一種針對圖像的加密及密文處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，包括：步驟S1：提取待處理圖像的像素分量值；步驟S2：生成密鑰；步驟S3：分量加密；步驟S4：構(gòu)建密文圖像并上傳；步驟S5：提取分量密文；步驟S6：密文圖像的處理；步驟S7：返回變換后的密文圖像；步驟S8：解密密文圖像。本發(fā)明對SIL同態(tài)加密算法進(jìn)行了改進(jìn)，用戶對要上傳的明文圖像利用本發(fā)明方法進(jìn)行加密，將生成的密文圖像上傳至服務(wù)端。服務(wù)端利用本發(fā)明方法可對密文圖像進(jìn)行基于顏色矩陣的顏色變換，圖像疊加，以及基于二次線性插值的圖像縮放操作，將操作后的密文圖像返回給用戶。用戶再利用本方法進(jìn)行解密，即可得到相應(yīng)的處理后的圖像，其效果與明文圖像直接操作相同。
【專利說明】一種針對圖像的加密及密文處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于外包服務(wù)下的用戶隱私安全保護(hù)領(lǐng)域，涉及對用戶密文圖像處理時的 隱私保護(hù)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著手機(jī)等職能終端的普及，數(shù)字圖像已經(jīng)成為非常流行的用戶數(shù)據(jù)類型。許多 云端的圖像存儲服務(wù)也大量興起，用戶可以將圖像存儲在服務(wù)器端，甚至可以對圖像進(jìn)行 一些處理，如色彩效果的變換，水印圖像的嵌入，以及圖像的縮放等。
[0003] 傳統(tǒng)的顏色的變換方法是利用顏色矩陣來改變每個像素的分量值。顏色矩陣CM 可以看成是5X5的矩陣（實際只用到了前四列），第i行j列記為mij.則像素 P(r，g，b，a) (其中r，g，b，a，分別代表該像素的紅綠藍(lán)顏色分量，以及alpha分量，即透明度）經(jīng)變換后 的像素 P'（r'，g'，b'，a'）滿足
[0004] r' = r · m00+g · m10+b · m20+a · m30+255 · m40
[0005] g，= r · m01+g · mn+b · m21+a · m31+255 · m41
[0006] b，= r · m02+g · m12+b · m22+a · m32+255 · m42
[0007] a' = r · m03+g · m13+b · m23+a · m33+255 · m43
[0008] 上述過程的運(yùn)算結(jié)果需要取整，此外，運(yùn)算結(jié)果可能會超出[0, 255]的范圍，通常 的處理方式為，當(dāng)結(jié)果為負(fù)數(shù)時取〇,當(dāng)結(jié)果大于255時取255。
[0009] 兩個圖像的疊加是將對應(yīng)位置的兩個像素的顏色分量按透明度進(jìn)行疊加。如將像 素 P2 (r2, g2, b2, a2)按照trp (0彡trp彡1，0表示完全透明，1表示不透明，則該像素真正的 透明度為trp*a2)的透明度疊加 bD上。這里默認(rèn)下層圖像不透明，即Pi中的 alpha分量不參與運(yùn)算。則生成的像素 P'（r'，g'，b'）滿足P' =卩丨·（Ι-trp ·82/255)+Ρ2 ρ · a2/255〇
[0010] 為保證圖像縮放的精度，目前較流行的方法為二次線性插值法。原始圖像寬X高 為wXh，縮放η倍（n>0)后變?yōu)椋é?· w) X (η · h)，則縮放后第i行j列的像素 P' u需要 參考原圖中四個相鄰像素，分別記為Ps，t，Ps，t+1，P s+1，t，Ps+1，t+1?其中，5 = L, Z ?」，? = L/ ?」. 則，
[0011] Ρ = Ps t · (1-U) · (1-V)+Ps，t+1 · u · (l-v)+ps+1，t · (1-U) · v+Ps+1，t+1 · u · ν
[0012] 其中，u = i/n_s，v = j/n_t.
[0013] 但是，由于圖像往往涉及個人隱私，若要將圖像提交給不可信的服務(wù)提供商進(jìn)行 處理，用戶擔(dān)心其圖像會被非法濫用，因而需要對圖像進(jìn)行加密。然而，傳統(tǒng)的圖像加密方 法不支持對密文圖像進(jìn)行圖像處理，使得圖像處理服務(wù)無法順利進(jìn)行。基于像素位置變換 的加密技術(shù)由于像素值沒有變，可以支持顏色變換。但由于像素位置已經(jīng)亂序，因此不支持 圖像的疊加和縮放。而且其安全性也較低。因此目前還缺乏能夠支持對密文圖像進(jìn)行常見 圖像處理的圖像加密技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理 的方法，對密文圖像進(jìn)行圖像處理的同時保障用戶圖像內(nèi)容隱私。
[0015] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0016] 一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，包括以下步驟：步驟S1 :提取待處理圖像 的像素分量值；步驟S2 :生成密鑰；步驟S3 :分量加密；步驟S4 :構(gòu)建密文圖像并上傳；步 驟S5 :提取分量密文；步驟S6 :密文圖像的處理；步驟S7 :返回變換后的密文圖像；步驟 S8 :解密密文圖像。
[0017] 優(yōu)選的，步驟S1中通過讀取待處理圖像，提取每個像素的RGBA分量值。
[0018] 優(yōu)選的，步驟S2生成密鑰b，密鑰b為η維列向量，每個向量元素為1位的隨機(jī)數(shù)。

【權(quán)利要求】
1. 一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟Sl:提取待處理圖像的像素分量值； 步驟S2 :生成密鑰； 步驟S3 :分量加密； 步驟S4:構(gòu)建密文圖像并上傳； 步驟S5 :提取分量密文； 步驟S6 :密文圖像的處理； 步驟S7 :返回變換后的密文圖像； 步驟S8 :解密密文圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟Sl 中通過讀取待處理圖像，提取每個像素的RGBA分量值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S2 具體采用改進(jìn)的SIL同態(tài)加密算法，生成密鑰b，密鑰b為n維列向量，每個向量元素為1位 的隨機(jī)數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S3 中分別對每個像素的每個分量進(jìn)行加密；RGBA分量值是[0, 255]區(qū)間內(nèi)的整數(shù)，記為p，加 密過程如下： 1) 由P生成列向量t= (tQht2t3t4t5t6t7)T,其中，
，其 中，t3,t4,t5...分別表示p的個位，十位，百位...，tut2為三個小數(shù)位；以上過程稱為 明文的向量化，記為t=vector(p); 2) 生成n維列向量r，1中每個元素可為1/2位隨機(jī)數(shù)； 3) 輸入密文c=t+b〇r;向量c的每個元素用21位來表示；其中，向量運(yùn)算〃 〇 〃定義 如下：
向Mb= (b。，? ? ?，IDlri)T,r= (r。，? ? ?，IV1)T， 右（b0, ? ? ?，IDrrl) 〇 (r0, ? ? ?，= (d0, ? ? ?，U，則 4) 重復(fù)步驟I)-3)，用相同的方法加密每個像素的每個分量；像素P(r，g，b，a)加密后 的密文記為C(q，cg,cb,ca)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S4 具體為：每個明文像素加密后變?yōu)樾碌?X8的子圖像，合并步驟S3加密后的所有子圖像形 成密文圖像，然后上傳至服務(wù)器端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S5 中服務(wù)器端根據(jù)密文圖像提取每個分量密文值：首先將圖像劃分為若干4X8的子圖像，每 個子圖像由8X16的二維字節(jié)數(shù)組表示，代表了一個像素密文C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S6 中對密文圖像進(jìn)行顏色變換、圖像疊加或圖像縮放操作； (1)顏色變換 1)輸入明文顏色矩陣CM，對矩陣的每個元素進(jìn)行向量化，當(dāng)時，tmij = vector(Inij)，否則，tmij =-vector(IHiijI); 2)利用變換后的顏色矩陣對每個像素密文C(q，Cg，Cb，ca)進(jìn)行計算，計算后的像素密 文C'（C'C'g, C'b, C' a)滿足
其中，乘法S定義如下： 對于兩向量U = (U。，? --，Un-)1及V = (V。，? --，Vlri)1, 若
或者，乘法5采用如下方法實現(xiàn)：在計算得U〇V后，將得到的列向量再循環(huán)上移3位， 使原來向量的第i個元素變?yōu)楝F(xiàn)在的第（i-3mod8)個元素； (2) 圖像置加 1) 輸入要疊加的明文圖像以及疊加的透明度值trpG[〇,1]，〇表示完全透明，1表示 不透明； 2) 對輸入的明文圖像每個像素的顏色分量進(jìn)行向量化，明文像素P(r，g，b，a)轉(zhuǎn)為 C(cr,cg,cb) =(vector(r),vector(g),vector(b)), 并由trp及a生成兩個列向量 t〇 =vector(1-trp?a/255), =vector(trp?a/255)； 3) 相同位置的兩個像素進(jìn)行疊加，將向量化后的像素C(q，Cg，cb)根據(jù)設(shè)置的透明度 值trp疊加到密文像素C1 (crt，cgl，cbl)，疊加后的像素密文C'（c\，c'g，c' b)滿足
其中，下層圖像不透明，即C1中的alpha分量不參與運(yùn)算； (3) 圖像縮放 1) 步驟Sl中待處理圖像的寬X高為wXh，縮放n倍后的圖像為（n*w)X(n^h), n>0； 2) 計算縮放后每個像素密文的值：縮放后第i行j列的像素密文C'u參考原密文圖像 中四個相鄰的像素密文進(jìn)行計算，這四個像素密文分別記為Cs，t,Cs，t+1,Cs+1，t,Cs+1，t+1 ; 其中，
設(shè)h=i/n-s，v=j/n-t，由此可得t〇 =vector((l~h) ? (l~v))； =vector(h? (l_v)); t2 =vector((l_h) ?v)；t3 =vector(h?v); 則Ci，j(C r(i，j)，C g(i，j)，C b(i，j)，C a(i，j)) W足
8. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S7 中所有像素密文經(jīng)過變換后，按照步驟S4的方法轉(zhuǎn)換為新的密文圖像，返回給用戶。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S8 中按照步驟S5提取出每個密文像素C(^，cg，cb，ca)，對每個分量密文進(jìn)行解密： 1) 計算
'其中H表示對向量?中的每個元素四舍五入取整； 2) 若將tr的結(jié)果表示為tr = (tQht2t3t4t5t6t7)T，則
3) 當(dāng)r〈0 時，取r= 0 ;當(dāng)r>255 時，取r= 255 ; 4) 重復(fù)步驟1)至3)，以同樣的方式解密其他分量g，b，a; 5) 解密所有的像素密文，得到處理后的明文圖像。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種對密文圖像進(jìn)行圖像處理的方法，其特征在于，步驟S2 中，定向量維度n= 8,每個向量元素的二進(jìn)制位長度1 = 16。
【文檔編號】G06T1/00GK104268825SQ201410508376
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】桂小林, 楊攀, 田豐, 安健, 林建財, 楊建偉, 姚婧 申請人:西安交通大學(xué)