面向医学对象的无损数字水印系统的研究

论文摘要

在现代医疗保健系统中,数字信息系统发挥着越来越重要的作用。一方面,数字化的医学信息便利了信息的存储和传输;另一方面,这些敏感的医学信息在公共网络传输时,十分容易被截获或篡改。增强医疗保健信息系统的安全性,已成为目前亟待解决的问题。数字水印技术,是把水印信号直接嵌入到宿主信号本身,是一种可用于保护多媒体数据的新兴技术。本论文研究了针对医学图像和生理信号的无损数字水印系统,内容如下:1)提出了一种基于信息压缩的针对医学图像的无损水印机制,可用于增强医学数据的安全性。该机制把水印信息隐藏在图像的像素组的状态中,通过压缩像素组的状态信息,以节约出空间来嵌入额外的水印信息。解码器提取水印信息后能够无失真地恢复原始图像。利用该机制,对增强PACS系统的安全性进行了研究:①把电子病历中病人的隐私信息加密后作为水印负荷的一部分来传递,增强了传输信道的私有性;②计算原始图像的数字签名,将它作为水印负荷的一部分嵌入到图像中,在接收端先提取出数字签名,将它与对恢复后的图像重新计算的数字签名进行比较,可验证图像的完整性;③把从电子病历或DICOM文件头提取出的标识信息嵌入到图像中,可实现对图像的真实性认证;结合指纹认证系统,将指纹图像的特征向量嵌入到医学切片图像中,进一步增强了图像的真实性认证。2)提出了一种基于区域的针对医学图像的无损水印机制,具有大的水印容量,引起的失真水平低,并且具有将嵌入水印引起的失真限制在感兴趣区域之外的能力。该机制利用了图像中相邻像素之间灰度值的相关性,通过对图像中相邻像素差值的扩展来嵌入信息。可以自动或采用人工交互的方式进行嵌入区域的选取,使得水印嵌入能够有意识地避开感兴趣区域。多边形嵌入区域的描述采用只记录该多边形顶点坐标的方法,有效地提高了水印容量。3)提出将篡改检测和定位功能结合到基于区域的无损水印机制本身,而不是像传统的做法那样去引入一种基于分块认证的有损水印系统来实现上述功能。该机制通过将认证区域的描述信息及认证信息直接附加到水印负荷中,以实现篡改定位功能,使得整个机制变得十分简洁,还提高了对篡改的敏感性;提出了对认证区域的多层次划分结构,引入了可以让用户灵活选取认证区域的机制,方便了对篡改定位精度的控制。4)针对一维的心电图信号,提出了一种具有区域选择性能的无损水印方法,水印信息的嵌入能够避开信号的感兴趣区域。利用该方法能够对信号的完整性进行严格认证,还能够定位出篡改所在的位置。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 医学信息系统的安全性
• 1.2 数字水印概况
• 1.2.1 数字水印的分类
• 1.2.2 水印系统的要求
• 1.2.3 传统数字水印技术简介
• 1.3 数字水印在医学领域中的应用
• 1.4 本论文的研究工作和内容安排
• 1.5 本论文的创新之处
• 第二章 医学图像特点与无损数字水印
• 2.1 前言
• 2.2 医学图像的特点
• 2.3 无损数字水印在医学中的用途
• 2.4 无损数字水印发展概况
• 2.5 密码学及其信息安全的一些基本概念
• 2.6 图像通信系统中的安全机制简介
• 2.7 本章小结
• 第三章 一种在 PACS中用于增强安全性的无损水印机制
• 3.1 前言
• 3.2 无损水印系统的模型
• 3.3 一种基于信息压缩的无损水印机制
• 3.3.1 可逆变换与区分函数
• 3.3.2 水印嵌入
• 3.3.3 水印提取及原始图像的恢复
• 3.4 实验结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 一种基于区域的医学图像无损水印机制
• 4.1 前言
• 4.2 差值扩展变换
• 4.2.1 正变换
• 4.2.2 逆变换
• 4.3 嵌入区域
• 4.4 水印嵌入及水印提取
• 4.4.1 水印嵌入
• 4.4.2 水印提取和原始图像的恢复
• 4.5 实验结果
• 4.6 讨论
• 4.7 本章小结
• 第五章 一种基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法
• 5.1 前言
• 5.2 认证区域
• 5.3 区域的多层次划分结构
• 5.4 认证信息的嵌入及篡改检测和定位
• 5.4.1 认证信息的嵌入
• 5.4.2 篡改检测和定位
• 5.5 实验结果
• 5.6 讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 具有区域选择性能的生理信号无损水印方法
• 6.1 前言
• 6.2 差值扩展变换
• 6.2.1 正变换
• 6.2.2 逆变换
• 6.3 嵌入区域
• 6.4 水印嵌入
• 6.5 水印提取和原始信号的恢复
• 6.6 实验结果
• 6.7 讨论
• 6.8 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表或录用的学术论文