ĐỀ TÀI GIẤU THÔNG TIN TRẢI PHỔ TRONG NHỮNG ỨNG DỤNG Y TẾ TỪ XA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: GIẤU THÔNG TIN TRẢI PHỔ TRONG NHỮNG ỨNG DỤNG Y TẾ TỪ XA Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN HỮU TRUNG Sinh viên thực hiện : MAI DUY KHÁNH Lớp : 11B KTTT1 MSSV : CB100645 Môn học : Kỹ thuật trải phổ Hà nội, tháng 2 năm 2012 Giấu thông tin trải Phổ Trong Những Ứng Dụng Y Tế Từ Xa Basant Kumar, Animesh Anand, S.P. Singh, and Anand Mohan Tóm tắt – Tài liệu này giới thiệu thuật toán ẩn thông tin bằng kỹ thuật trải phổ cho ảnh kỹ thuật số trong lĩnh vực đổi wavelet rời rạc (DWT). Thuật toán được áp dụng để nhúng thông tin như nhận dạng ID bệnh nhân hay chữ ký bác sỹ trong định dạng ảnh nhị phân trong ảnh x-quang số cho những ứng dụng y học từ xa. Thuật toán được đánh giá bằng sự khác nhau của những nhân tố thêm vào, cấp độ phân tích dải băng thành phần, và kích thước của watermark. Kết quả mô phỏng cho ra phương thức đạt được khả năng watermarking cao hơn. Từ khóa: watermarking, trải phổ, đổi wavelet rời rạc, y tế từ xa. I. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây kỹ thuật watermarking ảnh đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong an toàn dữ liệu, bảo mật và bảo toàn sự nguyên vẹn cho hình ảnh. Nó được áp dụng rộng trong những lĩnh vực ứng dụng khác nhau, một nhóm nhỏ được hướng tới y học của tương lai [1]–[7]. Những kỹ thuật che giấu giữ liệu và watermarking có thể đóng vai trò trong chăm sóc sức khỏe từ xa bằng việc xác định những vấn đề thích hợp cho hệ thống quản lý dữ liệu, như bảo mật y tế, giấu thông tin liên quan tới bệnh nhân, các xét nghiệm, điều khiển truy cập, toàn vẹn dữ liệu và phục hồi thông tin. Watermarking ảnh y tế đòi hỏi sự cẩn trọng vô cùng khi nhúng thêm thông tin trong ảnh vì thông tin nhúng thêm không được làm ảnh hưởng tới chất lượng ảnh. Sự yêu cầu an toàn của thông tin y tế từ đạo đức nghiêm chỉnh và nghĩa vụ pháp luật bao gồm 3 đặc trung: tính bí mật, tính tin cậy và tính lợi ích [8]. Sự xác thực, phân tích và bảo mật là những vẫn đề quan trọng nhất liên quan tới trao đổi dữ liệu EPR (Electronic Patient Record) thông qua những kênh mở [1, 5]. Tất cả những yêu cầu này có thể được thỏa mãn thành bằng watermark thích hợp. Phương pháp watermarking nói chung là đòi hỏi rất cao việc cân bằng được 3 nhân tố (năng suất, che giấu an toàn, tinh vi) [9]. Hai cách giải quyết vấn đề chung của vỏ bọc che giấu thông tin là che giấu miền dữ liệu và che giấu miền biến đổi. Kỹ thuật miền dữ liệu nhúng bằng thao tác trực tiếp trên những giá trị điểm ảnh, giá trị mã hóa hay luồng bit của tín hiệu ảnh gốc, tính toán đơn giản và không phức tạp. Thay thế LSB, vá, và stegnoghaphy ảnh quét quang phổ là một số kỹ thuật quan trọng trong việc này [10, 11]. Trong che giấu miền biến đổi, dữ liệu được nhúng bằng điều chỉnh những hệ số trong miền, như DFT (Discrete Forier Tranform). DCT (Discrete Cosine Transform) và DWT (Discrete Wavelet Transform). Những kỹ thuật biến đổi có thể sử dụng cấp độ tinh vi cao hơn của những tính toán xử lý ảnh thông thường. Gần đây atermarking miền wavelet dã nhận được sự quan tâm đáng kể vì khả năng của nó đáp ứng giải quyết được cả 2 vấn đề: không gian và tần số [12]-[14]. Nhiều wavelet dựa trên sơ đồ watermarking đã được đề xuất làm ảnh y tế [15]-[18]. Kỹ thuật watermaking có thể được phân loại sâu hơn thành 2 loại: có thể thuận nghịch và phi thuận nghịch [19, 20]. Tư tưởng chính trong watermarking thuận nghịch là tránh làm sai lệch ảnh gốc mà không thể khôi phục, bằng cách phát triển những kỹ thuật có thể trích xuất ảnh gốc một cách chính xác. Watermarking ảnh y tế là một trong nhưng lĩnh vực quan trọng nhất vì sự sai lệch ảnh có thể dẫn tới những chuẩn đoán sai. Sự chuẩn xác đối với chất lượng ảnh y tế có thể được đáp ứng bằng watermarking thuận nghịch – kỹ thuật cho phép khôi phục cảnh gốc tuyệt đối mà không mất mát thông tin. Sư ăn cắp nhận dạng y tế là vấn đề an ninh nghiêm trọng được quan tâm trong y tế từ xa [21]. Yêu cầu phát triển những sơ đồ watermarking bảo đảm. Do đó, đảm bảo an toàn của watermark trở thành vấn đề cấp bách trong nhiều ứng dụng. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng sử dụng sơ đồ trải phổ [22-25]. Trải phổ là một hệ thống truyền tin trong quan sự được phát minh trong Thế Chiến Thứ II [26]. Nó được thiết kế can thiệp trận đánh nhờ phá nhiễu, ẩn tín hiệu bằng cách truyền ở công suất thấp, và đạt được sự kín đáo. Những tính chất này làm cho kỹ thuật trải phổ trở lên rất phổ biến trong watermarking dữ liệu số ngày nay. Tài liệu này giới thiệu một kỹ thuật trải phổ bảo mật mới dựa trên thuật toán watermarking trong nhúng thông tin y tế nhạy cảm như chữ ký thày thuốc, mã nhận dạng hoặc danh tính bệnh nhân trong ảnh x-quang với mục đích xác thực danh tính.Thông tin y tế này trong dạng ảnh nhị phân được thực hiện bằng watermarks. Thuật toán đề xuất dựa vào n mã giả ngẫu nhiên riêng biệt (PN) sánh cặp theo dãy với tương quan thấp, với n là số bits được che giấu. Bố cục của tài liệu như sau:  Phần II: Khái quát vắn tắt sơ đồ watermarking ảnh trải phổ trong miền wavelet.  Phần III: Giải thích nguyên tắc thực hiện của thuật toán trải phổ.  Phần IV: Đánh giá hiệu năng của thuật toán mới.  Phần V: Kết luận toàn bộ. II. MIỀN BIẾN ĐỔI WAVELET TRONG WATERMARKING TRẢI PHỔ Watermarking dựa trên wavelet gần đây đã giành được sự quan tâm lớn vì khả năng đáp ứng xuất sắc nhiều vấn đề, xác định không gian – tần số và mô hình hóa HVS tốt [12]. DWT (Discrete Wavelet Tranform) chia một ảnh thành những ảnh với độ phân giải xấp xỉ thấp hơn (LL) như những thành phần chi tiết theo chiều ngang (HL), chiều dọc (LH) và chéo (HH). Quá trình có thể được lặp lại để tính toán nhiều phân tích wavelet “tỷ lệ”. Phân tích tần số gồm 2 thành phần của chuyền đổi wavelet giống như xử lý tín hiệu cửa HVS và do đó cho phép sửa đổi ảnh bị thay đổi bằng cả việc lượng tử hóa hay nhúng watermark tới những thuộc tính được che đậy của mắt người [27]. Điều này cho phép chúng ta sử dụng khả năng watermarks cao hơn trong những vùng mà HVS cho là ít nhạy, như là những băng chi tiết phân giải cao (LH, HL, HH). Miền này cũng mang lại thêm lợi ích là làm tăng độ robustmess, chịu được những thuật toán và bộ lọc khác nhau. Trong truyền tin trải phổ, một máy truyền tín hiệu băng hẹp qua một dải tần lớn hơn nhiều, như là tin hiệu phát ra với tần số đơn thì không thể nhận ra. Tương tự như vậy, watermark trải qua nhiều bin tần số nên năng lượng tại mỗi bin là rất nhỏ và hầu như không thể dò ra. Tuy nhiên, vì quá trình xác minh watermark biết vị trí và phân lượng của watermark nên nó ó thể tập trung những tín hiệu yếu này vào một đầu ra với tỉ số nhiễu tín hiệu cao (SNR). Nhưng để phá hủy một watermark cần sự nhiễu cường độ cao được thêm vào trên tất cả các bin. Trải watermark nhờ quang phổ của một ảnh bảo đảm được sự an toàn lớn trước những tấn công có chủ đích và vô ý: Thứ nhất, vị trí của watermark không thấy được, hơn nữa những vùng tần số được lựa chọn đảm bảo năng lượng nhỏ phù hợp tại bất kỳ hệ số đơn nào. Một watermark được định vị tốt trong miền tần số của ảnh sẽ hầu như không thể thấy được. Trong sơ đồ watermarking ảnh đưa ra sử dụng kỹ thuật trải phổ, những thông điệp khác nhau được che giấu trong cùng một hệ số biến đổi của ảnh che phủ sử dụng những mà không tương quan, lấy từ phân bố Gaussian (N (0, 1)) với N (μ, σ 2 ) gồm một phân bố thường với giá trị trung bình μ phương sai σ 2 ). Lựa chọn phân bố này cho khả năng chống lại những tấn công cấu kết. Watermark Gaussian cũng cho hiệu năng cao trong bề mặt lượng tử [28]. Watermarking mạnh mẽ và đảm bảo có thể đặt được bằng cách đặt watermark rõ ràng trong những phần quan trọng của dữ liệu. III. THUẬT TOÁN ĐỀ XUẤT Tài liệu này đề xuất một DWT mới dựa trên thuật toán watermarking trải phổ sử dụng vỏ bọc ảnh y tế. Phân tích 2 dải thành phần được thể hiện trên ảnh x-quang sử dụng biến đổi wavelet Haar. Watermark được sử dụng trong thuật toán là dạng ảnh nhị phân. Thông điệp watermark khác được giấu trong cùng hệ số biến đổi của ảnh vỏ bọc với những mã không tương quan, ví dụ: giá trị tương quan đối ngược thấp (trực giao / cận trực giao) giữa những mã. Với mỗi bit của thông điệp, 2 vector nhiễu giả (PN) liên tiếp đồng nhất kích thước với vector dọc DWT được sinh ra. Dựa trên giá trị bit của vector thông điệp, cặp PN tương ứng được thêm hoặc bớt để tương xứng với cấp độ hệ số 2 HL và LH của vector dọc tương ứng dựa trên quy tắc nhúng dữ liệu như sau: W =V + kX nếu b=0 W =V − kX nếu b=1 Trong đó:  V là hệ số wavelet của ảnh vỏ bọc.  W là hệ số wavelet sau khi nhúng watermark  k là nhân tố tăng  X là dãy PN  Và b là bit thoogn điệu được nhúng. Cột tương ứng của hệ số wavelet sinh ra được thêm, bớt sẽ được cho theo quan hệ sau: P= R modulo Với:  P là cột với chuỗi được thêm  R là chỉ số của dãy được sinh ra  N là số cột của ma trận hệ số Sự phát sinh cặp dãy PN để nhúng cho mỗi bit làm tăng tính bảo mật của thuật toán watermarking. Những bước tiếp theo được áp dụng trong quá trình nhúng dữ liệu: A. Nhúng dữ liệu i. Đọc ảnh gốc I(M,N), cỡ MxN ii. Đọc thông điệp được watermark và chuyển đổi nó sang dạng chuỗi nhị phân D d (D d = 1 to n) iii. Biến đổi ảnh gốc sử dụng biến đổi wavelet Haar và chọn những hệ số thành phần của cấp độ 2 ccA, ccH, ccV, ccD. iv. Sinh ra n cặp PN khác (PN_h và PN_v), cỡ mỗi cái là M/4 x 1 sử dụng mã bảo mật để đặt lại sinh ra số ngẫu nhiên. v. Với D d = 1 to n, thêm chuỗi r th PN ghép đôi với những cột p th của hệ số thành phần ccH và ccV, với p = r modulo(N/4), do đó 1≤ p ≤N/4, 1 ≤ r ≤ n. ccH((p th column) = ccH(p th column) + k * r th PN_h; ccV((p th column) = ccV(p th column) + k * r th PN_v; với k là số tăng được sử dụng xác định độ mạnh của dữ liệu nhúng. vi. Áp dụng biến đổi Haar ngược để lấy được ảnh stego cuối cùng (đã watermark) I w (M,N). B. Trích xuất dữ liệu được giấu Để xác định watermark chúng ta sinh ra cùng vector chuỗi mã giả ngẫu nhiên được sủ dụng trong quá trình thêm watermark bằng sử dụng cùng key và xác định tương quan của cúng với những cột hệ số DWT của những thành phần chi tiết tương ứng. Giá trị trung bình của hệ số tương quan tương ứng với mỗi vector chuỗi PN thu được cả 2 dải LH và HL. Trung bình của những giá trị tương quan được lấy ở ngưỡng T cho trích xuất thông điệp. Suốt quá trình tách sóng, nếu tương quant rung bình lớn hơn T với dãy chi tiết một giá trị “0” được tìm khôi phục, nếu không thì giá trị “1”. Quá trình khổi phục sau đó làm đi làm lại hết toàn bộ dãy PN cho đến khi tất cả các bits của watermark được khôi phục. Để trích xuất watermark, những bước sau được áp dụng trong ảnh đã watermark: i. Đọc ảnh stego I(M,N), cỡ MxN ii. Biến đổi ảnh stego dùng biến đổi wavelet Haar để lấy hệ số ccA1, ccH1, ccV1, ccD1. iii. Sinh ra những chuỗi thông điệp bằng với vector thông điệp (từ 1 tới n) iv. Sinh ra n cặp PN khác (PN_h và PN_v), cỡ mỗi cái là M/4 x 1 sử dụng cùng khóa bảo mật để đặt lại sinh ra số ngẫu nhiên. v. Với i=1 tới n vi. Tính toán những tương quan lưu trữ giá trị trong corr_H (i) và corr_V (i). corr_H (i) = tương quan giữa PN_h1(i) and ccH1((cột J th ) corr_V (i) = tương quan giữa PN_v1(i) and ccV1((cột J th ) với j= i modulo N/4, do 1≤ j ≤ N/4 , 1 ≤ i ≤ n vii. Tính toán tương quan trung bình avg_corr (i) = (corr_H(i)+corr_V(i))/2 viii. Tính toán corr(mean) = mean với tất cả những giá trị lưu trong avg_corr(i) ix. Sắp xếp lại những thông điệp được trích xuất này để tạo ma của watermark ảnh nhị phân. x. Biến đổi ngược ma trận lại ảnh để nhận được watermark được khôi phục. IV. ĐÁNH GIÁ THÀNH QUẢ Sự thực hiện thuật toán watermarking trải phổ trên đã được kiểm định trong những ứng dụng y tế. Những chuyên gia đã sử dụng CT 8-bit scan một ảnh kích thước 512x512 như trong phân tham khảo [29]. Thông tin như trung tâm gốc (watermark1) và chữ ký bác sỹ (watermark2) được nhúng trong ảnh scan CT gốc như watermark. Những watermark trong dạng ảnh nhị phân thêm robustness được cho phép khôi phục watermark ngay ở sự tương quan yếu giữa watermark gốc và watermark được trích xuất. Độ mạnh của watermarking khác nhau bới những nhân tố tăng thêm trong thuật toán. Chất lương cảm quan của ảnh x- quang đã watermark được đo bằng tính toán PSNR giữa ảnh gốc và ảnh đã watermark. Tại máy thu, watermark được trích xuất từ ảnh đã watermark. Ảnh trích xuất được đánh giá bằng đo tương quan của nó với ảnh gốc. Trong Hình 1 chỉ ra ảnh quét CT gốc và ảnh watermark thu được bằng áp dụng thuật toán watermarking với hệ số DWT cấp độ 2 của dải LH và HL với những nhân tố gia tăng khác nhau. Ảnh trích xuất thể hiện trong Hình 2, và 3. Nó được quan sát trong Bảng 1 với độ gia tằng của nhân tố thêm vào, PSNR của ảnh đã watermark gia tăng và mức độ giống nhau của ảnh gốc và ảnh trích xuất cũng gia tăng. Cho thấy tác động của những cấp độ phân tích, thuật toán đề xuất với nhân tố thêm vào là 17 đã được sử dụng nhúng watermak theo dải ngang và dọc, hệ số DWT được thay đổi, giảm với kết quả PSNR của ảnh đã watermark nhưng tương đối thấp với watermark trích xuất. Hình 4 chỉ ra ảnh watermark trích xuất từ những cấp độ khác của dải thành phần DWT. Kết quả của thuật toán watermarking cũng phụ thuộc vào ảnh watermark. Bảng 3 chỉ ra ảnh hưởng của kích thước ảnh watermark vói kết quả của thuật toán đã đề xuất. Rõ ràng là kết quả PSNR của ảnh đã watermark giảm với sự gia tăng của kích thước ảnh, nhưng sau đó chúng ta thấy được sự cải thiện trong tương quan của ảnh gốc và ảnh trích xuất. Điều đó cũng có thể thấy được từ Hình 5 với ảnh kích thước lớn hơn thì watermark cũng được xác định rõ ràng hơn trong suốt quá trình trích xuất. [...]... Watermark trích xuất từ những kích thước khác nhau (a) 20 X 50 (b) 30 X 50 (c) 32 X 64 (d) 40 X 80 V KẾT LUẬN Tài liệu n y đã giới thiệu một sơ đồ watermarking trải phổ đảm bảo với sự gia tăng khả năng watermarking trong miền biến đổi wavelet Kết quả thu được của sơ đồ đã được kiểm định trong những ứng dụng y tế từ xa bằng những ảnh xquang watermarking với những thông tin y tế nh y cảm trọng định dạng... Perez-Gonzalez, “Spread-Spectrum Watermarking Security,” IEEE Transactions on Information Forensics and Security, Vol 4, no 1, 2009 [25] G Xuan, C Yang, Y Zheng, Y Q Shi and Z Ni, “Reversible data hiding based on wavelet spread spectrum,” IEEE International workshop on multimedia signal processing (MMSP2004), Siena, Italy, 2004 [26] D Kahn, “Cryptology and the origins of spread spectrum,” IEEE Spectrum,... S Tsai, and Y P Chu, “ Reversible watermarking: current and key issues,” International Journal of Network Security, vol 2, no 3, pp 161-170, May 2006 [20] S Lee, C D Chang, and T Kalker, “Reversible image watermarking based on integer-to-integer wavelet transform,” IEEE Transaction on Information Forensics and Security, vol 2, no 3, pp.-321-330, Sept 2007 [21] M Terry, “Medical identity theft and telemedicine... medical images for telemedicine,” Proceedings of World Academy of Science and Technology, Vol 28, 2008 [6] B Planitz and A Maeder, “Medical image watermarking: a study on image degradation,” in Proc Australian Pattern Recognition Society (APRS) Workshop on Digital Image Computing, WDIC 2005, Brisbane, Australia, February, 2005 [7] G Coatrieux, L Lecornu, Ch Roux, and B Sankur, “A review of Image Watermarking... sự tăng dần nhân tố thêm (b) 5, (c) 15, (d) 30 Hình 2 Watermark trung tâm y tế từ xa (a) - ảnh gốc, ảnh trích xuất với nhân tố thêm (b) 5, (c) 15, (d) 30, (e) 40 Hình 3 Watermark chữ ký bác sỹ (a) - ảnh gốc, ảnh trích xuất với nhân tố thêm (b) 5, (c) 15, (d) 30, (e) 40 BẢNG I – TÁC ĐỘNG CỦA GAIN FACTOR BẢNG II – TÁC ĐỘNG CỦA NHỮNG CẤP ĐỘ DẢI (GAIN FACTOR 17) BẢNG III – TÁC ĐỘNG CỦA KÍCH THƯỚC ẢNH Hình... Technology in Medicine, vol 5, no 3, pp 195-201, 2001 [4] G Coatrieux, H Maitre, B Sankur, Y Rolland, R Collorec, “Relevance of atermarking in medical imaging,” in Proc 3rd Conf Information Technology Applications in Biomedicine, ITAB’00, Arlington, USA, pp 250-255 [5] K.A Navas, S Archana Thampy, and M Sasikumar, “ ERP hiding in medical images for telemedicine,” Proceedings of World Academy of Science... Cholula, Mexico, February, 2007 [9] G C Langelaar, I Setyawan, R L Lagendijk, “ Watermarking digital image and video data A state-of-the-art overview,” IEEE signal processing Magazine , vol 17, no 5, pp 20-46, Sept.2000 [10] N Nikolaidis and I Pitas, “Digital image watermarking: an overview,” in Proc Int Conf Multimedia Comput and Syst., ICMCS99, vol 1, pp 1-6, Florence, Italy, June 7–11, 1999 [11]... 1, pp 1-6, Florence, Italy, June 7–11, 1999 [11] I J Cox, Matt L Miller, “ The first 50 years of electronic watermarking ,” EURASIP Journal on Applied Signal Processing , Vol.2002, no.2, pp 126-132 , 2002 [12] Meerwald P, Uhl A (2001) A survey of wavelet-domain watermarking algorithms Proceedings of the SPIE security and watermarking of multimedia contents, vol 4314 San Jose, pp 505–516 [13] S Hajjara,... dạng ảnh nhị phân VI THAM KHẢO [1] H M Chao, C M Hsu, S G Miaou, “A data-hiding technique with authentication, integration, and confidentiality for electronic patient records,” IEEE Trans Inf Technol Biomed., vol 6, no 1, pp 46-53, March 2002 [2] U Rajendra Acharya, D Anand, P Subbanna Bhat, U.C Niranjan, “Compact storage of medical images with patient information,” IEEE Trans Inf Technol Biomed., vol... data management through multiple watermarking on medical images,” Medical Biological Engineering & Computing, Vol 44, pp 619-631, 2006 [16] A Giakoumaki, S Pavlopoulos, D Koutsouris, “Multiple image watermarking applied to health information management,” IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, Vol pp 722-732, 2006 [17] A Giakoumaki, S Pavlopoulos, D Koutsouris, “ A medical image