[论文解读] Bitstream-Based JPEG Image Encryption with File-Size Preserving

Hiroyuki Kobayashi, Hitoshi Kiya|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于比特流的JPEG加密方案，通过仅选择性地加密Huffman编码系数的附加位，同时通过仔细处理字节填充以避免更改标记码，从而保持原始文件大小。该方法确保了原始图像与加密图像之间的文件大小完全一致，适用于依赖固定大小图像传输的系统，如云存储或网络钩子机制。

ABSTRACT

An encryption scheme of JPEG images in the bitstream domain is proposed. The proposed scheme preserves the JPEG format even after encrypting the images, and the file size of encrypted images is the exact same as that of the original JPEG images. Several methods for encrypting JPEG images in the bitstream domain have been proposed. However, since some marker codes are generated or lost in the encryption process, the file size of JPEG bitstreams is generally changed due to the encryption operations. The proposed method inputs JPEG bitstreams and selectively encrypts the additional bit components of the Huffman code in the bitstreams. This feature allows us to have encrypted images with the same data size as that recoded in the image transmission process, when JPEG images are replaced with the encrypted ones by the hooking, so that the image transmission are successfully carried out after the hooking.

研究动机与目标

• 解决现有基于比特流的JPEG加密方法中因生成或丢失标记码而导致的文件大小变化问题。
• 在不改变文件大小的前提下，实现在比特流域对JPEG图像的安全加密，确保与现有传输和存储系统的兼容性。
• 通过分析熵编码数据中的字节填充行为，开发一种机制，防止加密过程中意外出现或遗漏标记码。
• 允许通过钩子机制实现安全图像传输，其中加密图像必须与原始图像保持相同大小。
• 在保持JPEG格式完整性和解码兼容性的同时，实现对附加位的高覆盖率加密。

提出的方法

• 该方法处理JPEG比特流，识别属于Huffman码或附加位的字节，并分析其位模式以确定加密的可行性。
• 排除对完全为Huffman码（全为'1'）的字节、完全为附加位的字节、'FF'后紧跟'00'的字节，或Huffman码全为'1'的字节进行加密，因为这些情况可能触发或破坏字节填充。
• 仅对Huffman码不全为'1'且字节不是'FF'后紧跟'00'的附加位进行加密，从而避免与标记码冲突。
• 该方法利用JPEG熵编码数据的结构及字节填充规则，确保加密过程中不会意外生成新的标记码。
• 通过将加密限制在比特流中特定且安全的区域，该方法保持了与原始JPEG图像完全相同的文件大小。
• 该方案设计为与标准JPEG解码器兼容，无需更改压缩或解压缩管道。

实验结果

研究问题

• RQ1 在比特流域中对JPEG图像进行加密，是否能精确保持原始文件大小，即使在加密后？
• RQ2 如何在不因字节填充效应而引入或删除JPEG标记码的情况下进行加密？
• RQ3 JPEG比特流的哪些特定部分可以安全地进行加密，而不会改变文件大小或破坏格式？
• RQ4 在保持文件大小一致性的同时，Huffman编码系数中的附加位能被加密到何种程度？
• RQ5 该方法是否能在需要固定大小图像传输的系统中有效应用，如云存储或网络钩子？

主要发现

• 所提出的方法实现了精确的文件大小保留：在所有测试的量化因子（50、80、95）下，加密后的JPEG图像与原始图像文件大小完全相同。
• 在Q=50的Lena图像中，DC和AC分量中98.6%的附加位成功被加密，仅197字节被排除在加密之外。
• 在Q=95时，仅DC分量情况下93.8%的附加位被加密，DC和AC分量均加密时达到97.2%，即使在高量化水平下也表现出高加密覆盖率。
• 与先前方法（如Cheng [17]和EtC [1]）相比，所提方法实现了零文件大小差异（0字节变化），而其他方法则引入了+2至+1714字节的改变。
• 通过避免在关键字节填充边界条件下进行加密，该方法成功防止了意外的标记码生成，确保了格式兼容性。
• 加密后的图像仍可被标准JPEG解码器正确解码，视觉质量退化与预期安全级别一致，当仅DC分量被加密时，可见信息泄露极少。