顧伯成　吳健珍

摘 要 本文提出了一種應(yīng)用于遠(yuǎn)程診療醫(yī)學(xué)圖像水印算法，將病人的個(gè)人信息制成水印，按一定的嵌入規(guī)則嵌入到經(jīng)過(guò)DCT變換后的醫(yī)學(xué)圖像中，在提取水印時(shí)不需要原始圖像。仿真實(shí)驗(yàn)表明該水印算法的不可見(jiàn)性好，原始圖像失真燒，對(duì)噪聲、JPEG壓縮處理等常規(guī)圖像操作時(shí)的魯棒性較高，有效地保護(hù)了病人的個(gè)人信息，防止了個(gè)人隱私的泄露。

關(guān)鍵詞 醫(yī)學(xué)圖像 DCT變換 隱私保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP309.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.01.071

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使得遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程診斷成為可能?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷作為一種新型診療模式，正引起國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)專家的高度重視。在遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)中，醫(yī)學(xué)圖像作為關(guān)鍵的疾病診斷依據(jù)，它的準(zhǔn)確性直接影響了醫(yī)生對(duì)于疾病的診治。由于在公共網(wǎng)絡(luò)中傳輸醫(yī)學(xué)圖像，病人的姓名、性別、身份證、病名等私人信息很容易被泄露，而且數(shù)字化的圖片也很容易被別有用心的人進(jìn)行篡改或偽造，一旦病灶區(qū)域的數(shù)據(jù)被修改，很容易引起誤診，引起醫(yī)療事故或醫(yī)患糾紛。因此，如何確保醫(yī)學(xué)圖像的安全性和完整性是遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)實(shí)施所面臨的一個(gè)非常重要且關(guān)鍵的問(wèn)題。

數(shù)字水印技術(shù)作為一種新型安全技術(shù)，其特點(diǎn)滿足遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)中醫(yī)學(xué)圖像安全性的要求。它通過(guò)一定的水印嵌入算法將水印信息（如個(gè)人標(biāo)志性信息、版權(quán)信息等）嵌入到數(shù)字作品（圖像、視頻等）中，經(jīng)過(guò)信道傳輸后，利用水印提取或檢測(cè)算法讀出水印信息，能實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的真實(shí)性和完整性認(rèn)證。

1 基于DCT的醫(yī)療圖像水印算法

DCT頻域水印算法是常用的一種水印算法，其基本思想是利用擴(kuò)頻通信的原理來(lái)提高數(shù)字水印的魯棒性，它將水印信息嵌入到載體圖像的DCT頻域上，然后經(jīng)反變換輸出。在DCT系數(shù)中，高頻部分代表圖像中的噪聲部分，這些部分容易通過(guò)有損壓縮或者濾波等處理被去掉。中低頻部分包含了圖像的大部分能量，雖然人類視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）對(duì)中低頻分量比較敏感，但中低頻部分的DCT系數(shù)幅值大，水印嵌入到中低頻部分不易被擦除，有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，因此考慮到水印的魯棒性，將水印嵌入到DCT的中低頻部分，并通過(guò)調(diào)整嵌入強(qiáng)度，使水印的魯棒性和不可見(jiàn)性達(dá)到較好的平衡。①本文所提出的算法基于DCT變換域，且在水印檢測(cè)時(shí)不需要原圖，是一種盲水印算法。水印系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 水印嵌入流程圖

圖2 嵌入水印的位置

1.1 水印嵌入算法

通常在圖像傳輸過(guò)程中，亮度和對(duì)比度會(huì)有較大變化，而像素之間的相對(duì)值變化較小，因此，這里以相鄰DCT系數(shù)的平均值為基準(zhǔn)，嵌入適當(dāng)強(qiáng)度的水印。先將原始圖像進(jìn)行8？大小的分塊，每個(gè)分塊在DCT變化后嵌入水印圖像的1bit信息。水印嵌入位置如圖2所示，圖中有陰影的單元為嵌入水印的單元。圖中每3個(gè)中低頻系數(shù)為一組，以每一組3個(gè)系數(shù)的平均值為基準(zhǔn)，根據(jù)嵌入的水印圖像對(duì)應(yīng)1bit信息的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)（偏移量），調(diào)節(jié)DCT系數(shù)的平均值，然后嵌入到每一組中間單元中，這樣，在每個(gè)圖像塊的1個(gè)單元中嵌入了水印圖像。②

設(shè)是狀笮〉腦莢靨逋枷瘢譴笮∥獉椎畝鄧⊥枷瘢⑶沂？= 8住J迪炙∏度氳木嚀宀街樅縵攏？

（1）將分解成為（/8）祝？8）個(gè)8？像素大小的方塊（），1≤、≤/8。

（2）對(duì)在每一個(gè)（）進(jìn)行DCT變換：（）=DCT（（））。

（3）在每一個(gè)（）塊中，按圖2位置嵌入水印，3個(gè)低頻系數(shù)為一組，通過(guò)改變一組中間單元對(duì)本組均值的偏移量來(lái)嵌入了水印，這樣，在每個(gè)8？圖像塊的1個(gè)單元中嵌入了水印圖像的信息。設(shè)為代表要嵌入的水印圖像的第位信息，（1，4）、（1，5）、（1，6）代表嵌入的相鄰的3個(gè)DCT系數(shù)，具體的嵌入算法為：

其中為均值偏移量（嵌入系數(shù)）。

（4）對(duì)以上修改得到的每一個(gè)（）進(jìn)行逆DCT變換：（）=IDCT（（））。并將各塊（）合并為一個(gè)整圖，即為加載了水印的新圖像。

1.2 水印提取算法

設(shè)圖像為已經(jīng)加載了水印的圖像?，F(xiàn)要將所加載的水印從中提取出來(lái)。其過(guò)程為上述加載水印算法的逆運(yùn)算：

（1）將分為/8）祝？8）個(gè)8？大小的方塊（），1≤、≤/8。

（2）對(duì)每一個(gè)（）塊，進(jìn)行二維DCT變換：（）=DCT（（））。

（3）對(duì)每一個(gè)（），計(jì)算嵌入水印的值以及相鄰兩個(gè)單元的平均值，即： = （1，5） = （（1，4） + （1，6））/2

（4）按照下面規(guī)則進(jìn)行水印提?。?/p>

（5）將上面得到的所有合并成一個(gè)整圖。即為原始的水印圖像。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該算法的有效性選取了以為肺炎患者的CT圖進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，圖像大小為512？12水印為病人的個(gè)人信息（姓名+身份證號(hào)）大小為64？4，然后根據(jù)嵌入算法將水印嵌入圖2所示的位置，其中均值偏移量（嵌入系數(shù)） = 15。

原始圖像進(jìn)行8？分塊后大小為64？4正好為水印的大小，將水印嵌入到圖像中，得到含水印的圖像。從圖3可以看出添加水印后的醫(yī)學(xué)圖像并未失真依舊可以準(zhǔn)確地反映出病灶區(qū)域的信息。原始圖像和含水印圖像的峰值信噪比（PSNR）為37.26dB。在未受攻擊時(shí)提取的水印如圖4所示，水印十分清晰。

對(duì)含水印圖像添加噪聲，加有噪聲的含水印圖像和所提取的水印如圖5 所示，水印圖像可以清晰辨別。圖6為經(jīng)過(guò)JPEG壓縮后的含水印圖像（其中壓縮因子是70），由圖可以看出水印圖像仍然清晰可辯。

圖3 原始醫(yī)學(xué)圖像及原始水印

圖4 含水印圖像及提取的水印

圖5 加噪聲的含水印圖像及提取的水印

圖6 JPEG壓縮（壓縮因子70）時(shí)的含水印圖像及提取的水印

3 結(jié)論

本文提出了一種基于DCT的醫(yī)療圖像數(shù)字水印算法，可以用于數(shù)字化遠(yuǎn)程醫(yī)療，算法可以將病人的CT圖，X射線圖等醫(yī)療圖像作為載體圖像，將病人的個(gè)人信息如姓名，身份證等制成水印將水印嵌入到醫(yī)療圖像中去，經(jīng)過(guò)MATLAB仿真表明，含水印圖像經(jīng)過(guò)添加噪聲和JPEG壓縮后仍能提取出較為完整的水印，有效地保護(hù)了病人的個(gè)人隱私。

注釋

① 孫圣和，盧哲明，牛夏牧等.數(shù)學(xué)水印技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.11.

② 余燕忠，王新偉，劉建華.DCT域水印嵌入新策略和算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004（1）：12-13.