【正文】 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。 （ 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。 （ 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。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。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。 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。 DICOM 標(biāo)準(zhǔn)的制定，為 PACS 的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。該摘要分為去標(biāo)識(shí)符和恢復(fù)標(biāo)識(shí)符兩部分。 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。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。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)。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 。 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）。 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)嵌入過程中，不可避免的會(huì)引起原始圖像的失真。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。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上看不出有什么差別，但是由于目前還沒有一個(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。 醫(yī)學(xué)圖像是醫(yī)生對(duì)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(duì)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(duì)醫(yī) 學(xué)數(shù)據(jù)作任何改動(dòng)。 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。利用數(shù)字水印的不可 見山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 性和魯棒性，將病人的個(gè)人信息當(dāng)作水印信息來(lái)處理，將其隱藏在二維或者三維醫(yī)學(xué)圖像中，這樣就可以保證其在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸時(shí)，個(gè)人的隱私不被泄露。(1 歸一化系數(shù) ??? nm nmnmnm nm IIINC , ,2, , /39。(/lg (10 2., , ,2 nmnm nmnm nm IIIS NR ?? ?? 峰值信噪比 ))39。 表 基于誤差的失真度量方法 均方差 MNIIM S E nmnm nm /)39。其中最常用的評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的指標(biāo)是信噪比和峰值信噪比，公式中 nmI, 和 39。但由于操作要求過于復(fù)雜，且存在不確定性，如受人的心情、疲勞程度的影響等，在實(shí)際應(yīng)用中受到嚴(yán)重限制，甚至根本不適合于某些應(yīng)用場(chǎng)合。主觀評(píng)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(píng)價(jià)尺度或者自己的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)測(cè)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(píng)價(jià)。前面介紹了對(duì)數(shù)字水印的四類攻擊，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。抵御解釋攻擊可以采用時(shí)間戳、不可逆水印等方法。 （ 3） 解釋攻擊 解釋攻擊中攻擊者設(shè)計(jì)出一種情況以阻止對(duì)所有權(quán)的斷言。最為典型的兩種表示攻擊是幾何變形攻擊和馬賽克攻擊。 穩(wěn) 健性攻擊中常見的另一種攻擊稱為合謀攻擊，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?；竟粢子趯?shí)現(xiàn)．有大量的圖像處理工具可供攻擊者使用。這種攻擊對(duì)加有水印的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體操作而并不是將水印區(qū)分和隔離出來(lái)。 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(cè)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(huì)受到各種形式的攻擊，對(duì)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(shuō)明書 10 這類攻擊以減少或去除數(shù)字水印的存在為目的。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 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。 ⑤ 按水印的載體劃分 作為數(shù)字水印載體的數(shù)字產(chǎn)品可以是任何一種多媒體類型，根據(jù)水印所附載的媒體的類型，可以把水印分為靜止圖像水印、視頻水印、音頻水印、軟件水印、文檔水印等。在數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，出現(xiàn)較早的水印算法多是空間域的，是通過修改空間域中采樣點(diǎn)的幅度值來(lái)嵌入水印信息的，比如：最低有效位（ LSB）方法、拼湊（ Patchwork）方法等。一般來(lái)說(shuō)，非盲水印的魯棒性，到存儲(chǔ)成本的限制，而盲水印技術(shù)更有實(shí)用性，尤其是面對(duì)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。 ③ 按水印的檢測(cè)劃分 按水印的檢測(cè)過程可以將數(shù)字水印劃分為非盲水印、半盲水印和盲水印。半脆弱水印是對(duì)某些特定的處理操作有魯棒性，但對(duì)其他的處理卻不具備魯棒性，主要應(yīng)用于內(nèi)容認(rèn)證等應(yīng)用中。 ② 按水印的穩(wěn)健性劃分 不同水印在抵抗攻擊時(shí)表現(xiàn)出的穩(wěn)健性是不同的，因此水印可 以分為脆弱水印、半脆弱水印及穩(wěn)健水印?？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(lái)的水印。 （ 3）數(shù)字水印的分類 數(shù)字水印的分類可以從不同的角度進(jìn)行，比較常見的有以下幾種： 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 ① 按水印的感知特性劃分 對(duì)視頻或靜態(tài)圖像而言，感知性也就是可見性，水印的可見性決定它是可見水印還是不可見水印。對(duì)于一個(gè)水印算法而言，必須可以提供足夠的水印容量，才可以滿足較多的需求。對(duì)于有目的的攻擊，要具有抵抗力，使非授權(quán)用戶無(wú)法檢測(cè)和破壞水印。解釋攻擊就是對(duì)數(shù)字水印的確定性攻擊的一個(gè)例子。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。 數(shù)字水印的魯棒性可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 :首先，數(shù)字水印應(yīng)該具有抵抗一般信號(hào)處理（如壓縮、剪切、濾波與平滑等）的魯棒性；第二，數(shù)字產(chǎn)品中嵌入的水印可以抵抗幾何變換攻擊，目前很多算法都是基于小波變換或離散余弦變換提 出的，這些算法的不足就是抵抗幾何攻擊的能力非常弱；第三，數(shù)字水印能夠抵抗刪除、篡改等惡意攻擊，事實(shí)上攻擊者比較容易得到含水印的數(shù)據(jù)，但在不破壞原始數(shù)據(jù)的前提下完全刪除水印信息或偽造新的含水印的數(shù)據(jù)是非常困難的。只要不使人的視覺、聽覺等器官感受發(fā)生變化，就是不可感知的；另一個(gè)是指統(tǒng)計(jì)上的 不可感知，即：對(duì)于使用相同方法嵌入的不同作品而言，即使采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行處理，也找不到可以判定作品中是否含水印的山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 共性。對(duì)魯棒的或易損的不可見性水印來(lái)說(shuō)，這是最基本的要求。 ① 不可感知性 不可感知性也可稱作透明性，是衡量信號(hào)在被處理前后的相似性。但粗略說(shuō)來(lái)，數(shù)字水印的基本流程主要由水印的嵌入、提取和檢測(cè)三部分組成 [9]。水印的嵌入在數(shù)字信號(hào)處理中可以看作是信號(hào)的疊加操作，相對(duì)而言，水印信息是弱信號(hào)，載體信息是強(qiáng)信號(hào)。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(duì)象來(lái)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(dòng)態(tài)圖像可以嵌入的水印可以是三維的。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 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、聽覺等）所察覺。 第三章 ， 研究和分析了離散余弦變換算法在醫(yī)學(xué)圖像水印技術(shù)的應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)水印的盲提取算法，并對(duì)算法進(jìn)行了一系列的性能評(píng)估。介紹了數(shù)字水印技術(shù)的背景以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，給出了本文研究的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 本論文的研究?jī)?nèi)容和組織結(jié)構(gòu) 本課題就是針對(duì)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。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特性?；诖耍瑸榱送瑫r(shí)滿足水印的魯棒性和不可見性，主張將水印信息嵌入到載體的中頻系數(shù)中。載體的低頻信息反映了載體的主要輪廓，不應(yīng)有較大的失真，水印的嵌入將影響其不可見性。 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(duì)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(duì)圖像進(jìn)行分塊，塊的大小一般為 88 或者 1616)。 [7]提出了兩種 DFT 域的水印算法。這類算法是通過改變圖像離散 DFT 變換系數(shù)中的某些系數(shù)的幅值或者通過修改 DFT 變換的相位值來(lái)實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。 傅里葉變換是一種經(jīng)典而有效的數(shù)學(xué)工具， DFT 域的算法有利于實(shí)現(xiàn)水印的仿射不變性。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)。 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。當(dāng)然這些統(tǒng)計(jì)特征的來(lái)源必須受到密鑰的控制以保證安全性。這類方法的主要思想是通過修改原始載體數(shù)據(jù)使得原始載體的某些統(tǒng)計(jì)特征發(fā)生變化，檢測(cè)時(shí)只需查看水印載體的統(tǒng)計(jì)特征即可。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然后對(duì)每一個(gè)圖像塊進(jìn)行嵌入操作。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。其中典型的水印算法是將信息嵌入到隨機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的比特位 (LSB， least significant bits)上，山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 這可保證嵌入的水印是不可見的。 水印的算法的研究主要分為空域算法和變換域算法兩種，下面主要介紹針對(duì)圖像數(shù)據(jù)域的一些 算法。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。 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。 到目前為止，數(shù)字水印從研究對(duì)象上看主要涉及圖像水印、視頻水印、音頻水印、文本水印和三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)水印等幾個(gè)方面，其中大部分的水印研究和論文都集中在圖像研究上，其原因在于圖像是最基本的多媒體數(shù)據(jù)，且互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為圖像水印的應(yīng)用提供了直接大量的應(yīng)用需求。國(guó)家 863 計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金等都對(duì)數(shù)字水印的研究有項(xiàng)目資金支持 ，充分反映了國(guó)家對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的重視。1999 年 12 月，中國(guó)信息安全領(lǐng)域召開了國(guó)內(nèi)第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì) (CIHW)， 2000 年 1 月，由國(guó)家“ 863”智能專家組和中科院自動(dòng)化所模式識(shí)別國(guó)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(huì)，與會(huì)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。國(guó)內(nèi)許多高等學(xué)府和科研院所都開始了這項(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)到的見解，在理論上也取得了不少 可喜的成果。目前國(guó)際上已經(jīng)開發(fā)成功的數(shù)字水印軟件還有 Digimarc 公司 PictureMarc， BmehMarc，MareCenler， MareSpider，英國(guó) signum 公司 suresign 產(chǎn)品以及 MediaSec 公司 SysCop系列產(chǎn)品等。在美國(guó)，以麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室為代表的一批研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)申請(qǐng)了數(shù)字水印方面的專利，如 DICE的專利技術(shù)。 1996 年 5 月，在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開了第一屆信息隱藏技術(shù)國(guó)際研討會(huì) (International Information Hiding Workshop,IIHW)，接著 lEEE ICLP(Intgmational Conferenceon Image Processing)、 IEEE ICASSP(Intemational Conference On Acoustics,Speech and