一種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計算系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及媒體信息安全處理領(lǐng)域，具體是一種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計 算系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，云計算技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)深入各個領(lǐng)域，比如能源、娛樂、電力等行業(yè)。 快速高效的計算服務(wù)是云計算提供的核心服務(wù)之一，用戶的計算任務(wù)提交給云服務(wù)器集 群，集群計算后再將計算結(jié)果反饋給用戶，就仿佛用戶在本地完成這些計算一樣。然而，這 些計算任務(wù)中如果包含著用戶的隱私，就有可能通過云端的存儲器或運算器發(fā)生泄密。數(shù) 據(jù)隱私問題和數(shù)據(jù)安全問題成為云計算實用化的關(guān)鍵問題。
[0003] 隨著攝像技術(shù)的發(fā)展，獲取更清晰的視頻成為可能，更清晰的視頻意味著其在進 行某種圖像處理時的運算量變的更大，本地終端會成為提升性能的瓶頸。將云計算應(yīng)用于 視頻處理之中，可以有效的提升處理效率。但是視頻往往是一種包含用戶隱私的數(shù)據(jù)，如個 人視頻，企業(yè)監(jiān)控等，一般都將進行加密，但是加密后的視頻又無法直接使用現(xiàn)有的一般圖 像算法進行計算，比如卷積計算。
[0004] 同態(tài)加密允許人們對加密后的數(shù)據(jù)進行特殊的運算，其得到的處理結(jié)果解密后與 對明文直接運算得到的結(jié)果一致，從而解決了對密文的計算問題，因此在云計算中引入同 態(tài)加密技術(shù)能有效解決云計算的數(shù)據(jù)隱私與安全問題。
[0005] 現(xiàn)有的同態(tài)加密方案中普遍無法直接使用已知的、好的圖像處理方法。比如說待 加密圖像使用一種經(jīng)典的圖像處理算法可得到預(yù)期結(jié)果圖，待加密圖像經(jīng)過同態(tài)加密方案 加密后的密文圖像，再使用這種經(jīng)典的圖像處理算法進行處理后，再解密則得不到預(yù)期結(jié) 果圖。
[0006] 針對這一局限性，本發(fā)明提出一種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計算系統(tǒng)及其方 法，具體為設(shè)計一種同態(tài)加密方法和系統(tǒng)，用于加密視頻圖像，同時可使用已知的圖像處理 方法一一卷積，進行密文圖像的操作，解密后得到的圖像與原圖像直接卷積得到的結(jié)果一 致。本方法引入了云計算系統(tǒng)，因此也保證了運算性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有同態(tài)加密處理圖像時無法使用已知圖像處理算法的問題，本發(fā)明提出一 種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計算系統(tǒng)及方法，本方法能直接使用已知的卷積算法對圖 像進行處理，卷積算子也不用作專門的變換。
[0008] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0009] 一種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計算系統(tǒng)，其特征在于：包括有終端、云服務(wù)系 統(tǒng)；所述的終端包括有依次連接的攝像頭、幀處理單元、加密單元、通信單元、解密單元；所 述的云服務(wù)系統(tǒng)包括有中心控制系統(tǒng)、多個云資源池，其中云資源池內(nèi)包含若干云服務(wù)器 和其他必要的計算及存儲資源；終端通過通信單元與云服務(wù)系統(tǒng)進行通信。
[0010] 一種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計算方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
[0011] (一）、在本地終端中的運算過程包括以下步驟：
[0012] 步驟1，攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟2,幀處理單元將視頻數(shù)據(jù)加工處理成圖像幀，圖像幀的像素點個數(shù)為nXm， 此圖像記為I，圖像內(nèi)所有像素點的像素值之和記為M，將圖像送至加密算法單元進行計 算；
[0014] 步驟3,單幅的圖像幀由加密算法單元進行加密，加密的過程按照如下步驟進行
[0015] 步驟3. 1，加密算法單元針對應(yīng)用場景選取卷積算子H，為1:行XI2列的矩陣； [0016] 步驟3.2,加密算法單元隨機生成密鑰空間K，K中共有q個密鑰，并且互素；集合 K表不為：
[0017]K= {(k0,k" ? ? ?，k" ? ? ?，kj，? ??，kj| 1 <i<j<q，1 <kM，GO)(k"kj) =1}，
[0018] 其中q的值已經(jīng)預(yù)先設(shè)定好，并且小于等于總的可用云資源池的個數(shù)；
[0019] 步驟3. 3,加密算法單元計算夂=/十("X/Umod256，其中r是隨機數(shù)，?表示圖 像I上每一個像素點的值都與rXh的結(jié)果進行一次加法運算，計算后的結(jié)果再與256進 行模運算；所有經(jīng)過計算的像素點上的值變化了，像素點的物理位置沒有改變，將此時的圖 像記為，此圖像像素點個數(shù)仍為nXm，稱為中間圖像；
[0020] 步驟3. 4,加密算法單元計算
[0021]
[0022] 表示中間圖像上每一個像素點的值與密鑰h進行模運算，所得結(jié)果再與256進 行模運算，像素點上的值變化了，像素點的物理位置沒有改變，得到密文圖像，記為Ci;當(dāng)k: 至kq都被計算后，得到密文圖像集合C:
[0023] C= (C1；C2, . . . ,Cq),
[0024] 其中每一個Q都是一幅密文圖像，密文圖像像素點個數(shù)都為nXm;
[0025] 步驟4,密文圖像集合C連同卷積算子H及計算要求通過通信單元發(fā)給云服務(wù)系 統(tǒng)；
[0026] (二）、在云服務(wù)系統(tǒng)中的運算過程如下：
[0027] 步驟5,圖像處理算法按照以下步驟進行：
[0028] 步驟5.1，云服務(wù)系統(tǒng)中的中心控制系統(tǒng)將密文圖像集合C拆解成單幅密文圖像 Q，一幅密文圖像Q與一個算子H發(fā)往一個云資源池；
[0029] 步驟5. 2,每一個云資源池內(nèi)根據(jù)已知的圖像卷積算法，數(shù)學(xué)表達式如下：
[0030]
[0031] 其中C(x,y)表示待操作的點在圖像中的坐標(biāo)，H(i,j)表示算子H中坐標(biāo)（i,j)上 的數(shù)，每一個云資源池根據(jù)發(fā)來的計算要求，帶入?yún)?shù)(^與H進行計算，計算得到密文結(jié)果 圖像Gy此過程記為Gi= <C i，H>，表示密文結(jié)果圖像Gi是由密文圖像C i與算子H經(jīng)過卷積 得到；所有的密文結(jié)果圖像組成密文結(jié)果圖像集合：
[0032] G = (G" G2, ? ? ?，Gq)，
[0033] 每一個密文結(jié)果圖像的像素點個數(shù)為nXm ;
[0034] 步驟5. 3,云服務(wù)系統(tǒng)將結(jié)果圖像集合G傳回終端；
[0035] (三）、終端收到密文結(jié)果圖像G后的處理過程步驟如下：
[0036] 步驟6,解密算法按照以下步驟進行：
[0037] 步驟6. 1，終端將傳回的密文結(jié)果圖像集合G送入解密算法單元解同余方程組：
[0038]
[0039] 每一個密文結(jié)果圖像的像素點上的值與相應(yīng)的密鑰進行模運算，其結(jié)果再與256 進行模運算，像素點上的值變化了，像素點的物理位置沒有改變，得到中間結(jié)果圖像，記為 Y m，其像素點個數(shù)為nXm ;
[0040] 步驟6. 2,解密算法單元計算h，得最終結(jié)果圖像I'，這與原圖像I和H算子 直接卷積得到的結(jié)果相同，也就是I' =〈I，H>;
[0041] 步驟7,輸出結(jié)果圖像I'。
[0042] 一般同態(tài)加密方法無法使用現(xiàn)有的圖像算法加工密文，也得不到預(yù)期處理結(jié)果， 而本發(fā)明的處理方法優(yōu)點就在于，經(jīng)過本方法加密后的圖像仍可采用現(xiàn)有卷積算法進行圖 像計算，且本方法引入了云計算系統(tǒng)，因此也保證了處理的性能。
【附圖說明】
[0043] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)各主要單元連接示意圖與數(shù)據(jù)流向示意圖。
[0044] 圖2是本發(fā)明云服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面將結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。
[0046] 如圖1、2,一種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計算系統(tǒng)，包括有終端、云服務(wù)系統(tǒng)； 終端包括有依次連接的攝像頭1、幀處理單元2、加密單元3、通信單元4、解密單元5 ;云服 務(wù)系統(tǒng)包括有中心控制系統(tǒng)6、多個云資源池7,其中云資源池7內(nèi)包含若干云服務(wù)器和其 他必要的計算及存儲資源；終端通過通信單元4與云服務(wù)系統(tǒng)進行通信。
[0047] 一種基于同態(tài)加密的視頻安全卷積計算方法，具體包括以下步驟：
[0048] 本發(fā)明所述的方法在本地終端中的運算過程包括以下步驟：
[0049] 步驟1，攝像頭采集視頻；
[0050