一種基于三維dft感知哈希的體數(shù)據(jù)魯棒多水印方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三維DFT感知哈希的體數(shù)據(jù)多數(shù)字水印技術，屬于多媒體信號處理領域。本發(fā)明的步驟是：首先對醫(yī)用體數(shù)據(jù)進行全局3D-DFT變換，選取前4×4×4個系數(shù)，再進行3D-IDFT變換，然后在反變換系數(shù)的實部中提取魯棒的感知哈希函數(shù)，并將多水印序列與該感知哈希值相關聯(lián)得到一串二值密鑰序列，并將該二值密鑰序列存于第三方；再通過對待測體數(shù)據(jù)使用三維DFT求取感知哈希值，并與存于第三方的二值序列相關聯(lián)來進行多水印的提取。本發(fā)明是基于三維DFT感知哈希的體數(shù)據(jù)多數(shù)字水印技術，有較好的魯棒性，多水印的嵌入不改變原始體數(shù)據(jù)的內容。
【專利說明】—種基于三維DFT感知哈希的體數(shù)據(jù)魯棒多水印方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于三維DFT感知哈希的體數(shù)據(jù)多數(shù)字水印技術，是一種多媒體數(shù)據(jù)保護方法，屬于多媒體信號處理領域。
技術背景
[0002]利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療診斷，醫(yī)學體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上進行遠程傳輸時，記錄在醫(yī)學圖片上的病人的個人信息，很容易被泄露。如何保護患者的個人隱私、使得病人的CT、MRI等醫(yī)用圖像上的個人信息、病人的電子病歷等數(shù)據(jù)不被泄露，這一問題隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及變得日益嚴重?，F(xiàn)今的加密方法和訪問控制已很難滿足醫(yī)學體數(shù)據(jù)信息安全的要求，若把個人信息作為數(shù)字水印嵌入在醫(yī)學圖片中，即醫(yī)學圖像數(shù)字水印技術(MedicalImage Watermarking,簡稱MIW)可以有效地解決這一問題。
[0003]數(shù)字水印技術最初是用于互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字媒體的版權保護，現(xiàn)在利用數(shù)字水印的不可見性、魯棒性等特點，可以把病人的個人信息隱藏在其醫(yī)學圖像中，以保證它在互聯(lián)網(wǎng)上的安全傳輸。醫(yī)學圖像數(shù)字水印的出現(xiàn)，使得遠程醫(yī)療診斷、遠程手術所需的相關病人資料在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸時，可以有效的保護病人的隱私，避免病人的資料被篡改。
[0004]目前對于抗幾何攻擊的體數(shù)據(jù)多數(shù)字水印算法的研究較少。而體數(shù)據(jù)在醫(yī)學圖像中大量存在，如:CT、MRI圖像都是由切片組成的體數(shù)據(jù)，因此研究如何在體數(shù)據(jù)中嵌入多數(shù)字水印有較大意義，并且對于醫(yī)學體數(shù)據(jù)，一般是不允許修改其內容的。這又為在體數(shù)據(jù)中嵌入多水印提高了難度。
[0005]總之，在三維體數(shù)據(jù)中嵌入魯棒多水印的研究較少，對于基于感知哈希的體數(shù)據(jù)多水印技術的研究目前尚屬空白，未見公開報道。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提出一種基于三維DFT感知哈希，實現(xiàn)既能抗擊幾何攻擊又能抗擊常規(guī)攻擊的體數(shù)據(jù)多水印嵌入與提取方法，它有較高的魯棒性，并且多水印的嵌入不影響原始體數(shù)據(jù)的體素數(shù)據(jù)值，是一種零水印方案，從而較好的保護了三維體數(shù)據(jù)。
[0007]本發(fā)明的原理是:首先對醫(yī)用體數(shù)據(jù)進行全局3D-DFT變換，選取前4X4X4個系數(shù)，再進行3D-1DFT變換，然后在反變換后的系數(shù)中提取一個魯棒的感知哈希值，并將多重水印序列與該感知哈希值相關聯(lián)，利用感知哈希的魯棒性多數(shù)字水印的抗幾何和常規(guī)攻擊。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣進行的:采用三維DFT變換與反變換，獲得體數(shù)據(jù)的哈希值。即:基于全局三維DFT變換，在三維DFT變換系數(shù)中選取前4X4X4個系數(shù)，再對選取的系數(shù)進行三維反DFT變換，取反變換后系數(shù)的實部，并求取反變換后實部系數(shù)的平均值，然后將每個反變換后系數(shù)的實部與其平均值進行比較，進行二值量化處理，大于或等于平均值，記為I ;小于平均值，記為0，得到體數(shù)據(jù)的哈希值。該哈希值具有抗幾何攻擊的能力，并將感知哈希、密碼學哈希有機結合起來，實現(xiàn)了體數(shù)據(jù)的魯棒多數(shù)字水印技術。本發(fā)明所采用的方法包括多水印嵌入和提取兩大部分，第一部分為多水印的嵌入，包括:(I)通過三維DFT感知哈希算法，得到原始體數(shù)據(jù)的魯棒感知哈希H(j)，(2)利用密碼學HASH函數(shù)性質，嵌入多重水印，生成含多水印信息的二值密鑰序列Keyg(j)，然后將二值邏輯序列Keyg(j)存在第三方；第二部分為多水印的提取，包括:(3)求出待測體數(shù)據(jù)的感知哈希值H’(j)，(4)利用存在于第三方的二值邏輯密鑰序列Keyg(j)和待測體數(shù)據(jù)的感知哈希值H’(j)，提取出多水印wg’(j)。
[0009]現(xiàn)對本發(fā)明的方法進行詳細說明如下:
[0010]首先選擇一組有意義的二值序列作為要嵌入醫(yī)學體數(shù)據(jù)的多水印，記為Wg= {wg(j) Wg(j)=0, 1; 1≤j≤L};同時,選取Matlab中自帶的一個MRI體數(shù)據(jù)作為原始醫(yī)學體數(shù)據(jù)，表示為:F= {f(i, j, k) f(i，j，k) e R; I≤i≤M，I≤j≤N，1≤k≤P}。其中，f(i，j，k)表示原始醫(yī)學體數(shù)據(jù)的體素(Voxel)數(shù)據(jù)值，這類似二維圖像中的像素灰度值，方便起見，設M=N。
[0011]第一部分:多水印的嵌入
[0012]I)通過全局三維DFT感知哈希算法,得到一個魯棒的感知哈希值H(j)；
[0013]先對原始體數(shù)據(jù)F(i，j，k)進行全局三維DFT變換，得到三維DFT系數(shù)矩陣FF(i, j, k)，在系數(shù)矩陣FF(i, j, k)中選取前4X4X4個系數(shù)FF4(i，j, k)，再對選取出的系數(shù)矩陣FF4 (i，j，k)進行三維反DFT變換，得到反變換后的系數(shù)，并取其實部FIF (i，j，k)，求取實部系數(shù)FIF(i，j，k)的平均值，通過平均值將反變換后的實部系數(shù)進行二值量化處理，得到體數(shù)據(jù)的感知哈希值H(j):
[0014]FF4(i，j，k)=DFT3(F(i，j，k))
[0015]FIF (i，j, k)=IDFT3(FF4(i, j, k))
[0016]H(j) =BINARY (FIF (i, j, k))
[0017]2)利用HASH函數(shù)，嵌入多重水印；生成含多水印信息的二值密鑰序Keyg(j)；
[0018]Keyg(j)=H(j) ⊕ Wg(J)
[0019]Key8(J)是由體數(shù)據(jù)的感知哈希值H(j)和多水印序列Wg(j)，通過密碼學常用的Hash函數(shù)生成。保存Keyg(j)，在下面提取多水印時要用到。通過將Keyg(j)作為密鑰向第三方申請，以獲得醫(yī)學體數(shù)據(jù)的所有權和使用權，達到版權保護的目的。并且多水印的嵌入不影響原始醫(yī)學體數(shù)據(jù)的質量，是一種零水印方案。
[0020]第二部分:多水印的提取
[0021]3)求出待測數(shù)據(jù)的感知哈希值H’ (j)；
[0022]設待測體數(shù)據(jù)為F’ (i, j, k)，經(jīng)過體數(shù)據(jù)的全局三維DFT變換后得到三維DFT系數(shù)矩陣為FF’ (i, j, k)，選取適當?shù)南禂?shù)矩陣，然后進行反DFT變換，取其實部，然后按上述步驟I類似的方法，求得待測體數(shù)據(jù)的感知哈希值H’ (j)；
[0023]FF’ 4 (i, j, k) =DFT3 (F，(i, j, k))
[0024]FIF’ (i, j, k) =IDFT3 (FF，4 (i, j, k))
[0025]H’(j) =BINARY (FIF，(i，j，k))
[0026]4)利用存在于第三方的二值邏輯密鑰序列Keyg(j)和待測體數(shù)據(jù)的感知哈希值H’(j)，提取出多水印wg’ (j)；
[0027]Wg’ (j) =Keyg(J)⊕H’ (j)[0028]根據(jù)在嵌入多水印時生成的邏輯密鑰序列Keyg(j)和待測體數(shù)據(jù)的感知哈希值H’(j)，利用Hash函數(shù)性質可以提取出待測體數(shù)據(jù)中含有的多水印Wg’(j)。再根據(jù)^和Wg’的相關程度來判別是否有水印嵌入，從而確認待測體數(shù)據(jù)的所有權和病患信息的安全性問題。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有的醫(yī)學多水印技術比較有以下優(yōu)點:
[0030]首先，由于本發(fā)明是基于三維DFT感知哈希算法的多數(shù)字水印技術，通過后面的實驗數(shù)據(jù)證實，該多水印不僅有較強的抗常規(guī)攻擊能力，而且有較強的抗幾何攻擊能力；并且，多水印的嵌入不影響原始體數(shù)據(jù)的體素數(shù)據(jù)值，是一種零水印技術，更好得保護了醫(yī)學體數(shù)據(jù)。這個特性，尤其是在醫(yī)療圖像處理等方面具有很高的實用價值，使用范圍廣，并且可實現(xiàn)大水印的嵌入與提取。
[0031]以下我們從理論基礎和試驗數(shù)據(jù)說明:
[0032]I)感知哈希
[0033]感知哈希是媒體感知內容的簡短摘要，可以定義為如下的單向函數(shù):
[0034]h=PH(I)
[0035]其中，PH是感知哈希函數(shù)，h表示由媒體對象I提取得到的感知哈希值。一般情況下，感知哈希值h是一個二進制向量H(j);感知哈希函數(shù)所具備的基本特性是:
[0036](a)摘要性:感 知哈希值所占用的存儲空間應盡可能的小；
[0037](b)感知魯棒性:感知內容相同或相近的媒體對象應該映射得到相同或者相近的感知哈希值；
[0038](C)抗碰撞性:感知內容不同的媒體對象應該不能映射得到相同或相近的感知哈希值。
[0039](d)單向性:由感知哈希值反推媒體對象的感知內容在計算上應該是不可實現(xiàn)的；
[0040]感知哈希為多媒體數(shù)字內容的標識、檢索、認證等應用提供了安全可靠的技術支撐逐漸成為多媒體信號處理與多媒體安全及相關領域的研究熱點。
[0041]2)三維離散余弦變換(3D-DFT)
[0042]三維DFT變換公式如下:
[0043]對應大小為MXNXP體數(shù)據(jù)f (X，y, z)，其三維離散余弦正變換(DFT)公式如下:
【權利要求】
1.一種基于三維DFT感知哈希的抗幾何攻擊的體數(shù)據(jù)多水印方法，其特征在于:基于3D-DFT變換，選取前4X4X4個系數(shù)，再進行3D-1DFT變換，然后在反變換系數(shù)的實部中提取魯棒的感知哈希函數(shù)，并將多水印序列與該魯棒的感知哈希值相關聯(lián)，實現(xiàn)了醫(yī)學體數(shù)據(jù)多數(shù)字水印的抗幾何攻擊和常規(guī)攻擊，該體數(shù)據(jù)多數(shù)字水印實現(xiàn)方法包括多水印嵌入和提取兩大部分，共計四個步驟: 第一部分是多水印的嵌入:通過對多水印的嵌入操作，得到相應的二值邏輯序列Keyg(j)； 1)通過基于三維DFT，獲得原始體數(shù)據(jù)的感知哈希值；即對三維體數(shù)據(jù)進行DFT變換，選取前4X4X4個低頻變換系數(shù)，然后進行三維反DFT變換并取實部，求取反變換實部系數(shù)的平均值，然后將每個實部系數(shù)與其平均值進行比較，進行二值量化處理，大于或等于平均值，記為I ;小于平均值，記為O，得到體數(shù)據(jù)的感知哈希值H(j)； 2)利用密碼學Hash函數(shù)性質和多水印序列Wg(j)，生成含多水印信息的二值密鑰序列Keyg(J), Keyg(j)=H(j) ? Wg(J); 保存Keyg(j)，下面提取多水印時要用到，通過把Keyg(j)作為密鑰向第三方申請，以獲得對原始醫(yī)學體數(shù)據(jù)的所有權； 第二部分是多水印的提取:通過二值邏輯序列Keyg(j)和待測體數(shù)據(jù)的魯棒感知哈希值H’ 0_)，提取出多水印,’ (j)； 3)對于待測體數(shù)據(jù)，按照步驟I)的方法，求出待測體數(shù)據(jù)的感知哈希值H’(j)； 4)利用密碼學Hash函數(shù)性質和存在于第三方的Keyg(j)，提取出多水印Wg’ (J)=Keyg(J) ? H’ (j)； 將^0_)和Wg’ (j)進行歸一化相關系數(shù)計算，來確定醫(yī)學體數(shù)據(jù)的所有權。
【文檔編號】G06T1/00GK103886543SQ201410128190
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權日:2014年4月2日
【發(fā)明者】李京兵, 陳延偉, 李雨佳, 張利, 仲吉陵 申請人:海南大學