在附著在圖像的文檔里。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)。（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） 醫(yī)學(xué)圖像檢索基于數(shù)字水印的圖像檢索實(shí)際上是變形的文本檢索系統(tǒng)。嵌入到圖像中的水印信息被認(rèn)為是圖像的第三維特征。當(dāng)用戶提出檢索請(qǐng)求的時(shí)候，服務(wù)器通過(guò)提取圖像中的水印信息與用戶請(qǐng)求信息進(jìn)行比較判斷。為了達(dá)到比較好的檢索效率，設(shè)計(jì)這類數(shù)字水印時(shí)，要考慮到水印提取的速度。（5） 法律憑證 數(shù)字水印可以作為最終的安全性證明。利用易碎水印，能夠?qū)Υ鄹倪M(jìn)行定位。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。 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。（2）如何增加醫(yī)學(xué)圖像的魯棒性，使得隱藏的水印不僅對(duì)常規(guī)攻擊有較強(qiáng)的魯棒性，而且對(duì)幾何攻擊也有較強(qiáng)的魯棒性。（3）如何優(yōu)化嵌入水印的算法。 本章節(jié)主要介紹了數(shù)字水印系統(tǒng)的框架，組成，對(duì)水印的分類及攻擊方法作了介紹，同時(shí)還結(jié)合課題對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)字水印做了全面介紹。 3醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字水印算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)算法的選擇空間域算法主要是通過(guò)直接改變數(shù)字圖像的灰度值來(lái)加入數(shù)字水印，大多采用替換法，用秘密信息位替換載體圖像中的數(shù)據(jù)位，主要有LSB方法等。由于LSB方法是通過(guò)調(diào)整原始數(shù)據(jù)的最低位來(lái)隱藏信息，所以一般用戶對(duì)于隱藏的信息在視覺(jué)上很難察覺(jué)。雖然有較大的信息嵌入量，但因其基本原理限制，算法的魯棒性差，水印信息很容易被濾波、圖像量化、幾何變換的操作破壞。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。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)。此外，變換域更容易對(duì)圖像被篡改的特征進(jìn)行描繪，因此更多的算法采用在變換域中實(shí)現(xiàn)。其中，DCT域圖像水印與國(guó)際壓縮標(biāo)準(zhǔn)更加兼容，而且算法簡(jiǎn)單，魯棒性更強(qiáng)，因此本次設(shè)計(jì)選用DCT域算法。 離散余弦交換(DCT)離散余弦變換(Discrete Cosine Transform，DCT)是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中常用的線性變換技術(shù)之一，也是圖像壓縮中常用的變換編碼的方法之一。最早的基于分塊DCT的一種數(shù)字水印技術(shù)方案是由一個(gè)密鑰隨機(jī)地選擇圖像的一些分塊，在頻域的中頻上稍稍改變一個(gè)三元組以隱藏二進(jìn)制序列信息。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(hào)處理方法所破壞，而在低頻編碼則由于人的視覺(jué)對(duì)低頻分量很敏感，對(duì)低頻分量的改變易于被察覺(jué)。該數(shù)字水印算法對(duì)有損壓縮和低通濾波是穩(wěn)健的。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。該算法是通過(guò)對(duì)選定的DCT系數(shù)進(jìn)行微小變換以滿足特定的關(guān)系，以此來(lái)表示一個(gè)比特的信息。在水印信息提取時(shí)，則選取相同的DCT系數(shù)，并根據(jù)系數(shù)之間的關(guān)系抽取比特信息。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(jué)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(duì)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。同時(shí)，經(jīng)過(guò)離散余弦變換后，能量集中，且算法復(fù)雜度適中，易于在數(shù)字信號(hào)處理中快速實(shí)現(xiàn)。下面介紹一下DCT變換公式，在數(shù)字圖像處理中使用的是二維離散余弦變換，對(duì)一幅MN的圖像，其二維DCT變換為： () 其反變換為： () 其中：。 在二維離散余弦變換，x、y為空間域采樣值。通常，數(shù)字圖像用像素方陣表示，即M=N，在這種情況下，二維離散余弦的正反變換可簡(jiǎn)化為： ()反變換為： () 其中： 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。酉變化是線性變化的一種特殊形式，其基本線性運(yùn)算式是嚴(yán)格可逆的，并且滿足一定的正交條件。圖像的酉變換可以被理解為分解圖像數(shù)據(jù)為廣義的二維頻譜，變換域中每一分量對(duì)應(yīng)于原圖頻譜函數(shù)的能量。設(shè)IM180。N 為M180。N 的圖像矩陣則該圖像的二維DCT 變換可由下式表示： FDCT= ()其中： 其中 方案設(shè)計(jì) 在實(shí)際的圖像壓縮中，DCT變換的方塊尺寸(即MN的大小)的選擇與所要求的圖像質(zhì)量、壓縮比及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度有關(guān)。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。實(shí)際使用時(shí)通常折中取方塊大小為88，本章節(jié)中采用的就是88的DCT變換。 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。而AC分量又由3部分組成，即低頻部分、中頻部分、高頻部分。其中，能量主要集中于低頻系數(shù)中，中頻系數(shù)中聚集著圖像的一小部分能量，而高頻系數(shù)則聚集著更少的能量。在JPEG壓縮時(shí)，首先拋棄的就是AC分量中的高頻成分，因此，所有把水印信號(hào)嵌入中低頻部分的算法一般都具有較好的抗JPEG壓縮、抗縮放重采樣性。換句話說(shuō)，對(duì)一個(gè)圖像進(jìn)行DCT變換，如果把水印放在低頻部分，其魯棒性會(huì)比較好。當(dāng)然，基于DCT變換域的算法也都有頻域算法的缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜。但是，這些算法可以嵌入較多的數(shù)據(jù)，對(duì)視覺(jué)影響較小，隱蔽性較好，嵌入水印信號(hào)較健壯。 經(jīng)過(guò)上面的分析可知，在DCT變換域嵌入水印信息時(shí)，嵌入位置要考慮以下因素： （1）低頻系數(shù)集中了圖像信號(hào)的大部分能量，對(duì)圖像較為重要，因此在該位置嵌入水印具有足夠的魯棒性。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。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。 （2) 直流系數(shù)代表了塊的平均亮度，對(duì)直流系數(shù)的改變?nèi)菀滓饓K效應(yīng)，對(duì)圖像的主觀質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響；但DC系數(shù)振幅較大，較AC系數(shù)具有更大的感覺(jué)容量。 （3）根據(jù)人眼的特性。人眼對(duì)圖像上不同頻率具有不同靈敏度，對(duì)中頻響應(yīng)較高，而對(duì)高頻響應(yīng)較低。 本文擬采用對(duì)原始圖像進(jìn)行分塊DCT處理的方法，以增強(qiáng)水印系統(tǒng)的魯棒性和不可見(jiàn)性。 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。具體方法如下，：設(shè)I是MN大小的原始圖像，J是水印圖像大小為PQ，M和N分別是P和Q的偶數(shù)倍，把水印J加載到圖像I中，算法分以下幾步進(jìn)行：（1） 將I分解為(M/8)(N/8)個(gè)88大小的方塊B；同時(shí)，J也分解為 (M/8)(N/8)個(gè)(8P/M)(8Q/N)大小的方塊V；（2） 對(duì)每一個(gè)B進(jìn)行DFT變換：DB=DFT(B)；（3） 加載水印對(duì)每一個(gè)DB和V，s(i)為從DB的中頻選出的加載的位置 ， 1 ≤ i ≤ (8P/M)(8Q/N)， t(i)為水印V的位置坐標(biāo)，1 ≤ i ≤ (8P/M)(8Q/N)，DB’(s)=AV，其中A是加權(quán)系數(shù)，用DB’(s)來(lái)代替DB，得到加載水印后的圖像DBC。 （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。 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，：（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。 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）。本次設(shè)計(jì)是基于二維DCT變換，而RGB是三維圖像，因此需要將圖片灰度化才能進(jìn)行DCT變換，這也是此次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。下圖是一個(gè)rgb2gray的例子。 原始圖像