一种基于频域变换的医学图像版权及篡改双重保护方法

技术领域

本发明涉及一种图像保护技术，尤其是涉及一种使用于对医学图像保护的基于频域变换的医学图像版权及篡改双重保护方法。

背景技术

医学图像作为疾病诊断和治疗的重要凭据，既可为医疗诊断提供现场诊断证据又可提供远程医疗诊断重要证据，同时也可为医学研究、司法鉴定等提供重要证据。随着互联网的发展，数字图像传播越来越方便，图像版权及篡改保护引起人们越来越多的重视。医学图像的版权保护难度与篡改风险也越来越高，对医学图像的版权保护及防止篡改问题也越来越重要，如何实现有效的医学图像版权及篡改双重保护也是有着深入研究的必要性。

发明内容

本发明为解决现有医学图像存在着版权保护难度大及篡改风险也越来越高等现状而提供的一种可有效实现对医学图像进行版权及篡改双重保护，提高医学图像版权保护有效性，又能防止被篡改的基于频域变换的医学图像版权及篡改双重保护方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：一种基于频域变换的医学图像版权及篡改双重保护方法，其特征在于：包括版权信息与防篡改校验信息的嵌入流程和版权信息与防篡改校验信息嵌入后的提取检测验证流程；其中版权信息与防篡改校验信的嵌入流程包括如下嵌入流程；

A1.利用预训练好的UNET网络，将医学图像分为前景B1区域和背景B2区域；

A2.在图像前景B1区域中嵌入版权信息M1，版权信息M1用于医学图像的版权保护；

A3.在图像背景B2区域嵌入防篡改校验信息M2，防篡改校验信息M2用于医学图像防止篡改；

防篡改校验信息嵌入后的提取检测验证流程包括如下提取流程；

A4.利用预训练好的UNET网络，将待检测医学图像分为前景B1区域和背景B2区域；

A5.在图像背景B2区域进行防篡改校验信息检测，如果医学图像未被篡改，则进入下述第A6步骤，否则提示用户医学图像已经被篡改；

A6.在图像前景B1区域进行用户版权信息提取检测和显示。

通过将版权信息嵌入图像区域，需要检查版权时再从图像区域中提取出来；可有效实现对医学图像进行版权及篡改双重保护，提高医学图像版权保护有效性，又能防止被篡改。

作为优选，上述A2步骤的嵌入版权信息算法是基于频域变换的矩阵分解方法，版权信息嵌入包括如下嵌入流程：

A21.将图像前景B1区域按16×16分块，每块由左上LT、右上RT、左下LB和右下RB四个8×8子块构成；同时将用户的版权信息M1用二进制流wm表示；

A22.将每个子块进行DCT离散余弦变换，找出A21步骤中四个子块中频域系数直流分量最大的子块RM，将该子块的频域系数左上角2×2的四个系数取出，组合成矩阵M，进行SVD矩阵奇异值分解，M＝U*S*V

A23.将奇异值矩阵S对角线上左上角第一个系数W0取出，按照以下规则进行修改：

A231.

A232.

A233.W0＝t*Q(得到修改后的W0)；

上述式中，m(i)为二进制版权信息中第i位的数值，t是对m的修改值，Q为量化步长，公式中Round为四舍五入取整，公式中Q值确定：扫描所有分块结果变换后的W0系数，

取

A24.将修改后的W0写回奇异值矩阵S，得到修改后的矩阵数值，重新计算M＝U*S*V，将修改后的矩阵M写回RM频域系数，并对频域系数进行IDCT离散余弦反变换，得到修改后的子块RM图像，返回最初A21步骤，重复计算下一个16×16子块，一直到所有的分块都处理完成。

作为优选，上述A3步骤包括如下防篡改校验信息嵌入过程：

A31.将加完版权信息的图像前景B1区域按照32×32大小进行小块划分，将每块像素先作DCT离散余弦变换，得到32×32大小的频域系数矩阵，选取频域系数矩阵的左上角n×n个系数将系数归一化到0-255整数，再对这n×n个系数进行CRC校验码生成，每块生成16比特校验信息，将图像前景B1区域所有分块处理完，将所有小块的校验信息串接为防篡改校验信息M2；

注：n为参数，1<＝n<＝32，n越大防篡改的灵敏度越高；

A32.将防篡改校验信息M2转换为二进制流形式，判断图像背景B2区域中每个像素，选择高4位为0的像素进行嵌入，从而确保嵌入的像素属于数值较小的背景区域；嵌入时选择像素的低四位进行，为减少对原图修改的影响，设计出根据频次直方图的数据映射修改规则。

作为优选，所述的根据频次直方图的数据映射修改规则包括如下规则；

A321.将防篡改校验信息M2的二进制流按照每三位进行分组，每组对应的数值范围从二进制000-111，分别对应十进制0-7，建立数值频次直方图；

A322.用P(i)表示数值i对应的频次，用数值i出现的次数除以总次数来表示，将P(0)-P(7)进行从大到小排序，设排序好的数值序列为

N(i){N(0)>N(1)>…>N(7)}；N(0)表示排在第一位的数值，N(1)表示排在第二位，依此类推；

A323.建立如下表的像素修改规则映射表，修改像素中，符号*表示该位置的数据不变动，其余0或1分别表示对应位置的数据修改为0或1；

像素修改规则映射表

作为优选，上述A5步骤防篡改校验信息检测包括如下提取及比对过程；

A51.将待检验的图像前景B1图像区域按32×32进行分块，将每块像素先作DCT离散余弦变换，选取频域系数矩阵的左上角n×n个系数，将系数归一化到0～255整数，再对这n×n个系数进行CRC校验码生成，每块生成16比特校验信息，将图像前景B1区域所有分块处理完，将所有小块的校验信息串接为提取校验信息T2；注：n为参数，1<＝n<＝32；

A52.将B2图像区域中保存的校验信息进行提取，首先判断图像背景B2块中每个像素，选择高4位为0的像素作为候选像素进行信息提取；根据A3步骤防篡改校验信息嵌入过程得到的映射规则表，确定每一候选像素中嵌入的防篡改校验信息，循环处理完图像背景B2中所有候选像素，得到嵌入的防篡改校验信息M2，比较防篡改校验信息M2与提取校验信息T2，如果发现差异，则认为被篡改并可计算出篡改区域。

作为优选，上述A6步骤版权信息提取检测包括如下提取检测过程：

A61.将前景图像B1按16×16分块，每块由左上LT、右上RT、左下LB、右下RB四个8×8子块构成，将每个子块进行DCT离散余弦变换；

A62.找出4个子块中频域系数直流分量最大的子块RM，将该子块的频域系数左上角2×2的四个系数取出，组合成矩阵M，进行SVD矩阵奇异值分解；

A63.将奇异值矩阵第一个系数W0取出，按照以下规则进行水印提取：

A631.

返回最初A61步骤，循环处理所有的16X16分块，将每一块得到的水印信息组合为二进制流wm(i)，将二进制流转换为版权信息M1；

注：公式中Round为四舍五入取整，公式中Q值为上述A2步骤中版权信息嵌入过程中记录下的Q值。

本发明的有益效果是：通过将版权信息嵌入图像区域，需要检查版权时再从图像区域中提取出来；可有效实现对医学图像进行版权及篡改双重保护，提高医学图像版权保护有效性，又能防止被篡改。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明一种基于频域变换的医学图像版权及篡改双重保护方法的医学图像前景背景分割示意图。

图2是本发明一种基于频域变换的医学图像版权及篡改双重保护方中A3步骤中建立的数值频次直方图示意图。

具体实施方式

图1、图2所示的实施例中，一种基于频域变换的医学图像版权及篡改双重保护方法，包括版权信息与防篡改校验信息的嵌入流程和版权信息与防篡改校验信息嵌入后的提取检测验证流程；

其中版权信息与防篡改校验信的嵌入流程包括如下嵌入流程；

A1.利用预训练好的UNET网络，将医学图像分为前景B1区域和背景B2区域；

A2.在图像前景B1区域中嵌入版权信息M1，版权信息M1用于医学图像的版权保护；

A3.在图像背景B2区域嵌入防篡改校验信息M2，防篡改校验信息M2用于医学图

像防止篡改；

防篡改校验信息嵌入后的提取检测验证流程包括如下提取流程；

A4.利用预训练好的UNET网络，将待检测医学图像分为前景B1区域和背景B2区域；

A5.在图像背景B2区域进行防篡改校验信息检测，如果医学图像未被篡改，则进入下述第A6步骤，否则提示用户医学图像已经被篡改；

A6.在图像前景B1区域进行用户版权信息提取检测和显示。

注：频域变换中的频域是指频率域，指将图像通过某种变换从图像域变到频率域，“基于频域变换”主要体现在嵌入和提取版权信息的时候，都需要通过离散余弦变换(DCT)，这个操作把图像变换到频率域；频率域中可以更清楚地看到信号的频率分布；因为我们的专利是医学图像的版权和篡改双重保护，第一个过程是对用户医学图像版权的保护，通过将版权信息图像区域，需要检查版权时再从图像中提取出来；所以这里描述的是对医学图像的版权信息和防篡改校验信息的嵌入与验证提取过程。

上述A2步骤的嵌入版权信息算法是基于频域变换的矩阵分解方法，版权信息嵌入包括如下嵌入流程

A21.将图像前景B1区域按16×16分块，每块由左上LT、右上RT、左下LB和右下RB四个8×8子块构成；同时将用户的版权信息M1用二进制流wm表示；

A22.将每个子块进行DCT离散余弦变换，找出A21步骤中四个子块中频域系数直流分量最大的子块RM，将该子块的频域系数左上角2×2的四个系数取出，组合成矩阵M，进行SVD矩阵奇异值分解(SVD是指Singular Value Decomposition，简称SVD，作用是将一个矩阵分解为USV三个矩阵相差的形式，中间的S矩阵称为奇异值矩阵)，获得矩阵计算式：M＝U*S*V；频域系数是指结果某种变换后，将图像变换到频率域，频域系数是指频率域矩阵中的值。

A23.将奇异值矩阵S对角线上左上角第一个系数W0取出，按照以下规则进行修改：

A231.

A232.

A233.W0＝t*Q(得到修改后的W0)；

上述式中，m(i)为二进制版权信息中第i位的数值，t是对m的修改值，Q为量化步长，公式中Round为四舍五入取整，公式中Q值这样确定：扫描所有分块结果变换后的W0系数，取

即Q值取W0均值的1/10作为量化步长Q；W0是每个子块的奇异值矩阵的左上角系数，A233中表示是对这个系数进行修改的公式；

A24.将修改后的W0写回奇异值矩阵S，得到修改后的矩阵数值，重新计算M＝U*S*V，将修改后的矩阵M写回RM频域系数，并对频域系数进行IDCT离散余弦反变换，得到修改后的子块RM图像，返回最初A21步骤，重复计算下一个16×16子块，一直到所有的分块都处理完成。

上述A3步骤包括如下防篡改校验信息嵌入过程

A31.将加完版权信息的图像前景B1区域按照32×32大小进行小块划分，将每块像素先作DCT离散余弦变换，得到32×32大小的频域系数矩阵，选取频域系数矩阵的左上角n×n个系数将系数归一化到0-255整数，再对这n×n个系数进行CRC校验码生成，每块生成16比特校验信息，将图像前景B1区域所有分块处理完，将所有小块的校验信息串接为防篡改校验信息M2；

注：n为参数，1<＝n<＝32，n越大防篡改的灵敏度越高；

A32.将防篡改校验信息M2转换为二进制流形式，判断图像背景B2区域中每个像素，选择高4位为0的像素进行嵌入，从而确保嵌入的像素属于数值较小的背景区域；嵌入时选择像素的低四位进行，为减少对原图修改的影响，设计出根据频次直方图的数据映射修改规则。

所述的根据频次直方图的数据映射修改规则包括如下规则；

A321.将防篡改校验信息M2的二进制流按照每三位进行分组，每组对应的数值范围从二进制000-111，分别对应十进制0-7，建立数值频次直方图(见图2)；

A322.用P(i)表示数值i对应的频次，用数值i出现的次数除以总次数来表示，将P(0)-P(7)进行从大到小排序，设排序好的数值序列为

N(i){N(0)>N(1)>…>N(7)}；N(0)表示排在第一位的数值，N(1)表示排在第二位，依此类推；

举例说明：假定所有分组中数值出现次数如表1所示：

表1数值频次表举例

则排序好的数列如下表2所示：

表2排序后数值位置举例

A323.建立如下表的像素修改规则映射表，修改像素中，符号*表示该位置的数据不变动，其余0或1分别表示对应位置的数据修改为0或1；

像素修改规则映射表

上述A5步骤防篡改校验信息检测包括如下提取及比对过程；

A51.将待检验的图像前景B1图像区域按32×32进行分块，将每块像素先作DCT离散余弦变换，选取频域系数矩阵的左上角n×n个系数，将系数归一化到0～255整数，再对这n×n个系数进行CRC校验码生成，每块生成16比特校验信息，将图像前景B1区域所有分块处理完，将所有小块的校验信息串接为提取校验信息T2；注：n为参数，1<＝n<＝32；

A52.将B2图像区域中保存的校验信息进行提取，首先判断图像背景B2块中每个像素，选择高4位为0的像素作为候选像素进行信息提取；根据A3步骤防篡改校验信息嵌入过程得到的映射规则表，确定每一候选像素中嵌入的防篡改校验信息，循环处理完图像背景B2中所有候选像素，得到嵌入的防篡改校验信息M2，比较防篡改M2与提取校验信息T2，如果发现差异，则认为被篡改并可计算出篡改区域。

上述A6步骤版权信息提取检测包括如下提取检测过程

A61.将前景图像B1按16×16分块，每块由左上LT、右上RT、左下LB、右下RB四个8×8子块构成，将每个子块进行DCT离散余弦变换；

A62.找出4个子块中频域系数直流分量最大的子块RM，将该子块的频域系数左上角2×2的四个系数取出，组合成矩阵M，进行SVD矩阵奇异值分解；

A63.将奇异值矩阵第一个系数W0取出，按照以下规则进行水印提取：

A631.

A632.

返回最初A61步骤，循环处理所有的16X16分块，将每一块得到的水印信息组合为二进制流wm(i)，将二进制流转换为版权信息M1；

注：公式中Round为四舍五入取整，公式中Q值为上述A2步骤中版权信息嵌入过程中记录下的Q值。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。