[发明专利]一种基于三维DFT和混沌置乱的体数据水印实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三维DFT（离散傅里叶变换）和混沌置乱的体数据图像特征的数字水印技术，是一种多媒体数据保护方法，属于多媒体信号处理领域。

技术背景

利用互联网可以实现远程医疗诊断，但通过互联网传输病人的医用图像时，可能会泄露病人的个人信息。如何保护患者的个人隐私、使得病人的CT、MRI等医用图像上的个人信息、病人的电子病历等数据不被泄露，这一问题随着互联网的普及变得日益严重。医学图像数字水印技术（Medical Image Watermarking,简称MIW）可以有效地解决这一问题。

数字水印技术最初是用于互联网上的数字媒体的版权保护，现在利用数字水印的不可见性、鲁棒性等特点，可以把病人的个人信息隐藏在其医学图像中，以保证它在互联网上的安全传输。医学图像数字水印的出现，使得远程医疗诊断、远程手术所需的相关病人资料在互联网上传输时，可以有效的保护病人的隐私，避免病人的资料被篡改。

目前，在数字水印研究领域中，对于如何在体数据中嵌入水印的问题研究较少，而体数据在医学图像中大量存在，如：CT、MRI图像都是由切片组成的体数据，因此研究如何在体数据中嵌入数字水印意义重大，并且对于医学体数据一般是不容许修改其内容的。总之，对于在三维体数据中嵌入水印难度较大，目前尚未见报道，尚属空白。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于三维DFT变换和Logistic Map混沌置乱，在体数据中嵌入水印的方法。该水印算法具有较强的鲁棒性，既能抗击几何攻击又能抗击常规攻击，而且水印的嵌入不影响原始体数据的内容，是一种零水印方法，较好得保护了三维体数据。

本发明的原理是：首先利用Logistic Map对水印信息进行预处理，再对医用体数据进行全局3D-DFT变换，在3D-DFT变换系数中提取一个抗几何攻击的特征向量，并将预处理后的水印与该特征向量相关联，利用特征向量的鲁棒性实现了数字水印的抗几何和常规攻击。

为了实现上述目的，本发明是这样进行的：应用Logistic Map产生混沌序列对二值的水印图像W(i,j)进行混沌置乱和还原，提高水印的安全性；基于全局三维DFT变换（这里将体数据作为一个整体进行傅里叶变换，而不是分成小的立体块进行三维DFT变换），在三维DFT变换系数中，提取一个抗几何攻击的特征向量，并将水印技术与密码学有机结合起来，实现了数字水印的抗几何和常规攻击。本发明所采用的方法包括水印的混沌置乱、水印的嵌入、提取和还原四大部分，第一部分为水印的混沌置乱，包括：（1）通过Logistic Map产生混沌序列X(j)；（2）根据X(j)对水印进行置乱，得到混沌置乱的水印BW(i,j)；第二部分为水印的嵌入，包括：（3）通过对体数据进行全局三维DFT变换，得到一个抗几何攻击的特征向量V(j)；（4）根据混沌置乱的水印BW(i,j)和提取的体数据的特征向量V(j)，通过Hash函数运算，生成一个二值逻辑密钥序列Key(i,j)，然后将二值逻辑序列Key(i,j)存在于第三方；第三部分为水印的提取，包括：（5）求出待测体数据的抗几何攻击的特征向量V’(j)，（6）利用存在于第三方的二值逻辑密钥序列Key(i,j)和待测体数据的特征向量V’(j)，提取出水印BW’(i,j)；第四部分为水印的还原，包括：（7）应用Logistic Map得到与步骤（1）相同的混沌序列X(j)，（8）通过X(j)对水印进行还原。

现对本发明的方法进行详细说明如下：

首先选择一个有意义的二值图像作为要嵌入医学体数据的水印，记为W={w(i,j)|w(i,j)=0,1;1≤i≤M1,1≤j≤M2}；同时，选取Matlab中自带的一个MRI体数据作为原始医学体数据，表示为：F={f(i,j,k)|f(i,j,k)∈R;1≤i≤M,1≤j≤N，1≤k≤P}。其中，w(i,j)和f(i,j,k)分别表示水印的像素灰度值和原始医学体数据的体素（Voxel）数据值，这类似二维图像中的像素灰度值，方便起见，设M1=M2，M=N。

第一部分：水印的混沌置乱

1）通过Logistic Map生成混沌序列；

由初始值x₀通过Logistic Map混沌系统生成混沌序列X(j)。

2）得到混沌置乱的水印；

首先，将混沌序列X(j)中的值按照从小到大的顺序进行排序，然后根据X(j)中各个值排序前后的位置变化对水印像素的位置空间进行置乱，得到混沌置乱的水印BW(i,j)。

第二部分：水印的嵌入