【正文】 ......................................................................... 23 山東建筑大學畢業(yè)設(shè)計說明書 II 實驗結(jié)論及分析 ..................................................................................................... 25 本章小結(jié) ...................................................................................................................... 26 4總 結(jié) ................................................................................................................................ 27 謝 辭 ................................................................................................................................... 29 參考文獻 ............................................................................................................................ 30 附 錄 ................................................................................................................................... 32 山東建筑大學畢業(yè)設(shè)計說明書 III 摘 要 隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的醫(yī)學圖像保存、分發(fā)介質(zhì)已由 膠片轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像光盤、磁盤。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、非法復制、版權(quán)保護等信息安全問題。本文主要對醫(yī)學圖像的版權(quán)保護方面進行了研究。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。 本文對數(shù)字水印的攻擊方法以及數(shù)字水印的評價標準也作了詳細的論述，以更好地評價水印算法的特性。由于數(shù)字媒體很容易在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中被復制、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前亟待解決的問題。 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)進行診斷己成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷不可或缺的有效輔助手段。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。醫(yī)學數(shù)字影像傳輸及通信DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)標準的建立，促進了醫(yī)療影像信息的交流。 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)的認證及完整性保護方法。只能給出認證是否通過的結(jié)果，不能指出具體的篡改位置和程度，更不能完成對己篡改圖像的恢復；另外數(shù)字簽名的密文在傳輸中不允許任何改動，因 為密文即使是相差 1 比特也會使解密后的數(shù)據(jù)面目全非，所以使用數(shù)字簽名的前提是信道沒有噪聲。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，將導致圖像認證失敗。因此，必須尋求一種新的手段來對圖像完整性保護和版權(quán)保護。 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。后來二詞合二為一就成為“ Watermark”。作為一門數(shù)字時代的新興技術(shù)．數(shù)字水印激發(fā)了國內(nèi)外眾多知名學府、研究機構(gòu)和公司的極大興趣，比如美國麻省理工學院、普林斯頓大學、 IBM 研究所、朗訊貝爾實驗室、英國劍橋大學、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?shù)娜肆拓斄χ铝τ谠摷夹g(shù)的研究。 除了理論研究外，一些機構(gòu)也積極開發(fā)了數(shù)字水印產(chǎn)品。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。 山東建筑大學畢業(yè)設(shè)計說明書 3 數(shù)字水印技術(shù)在國內(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。其中比較有代表性的有中國科學院研究所的劉瑞禎、譚鐵牛 [3]等 ,北京郵電大學的楊義先、忸心析 [4]等。這些會議增加了研究者彼此間的交流，促進了國內(nèi)數(shù)字水印技術(shù)的快速發(fā)展。從目前的發(fā)展來看，我國相關(guān)學術(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。 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。晟近，提出矢量量化的方法，預言能夠取得更加魯棒的算法。分析容量范圍，成為了當前研究熱點。 （ 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。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。適當?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。 利用統(tǒng)計特征的空域嵌入算法也是一類重要的嵌入技術(shù)。從而達到盲檢測的目的。在空域嵌入算法中，常用的統(tǒng)計量包括平均值標準偏差和直方圖等 。 （ 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。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)。且可利用變換后的相位信息嵌入水印。為了同時滿足水印的不可見性和魯棒性，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)來嵌入水印。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。嵌入空間是載體的某個頻帶或某些頻帶，這些頻帶對山東建筑大學畢業(yè)設(shè)計說明書 5 應(yīng)的變換系數(shù)遵循一定的規(guī)則被修改、替換或交換。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。 類似的水印技術(shù)還被引入到離散小波變換 (DWT)域中。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準如 MPEG4 及． JPEG2020 所采用。全文安排如下： 第一章 ，前言。 第二章 ，數(shù)字水印系統(tǒng)的基本理論和醫(yī)學數(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)學水印的基本內(nèi)容。 第四章 ，對整篇論文所做的工作進行了總結(jié)。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)標記等信息，但需要通過適當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。 從不同角度理解數(shù)字水印技術(shù)，可以對其作出不同的描述。從通信原理方面分析，載體相當于一個寬帶信道，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]。 （ 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)用對數(shù)字水印的要求是不完全一樣的，一般認為數(shù)字水印應(yīng)該具 有下面的特性。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。不可感知包含兩個方面的內(nèi)容：首先從感官角度來看應(yīng)該不可感知，是指水印嵌入會對宿主數(shù)據(jù)造成改變，但人光憑聽覺或視覺是不會覺察出這種變化的，只是對于人的主觀感受而言的。 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。 對于數(shù)字水印魯棒性要求的強弱程度是因需求而異的，在很多情況下，數(shù)字水印只需要對于可能存在的處理操作保持有穩(wěn)健性就可以了。 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。 ④ 安全性 安全性是指數(shù)字水印的信息要難以被篡改或偽造。 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。 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，沒有哪種算法能夠使三者都達到最優(yōu)，現(xiàn)在的水印嵌入算法都是根據(jù)具體問題的需要在這三者中進行折中。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。當然也可以用于音頻中，即可聽或不可聽水印。脆弱水印對任何變換或處理操作都非常敏感，主要用于完整性認證等應(yīng)用中。穩(wěn)健水印對常見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)保護等應(yīng)用中。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。 ④ 按水印的嵌入位置劃分 目前已有的算法中，水印可以嵌入在空間域或變換域中，對應(yīng)的水印成為空間域水印和變換域水印。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。 山東建筑大學畢業(yè)設(shè)計說明書 9 數(shù)字水印系統(tǒng)的基本模型 一個完整的數(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。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。最普通的一種稱為基本攻擊，如在圖像水印技術(shù)中，通過采用常規(guī)的圖像處理手段來對水印圖像進行某些操作，降低圖像質(zhì)量，從而削弱或刪除其中所嵌入的水印。攻擊方法包括濾波、壓縮、添加噪聲、圖像量化等。另一種穩(wěn)健性攻擊是在加有水印的數(shù)據(jù)中簡單地加入另一個水印，利用第二個水印覆蓋的方法來消除第一個水印，這種操作幾乎不會使原始數(shù)據(jù)降低品質(zhì)。 （ 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，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或檢測到其存在。 幾何變形攻擊采用縮放、旋轉(zhuǎn)、裁剪、重采樣 手段對數(shù)據(jù) (主要針對圖像及視頻 )進行最低的幾乎無法察覺的幾何扭曲，使數(shù)據(jù)被輕微的拉伸、平移、裁剪或旋轉(zhuǎn)，本質(zhì)上并沒有去除數(shù)據(jù)中所含的水印，但卻使得水印嵌入位置和水印檢測位置不再相符，水印檢測者不知道水印嵌入的確切位置就無法檢測出水印。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。 （ 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到其攻擊目的。 山東建筑大學畢業(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。因為圖像的雖終 信宿是人，所以這種評價方法似乎更為可靠。客觀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 度量指標中比較經(jīng)典的指標是基于誤差的，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）。,nmI 分別表示原始圖像和測試圖像的像素。( 2, , ?? ? 信噪比 ))39。(/m a xl g (10 2, ,2, nmnm nmnmnm IIIMNP S NR ?? ? 圖像保真度 ?? ??? nm nmnmnm nm IIIIF , ,22, , /)39。 醫(yī)學數(shù)字水印的概念 隨著遠程醫(yī)療的日益普及，醫(yī)學圖像在互聯(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。這是醫(yī)學圖像數(shù)字水印的基本應(yīng)用和初始的想法。因此，水印技術(shù)要應(yīng)用在醫(yī)學圖像上，必須先解決由于嵌入