[發明專利]一種支持隱私保護的多源加密圖像檢索方法

有效

• 申請號: 201810025612.4
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108256031B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 沈蒙;程國華;祝烈煌
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F16/58
• 分類號: G06F16/58;H04L29/06;H04L29/08
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

1.一種支持隱私保護的多源加密圖像檢索方法，其特征在于：所依托的系統模型涉及四個實體對象：圖像擁有者，云服務器，授權用戶，密鑰管理中心KMC；

核心工作流程如下：

步驟1：圖像擁有者加密圖像和圖像特征；

步驟1.1加密圖像，具體為；

步驟1.1.1圖像擁有者j，其中1≤j≤N，有一個圖像集，設為BCollection_j＝{B_j1，B_j2，...，B_jm}，其中m為圖像集中的圖像總數，B_ji為圖像集中的第i幅圖像，具體表示為B_ji＝{b_j1，b_j2，...，b_jM}，其中b_ji為圖像B_ji中的第i個像素點的值，M為圖像中像素點的總數；

步驟1.1.2對于每一個圖像擁有者j來說，會生成一個密鑰K_j來加密圖像集中的每一幅圖像，具體表示為K_j＝{k_j1，kj₂，...，k_jn}，其中k_ji為密鑰K_j中第i位的值，滿足0≤k_ji≤255，n為密鑰的長度，滿足n≥M；

步驟1.1.3對圖像集BCollection_j中的每一張圖像B_ji進行遍歷，對于每一張圖像B_ji＝{b_j1，b_j2，...，b_jM}，逐一遍歷B_ji中的每一個像素點b_ji，讓其與密鑰中的第i位k_ji進行異或得到加密后的像素點的值e_ji，即當圖像B_ji中的所有像素點遍歷結束后即可以得到加密的圖像E_ji＝{e_j1，e_j2，...，e_jM}，當圖像集BCollection_j中的每一張圖像遍歷完成之后即可得到該圖像擁有者j的加密的圖像集EBCollection_j＝{EB_j1，EB_j2，...，EB_jm}；

步驟1.2加密圖像特征，具體包括如下子步驟：

步驟1.2.1圖像擁有者j從每一幅圖像中提取出MPEG-7中的邊緣直方圖EHD特征來代表圖像，設得到的圖像特征集為FCollection_j＝{f_j1，f_j2，...，f_jm}，其中圖像特征f_ji具體表示為f_ji＝{a_j1，a_j2，...，a_jl}，其中a_ji為圖像特征f_ji的第i維的值，l為f_ji的維度；

步驟1.2.2遍歷FCollection_j中的每一個圖像特征f_ji，對于f_ji＝{a_j1，a_j2，...，a_jl}，遍歷其中的每一維a_ji并計算當f_ji的每一維遍歷結束后可以得到當FCollection_j中的每一個圖像特征都遍歷完成后可以得到

步驟1.2.3所有圖像擁有者統一選擇一個大質數p，此質數p是公開給云服務器的；

步驟1.2.4每個圖像擁有者j選擇一個和質數p位數相同的質數q_j，并滿足q_j能整除p-1；

步驟1.2.5每個圖像擁有者j定義一個q階循環乘法群G_j1，其生成元為并滿足g_j1≠1 mod p，其中h_j是Z_p中的一個隨機數；接著定義一個q階乘法群G_j2，其生成元

步驟1.2.6對于每一個圖像特征f_ji＝{a_j1，a_j2，...，a_jl}，遍歷其中的每一維a_ji，首先為每一維a_ji隨機生成一個數字r_ji∈Z_q，每一次遍歷時要重新生成，然后依次計算接著計算一個最后計算每一維a_ji的密文ca_ji＝(1+a_jip)R_jimod p²；當遍歷完f_ji中的每一維之后即可得到f_ji的密文形式：

ef_ji＝{ea_j1，ea_j2，...，ea_jl}

＝{(1+a_j1p)R_j1mod p²，(1+a_j2p)R_j2mod p²，...，(1+a_jlp)R_jlmod p²}

同理可以得到的密文形式：

其中是中的第i維，ea_ji是圖像特征ef_ji中的第i維；

步驟1.2.7當遍歷完FCollection_j和中的每一個特征之后，即可得到加密的圖像特征集EFCollection_j＝{ef_j1，ef_j2，...，ef_jm}和

步驟2：圖像擁有者j將加密的圖像EBCollection_j和加密的圖像特征EFCollection_j以及外包到云服務器端，同時將加密圖像的密鑰K_j＝{k_j1，k_j2，...，k_jn}發送至密鑰管理機構KMC進行保存；

步驟3：授權用戶加密查詢圖像特征集，具體包括如下子步驟：

步驟3.1授權用戶會提取出查詢圖像集的所有圖像的邊緣直方圖特征，得到的查詢圖像的特征集表示為QF＝{qf₁，qf₂，...，qf_u}，u為查詢圖像集中的圖像總數，其中的圖像特征qf_i表示為qf_i＝{qa₁，qa₂，...，qa_l}，其中qa_i為qf_i中的第i維；

步驟3.2授權用戶根據步驟1.2的方法加密圖像特征集QF中的特征qf_i，得到加密的圖像特征eqf_i＝{eqa₁，eqa₂，...，eqa_l}和進而得到加密的圖像特征集EQF＝{eqf₁，eqf₂，...，eqf_u}和其中是eqf_i²中的第i維，eqa_i是圖像特征eqf_i中的第i維；

步驟3.3授權用戶將加密的查詢圖像特征集EQF和EQF²發送至云服務端進行加密圖像檢索，并指定云服務端返回與查詢圖像相似度最高的k張圖像；同時授權用戶將自己本次加密圖像的密鑰UK＝{uk₁，uk₂，...，uk_n}發送給KMC；

步驟4：云服務器端存儲圖像擁有者j發送過來的加密圖像EBCollection_j和加密圖像特征EFCollection_j和為了加快檢索速度，云服務端會先建立檢索索引，對于每一個授權用戶的加密查詢請求EQF，云服務端會在索引表中進行加密圖像檢索，并將加密結果集返回給授權用戶；

步驟5：授權用戶對云服務端返回的加密查詢結果集ReCRes進行解密得到原始的查詢的結果集Res，并對這一結果集中的圖像與查詢圖像的相似度進行排序來獲得結果集中與查詢圖像最相似的圖像；

至此，從步驟1到步驟5，完成了一種支持隱私保護的多源加密圖像檢索方法。

2.根據權利要求1所述的一種支持隱私保護的多源加密圖像檢索方法，其特征在于：步驟4中的索引表如表1所示：

表1 加密圖像檢索索引

其中，索引表中會存儲ef_ji中所有維度的和以及中所有維度的和步驟4.1進行加密圖像檢索；

云服務端根據其存儲的加密圖像以及索引表進行加密圖像檢索，對于加密查詢圖像特征集EQF和EQF²，云服務端計算每一幅查詢圖像特征eqf_i＝{eqa₁，eqa₂，...，eqa_l}與其存儲的圖像特征集中的每一幅圖像特征ef_ji＝{ea_j1，ea_j2，...，ea_jl}進行相似度計算，提出了一種新的圖像相似度度量方法，可以避免在云服務端泄露圖像之間的相似度信息，計算方法如式(1)所示：

Dis的值越小，表示圖像之間的相似程度越高；上式(1)中的和已經存儲在索引表中了，云服務端可以直接從索引表中讀取到相關的值，因此云服務端只需要計算和然后即可計算出圖像之間的相似度Dis；

步驟4.2根據授權用戶指定的返回相似圖像數目k，云服務端會確定出最相似的k幅圖像，得到加密的查詢結果集CRes＝{CRes₁，CRes₂，...，CRes_k}；

步驟4.3與現有研究中的云服務端將查詢到的加密結果集CRes直接返回給授權用戶不同，為了更進一步保護圖像的隱私，云服務端會進行圖像隱私保護增強操作；

步驟4.3.1云服務器將加密的結果集CRes發送給密鑰管理結構KMC；

步驟4.3.2KMC將CRes中的圖像進行解密得到未加密的原始查詢結果集Res；對與CRes中的圖像CRes_i，首先找到它所屬的圖像擁有者j，然后用其對應圖像擁有者j的密鑰K_j對CRes_i解密，解密方法為對于每一張圖像CRes_i＝{e₁，e₂，...，e_M}，逐一遍歷CRes_i中的每一個像素點e_i，讓其與密鑰中K_j的第i位k_ji進行異或得到解密后的像素點的值b_ji，即當圖像CRes_i中的所有像素點遍歷結束后即可以得到解密的圖像Res_i＝{b₁，b₂，...，b_M}，當查詢結果圖像集CRes中的每一張圖像遍歷完成之后即可得到解密的查詢結果圖像集Res＝{Res₁，Res₂，...，Res_k}；

步驟4.3.3KMC用此處授權用戶發送來的密鑰UK來對Res進行加密得到重新加密的查詢結果集ReCRes，對Res進行加密的方法參考步驟1.1，其中要加密的圖像集為Res，加密密鑰為UK；

步驟4.3.4KMC將ReCRes發送給云服務器；

步驟4.4云服務器將KMC發送來的ReCRes返回給授權用戶。