CN113472967A - 图像数据安全传输的方法、装置、处理设备、存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种图像数据安全传输的方法、装置、处理设备及计算机可读存储介质，所述方法包括以下步骤：S01.对原图片进行修改，以生成对抗样本图片；S02.比较原图片和对抗样本图片，以生成差异数据；S03.分别对对抗样本图片和差异数据加密，并单独传输；S04.在接收到加密后的对抗样本图片和差异数据后，分别对对抗样本图片和差异数据进行解密；S05.根据解密后的差异数据，对解密后的对抗样本图片进行还原。本发明采用对对抗样本图片数据和差异数据分别加密和传输，提高了窃取者正确还原原图片的难度和成本。

Description

图像数据安全传输的方法、装置、处理设备、存储介质
技术领域
本发明涉及计算机数据安全，具体来说是一种使用对抗样本实现图像数据安全传输的方法、装置、处理设备、存储介质。
背景技术
在互联网/移动互联网应用中，存在大量图像传输的需求，例如身份验证中所用的人像照片、身份证照片等，这些牵涉个人隐私的图像数据在传输过程中存在被拦截、窃取的巨大风险。窃取者可以使用窃取数据进行违法犯罪活动，例如使用人像照片欺瞒人脸识别系统、使用身份证照片上的信息伪造身份证等。
目前，一般使用具有密钥的图像加密算法解决图像安全传输问题。图像使用加密密钥加密后进行传输，在接收端使用解密密钥进行解密，还原为原图像。
上述的图像加密算法的安全性建立在解密密钥的安全性基础上，如图像加密算法类型和解密密钥被泄露、窃取或推算，则图像传输依然没有安全保障。根本问题在于现有的安全保障机制并未对每一次传输的图像数据进行个例处理，不变的加密机制容易被窃取者掌握。
如申请号为202110255602.1公开的一种虚拟印章防伪造方法、系统、印章及存储介质，该方法根据提供的时间或者系统时间作为参数进行图片坐标像素加密，返回加密印章图片，同时对加密图片进行哈希，此图片具有唯一性，每次获取的印章图片均不相同，从而保证印章图片原件不被复制，用户获取的印章图片不会与其他用户的印章图片重复，使用过的印章图片被盗用时，能够被正确识别。该方法采用对虚拟印章进行加密并进行哈希，以达到原图片不被复制的目的。该方法在一定程度上能够保证原图片不被识别复制，尤其是根据虚拟印章提供的时间或系统时间作为参数进行图片坐标像素加密，加密方法复杂，对于普通图片不适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于利用现有的加密技术，提供一种安全有效的图像数据安全传输方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种图像数据安全传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01.对原图片进行修改，以生成对抗样本图片；
S02.比较原图片和对抗样本图片，以生成差异数据；
S03.分别对对抗样本图片和差异数据加密，并单独传输；
S04.在接收到加密后的对抗样本图片和差异数据后，分别对对抗样本图片和差异数据进行解密；
S05.根据解密后的差异数据，对解密后的对抗样本图片进行还原。
本发明采用对对抗样本图片数据和差异数据分别加密和传输，提高了窃取者正确还原原图片的难度和成本。
进一步的，所述步骤S02具体为：对原图片和对抗样本图片进行异或位运算，以生成所述差异数据。
进一步的，所述步骤S03具体为：分别使用不同的加密算法对对抗样本图片和差异数据进行加密。
与上述方法对应的，本发明还提供一种图像数据安全传输的装置，包括：
对抗样本生成模块：对原图片进行修改，以生成对抗样本图片；
差异数据生成模块：比较原图片和对抗样本图片，以生成差异数据；
加密模块：分别对对抗样本图片和差异数据加密，并单独传输；
解密模块：在接收到加密后的对抗样本图片和差异数据后，分别对对抗样本图片和差异数据进行解密；
原图片还原模块：根据解密后的差异数据，对解密后的对抗样本图片进行还原。
进一步的，所述差异数据生成模块具体为：对原图片和对抗样本图片进行异或位运算，以生成所述差异数据。
进一步的，所述加密模块具体为：分别使用不同的加密算法对对抗样本图片和差异数据进行加密。
本发明还提供一种处理设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述的方法。
本发明的优点在于：
本发明采用对对抗样本图片数据和差异数据分别加密和传输，提高了窃取者正确还原原图片的难度和成本。
尤其是，采用不同方法对对抗样本图片数据和差异数据进行加密，以及采用不同传输通道传输，进一步提高了数据还原的难度。
本发明在正常用户使用人眼识别的场景下，对抗样本图片无需还原即可使用。
附图说明
图1为本发明实施例中一种使用对抗样本实现图像数据安全传输的方法的流程框图；
图2为本发明实施例中一种使用对抗样本实现图像数据安全传输的装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参看图1的步骤图，本实施例公开的一种图像数据安全传输的方法，包括如下步骤：
步骤1，发送方使用对抗样本技术对原图片进行修改，生成对抗样本图片；
对抗样本技术是针对图像识别等深度神经网络模型进行攻击的新型技术，在图像识别领域，该技术实现的效果是对原图片仅进行轻微的修改、人眼仍能正确识别图片的同时，图像识别模型却会输出错误的识别结果。
以人脸识别应用为例，本发明利用了对抗样本技术这一特性，传输的人像数据保证了人眼观察场景下的正确识别，但在使用人脸识别模型进行批量图片识别场景下，将会输出错误的识别结果，从而杜绝窃取者大批量窃取个人隐私数据的可能。
步骤2，发送方比较原图片和对抗样本图片，生成差异数据；
为保证接收方能将对抗样本图片准确还原为原图片，还需要传输原图片和对抗样本图片的差异数据。
图片数据存储的是图片每个像素点的像素值。WHC格式的图片数据表示为(W,H,C)， W是图片的宽，代表图片横向有W个像素点；H是图片的高，代表图片纵向有H个像素点，即图片尺寸为W×H；C是图片的通道数，灰度图片通道数为1，每个像素点的像素值一般由8bit表示，值域为0-255，代表灰度深浅，黑色为0，白色为255；彩色图片通道数为3，每个像素点的像素值一般由3×8bit表示，分别为红、绿、蓝(RGB格式， BGR格式为蓝、绿、红)三个通道的值，值域也为0-255，代表红、绿、蓝颜色深浅。因此，图片可以W×H×C×8bit的二进制形式存储。
以MNIST数据集为例，WHC格式的数据为(28,28,1)，每张图片由28×28个像素点组成，对抗样本是对其中k(0<k≤28×28)个像素点的像素值进行修改。以单像素攻击算法(One Pixel Attack，仅修改一个像素点的值)为例，假设将Pi,j像素点(坐标(i， j)，i为像素点行号，j为像素点列号)的像素值从58改为34，即对28×28×1×8bit 数据中对应Pi,j的8bit数据段进行修改，即00111010改为00100010。修改前后的差异数据为00011000，即对00111010和00100010两个数据段进行异或位运算。同理，对于整张图片而言，差异数据也可以通过修改前后的28×28×1×8bit数据之间进行异或位运算得到。
步骤3，发送方对对抗样本图片和差异数据使用不同加密算法进行加密并单独传输；
图像加密技术是利用数字图像的特性设计、提高加密安全性和使用效率的技术。本处所指图像加密算法包括且不限于离散混沌加密等技术，技术细节不再赘述。
一方面，对抗样本图片仅是对原图片若干个像素点(对于单像素攻击算法仅为1个像素点)的像素值进行修改，被窃取后人眼无法识别真伪，但在模型批量识别场景下会输出错误的识别结果，可以成功“欺瞒”使用识别模型的窃取者。
另一方面，对抗样本图片和差异数据分别加密和传输，提高了窃取者正确还原原图片的难度和成本。窃取者需要掌握两套加密算法和密钥并成功拦截所有数据，方可实现正确还原。
步骤4，接收方根据与发送方约定的两套加密算法和密钥，对数据分别解密；
接收方对接收到的对抗样本图片和差异数据，使用各自解密密钥分别解密。技术细节包含在步骤3中所述图像加密技术中，不再赘述。
步骤5，接收方使用解密后的差异数据，对解密后的对抗样本图片进行还原；
接收方在图片差异数据中找出所有值为1的位置，对对抗样本图片数据相应位置的值做取反的位运算，即可还原出原图片数据。
同以步骤2的MNIST数据集和单像素攻击算法为例。解密后，接收方得到28×28 ×1×8bit的对抗样本图片数据和28×28×1×8bit的图片差异数据，对抗样本图片数据中对应Pi,j的8bit数据段为00100010，图片差异数据中对应Pi,j的8bit数据段为 00011000。图片差异数据中值为1位置即第4、5位，对对抗样本图片数据第4、5位的值取反，得到00111010，即为原图片中对应Pi,j的8bit数据段。
与上述方法对应的，参看图2，本实施例还公开一种图像数据安全传输的装置，包括：
对抗样本生成模块：发送方使用对抗样本技术对原图片进行修改，生成对抗样本图片；
对抗样本技术是针对图像识别等深度神经网络模型进行攻击的新型技术，在图像识别领域，该技术实现的效果是对原图片仅进行轻微的修改、人眼仍能正确识别图片的同时，图像识别模型却会输出错误的识别结果。
以人脸识别应用为例，本发明利用了对抗样本技术这一特性，传输的人像数据保证了人眼观察场景下的正确识别，但在使用人脸识别模型进行批量图片识别场景下，将会输出错误的识别结果，从而杜绝窃取者大批量窃取个人隐私数据的可能。
差异数据生成模块：发送方比较原图片和对抗样本图片，生成差异数据；
为保证接收方能将对抗样本图片准确还原为原图片，还需要传输原图片和对抗样本图片的差异数据。
图片数据存储的是图片每个像素点的像素值。WHC格式的图片数据表示为(W,H,C)， W是图片的宽，代表图片横向有W个像素点；H是图片的高，代表图片纵向有H个像素点，即图片尺寸为W×H；C是图片的通道数，灰度图片通道数为1，每个像素点的像素值一般由8bit表示，值域为0-255，代表灰度深浅，黑色为0，白色为255；彩色图片通道数为3，每个像素点的像素值一般由3×8bit表示，分别为红、绿、蓝(RGB格式， BGR格式为蓝、绿、红)三个通道的值，值域也为0-255，代表红、绿、蓝颜色深浅。因此，图片可以W×H×C×8bit的二进制形式存储。
以MNIST数据集为例，WHC格式的数据为(28,28,1)，每张图片由28×28个像素点组成，对抗样本是对其中k(0<k≤28×28)个像素点的像素值进行修改。以单像素攻击算法(One Pixel Attack，仅修改一个像素点的值)为例，假设将Pi,j像素点(坐标(i， j)，i为像素点行号，j为像素点列号)的像素值从58改为34，即对28×28×1×8bit 数据中对应Pi,j的8bit数据段进行修改，即00111010改为00100010。修改前后的差异数据为00011000，即对00111010和00100010两个数据段进行异或位运算。同理，对于整张图片而言，差异数据也可以通过修改前后的28×28×1×8bit数据之间进行异或位运算得到。
加密模块：发送方对对抗样本图片和差异数据使用不同加密算法进行加密；
传输模块：分别将加密后的对抗样本图片和差差异数据进行单独传输；
图像加密技术是利用数字图像的特性设计、提高加密安全性和使用效率的技术。本处所指图像加密算法包括且不限于离散混沌加密等技术，技术细节不再赘述。
一方面，对抗样本图片仅是对原图片若干个像素点(对于单像素攻击算法仅为1个像素点)的像素值进行修改，被窃取后人眼无法识别真伪，但在模型批量识别场景下会输出错误的识别结果，可以成功“欺瞒”使用识别模型的窃取者。
另一方面，对抗样本图片和差异数据分别加密和传输，提高了窃取者正确还原原图片的难度和成本。窃取者需要掌握两套加密算法和密钥并成功拦截所有数据，方可实现正确还原。
解密模块：接收方根据与发送方约定的两套加密算法和密钥，对数据分别解密；
接收方对接收到的对抗样本图片和差异数据，使用各自解密密钥分别解密。技术细节包含在步骤3中所述图像加密技术中，不再赘述。
原图片还原模块：接收方使用解密后的差异数据，对解密后的对抗样本图片进行还原；
接收方在图片差异数据中找出所有值为1的位置，对对抗样本图片数据相应位置的值做取反的位运算，即可还原出原图片数据。
同以步骤2的MNIST数据集和单像素攻击算法为例。解密后，接收方得到28×28 ×1×8bit的对抗样本图片数据和28×28×1×8bit的图片差异数据，对抗样本图片数据中对应Pi,j的8bit数据段为00100010，图片差异数据中对应Pi,j的8bit数据段为 00011000。图片差异数据中值为1位置即第4、5位，对对抗样本图片数据第4、5位的值取反，得到00111010，即为原图片中对应Pi,j的8bit数据段。
本实施例还提供一种处理设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述的方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种图像数据安全传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01.对原图片进行修改，以生成对抗样本图片；
S02.比较原图片和对抗样本图片，以生成差异数据；
S03.分别对对抗样本图片和差异数据加密，并单独传输；
S04.在接收到加密后的对抗样本图片和差异数据后，分别对对抗样本图片和差异数据进行解密；
S05.根据解密后的差异数据，对解密后的对抗样本图片进行还原。
2.根据权利要求1所述的图像数据安全传输的方法，其特征在于，所述步骤S02具体为：对原图片和对抗样本图片进行异或位运算，以生成所述差异数据。
3.根据权利要求1所述的图像数据安全传输的方法，其特征在于，所述步骤S03具体为：分别使用不同的加密算法对对抗样本图片和差异数据进行加密。
4.一种图像数据安全传输的装置，其特征在于，包括：
对抗样本生成模块：对原图片进行修改，以生成对抗样本图片；
差异数据生成模块：比较原图片和对抗样本图片，以生成差异数据；
加密模块：分别对对抗样本图片和差异数据加密；
传输模块：分别对加密后的对抗样本图片和差异数据单独传输；
解密模块：在接收到加密后的对抗样本图片和差异数据后，分别对对抗样本图片和差异数据进行解密；
原图片还原模块：根据解密后的差异数据，对解密后的对抗样本图片进行还原。
5.根据权利要求4所述的图像数据安全传输的装置，其特征在于，所述差异数据生成模块具体为：对原图片和对抗样本图片进行异或位运算，以生成所述差异数据。
6.根据权利要求4所述的图像数据安全传输的装置，其特征在于，所述加密模块具体为：分别使用不同的加密算法对对抗样本图片和差异数据进行加密。
7.一种处理设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至3任一所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至3任一所述的方法。
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