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

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.. Sự

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, σ2) gồm một phân bố thường với giá trị trung bình μ phương sai σ2)

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 Dd (Dd = 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 Dd = 1 to n, thêm chuỗi rth PN ghép đôi với những cột pth của hệ

số thành phần ccH và ccV, với p = r modulo(N/4), do đó 1≤ p ≤N/4, 1

≤ r ≤ n

ccH((pth column) = ccH(pth column) + k * rth PN_h;

ccV((pth column) = ccV(pth column) + k * rth 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) Iw(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 Jth) corr_V (i) = tương quan giữa PN_v1(i) and ccV1((cột Jth) 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

a b

Hình 1 Ảnh gốc và ảnh quét CT được watermark, (a)-ảnh gốc ảnh watermark với

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 4 Ảnh trích xuất (a) level 1 (b) level 2 and (c) level (3)

Hình 5 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 này 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 x-quang watermarking với những thông tin y tế nhạy cảm trọng định 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 5, no 4, pp 320-323, Dec 2001

[3] X Kong, R Feng, “Watermarking medical signals for telemedicine,” IEEE

Transaction on Information 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 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 Applications in Healthcare,” IEEE Eng Med Biol Soc, Vol 1, pp 4691-4, 2006

[8] R C Raul, F U Claudia, and T B Gershom, “ Data hiding scheme for medical images,” in Proceedings International Conference on Electronics, Communications and Computers (CONIELECOMP’07), pp.32-32, 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