本科毕业设计说明书
题目：面向医学图像的数字水印
算法设计
院（部）：信息与电气工程学院
专业：电子信息工程
班级：电信111
姓名：
学号：
指导教师：
完成日期：2015年6月10日
目录
摘要................................................................................................................................. ABSTRACT...................................................................................................................... 1前言................................................................................................................................
1.1选题的背景和意义.......................................................................................................
1.2 国内外研究现状..........................................................................................................
1.3 本论文的研究内容和组织结构.................................................................................. 2医学图像数字水印技术概论 ...................................................................................
2.1 数字水印的概述..........................................................................................................
2.2 数字水印系统的基本模型..........................................................................................
2.3 数字水印的攻击方法..................................................................................................
2.4 数字水印系统的性能评估..........................................................................................
2.5 医学数字水印的概念..................................................................................................
2.5.1 医学图像的特点.....................................................................................................
2.5.2 数字水印在医学中的分类.....................................................................................
2.5.3 数字水印在医学中的用途.....................................................................................
2.5.4 医学水印所要研究的主要问题.............................................................................
2.6本章小结....................................................................................................................... 3医学图像数字水印算法设计与实现 .....................................................................
3.1 设计算法的选择..........................................................................................................
3.2 离散余弦交换(DCT) ...................................................................................................
3.3 方案设计......................................................................................................................
3.4 离散余弦变换的水印嵌入..........................................................................................
3.5 离散余弦变换的水印提取..........................................................................................
3.6 主要Matlab函数 .......................................................................................................
3.7 水印的检测..................................................................................................................
3.7.1 嵌入水印的图像效果图.........................................................................................
3.7.2 鲁棒性测试实验.....................................................................................................
3.7.3 实验结论及分析.....................................................................................................
3.8 本章小结...................................................................................................................... 4总结................................................................................................................................谢辞 ...................................................................................................................................参考文献 ............................................................................................................................附录 ...................................................................................................................................
摘要
随着数字化技术的发展，传统的医学图像保存、分发介质已由胶片转变为数字图像光盘、磁盘。因此，医疗影像及数据信息在网络传输过程中同样会遭遇篡改、非法复制、版权保护等信息安全问题。保护医学图像的完整性和版权也是现代信息安全技术一个需要解决的问题。本文主要对医学图像的版权保护方面进行了研究。
本文结合现有的经典水印算法，从离散余弦变换（DCT）这种常用的数学变换入手进行了研究。本文DCT数字水印算法是首先把图像分成8×8的不重叠像素块，在经过分块DCT变换后，即得到由DCT 系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。实验证明，该算法满足水印系统的要求。
本文对数字水印的攻击方法以及数字水印的评价标准也作了详细的论述，以更好地评价水印算法的特性。
关键词：数字水印；离散余弦变换；峰值信噪比；归一化系数The Design on Digital Watermarking Algorithm of
Medical Image
ABSTRACT
With the development of digital technology, traditional medicine images are saved, the distribution medium of film into digital images
by CD, disk.Therefore, medical imaging, and data transmission in the network will also encounter tampering, illegal copying, copyright protection and other information security issues.To protect the integrity of medical images and copyrights is a modern information security technologies need to be resolved. This paper focuses on copyright protection of medical images were studied.
In this paper, combined with the existing classical watermarking algorithm, the discrete cosine transform (DCT) was studied by mathematical transformation of the commonly used. DCT digital watermark algorithm is first the image is divided into 8 × 8 non overlaping pixels block, after block DCT transform, the frequency of DCT coefficient blocks, and then randomly selected some frequency block, to embed the watermark signal is controlled by the key choice of many of the DCT coefficients.Experiments show that the algorithm satisfies the requirements of watermarking systems.
Digital watermarking attack methods and evaluation criteria of digital watermarking paper also discussed in detail, in order to better evaluate the characteristics of watermarking algorithm.
Keywords：Digital watermarking；discrete cosine transform；PSNR；NC
1前言
1.1选题的背景和意义
数字化信息时代，网络技术与数字多媒体技术的发展给人们带了极大的便利，但同时也带来了一系列的安全问题。由于数字媒体很容易在网络传输过程中被复制、处理、传播和公开，如何防止数字产品被侵权、盗版和随意篡改以成为当前亟待解决的问题。传统方法是通过加密技术保护数据传输，但是当数据被接收并解密．其保护作用也随之消失。
迅猛发展的数字化技术也正在广泛的渗透到医学图像领域中，采用X光断层扫描技术(CT)和磁共振成像技术(MRI)进行诊断己成为现代医学诊断不可或缺的有效辅助手段。传统的医学图像保存、分发介质已由胶片转变为数字图像光盘、磁盘。随着计算机网络技术的发展，通过网络将所诊断的数字化影像传向远方将成可能。这标志着通过网络进行远程医疗诊断的数字化医疗时代已经到来。医学数字影像传输及通信DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)标
准的建立，促进了医疗影像信息的交流。然而，医疗影像及数据信息在网络传输过程中同样会遭遇篡改、非法复制、版权保护等信息安全问题，因此保护医学图像的完整性和版权也是现代信息安全技术一个需要解决的问题。
目前在多媒体信息安全中常用的技术是数字签名，它利用加密技
术，是一种传统的认证及完整性保护方法。数字签名可以应用于图像的完整性认证，但是该方法存在三个问题：首先是一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了；其次是数字签名的过程是二值映射。只能给出认证是否通过的结果，不能指出具体的篡改位置和程度，更不能完成对己篡改图像的恢复；另外数字签名的密文在传输中不允许任何改动，因
为密文即使是相差1比特也会使解密后的数据面目全非，所以使用数字签名的前提是信道没有噪声。对于普通的消息，由于网络的低层采用纠错编码的方法处理数据，信道可被看成是无噪声的，数字签名的方法是非常有效的：但是对于图像数据而言，由于其本身含有很多冗余信息，只要不影响到图像的内容或视觉效果，在传输和存储过程中，进行格式转换或者经过一些无害的处理操作，如压缩、滤波、去噪、对比度增强等，是可以接受的。这样的信道是有噪声的，数字签名的方法不能抵抗这些噪声干扰，将导致图像认证失败。
如果在存储和传输过程中保证不被压缩以及其它处理，虽然能够认证成功，但这显然会造成数据量过于巨大，影响存储器和网络带宽的利用率。因此，必须寻求一种新的手段来对图像完整性保护和版权保护。
数字水印技术为解决这种信息安全提供了一种有效的手段，将标志性的数字信息嵌入到医学图像中，其特有的鲁棒性和安全性保证了在经历信息交流过程中的数据处理后，仍能完整可靠地提取水印标志，
从而起到鉴别内容真伪，保护病人个人信息等作用。
1.2 国内外研究现状
1993年，澳大利亚的A.Z.Tirkel[1]等所撰写的“Electronic Wate r Mark”一文首次使用了“Water Mark ”这一术语。这一命名标志着数字水印技术作为一门正式研究学科诞生。后来二词合二为一就成为“Watermark”。Van Schyndelp[2]在1994年国际图像处理会议(I CIP’94)上发表的题为“A digital watermark”一文，是第一篇在重要国际会议上发表的关于数字水印的文章，具有里程碑的历史意义。作为一门数字时代的新兴技术．数字水印激发了国内外众多知名学府、研究机构和公司的极大兴趣，比如美国麻省理工学院、普林斯顿大学、IBM研究所、朗讯贝尔实验室、英国剑桥大学、日本NEc研究所、N TT信息与通信系统研究中心、SONY公司，PHILIPS公司，美国版权工作组等众多机构，甚至美国财政部都投入了相当的人力和财力致力于该技术的研究。1996年5月，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届信息隐藏技术国际研讨会(International Information Hiding Work shop,IIHW)，接着lEEE ICLP(Intgmat-ional Confe-renceon Image Processing)、IEEE ICASSP(Intemational Conference On A-coustics, Spe-ech and Signa|Processing)、IEEE Transactions on ImagesProc-essing,IEEEComputerGra-phics and Its Application等许多国际重要期刊都发表了大量的有关数字水印技术的论文。
除了理论研究外，一些机构也积极开发了数字水印产品。在美国，
以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利，如DICE的专利技术。其中美国Digimarc公司于1995年就推出了具有专利权的水印制作技术，它是世界上第一个商用数字水印软件，并在Photoshop4.0和CorelDraw7.0中得到应用。目前国际上已经开发成功的数字水印软件还有Digimarc公司PictureMa rc，BmehMarc，MareCenler，MareSpider，英国signum公司suresi gn产品以及MediaSec公司SysCop系列产品等。
数字水印技术在国内的研究起步稍晚，但这一领域同样也引起了许多科研人员的浓厚兴趣。国内许多高等学府和科研院所都开始了这项技术的研究，如中国科学院，清华大学，北京大学，国防科技大学，北京电子技术应用研究所等单位，对数字水印的研究提出了许多独到的见解，在理论上也取得了不少可喜的成果。其中比较有代表性的有中国科学院研究所的刘瑞祯、谭铁牛[3]等,北京邮电大学的杨义先、忸心析[4]等。1999年12月，中国信息安全领域召开了国内第一届信息隐藏学术研讨会(CIHW)，2000年1月，由国家“863”智能专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，与会专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。这些会议增加了研究者彼此间的交流，促进了国内数字水印技术的快速发展。国家863计划，国家自然科学基金等都对数字水印的研究有项目资金支持，充分反映了国家对该技术领域的重视。从目前的发展来看，我国相关学术领域的研究与世界水平处在
同一阶段，而且部分己推出具有自主知识产权的产品，如成都宇飞信息公司推出“宇飞数字水印印刷应用技术”和上海阿须数码技术有限公司研制的“数字印章技术”等。
到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。
数字水印的基础研究主要集中在鲁棒水印算法、水印容量等方面。90年代中期，采用通信理论模型，将原始图像和有意无意的攻击看作噪声，特别是将扩频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高，随后提出结合感知模型、白适应的鲁棒水印算法，在此基础上，提出了更精确的信息隐藏水印模型。晟近，提出矢量量化的方法，预言能够取得更加鲁棒的算法。在不同算法中，水印容量分析相当重要，因为这是应用中首先需要明确的问题，目前结合信息论、通信理论。分析容量范围，成为了当前研究热点。
水印的算法的研究主要分为空域算法和变换域算法两种，下面主要介绍针对图像数据域的一些算法。
（1）空域算法：
该类算法通常包括基于像素的水印和基于分块的水印两类。其中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的比特
位(LSB，least significant bits)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的比特位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形等操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中，Patchwork算法就是随机选择N对像素点(a，b)后将每个a点的亮度值加I，每个b点的亮度值减1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，Patchwork方法对JPF,6压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。
利用统计特征的空域嵌入算法也是一类重要的嵌入技术。这类方法的主要思想是通过修改原始载体数据使得原始载体的某些统计特征发生变化，检测时只需查看水印载体的统计特征即可。从而达到盲检测的目的。当然这些统计特征的来源必须受到密钥的控制以保证安全性。在空域嵌入算法中，常用的统计量包括平均值标准偏差和直方图等。Wong[5,6]等人提出了一种基于分块的脆弱水印认证算法，算法的主要思想
是把图像分割为各个独立的小块，然后分别在各小块上嵌入各自的水印，该类分块独立算法的缺点是不能抵抗伪造真实图像的量化攻击，其原因在于各个分块是独立的。
（2）变换域算法：
随着DFT、DCT、小波变换等被广泛应用于图像的有损压缩中，
许多鲁棒性水印的算法采用了DCT变换或小波变换，从而极大地提高了鲁棒性。由于许多脆弱性水印系统要求能够抵抗有损压缩，这在变换域中更容易实现。此外，变换域更容易对图像被篡改的特征进行描绘，因此更多的算法采用在变换域中实现。
傅里叶变换是一种经典而有效的数学工具，DFT域的算法有利于实现水印的仿射不变性。且可利用变换后的相位信息嵌入水印。这类算法是通过改变图像离散DFT变换系数中的某些系数的幅值或者通过修改DFT变换的相位值来实现水印的嵌入。为了同时满足水印的不可见性和鲁棒性，在图像中DFT系数的幅值上嵌入水印的算法通常情况下都是选择中频系数来嵌入水印。O.Ruanaidh[7]提出了两种DFT域的水印算法。一种算法是将水印嵌入到DFT系数的相位信息中，其依据是Hayes的结论“从图像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”；另外一种算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。
在离散余弦变换（DCT）水印算法中，数字载体首先进行DCT 变换，该变换的对象可以是整个载体(如整幅图像)，也可以是载体的各个部分(比如对图像进行分块，块的大小一般为8×8或者16×16)。嵌入空间是载体的某个频带或某些频带，这些频带对应的变换系数遵循一定的规则被修改、替换或交换。载体的低频信息反映了载体的主要轮廓，不应有较大的失真，水印的嵌入将影响其不可见性。而载体的高频信息是人类感知系统不敏感的信息，通常被压缩技术所剔除，故若在该频带中嵌入水印信息，水印的鲁棒性较差。基于此，为了同时满
足水印的鲁棒性和不可见性，主张将水印信息嵌入到载体的中频系数中。
类似的水印技术还被引入到离散小波变换(DWT)域中。利用小波变换的多分辨特性，嵌入的水印在不同分辨层上具有不同的鲁棒性和视觉特性。较之DCT变换，小波变换具有更好的能量集中特性，其良好的时一频分解特性更符合人类视觉系统的特点，因此被新一代的压缩标准如MPEG-4及．JPEG-2000所采用。
1.3 本论文的研究内容和组织结构
本课题就是针对当前水印技术发展现状，设计用于医学图像数字水印算法，并讨论嵌入算法的性能。全文安排如下：
第一章，前言。介绍了数字水印技术的背景以及国内外的发展现状，给出了本文研究的主要内容和组织结构。
第二章，数字水印系统的基本理论和医学数字水印技术的基本介绍，本章主要概述了数字水印的基本原理和医学水印的基本内容。
第三章，研究和分析了离散余弦变换算法在医学图像水印技术的应用并实现水印的盲提取算法，并对算法进行了一系列的性能评估。
第四章，对整篇论文所做的工作进行了总结。
2医学图像数字水印技术概论
2.1 数字水印的概述
（1）数字水印的定义
数字水印技术就是指将秘密信息嵌入进作为载体对象的多媒体作品中，其中的载体图像可以是图像、音频等不同形式，嵌入水印可以为数字产品提供版权归属信息或产品是否真实的证明，数字水印的嵌入不会影响原产品的使用价值，且不易为人的感知系统（视觉、听觉等）所察觉。其中的秘密信息就是水印信息，它可以是有实际意义的信息，如用户序列、版权标记等信息，但需要通过适当变换才可以嵌入到数字产品中，它也可以是无实际意义的二值序列，可以直接作为待嵌入水印信息。水印的数据形式有多种，常见的是一维和二维，也可以是更高的维数，而具体的维数要由载体对象来确定，比如音频可以嵌入一维的水印，静止图像可以嵌入二维的水印，而动态图像可以嵌入的水印可以是三维的。
从不同角度理解数字水印技术，可以对其作出不同的描述。水印的嵌入在数字信号处理中可以看作是信号的叠加操作，相对而言，水印信息是弱信号，载体信息是强信号。从通信原理方面分析，载体相当于一个宽带信道，而水印则是一个窄带信号，嵌入过程就是信号在信道传输的过程[8]。但粗略说来，数字水印的基本流程主要由水印的嵌入、提取和检测三部分组成[9]。
（2）数字水印的基本特性
数字水印有很多特性，但不同的应用对数字水印的要求是不完全一样的，一般认为数字水印应该具有下面的特性。
①不可感知性
不可感知性也可称作透明性，是衡量信号在被处理前后的相似性。从水印是否可感知的角度来分，可以分为可见水印和不可见水印两类，不同应用场合对水印可见性的要求也不一样，需要根据具体情况作出选择。对鲁棒的或易损的不可见性水印来说，这是最基本的要求。不可感知包含两个方面的内容：首先从感官角度来看应该不可感知，是指水印嵌入会对宿主数据造成改变，但人光凭听觉或视觉是不会觉察出这种变化的，只是对于人的主观感受而言的。只要不使人的视觉、听觉等器官感受发生变化，就是不可感知的；另一个是指统计上的不可感知，即：对于使用相同方法嵌入的不同作品而言，即使采用统计方法对其进行处理，也找不到可以判定作品中是否含水印的共性。
②鲁棒性
数字水印的鲁棒性主要是指含水印的数据在接受了一些无意或者刻意的处理后，包含的水印依旧保持完整且可以被准确识别，换句话说就是具有鲁棒性的水印是不能被轻易删除活着修改的。
数字水印的鲁棒性可以体现在以下几个方面:首先，数字水印应该具有抵抗一般信号处理（如压缩、剪切、滤波与平滑等）的鲁棒性；第二，数字产品中嵌入的水印可以抵抗几何变换攻击，目前很多算法
都是基于小波变换或离散余弦变换提出的，这些算法的不足就是抵抗几何攻击的能力非常弱；第三，数字水印能够抵抗删除、篡改等恶意攻击，事实上攻击者比较容易得到含水印的数据，但在不破坏原始数据的前提下完全删除水印信息或伪造新的含水印的数据是非常困难的。
对于数字水印鲁棒性要求的强弱程度是因需求而异的，在很多情况下，数字水印只需要对于可能存在的处理操作保持有稳健性就可以了。比如当希望产生脆弱水印时，甚至都不要求鲁棒性的。
③确定性
数字水印所携带的信息必须能够被唯一确定的鉴别，且提取应该是容易的，即使遭到一定破坏，水印仍然能被鉴别，以判定数字作品的真正所有者。解释攻击就是对数字水印的确定性攻击的一个例子。
④安全性
安全性是指数字水印的信息要难以被篡改或伪造。对于有目的的攻击，要具有抵抗力，使非授权用户无法检测和破坏水印。
⑤容量
水印容量是指在载体不发生形变的情况下，单位时间内或一个作品中最多可以嵌入水印信息的量。对于一个水印算法而言，必须可以提供足够的水印容量，才可以满足较多的需求。
其中，不可感知性、鲁棒性和容量三者是互相制约的，到目前为止，没有哪种算法能够使三者都达到最优，现在的水印嵌入算法都是
根据具体问题的需要在这三者中进行折中。
（3）数字水印的分类
数字水印的分类可以从不同的角度进行，比较常见的有以下几种：①按水印的感知特性划分
对视频或静态图像而言，感知性也就是可见性，水印的可见性决定它是可见水印还是不可见水印。不可见水印是最为常用的水印技术，它是通过利用人类视觉系统（HVS）的特点，将水印隐藏在数据中，使得人们无法通过肉眼分辨出来。可见水印则是因为嵌入的水印强度足够大，能够通过肉眼直接观察出来的水印。当然也可以用于音频中，即可听或不可听水印。
②按水印的稳健性划分
不同水印在抵抗攻击时表现出的稳健性是不同的，因此水印可以分为脆弱水印、半脆弱水印及稳健水印。脆弱水印对任何变换或处理操作都非常敏感，主要用于完整性认证等应用中。半脆弱水印是对某些特定的处理操作有鲁棒性，但对其他的处理却不具备鲁棒性，主要应用于内容认证等应用中。稳健水印对常见的各种处理操作都具备鲁棒性，相比前两种水印而言，它的应用更广泛，主要应用于版权保护等应用中。
③按水印的检测划分
按水印的检测过程可以将数字水印划分为非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水要原始数据和原始水印的参与；半盲水印则不需要原
始数据，但需要原始水印来进行只需要密钥，既不需要原始数据，也不需要原始水印。一般来说，非盲水印的鲁棒性，到存储成本的限制，而盲水印技术更有实用性，尤其是面对大数据量的数字视频信息，盲水印技术的实现更具有商业价值。
④按水印的嵌入位置划分
目前已有的算法中，水印可以嵌入在空间域或变换域中，对应的水印成为空间域水印和变换域水印。在数字水印技术发展的进程中，出现较早的水印算法多是空间域的，是通过修改空间域中采样点的幅度值来嵌入水印信息的，比如：最低有效位（LSB）方法、拼凑（Patchwork）方法等。变换域水印主要是利用变换域系数的改变来隐藏水印信息的，较为常见的有DCT变换、小波变换、傅里叶变换等，相对空间域水印而言，变换域水印的优点在于拥有更大的水印容量和更好的不感知性。
⑤按水印的载体划分
作为数字水印载体的数字产品可以是任何一种多媒体类型，根据水印所附载的媒体的类型，可以把水印分为静止图像水印、视频水印、音频水印、软件水印、文档水印等。
2.2 数字水印系统的基本模型
一个完整的数字水印系统主要由两部分组成，一部分是水印的嵌入，另一部分是水印的提取。但在水印嵌入之前，为了提高系统的鲁棒性、保密性和自适应性，一般会对原始水印先进行预处理，即通过
适当的变换后才作为待嵌入水印信号，其一般模型如图 2.1所示。水印的嵌入和提取一般过程则如图 2.2所示，其中虚线框内“原始载体数据”体现了盲检测和非盲检测的区别。 原始水印水印生成算法待嵌入水印
生成密钥
图2.1 水印生成的一般模型 水印嵌入
算法嵌入密钥待嵌入水印载体作品含水印载体作品水印检测算法水印信息
密钥
原始载体
图像
图2.2 水印的嵌入和提取过程
2.3 数字水印的攻击方法
数字水印技术作为数字产品版权保护和认证的重要手段，必然会受到各种形式的攻击，对数字水印系统的攻击主要可分为以下几类：
（1）稳健性攻击