[論文レビュー] Medical Image Watermarking using 2D-DWT with Enhanced security and capacity

Ali Sharifara, Amir Ghaderi|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、暗号化と圧縮を統合することで、セキュリティと容量を向上させる2D-DWTベースの医療画像ウェーブマーキング方式を提案する。CTおよびMRIスキャンの低周波数サブバンド（LH、HL、HH）にテキストおよび画像ウェーブマークを埋め込み、さまざまな攻撃下でも高い視覚的類似性（PSNR: 42.45 dB、SSIM: 0.9891）と低いウェーブマーク損傷（0.12–0.16%）を達成した。

ABSTRACT

Teleradiology enables medical images to be transferred over the computer networks for many purposes including clinical interpretation, diagnosis, archive, etc. In telemedicine, medical images can be manipulated while transferring. In addition, medical information security requirements are specified by the legislative rules, and concerned entities must adhere to them. In this research, we propose a new scheme based on 2-dimensional Discrete Wavelet Transform (2D DWT) to improve the robustness and authentication of medical images. In addition, the current research improves security and capacity of watermarking using encryption and compression in medical images. The evaluation is performed on the personal dataset, which contains 194 CTI and 68 MRI cases.

研究の動機と目的

• 遠隔放射線診断および電子的健康記録における、安全かつ耐障害性の高い医療画像認証のための重要なニーズに対処すること。
• ウェーブマーク埋め込み中に視覚的および診断的整合性を保持し、目立つ歪みを避けること。
• 暗号化および圧縮技術を用いて画像およびテキストデータを統合することで、ウェーブマーク容量とセキュリティを向上させること。
• 一般的な攻撃（例：圧縮、ノイズ、ブロックシャッフル）の後でもウェーブマークが抽出可能であることを保証すること。
• ウェーブマーク抽出後に元の画像を正確に回復できる可逆的で非ブラインドなウェーブマーキングシステムを開発すること。

提案手法

• 医療画像を2次元離散ウェーブレット変換（DWT）でサブバンド（LL、LH、HL、HH）に分解し、ウェーブマーク埋め込みに低周波数成分に焦点を当てる。
• 埋め込み前に、容量とセキュリティを向上させるために、圧縮（JPEGに類似）と暗号化（対称鍵ベース）を用いる。
• ビット平面操作と多数決法を用いて、患者情報（テキスト）と病院ロゴ（画像）をLH、HL、HHサブバンドに埋め込む。
• 2つのプライベートキーを用いて抽出時に使用する鍵依存型埋め込み戦略を採用し、セキュリティと正確な再構成を保証する。
• 複数のサブバンドからの寄与を統合してウェーブマークを再構成するビットメジャリティアルゴリズムを採用し、耐性を向上させる。
• 元の画像とプライベートキーを必要とする非ブラインド抽出プロセスを用いて、正確にウェーブマークを回復する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮、ノイズ、ブロック操作などの一般的な攻撃に対して耐性がありつつ、画像品質を保持するウェーブマーク埋め込み手法はどのように実現できるか？
• RQ2 DWTベースの埋め込みを用いた医療画像において、ウェーブマーク容量と視覚的類似性の最適なバランスは何か？
• RQ3 暗号化および圧縮技術の統合が、医療画像ウェーブマーキングのセキュリティと容量を顕著に向上させられるか？
• RQ4 本手法は、CTIおよびMRIを含む多様な医療画像タイプにおいて、高いSSIMおよびPSNR値を維持できるか？
• RQ5 実際のネットワーク攻撃下でウェーブマークはどの程度生存し、損傷はどのように定量されるか？

主な発見

• 提案手法はPSNR 42.45 dBおよびSSIM 0.9891を達成し、元の画像と水色の画像の間でほぼ完全な視覚的類似性があることを示している。
• CT画像では最大8,192ビット（最大容量の48.77%）、MRI画像では2,048ビット（31.78%）のウェーブマーク容量に達しており、高い効率性を示している。
• CT画像ではウェーブマーク損傷率が0.1244%、MRI画像では0.1556%にとどまり、高い耐性を示している。
• 暗号化および圧縮の適用により、有効なウェーブマーク容量が向上し、セキュリティが維持され、検出可能性も低下した。
• JPEG圧縮やソルトアンドペッパー雑音などの一般的な攻撃後でも、ウェーブマークが正常に抽出されたことから、耐性が確認された。
• 可逆性のおかげで、ウェーブマーク抽出後に元の医療画像を完全に再構成できることが保証された。