维普资讯 http://www.cqvip.com 计算机科学２００８Ｖｏ１．３５ＮＱ．１ 一种基于整数小波变换的医学图像半脆弱水印算法 ） 王斌 。韩国强 陈薇娜 秦拯。ｔ。 （华南理工大学计算机学院 广州５１０６４１） （湖南大学软件学院 长沙４１ＯＯ８２）ｚ （东莞理工学院软件学院 东莞５２３８０８）。 摘要提出一种应用于医学图像的半脆弱水印算法。首先对ＲＧＢ图像进行可逆颜色转换，再对亮度分量进行一维 整数ｈａｒｒ小波变换，然后通过自适应地修改高频系数以嵌入水印。实验表明，该算法具有较高的透明性，对非恶意攻 击具有一定鲁棒性，同时能较好地对恶意攻击进行检测与定位，能方便地应用于医学图像管理与保护。 关键词数字水印，半脆弱水印，整数小波变换，医学图像 Ａ Ｓｅｍｉ・ｆｒａｇｉｌｅ Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｗａｖｅｌｅｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｅｓ ＷＡＮＧ Ｂｉｎ ’。ＨＡＮ Ｇｕｏ Ｑｉａｎｇ ＣＨＥＮ Ｗｅｉ～Ｎａ ＱＩＮ Ｚｈｅｎｇ ，。 （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１）Ｊ （Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２） （Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｏｎｇｇｕａｎｇ ５２３８０８）ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｓｅｍｉ—ｆｒａｇｉｌｅ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ＲＧＢ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｍａｐｐｅｄ ｔｏ ＹＵＶ ｉｍａｇｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｎｖｅｒｔｉｂｌｅ ｃｏｌｏｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，１－Ｄ ｉｎｔｅｇｅｒ ｈａｒｒ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ ｗａｔｅｒｍａｒｋ ｉｓ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｉｍａｇｅ ｂｙ ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｄａｐ— ｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｔｏ ｎｏｍｍａｌｉｃｉｏｕｓ ａｔｔａｃｋｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｌｏｃａｔｅ ｔｈｅ ｔａｍｐｅｒｅｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ ｓｏｍｅ ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｄｏｍａｉｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｄｉｇｉｔａｌ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ，Ｓｅｍｉ—ｆｒａｇｉｌｅ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ，Ｉｎｔｅｇｅｒ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，Ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅｓ １ 引言 改动，即具有高透明性。（２）对所嵌入水印信息安全性有严格 要求，尤其是某些特殊病人的病历为国家和企业机密，绝对不 医学图像已经广泛地应用于临床活动的整个过程，常用 允许泄露，因此水印不能被非法提取。（３）作为水印的病历信 医学图像主要包括：ｘ光图像、超声图像、内窥镜图像、显微图 息应该在需要时能被完整准确地提取出来，即嵌入水印具有 片、断层及核磁共振图片。医生在工作中需要了解病人在各 一定鲁棒性。 个部门检查的结果和临床的观察、治疗记录，以全面掌握病 Ｇｏｌｊａｎ提出一种可逆数据隐藏方法＿３］，其基本思想是将 情。图像信息只是其中的一项检查结果，因此往往需要将这 原始图像中用于嵌入数据的特征进行压缩，将压缩了的特征 些信息与检查过程中的文字报告以及其他部门的检验结果、 和待嵌入数据一起嵌入在原始图像中，能够嵌入的数据量是 治疗记录、病程记录等信息相结合。传统的医学图像管理系 特征压缩后的冗余。在数据检测过程中，由于能够检测到原 统将图像信息和检查过程中的文字报告、其他部门检验结果、 始图像特征，从而可以恢复原始图像。这种方法并不是指图 治疗记录、病程记录等信息分开存储，增加了医学图像管理的 像在嵌入过程中不产生任何失真，而是指这种失真是可逆 复杂性，同时也容易造成病人信息泄密。而数字水印的出现 的，但这同时破坏了隐藏信息与原始媒体的不可分离性，一 为医学图像管理提供了一种方便而安全的途径，可以保证病 旦隐藏数据从图像中提取出来，得到的无失真图像中就不再 历的秘密性及与诊断依据之间的数据一致性Ｌｌ 。数字水印是 存在有隐藏数据。黄夏菱等针对调色板图像提出一种真正无 将包括病人和医生姓名、编号、检查日期时间、病变类型、病历 失真隐藏算法＿１］，但隐藏后图像的调色板有一定规律（调色板 片段等重要信息以水印形式隐藏在医学图像中，在病历与医 前半部分与后半部分完全一样），很容易引起攻击者的怀疑。 疗图像间建立起一一对应关系，保持诊断数据的一致性，有 Ｈｏｎｓｉｎｇｅｒ等采用模数运算提出一种可逆的易损认证方 利于方便快捷的检索。既能防止发生遗失错乱现象又能保证 法Ｌ４］，但该方法易产生“椒盐”噪声。冯前进等提出一种基于 病历的秘密性，有效保护病人的隐私；另外，也可以嵌入自己 整数小波的医学图像易损水印算法＿２］，但该算法是纯脆弱水 特定的水印，为追踪泄密渠道提供手段。鉴于医学图像的特 印算法，不能抵抗非恶意攻击，实用性不强。 殊应用，与普通图像相比，医学图像对水印嵌入有一些独特的 针对以上问题，同时考虑到整数小波变换具有良好的时 要求Ｌ１ ］：（１）由于医学图片的特殊性，它要求在加入水印时， 频局部特性，与新的压缩标准ＪＰＥＧ２０００相兼容，与人类视觉 对图片的改动很小；特别对一些关键部分（如病区）则不允许 屏蔽特性相一致，不引入量化误差等优点，本文提出了一种高 ＊）资助项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．６０５７３０１９），广东省科技计划项目（编 ｇ－：２００４Ｂ１６００１００６），湖南省科技计划项目（编号：２００６ＦＪ４１１０）， 东莞市科研发展基金项目（Ｎｏ．２００４Ｄ１０１５，２００５Ｄ０２５，２００５Ｄ０４９）。王斌博士生，高级工程师，主要研究方向为多媒体信息安全、数字水印、 图像处理等；陈薇娜硕士研究生，主要研究方向为信息安全、数字水印。 ・ ２５８ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 透明性医学图像半脆弱认证水印算法。该算法保证了隐藏信 换后的低频和高频系数。 性的同时具有曼妻 竺的 要 妻 二一定的篡改检测与定位能力。 譬 攻击具有一定鲁棒 ３本文提出算法 …一一…一 ２整数Ｈａｒｒ小波 ３．１水印预处理 设水印图像可表示为： Ｈａｒｔ基小波函数定义在区间［Ｏ，１）上，见式（１）。对于 Ｗ１一｛叫１（ ， ）Ｉ Ｏ＜ ≤ｍ，０＜ｊ≤”，叫１（ ， ）∈｛０，１｝｝ 的平移，Ｈａｒｒ小波是正交的。对于一维Ｈａｒｒ小波可以看成 其中ｍ，”分别为图像的宽度和高度。为了增强水印系统的 是完成了差分运算。 安全性，在水印嵌入前先由密钥控制的置乱加密算法 ６］对叫 ｉ１， ｏ≤ ＜｛ 进行置换之后得到最终待嵌入水印信号 ｊ厶 Ｗ２一｛叫。（ ， ）Ｉ Ｏ＜ ≤ｍ，ｏ＜ｊ≤”， （ｉ， ）∈｛０，１｝｝ 咖（ ）一｛一１， ≤ ＜１ ３．２水印嵌入 ｌ０， 其他 水印嵌入基本思想是：首先采用可逆颜色变换将ＲＧＢ图 设３２、 为同一行相邻两个像素点的灰度值，满足：ｏ≤ｚ， ≤ 像转换到ＹＵＶ空间，以解除各颜色分量问的相关性，然后对 ２２５；记３２， 均值为 ，差值为ｄ，则有： 亮度分量Ｙ进行一维整数Ｈａｒｒ小波变换，最后对高频系数进 行自适应修改以嵌入水印。水印嵌入基本流程如图１所示。 ５一ｌ ，ｄ＝ｚ— （２） 本文采用的可逆颜色变换［５ 的正变换为： 则由式（２）可知整数３２， 经过变换后得到的Ｓ，ｄ均为整数，且 Ｙｒ—ｌ Ｊ ｚ—ｓ＋ｌ Ｊ， —ｓ—ｌ号Ｊ （３） Ｕｒ—Ｒ—Ｇ （４） 其中Ｌ・ 表示向下取整数。则ｓ，ｄ分别为图像经过一维行变 —Ｂ—Ｇ 图１水印嵌入框图 其反变换公式为： 相应高频系数比特位数发生改变，所以水印提取时同样可用 Ｇ＝ｇｒ—ｌ Ｊ 式（６）计算出水印嵌入的比特位ｒ，这样只要直接提取第ｒ位 ， 比特值就可得到水印信号 ．Ｒ—Ｕ ＋Ｇ 一｛＂ＬＵ ２（ ， ）Ｉ ｏ＜ ≤ｍ，ｏ＜ ≤”，％Ｕ２ （ ， ）∈｛０，１｝｝。 Ｂ—Ｖｒ＋Ｇ 所得到的水印图像ｗ 经过一个反置乱算法即可得到原始的 具体嵌入过程如下 水印图像 。 首先输入ＲＧＢ图像Ｉ，运用公式（４）将图像Ｉ转换到 ３．４图像认证 ＹＵＶ空间。 我们称水印嵌入前后两图像之差为水印差图，其定义为 然后对亮度分量ｙｒ进行一维整数小波变换得到低频系 数ｓ和高频系数ｄ，于是我们可以通过自适应地修改高频系 叫 ， √ ’） ㈩ 数ｄ的第ｒ位比特以嵌入水印。 差值图像的实际意义是比较两幅二值图像之间的差异， ｒ—Ｊ ×ｊ ｌｏ Ｊ Ｊ （６） 如果相应像素点的像素值相等，则在差值图像上像素值为０， 其中ｒ・］表示向上取整’［・］表示四舍五入，且有Ｏ＜ ＜１， 即表现为白色点；反之则为１，表现为黑色点。差图像中，某 越大，水印的鲁棒性越好，反之则透明性越好。对第ｒ位的修 个像素的８邻域中没有一个检测错误的点（即黑点），则称该 改规则为：若水印序列对应比特位为１则第ｒ位置１，若水印 像素为稀疏点；若其８邻域中至少有一个检测错误点，则称之 序列对应比特位为０则第ｒ位置０。这种嵌入规则使得高频 ：勾稠密点。于是可由水印差图中稀疏点与稠密点的比值来判 系数越大，修改越大，而高频系数对应噪声和高频信息，人眼 断攻击类别，首先定义如下规则： 对这些信息相对不敏感，所以该嵌入方法在一定程度上考虑 一｛差图像中像素点总数｝； 了人类视觉系统屏蔽特性，有助于水印算法的鲁棒性与透明 文一｛差图像中稀疏点的像素点总数｝ 性的提高； 如一｛差图像中稠密点的像素点总数｝ 之后再利用公式（３）进行一维逆Ｈａｒｒ小波变换得到隐藏 了水印的亮度分量ｙ，最后由公式（５）将图像从ＹＵＶ空间映 Ｐ一知一去 射到ＲＧＢ空间，即得到嵌入水印后图像。 攻击类型判断方法如下： ３．３水印提取 ｆ图像未收到攻击， ｉｆ（ｐ＝Ｏ）； 水印的提取过程基本上是嵌入过程的逆过程。首先用公 可接受的攻击， ｉｆ（ｐ￣０ ａｎｄ／Ｊ￣Ｔ）； （８） 式（４）将含水印的ＲＧＢ图像转换到ＹＵＶ空间，再对亮度分 ｌ 恶意攻击， ｉｆ（ ≥丁）。 量ｙ进行一维整数Ｈａｒｒ小波变换。由于水印嵌入不会引起 阈值Ｔ取值越大，对恶意攻击的判断条件就越严格，算 ・ ２５９ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
法安全性也就越高。实验中Ｔ取值０．８。 表２对非恶意攻击的鲁棒性实验 对恶意攻击的篡改定位，我们可以采用文［８］类似的方 法，用数学形态学的方法滤除干扰信息以得到一个紧凑的篡 改区域。 ４实验结果 本文算法在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０环境下得到实现。实验中 公式（６）中阈值 取０．５，我们以２５６×２５６×２４的彩色图像作 为原始载体图像，水印图像以一幅２５６×１２８×２的二值图像 为例，图２给出了一个水印嵌人实例。 （１）透明性实验 实验中，我们采用了大量不同载体图像（２５６×２５６×２４） 结论本文提出了一个医学图像半脆弱水印算法。算法 通过自适应地修改整数Ｈａｒｒ小波变换后高频系数以嵌人水 印。算法中采用可逆颜色变换和整数Ｈａｒｒ小波变换，避免浮 点计算引起的精度舍人误差，有助于提高水印算法透明性；同 时对高频系数的修改与其大小相自适应，进一步保证了水印 透明性。实验结果也证明，该算法在保证较高水印透明性同 和水印图像进行透明性实验，部分结果如表１所示。 表１嵌入不同水印图像的ＰＳＮＲ（单位：ｄＢ） ａ．原图像 ｃ．含水印图像 ｄ．提取水印 图２水印嵌人实例 当水印嵌人容量控制在１０２４ｂｉｔ以内时，含水印图像的 ＰＳＮＲ值一般都在４９ｄＢ以上，图像具有较好的视觉效果，说 明本文水印算法透明性非常好。 （２）对非恶意攻击的鲁棒性 本文算法对视觉可接受的一般图像处理操作具有一定鲁 棒性，表２给出了一些常见的非恶意攻击测试结果，实验中采 用归一化相关值ＮＣ（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ＣＲＯＳＳ—ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）ｌｌ７ 来评价 提取水印质量。从表２中发现，含水印图像即使遭受到一定 的图攻击之后，我们仍然能从中提取水印以证明版权。 （３）图像认证 本小节对提出算法的脆弱性和篡改检测与定位能力进行 实验，通过对水印差图像进行数学形态滤波以形成一个紧凑 的篡改区域，图３给出了剪切一粘贴攻击的篡改检测定位实 验，白色区域表示非篡改区，黑色区域表示篡改区。 ・２６０・ 时，对一般图像攻击具有一定鲁棒性，并且能对恶意攻击进行 检测与定位，形成一个紧凑的篡改区域。嵌人水印图像的高 透明性确保其能用于医疗诊断，不会干扰医生的医疗诊断，本 算法能应用于医学图像的管理与保护实践。 ａ．受剪切一粘贴攻击的图像 ｂ．提取水印 ｃ．水印差图像 ｄ．篡改定位图 图３对恶意攻击的篡改定位 参考文献 １ 黄夏菱，刘红梅．一种无失真数据隐藏算法．中山大学学报（自 然科学版），２００２，４１（６）：１８￣２１ ２ 冯前进，陈凌剑，杨丰．基于整数小波变换的医学图像易碎水印 方法．中国图象图形学报，２００６，１１（５）：７３６￣７４１ ３ Ｇｏｌｊａｎ Ｍ，Ｆｒｉｄｒｉｃｈ Ｊ Ｊ，Ｄｕ Ｒ．Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ－ｆｒｅｅ ｄａｔａ ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ｆｏｒ ｉｍａｇｅｓ［Ｃ］．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｈｉｄｉｎｇ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ，ＵＳＡ，２００１ ４ Ｈｏｎｓｉｎｇｅｒ Ｃ Ｗ．Ａ Ｒｏｂｕｓｔ Ｄａｔａ Ｈｉｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｎ— ｖｏｌｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ Ｒａｎｄｏｍｉｚｅｄ Ｐｈａｓｅ Ｃａｒｒｉｅｒ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＰＩＣＳ’ Ｏ０，Ｐｏｒｔｌａｎｄ，Ｏｒｅｇｏｎ，２０００ ５ 史忠植．知识发现．北京：清华大学出版社，２００２ ６ 闫伟齐，邹建成，齐东旭．一种基于ＤＥＳ的数字图像置乱新方 法．北方工业大学学报，２００２，１４（１）：１～７ ７ 杨恒伏，陈孝威．小波域鲁棒自适应公开水印技术．软件学报， ２００３，１４（９）：１６５２￣１６６０ ８ ＢａｒｔｏｌＩｉｎｉ Ｆ，Ｔｅｆａｓ Ａ，Ｂａｒｎｉ Ｍ，Ｐｉｔａｓ Ｉ．Ｉｍａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＩＥＥＥ， ２００１，８９（１０）：１４０３￣１４１８
