关键词:
弥散张量磁共振图像
鲁棒零水印
版权保护
水印效率
正交光线投射采样
张量图像指数矩
摘要:
伴随着互联网技术的快速发展和广泛应用,数字医学影像在医疗诊断和临床治疗中的应用越来越广泛。而作为数字载体的一种,数字医学影像一方面能够借助互联网和计算机技术实现远程诊断,有效提高医生的医疗诊断水平、满足大众的医疗卫生需求;另一方面,数字医学影像在互联网络传输过程,如果未对医学影像进行有效的版权保护,极容易受到未授权拷贝和恶意篡改的风险,这一行为不仅侵犯了病人的隐私,也对临床诊断带来了险恶影响,因此对数字医学影像的版权保护就成为当下数字医疗信息安全的一个重要研究领域。然而,大多数版权保护算法都集中在二维或三维的医学影像上,鲜有算法被提出用于复杂医疗数据的版权保护,特别是弥散张量磁共振成像(Diffusion tensorMagnetic resonance imaging,DT-MRI)图像。DT-MRI图像具有五维的数据结构以及使用张量表示的空间结构,因此DT-MRI图像具有数据量大,对于数据的修改具有高度敏感性的特点。另外,在数字医学影像的版权保护研究中,比起鲁棒嵌入水印算法,鲁棒零水印算法对宿主图像采用了零嵌入的形式,能够避免修改原始医学影像,同时还能完成版权保护,因此本文主要针对DT-MRI图像的鲁棒零水印算法进行研究,从而实现对DT-MRI图像进行有效地版权保护。针对于DT-MRI图像的鲁棒零水印算法,其研究重点一方面要针对DT-MRI图像进行有效的特征提取,即设计的算法需要能够显著地对DT-MRI图像的高维特征以及其中的关联性进行抽象表示,并且要保证算法的时空效率;另一方面,所提出的零水印算法对常见的有意或无意的图像攻击和几何攻击要具有较高的鲁棒性,即在遭受各种针对数字图像的攻击后,所提的算法仍然能够提取出完整的零水印信息或者验证信息。针对DT-MRI图像的特殊性,本文分别从DT-MRI的高维空间结构特点和张量数据结构特点,以两种不同的图像处理角度进行研究与分析,设计并提出两种具有高鲁棒性的DT-MRI图像零水印算法。全文主要工作概括如下:(1)基于DT-MRI的高维空间结构特点,提出一种基于正交光线投射张量采样(Orthogonal ray-casting tensor sampling,ORCTS)和四元数泛型极复指数变换(Quaternion generic polar complex exponential transform,QGPCET)的DT-MRI图像鲁棒零水印算法,能够在能保证DT-MRI图像数据的精确性和医学有效性的同时,为DT-MRI图像提供完整性验证和版权保护措施,同时也能极大地提高水印的效率。仿真实验结果表明,所提算法能够以很好的抵御常见的图像处理攻击和几何攻击,在大多数情况下都能保证1.0000的水印正码率。在最佳情况下,该算法可以将水印的存储消耗降低到0.07%,将时间消耗降低到0.75%。(2)根据DT-MRI图像的张量数据特征,提出一种基于黎曼流形的LogEuclidean测度的张量图像指数矩(Tensor image exponential moments,TIEMs),同时将TIEMs应用于DT-MRI图像的鲁棒零水印算法设计中,提出一种基于TIEMs和金字塔式多重采样的零水印鲁棒零水印算法。DT-MRI图像在基于黎曼流形的LogEuclidean测度上进行变换和精确计算,更加契合张量的物理意义和数学要求。仿真实验结果表明,该算法能够有效地抵御常见的图像处理攻击和几何攻击,能够在大多数攻击之后依然保证提取水印的正码率为1.0000,同时与传统二维医学图形零水印算法相比,能够将水印存储消耗降低到11.1%,将时间消耗降低到5.4%。