使用逐块特征对比检索加密的JPEG图像 q外文翻译资料

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J. Vis. Commun. Image R. 40 (2016) 111–117

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J. Vis. Commun. Image R.

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / j v c i

Short Communication

使用逐块特征对比检索加密的JPEG图像 ^q

Hang Cheng ^a,b, , Xinpeng Zhang ^a,c, Jiang Yu ^a, Yuan Zhang ^a,d

1. School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China
2. College of Mathematics and Computer Science, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China
3. The Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access, Shanghai University, Shanghai 200444, China
4. College of Information Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China

文章历史：

接收：2016年1月14日

修订：2016年5月1日

接受：2016年6月20日

网上上传：2016年6月21日

关键词：

图像检索

图像加密

JPEG图像

特征描述符

摘要

本文提出了一种加密JPEG图像检索的新方案，其中包括图像加密和检索阶段。 使用该方案，内容所有者通过将排列密码和流密码联合应用于其相应比特流来加密JPEG图像，然后将加密版本发送到数据库服务器。 对于加密的查询图像，虽然服务器对明文内容一无所知，但它可以使用新的特征描述符来提取块内AC系数的局部统计特征。 随后，利用逐块特征比较，服务器可以测量加密查询图像和数据库图像之间的相似度。 之后，将与查询图像类似的明文内容的加密图像返回给授权用户。 实验结果表明，该方案既能保证格式符合性又能保证文件大小，同时在加密域中提供有效的检索服务。

2016 Elsevier Inc. All rights reserved.

1. 介绍

随着云计算技术的快速发展，用户希望将他们的多媒体数据存储到云中，以降低成本和提高便利性。为了保护隐私，用户倾向于在传输到服务器之前加密多媒体数据，这可能妨碍进一步的处理操作，诸如信息检索。因此，为了在加密的多媒体数据库中提供隐私保护和有效的检索服务，开发检索技术变得非常理想。

到目前为止，已经提出了一些用于在加密数据库中执行信息检索的有效技术。 使用[1-4]中的方法，可以识别加密文档中是否存在关键字，并且明文关键字不会泄露给服务器。 近年来，已经提出了支持更高级搜索功能的各种安全关键字可搜索方案，例如安全排名关键字搜索[5]，隐私保证相似搜索[6]和[7-9]。除了上述基于文本的安全搜索方案之外，还有许多用于在加密域中执行图像检索的作品。Shashank等

人[10]利用层次结构和散列技术来解决单向隐私搜索问题，

1. This paper has been recommended for acceptance by M.T. Sun.

Corresponding author at: School of Communication and Information Engineer-ing, Shanghai University, Shanghai 200444, China.

E-mail addresses: hcheng@fzu.edu.cn (H. Cheng), xzhang@shu.edu.cn (X. Zhang), sxyj1981@shu.edu.cn (J. Yu), zhangyuan@hutc.zj.cn (Y. Zhang).

http://dx.doi.org/10.1016/j.jvcir.2016.06.016

1047-3203/ 2016 Elsevier Inc. All rights reserved.

即用户的查询图像被加密，但服务器数据库是公开的。另外一个类似的工作也在[11]中找到，在这里给出了关于单向隐私搜索的高级讨论。但是，在许多情况下，服务器和用户都需要保护他们的数据彼此之间的机密。为了双方的利益，[12-15]已经开发了一些相关的方法，其通过采用加性同态加密技术来设计用于生物识别的相似性度量。尽管基于同态加密的检索系统可以获得更高的安全性，但巨大的计算和通信成本使其难于实际应用。与这些方法相比，Lu等人 [16-18]从实际角度研究加密图像的检索，其中服务器没有任何有关明文的内容仅为用户提供存储和检索服务。在[16]中，作者介绍了三种距离保持机制来加密视觉特征，旨在保持加密前后图像之间的近似性。在另一项工作[17]中，分别使用保序加密和最小散列函数来构建两个有效的安全搜索索引，而不是视觉特征。作为[16,17]的扩展，文献[18]对隐私保护图像检索进行了全面讨论。另外，与[16-18]相同的是特征提取/加密独立于图像加密。然而，共同的特征容易用户带来额外的计算成本和不便。为了克服这个限制，在我们以前的工作[19]中，我们提出了一种基于加密前后DCT系数的

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直方图不变性的JPEG加密图像的检索方案，其中不需要特

征提取/加密。然而，加密后文件大小增加成为这种方法的关键问题，增加了存储和通信成本。 更重要的是，另一个缺点是明文图像的信息部分可见。在另一项工作[20]中，我

们介绍了一种基于马尔科夫过程的加密JPEG图像检索方案，其中可以克服[19]的缺点。但是，它是一个有监督的检索方案，需要提前提供用于训练所需检索模型的图像数据集。 在[21]的检索方案中，用户在考虑纹理信息的概率加密的同时通过确定性加密对颜色信息进行加密，以进一步增强安全性。 通过全局颜色特征比较，云服务器可以返回类似于加密查询图像的加密图像。 但[21]中的加密算法是基于空间域的，即图像像素，并不能保证JPEG文件大小的保存和格式符合性。工作[22]中存在同样的问题。 此外，[23-27]中的一些感知加密方法适用于隐私保护图像检索。 然而，在这些方法中，轮廓信息部分泄漏。

在本文中，我们提出了一种新的无监督方案来执行加密域中的图像检索，其中没有提供训练集。 使用这种方案，图像被完全加密，并且格式符合，文件大小得以保存。 对于加密的查询图像，服务器可以从加密的查询图像中提取块内AC系数的本地统计量，而不首先解密查询图像。 基于新的基于块的描述符的局部统计特性，通过使用逐块特征比较来测量加密的查询图像和数据库图像之间的相似性。 结果，具有类似于查询图像的明文内容的加密图像被返回给用户用于解密和查看。

.

2. 提出的方案

如图1所示，提出的方案主要包含三个实体：内容所有者，授权用户和服务器。 内容所有者加密JPEG图像，并将加密版本上传到服务器。 请求图像检索服务的授权用户仅向服务器提供加密的查询JPEG图像。 一旦获得加密的查询图像，服务器可以测量查询图像和数据库中的图像之间的相似性，并对它们进行排序以返回离查询图像最近的加密图像。 下面将详细描述图像加密和检索的机制。

2.1. JPEG编码概述

为了更好地解释所提出的加密机制，我们将简要介绍彩色JPEG编码。 众所周知，彩色JPEG图像由Y，U和V分量组成，每个分量被分割成8 * 8个非重叠块，每块包含一个量化的DC系数和63个量化的AC系数。 根据JPEG标准[28]，DC和AC量化系数分开处理。 对于某个分量的块，通过利用当前块与前一块之间的差异，DC系数被熵编码为二进制序列。首先将相同块中剩余的63个AC系数排序为Z字形序列。 然后，使用运行长度编码，将Z字形序列转换成（r， v）对。符号r表示连续的零值AC系数的数量，符号v定义非零AC系数。举个例子，假设块的Z字形序列是{-6,4,0，-1,0,0,3,0,0,0，-8，EOB}可以转换成几个（r， v）对：{（0，-6），（0,4），（1，-1），（2,3），（3，-8），（0,0）}，其中符号EOB（块结束）意味着块中所有剩余的AC系数都为零，并且表示为一个特定对（0,0）。然后使用熵编码分别将每个（r， v）对进一步编码为二进制序列。

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