[論文レビュー] Secured Outsourced Content Based Image Retrieval Based on Encrypted Signatures Extracted From Homomorphically Encrypted Images

Reda Bellafqira, Gouenou Coatrieux+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ユーザーとサーバー間の追加通信を要せず、同型暗号化された画像上でクラウドベースの画像検索を実行できる画期的なセキュアな外部委託型コンテンツベース画像検索（SOCBIR）方式を提案する。Paillier暗号化された画像から直接暗号化されたウェーブレットベースのグローバル署名を抽出し、暗号化データに対する新しい高速比較手法を用いることで、暗号化されていないCBIRシステムと同等の検索性能を達成するとともに、完全なデータ機密性と検索計算中のゼロ相互作用を確保する。

ABSTRACT

In this paper, we present a novel Secured Outsourced Content Based Image Retrieval solution, which allows looking for similar images stored into the cloud in a homomorphically encrypted form. Its originality is fourfold. In a first time, it extracts from a Paillier encrypted image a wavelet based global image signature. In second, this signature is extracted in an encrypted form and gives no clues about the image content. In a third time, its calculation does not require the cloud to communicate with a trusted third party as usually proposed by other existing schemes. More clearly, all computations required in order to look for similar images are conducted by the cloud only with no extra-communications. To make possible such a computation, we propose a new fast way to compare encrypted data, these ones being encrypted by the same public key or not, and using a recursive relationship in-between Paillier random values when computing the different resolution levels of the image wavelet transform. Experiments conducted in two distinct frameworks: medical image retrieval with as purpose diagnosis aid support, and face recognition for user authentication; indicate that the proposed SOCBIR does not change image retrieval performance.

研究の動機と目的

• クラウドベースの医療およびバイオメトリクス応用におけるプライバシー保護型画像検索の増大するニーズに対応すること。
• 暗号化データベースにおける画像検索時に、信頼できる第三者やインタラクティブな通信を排除すること。
• 同型暗号化された画像から直接、画像署名の安全な抽出と比較を可能にすること。
• データおよび署名の完全な暗号化にもかかわらず、暗号化されていないCBIRシステムと同等の検索精度を維持すること。
• クライアントとサーバー間の往復通信を排除することで、セキュアな画像検索における通信オーバーヘッドを低減すること。

提案手法

• ウェーブレット分解レベル間のPaillier乱数値の再帰的関係を用いて、Paillier暗号化された画像からウェーブレットベースのグローバル画像署名を抽出する。
• 異なる公開鍵で暗号化されたデータに対しても適用可能な、Paillier暗号化データ向けの新しい高速比較技術を導入し、暗号化領域内での安全なヒストグラム比較を可能にする。
• プライバシーを保持しながらも精度を維持するため、ノイズを含むヒストグラム手順を用いてウェーブレット係数の暗号化ヒストグラムを構築する。
• 署名抽出および類似度比較のすべての計算が、復号化やクライアント・サーバー間の相互作用を必要とせず、すべてクラウドサーバー上で暗号化データに対して実行される。
• Paillier暗号方式の同型性を活用して、暗号化係数上で算術演算を実行し、復号時に正しさが保証されることを確保する。
• 暗号化署名が元の画像コンテンツに関するいかなる情報も漏洩しないことを保証し、機密性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーまたは信頼できる第三者との相互作用なしに、クラウドが暗号化された画像上で類似度検索を実行できるセキュアな画像検索システムを構築可能か？
• RQ2 同型暗号化された画像から直接、グローバル画像署名を抽出・比較可能であり、かつ検索精度を保持できるか？
• RQ3 提案されたSOCBIR方式のパフォーランスは、未暗号化データ上で動作する従来のCBIRシステムと比べてどのように異なるか？
• RQ4 ウェーブレット分解レベルとヒストグラム量子化ステップの影響は、暗号化領域における検索精度にどのような影響を及えるか？
• RQ5 Paillier暗号化データ向けの高速かつ安全な比較メカニズムを設計し、効率的なヒストグラムベース類似度計算を支援できるか？

主な発見

• 提案されたSOCBIR方式は、医療および顔認識データセットの両方において、クリアテキスト領域の同等のCBIRシステムと同等の平均精度（5件あたり90％以上）を達成した。
• ウェーブレット分解レベル（d = 0, 1, 2）および量子化ステップ値（Δ ∈ [1, 2, 4, 8, 16, 32, 64]）の変更に対しても、精度の著しい低下がなく、Δ = 64であっても安定した性能を示した。
• この方式は、クリアドメインシステムと同等の性能を維持できる。これは、ハールウェーブレット変換のフィルタ係数が暗号化領域に正確に保持されているため、係数拡張に起因する精度損失がないことを意味する。
• 初期の暗号化画像アップロード後、画像署名抽出および比較の完全な計算がクラウド上で実行され、通信オーバーヘッドがゼロとなる。
• 暗号化署名が元の画像コンテンツに関するいかなる情報も漏洩しないため、プライバシー漏洩に対して安全である。
• 強力なプライバシーおよびパフォーランスの保証にもかかわらず、1024ビット鍵を用いる場合にギガビット単位の暗号化データ転送が必要であり、帯域幅が削減されるまでは実用的導入が制限される。