Medical image security using digital watermarking in the transform domain

Abstract

يتمثل أحد التحديات الرئيسية في وسم الصور الطبية في تحقيق التوازن الأمثل بين عدم القابلية للإدراك والمتانة ضد الهجمات مثل الضغط والتصفية وإضافة الضوضاء والتحويلات الهندسية مع الحفاظ على الجودة التشخيصية. نجحت الأساليب القائمة على التحويلات الهجينة في تحسين الأداء، لكن يبقى مجال للتحسين لتحقيق متانة شاملة مع كفاءة حسابية لتطبيقات التطبيب عن بعد في الوقت الفعلي. تقترح هذه الدراسة مخططين هجينين متكاملين: تحويل كونتورليت غير المختزل مع تحويل جيب التمام المنفصل ثنائي الأبعاد (NSCT/2D-DCT) وتحويل المويجات المعقدة ذات الشجرة المزدوجة مع 2D-DCT (DTCWT/2D-DCT). يوفر مجال NSCT ثباتًا مثاليًا للإزاحة وتمثيلًا متعدد الاتجاهات لمقاومة الهجمات الهندسية، بينما يوفر DTCWT كفاءة حسابية. يضمن مجال 2D-DCT ضغط الطاقة لمقاومة الضوضاء والضغط. يستخدم كلاهما إدراجًا تفاضليًا يمكّن من الاستخراج الأعمى دون الصورة الأصلية. الهدف الرئيسي هو إنتاج مخططات وسم أعمى محسّنة توازن بين المتانة وعدم القابلية للإدراك والكفاءة الحسابية لأمن الصور الطبية. تُدرج بتات العلامة المائية في نطاقات الطاقة العالية للمتجهات الفرعية المترابطة المحوّلة بـ DCT مع عوامل كسب محسّنة (α = 0.1 لـ NSCT، α = 0.4 لـ DTCWT). تظهر النتائج PSNR > 43 ديسيبل و SSIM > 0.98 لجميع الطرق (أشعة سينية، مقطعي، رنين، موجات فوق صوتية). حقق NSCT-2D-DCT متانة هندسية استثنائية (NC = 1.0 للتحجيم، NC > 0.87 لاقتصاص 40%)، بينما أظهر DTCWT-2D-DCT معالجة أسرع بـ 39% وسعة أكبر بـ 4 أضعاف (1024 بت). تفوق كلا المخططين على الطرق الحديثة مع تحسينات PSNR بـ 1-3 ديسيبل ومتانة متفوقة، مما يضمن نشرًا فعالاً لحماية صحة وسلامة وسرية الصور الطبية في أنظمة التطبيب عن بعد وشبكات معلومات المستشفيات

One of the main challenges in medical image watermarking is achieving optimal balance between imperceptibility and robustness against attacks such as compression, filtering, noise addition, and geometric transformations while maintaining diagnostic quality. Hybrid transform-based approaches have succeeded in improving performance, yet room remains for enhancement in achieving comprehensive robustness with computational efficiency for real-time telemedicine applications. This study proposes two complementary hybrid schemes: Non-Subsampled Contourlet Transform with 2D-Discrete Cosine Transform (NSCT/2D-DCT) and Dual-Tree Complex Wavelet Transform with 2D-DCT (DTCWT/2D-DCT). The NSCT domain provides perfect shift-invariance and multi-directional representation for geometric attack resistance, while DTCWT offers computational efficiency. The 2D-DCT domain provides energy compaction for noise and compression resistance. Both employ differential embedding enabling blind extraction without the original image. The main objective is producing optimized blind watermarking schemes balancing robustness, imperceptibility, and computational efficiency for medical image security. Watermark bits are embedded in high-energy bands of correlated DCT-transformed sub-vectors with optimized gain factors (α = 0.1 for NSCT, α = 0.4 for DTCWT). Results show PSNR > 43 dB and SSIM > 0.98 across all modalities (X-ray, CT, MRI, ultrasound). NSCT/2D-DCT achieved exceptional geometric robustness (NC = 1.0 for scaling, NC > 0.87 for 40% cropping), while DTCWT/2D-DCT demonstrated 39% faster processing and 4× larger capacity (1,024 bits). Both schemes outperformed state-of-the-art methods with 1-3 dB PSNR improvements and superior robustness, ensuring effective deployment for protecting authenticity, integrity, and confidentiality of medical images in telemedicine systems and hospital information networks

Les systèmes modernes de télémédecine nécessitent des mécanismes robustes pour protéger l'authenticité, l'intégrité et la confidentialité des images médicales transmises sur des réseaux non sécurisés. Le tatouage numérique offre une solution prometteuse, mais se heurte à un défi majeur : concilier imperceptibilité, robustesse contre les attaques multiples et efficacité computationnelle adaptée au temps réel clinique. Les techniques existantes présentent généralement des performances sélectives, résistant efficacement à certaines attaques tout en restant vulnérables à d'autres, notamment face aux transformations géométriques.Cette thèse propose deux schémas de tatouage aveugle complémentaires exploitant des approches hybrides multi-transformées pour répondre à ces limitations. Le premier schéma combine la Transformée en Contourlets Non Sous-échantillonnée (NSCT) avec la Transformée en Cosinus Discrète bidimensionnelle (2D-DCT). L'invariance parfaite au décalage et la décomposition multi-directionnelle de NSCT assurent une robustesse géométrique exceptionnelle, tandis que la 2D-DCT garantit la compaction énergétique nécessaire pour résister à la compression et au bruit. Le second schéma associe la Transformée en Ondelettes Complexes à Arbre Dual (DTCWT) avec la 2D-DCT, privilégiant l'efficacité computationnelle sans compromettre la robustesse face aux attaques de traitement du signal. Les deux schémas utilisent une technique d'insertion différentielle dans les bandes haute énergie de sous-vecteurs corrélés, permettant l'extraction aveugle sans recours à l'image originale, une exigence fondamentale pour le déploiement clinique pratique.Les expérimentations menées sur des bases d'images médicales multi-modales (radiographies, tomodensitométrie, IRM, échographie) démontrent que le schéma NSCT/2D-DCT atteint une imperceptibilité excellente (PSNR moyen 46,04 dB, SSIM > 0,98) avec une robustesse géométrique remarquable (NC = 1,0 pour la mise à l'échelle, NC > 0,87 pour le recadrage à 40%, NC > 0,68 pour la rotation à 0,5°). Le schéma DTCWT/2D-DCT offre un traitement 39% plus rapide (0,195 s contre 0,319 s par image 512×512), une capacité quadruplée (1 024 bits contre 256 bits) et une tolérance au bruit supérieure, tout en maintenant une imperceptibilité compétitive (PSNR moyen 44,90 dB, SSIM > 0,9783). Les deux approches surpassent les méthodes récentes de l'état de l'art avec des améliorations PSNR de 1-3 dB et des valeurs de corrélation normalisée supérieures dans la majorité des scénarios d'attaques. Cette recherche fournit ainsi un cadre de déploiement pratique pour la sécurisation des images médicales dans les systèmes PACS et les réseaux hospitaliers, avec des recommandations d'utilisation spécifiques selon les exigences cliniques