ITTO20130688A1

ITTO20130688A1 - Procedimento e sistema per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzandoun metodo statistico e firma digitale

Info

Publication number: ITTO20130688A1
Application number: IT000688A
Authority: IT
Inventors: Davide Cavagnino; Maurizio Lucenteforte; Silvio Pero; Sergio Sagliocco; Annamaria Vernone
Original assignee: Univ Degli Studi Torino
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2013-11-11

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

“Procedimento e sistema per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale.

La tecnologia sanitaria digitale sta migliorando ed espandendosi giorno per giorno. Le immagini mediche digitali aumentano la qualità delle cure mediche e rendono possibile condividere informazioni relative al paziente in modo rapido.

Le tecniche di watermarking digitali incorporano un messaggio informativo in un documento digitale in modo impercettibile. L'incorporazione di dati reversibile, vista come portatrice di informazioni, è particolarmente utilizzata nel campo medico, dove una variazione molto lieve dei valori dei pixel può non essere desiderabile ed è richiesto sempre l'accesso ai dati grezzi originali.

La reversibilità garantisce di incorporare il watermark su immagini digitali ed il recupero completo dei media originali.

La tecnica che si è sviluppata si basa sul watermarking fragile e reversibile per il formato DICOM, o comunque per qualunque altro formato immagine non compresso, ed opera nel dominio dello spazio. Anche se questo algoritmo è stato progettato per applicazioni di radiografia, esso è applicabile a qualsiasi tipo di immagine che non utilizzi algoritmi di compressione con perdita di informazione. In seguito, le immagini citate, sono da considerarsi in generico formato non compresso.

Il watermarking fragile può essere suddiviso in tecniche che operano nel dominio spaziale e tecniche che operano nel dominio delle trasformate. Le prime tecniche operano direttamente sui valori dei pixel dell'immagine ospite, mentre le seconde inseriscono il watermark nei coefficienti dell'immagine trasformata. In generale, le tecniche che operano nel dominio dello spazio incorporano il watermark nei bit meno significativi, allo scopo di introdurre l'alterazione minima dei dati dell’immagine come trasparenza percettiva.

Per quanto riguarda lo stato dell'arte sulle tecniche di watermarking digitale fragile e reversibile, i primi algoritmi pubblicati in letteratura per autenticazione reversibile erano contenuti nel brevetto statunitense 5.646.997 a nome Barton nel 1994. Barton ha incorporato informazioni arbitrarie all'interno di un flusso di dati digitali, in maniera tale da evitare il rilevamento e da consentire di determinare se il watermark era stato modificato. I dati digitali incorporati potevano essere estratti soltanto da utenti autorizzati per verificare se i dati originali erano stati modificati. Le informazioni erano incorporate nel blocco digitale sostituendo predeterminati bit all'interno del blocco.

Il brevetto US-A-6.278.791 a nome Honsinger et al nel 2001 descrive una tecnica reversibile per nascondere dati che utilizza il watermarking fragile per l'autenticazione dei dati. Il metodo incorpora i metadati digitali nell'immagine originale in modo tale che la firma digitale possa essere completamente rimossa, per verificarne l'autenticità, e l'immagine originale recuperata senza perdite.

Nel 2003, è stato introdotto un metodo di incorporazione di dati reversibile di elevata qualità visiva ed elevata capacità basato su una trasformata a coefficienti interi. Si sono definite una media intera e una differenza, con la rispettiva trasformata inversa, in modo da incorporare in maniera reversibile un bit. La trasformata intera reversibile utilizzata è anche chiamata trasformata wavelet di Haar a coefficienti interi. Lo schema impedisce anche l’overflow. E' una tecnica reversibile e fragile. Il decodificatore, in caso di manipolazione e/o compressione con perdite, rileva che l'immagine incorporata non è autentica, senza ripristinare il contenuto originale.

Tra il 2003 e il 2004, è stata proposta una tecnica basata su un metodo di espansione delle differenze generalizzato con trasformata intera, dove erano disponibili più differenze per l'espansione e che richiedeva poche informazioni aggiuntive. Si è presentata una prima tecnica basata sull'espansione delle differenze su immagini a colori. L'algoritmo utilizza triplette spaziali e spettrali di pixel per nascondere coppie di bit. Una tripletta spaziale è fatta da tre valori di pixel qualsiasi scelti dalla stessa componente spettrale, mentre una tripletta spettrale è costituita da tre valori di pixel qualsiasi scelti da componenti spettrali diverse. In una seconda versione, l'algoritmo nasconde triplette di bit nell'espansione delle differenze di quad (quadrati 2x2) di pixel adiacenti. Si derivano per i quad la trasformata di espansione delle differenze e la sua inversa. Successivamente, è stato presentato un nuovo algoritmo che nasconde parecchi bit nell'espansione delle differenze dei vettori di pixel adiacenti.

Nel 2006, è stata presentata una tecnica di watermarking reversibile di espansione delle differenze modificata, mentre nel 2007 è stato sviluppato un nuovo schema di watermarking reversibile basato sull'idea dell’espansione delle differenze. Si sono utilizzate mappe di vettori bidimensionali, dato che le distorsioni indotte dall’inserimento dei dati possono essere rimosse dopo aver estratto i bit nascosti.

Nello stesso anno, si è scelto di utilizzare il watermarking nel dominio LSB (Least Significant Bit, Bit Meno Significativo), presentando un sistema di autenticazione e watermarking senza perdita di informazione per immagini mediche. Si comprime senza perdita il flusso di bit LSB, lo si concatena con le informazioni del paziente e l'hash (calcolato sull'immagine ospite), incorporando la stringa di bit risultante negli LSB. In particolare, si è utilizzato il codice di autenticazione del messaggio (Message Authentication Code, MAC) dell'immagine, utilizzando l'algoritmo MD5. Il processo di estrazione sottopone a scansione l'immagine per estrarre il flusso di bit costituito dalla concatenazione di tutti gli LSB, decomprime il flusso di bit e sottopone a scansione l'immagine per ripristinare i valori originali degli LSB. La seconda parte del flusso di bit estratto è decrittografata per ottenere le informazioni del paziente e il MAC originale. Il MAC è utilizzato per accettare o rifiutare l'immagine.

Successivamente, si è migliorato il metodo per il watermarking reversibile di immagini mediche.

L'immagine viene divisa in blocchi e si calcola il codice di autenticazione corrispondente ad ogni linea (32 blocchi) e ad ogni colonna (32 blocchi); il MAC risultante viene inserito negli LSB nelle differenze espanse dei pixel selezionati in ogni blocco utilizzando una trasformata reversibile intera. Dopo aver incorporato il watermarking, l'immagine risultante e l'immagine ospite sono indistinguibili dall'occhio umano, condizione molto importante nel campo medico. Dividendo l'intera immagine in blocchi regolari e verificandone ciascuno, qualsiasi modifica esporrà il blocco come manomesso, consentendo la localizzazione.

Nel 2008, è stata presentata una tecnica per nascondere dati reversibile multilivello basata sulla modifica di istogrammi di immagini di differenza. Lo schema consente di incorporare un grande numero di bit mantenendo comunque una buona qualità percettiva. E' stato inoltre presentato un altro schema basato sulle differenze espanse che crea una mappa di posizioni di overflow<[v1]>con buona comprimibilità, rendendo così più efficiente il payload.

Nel 2009, è stata proposta una tecnica di watermarking nel dominio dello spazio basata sull'idea di incorporare informazioni di dipendenza tra blocchi nella procedura di watermarking.

Nel 2011, è stato presentato uno schema di watermarking fragile per autenticazione di immagini specializzato per dispositivi mobili. Questo schema si basa sulla teoria del caos.

Nello stesso anno, è stata analizzata un'implementazione di mappa a blocchi per watermarking reversibile. L'immagine è divisa in blocchi sovrapponibili. Un blocco viene considerato utile per l'inserimento di dati soltanto se tutti i suoi pixel possono essere marchiati. Tramite l’uso dei blocchi, la dimensione della mappa di posizione è ridotta, producendo risultati considerevolmente migliori rispetto alla classica implementazione con l’uso della mappa di posizione e prestazioni simili all’approccio con istogrammi.

Nel 2012, si è pensato un watermarking invertibile e fragile per immagini mediche utilizzando il sistema dei numeri residui e la teoria del caos. Lo schema di watermarking si basa sul controllo di ridondanza ciclico (CRC) e il sistema di numero residuo (RNS) e include la generazione di una sequenza basata sul caos per determinare la posizione dei pixel da sottoporre a watermarking; il watermarking è incorporato in questi pixel, cercando i residui del resto dei pixel e appendendo i bit CRC. Si è utilizzata una mappa logistica con condizioni iniziali differenti per crittografare la posizione di inserimento del marchio. La mappa logistica è una forma generale della mappa caotica. Il watermark e l'immagine originale vengono estratti utilizzando la chiave caotica simmetrica. I test di fragilità rispetto a rumore, compressione, sicurezza e rotazione dimostrano che il watermarker risulta fragile.

Nello stesso anno, si è prodotto uno schema di watermarking fragile basato su un meccanismo di mappatura di blocchi. Lo schema inserisce un watermark comprendente i dati di identificazione e di riferimento per ogni blocco dell'immagine ospite in un nuovo blocco, utilizzando la mappatura dei blocchi.

Nel 2012, si è sviluppato un nuovo schema di watermarking fragile che utilizza un meccanismo gerarchico in cui i dati di watermarking inseriti sono derivati sia dai pixel che dai blocchi. Il metodo, combinando il vantaggio degli approcci a a blocchi ed a pixel, è in grado di trovare la posizione in cui si è verificata la manomissione.

L'algoritmo, dopo aver localizzato i pixel manomessi, è in grado di ripristinare perfettamente la versione originale marchiata utilizzando tentativi esaustivi.

Molti sistemi di marchiatura fragili utilizzano il dominio della trasformata. Si utilizzano ampiamente la trasformata a coseno discreto (DCT) e la trasformata a ondine (DWT), e le proprietà di queste trasformate possono essere utilizzate per decidere se un'immagine è stata danneggiata o alterata. La DCT utilizza un approccio a blocchi, mentre la DWT è applicata all'intera immagine e quindi possono essere inserite diverse quantità di informazioni durante il processo di watermarking.

Nel 2006, è stato proposto un metodo ad istogrammi senza perdita nel dominio della trasformata a ondine intera.

Nel 2009 si è sviluppato un algoritmo per watermarking reversibile e fragile basato sulla DCT. Si è operata una scelta a seconda del valore del bit del watermark. Quando il bit è 1, in base alle caratteristiche dei coefficienti ad alta frequenza della DCT, si modificano i valori di alcuni coefficienti ad alta frequenza della DCT nel blocco, altrimenti il valore del bit è 0 e non si effettua alcuna modifica sul blocco dell’immagine. Il watermarking inserito è fragile e reversibile e non richiede l'immagine originale per l'estrazione del watermark.

Nel 2012, si è proposta una struttura di watermarking digitale in cui l'ID con le informazioni demografiche del Paziente e dell’elettrocardiogramma (ECG) vengono usati come doppio watermark. Il watermarking è operato su regioni con texture selezionate utilizzando la tecnica di scomposizione ad ondine; la scelta delle regioni deve essere effettuata con attenzione, poiché influenza notevolmente la qualità dell'immagine risultante. L'immagine ospite e i watermark inseriti vengono ricostruiti dall'immagine marchiata e testati utilizzando varie misure di qualità.

Gli algoritmi genetici (GAs) sono stati inventati da John Holland nel 1960 durante i suoi studi sugli automi cellulari.

Nel 2002 si è proposto uno schema di watermarking fragile utilizzando un semplice algoritmo genetico. Le caratteristiche di bordi del blocco dell'immagine vengono sfruttate per controllare gli attributi dell'immagine ricevuta. Nel 2004 si è introdotto un nuovo schema basato su algoritmi genetici. Parecchie tecniche di watermarking fragile non possono rilevare attacchi di quantizzazione vettoriale (VQ). La nuova tecnica di watermarking fragile basata su algoritmi genetici (GAs) migliora l'approccio di watermarking gerarchico.

Nel 2009 si è proposto un nuovo schema di watermarking fragile a blocchi per l’autenticazione di immagini ed l’intercettazione di possibili attacchi. La modalità a blocchi è un requisito di base per gli schemi di watermarking fragile per poter intercettare i possibili attacchi di contraffazione. Lo schema utilizza la tecnica di clustering fuzzy c-means (FCM) per creare le relazioni tra i blocchi dell’immagine.

Nel 2011 è stato presentato un miglioramento dell’algoritmo genetico per il watermarking di immagini digitali nel dominio della trasformata a ondine discreta. Il metodo proposto si basa sulla sintesi adattativa di un'ondina madre utilizzata per la scomposizione di immagini. L'efficacia del metodo proposto è dimostrata confrontando i risultati di watermarking che utilizzano ondine sintetizzate e le ondine di Daubechies utilizzate più comunemente. Invece di utilizzare un'ondina madre scelta in modo arbitrario, si applica un algoritmo genetico per adattare l'ondina madre all'immagine da marchiare. Gli esperimenti hanno dimostrato che la selezione dell’ondina madre è una parte importante di un processo di inserimento de watermark e può influenzare la robustezza, la separabilità e la fedeltà del watermarking.

Scopo della presente invenzione è risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore, fornendo un procedimento per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale, che risulta originale rispetto alla tecnica anteriore grazie all'utilizzo di una funzione di correlazione appropriata nel dominio spaziale.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un procedimento ed un sistema per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale come quelli descritti nelle rispettive rivendicazioni indipendenti. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1 è una vista schematica a blocchi di una realizzazione della parte di sistema secondo la presente invenzione atta ad incorporare un watermarking in un'immagine; e

- la Figura 2 è una vista schematica a blocchi di una realizzazione della parte di sistema secondo la presente invenzione atta a recuperare un'immagine sottoposta in precedenza a watermarking.

Facendo riferimento alle Figure, è illustrata e descritta una forma di realizzazione preferita del procedimento e del sistema della presente invenzione. Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

L'invenzione propone un utilizzo combinato di una tecnica di watermarking e una firma digitale, senza utilizzare un'area separata per la firma. Lo scopo è definire un algoritmo e un sistema che consentono di incorporare il watermark, in maniera invisibile per l'occhio umano, ed il recupero dell'immagine ospite per la diagnosi. L'algoritmo è stato sviluppato per immagini a raggi X ma è applicabile a qualsiasi formato di immagine che non utilizzi la compressione con perdita di informazione.

L'autenticità dell'immagine radiografica è verificata estraendo il watermark e pertanto la firma. Pertanto, è possibile convalidare la firma, i dati del paziente e l'integrità dell'immagine.

Il metodo protegge contro manipolazioni, poiché se si altera un solo pixel delle immagini con watermarking, la firma recuperata non è corretta e l'immagine ospite deve essere rifiutata.

Il carico utile del watermark è composto dai dati di applicazione (per esempio dati personali

del paziente, nome dell'ospedale, diagnosi del

paziente, …) e dalla firma digitale calcolata sui

dati di applicazione e sull’immagine ospite (IO).

Carico utile di

Firma digitale applicazione

(DS)

(AD)

Carico utile di

Watermark (WP)

Allo scopo di essere in grado di separare AD e

DS in WP, il decodificatore deve conoscere la

dimensione di AD. Si possono utilizzare molte

soluzioni. Per esempio:

1. Utilizzare la lunghezza fissa di AD

2. Utilizzare una sequenza di byte (BS) ben nota

per separare AD e DS.

Carico utile di (BS) Firma digitale applicazione (AD) (DS)

Carico utile di watermark (WP)

3. Utilizzare una intestazione fissa che

specifica la lunghezza di AD.

Lunghez Carico utile di Firma digitale za AD applicazione (DS)

(AD)

Carico utile di

Watermark (WP)

La firma digitale può essere calcolata utilizzando qualsiasi algoritmo crittografico noto. Per esempio si può utilizzare una combinazione di digest (ad esempio SHA-1) e l’algoritmo RSA. Così, se Kprivè la chiave privata dell'ospedale:

1. Digest=SHA-1(AD IO)

2. DS=RSAKpriv(Digest).

Quando il decodificatore riceve l'immagine e estrae il carico utile di watermark WP, esso può verificare l'autenticità della firma utilizzando la chiave pubblica dell'ospedale:

1. Dapprima, esso estrae il SHA-1 calcolato originariamente, utilizzando la chiave pubblica Kpub: Digest=RSAKpub(DS)

2. Quindi, esso ricalcola il digest del carico utile di applicazione ricevuto (AD'), dopo aver ripristinato l’immagine ospite IR: Digest'=SHA-1(AD' IR)

3. Esso confronta i due digest: se Digest è uguale a Digest', allora AD è autentico e IRè uguale a IO, altrimenti l’immagine e/o il payload sono stati corrotti.

La lunghezza di DS è uguale alla lunghezza della chiave privata utilizzata. Valori tipici sono: 512 bit, 1024 bit o 2048 bit.

La privacy del paziente può essere garantita crittografando i suoi dati e incorporandoli come carico utile del watermark. Così, esiste anche un risparmio di ampiezza di banda sulla trasmissione, evitando la separazione di dati sensibili dall'immagine stessa.

Lo schema proposto può essere applicato immediatamente dopo l'acquisizione delle immagini a raggi X o prima che l'immagine sia distribuita. In questo modo, è anche possibile trasmettere immagini su una rete pubblica in maniera sicura.

La teleradiologia può trarre beneficio da ciò, consentendo uno scambio sicuro di materiale medico in formato digitale.

La tecnica si basa sulla suddivisione dell'immagine in blocchi e ogni bit di watermark sarà memorizzato in alcuni di questi blocchi. L'approccio si basa sull'utilizzo di un metodo di correlazione. Un test di correlazione è applicato sia nell'inserimento sia nell'estrazione, per consentire la decodifica non ambigua dei bit di watermark.

Il segnale di watermark associato al bit da inserire è definito come coppia di maschere; è possibile controllare la quantità di errore introdotto modificando opportunamente l’ampiezza dei coefficienti contenuti nelle maschere: questo potrebbe cambiare anche la quantità di carico utile disponibile per l'inserimento. Tuttavia, l'algoritmo è reversibile, cosicché la tecnica consente ancora il recupero dell'immagine originale e la conseguente possibilità di utilizzarla a scopi diagnostici.

L'algoritmo fragile reversibile risulta pertanto originale se confrontato con la letteratura, grazie all'utilizzo di una funzione di correlazione appropriata nel dominio spaziale.

Le aree principali di applicazione del procedimento e del sistema dell'invenzione sono:

- immagini mediche digitali,

- gestione di diagnosi utilizzando PACS,

- validazione ed autenticazione di immagini in campo assicurativo, con protezione della privacy.

Per quanto riguarda la tecnica applicativa, l’algoritmo opera su sottoimmagini contigue di dimensione n×n pixel; ogni pixel viene rappresentato con d bit.

Ogni sottoimmagine viene verificata, per mezzo di una funzione di correlazione, al fine di valutare se può memorizzare un bit di informazione. In caso affermativo, il bit viene poi inserito sommando alla sottoimmagine un segnale opportuno che identifica il valore del bit stesso.

Una classica misura di correlazione, utilizzata nella presente invenzione, è definita come segue:

dove X e Y sono sequenze di valori interi (nel nostro caso contenuti in matrici di dimensione n×n), E[·] rappresenta l’operatore che calcola il valore atteso, è lo scarto quadratico medio e µ è il valore medio delle suddette sequenze di valori.

Si supponga di avere due matrici M0e M1di dimensione n×n, nel seguito denominate matrici di marchiatura. M0viene costruita nel seguente modo (si considera solo il caso n pari):

dove . M1è invece definita come l’opposto di M0ossia M1= -M0. L’utilizzo di coefficienti pari all’interno delle matrici verrà chiarito in seguito.

La matrice M0viene associata all’inserimento di un bit di watermark con valore 0 e M1all’inserimento di un bit con valore 1. Per inserire un bit 0 nella sottoimmagine S, è necessario sommare M0a S e verificare la correlazione (come indicata sopra) della sottoimmagine risultante con M0e M1.

Se corr(M0+S, M0) > 0 e corr(M0+S, M1) < 0, allora è possibile sommare M0a S e sostituire la matrice risultante a S nell’immagine. In tal modo il decodificatore sarà in grado di rilevare la presenza di un bit 0 nella sottoimmagine considerata, calcolando le due precedenti correlazioni con le matrici M0e M1e estraendo il bit associato (0) alla matrice che ha generato correlazione positiva (M0); allo stesso tempo sarà in grado di ripristinare la sottoimmagine originale, semplicemente sottraendo la matrice che ha generato correlazione positiva (M0) dalla sottoimmagine ricevuta.

Un processo analogo viene attuato nel caso si voglia inserire un bit di watermark a 1, semplicemente invertendo i ruoli delle matrici M0e M1.

Se si considera l’inserimento di un bit di watermark, nel caso risulti corr(M0+S, M0) ≤ 0 oppure corr(M0+S, M1) ≥ 0 oppure corr(M1+S, M1) ≤ 0 oppure corr(M1+S, M0) ≥ 0, allora la sottoimmagine in questione è considerata non marchiabile. Al fine di permettere al ricevitore di applicare la procedura di estrazione del bit di watermark dalle sole sottoimmagini considerate marchiabili, una mappa binaria compressa delle sottoimmagini non marchiabili viene memorizzata come parte del payload nei bit meno significativi (Least Significant Bits, indicati come LSB nel seguito) di un insieme di pixel a partire da una posizione fissata a priori dell’immagine. La reversibilità del metodo viene garantita inserendo gli LSB originali (eventualmente compressi) come parte del watermark.

Al fine di garantire la reversibilità, il metodo non può essere utilizzato nel modo descritto nel caso in cui si verifichi overflow dei pixel marchiati. Un overflow si verifica quando una sequenza di bit non è sufficiente a rappresentare un numero, ossia se il suo valore non è compreso nell’intervallo di rappresentazione della suddetta sequenza di bit.

Se, sommando ad una sottoimmagine le matrici di marchiatura, almeno un pixel della sottoimmagine risultante è in overflow (ossia minore di 0 oppure maggiore di 2<d>-1, dove d è la profondità di colore dell’immagine), allora si dovrebbe dichiarare la sottoimmagine in oggetto non marchiabile, poiché non si potrebbe più risalire al valore originale del pixel a partire dal suo valore marchiato che verrebbe tagliato a 0 (nel caso in cui il valore marchiato sia minore di 0) oppure a 2<d>-1 (nel caso in cui il valore marchiato sia maggiore di 2<d>-1). Viste le caratteristiche delle immagini mediche, si è notato che parecchie sottoimmagini sono risultate affette da overflow. Ciò ha portato a definire una modifica all’algoritmo, introducendo delle ulteriori matrici di marchiatura. Oltre alle matrici M0e M1, sono state definite le seguenti matrici:

M2= M0+ 2k (ossia il valore scalare 2k è sommato ad ogni elemento della matrice M0)

M3= M1+ 2k

M4= -M2

M5= -M3

In questo modo le matrici M2e M3non possono generare sottoimmagini con pixel affetti da overflow con valori inferiori a 0. In modo del tutto analogo le matrici M4e M5non possono generare sottoimmagini con pixel affetti da overflow con valori maggiori di 2<d>-1.

Al fine di permettere al ricevitore di distinguere quale coppia di matrici è stata utilizzata per marchiare una particolare sottoimmagine, si introducono due soglie TLe TH. Prima di descrivere l’utilizzo di tali soglie, si noti che:

• Sommare M0o M1ad una sottoimmagine non altera il suo valore medio ;

• Sommare M2o M3ad una sottoimmagine incrementa il suo valore medio di:

; • Sommare M4o M5ad una sottoimmagine decrementa il suo valore medio di 2k.

Si definisca il predicato markable(Mi, Mj, S) come

markable(Mi, Mj, S) ↔

corr(Mi+ S, Mi) > 0<AND>corr(Mi+ S, Mj) < 0<AND>~overflow(Mi+ S)<AND>

corr(Mj+ S, Mj) > 0<AND>corr(Mj+ S, Mi) < 0<AND>~overflow(Mj+ S)

Quindi la classificazione della sottoimmagine per la scelta delle matrici da utilizzare al fine di inserire un bit di watermarking b viene effettuato come segue:

if markable(M0, M1, S)<AND AND>then f:=0

elseif markable(M2, M3, S)<AND>then f:=2

elseif markable(M4, M5, S)<AND>

then f:=4

else f=−1 (dichiara S non marchiabile)

In funzione del valore f precedentemente determinato, è possibile effettuare l’inserimento del bit di watermark b (se la sottoimmagine è marchiabile):

if (f>=0) then S:=S+Mf+b

Utilizzando tale approccio, molte sottoimmagini affette dai problemi di overflow descritti in precedenza (valori inferiori a 0 oppure superiori a 2<d>-1, ma non entrambe le condizioni) possono essere utilizzati per inserire un bit di watermark. Il ricevitore può recuperare il suddetto bit e la sottoimmagine originale dapprima considerando il valore medio della sottoimmagine marchiata e successivamente scegliendo la coppia di matrici appropriata.

Le soglie TLe TH, insieme al valore k, rappresentano dei parametri importanti dell’algoritmo. Se consideriamo una sottoimmagine composta di soli pixel a valore zero, è facile osservare che l’applicazione della matrice M2oppure della matrice M3genera una sottoimmagine a valore medio 2k: quindi TLdeve essere maggiore di 2k (a titolo di esempio, si può utilizzare TL= 8k).

Con un ragionamento analogo è facile dedurre che THdeve essere minore di 2<d>-1-2k.

Con queste premesse, l'invenzione riguarda dunque un procedimento per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale per inserire un watermark in un'immagine, comprendente le fasi di:

definizione di k

definizione delle soglie, si suggeriscono ad esempio i valori TL=8k ; TH= 2<d>-1-8k

definizione delle maschere M0, M1, M2, M3, M4e M5

considerando una immagine a N righe e M colonne e suddividendola in sottoimmagini contigue e non sovrapposte di dimensione n×n, identificazione di ogni sottoimmagine con una coppia di indici (i,j), con<1≤i≤⌊N/n ⌋>e 1≤ j≤ ⌊M/n ⌋

per ogni sottoimmagine S in posizione (i,j), calcolo e memorizzazione del valore intero f(i,j):

if markable(M0, M1, S)<AND AND>then f(i,j):=0

elseif markable(M2, M3, S)<AND>

then f(i,j):=2

elseif markable(M4, M5, S)<AND>

then f(i,j):=4

else f(i,j):=−1 (dichiara S non marchiabile)

calcolo della mappa di marchiabilità: per ogni sottoimmagine considerata, il corrispondente elemento binario nella mappa di marchiabilità map(i,j) è calcolato come segue:

map(i,j) = [f(i,j)≥0]

7. compressione della mappa di marchiabilità con tecniche note, ad esempio JBIG

8. ottenimento, dopo la compressione, di una stringa lineare di bit, indicata con mapC, di lunghezza len(mapC)

9. estrazione della stringa di LSB di len(mapC) pixel, a partire da una posizione nell’immagine, procedendo dai pixel facenti parte delle ultime sottoimmagini che verranno utilizzate per l’inserimento, tale stringa essendo indicata con lsbP

10. determinazione della quantità di bit di watermark inseribili nell’immagine, tramite conteggio dei valori di map(i,j) settati a 1, tale valore essendo indicato con dim_map 11. ottenimento della dimensione del payload utile, come massima dimensione dell’informazione utile inseribile, uguale a:

dim_payload = dim_map − len(mapC) − 32 dove il valore sottratto 32 rappresenta i bit necessari per codificare, all’inizio della stringa lsbP la sua lunghezza, che è pari a len(mapC)

12. ottenimento della struttura del watermark come segue:

1 32 3333+len(mapC)

len(mapC) lsbP payload

13. inserimento, negli LSB dei pixel estratti nella fase 9, dei bit contenuti nella stringa lsbP

14. inserimento dei bit relativi al watermark ottenuto nella fase 12 nelle sottoimmagini marchiabili, in accordo alla mappa f, in particolare, un bit di valore b essendo memorizzato in una sottoimmagine marchiabile S(i,j), sommando la matrice opportuna come segue:

S(i,j) := S(i,j) Mf(i,j)+b

15. fornitura del payload come codifica che consenta di determinare il termine dello stesso.

L'invenzione riguarda inoltre un procedimento per estrarre immagini mediche marcate tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale, comprendente le fasi di:

1. estrazione della stringa di LSB dai pixel a partire da una posizione nell’immagine predeterminata nella procedura di inserimento alla fase 9, procedendo nello stesso ordine di scansione, i primi 32 bit estratti codificando la lunghezza len(mapC) della stringa lsbP da estrarre

2. decompressione di lsbP per ottenere la mappa di marchiabilità map

3. a partire dalla mappa di marchiabilità, per ogni sottoimmagine S in posizione (i,j), se il valore di map(i,j) = 1, per estrarre il bit b contenuto, calcolo del valore medio µSdella sottoimmagine S(i,j) e recupero della sottoimmagine originale:

if<AND>then

if corr(S(i,j), M0) > 0 then { b = 0; S(i,j)= S(i,j) − M0}

else { b = 1; S(i,j)= S(i,j) − M1}

elseif µS< TLthen

if corr(S(i,j), M2) > 0 then { b = 0; S(i,j)= S(i,j) − M2}

else { b = 1; S(i,j)= S(i,j) − M3}

elseif µS> THthen

if corr(S(i,j), M4) > 0 then { b = 0; S(i,j)= S(i,j) − M4}

else { b = 1; S(i,j)= S(i,j) − M5}

se S(i,j) codifica un bit della stringa lsbP, allora questo bit deve essere utilizzato per ripristinare l’LSB del pixel relativo. Si ricorda infatti che i pixel delle ultime righe dell’immagine sono stati utilizzati per codificare la mappa di marchiabilità, pertanto devono essere ripristinati con gli LSB originali contenuti nel watermark prima del test di correlazione, al fine di non alterare il risultato del test stesso per l’estrazione dei bit di watermark dalle sottoimmagini che contengono tali pixel. watermark estrazione della stringa lsbP, bit vengono utilizzati per ripristinare gli LSB dei pixel utilizzati per codificare la mappa di marchiabilità.

Per quanto riguarda la composizione del watermark, il contenuto del watermark (payload) è l'unione dei dati applicativi veri e propri (come ad esempio i dati personali del paziente, nome dell'ospedale …) e la firma digitale calcolata su di essi.

Il decoder, al fine di poter distinguere i dati (AD) dalla firma digitale (DS), deve poter sapere la lunghezza del campo AD. Possono essere usate diverse soluzioni, come ad esempio:

- usare una lunghezza fissa e nota a priori di AD

- usare un campo delimitatore (SS) noto a priori per separare AD e DS

- usare un header di lunghezza fissa per specificare la lunghezza di AD

La firma digitale può essere calcolata usando un qualsiasi algoritmo di cifratura standard. Ad esempio può essere usata una combinazione di un digest (calcolata ad esempio con l'algoritmo SHA-1) e l'algoritmo asimmetrico a chiave pubblica RSA. Più precisamente se Kprivè la chiave privata dell'ente che inserisce il watermark:

1. Digest=SHA-1(AD IO)

2. DS=RSAKpriv(Digest).

Quando il decoder riceve l'immagine ed estrae il watermark WP può verificarne l'autenticità e l'integrità usando la chiave pubblica dell'ente che ha inserito e firmato il watermark. Più precisamente:

1. Si estrae il watermark WP

2. Si estrae il campo DS

3. Si estrae il digest SHA-1 da DS usando la chiave pubblica Kpub:

Digest=RSAKpub(DS)

4. Si ricalcola il digest sulla base del campo AD ricevuto dal decoder (AD' IR):

Digest'=SHA-1(AD' IR)

5. Vengono confrontati i due digest: se Digest è uguale a Digest' allora AD e IRpossono essere considerati autentici; in caso contrario almeno uno dei suddetti elementi è da ritenere corrotto e quindi non autentico.

La lunghezza di DS è uguale alla lunghezza della chiave privata utilizzata. Valori tipici sono 512 bits (basso livello di sicurezza), 1024 (medio livello di sicurezza) o 2048 (alto livello di sicurezza)

Il procedimento sopra indicato è atto ad essere realizzato tramite un sistema 1 comprendente sostanzialmente:

- mezzi 3 di acquisizione di immagini atti a creare un'immagine originale DICOM o comunque qualunque formato immagine non compresso 5; - un dispositivo di watermarking 7 comprendente un sistema crittografico incorporato a prova di manipolazione, atto a produrre un'immagine con watermark 9;

- mezzi di memorizzazione 11 di tipo PACS per le immagini con watermark 9;

- mezzi di estrazione 13 delle immagini con watermark 9 dai mezzi di memorizzazione 11, tali mezzi di estrazione 13 essendo preferibilmente del tipo a Servizi Web Sicuri (https);

- mezzi 15 (preferibilmente di tipo APP) di elaborazione e trasmissione delle immagini con watermark 9 a dispositivi cellulari 16, preferibilmente di tipo Tablet, smartphone, ecc.

- un dispositivo 18 di recupero dell'immagine con watermark 9 dotato di sistema crittografico 20 a prova di manomissioni e di mezzi di controllo 22 del watermark e di hash; e

- mezzi di visualizzazione 24 dell'immagine originale 5 recuperata.

Sono state illustrate e descritte in precedenza alcune forme di realizzazione preferite della presente invenzione: ovviamente, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale per inserire un watermark in un'immagine, comprendente le fasi di: 1) definizione di k 2) definizione delle soglie, ad esempio i valori TL=8k; TH= 2<d>-1-8k 3) definizione delle maschere M0, M1, M2, M3, M4e M5 4) considerando un'immagine a N righe e M colonne e suddividendola in sottoimmagini contigue e non sovrapposte di dimensione n×n, identificazione di ogni sottoimmagine con unacoppia di indici (i,j), con<1≤i≤⌊N/n ⌋>e<1≤ j≤ ⌊M/n ⌋>5) per ogni sottoimmagine S in posizione (i,j), calcolo e memorizzazione del valore intero f(i,j): if markable(M0, M1, S)<AND AND>then f(i,j):=0 elseif markable(M2, M3, S)<AND>then f(i,j):=2 elseif markable(M4, M5, S)<AND> then f(i,j):=4 else f(i,j):=−1 (dichiara S non marchiabile) 6) calcolo della mappa di marchiabilità: per ogni sottoimmagine considerata, il corrispondente elemento binario nella mappa di marchiabilità map(i,j) è calcolato come segue: map(i,j) = [f(i,j)≥0] 7) compressione della mappa di marchiabilità con tecniche note, ad esempio JBIG 8) ottenimento, dopo la compressione, di una stringa lineare di bit, indicata con mapC, di lunghezza len(mapC) 9) estrazione della stringa di LSB di len(mapC) pixel, a partire da una posizione nell’immagine, procedendo dai pixel facenti parte delle ultime sottoimmagini che verranno utilizzate per l’inserimento, tale stringa essendo indicata con lsbP 10) determinazione della quantità di bit di watermark inseribili nell’immagine, tramite conteggio dei valori di map(i,j) settati a 1, tale valore essendo indicato con dim_map 11) ottenimento della dimensione del payload utile, come massima dimensione dell’informazione utile inseribile, uguale a: dim_payload = dim_map − len(mapC) − 32 dove il valore sottratto 32 rappresenta i bit necessari per codificare, all’inizio della stringa lsbP, la sua lunghezza, che è pari a len(mapC) 12) ottenimento della struttura del watermark come segue: 32 3333+len(mapC) len(mapC) lsbP payload 13) inserimento, negli LSB dei pixel estratti nella fase 9, dei bit contenuti nella stringa lsbP 14) inserimento dei bit relativi al watermark ottenuto nella fase 12 nelle sottoimmagini marchiabili, in accordo alla mappa f, in particolare, un bit di valore b essendo memorizzato in una sottoimmagine marchiabile S(i,j), sommando la matrice opportuna come segue: S(i,j) := S(i,j) Mf(i,j)+b 15) fornitura del payload come codifica che consenta di determinare il termine dello stesso.
2. Procedimento per estrarre immagini mediche marcate tramite il procedimento per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando un metodo statistico e firma digitale secondo la rivendicazione 1, tale procedimento di estrazione comprendendo le fasi di: 1) estrazione della stringa di LSB dai pixel a partire da una posizione nell’immagine predeterminata nella procedura di inserimento alla fase 9, procedendo nello stesso ordine di scansione, i primi 32 bit estratti codificando la lunghezza len(mapC) della stringa lsbP da estrarre 2) decompressione di lsbP per ottenere la mappa di marchiabilità map 3) a partire dalla mappa di marchiabilità, per ogni sottoimmagine S in posizione (i,j), se il valore di map(i,j) = 1, per estrarre il bit b contenuto, calcolo del valore medio µSdella sottoimmagine S(i,j) e recupero della sottoimmagine originale: if<AND>then if corr(S(i,j), M0) > 0 then { b = 0; S(i,j)= S(i,j) − M0} else { b = 1; S(i,j)= S(i,j) − M1} elseif µS< TLthen if corr(S(i,j), M2) > 0 then { b = 0; S(i,j)= S(i,j) − M2} else { b = 1; S(i,j)= S(i,j) − M3} elseif µS> THthen if corr(S(i,j), M4) > 0 then { b = 0; S(i,j)= S(i,j) − M4} else { b = 1; S(i,j)= S(i,j) − M5} 4) se S(i,j) codifica un bit della stringa lsbP, utilizzo di questo bit per ripristinare l’LSB del pixel relativo 5) dal watermark estrazione della stringa lsbP, i cui bit vengono utilizzati per ripristinare gli LSB dei pixel utilizzati per codificare la mappa di marchiabilità.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui, per quanto riguarda la composizione del watermark, il contenuto del watermark (payload) è l'unione dei dati applicativi veri e propri e la firma digitale calcolata su di essi:
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui, al fine di poter distinguere i dati, AD, dalla firma digitale, DS, si determina lunghezza del campo AD.
5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui la lunghezza del campo AD è determinata tramite l'utilizzo di una lunghezza fissa e nota a priori di AD.
6. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui la lunghezza del campo AD è determinata tramite l'utilizzo di un campo delimitatore, SS, noto a priori, per separare AD e DS.
7. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui la lunghezza del campo AD è determinata tramite l'utilizzo di un header di lunghezza fissa per specificare la lunghezza di AD
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la firma digitale è calcolata usando un qualsiasi algoritmo di cifratura standard.
9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui la firma digitale è calcolata tramite una combinazione di un digest e l'algoritmo asimmetrico a chiave pubblica RSA.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui, se Kprivè la chiave privata dell'ente che inserisce il watermark: 1) Digest=SHA-1(AD IO) 2) DS=RSAKpriv(Digest) e, quando si riceve l'immagine e si estrae il watermark WP, l'autenticità e l'integrità del watermark e dell’immagine sono verificate utilizzando la chiave pubblica dell'ente che ha inserito e firmato il watermark.
11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui la fase di verifica comprende le fasi di: a) estrazione del watermark WP b) estrazione del campo DS c) estrazione del digest SHA-1 da DS usando la chiave pubblica Kpub: Digest=RSAKpub(DS) d) ricalcolo del digest sulla base del campo AD e dell’immagine IRricevuti e ricostruiti da un decoder: Digest'=SHA-1(AD'+ IR) e) confronto dei due digest: se Digest è uguale a Digest' allora AD’ e l’immagine possono essere considerati autentici; in caso contrario almeno uno dei suddetti elementi è da ritenere corrotto e quindi non autentico.
12. Sistema (1) per marcare immagini mediche tramite una tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando il metodo statistico e firma digitale secondo la rivendicazione 1, e per estrarre immagine mediche marcate tramite detta tecnica di "watermarking" fragile e reversibile utilizzando il metodo statistico e firma digitale secondo la rivendicazione 2, detto sistema (1) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere: - mezzi (3) di acquisizione di immagini atti a creare un'immagine originale (5); - un dispositivo di watermarking (7) comprendente un sistema crittografico incorporato a prova di manipolazione, atto a produrre un'immagine con watermark (9); - mezzi di memorizzazione (11) per le immagini con watermark (9); - mezzi di estrazione (13) delle immagini con watermark (9) dai mezzi di memorizzazione (11); - mezzi (15) di elaborazione e trasmissione delle immagini con watermark (9) a dispositivi cellulari (16); - un dispositivo (18) di recupero dell'immagine con watermark (9) dotato di sistema crittografico (20) a prova di manomissioni e di mezzi di controllo (22) del watermark e di hash; e - mezzi di visualizzazione (24) dell'immagine originale (5) recuperata.
13. Sistema (1) secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detta immagine originale (5) è di tipo DICOM o comunque un qualunque formato immagine non compresso.
14. Sistema (1) secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di memorizzazione (11) sono di tipo PACS.
15, Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 14, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di estrazione (13) sono del tipo a Servizi Web Sicuri (https).
16. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 15, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione e trasmissione (15) sono di tipo APP.
17. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 16, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi cellulari (16) sono di tipo Tablet, smartphone e simili.