Nghiên cứu và ứng dụng watermarking trong xác thực ảnh y tế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGỌC MỸ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGỌC MỸ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH HỮU HƯNG Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Ngọc Mỹ ii TÓM TẮT NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ Học viên: Phạm Ngọc Mỹ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Kỹ thuật Watermarking mô tả phương pháp công nghệ giấu thông tin phương tiện truyền thông kỹ thuật số, kỹ thuật watermarking áp dụng cách hiệu cho hình ảnh y tế sử dụng để nhúng thơng tin bệnh nhân vào hình ảnh y tế có hiệu trích lại thơng tin hình ảnh y tế, tránh sửa đổi không cần thiết người trái phép Những vấn đề giải thông qua watermarking, để bác sĩ chẩn đốn hình ảnh y tế đảm bảo an tồn Các thơng tin bệnh nhân nhúng vào hình ảnh y tế mà khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng nội dung gốc hình ảnh y tế Chương trình watermarking dựa tảng Discrete Wavelet Transform (DWT) sử dụng cho hình ảnh y tế mơ phần mềm MATLAB Phương pháp đề xuất cung cấp số liệu hiệu suất MSE PSNR có giá trị tốt so với phương pháp có Trên tóm tắt kết đạt luận văn hướng phát triển Từ khóa – Hình ảnh watermarking, Discrete Wavelet Transform (DWT), MATLAB, PSNR, MSE Abstract - Watermarking techniques describe methods and technologies for hiding information in digital media Watermarking techniques are effectively applied to medical images and are used to embed information Patients into the medical image and get the effect is to extract medical image information, avoid unnecessary modifications by unauthorized people These problems are addressed through watermarking, so that the doctor can diagnose medical imaging and be safer Patient information will be embedded into the medical image without compromising the quality or original content of the medical image The watermarking program is based on the Discrete Wavelet Transform (DWT) platform used for medical imaging and is simulated by MATLAB software The proposed method is to provide better MSE and PSNR performance data than existing methods Above is a summary of the results of the thesis and the direction of the next development Keywords - Image watermarking, Discrete Wavelet Transform (DWT), MATLAB, PSNR, MSE iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG .vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 1.1 GIỚI THIỆU WATERMARK (GIẤU TIN) 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại giấu tin 1.2 TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại 1.2.3 Mơ hình [1] 1.2.3.1 Giai đoạn nhúng 1.2.3.2 Giai đoạn phân bố 10 1.2.3.3 Giai đoạn trích 11 1.2.3.4 Giai đoạn định 12 1.2.4 Một số ứng dụng [12] 13 1.2.4.1 Bảo vệ quyền sở hữu 13 1.2.4.2 Xác nhận thông tin ảnh tình trạng nguyên vẹn liệu 13 1.2.4.3 Theo dõi trình sử dụng 14 1.2.4.4 Kiểm tra giả mạo 14 1.2.4.5 Truyền tin bí mật 14 1.2.5 Một số yêu cầu thủy vân 14 CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ 18 2.1 CÁC KHUYNH HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA KỸ THUẬT WATERMARKING [5] [12] 18 2.1.1 Kỹ thuật thủy vân miền không gian ảnh 18 iv 2.1.2 Quá trình chèn thủy vân vào ảnh 19 2.1.3 Quá trình phát watermark 19 2.1.4 Kỹ thuật thủy vân dùng phép biến đổi DCT 19 2.1.5 Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT 22 2.1.5.1 Quá trình nhúng 23 2.1.5.2.Q trình trích 24 2.1.6 Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT 25 2.2 KỸ THUẬT THỦY VÂN DÙNG BIẾN ĐỔI DWT TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ 25 2.2.1 Nhúng Thuật toán: 25 2.2.2 Khai thác thuật toán 28 2.3 KỸ THUẬT THỦY VÂN DÙNG BIẾN ĐỔI DWPT TRONG HỒ SƠ BỆNH NHÂN ĐIỆN TỬ 28 2.3.1 Tạo hình mờ 29 2.3.2 Phương pháp nhúng Watermark 29 2.3.3 Phương pháp trích xuất watermark 31 2.4 ĐÁNH GIÁ NHẬN XÉT 32 2.5 TẤN CÔNG THỦY VÂN 34 2.5.1 Khái quát công thủy vân 34 2.5.2 Vấn đề bảo mật 36 2.5.3 Tấn công cố ý 36 2.5.3.1 Tấn công loại bỏ 36 2.5.3.2 Tấn cơng hình học 37 2.5.3.3 Tấn công mã hóa 37 2.5.3.4 Tấn công giao thức 38 CHƯƠNG TRIỂN KHAI WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ 39 3.1 WATERMARKING ĐỐI VỚI HÌNH ẢNH Y TẾ 39 3.2 ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM: 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi consin rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc DWPT Discrete Wavelet Packet Transform Biến đổi gói tin wavelet rời rạc HVS Human Visual System Hệ thống thị giác người IDWT Inverse Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc nghịch MSE Mean Square Error Sai lệch trung bình bình phương PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu SVD Singular Value Decomposition Biến đổi giá trị số EPR Electronic patient record Hồ sơ bệnh án điện tử DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine Tiêu chuẩn Kỹ thuật Số Truyền thông Y học ECC Error Correcting Code Lỗi sửa chữa mã NC Normalized correlation coefficient Hệ số tương quan bình thường BER Bit error rate Tốc độ bit lỗi QF Quality factors Chất lượng yếu tố vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 2.1 2.2 2.3 3.1 Tên bảng Trang So sánh giấu tin mật thủy vân số Đánh giá chất lượng ITU-R BT.500-13 theo cấp độ từ đến Các công lên ảnh thủy vân Phân loại công cố ý So sánh MSE PSNR 33 35 36 43 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 Tên hình (a) Hình ảnh XQ (b) Hình ảnh CT Scan (c) Hình ảnh CT Scan (d) Hình ảnh MRI Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin Lược đồ chung cho trình giấu tin Lược đồ chung cho q trình tách thơng tin Lược đồ chung cho q trình thủy vân Mơ hình tổng quát giai đoạn nhúng liệu vào ảnh số Mơ hình phân phối ảnh sau nhúng thơng tin thủy vân Mơ hình trích ảnh thủy vân Giai đoạn phát thủy vân Sơ đồ khối trình thủy vân dùng biến đổi DCT Khối 8x8 ảnh “Rừng cây” Sơ đồ thủy vân tổng quát dùng phân tích DWT Kết phân tích DWT ảnh gốc Biểu đồ thuật toán nhúng DWT DWPT cho hai cấp Thuật tốn nhúng watermark Thuật tốn trích xuất watermark Kết mô tổng số DWT dựa hình ảnh y tế watermarking Kết mơ DWT dựa hình ảnh y tế watermarking Kết mô DWT dựa hình ảnh y tế watermarking Kết mơ DWT dựa hình ảnh y tế watermarking Biểu đồ hình cột Hình ảnh XRAY Giao diện hình Watermark ảnh y tế Giao diện chèn Watermark Giao diện Nhập Thông tin đường dẫn Thông tin bệnh nhân Kết thực thi Giao diện trích xuất watermark Giao diện Hiển thị thơng tin trích xuất Hình ảnh XRAY chèn thông tin Trang 10 11 12 13 20 20 23 23 26 29 30 31 39 40 40 41 42 44 45 46 47 48 48 49 49 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việc trao đổi thơng tin, xuất thơng tin Internet có nhiều nguy khơng an tồn thơng tin bị lộ hay bị sửa đổi hay bị vi phạm quyền Nói chung, để bảo vệ thơng tin khỏi truy cập, sử dụng trái phép cần phải kiểm sốt việc sau: thơng tin tạo ra, lưu trữ truy nhập nào, đâu, vào thời điểm Như việc quản lý quyền số tốn khơng dễ dàng nhà quản lý Trên thực tế, nhu cầu bảo vệ quyền tác giả, quyền sở hữu cho thông tin số lớn Digital watermarking (Phương pháp Thủy Vân số) phương pháp hiệu cho phép chủ sở hữu nội dung số nhúng giấu chứng quyền mình, từ xác định quyền sở hữu, phát việc sử dụng trái phép mà không làm ảnh hưởng đến nội dung nội dung số Với tính chất đặc thù Digital watermarking thích hợp với việc bảo vệ quyền tác giả Kỹ thuật Watermarking phát triển cho watermarking hình ảnh y tế sử dụng để nhúng thơng tin bệnh nhân vào hình ảnh y tế hiệu trích lại thơng tin Hình ảnh y tế thông tin y tế (như CT, scan, MRI Scan ảnh, vv…) cần phải an toàn đáng tin cậy Các thông tin y tế cần phải an toàn ngăn chặn từ sửa đổi người trái phép thay báo cáo người khác Những vấn đề giải cách ẩn thơng tin bệnh nhân hình ảnh y tế watermarking cách tiếp cận, để bác sĩ chẩn đốn hình ảnh y tế an tồn Khi đóng dấu hình ảnh y tế thực hiện, chăm sóc đặc biệt cần thiết, để nội dung y tế không bị xáo trộn bị Các thông tin bệnh nhân nhúng vào hình ảnh y tế mà khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng nội dung gốc hình ảnh y tế Xuất phát từ yêu cầu thực tế, chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng watermarking xác thực ảnh y tế” nhằm mục đích hướng tới phần nhiệm vụ bảo vệ quyền thơng tin số MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ứng dụng watermarking xác thực ảnh y tế ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật watermarking cho ảnh y tế 45 Giao diện chương trình watermark Hình 3.7 Giao diện hình Watermark ảnh y tế 46 Chọn đường dẫn để lấy ảnh đầu vào ảnh đầu ra, đồng thời nhập thơng tin bệnh nhân cần watermark Hình 3.8 Giao diện chèn Watermark 47 Nhập Thông tin đường dẫn Thông tin bệnh nhân Hình 3.9 Giao diện Nhập Thơng tin đường dẫn Thông tin bệnh nhân 48 Kết sau watermark Hình 3.10 Kết thực thi Trích xuất watermark Hình 3.11 Giao diện trích xuất watermark 49 Hình 3.12 Giao diện Hiển thị thơng tin trích xuất Hình ảnh XRAY chèn thơng tin Hình 3.13 Hình ảnh XRAY chèn thông tin 50 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Cất giấu chi tiết bệnh nhân hình ảnh y tế cách sử dụng cấp DWT dựa watermarking đề xuất để xác thực hình ảnh y tế đóng dấu thực cách hiệu Phương pháp DWT kiểm tra số liệu hiệu suất MSE PSNR, rõ ràng phương pháp đề nghị cung cấp MSE có giá trị thấp so với phương pháp khác lần giá trị PSNR tăng 32% Khi sử dụng phương pháp mức DWT cao cho watermarking dự kiến cung cấp cho kết với thời gian thực so sánh với phương pháp Đáp ứng an tồn thơng tin bệnh nhân y tế, dễ quản lý mà không cần thêm chi phí khơng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh y tế HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nghiên cứu nâng cao thuật tốn để có hình ảnh y khoa có dấu mờ với suy giảm khơi phục lại watermark với độ xác tốt 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Thanh Hà (2009), Watermarking dùng Wavelets ảnh số, Luận văn Thạc sĩ, trang 15-21 [2] Nguyễn Hoàng Hải (2005), Nguyễn Việt Anh, Phạm Minh Toàn, Hà Trần Đức, Cơng cụ phân tích Wavelet ứng dụng Matlab, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, trang 17-31 [3] Huỳnh Hữu Hưng, Xử lý ảnh, Giáo trình mơn học [4] Phan Thanh Tao (2004), Giáo trình MATLAB, Nhà xuất Đà Nẵng [5] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng (2002), Một số thuật toán thủy vân ảnh miền DCT, Khóa luận tốt nghiệp Tiếng Anh [6] Md.Moniruzzaman et al., Wavelet based watermarking approach of hiding patient information in medical image for medical image authentication, ICCIT IEEE 17th International Conference on Computer and Information Technology, 2014 [7] S.C.Rathi and V.S Inamdar, Medical Images Authentication through Watermarking preserving ROI, Health Informatics – An International Journal (HIIJ) , vol.1, no.1, August 2012 [8] A.Giakoumaki, S Pavlopoulos, D Koutsouris, A Multiple Digital Watermarking Applied to Medical Imaging, Proceedings of the 2005 IEEE, Engineering in Medicine and Biology , 27th Annual Conference Shanghai, China, September 1-4 , 2005 [9] Chandra M B and Srinivas K S., Robust multiple image Watermarking Scheme using Discrete Cosine transform with Multiple Description, International Journal of Computer Theory and Engineering, vol 1, pp 1793-8201, 2009 [10] Imen Fourati Kallel, Mohamed Kallel, Mohamed Salim BOUHLEL, A Secure fragile Watermarking Algorithm for Medical Image Authentication in the DCT Domain, IEEE , 2006 [11] B.L Gunjal, R.R Manthalkar, Discrete Wavelet Transform Based Strongly Robust Watermarking Scheme for Information Hiding in Digital Images, Third International conference Emerging Trends in Engineering and Technology India, pp 124-129, November 2010 52 [12] S A Mostafa, N El-sheimy, A Tolba, F Abdelkader, and H M Elhindy, Wavelet packets-based blind watermarking for medical image management, The open biomedical engineering journal, vol 4, 2010 [13] Ingemar J Cox, Matthew L Miller, Jeffrey A Bloom, Jessica Fridrich, and Ton Kalker (2008), Digital Watermarking and Steganography, Morgan Kaufmann [14] International Telecommunication Union (2012), Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures [15] Ingemar J Cox, Matthew L Miller, Jeffrey A Bloom, Jessica Fridrich, and Ton Kalker (2008), Digital Watermarking and Steganography, Morgan Kaufmann ... Nghiên cứu ứng dụng watermarking xác thực ảnh y tế ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật watermarking cho ảnh y tế 2 3.2 Phạm vi nghiên cứu Dữ... hình ảnh y tế Xuất phát từ y? ?u cầu thực tế, chọn đề tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng watermarking xác thực ảnh y tế? ?? nhằm mục đích hướng tới phần nhiệm vụ bảo vệ quyền thông tin số MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên. .. dựa hình ảnh y tế watermarking Kết mô DWT dựa hình ảnh y tế watermarking Kết mơ DWT dựa hình ảnh y tế watermarking Kết mơ DWT dựa hình ảnh y tế watermarking Biểu đồ hình cột Hình ảnh XRAY Giao