PACS 中圖像加密方法的研究

1、pacs中圖像加密方法的研究* 基金項(xiàng)目廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2010gxnsfa013129）收稿日期2011-5-22倪勝黃月華（廣西醫(yī)科大學(xué)信息中心廣西南寧530021）摘要對(duì)pacs發(fā)展現(xiàn)狀、安全策略進(jìn)行分析，對(duì)各種圖像加密技術(shù)進(jìn)行比較，得出一種較為合適安全要求的醫(yī)學(xué)圖像的加密方法。文章分析logistic映射的算法特性，設(shè)計(jì)基于logistic映射的混沌加密用于圖像的實(shí)現(xiàn)方法，給出加密過(guò)程，得出此類(lèi)算法適用于pacs圖像加密的結(jié)論。關(guān)鍵詞pacs；圖像加密；混沌加密中圖分類(lèi)號(hào)r814.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a文章編號(hào)1088-7656（2011）03-0042-03醫(yī)學(xué)圖像作為診斷的重要依據(jù)

2、，如果出現(xiàn)篡改，不僅無(wú)法作為醫(yī)療事故評(píng)斷的證據(jù)，更會(huì)延誤患者的最佳治療時(shí)機(jī)，所以做好醫(yī)學(xué)圖像的安全保密工作非常重要。1pacs安全策略醫(yī)學(xué)圖像的安全保密涉及到各個(gè)方面，包括網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)庫(kù)安全以及自身的加密安全。pacs的安全保障工作從需要從低到高逐層進(jìn)行策劃。醫(yī)學(xué)圖像對(duì)保密性的要求較高，僅僅安全策略還不能保證pacs的安全穩(wěn)定。因此需要通過(guò)置換算法對(duì)pacs圖像進(jìn)行保護(hù)，也就是圖像加密。通過(guò)加密醫(yī)學(xué)圖像，即使圖像在傳輸過(guò)程中被截獲，也無(wú)法破壞其原始性、真實(shí)性和保密性，達(dá)到保護(hù)pacs正常運(yùn)營(yíng)的目的。2pacs圖像加密過(guò)程目前的pacs中醫(yī)學(xué)圖像格式遵循國(guó)際醫(yī)學(xué)圖像通信標(biāo)準(zhǔn)dicom

3、3.0（digital imaging and communication in medicine）規(guī)定的文件格式。dicom文件一般是由一個(gè)dicom文件頭和一個(gè)dicom數(shù)據(jù)集合組成，數(shù)據(jù)集合是由dicom數(shù)據(jù)元素按一定的順序排列組成的，不僅包括醫(yī)學(xué)圖像，還包括許多和醫(yī)學(xué)圖像有關(guān)的信息。大多數(shù)情況下pacs圖像加密過(guò)程即是dicom圖像文件的加密過(guò)程，總體思路如下：（1）定義醫(yī)學(xué)存儲(chǔ)圖像參數(shù)的變量，確定那個(gè)變量初始化。（2）按照傳輸語(yǔ)法格式要求，對(duì)dicom文件的各相關(guān)數(shù)據(jù)元進(jìn)行遍歷，提取出0002組、0028組和7ef0組有用的數(shù)據(jù)元的內(nèi)容，分別存入先前定義的變量中。（3）根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)元

4、的值還原出dicom文件的圖像矩陣并進(jìn)行加密操作。（4）將加密后的圖像數(shù)據(jù)重新寫(xiě)入dicom文件中，關(guān)閉文件。其中（7ef0，0010）是dicom圖像像素?cái)?shù)據(jù)元素標(biāo)識(shí)，值域中的數(shù)據(jù)就是dicom文件的圖像像素，另外讀取0002組、0028組有關(guān)數(shù)據(jù)元的內(nèi)容，可得到圖像的幀數(shù)、行數(shù)、列數(shù)、像素的采樣數(shù)和像素所占的字節(jié)數(shù)。這些數(shù)據(jù)的讀取為圖像加密做好前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。3pacs圖像加密方法3.1加密算法的發(fā)展加密技術(shù)總體上可分為對(duì)一維（二進(jìn)制）序列的加密和對(duì)二維（圖像）、三維（多媒體）序列的加密。加密算法不僅可以實(shí)現(xiàn)保密功能，還具有身份驗(yàn)證、秘密分存、安全隔離等功能。一維序列加密方面，常見(jiàn)的對(duì)稱(chēng)加密

5、算法有idea、aes等，非對(duì)稱(chēng)加密算法有rsa、dsa、ecc等。由于二維（圖像）、三維（多媒體）序列的一些特性，使得它們?cè)趯?duì)算法的需求上體現(xiàn)出與一維數(shù)據(jù)不同的特點(diǎn)：（1）數(shù)字圖像信息的數(shù)據(jù)量大，冗余度高。一般的圖像在未壓縮的情況下其大小也可以達(dá)到1mb以上。（2）圖像相鄰像素間具有相關(guān)性。圖像的可視性使得一定區(qū)域色彩是相似的，因此像素間有很強(qiáng)的相關(guān)性。一維加密就無(wú)需考慮到這種相關(guān)性質(zhì)，而是直接加密每個(gè)分組。（3）加密圖像在解密時(shí)允許一定失真。圖像失真只要控制在人的視覺(jué)內(nèi)是完全可以接受的。（4）需要預(yù)處理。數(shù)字圖像一般都以二維數(shù)組的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，如果圖像很大，需要一定時(shí)間進(jìn)行圖像預(yù)處理，降低

6、了加密效率。由于圖像的不同特性致使常用的數(shù)據(jù)加密方法無(wú)法保證達(dá)成最佳的效果。因此需要尋找專(zhuān)門(mén)用于二維數(shù)據(jù)加密的算法。最近幾年發(fā)展起來(lái)的圖像加密技術(shù)主要有：基于矩陣變換/像素置換；基于偽隨機(jī)序列；基于scan語(yǔ)言；基于“密鑰圖像”；基于四叉樹(shù)編碼及scan語(yǔ)言；基于矢量量化壓縮編碼及商業(yè)密碼等。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文重點(diǎn)探討基于logistic映射的混沌加密技術(shù)。logistic映射雖然簡(jiǎn)單，但其有自身的特性，使得它更合適用于圖像的加密?；煦缡且环N復(fù)雜的非線性、非平衡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，其特點(diǎn)為：（1）混沌系統(tǒng)的行為是許多有序行為的集合，而每個(gè)有序分量在正常條件下，都不起主導(dǎo)作用；（2）人為設(shè)計(jì)的混

7、沌系統(tǒng)能產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，卻能表現(xiàn)出某些近似真隨機(jī)序列的特性；（3）混沌系統(tǒng)對(duì)初始條件極為敏感，對(duì)于兩個(gè)相同的混沌系統(tǒng)，若使其處于稍異的初態(tài)就會(huì)迅速變成完全不同的狀態(tài)?；谝陨咸攸c(diǎn)，混沌序列具有不可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)長(zhǎng)期性；具有很好的統(tǒng)計(jì)特性，可以產(chǎn)生隨機(jī)序列；具有非周期、連續(xù)寬頻帶、類(lèi)噪聲等特點(diǎn)。其類(lèi)噪聲的隨機(jī)性特征符合了傳統(tǒng)密碼學(xué)中密文是偽隨機(jī)信號(hào)的要求；對(duì)初值的敏感性使得破譯者無(wú)法得到所用混沌密鑰及其系統(tǒng)參數(shù)，最終使得混沌理論非常適用于保密通信領(lǐng)域。3.2基于logistic映射的圖像加密logistic 映射是一類(lèi)非常簡(jiǎn)單卻被廣泛研究的動(dòng)力系統(tǒng)。它起源于一個(gè)人口統(tǒng)計(jì)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，雖然簡(jiǎn)單卻體現(xiàn)出

8、混沌運(yùn)動(dòng)的基本特性。此系統(tǒng)具有極其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，在保密通信領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，其數(shù)學(xué)表達(dá)公式如下：xk+1=xk(1-xk)0,4x0,1（1）其中0,4被稱(chēng)為logistic參數(shù)，xk 0,1,當(dāng)3. 5699456 4 時(shí),logistic 映射處于混沌狀態(tài)，見(jiàn)圖1所示。即由初始條件x0 在logistic 映射的作用下所產(chǎn)生的序列xk , k = 0,1,2 ,是非周期的、不收斂的,且對(duì)初始值非常敏感，而在此范圍之外，生成的序列必將收斂于某一個(gè)特定的值，見(jiàn)圖2所示。圖1 x0=0.5，=3.98時(shí)的300次迭代結(jié)果圖2 x0=0.5，=2.5時(shí)的300次迭代結(jié)果當(dāng)2.8 3.5699

9、45672時(shí),便進(jìn)入了混沌區(qū)。這便是倍周期通向混沌的整個(gè)過(guò)程。進(jìn)一步證明了logistic映射所產(chǎn)生的序列是非周期、不收斂的，并對(duì)初始條件敏感。圖3logistic映射分支圖logistic映射序列還具有較好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，總的來(lái)說(shuō)，logistic映射具有以下屬性：（1）混沌序列的規(guī)律性。即當(dāng)初值x0確定之后，xk便已經(jīng)確定了，因?yàn)樗怯纱_定的方程導(dǎo)出的。（2）混沌序列的遍歷性。遍歷性也稱(chēng)各態(tài)歷經(jīng)性，也就是說(shuō)混沌變量能在一定的范圍內(nèi)按其自身規(guī)律不重復(fù)的遍歷所有狀態(tài)。這是混沌的重要特性之一。（3）混沌序列對(duì)初值的敏感性。初值非常微小的變化在一定次數(shù)的迭代運(yùn)算之后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)完全不同的序列

10、，導(dǎo)致結(jié)果巨大的差異。利用logistic映射的這些特性,通過(guò)進(jìn)一步的完善并加大其復(fù)雜程度，我們便可利用其產(chǎn)生的迭代序列可以用于pacs中醫(yī)學(xué)圖像的加密目的。在最簡(jiǎn)單的情況下，其對(duì)圖像的加密步驟如下：（1）自選、x0值代入公式xk+1=xk(1-xk)，舍去前面迭代的一定數(shù)次，取之后生成一字節(jié)混沌偽隨機(jī)序列流 xk，其中3.5699456,4，x0,1；（2）選取xk小數(shù)點(diǎn)后5,6,7三位數(shù)字組成整數(shù),再除256 取模后得到z；（3）從原圖像各像素點(diǎn)中提取一個(gè)字節(jié)的灰度值作為明文序列流yk；（4）將z和yk異或處理，結(jié)果即為加密后的像素灰度值，將其保存；（5）將公式繼續(xù)迭代50次之后取其生成的

11、一字節(jié)混沌偽隨機(jī)序列流xk+50，執(zhí)行（2）操作，繼續(xù)提取下一個(gè)字節(jié)的灰度值yk+1，執(zhí)行（4）操作；（6）依次類(lèi)推。加密過(guò)程是屬于對(duì)稱(chēng)加密，解密過(guò)程是采用相同的logistic 映射的混沌初始參數(shù),對(duì)加密的圖像文件執(zhí)行相同的算法。在dicom格式下的醫(yī)學(xué)圖像可以有8位、16位或24位，新采集的圖像以灰度圖像居多。步驟針對(duì)位圖加密，以8位的灰度圖像為討論對(duì)象。若圖像為16位以上，則單個(gè)像素分解成多個(gè)8位明文流再對(duì)其加密。3.3算法分析根據(jù)公式（1）可知，本算法的初值空間為(0, 1)之間的全體實(shí)數(shù),初值可以取小數(shù)點(diǎn)后十位甚至更多的位數(shù)，則其空間大小可以計(jì)算為1010以上；其參數(shù)有效值為3.56

12、99456到4之間的全體實(shí)數(shù)，只要改變其中一位即會(huì)產(chǎn)生不同序列，具有良好的隨機(jī)性和接近于白噪聲的相關(guān)函數(shù)。加密系統(tǒng)具有很好的運(yùn)算速度，適用于對(duì)實(shí)時(shí)特性要求較高應(yīng)用場(chǎng)合。針對(duì)pacs圖像的安全問(wèn)題，從加密保護(hù)的角度出發(fā)，綜合現(xiàn)在常用的加密技術(shù)，提出基于logistic映射的混沌加密技術(shù),具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：密鑰的靈敏性高，對(duì)強(qiáng)力攻擊防御性好；技術(shù)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性高，符合pacs臨床應(yīng)用的要求。參考文獻(xiàn)1柴振明.pacs技術(shù)概述及發(fā)展j.醫(yī)療設(shè)備信息,2007(9).2陳珂,崔志明.改進(jìn)的加密算法在醫(yī)學(xué)圖像上的應(yīng)用j. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009(3).3張愛(ài)華,江中勤. 基于logistic映

13、射的混沌圖像加密算法的改進(jìn)j.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009 (4).作者簡(jiǎn)介倪勝，廣西醫(yī)科大學(xué)信息中心，助教，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)信息管理。黃月華，廣西醫(yī)科大學(xué)信息中心助教。責(zé)任編輯張宜我的大學(xué)愛(ài)情觀1、什么是大學(xué)愛(ài)情：大學(xué)是一個(gè)相對(duì)寬松，時(shí)間自由，自己支配的環(huán)境，也正因?yàn)檫@樣，培植愛(ài)情之花最肥沃的土地。大學(xué)生戀愛(ài)一直是大學(xué)校園的熱門(mén)話題，戀愛(ài)和學(xué)業(yè)也就自然成為了大學(xué)生在校期間面對(duì)的兩個(gè)主要問(wèn)題。戀愛(ài)關(guān)系處理得好、正確，健康，可以成為學(xué)習(xí)和事業(yè)的催化劑，使人學(xué)習(xí)努力、成績(jī)上升；戀愛(ài)關(guān)系處理的不當(dāng)，不健康，可能分散精力、浪費(fèi)時(shí)間、情緒波動(dòng)、成績(jī)下降。因此，大學(xué)生的戀愛(ài)觀必須樹(shù)立在健康之上，

14、并且樹(shù)立正確的戀愛(ài)觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談?wù)勛约旱膶?duì)大學(xué)愛(ài)情觀。2、什么是健康的愛(ài)情：1) 尊重對(duì)方，不顯示對(duì)愛(ài)情的占有欲，不把愛(ài)情放第一位，不癡情過(guò)分；2) 理解對(duì)方，互相關(guān)心，互相支持，互相鼓勵(lì)，并以對(duì)方的幸福為自己的滿足; 3) 是彼此獨(dú)立的前提下結(jié)合；3、什么是不健康的愛(ài)情：1)盲目的約會(huì)，忽視了學(xué)業(yè);2)過(guò)于癡情，一味地要求對(duì)方表露愛(ài)的情懷，這種愛(ài)情常有病態(tài)的夸張;3)缺乏體貼憐愛(ài)之心，只表現(xiàn)自己強(qiáng)烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大學(xué)生處理兩人的在愛(ài)情觀需要三思：1. 不影響學(xué)習(xí)：大學(xué)戀愛(ài)可以說(shuō)是一種必要的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)是大學(xué)的基本和主要任務(wù)，這兩者之間有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)

15、系，有的學(xué)生因?yàn)閻?ài)情，過(guò)分的忽視了學(xué)習(xí)，把感情放在第一位；學(xué)習(xí)的時(shí)候就認(rèn)真的去學(xué)，不要去想愛(ài)情中的事，談戀愛(ài)的時(shí)候用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。2. 有足夠的精力：大學(xué)生活，說(shuō)忙也會(huì)很忙，但說(shuō)輕松也是相對(duì)會(huì)輕松的！大學(xué)生戀愛(ài)必須合理安排自身的精力，忙于學(xué)習(xí)的同時(shí)不能因?yàn)楦星榈氖虑榉中?，不能在學(xué)習(xí)期間，放棄學(xué)習(xí)而去談感情，把握合理的精力，分配好學(xué)習(xí)和感情。3、 有合理的時(shí)間；大學(xué)時(shí)間可以分為學(xué)習(xí)和生活時(shí)間，合理把握好學(xué)習(xí)時(shí)間和生活時(shí)間的“度”很重要；學(xué)習(xí)的時(shí)候，不能分配學(xué)習(xí)時(shí)間去安排兩人的在一起的事情，應(yīng)該以學(xué)習(xí)為第一；生活時(shí)間，兩人可以相互談?wù)剳賽?ài)，用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)

16、，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。5、大學(xué)生對(duì)愛(ài)情需要認(rèn)識(shí)與理解，主要涉及到以下幾個(gè)方面：（1） 明確學(xué)生的主要任務(wù)“放棄時(shí)間的人，時(shí)間也會(huì)放棄他?！贝髮W(xué)時(shí)代是吸納知識(shí)、增長(zhǎng)才干的時(shí)期。作為當(dāng)代大學(xué)生，要認(rèn)識(shí)到現(xiàn)在的任務(wù)是學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)做人、學(xué)習(xí)知識(shí)、學(xué)習(xí)為人民服務(wù)的本領(lǐng)。在校大學(xué)生要集中精力，投入到學(xué)習(xí)和社會(huì)實(shí)踐中，而不是因把過(guò)多的精力、時(shí)間用于談情說(shuō)愛(ài)浪費(fèi)寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標(biāo)，規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)道路，合理分配好學(xué)習(xí)和戀愛(ài)的地位。（2） 樹(shù)林正確的戀愛(ài)觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛(ài)情：在戀人的選擇上最重要的條件應(yīng)該是志同道合，思想品德、事業(yè)理想和生活情趣等大體一致。擺正愛(ài)情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系

17、：大學(xué)生應(yīng)該把學(xué)習(xí)、事業(yè)放在首位，擺正愛(ài)情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系，不能把寶貴的大學(xué)時(shí)間，鍛煉自身的時(shí)間都用于談情說(shuō)有愛(ài)而放松了學(xué)習(xí)。 相互理解、相互信任，是一份責(zé)任和奉獻(xiàn)。愛(ài)情是奉獻(xiàn)而不時(shí)索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時(shí)刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會(huì)重來(lái)，大學(xué)生一定要樹(shù)立正確的愛(ài)情觀。（3） 發(fā)展健康的戀愛(ài)行為 在當(dāng)今大學(xué)校園，情侶成雙入對(duì)已司空見(jiàn)慣。抑制大學(xué)生戀愛(ài)是不實(shí)際的，大學(xué)生一定要發(fā)展健康的戀愛(ài)行為。與戀人多談?wù)剬W(xué)習(xí)與工作，把戀愛(ài)行為限制在社會(huì)規(guī)范內(nèi)，不致越軌，要使愛(ài)情沿著健康的道路發(fā)展。正如馬克思所說(shuō)：“在我看來(lái)，真正的愛(ài)情是表現(xiàn)在戀人對(duì)他的偶像采取含蓄、謙恭

18、甚至羞澀的態(tài)度，而絕不是表現(xiàn)在隨意流露熱情和過(guò)早的親昵?！保?） 愛(ài)情不是一件跟風(fēng)的事兒。很多大學(xué)生的愛(ài)情實(shí)際上是跟風(fēng)的結(jié)果，是看到別人有了愛(ài)情，看到別人幸福的樣子（注意，只是看上去很美），產(chǎn)生了羊群心理，也就花了大把的時(shí)間和精力去尋找愛(ài)情（5） 距離才是保持愛(ài)情之花常開(kāi)不敗的法寶。愛(ài)情到底需要花多少時(shí)間，這是一個(gè)很大的問(wèn)題。有的大學(xué)生愛(ài)情失敗，不是因?yàn)槟信p方在一起的時(shí)間太少，而是因?yàn)樗麄冊(cè)谝黄鸬臅r(shí)間太多。相反，很多大學(xué)生戀愛(ài)成功，不是因?yàn)槟信p方在一起的時(shí)間太少，而是因?yàn)樗麄儨?zhǔn)確地把握了在一起的時(shí)間的多少程度。（6） 愛(ài)情不是自我封閉的二人世界。很多人過(guò)分的活在兩人世界，對(duì)身邊的同學(xué)，身邊好友漸漸的失去聯(lián)系，失