【正文】 也是由于你們的幫助，使我在各方面都有了進步，也讓我感覺到了團結(jié)的力量。當(dāng)我在課題研究上遇到困難時，張老師總是不厭其煩的給我講解種種的問題，并一直鼓勵我，幫助我拓寬思路和研究內(nèi)容。 （ 3） 本文研究離散余弦變換雖然有運算速度快，精度高等優(yōu)點，但對一些抗攻擊能力不全面，所以研究開發(fā)更實用全面的算法，實現(xiàn)水印的抗攻擊能力全面且較強，是未來研究的重中之重。同時，還介紹了一些在實驗過程中的重點程序，便于讀者理解。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。 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，有實際的應(yīng)用價值。經(jīng)過實驗證明該水印嵌入算法可以在嵌入強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。噪聲強度越大，對相關(guān)運算的結(jié)果影響就越強；而低通濾波對于兩個隨機序列的改變是相同的，低通濾波的系數(shù)越大，只是相當(dāng)于將水印強度變小，即相當(dāng)于隨機序列的值變小，因此也會影響相關(guān)運算，但是由于改變對兩個隨機序列是相同的，因此算法表現(xiàn)了良好的抗低通濾波攻擊的能力。 表 不同位置的剪切攻擊后的實驗結(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)攻擊后的實驗結(jié)果 旋轉(zhuǎn) 角度 180 度 90 度 旋轉(zhuǎn)過的圖像 提取的水印 實驗結(jié)論及分析 從實驗的效果圖可以看出，該算法在嵌入強度為 10 的情況下可以達到水印不可見的要求。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 23 (a) (b) (c) 圖 (a) 水印圖像 (b) 原始圖像 (c) 嵌入水印的圖像 魯棒性測試實驗 （ 1） 白噪聲攻擊 表 是在不同的白噪聲強度下，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，方差為噪聲強度。 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) ?。 (5) 濾波攻擊 H=fspecial(39。 在此次論文的程序中，代表把載體 圖片分成 8 8 像素塊進行 dct2 變換。水印信息的 0 和 l 將分別由兩個不同的 8 位隨機序列 kl， k2 來代替。 k2=randn(1,8)。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 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） 。 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，實現(xiàn)水印的嵌入。 （ 2) 直流系數(shù)代表了塊的平均亮度，對直流系數(shù)的改變?nèi)菀滓饓K效應(yīng)，對圖像的主觀質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響；但 DC 系數(shù)振幅較大，較 AC 系數(shù)具有更大的感覺容量。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。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。若要 求高壓縮比，則方塊應(yīng)選擇大一些；若減小運算的復(fù)雜程度，則要求方塊小一些。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應(yīng)于原圖頻譜函數(shù)的能量。 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。在水印信息提取時，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。選擇在中頻分量編碼是因為在高頻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。此外，變換域更容易對圖像被篡改的特征進行描繪，因 此更多的算法采用在變換域中實現(xiàn)。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。 （ 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常規(guī)攻擊有較強的魯棒性，而且對幾何攻擊也有較強的魯棒性。 （ 5） 法律憑證 數(shù)字水印可以作為最終的安全性證明。 （ 4） 醫(yī)學(xué)圖像檢索 基于數(shù)字水印的圖像檢索實際上是變形的文本檢索系統(tǒng)。基于數(shù)字水印技術(shù)的醫(yī)學(xué)圖像完整性控制是發(fā)展較為成熟的一個領(lǐng)域。在原始圖像中嵌入?yún)⒖妓?，通過提取、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)證得以實現(xiàn)。將診療報告嵌入到相應(yīng)圖像中，實現(xiàn)了診療報告與圖像的永久性綁定，保持了數(shù)據(jù)的一致性，防止圖像和診療報告的錯亂現(xiàn)象。 （ 1） 認(rèn)證水印 認(rèn)證水印的主 要功能是用來進行真實性認(rèn)證，確保圖像來源可靠。 DICOM 標(biāo)準(zhǔn)對醫(yī)學(xué)圖像的安全保護進行了全面的規(guī)定。醫(yī)學(xué)圖像通 信系統(tǒng)是其中重要的組成部分。 （ 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)。這種失真對于用于診斷用的醫(yī)學(xué)圖像是不可接受的。另外，醫(yī)學(xué)圖像的獲取往往代價相當(dāng)高，臨床上普通的一次 CT、 MRI、 PET 的檢查都要不菲的費用，這些設(shè)備的成本都十分昂貴。因此，水印技術(shù)要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像上，必須先解決由于嵌入水印引起的失真問題。 醫(yī)學(xué)數(shù)字水印的概念 隨著遠程醫(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，但這里就存在一個重要問題，即如何保護病人的個人隱私不被泄露。( 2, , ?? ? 信噪比 ))39?？陀^評價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）。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 11 數(shù)字水印系統(tǒng)的性能評估 傳統(tǒng)的圖像質(zhì)量的評價方法一般可以分為兩種：主觀評價和客觀評價。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。 （ 2） 表示攻擊 表示攻擊對圖像內(nèi)容進行修改，使水印的相關(guān)檢測失效或使得水印檢測者不能對水印信號進行提取及恢復(fù)，這類攻擊的特點是水印盡管還存在于原始數(shù)據(jù)中，但水印檢測過程已不能將其恢復(fù)或檢測到其存在。攻擊方法包括濾波、壓縮、添加噪聲、圖像量化等。水印的嵌入和提取一般過程則如圖 所示，其中虛線框內(nèi)“原始載體數(shù)據(jù)”體現(xiàn)了盲檢測和非盲檢測的區(qū)別。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)點在于擁有更大的水印容量和更好的不感知性。非盲水要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與；半盲水印則不需要原始數(shù)據(jù)，但需要原始水印來進行只需要密鑰，既不需要原始 數(shù)據(jù)，也不需要原始水印。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。不可見水印是最為常用的水印技術(shù)，它是通過利用人類視覺系統(tǒng)（ HVS）的特點，將水印隱藏在數(shù)據(jù)中，使得人們無法通過肉眼分辨出來。 ⑤ 容量 水印容量是指在載體不發(fā)生形變的情況下，單位時間內(nèi)或一個作品中最多可以嵌入水印信息的量。 ③ 確定性 數(shù)字水印所攜帶的信息必須能夠被唯一確定的鑒別，且提取應(yīng)該是容易的，即使遭到一定破壞，水印仍然能被鑒別，以判定數(shù)字作品的 真正所有者。 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。從水印是否可感知的角度來分，可以分為可見水印和不可見水印兩類，不同應(yīng)用場合對水印可見性的要求也不一樣，需要根據(jù)具體情況作出選擇。從通信原理方面分析，載體相當(dāng)于一個寬帶信道，而水印則是一個窄帶信號，嵌入過程就是信號在信道傳輸?shù)倪^程 [8]。其中的秘密信息就是水印信息，它可以是有實際意義的信息，如用戶序列、版權(quán)標(biāo)記等信息，但需要通過適當(dāng)變換才可以嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中，它也可以是無實際意義的二值序列，可以直接作為待嵌入水印信息。 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。較之 DCT 變換，小波變換具有更好的能量集中特性，其良好的時一頻分解特性更符合人類視覺系統(tǒng)的特點，因此被新一代的壓縮標(biāo)準(zhǔn)如 MPEG4 及． JPEG2020 所采用。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。一種算法是將水印嵌入到 DFT 系數(shù)的相位信息中，其依據(jù)是 Hayes 的結(jié)論“從圖像可理解性的角度，相位信息比 幅度信息更重要”；另外一種算法實現(xiàn)了水印的平移、旋轉(zhuǎn)和尺度拉伸不變性。且可利用變換后的相位信息嵌入水印。 （ 2）變換域算法： 隨著 DFT、 DCT、小波變換等被廣泛應(yīng)用于圖像的有損壓縮中，許多魯棒性水印的算法采用了 DCT 變換或小波變換，從而極大地提高了魯棒性。從而達到盲檢測的目的。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù)， Patchwork 方法對 JPF,6 壓縮、 FIR 濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。 （ 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。晟近，提出矢量量化的方法，預(yù)言能夠取得更加魯棒的算法。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。其中比較有代表性的有中國科學(xué)院研究所的劉瑞禎、譚鐵牛 [3]等 ,北京郵電大學(xué)的楊義先、忸心析 [4]等。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)，它是世界上第一個商用數(shù)字水印軟件，并在 和 中 得到應(yīng)用。作為一門數(shù)字時代的新興技術(shù)．?dāng)?shù)字水印激發(fā)了國內(nèi)外眾多知名學(xué)府、研究機構(gòu)和公司的極大興趣，比如美國麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、 IBM 研究所、朗訊貝爾實驗室、英國劍橋大學(xué)、日本 NEc 研究所、 NTT 信息與通信系統(tǒng)研究中心、 SONY 公司， PHILIPS 公司，美國版權(quán)工作組等眾多機構(gòu)，甚至美國財政部都投入 了相當(dāng)?shù)娜肆拓斄χ铝τ谠摷夹g(shù)的研究。 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。這樣的信道是有噪聲的，數(shù)字簽名的方法不能抵抗這些噪聲干擾，將導(dǎo)致圖像認(rèn)證失敗。 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)證及完整性保護方法。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)將所診斷的數(shù)字化影像傳向遠方將成可能。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。本文 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)過分塊 DCT 變換后，即得到由 DCT 系數(shù)組成的頻率塊，然后隨機選取一些頻率塊，將水印信號嵌入到由密鑰控制選擇的一些 DCT 系數(shù)中。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)保護等信息安全問題。保護醫(yī)學(xué)圖像的完整性和版權(quán)也是現(xiàn)代信息安全技術(shù)一個需要解決的問題。 實 驗 證明，該算法滿足水印系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)方法是通過加密技術(shù)保護數(shù)據(jù)傳輸，但是當(dāng)數(shù)據(jù)被接收并解密．其保護作用也隨之消失。這標(biāo)志著通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程醫(yī)療診斷的數(shù)字化醫(yī)療時代已經(jīng)到來。數(shù)字簽名可以應(yīng)用于圖像的完整性認(rèn)證，但是該方法存在三個問題：首先是一旦加密文件經(jīng)過破解后其內(nèi)容就完全透明了；其次是數(shù)字簽名的過程是二值映射。 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。這一命名標(biāo)志著數(shù)字水印技術(shù)作為一門正式研究學(xué)科誕生。 1