【正文】 水印引起的失真問(wèn)題。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。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。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。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。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。 （ 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(chēng) DICOM 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)。醫(yī)學(xué)圖像通 信系統(tǒng)是其中重要的組成部分。 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。 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。 （ 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。 （ 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。 （ 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。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。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。在原始圖像中嵌入?yún)⒖妓。ㄟ^(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)。 （ 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?；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。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)。 （ 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)。當(dāng)用戶(hù)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(hù)請(qǐng)求信息進(jìn)行比較判斷。 （ 5） 法律憑證 數(shù)字水印可以作為最終的安全性證明。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。 （ 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。 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(lèi)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。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(hù)對(duì)于隱藏的信息在視覺(jué)上很難察覺(jué)。 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。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)。 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。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)。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。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。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)。 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。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。N 為 M180。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。 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。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。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。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。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。 （ 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。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。 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。 （ 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。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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） 。下 圖是一個(gè) rgb2gray 的例子，圖 是使用此程序前的圖像，圖 是使用此程序后的圖像。 k2=randn(1,8)。 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。水印信息的 0 和 l 將分別由兩個(gè)不同的 8 位隨機(jī)序列 kl， k2 來(lái)代替。dct239。 在此次論文的程序中，代表把載體 圖片分成 8 8 像素塊進(jìn)行 dct2 變換。 Wimage2=double(Wimage2)+noise0。 (5) 濾波攻擊 H=fspecial(39。,[3,3],)。 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) ?。 括號(hào)中的數(shù)字是剪切載體圖像的具體像素位置。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(cè)試實(shí)驗(yàn) （ 1） 白噪聲攻擊 表 是在不同的白噪聲強(qiáng)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(qiáng)度。 表 加入不同強(qiáng) 度白噪聲后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 噪聲強(qiáng)度 4 6 8 10 加入白噪聲后的 PSNR(dB) 相似度 NC 提取的水印 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 （ 2） 高斯低通濾波攻擊 表 是在窗口為 3 3，在 ?參數(shù)分別為 、 、 、 時(shí)，水印的歸一化系數(shù) NC 以及提取的水印圖像。 表 不同位置的剪切攻擊后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 剪切過(guò)的圖像 提取的水印 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 （ 4） 旋轉(zhuǎn)攻擊 表 是經(jīng)過(guò) 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(shí)驗(yàn)結(jié)果 旋轉(zhuǎn) 角度 180 度 90 度 旋轉(zhuǎn)過(guò)的圖像 提取的水印 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析 從實(shí)驗(yàn)的效果圖可以看出，該算法在嵌入強(qiáng)度為 10 的情況下可以達(dá)到水印不可見(jiàn)的要求。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。噪聲強(qiáng)度越大，對(duì)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果影響就越強(qiáng)；而低通濾波對(duì)于兩個(gè)隨機(jī)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(qiáng)度變小，即相當(dāng)于隨機(jī)序列的值變小，因此也會(huì)影響相關(guān)運(yùn)算，但是由于改變對(duì)兩個(gè)隨機(jī)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。旋轉(zhuǎn)攻擊屬于幾何攻擊，本次設(shè)計(jì)的抗幾何攻擊能力較差，這也是未來(lái)需要改進(jìn)的地方。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該水印嵌入算法可以在嵌入強(qiáng)度為基本不可見(jiàn)的情況下對(duì)一些通常的水印攻擊具有一定的魯棒性。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。 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(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。主要包括數(shù)字水印的概念、密碼技術(shù)與信息隱藏技術(shù)、數(shù)字水印系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題、 數(shù)字水印的生成技術(shù)、嵌入技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、攻擊技術(shù)以及研究數(shù)字水印常用的工具 MATLAB 等。通過(guò)以上工作，對(duì)圖像數(shù)字水印有了較深入的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)外最新相關(guān)研究動(dòng)態(tài)有了較全面的了解。 （ 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。同時(shí)，還介紹了一些在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的重點(diǎn)程序，便于讀者理解。下一步可以考慮將密碼學(xué)中的知識(shí)應(yīng)用到數(shù)字水印系統(tǒng)的加密上，可以更好限定 使用權(quán)限。 （ 3） 本文研究離散余弦變換雖然有運(yùn)算速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)一些抗攻擊能力不全面，所以研究開(kāi)發(fā)更實(shí)用全面的算法，實(shí)現(xiàn)水印的抗攻擊能力全面且較強(qiáng)，是未來(lái)研究的重中之重。張老師在學(xué)習(xí)和生活中都很仔細(xì)的教導(dǎo)我。當(dāng)我在課題研究上遇到困難時(shí)，張老師總是不厭其煩的給我講解種種的問(wèn)題，并一直鼓勵(lì)我，幫助我拓寬思路和研究?jī)?nèi)容?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有張老師的悉心指導(dǎo)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)很難完成。也是由于你們的幫助，使我在各方面都有了進(jìn)步，也讓我感覺(jué)到了團(tuán)結(jié)的力量。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]. 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