论文信息

论文标题：TPE-DNA: Approximate thumbnail preserving encryption based on difference expansion and DNA encoding
作者：Dong Huming, Hanwen Wang, Guangxiang Ji, Chang Cheng, Xiaoqing Song, Lisheng Wei, Chuanzhao Zhang, Chao Han, Xin Zhou
期刊：Journal of Information Security and Applications
卷号：Vol. 89
日期：December 2024
DOI：10.1016/j.jisa.2024.103938

这篇论文由来自安徽工业大学电气工程学院的Dongming Huo、Hanwen Wang、Guangxiang Ji、Chang Cheng、Xiaoqing Song、Lisheng Wei，长江大学物理与光电工程学院的Chuanzhao Zhang，以及四川大学光电科学与技术系的Xin Zhou共同撰写。他们通过创新性的研究，提出了一种基于差分扩展和DNA编码的近似缩略图保护加密（TPE-DNA）方案，旨在解决云存储中图像隐私保护与可用性之间的平衡问题。

研究背景与动机

随着数字技术的普及，图像已成为信息传递的重要载体。然而，当用户将图像上传到云端时，隐私问题变得尤为突出。传统的加密方法虽然能够保护图像内容，但加密后的图像无法直接浏览和管理，极大地降低了云服务的可用性。为了平衡隐私保护和用户体验，缩略图保护加密（Thumbnail Preserving Encryption, TPE）技术应运而生。TPE技术的目标是在加密图像的同时保留其缩略图的特征，以便用户能够快速识别和管理图像，而无需解密整个图像。

然而，现有的TPE方法在安全性上存在不足。例如，一些方法容易泄露额外信息，且无法完美重建原始图像。此外，现有的TPE方案在加密和解密过程中往往需要在隐私保护和图像可用性之间做出权衡。为了解决这些问题，提出了一种新的近似TPE方案，旨在通过差分扩展和DNA编码技术实现更高的安全性，同时保留图像的可用性。

研究方法与创新

论文的核心方法是将差分扩展（Difference Expansion, DE）与DNA编码相结合，设计了一种近似缩略图保护加密（TPE-DNA）方案。该方案通过以下步骤实现：

1. 图像预处理：将图像分解为RGB通道，并将每个通道的像素块分为调整区域和嵌入区域。

2. 信息嵌入：利用差分扩展技术将部分像素信息嵌入到嵌入区域，生成预加密图像。这一过程通过巧妙地利用像素之间的关系，确保信息嵌入后图像的总像素值保持不变，从而保留缩略图的特征。

3. DNA加密：通过分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map, PWLCM）生成DNA编码规则和操作规则，对预加密图像进行DNA加密。这一过程将图像数据转换为类似于噪声的随机序列，极大地提高了安全性。

4. 像素调整：通过调整像素值，使加密后的图像块的像素和接近原始图像块，从而实现近似缩略图保护。

与现有方法相比，TPE-DNA方案的创新之处在于：

• 完美重建能力：通过差分扩展技术，该方案能够在解密过程中完美重建原始图像，解决了现有TPE方法无法完全恢复图像的问题。

• 高安全性：DNA编码和混沌映射的结合显著提高了加密图像的随机性，使得攻击者难以通过统计分析破解图像内容。

• 信息泄露限制：该方案确保加密图像仅泄露缩略图级别的信息，而不暴露更多细节，从而在隐私保护和图像可用性之间取得了良好的平衡。

实验与结果

为了验证TPE-DNA方案的有效性，作者进行了广泛的实验。实验结果表明，该方案在不同块大小下均能有效保护图像隐私，同时保留足够的缩略图信息以供用户识别。

以下是实验的关键结果：

1. 缩略图质量评估：

   • 使用峰值信噪比（PSNR）和相关系数（CC）评估加密图像的缩略图质量。结果显示，即使在较大的块大小下，加密图像的缩略图仍能保持较高的视觉相似性。例如，在8×8块大小下，PSNR约为20 dB，CC约为0.90；而在64×64块大小下，PSNR约为13 dB，CC约为0.70。

   • 这表明，尽管随着块大小的增加，缩略图的视觉质量有所下降，但仍然能够提供足够的信息供用户识别。

2. 信息熵分析：

   • 信息熵用于评估图像的随机性。实验结果表明，加密图像的信息熵接近8，表明其像素分布非常均匀，难以通过统计分析破解。

3. 结构相似性分析：

   • 使用均方根误差（MSE）和结构相似性指数（SSIM）评估加密和解密图像的质量。结果显示，解密图像与原始图像在视觉上几乎无法区分，SSIM值为1，表明解密图像与原始图像完全一致。

4. 抗攻击能力：

   • 通过差分攻击实验，验证了该方案对单像素变化的敏感性。实验结果表明，单像素的变化会导致加密图像中约99.5%的像素值发生变化，平均变化强度为11.3%。这表明该方案对差分攻击具有很强的抵抗力。

这些实验结果不仅验证了TPE-DNA方案的理论可行性，还展示了其在实际应用中的潜力，尤其是在需要保护隐私的云存储场景中。

贡献与展望

TPE-DNA方案的主要贡献在于它为云存储中的图像隐私保护提供了一种新的解决方案。通过结合差分扩展和DNA编码技术，该方案不仅能够有效保护图像隐私，还能在不解密的情况下保留图像的缩略图特征，从而提高了云服务的可用性。此外，该方案还具有强大的抗攻击能力，能够抵御常见的统计分析和差分攻击。

然而，该研究也存在一些局限性。例如，DNA编码和差分扩展的结合虽然提高了安全性，但也增加了计算复杂度。未来的研究可以探索更高效的加密算法，以降低计算成本，同时进一步优化缩略图的视觉质量。此外，随着人工智能和机器学习技术的发展，如何将这些技术与TPE-DNA方案相结合，以提高图像加密的智能化水平，也是一个值得探索的方向。

总之，随着技术的不断进步，我们有理由相信，TPE-DNA方案将在未来的图像安全领域发挥重要作用，为用户提供更加安全、便捷的云服务体验。