医学图像的频域加密方法、装置、计算机设备和存储介质

技术领域

本发明涉及图像的频域加密技术领域，具体涉及一种医学图像的频域加密方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

随着医学图像在医学诊断和治疗中的广泛应用，保护医学图像的安全性和隐私性变得越来越重要。医学图像通常包含敏感的患者隐私信息，如病人的身体部位、病情、疾病类型等。因此，加密医学图像以防止未经授权的访问和信息泄露变得至关重要。

传统的医学图像加密方法主要基于传统的加密算法，如DES、AES等。这些算法在传输过程中提供了一定的安全性，但在处理大规模医学图像时，由于其高计算复杂度和内存要求，导致了加密和解密的速度较慢。此外，传统加密方法对图像的像素值进行替换或置换，可能导致加密后的图像失去一些重要的细节信息，影响医学图像的诊断效果。

为了克服传统加密方法的局限性，近年来，基于频域的医学图像加密方法受到了广泛关注。频域加密方法通过将图像转换到频域空间，利用频域特性进行加密，提供了更高的安全性和较快的加密速度。常见的频域加密方法包括基于傅里叶变换的方法和基于小波变换的方法。这些方法通过对频域系数进行调整和混淆来实现图像的加密和解密。然而，这些方法仍然存在一些问题，如加密后图像的质量损失、加密算法的复杂性以及对密钥的敏感性等。

因此，需要一种高效、安全且对原始图像质量影响较小的医学图像加密方法。该方法应能够提供强大的保护性能，同时保持医学图像的视觉质量和诊断信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统医学图像加密方法存在的上述缺陷，提供一种医学图像的频域加密方法、装置、计算机设备和存储介质，以满足医学图像安全性和隐私性的需求。

本发明的第一个目的在于提供一种医学图像的频域加密方法，包括以下步骤：

S1、预处理医学图像：通过折叠实复变换和频域变换，将原始医学图像转换到频域空间得到频域图像；

S2、使用混沌系统生成密钥：使用改进的Logistic混沌系统生成密钥，使用该密钥对频域图像进行调整和混淆操作，得到加密后的频域图像；

S3、加密图像的传输和解密：传输密钥和加密图像，在接收方进行解密操作，以获得原始图像。

进一步地，所述步骤S1中医学图像的预处理过程如下：

S11、将原始医学图像H

S12、将上述折叠实复变换得到的矩阵H′

进一步地，所述步骤S2中使用混沌系统生成密钥和加密过程如下：

S21、改进Logistic混沌系统。仅使用频域变换会使加密系统容易遭受已知明文攻击和选择明文攻击。混沌序列具有确定性和对于初始条件的高度敏感性，表现出复杂和难以预测的特性，所以其类随机的混沌序列适用于加密系统。原始的Logistic混沌系统被定义为

x

其中，μ为可调参数，n为时间迭代步。当μ∈(3.57,4]，以及x

∫

其中a≤x≤b，c≤x≤d。另外，给出以下定义：

假设f(t)在给定区间[0,1]中服从均匀分布(即a＝0，b＝1)。可以推导出下列等式：

p(x)＝x＝∫

其中x∈[0,1]。通过设定[c,d]＝[0,1]，得到：

这意味着，如果使用函数

本医疗图像加密系统的第一密钥为K

S22、将矩阵S′

S23、对矩阵S″

S24、将医学图像S

S25、将矩阵S″′

进一步地，所述步骤S3、加密图像的传输和解密过程如下：

S31、在公共信道上传输加密图像

S32、接收方将接收得到的第一密钥K

S33、将加密图像

S34、矩阵S″′

S35、矩阵S

S36、将矩阵S″

S37、矩阵S′

本发明的第二个目的在于提供了一种医学图像的频域加密装置，所述频域加密装置包括：

预处理医学图像模块，通过折叠实复变换和频域变换，将原始医学图像转换到频域空间得到频域图像；

混沌系统生成密钥模块，使用改进的Logistic混沌系统生成密钥，使用该密钥对频域图像进行调整和混淆操作，得到加密后的频域图像；

加密图像的传输和解密模块，传输密钥和加密图像，在接收方进行解密操作，以获得原始图像。

本发明的第三个目的在于提供了一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现医学图像的频域加密方法。

本发明的第四个目的在于提供一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现医学图像的频域加密方法。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1.高安全性：将混沌系统引入图像加密系统，其生成的随机序列应用于调整和混淆操作，增加了加密的复杂性，提高了医学图像的安全性。特别地，本发明使用改进的Logistic混沌系统，相较于传统的Logistic混沌系统，该系统具有更高的熵，进一步提升了安全性。同时，此混沌系统保持了原Logistic混沌系统的较低的计算资源占用。

2.快速高效：本发明没有直接对空间医学图像进行频域变换，而是采用了实值图像的折叠版本。在进行频域变换之前，先将N个长度的实值向量压缩成N/2个长度的复数向量，从而优化调整步骤。这项技术使我们能够扰乱N/2×M矩阵，而不是N×M矩阵，从而大大降低了计算复杂度和资源需求。另外，采用了快速傅里叶变换，它具有比离散傅里叶变换更低的时间复杂度。这些使得加密和解密过程在计算机上可以快速完成，适用于实际应用场景。

3.保护隐私：加密后的图像在视觉上与原始图像几乎无法区分，有效保护了医学图像中的隐私信息。

4.保持图像质量：加密和解密过程中，图像的质量几乎没有损失，保持了图像的细节和清晰度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明公开的基于频域的医学图像加密和解密方法的流程图；

图2是本发明实施例中原始医学图像和加密医学图像的灰度直方图；

图3是发明实施例中原始医学图像、加密医学图像和解密医学图像的示意图；

图4是本发明实施例2中医学图像的频域加密装置的结构框图；

图5是本发明实施例3中计算机设备的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实例公开了一种基于频域的医学图像加密方法，包括S1、医学图像的预处理：通过折叠实复变换和频域变换，将原始医学图像转换到频域空间得到频域图像；S2、使用混沌系统生成密钥和加密：使用改进的Logistic混沌系统生成密钥，用于频域图像的调整和混淆操作，实现图像的加密；S3、加密图像的传输和解密：传输密钥和加密图像，在接收方进行解密操作，以获得原始图像。具体实施流程如下：

S1、预处理医学图像：通过折叠实复变换和频域变换，将原始医学图像转换到频域空间得到频域图像，过程如下：

S11、选择六种不同的医学图像作为说明，即CR-10-chest.dcm(后简称为“chest”)、CT-16-brain.dcm(后简称为“brain”)、CT-16-ort.dcm(后简称为“ort”)，以及MR-16-knee.dcm(后简称为“knee”)。将原始医学图像H

S12、将上述折叠实复变换得到的矩阵H′

S2、使用混沌系统生成密钥：使用改进的Logistic混沌系统生成密钥，用于频域图像的调整和混淆操作，实现图像的加密；

步骤S2过程如下：

S21、改进Logistic混沌系统为

x

公式(1)、(2)中，μ为可调参数，n为时间迭代步，x

表1.混沌序列的NIST测试结果表

根据NIST检验得出的p值，我们可以评估所构建混沌序列的随机性。一般来说，如果p值在0和1之间均匀分布，可以断定序列具有较高的随机性。但是，如果任何p值低于预定的显著性水平(如0.05)，可以认为序列偏离了随机性。在以上结果中，从NIST测试中得到的所有p值都相当高，表明构建的混沌序列具有良好的随机性。这些结果表明，混淆步骤有效地为加密图像增加了熵，增强了加密方案的安全性。

S22、将矩阵S′

S23、矩阵S″

S24、将医学图像S

S25、将矩阵S″′

表2.相邻像素的相关性比较表

S3、加密图像的传输和解密：传输密钥和加密图像，在接收方进行解密操作，以获得原始图像；

所述步骤S3过程如下：

S31、在公共信道上传输加密图像

S32、接收方将接收得到的第一密钥K

S33、将加密图像

S34、矩阵S″′

S35、矩阵S

S36、将矩阵S″

S37、矩阵S′

表3.加密方案的抵抗差分攻击的性能比较表

然后，通过计算解密图像与原始图像之间的归一化均方误差(NMSE)进行密钥敏感性分析。初始设定参数为(μ′,μ″,x′

表4.密钥敏感性测试结果表

实施例2

如图4所示，本实施例提供了一种医学图像的频域加密装置，该装置包括预处理医学图像模块401、混沌系统生成密钥模块402、加密图像的传输和解密模块403，各个模块的具体功能如下：

预处理医学图像模块401，通过折叠实复变换和频域变换，将原始医学图像转换到频域空间得到频域图像；

混沌系统生成密钥模块402，使用改进的Logistic混沌系统生成密钥，使用该密钥对频域图像进行调整和混淆操作，得到加密后的频域图像；

加密图像的传输和解密模块403，传输密钥和加密图像，在接收方进行解密操作，以获得原始图像。

本实施例中各个模块的具体实现可以参见上述实施例1，在此不再一一赘述；需要说明的是，本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例3

本实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备可以为计算机，如图5所示，其通过系统总线501连接的处理器502、存储器、输入装置503、显示器504和网络接口505，该处理器用于提供计算和控制能力，该存储器包括非易失性存储介质506和内存储器507，该非易失性存储介质506存储有操作系统、计算机程序和数据库，该内存储器507为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境，处理器502执行存储器存储的计算机程序时，实现上述实施例1提出的一种医学图像的频域加密方法，如下：

S1、预处理医学图像：通过折叠实复变换和频域变换，将原始医学图像转换到频域空间得到频域图像；

S2、使用混沌系统生成密钥：使用改进的Logistic混沌系统生成密钥，使用该密钥对频域图像进行调整和混淆操作，得到加密后的频域图像；

S3、加密图像的传输和解密：传输密钥和加密图像，在接收方进行解密操作，以获得原始图像。

实施例4

本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的一种医学图像的频域加密方法，如下：

S1、预处理医学图像：通过折叠实复变换和频域变换，将原始医学图像转换到频域空间得到频域图像；

S2、使用混沌系统生成密钥：使用改进的Logistic混沌系统生成密钥，使用该密钥对频域图像进行调整和混淆操作，得到加密后的频域图像；

S3、加密图像的传输和解密：传输密钥和加密图像，在接收方进行解密操作，以获得原始图像。

本实施例中所述的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。