[論文レビュー] A Privacy-Preserving Content-Based Image Retrieval Scheme Allowing Mixed Use Of Encrypted And Plain Images

Kenta Iida, Hitoshi Kiya|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2020

Advanced Image and Video Retrieval Techniques参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、クラウド環境において暗号化済み（EtC）画像とプレーン画像を混合して使用できるプライバシー保護型コンテンツベース画像検索（CBIR）方式を提案する。拡張された SIMPLE 述語とスケーラブルカラー記述子（SCD）を用いることで暗号化の影響を軽減し、EtC 画像とプレーン画像を同じデータベースにインデックス化しても、従来のプレーン画像を用いた手法と同等の検索性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel content based-image retrieval scheme allowing the mixed use of encrypted and plain images for the first time. In the proposed scheme, images are encrypted by a block-scrambling method developed for encryption-then-compression (EtC) systems. The encrypted images, referred to as EtC images, can be compressed with JPEG, as well as for plain images. Image descriptors used for the proposed retrieval is designed to avoid the effect of image encryption. As a result, the use of EtC images and the descriptors allows us to carry out retrieval of both encrypted images and plain ones. In an experiment, the proposed scheme is demonstrated to have the same performance as conventional retrieval methods with plain images, even under the mixed use of plain images and EtC ones.

研究の動機と目的

• 保存済み画像および照会画像の両方のプライバシーを保護する必要がある信頼できないクラウド環境における安全な画像検索を可能にすること。
• 可逆圧縮可能な暗号化画像（EtC 画像）とプレーン画像を併用する際の高い検索精度を維持する課題に対処すること。
• EtC 画像で用いられるブロックシャッフルおよび回転／反転暗号化処理に対して耐性を持つ記述子システムを設計すること。
• 暗号化済み画像とプレーン画像が同じ画像データベースに共存する混合展開シナリオをサポートすること。
• EtC 画像に標準的な JPEG 圧縮を適用しても性能劣化が生じないことを保証すること。

提案手法

• 秘密鍵を用いたランダムなブロック順列変更および回転／反転処理を含む、暗号化後に圧縮する（EtC）システム向けに設計されたブロックシャッフル法により画像を暗号化する。
• EtC 暗号化におけるブロックレベル変換に不変となるように設計された拡張 SIMPLE 述語を用いて画像記述子を生成する。
• 拡張 SIMPLE 述語とスケーラブルカラー記述子（SCD）を組み合わせることで、暗号化下でも耐性と検索精度を向上させる。
• パッチベースの特徴抽出とコードブック生成を用いた重み付き SIMPLE 述語を活用し、暗号化の影響に強いヒストグラムベースの記述子を構築する。
• 秘密鍵（$\mathbf{K}_i = [K_1(i), K_2(i)]$）を別々に保存することで、安全な復号と異なる暗号化鍵間での記述子の一貫性を確保する。
• EtC 画像がプレーン画像と同程度の圧縮効率を維持することを活用し、JPEG 圧縮との互換性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一データベースに EtC 画像とプレーン画像をインデックス化する場合、CBIR システムは高い検索精度を維持できるか？
• RQ2 EtC 暗号化におけるブロックシャッフルおよびブロック回転処理が、記述子ベースの画像検索に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 拡張 SIMPLE 述語は、EtC 暗号化の影響を効果的に軽減しつつ、検索性能を保持できるか？
• RQ4 JPEG 圧縮を施した EtC 画像を用いても、プレーン画像 CBIR システムと同等の検索性能を達成できるか？
• RQ5 プレーン画像と暗号化済み画像を併用する混合照会シナリオにおいて、提案手法の性能はいかがなっているか？

主な発見

• 提案手法は、EtC 画像とプレーン画像を同時にインデックス化する場合でも、従来のプレーン画像を用いた CBIR 手法と同等の平均平均精度（mAP）スコアを達成する。
• UKbench データセットでは、512次元の記述子を用いた提案手法が mAP 0.9292 を達成し、SURF（0.8355）や CEDD（0.8806）といった従来手法を上回った。
• INRIA Holidays データセットでは、512次元の記述子を用いた提案手法が mAP 0.7837 を達成し、SURF（0.6986）や CEDD（0.7247）といった従来手法を上回った。
• 異なる秘密鍵（$\mathbf{K}_i \neq \mathbf{K}_U$）に対しても検索性能が一貫して維持されたことから、鍵の変化に対して耐性があることが確認された。
• EtC 画像が JPEG 圧縮を受けても高い性能を維持したため、標準的な画像圧縮形式と互換性があることが示された。
• 拡張 SIMPLE 述語の使用により、EtC 暗号化におけるブロックシャッフルおよび回転／反転の影響が効果的に相殺され、正確な検索が可能になった。