[論文レビュー] Outsource Photo Sharing and Searching for Mobile Devices With Privacy Protection

Lan Zhang, Taeho Jung+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2014

Advanced Image and Video Retrieval Techniques参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、信頼できないクラウドサーバーに写真の共有および検索をアウトソーシング可能にするプライバシー保護フレームワーク「SouTu」を提案する。画像の内容、クエリ、検索結果が露呈されない。実数およびバイナリ特徴ベクトルのための非インタラクティブな外部化されたベクトル距離プロトコルを新規に開発し、通信および計算のオーバーヘッドを低減。非プライベートシステムと比較して、一部のデータセットではストレージが6%増加、通信が27%削減される。

ABSTRACT

With the proliferation of mobile devices, cloud-based photo sharing and searching services are becoming common due to the mobile devices' resource constrains. Meanwhile, there is also increasing concern about privacy in photos. In this work, we present a framework \ourprotocolNSP, which enables cloud servers to provide privacy-preserving photo sharing and search as a service to mobile device users. Privacy-seeking users can share their photos via our framework to allow only their authorized friends to browse and search their photos using resource-bounded mobile devices. This is achieved by our carefully designed architecture and novel outsourced privacy-preserving computation protocols, through which no information about the outsourced photos or even the search contents (including the results) would be revealed to the cloud servers. Our framework is compatible with most of the existing image search technologies, and it requires few changes to the existing cloud systems. The evaluation of our prototype system with 31,772 real-life images shows the communication and computation efficiency of our system.

研究の動機と目的

• 自動画像認識や不正アクセスが懸念されるクラウドベースの写真共有および検索におけるプライバシー懸念を解決すること。
• モバイルユーザーが重いストレージおよび検索タスクをクラウドにアウトソーシングしつつ、写真、クエリ、検索結果のプライバシーを維持すること。
• 所有者とクエリ発行者とのオンライン相互作用を必要とせず、暗号化された特徴ベクトル上で効率的かつ安全にコンテンツベースの画像検索を実現するシステムを設計すること。
• 実用的な展開を可能にするために、既存の画像検索技術およびクラウドインfraストラクチャと互換性を持つこと。

提案手法

• プライバシー保護とコアの画像検索機能を分離するモジュラーなフレームワーク「SouTu」を設計し、既存のクラウドサービスとのシームレスな統合を可能にする。
• 実数特徴ベクトルおよびバイナリベクトルの両方のための非インタラクティブな外部化されたベクトル距離計算プロトコルを設計。所有者とクエリ発行者との間で相互作用が不要な安全な距離評価を実現。
• SIFTやバイナリ記述子などの画像記述子を安全にエンコードする。これにより、正当なユーザーのみが類似度を計算可能となるが、クラウドは内容を無知のままとなる。
• 計算コストを半減させるがわずかな精度損失を伴う最適化版「SouTu_bin」を導入。バイナリ特徴ベクトルを活用。
• 実際の検索パターンを隠すためにk-n oblivious transferを実装。これにより、クラウドはどの画像が検索されているかを推測できない。
• 特に大規模な画像データベース向けに、クエリのアップロードおよび結果のダウンロードの通信オーバーヘッドを低減するための圧縮技術を適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できないクラウドサーバーに写真共有および検索を安全にアウトソーシングする方法は何か？ これにより、画像の内容や検索クエリのプライバシーが保たれる。
• RQ2 ユーザー間のオンライン相互作用を回避しつつ、画像検索におけるベクトル距離評価のための効率的で非インタラクティブな安全な計算プロトコルを設計できるか？
• RQ3 プライバシー保護型画像検索は、既存の画像検索システムおよび特徴抽出手法とどの程度互換性を持つようにできるか？
• RQ4 提案されたプライバシー保護フレームワークの通信および計算オーバーヘッドは、モバイルおよびクラウドプラットフォームでどの程度のものか？

主な発見

• LFWデータセットでは、SouTuの通信コストは非プライベートシステムと比較して約6%高いが、Holidayデータセットでは効率的な圧縮により27%低い。
• 圧縮後、クエリのアップロードオーバーヘッドは、SouTuで350B、SouTu_binで90Bにまで低下。圧縮前はそれぞれ36KBおよび9KBであった。
• クラウド側のユークリッド距離計算は、実数ベクトル（SouTu）で0.18秒、バイナリベクトル（SouTu_bin）で0.018秒。ラップトップでも1分未満の応答時間が実現可能。
• 通常の写真コレクション（例：ユーザー1人あたり数百枚の顔写真）では、1回の検索リクエストがラップトップで1分未塔で処理可能。高性能なクラウドサーバーではさらに高いパフォーマンスを発揮。
• 強力なプライバシー保証を達成。クラウドおよび信頼できない第三者は、画像の内容、クエリ、検索結果のいずれの情報も入手できない。
• ユーザーに対して透明な設計。プライバシー保護は自動的であり、ユーザー行動や既存の画像検索ワークフローに変更を加える必要がない。