專利名稱：一種無(wú)失真數(shù)據(jù)隱藏方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多媒體信號(hào)處理方法。是一種基于醫(yī)學(xué)中常用的偽彩色圖象的特征，將大量信息嵌入在圖象中，同時(shí)使圖象不出現(xiàn)任何失真的數(shù)據(jù)隱藏方法。
近幾年來(lái)，數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)了它的重要性，也正在受到越來(lái)越多的重視。
數(shù)據(jù)隱藏應(yīng)用根據(jù)隱藏信息和宿主圖象間的關(guān)系劃分成兩類。第一類由信息偽裝應(yīng)用組成。在信息偽裝術(shù)中隱藏信息與宿主圖象間沒(méi)有關(guān)系。宿主圖象的內(nèi)容對(duì)發(fā)送者和接收者來(lái)說(shuō)沒(méi)有價(jià)值。它主要的作用是掩蓋被隱藏的秘密信息。信息偽裝術(shù)應(yīng)用的典型例子是保密通信，接收者對(duì)沒(méi)有隱藏信息之前的原始宿主圖象沒(méi)有興趣。因此對(duì)于這樣的應(yīng)用不需要無(wú)失真的數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)。第二類應(yīng)用通常被稱為數(shù)字水印。在典型的水印應(yīng)用中，隱藏信息(水印)與宿主圖象間有密切的關(guān)系。隱藏信息提供了有關(guān)宿主圖象的附加信息，如圖象的標(biāo)題、有關(guān)圖象來(lái)歷的輔助數(shù)據(jù)、作者簽名、圖象認(rèn)證碼等。目前幾乎所有的隱藏?cái)?shù)據(jù)方法都在隱藏過(guò)程中不可避免地引入對(duì)原始圖象的一些失真。一般的數(shù)字水印技術(shù)在滿足一定的穩(wěn)健性要求以外，還要求在信息嵌入過(guò)程中引入的失真不易被人覺(jué)察。一種最常用的保證不可見(jiàn)性的方法是改變?cè)紙D象灰度值的最低幾個(gè)有效位，即LSB方法。另外，研究者為了使失真降低到人眼不可察覺(jué)的程度，通常引入人類的視覺(jué)系統(tǒng)模型用來(lái)判斷由嵌入水印而引起的失真對(duì)觀察者的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)是否是不可覺(jué)察的。然而，某些場(chǎng)合卻絕對(duì)不允許圖象有任何的失真，醫(yī)學(xué)圖象就是一個(gè)例子哪怕是很微小的改動(dòng)在法律上都是不允許的，其潛在的危險(xiǎn)是會(huì)引起醫(yī)務(wù)人員對(duì)圖象的錯(cuò)誤理解。另一個(gè)例子就是法律證據(jù)和軍事圖象，其分析人員會(huì)運(yùn)用包括極端放大，圖象增強(qiáng)等手段對(duì)圖象進(jìn)行分析和處理，圖象因嵌入數(shù)據(jù)而引起的失真有可能在處理的過(guò)程中得到放大，破壞其不可見(jiàn)性的要求。為了滿足這方面應(yīng)用需求，Miroslav Goljan提出了一種可逆的數(shù)據(jù)隱藏方法，即允許在嵌入過(guò)程中引入失真，但在檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)可以將原始圖象恢復(fù)出來(lái)。其基本思想是將原始圖象中用于嵌入數(shù)據(jù)的特征壓縮，將壓縮了的特征和待嵌入數(shù)據(jù)一起嵌入在原始圖象中，能夠嵌入的數(shù)據(jù)量是特征壓縮后的冗余。在數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程中，由于能夠檢測(cè)到原始圖象的特征，從而可以恢復(fù)原始圖象。但這種方法失去了數(shù)據(jù)隱藏的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即隱藏信息與原始媒體的不可分離性，一旦隱藏?cái)?shù)據(jù)從圖象中提取出來(lái)，得到的無(wú)失真的圖象中就不再存在有隱藏?cái)?shù)據(jù)。而本發(fā)明提出的方法在保證圖象不失真的同時(shí)，使隱藏信息與原始媒體具有不可分離性。
本發(fā)明的目的是提出一種無(wú)失真的數(shù)據(jù)隱藏方法，既可以隱藏大量的數(shù)據(jù)，又不引起圖象的失真，避免由于數(shù)據(jù)嵌入引入的失真使觀察者對(duì)圖象產(chǎn)生誤解，如醫(yī)生可能將失真的部分診斷為病變部位，從而導(dǎo)致誤診。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法利用偽彩色圖象的顏色查找表和實(shí)際灰度值中存的冗余，將水印信息嵌入在圖象中。具體步驟為1)先檢測(cè)原始圖象的灰度的最大值，對(duì)于8bit圖象，如果小于127，則至少有1bit的冗余位；2)將水印信息位嵌入到圖象的冗余位，直接修改像素灰度值的二進(jìn)制最高有效位，如嵌入信息位為“1”，則將最高有效位置為1，否則置為0；3)將顏色查找表中第0-127項(xiàng)的數(shù)據(jù)拷貝到第128-255項(xiàng)；4)提取待檢測(cè)圖中各象素灰度值的二進(jìn)制最高有效位作為水印信息位，進(jìn)行水印檢測(cè)。
更具體詳細(xì)的做法如下1)檢測(cè)原始圖象的灰度的最大值，對(duì)于8bit圖象，如果小于127，則至少有1bit的冗余位。對(duì)于調(diào)色板中有256項(xiàng)的偽彩色圖象，調(diào)色板的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一種灰度的顯示色，如第0項(xiàng)對(duì)應(yīng)灰度值為0時(shí)的顯示色，第62項(xiàng)對(duì)應(yīng)灰度值為63時(shí)的顯示色。而現(xiàn)有的方法都是通過(guò)改變圖象的灰度值來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)嵌入的。如采用改變灰度值最后一個(gè)二進(jìn)制有效位的方法，實(shí)際上在嵌入信息時(shí)，有可能會(huì)改變到水印圖象的顯示色，如，若原始灰度值是0，但嵌入信息“1”后，實(shí)際灰度值變?yōu)榱恕?”，則對(duì)應(yīng)的顯示色會(huì)發(fā)生變化，(嵌入“0”，不影響索引色)從而使嵌入水印的圖象和原始圖象有很大的不同。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)這一類圖象實(shí)際的灰度值比較小，通常小于128。這就意味著在調(diào)色板中的256項(xiàng)僅用到很少的一部分，存在著冗余。而且實(shí)際灰度值的最高有效位也是一個(gè)冗余位。因此本發(fā)明首先檢測(cè)原始圖象實(shí)際灰度的最大值，如果小于127(對(duì)于8bit圖象)，則至少有1bit的冗余位，即二進(jìn)制最高有效位。
2)水印信息位嵌入到圖象灰度值的冗余位。直接修改像素灰度值的二進(jìn)制最高有效位，如嵌入信息位為“1”，則將最高有效位置為1，否則置為0。
3)將顏色查找表中第0-127項(xiàng)的數(shù)據(jù)拷貝到第128-255項(xiàng)。將調(diào)色板中的0-127項(xiàng)拷貝到128-255項(xiàng)，嵌入“0”后，圖象顯示時(shí)用調(diào)色板上半部分的索引色，嵌入“1”后，圖象顯示時(shí)用調(diào)色板下半部分索引色。如，原始灰度值是0，嵌入信息位“1”后，灰度值變?yōu)?28，顯示時(shí)的索引色由調(diào)色板的第128項(xiàng)給出，是原始灰度值0使用的索引色(第0項(xiàng))的另一個(gè)拷貝，因此和沒(méi)有嵌入信息時(shí)是一樣的。本發(fā)明從原理上可以保證嵌入數(shù)據(jù)不會(huì)給原始圖象帶來(lái)任何失真。
4)水印檢測(cè)時(shí)提取待檢測(cè)圖象灰度值的最高有效位作為水印信息位。
本發(fā)明與現(xiàn)有數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)比較有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明首先提出了一種完全無(wú)失真的數(shù)據(jù)隱藏算法。以往所有的數(shù)據(jù)隱藏算法都會(huì)在數(shù)據(jù)嵌入的過(guò)程中引入失真，即使是可逆的數(shù)據(jù)隱藏算法也不例外，只是可逆算法可以在檢測(cè)時(shí)恢復(fù)原始圖象，但它的數(shù)據(jù)隱藏量是有限的，因?yàn)槠渲械囊徊糠秩萘坑脕?lái)嵌入壓縮的特征。而本發(fā)明在原理上保證了嵌入數(shù)據(jù)不會(huì)給原始圖象帶來(lái)任何失真，同時(shí)嵌入數(shù)據(jù)的信息量較大。本發(fā)明的原理還可以推廣到實(shí)際灰度值大于128但小于255的其它偽彩色圖象。
LSB算法是最常用的隱藏信息量較大，又保證不可見(jiàn)性的算法。由于本發(fā)明利用圖象本身的特征和冗余嵌入數(shù)據(jù)，每一個(gè)象素都可以嵌入信息位，可以達(dá)到LSB算法的容量。
附圖中給出本發(fā)明提出的方法在實(shí)際的醫(yī)學(xué)圖象上的應(yīng)用。


圖1為一副脊椎圖象spine(490×267×63colors)及其局部放大圖。
圖2為采用無(wú)失真數(shù)據(jù)隱藏方法對(duì)圖象spine進(jìn)行處理后的效果圖。
圖3為改變圖象灰度值最低一個(gè)有效位的LSB方法對(duì)圖象spine進(jìn)行處理后的效果圖。
圖4是4維的大腦切片圖(128×128×1×27×89colors)中的其中一副mr。
圖5是采用無(wú)失真數(shù)據(jù)隱藏方法對(duì)圖mr進(jìn)行處理后的效果及與原始圖象間的絕對(duì)誤差的放大圖。
圖6是改變圖象灰度值最低一個(gè)有效位的LSB方法對(duì)圖mr進(jìn)行處理后的效果及與原始圖象間絕對(duì)誤差放大圖。
圖1中所顯示的圖象為原始的spine圖及其局部放大圖，其中圖1(a)為原始圖象，圖1(b)是圖1(a)方框中的子圖的放大。
圖2是本發(fā)明提出的方法在spine圖中嵌入長(zhǎng)度為22,478bytes的字符串后得到的圖象中對(duì)應(yīng)于圖1(b)的部分。雖然圖中已隱藏了大量的數(shù)據(jù)，但從圖中看不到任何失真的存在。
圖3是改變圖象灰度值最低一個(gè)有效位的LSB方法在spine圖中嵌入同樣長(zhǎng)度為22,478bytes的字符串后得到的圖象中對(duì)應(yīng)于圖1(b)的部分。在同樣的隱藏量下，可以看到圖中明顯存在失真，也即和原始圖之間存在著較大差異。
圖4是4維的大腦切片圖(128×128×1×27×89colors)中的其中一副mr。
圖5是本發(fā)明提出的無(wú)失真數(shù)據(jù)隱藏方法在圖mr中嵌入長(zhǎng)度為2048bytes字符串的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5(a)是隱藏了數(shù)據(jù)后得到的圖象，圖5(b)是原始圖與嵌入圖之間的絕對(duì)誤差的64倍，可以看到然圖中雖已隱藏了大量的數(shù)據(jù)，但沒(méi)有任何失真的存在。
圖6是改變圖象灰度值最低一個(gè)有效位的LSB算法在mr圖中嵌入同樣長(zhǎng)度為2048bytes字符串的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6(a)是隱藏了數(shù)據(jù)后得到的圖象，圖6(b)是原始圖與嵌入圖之間的絕對(duì)誤差的64倍，可以看到在同樣的隱藏量下嵌入數(shù)據(jù)的圖存在著失真。
下面就醫(yī)學(xué)圖象上的應(yīng)用對(duì)本發(fā)明無(wú)失真數(shù)據(jù)隱藏方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
目前醫(yī)學(xué)上電子病歷的存儲(chǔ)是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題首先病歷需要保持秘密性；其次病歷和診斷依據(jù)之間需要保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性。將電子病歷隱藏在病人在診病過(guò)程中拍攝的醫(yī)學(xué)影象中，可以解決病歷的秘密性和數(shù)據(jù)一致性的問(wèn)題。與保護(hù)版權(quán)的數(shù)字水印不同，電子病歷對(duì)隱藏信息的穩(wěn)健性要求相對(duì)較低。但醫(yī)學(xué)影像的特別用途將產(chǎn)生二個(gè)問(wèn)題1)在某些應(yīng)用中不允許醫(yī)學(xué)影像有任何失真(包括其它對(duì)圖象灰度分辨率有較高要求的情況)。常規(guī)的信息隱藏方法由于會(huì)引入失真，將無(wú)法滿足要求。2)個(gè)人隱私權(quán)對(duì)于隱藏信息的秘密性提出了極高的要求。
本發(fā)明首先保證上述應(yīng)用中醫(yī)學(xué)影象的特殊要求1，即從原理上保證了隱藏信息的圖象和原始圖象在視覺(jué)上沒(méi)有任何差別，不會(huì)使醫(yī)生因?yàn)榍度霐?shù)據(jù)引入的失真而對(duì)圖象產(chǎn)生誤解。本發(fā)明中嵌入信息不引入失真這一點(diǎn)也使隱藏信息的秘密性得到了提高。另外還可以在信息隱藏前對(duì)信息進(jìn)行加密，進(jìn)一步提高隱藏信息的秘密性。由于本發(fā)明的信息隱藏量較大，通常電子病歷都可以隱藏在圖中，在保持病歷與診病依據(jù)間的數(shù)據(jù)一致性方面具有很好的優(yōu)勢(shì)。
醫(yī)學(xué)中拍攝的某些圖象其實(shí)際灰度值動(dòng)態(tài)范圍較小，可以通過(guò)偽彩色進(jìn)行增強(qiáng)處理，生成偽彩色圖象。偽彩色圖象數(shù)據(jù)中包含了調(diào)色板(顏色查找表)和實(shí)際灰度值兩個(gè)部分。通常為了存儲(chǔ)的方便，調(diào)色板和實(shí)際灰度值都由一個(gè)字節(jié)表示，實(shí)際灰度值是調(diào)色板的索引。
現(xiàn)表述用本發(fā)明提出的無(wú)失真數(shù)據(jù)嵌入方法完成數(shù)據(jù)嵌入和提取的使用。這里給出了用490×267×63colors的偽彩色圖象spine嵌入長(zhǎng)度為22,478bytes的字符串；及用4維的大腦切片圖128×128×1×27×89colors中的一副mr嵌入長(zhǎng)度為2048bytes的字符串的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)失真的數(shù)據(jù)隱藏方法，其特征是利用偽彩色圖象的顏色查找表和實(shí)際灰度值中存的冗余，將水印信息嵌入在圖象中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)失真數(shù)據(jù)隱藏方法，其特征是該方法的具體步驟為1)先檢測(cè)原始圖象的灰度的最大值，對(duì)于8bit圖象，如果小于127，則至少有1bit的冗余位；2)將水印信息位嵌入到圖象的冗余位，直接修改像素灰度值的二進(jìn)制最高有效位，如嵌入信息位為“1”，則將最高有效位置為1，否則置為0；3)將顏色查找表中第0-127項(xiàng)的數(shù)據(jù)拷貝到第128-255項(xiàng)；4)提取待檢測(cè)圖中各象素灰度值的二進(jìn)制最高有效位作為水印信息位，進(jìn)行水印檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多媒體信號(hào)處理方法。它利用醫(yī)學(xué)影象中常用的偽彩色圖象中存在的冗余,在圖象中嵌入大量信息的同時(shí)保證嵌入信息的圖象不會(huì)出現(xiàn)任何失真,不會(huì)引起主媒體的任何視覺(jué)變化。本發(fā)明為醫(yī)學(xué)病歷的存儲(chǔ)提供了一種新的方法,既能滿足隱藏信息(如病歷)的秘密性要求,也能保證醫(yī)學(xué)影象與隱藏信息之間的數(shù)據(jù)一致性。
文檔編號(hào)G09C5/00GK1374628SQ0211510
公開(kāi)日2002年10月16日 申請(qǐng)日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月19日
發(fā)明者劉紅梅, 黃繼武, 黃夏菱 申請(qǐng)人:中山大學(xué)