[发明专利]一种基于同态加密的视频安全卷积计算系统及方法

权利要求书

1.一种基于同态加密的视频安全卷积计算方法，其特征在于：所述的方法由基于同态加密的视频安全卷积计算系统实现，基于同态加密的视频安全卷积计算系统包括有终端、云服务系统；所述的终端包括有依次连接的摄像头、帧处理单元、加密算法单元、通信单元、解密算法单元；所述的云服务系统包括有中心控制系统、多个云资源池，其中云资源池内包含若干云服务器和计算及存储资源；终端通过通信单元与云服务系统进行通信；

所述的基于同态加密的视频安全卷积计算方法，具体包括以下步骤：

(一)、在本地终端中的运算过程包括以下步骤：

步骤1，摄像头采集视频数据；

步骤2，帧处理单元将视频数据加工处理成图像帧，图像帧的像素点个数为n×m，此图像记为I，图像内所有像素点的像素值之和记为M，将图像送至加密算法单元进行计算；

步骤3，单幅的图像帧由加密算法单元进行加密，加密的过程按照如下步骤进行：

步骤3.1，加密算法单元针对应用场景选取卷积算子H，为l₁行×l₂列的矩阵；

步骤3.2，加密算法单元随机生成密钥空间K，K中共有q+1个密钥，并且互素；集合K表示为：

K＝{(k₀,k₁,...,k_i,...,k_j,...,k_q)|1≤i≤j≤q,1≤k_i≤k_j≤M,GCD(k_i,k_j)＝1}，

其中q的值已经预先设定好，并且小于等于总的可用云资源池的个数；

步骤3.3，加密算法单元计算其中r是随机数，表示图像I上每一个像素点的值都与r×k₀的结果进行一次加法运算，计算后的结果再与256进行模运算；所有经过计算的像素点上的值变化了，像素点的物理位置没有改变，将此时的图像记为X，此图像像素点个数仍为n×m，称为中间图像；

步骤3.4，加密算法单元计算

表示中间图像X上每一个像素点的值与密钥k_i进行模运算，所得结果再与256进行模运算，像素点上的值变化了，像素点的物理位置没有改变，得到密文图像，记为C_i；当k₁至k_q都被计算后，得到密文图像集合C：

C＝(C₁,C₂,...,C_q)，

其中每一个C_i都是一幅密文图像，密文图像像素点个数都为n×m；

步骤4，密文图像集合C连同卷积算子H及计算要求通过通信单元发给云服务系统；

(二)、在云服务系统中的运算过程如下：

步骤5，图像处理算法按照以下步骤进行：

步骤5.1，云服务系统中的中心控制系统将密文图像集合C拆解成单幅密文图像C_i，一幅密文图像C_i与一个算子H发往一个云资源池；

步骤5.2，每一个云资源池内根据已知的图像卷积算法，数学表达式如下：

其中C_i(x,y)表示待操作的点在图像中的坐标，H(a,b)表示算子H中坐标(a,b)上的数，每一个云资源池根据发来的计算要求，带入参数C_i与H进行计算，计算得到密文结果图像G_i，此过程记为G_i＝C_i,H，表示密文结果图像G_i是由密文图像C_i与算子H经过卷积得到；所有的密文结果图像组成密文结果图像集合：

G＝(G₁,G₂,...,G_q)，

每一个密文结果图像的像素点个数为n×m；

步骤5.3，云服务系统将结果图像集合G传回终端；

(三)、终端收到密文结果图像G后的处理过程步骤如下：

步骤6，解密算法按照以下步骤进行：

步骤6.1，终端将传回的密文结果图像集合G送入解密算法单元解同余方程组：

每一个密文结果图像的像素点上的值与相应的密钥进行模运算，其结果再与256进行模运算，像素点上的值变化了，像素点的物理位置没有改变，得到中间结果图像，记为Y，其像素点个数为n×m；

步骤6.2，解密算法单元计算Y％k₀，得最终结果图像I'，这与原图像I和H算子直接卷积得到的结果相同，也就是I'＝I,H；

步骤7，输出结果图像I'。