基于jpeg圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法。本方法包括圖像內(nèi)容所有者加密過程、授權(quán)用戶查詢圖像過程和檢索服務(wù)提供者檢索密文圖像過程，圖1是本發(fā)明的總流程框圖。圖像內(nèi)容所有者加密JPEG圖像的DCT系數(shù)位流，并對位流重構(gòu)生成密文文件，隨后提交給檢索服務(wù)提供者；授權(quán)用戶提交待查詢密文圖像進(jìn)行檢索，并解密和恢復(fù)返回的密文圖像；檢索服務(wù)提供者通過逐一計算待查詢圖像與密文圖像數(shù)據(jù)庫里所有圖像的交流系數(shù)直方圖間距離，返回與待查詢圖像直方圖最相近的圖像給授權(quán)用戶。該方法在保護圖像數(shù)據(jù)隱私的同時，實現(xiàn)了密文圖像檢索；且降低了計算、通信開銷和文件存儲空間，同時兼顧密文圖像的顏色信息安全。
【專利說明】基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法，利用數(shù) 字信號處理和加密技術(shù)調(diào)整JPEG圖像位流結(jié)構(gòu)W便在密文域中進(jìn)行圖像檢索。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著云計算時代的到來，用戶可W隨時隨地把本地錯綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（比 女口；電子郵件、個人醫(yī)療記錄、金融交易等管理系統(tǒng)）外包給云端的服務(wù)提供商進(jìn)行存儲和 管理，但對于數(shù)據(jù)存儲在哪里、如何處理，用戶是不知情的，由此引發(fā)用戶對數(shù)據(jù)隱私的擔(dān) 憂，勢必要求先對數(shù)據(jù)加密后再提交給服務(wù)提供商進(jìn)行相關(guān)處理，W防隱私數(shù)據(jù)被泄露。W 上該種既要保護數(shù)據(jù)隱私又要保證數(shù)據(jù)正常處理的需求對于基于明文的傳統(tǒng)信息檢索服 務(wù)來說是一個重大的挑戰(zhàn)。在密文信息檢索系統(tǒng)中，加密后的文本數(shù)據(jù)或多媒體數(shù)據(jù)構(gòu)成 密文文件數(shù)據(jù)庫存儲于服務(wù)器，檢索用戶向服務(wù)器提交密文關(guān)鍵字、密文特征或密文數(shù)據(jù)， 服務(wù)器返回符合檢索要求的密文文件。密文檢索可W在不泄露明文信息的條件下借助外部 存儲資源和計算資源實現(xiàn)文件的存儲與檢索，是安全云存儲的重要基礎(chǔ)。目前在密文域信 息檢索該相對新興的研究領(lǐng)域中已涌現(xiàn)出大量的成果，主要有兩部分的工作；密文域的關(guān) 鍵字文檔檢索和密文域的圖像檢索。密文域的信息檢索大部分工作集中在前者，而關(guān)于密 文域的圖像檢索技術(shù)研究報道相對比較少。
[0003] 現(xiàn)有的密文域的圖像檢索方法主要有H種，第一種密文圖像檢索的方法是；利用 文本檢索技術(shù)的詞袋模型表示圖像特征描述，聯(lián)合保序加密和最小哈希函數(shù)實現(xiàn)安全索 弓I，既保護詞匯特征向量隱私又支持檢索結(jié)果排序；第二種密文圖像檢索的方法是：對原 始圖像特征進(jìn)行隨機化處理如；位層隨機化、隨機投影或隨機一元編碼的處理，使得距離 相近的特征在隨機化處理后依然距離較近，并利用此性質(zhì)實現(xiàn)不泄露內(nèi)容條件下的圖像檢 索；第H種密文圖像檢索的方法是；利用圖像加密前后離散余弦變換相同頻率的系數(shù)直方 圖不變性W便實現(xiàn)密文域的圖像檢索?？蓞㈤喨缦挛墨I(xiàn)：
[1] W. Lu, A. Swaminathan, A. L. Varna, and M. Wu, Enabling search over encrypted multimedia databases， In Proceedings of SPIE， vol. 7254，Conf. on Media Forensics and Security, January 2009.
[2] W. Lu, A. L Varna, A. Swaminathan, and M. Wu, Secure image retrieval through feature protection, IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing，ICASSP 2009, 1533-1536，2009.
[3] X. Zhang, H. Cheng, Histogram-based Retrieval for Encrypted JPEG Images, Signal and Information Processing (ChinaSIP), 2014 IEEE China Suwmit & International Conference on, IEEE，2014. 然而，上述第一、二種方法中，圖像特征提取、特征加密、圖像加密要各自分開進(jìn)行處 理，且加密后的特征和圖像同時要存儲在服務(wù)器，該樣會增加計算復(fù)雜度W及通信和存儲 開銷；上述第H種方法中，雖然圖像特征不需要額外提取和加密，但JPEG圖像相同頻率系 數(shù)值置亂加密打亂了原有圖像的JPEG壓縮編碼的連續(xù)性，造成JPEG圖像文件增大和顏色 信息泄露。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供了一種基于JPEG圖像交流 系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法，該方法基于JPEG圖像壓縮編碼的位流結(jié)構(gòu)，結(jié)合流密 碼異或加密方法和置亂加密方法，獲得密文JPEG圖像。利用JPEG圖像加密前后的交流系 數(shù)直方圖不變性，實現(xiàn)密文圖像檢索，在不增加密文圖像文件大小同時兼顧密文圖像的顏 色信息安全。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是；本發(fā)明分為H部分，一是圖像內(nèi)容所有者加 密過程；二是授權(quán)用戶查詢圖像過程；H是檢索服務(wù)提供者檢索密文圖像過程： 本發(fā)明采用的圖像格式是JPEG格式，JPEG是聯(lián)合圖像專家組（Joint PicUire Expert Group)的英文縮寫，是一種靜態(tài)圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。由于JPEG圖像高壓縮比，使其在多 媒體和萬維網(wǎng)上得到廣泛使用，因此在JPEG格式的圖像上進(jìn)行檢索有著重要的實際意義 和應(yīng)用價值。
[0006] 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法，其特征在于具體實現(xiàn)步 驟如下： (1) 、圖像內(nèi)容所有者加密過程。讀取明文圖像數(shù)據(jù)庫任一圖像的JPEG編碼位流，獲取 其離散余弦變換后的直流系數(shù)位流和交流系數(shù)位流兩部分，接著采用流密碼異或加密方法 和置亂加密方法分別對直流系數(shù)位流和交流系數(shù)位流進(jìn)行加密，并對加密后的位流進(jìn)行重 新組合生成加密后的JPEG圖像，最后把全部圖像加密后的密文圖像數(shù)據(jù)庫提交給檢索服 務(wù)提供者； (2) 、授權(quán)用戶查詢圖像過程。首先用戶在查詢明文圖像前需要獲得圖像內(nèi)容所有者授 權(quán)，成為授權(quán)用戶，接著把要查詢的圖像提交給圖像內(nèi)容所有者進(jìn)行相應(yīng)的加密，待獲得相 應(yīng)的密文圖像后，就可W直接在圖像檢索服務(wù)器上去檢索匹配圖像，最后對返回的密文結(jié) 果解密獲得與查詢圖像相近的明文圖像； (3) 、檢索服務(wù)提供者檢索密文圖像過程。檢索服務(wù)提供者存儲和管理圖像內(nèi)容所有者 提交的密文圖像數(shù)據(jù)庫，并提供密文圖像檢索服務(wù)。檢索服務(wù)提供者從授權(quán)用戶提交的密 文查詢圖像文件位流中提取交流系數(shù)位流，通過JPEG解碼和數(shù)學(xué)統(tǒng)計手段獲得密文查詢 圖像對應(yīng)交流系數(shù)直方圖，接著把密文查詢圖像交流系數(shù)直方圖與密文數(shù)據(jù)庫里所有圖像 的已知交流系數(shù)直方圖進(jìn)行逐一對應(yīng)比較，最后返回與待查詢圖像直方圖最相近的圖像給 授權(quán)用戶。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點；該方 法利用JPEG圖像壓縮編碼的位流結(jié)構(gòu)，采用了 JPEG圖像交流系數(shù)直方圖不變性的特定加 密技術(shù)，不僅實現(xiàn)了密文圖像檢索，保護了查詢圖像和圖像數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)隱私，而且圖像特 征不需事先提取和加密該些額外步驟，在不增加文件大小，降低計算復(fù)雜度和通信開銷同 時兼顧密文圖像的顏色信息安全。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是本發(fā)明的基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法的流程框 圖； 圖2是步驟（1-1)中所述的明文圖像數(shù)據(jù)庫中部分圖像樣例(來自Corel標(biāo)準(zhǔn)測試圖 像數(shù)據(jù)庫，尺寸大小256X384或384X256,包含十類圖像，如非洲人、海灘、建筑、公共汽 車、恐龍、大象、花、馬、山、食物，共1000副圖像）； 圖3是步驟（1-1)中所述的JPEG圖像Y、U、V H個分量的采樣格式；YUV411 ; 圖4是步驟（1-1)中所述的圖像數(shù)據(jù)庫中待加密的明文圖像J ; 圖5是步驟（1-2)中所述的JPEG圖像CC系數(shù)和系數(shù)的編碼結(jié)構(gòu)； 圖6是步驟（1-2)中所述的VLI碼表； 圖7是步驟（1-4)中所述的密文圖像Jf; 圖8是步驟（2-1)中所述的用戶^需查詢的圖像4; 圖9是步驟（2-1)中所述的密文圖像/占； 圖10是實施例中的明文圖像； 圖11是實施例中圖10對應(yīng)的密文圖像。

【具體實施方式】
[0009] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。
[0010] 實施例一： 參見圖1，本基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法，其具體實現(xiàn)步驟 如下： (1) 、圖像內(nèi)容所有者加密過程：讀取明文圖像數(shù)據(jù)庫任一圖像的JPEG編碼位流，獲取 其離散余弦變換后的直流系數(shù)位流和交流系數(shù)位流兩部分，接著采用流密碼異或加密方法 和置亂加密方法分別對直流系數(shù)位流和交流系數(shù)位流進(jìn)行加密，并對加密后的位流進(jìn)行重 新組合生成加密后的JPEG圖像，最后把全部圖像加密后的密文圖像數(shù)據(jù)庫提交給檢索服 務(wù)提供者； (2) 、授權(quán)用戶查詢圖像過程；首先用戶在查詢明文圖像前需要獲得圖像內(nèi)容所有者授 權(quán)，成為授權(quán)用戶，接著把要查詢的圖像提交給圖像內(nèi)容所有者進(jìn)行相應(yīng)的加密，待獲得相 應(yīng)的密文圖像后，就可W直接在圖像檢索服務(wù)器上去檢索匹配圖像，最后對返回的密文結(jié) 果解密獲得與查詢圖像相近的明文圖像； (3) 、檢索服務(wù)提供者檢索密文圖像過程：檢索服務(wù)提供者存儲和管理圖像內(nèi)容所有者 提交的密文圖像數(shù)據(jù)庫，并提供密文圖像檢索服務(wù)；檢索服務(wù)提供者從授權(quán)用戶提交的密 文查詢圖像文件位流中提取交流系數(shù)位流，通過JPEG解碼和數(shù)學(xué)統(tǒng)計手段獲得密文查詢 圖像對應(yīng)交流系數(shù)直方圖，接著把密文查詢圖像交流系數(shù)直方圖與密文數(shù)據(jù)庫里所有圖像 的已知交流系數(shù)直方圖進(jìn)行逐一對應(yīng)比較，最后返回與待查詢圖像直方圖最相近的圖像給 授權(quán)用戶。
[0011] 實施例二： 本實施例與實施例一基本相同，是結(jié)合附圖描述了一個實例。特別之處如下： 所述步驟（1)圖像內(nèi)容所有者加密過程的具體操作步驟如下： (1-1)、讀取明文圖像數(shù)據(jù)庫里任一 JPEG圖像文件，獲取圖像所對應(yīng)的二進(jìn)制位流序 列，采用的明文圖像數(shù)據(jù)庫是Corel標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫，其部分圖像如圖2所示；根據(jù)JPEG 壓縮標(biāo)準(zhǔn)，一副未經(jīng)任何處理的RGB彩色圖在壓縮編碼前先要變換成其他色彩空間，JPEG 圖像采用的是YUV色彩空間，且YUV的采樣格式為YUV411，如圖3所示，即Y、U、V H個分量 的數(shù)據(jù)取樣比例：4個Y對應(yīng)1個U和1個V ;然后，把Y、U、V H個分量分別進(jìn)行分割成不 重疊的8 X 8的小塊，對每個小塊進(jìn)行DCT變換，產(chǎn)生64個系數(shù)；1個/^'系數(shù)和63個系 數(shù)，并對CC系數(shù)和系數(shù)用不同的量化表進(jìn)行量化；對量化后的CC系數(shù)進(jìn)行差分脈沖調(diào) 制編碼和賭編碼，而量化后的系數(shù)則采用化C編碼和賭編碼；最后結(jié)合JPEG規(guī)定標(biāo)記按 一定的格式把圖像頭部信息和賭編碼后所產(chǎn)生的位流按字節(jié)大小寫入文件中； 注；RGB代表H種顏色；R表示紅色，G表示綠色，B表示藍(lán)色；Y表示亮度分量，U和V均 表示色差分量，DCT變換表示離散余弦變換，CC系數(shù)表示直流系數(shù)，系數(shù)表示交流系數(shù)， 化C表示游程壓縮編碼； 假設(shè)讀取的明文圖像巧日圖4所示，獲得的JPEG編碼位流序列主要包含兩部分的信息： 文件頭信息護和圖像壓縮數(shù)據(jù)。其中文件頭信息主要包含文件大小、量化表、哈夫曼編碼 表等JPEG編解碼所需的輔助信息，而圖像壓縮數(shù)據(jù)即為圖像原始數(shù)據(jù)被壓縮編碼后數(shù)據(jù)， 其表示成：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法，其具體實現(xiàn)步驟如下： (1) 、圖像內(nèi)容所有者加密過程：讀取明文圖像數(shù)據(jù)庫任一圖像的JPEG編碼位流，獲取 其離散余弦變換后的直流系數(shù)位流和交流系數(shù)位流兩部分，接著采用流密碼異或加密方法 和置亂加密方法分別對直流系數(shù)位流和交流系數(shù)位流進(jìn)行加密，并對加密后的位流進(jìn)行重 新組合生成加密后的JPEG圖像，最后把全部圖像加密后的密文圖像數(shù)據(jù)庫提交給檢索服 務(wù)提供者； (2) 、授權(quán)用戶查詢圖像過程：首先用戶在查詢明文圖像前需要獲得圖像內(nèi)容所有者授 權(quán)，成為授權(quán)用戶，接著把要查詢的圖像提交給圖像內(nèi)容所有者進(jìn)行相應(yīng)的加密，待獲得相 應(yīng)的密文圖像后，就可以直接在圖像檢索服務(wù)器上去檢索匹配圖像，最后對返回的密文結(jié) 果解密獲得與查詢圖像相近的明文圖像； (3) 、檢索服務(wù)提供者檢索密文圖像過程：檢索服務(wù)提供者存儲和管理圖像內(nèi)容所有者 提交的密文圖像數(shù)據(jù)庫，并提供密文圖像檢索服務(wù)；檢索服務(wù)提供者從授權(quán)用戶提交的密 文查詢圖像文件位流中提取交流系數(shù)位流，通過JPEG解碼和數(shù)學(xué)統(tǒng)計手段獲得密文查詢 圖像對應(yīng)交流系數(shù)直方圖，接著把密文查詢圖像交流系數(shù)直方圖與密文數(shù)據(jù)庫里所有圖像 的已知交流系數(shù)直方圖進(jìn)行逐一對應(yīng)比較，最后返回與待查詢圖像直方圖最相近的圖像給 授權(quán)用戶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所敘述的基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法， 其特征在于：所述步驟（1)圖像內(nèi)容所有者加密過程的具體操作步驟如下： (1-1)、讀取明文圖像數(shù)據(jù)庫里任一 JPEG圖像文件，獲取圖像所對應(yīng)的二進(jìn)制位流序 列，采用的明文圖像數(shù)據(jù)庫是Corel標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫；根據(jù)JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)，一副未經(jīng)任何 處理的RGB彩色圖在壓縮編碼前先要變換成其他色彩空間，JPEG圖像采用的是YUV色彩空 間，且YUV的采樣格式為YUV411，即Y、U、V三個分量的數(shù)據(jù)取樣比例：4個Y對應(yīng)1個U和 1個V;然后，把Y、U、V三個分量分別進(jìn)行分割成不重疊的8 X 8的小塊，對每個小塊進(jìn)行 DCT變換，產(chǎn)生64個系數(shù)：1個M系數(shù)和63個M系數(shù)，并對M系數(shù)和M系數(shù)用不同的量 化表進(jìn)行量化；對量化后的系數(shù)進(jìn)行差分脈沖調(diào)制編碼和熵編碼，而量化后的系數(shù)則 采用RLC編碼和熵編碼；最后結(jié)合JPEG規(guī)定標(biāo)記按一定的格式把圖像頭部信息和熵編碼后 所產(chǎn)生的位流按字節(jié)大小寫入文件中； 注：RGB代表三種顏色：R表示紅色，G表示綠色，B表示藍(lán)色；Y表示亮度分量，U和V均 表示色差分量，DCT變換表示離散余弦變換，系數(shù)表示直流系數(shù)系數(shù)表示交流系數(shù)， RLC表示游程壓縮編碼； 獲得的JPEG編碼位流序列主要包含兩部分的信息：文件頭信息，和圖像壓縮數(shù)據(jù)G1，其中文件頭信息主要包含文件大小、量化表、哈夫曼編碼表等JPEG編解碼所需的輔助信 息，而圖像壓縮數(shù)據(jù)即為圖像原始數(shù)據(jù)被壓縮編碼后數(shù)據(jù)，其表示成： 其中，CO, jO表示圖像Jp的第￠/,/)塊（YUV的采樣格式為4:1:1，對于Y分量第(?/) 塊則由4個8 X 8塊構(gòu)成，U和V分量是由1個8 X 8塊構(gòu)成）經(jīng)過熵編碼壓縮后的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)，表示16 X 16塊在圖像/中橫坐標(biāo)的位置，M表示圖像I的高，j (I ￡JV7〗€)表示16 X 16塊在圖像J中縱坐標(biāo)的位置,W表示圖像Jt勺寬，表示 第塊Y分量熵編碼后的二進(jìn)制位流,塊大小8 X 8,&€ [1，2^,4],^表示塊排列順序的位 置,SrIyI sf/5分別表示U和V分量熵編碼后的二進(jìn)制位流； (1-2)、根據(jù)Cty)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),提取圖像/的第(I J)塊Y的化系數(shù)位流和M系數(shù)位 流：設(shè)圖像/的第以/^:^分量的化位流為^^⑷^其表示成： 轉(zhuǎn) 4卬 Q=[碑(2) 其中，^sfn(Z)C)表示圖像j第ft/)塊中第免塊Y分量熵編碼后w系數(shù)位流， 々€ [U3,4],^表示塊排列順序的位置； 設(shè)圖像/的第以/)塊Y分量的M位流為其表示成： 其中 表示圖像2第ft/)塊中第&塊Y分量熵編碼后系 數(shù)位流表示塊排列順序的位置； 由式子⑵⑶可知,Slil (^€ hyj)由4；11設(shè)CO和構(gòu)成，其表示成： = [S^(DC)4f(m} k€ [U14] (4) 當(dāng)^固定時，實際上是一個8 X 8大小塊所對應(yīng)的64個DCT系數(shù)熵編碼后的位流， 其中包含了 1個系數(shù)和63個系數(shù)，系數(shù)和系數(shù)編碼結(jié)構(gòu)相同，均有兩部分構(gòu) 成：Huffman碼流和VLI碼流； 其中，Huffman碼表示哈夫曼編碼，是一種無損變長壓縮編碼方法，VLI是可變長整數(shù) 編碼； 當(dāng)曼=I時,Sfrt(DC)位流結(jié)構(gòu)表達(dá)式為： #(=階丨(卿# ,濁] (5) 其中,ffPODCO表示圖像Jt勺第￠1, j塊Y1分量中，系數(shù)Huf fman碼流，表 示圖像J的第￠1,夬Y1分量中W系數(shù)VLI碼流，利用圖像J頭文件信息中的Y分量W系 數(shù)Huffman碼表，圖像內(nèi)容所有者可讀取出位流，接著對位流進(jìn)行解 碼，獲得該系數(shù)在VLI碼表中組號，其數(shù)值大小等于實際存儲二進(jìn)制值位流長度，讀取出 ItfDyxT)位流，獲得系數(shù)在熵編碼前的數(shù)值； 當(dāng)I: = 1時,Sfll(JC)位流結(jié)構(gòu)表達(dá)式為： ^}(JQ = (6) 其中，表示Y|中M系數(shù)第f個編碼單元(I, gj|對應(yīng)的Huffman碼流，I表示在 游程編碼中連續(xù)出現(xiàn)零的個數(shù)表示連續(xù)零后第一個非零數(shù)值!"在VLI碼表中所對應(yīng)組 號，表示系數(shù)第 < 個編碼單元(丨,g上中廠所對應(yīng)的VLI碼流,之表示Y1中M 系數(shù)游程編碼單元的個數(shù)，利用圖像I頭文件信息中的Y分量系數(shù)Huffman碼 表，圖像內(nèi)容所有者可讀取出位流，接著對位流進(jìn)行解碼，獲得該 系數(shù)在VLI碼表中組號（其值等于位流長度，參考圖6)，讀取出位流； 以此類推，進(jìn)一步讀取出 咬切吖冷1(￡^,貧1(￡^4;/}(此).難~，1殘/!(此),即可獲得圖像/的第 (Ij)塊Y分量的w位流Sffl(DCT)和M位流(iC); (1-3)、按照（1-2)步驟，圖像內(nèi)容所有者從圖像J可讀取出第夬所對應(yīng)的U、V分 量的二進(jìn)制位流與讀取Y分量的位流不同的是U、V分量所用的Huffman碼表與 Y分量的Huffman碼表不同； (1-4)、基于（1-2)和（1-3)步驟，圖像內(nèi)容所有者可獲取整副圖像/中Y、U、V分量的 位流和位流；針對圖像f的位流和位流，采取不同的加密方法，即可獲得密文圖 像f，具體如下： 圖像內(nèi)容所有者將整副圖像J中Y、U、V分量的位流組合成一個新的位流序列 其表達(dá)式如下： ^.(￡)〇 = [S] (DC)J^ (DC)^ (DC)} = Al (7) 其中分別表示圖像J中Y、U、V分量的M位流序列，^ (1幻彡I)表示^^^1位流第I?位置的二進(jìn)制值； 設(shè)圖像I對應(yīng)的位流長度為/，圖像內(nèi)容所有者采用流密碼異或加密 的方法對&(￡)(^1進(jìn)行加密，即根據(jù)加密私鑰IT1產(chǎn)生一串長度為I的偽隨機二進(jìn) 制位流I = 進(jìn)行異或操作，生成長度為/的加密后的位流 ^(DC)=[44…4],異或操作滿足下式： Of dt =f = * J (8) 艮略(￡Q=4(1)0十I得到密文位流(DQ = [?". 4]; 對于圖像Z中Y、U、V分量的位流采取不同的加密技術(shù)即置亂加密方法，根據(jù)公式 (6)塊位流結(jié)構(gòu)提取出圖像/中所有8 X 8塊Y、U、V分量的系數(shù)塊位流，并分別將塊位 流連接組合成新的位流序列，設(shè)為5^i〇, S^iCO, SfJ 表達(dá)式分別如下： sJ(AC)4M^^ (9)
其中,$表示圖像Y分量第(X/)±夬,塊大小8 X 8,第1個M系數(shù)編碼單 元所對應(yīng)的碼流段，參考（1-2)步驟，表示第1個系數(shù)編碼單元Huffman編碼后 位流部分，F(xiàn)1yM表示表示第1個M系數(shù)編碼單元VLI編碼后位流部分，|"(丨幻n/g) 表示8 X 8塊在Y分量中橫坐標(biāo)的位置，j (] gj'^i￥/S)表示8 X 8塊在Y分量中縱坐 標(biāo)的位置； [f表示圖像U分量第(/,/)塊(塊大小8 X 8)第1個M系數(shù)編碼單元所 對應(yīng)的碼流段，參考（1-2)步驟，表示第1個系數(shù)編碼單元Huffman編碼后位流 部分，表示表示第1個M系數(shù)編碼單元VLI編碼后位流部分，^ 表示8 X 8塊在U分量中橫坐標(biāo)的位置(I S/ $ IV/ 2/8)表示8 X 8塊在U分量中縱 坐標(biāo)的位置；公式（11)中的符號含義跟公式（10)類似； 另，圖像I所對應(yīng)的y、u、V分量的大小分別為秘X V,(M/2M.V/2); )碼流段作為一個整體單元，圖像內(nèi)容所有者使用加密私 鑰&對對(iQ中所包含的碼流段進(jìn)行置亂加密，即打亂[私碼流段在療(iQ 位流中的位置，記加密后Y分量M位流為gkiC);對u、V分量M位流# 采 取相同的加密方法進(jìn)行加密，獲得密文位流為療(此)、療(<|4(；),所用密鑰分別為13,[ 4; (1-5)、按照J(rèn)PEG的格式標(biāo)準(zhǔn)，將圖像I的頭部信息和加密后的Y、U、V分量位流進(jìn)行重 新連接組合，即可獲得圖像J所對應(yīng)的加密圖像f的位流序列I/,其表達(dá)式為： 辦=[%為為(沉片(，)名(此)](⑵ 其中，表示圖像/的頭部信息，未參與加密處理，其位流在加密前后保持不變;Is 表示長度信息，包含位流Sfl (DCJ)、# 的長度以及jpeg編碼過程中 填充位的位數(shù)，￡3值以二進(jìn)制位流的形式存在； 另，JPEG格式中標(biāo)記以十六進(jìn)制的FF開頭，后面跟一個非零的字節(jié)，在（1-1)步驟中 讀取JPEG文件時，F(xiàn)F后面的字節(jié)若是0,則刪除值為0的這個字節(jié)，在此操作上所獲得加 密圖像位流比原始圖像I的位流長度在一定程度上減少，保證了加密后的文件大小不增 力口，甚至對大部分的圖像來說文件大小反而減少； (1-6)、圖像數(shù)據(jù)庫里的其他圖像加密處理均與圖像J的加密操作一樣，從而獲得加密 后的密文圖像數(shù)據(jù)庫，最后把密文圖像數(shù)據(jù)庫提交給檢索服務(wù)提供者進(jìn)行存儲和管理。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所敘述的基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法， 其特征在于：所述步驟（2)授權(quán)用戶查詢圖像過程的具體操作步驟如下： (2-1)、根據(jù)雙方約定協(xié)議，需要查詢服務(wù)的用戶獲得圖像內(nèi)容提供者授權(quán)，成為授權(quán) 用戶it; (2-2)、用戶^將需要查詢的圖像/^提交給圖像內(nèi)容服務(wù)者進(jìn)行加密處理，圖像內(nèi)容所 有者采用步驟（1-1)、（1-2)、（1-3)、（1-4)、（1-5)將用戶^!提交的明文圖像加密成密文 圖像/Jr最后把密文圖像/^和相應(yīng)的加密密鑰欠返回給用戶 (2-3)、用戶j將密文圖像提交給檢索服務(wù)提供者進(jìn)行檢索，并告之需返回最相近 圖像的數(shù)目，同時等待檢索結(jié)果； (2-4)、用戶j解密檢索服務(wù)提供者返回的密文圖像，若返回的密文圖像為用戶 j讀取密文圖像根據(jù)步驟（1-5)獲得圖像P的頭部信息和壓縮數(shù)據(jù)信息，參考公式 (12);根據(jù)JPEG標(biāo)記獲得圖像f頭部信息好_,且不做額外處理；從！^位流中獲得圖像 ]^中4 (DCJ)、sJ(ie)、砹位流的長度，根據(jù)各自位流長度分割出4 (DC)、 (此)、#(也0四段位流 參考公式（8),利用已知密鑰&產(chǎn)生偽隨機二進(jìn)制位流與進(jìn)行異或操作 解密出A(DCf),對于SfJ(JCT),利用密鑰12置亂療(iQ中碼流段的位置，恢復(fù)碼流段 網(wǎng)YfcO 的原始位置，即解密出#位流；以此類推，利用密鑰&解密出 砹(尤)、療(iQ位流； 依據(jù)步驟a_4)分解&(J3Q、s^iC)、療(ie；)、療(iQ,獲得圖像f中y、u、v分量 8X 8塊對應(yīng)的M和M位流,利用公式⑴組合出圖像/熵編碼的壓縮數(shù)據(jù)Gf,結(jié)合圖像/ 頭部信息1_即獲得圖像f的位流;S^,其表達(dá)式為： (13) ^ 另，根據(jù)JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)，圖像/位流按字節(jié)寫入文件,若出現(xiàn)字節(jié)值為FF,且不是JPEG 規(guī)定標(biāo)記，則需在FF字節(jié)后面補上一個值為O的字節(jié)，S卩補上步驟（1-5)中被刪除掉值為 O的字節(jié)，從而解密出密文圖像f的原始圖像/，若返回多副密文圖像，均按照步驟（2-4)進(jìn) 行解密操作恢復(fù)出對應(yīng)的原始明文圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所敘述的基于JPEG圖像交流系數(shù)直方圖的密文域圖像檢索方法， 其特征在于：所述步驟（3)檢索服務(wù)提供者檢索密文圖像過程的具體操作步驟如下： (3-1)、檢索服務(wù)提供者p讀取授權(quán)用戶j所提交的待查詢密文圖像/^，其對應(yīng)的明文 圖像為獲取密文圖像里中(JC)三段位流，獲取過程參考步驟 (2-4)，結(jié)合Huffman碼表和VLI碼表，提取密文圖像的Y、U、V三個分量的所有系數(shù)， 并利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計手段求出圖像的Y、U、V三個分量M系數(shù)對應(yīng)的直方圖; 另，采用同樣的方法求密文數(shù)據(jù)庫里所有圖像對應(yīng)的系數(shù)直方圖； (3-2)、逐一計算密文圖像與密文圖像數(shù)據(jù)庫里所有圖像間的直方圖距離，該距離是 兩幅圖像相似性的度量方法，距離越小圖像間相似度越高，反之則相似度越低；本發(fā)明采用 精度比1*2歐氏距離更高的1^相對距離，即城市區(qū)塊距離，其表達(dá)式如下：
其中,Ii為待查詢圖像,/2為圖像數(shù)據(jù)庫中任一圖像，為查詢圖像I1中Y分量 系數(shù)為1的頻率，￠4為查詢圖像/2中Y分量系數(shù)為I的頻率；一副JPEG圖像由Y、U、 V三個分量構(gòu)成,利用公式（14)可分別求得U、V兩個分量系數(shù)直方圖的距離 累加三個分量距離作為度量圖像4和圖像/2相似度的最終距離<ayy2),表達(dá) 式如下： dgil^ J2)= ^ (/| )^2 i^ju ih'h J (is) 其中,IlfW2, w〗分別^的權(quán)重，采取窮舉的方法定出 ^#4"3),^#^1為),^^￥(41，'2)在公式（15)中最優(yōu)的權(quán)重； 利用公式（14) (15)逐一求出密文圖像與密文圖像數(shù)據(jù)庫里所有圖像間直方圖距離 (包含Y、U、V分量）； (3-3)、對（3-2)步驟所求的密文圖像與密文圖像數(shù)據(jù)庫里所有圖像間的直方圖距 離進(jìn)行從小到大排序，序號靠前的優(yōu)先返回，具體返回多少副圖像數(shù)據(jù)庫里的密文圖像由 授權(quán)用戶i事先告訴檢索服務(wù)提供者。
【文檔編號】G06F17/30GK104331448SQ201410591470
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】程航, 張新鵬, 童人婷, 徐淼, 王子馳 申請人:上海大學(xué)