基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法及系统，属于多媒体信息保护领域。采用同态加密算法将JPEG图像进行加密，保护图像中的隐私信息；采用单指令多数据SIMD加密方法得到密文码流；哈夫曼解码过程中，采用静态迭代方法消除熵解码中的分支操作，一次迭代运算得到一个DCT系数，多次迭代运算解码出所有的DCT系数；采用对码表中每个码字进行匹配解码出DCT系数，最后利用HEVC中整数逆DCT变换将浮点运算转化为整数运算，得到解码像素值。本发明专利技术可实现云端JPEG图像同态域下解压缩，得到同态加密的像素值，用于后续同态域的相关处理，保护了图像隐私信息。

【技术实现步骤摘要】
基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法及系统
本专利技术属于多媒体信息保护领域，更具体地，涉及一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法及系统。
技术介绍
云计算时代的到来，使得越来越多的多媒体数据被存储在云端，并通过云计算进行分布式处理和分析。然而公共云计算是由第三方远程控制，云用户无法直接管理或监控计算资源和客户数据的使用情况，可能存在隐私泄露。云用户失去对数据的控制使得隐私保护成为云计算的关键问题。为了保护云上多媒体隐私信息，关键点在于加密。同态加密采用专门设计的加密形式，允许在密文上执行计算，所生成的加密结果解密后与明文上执行的操作结果相匹配。利用同态加密特点，若将同态加密运用到云上多媒体数据的隐私保护上，可以做到有效保护隐私，同时不影响其功能。用户可使用同态加密技术加密多媒体数据后交由服务器进行运算。JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)是第一个国际图像压缩标准，被广泛应用，网站上80％的图像都采用了JPEG压缩标准。图像存储和传输形式大部分是JPEG，而云端常需处理解压缩图像，故需在密文下实现JPEG图像解压缩。同态密文下，JPEG解码过程中无法确定匹配的码字，因此无法确定解出来的系数个数，也就无法确定解码结果，成为JPEG密文下解压缩的难点。因此，如何实现基于同态密文的JPEG图像密文下解压缩是目前亟需解决的技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法及系统，由此解决同态密文下，JPEG解码过程中无法确定匹配的码字，进而无法确定解出来的系数个数，也就无法确定解码结果的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法，包括：通过单指令多数据流SIMD方式对JPEG图像的熵编码码流打包，并对打包后的码流进行同态加密得到同态加密后的密文码流；对所述密文码流进行哈夫曼解码，解码出64个离散余弦变换DCT系数；对所述DCT系数进行反量化，通过左移方式实现反量化的乘法，对反量化后的DCT系数使用整数逆DCT变换，得到解码像素值，然后对所述解码像素值进行处理，得到最终解压缩结果。优选地，所述通过单指令多数据流SIMD方式对JPEG图像的熵编码码流打包，并对打包后的码流进行同态加密得到同态加密后的密文码流，包括：通过SIMD将D个明文码流加密成一个密文码流，对每个明文码流的的第i位，形成一个D维向量并加密成第i个密文，在加密过程中，若明文码流中的某一位用尽，则用0填充，得到包含N个密文的密文码流，N是D个明文码流中最长明文码流的比特数。优选地，所述对所述密文码流进行哈夫曼解码，解码出64个离散余弦变换DCT系数，包括：(a)将所述密文码流和哈夫曼码表中每个码字进行比较，以对哈夫曼码表中的每个码字计算出是否匹配的一个加密布尔值[b]，其中，若b＝1，则表示匹配，若b＝0，则表示不匹配；(b)对于每个码字wi，均产生一个包含m个比特的DCT系数[C(wi)]，将各码字对应的DCT系数[C(wi)]乘以标识该码字是否匹配的布尔值最终得到当前迭代的DCT系数[C]是所有码字生成的DCT系数之和，即(c)去掉所述密文码流中匹配码字的码流以产生新的码流，并用所述新的码流替换步骤(a)中的密文码流，返回执行步骤(a)，直至得到64个DCT系数。优选地，在步骤(c)中，所述去掉所述密文码流中匹配码字的码流以产生新的码流，包括：对于每个码字wi，该码字wi有ni个比特，当前输入的密文码流为通过去掉匹配码字的码流的方式产生一个新的码流NewBits(wi)为：将NewBits(wi)乘以码字wi是否匹配的布尔值然后将所有码字的新的码流累加，得到当前迭代最终输出的新的码流：优选地，所述对所述DCT系数进行反量化，通过左移方式实现反量化的乘法，包括：对于每个DCT系数，通过左移方式将该DCT系数乘以量化表中对应的数得到反量化的DCT系数。优选地，所述对反量化后的DCT系数使用整数逆DCT变换，得到解码像素值，包括：对反量化后的DCT系数采用两次一维的HEVC整数逆DCT变换，得到解码像素值，其中，两次整数逆DCT变换的缩放因子分别是2-6和2-9，对应的运算分别是右移6比特和右移9比特。优选地，所述对所述解码像素值进行处理，得到最终解压缩结果，包括：对所述解码像素值进行处理，得到最终解压缩结果，以保证像素值在[0，255]范围内。按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩系统，包括：JPEG码流加密模块，用于通过单指令多数据流SIMD方式对JPEG图像的熵编码码流打包，并对打包后的码流进行同态加密得到同态加密后的密文码流；JPEG解压缩模块，用于对所述密文码流进行哈夫曼解码，解码出64个离散余弦变换DCT系数；对所述DCT系数进行反量化，通过左移方式实现反量化的乘法，对反量化后的DCT系数使用整数逆DCT变换，得到解码像素值，然后对所述解码像素值进行处理，得到最终解压缩结果。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术通过JPEG图像码流加密对JPEG图像进行同态加密，保护图像的隐私信息不被泄露的同时可以对密文进行相关计算，原始图像经过加密方案后形成加密码流；通过对密文码流进行解压缩将加密后的码流解压缩成密文像素值，在不需要密钥即不泄露图像的隐私信息的前提，可以得到图像的密文像素值。2、由于不同码流段解压缩流程相同，采用SIMD技术，将D个明文打包成一个密文。通过解码SIMD得到的密文块，对应于解码所有相应的明文块。SIMD大大减少了加密次数和JPEG图像的密文总数。3、本专利技术中改进的哈夫曼解码的基本思想是静态控制迭代解码程序，一次迭代解码出一个系数，解决了原始JPEG解压缩方案中解码系数个数不确定问题。对于8×8的密文码流块，如果解码出的DCT系数个数小于64则继续进行迭代过程，否则的话，哈夫曼解码过程结束。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种JPEG图像码流加密方法的流程示意图；图3是本专利技术实施例提供的一种加密码流下哈夫曼解码过程的流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供了多媒体信息保护领域的一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法及系统，其目的在于对JPEG图像数据进行同态加密，云计算平台在没有同态秘钥的前提下能够对密文进行解压缩过程，然后处理原始图像，并将密文结果反馈给用户端，用户端可以对密文结果进行同态解密，得到处理后的明文结果。从而实现了既保护云上JPEG图像涉及到的隐私信息不泄露，又使得云计算平台能够为用户端提供存储和计算能力。本专利技术的整体思路在于，通过单指令多数据流(SingleInstructionMultipleData，SI本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法，其特征在于，包括：通过单指令多数据流SIMD方式对JPEG图像的熵编码码流打包，并对打包后的码流进行同态加密得到同态加密后的密文码流；对所述密文码流进行哈夫曼解码，解码出64个离散余弦变换DCT系数；对所述DCT系数进行反量化，通过左移方式实现反量化的乘法，对反量化后的DCT系数使用整数逆DCT变换，得到解码像素值，然后对所述解码像素值进行处理，得到最终解压缩结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于同态加密的JPEG图像密文下解压缩方法，其特征在于，包括：通过单指令多数据流SIMD方式对JPEG图像的熵编码码流打包，并对打包后的码流进行同态加密得到同态加密后的密文码流；对所述密文码流进行哈夫曼解码，解码出64个离散余弦变换DCT系数；对所述DCT系数进行反量化，通过左移方式实现反量化的乘法，对反量化后的DCT系数使用整数逆DCT变换，得到解码像素值，然后对所述解码像素值进行处理，得到最终解压缩结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过单指令多数据流SIMD方式对JPEG图像的熵编码码流打包，并对打包后的码流进行同态加密得到同态加密后的密文码流，包括：通过SIMD将D个明文码流加密成一个密文码流，对每个明文码流的的第i位，形成一个D维向量并加密成第i个密文，在加密过程中，若明文码流中的某一位用尽，则用0填充，得到包含N个密文的密文码流，N是D个明文码流中最长明文码流的比特数。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对所述密文码流进行哈夫曼解码，解码出64个离散余弦变换DCT系数，包括：(a)将所述密文码流和哈夫曼码表中每个码字进行比较，以对哈夫曼码表中的每个码字计算出是否匹配的一个加密布尔值[b]，其中，若b＝1，则表示匹配，若b＝0，则表示不匹配；(b)对于每个码字wi，均产生一个包含m个比特的DCT系数[C(wi)]，将各码字对应的DCT系数[C(wi)]乘以标识该码字是否匹配的布尔值最终得到当前迭代的DCT系数[C]是所有码字生成的DCT系数之和，即(c)去掉所述密文码流中匹配码字的码流以产生新的码流，并用所述新的码流替换步骤(a)中的密文码流，返回执行步骤(a)，直至得到64个DCT系数。4.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：金海，马晓静，汤媛媛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42