[發(fā)明專利]一種基于對抗神經(jīng)密碼學(xué)和SHA控制混沌的圖像加密方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011155339.0
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112417467B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱喜順;夏未霞;祝蓋林;吳建華
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類號: G06F21/60
• 分類號: G06F21/60;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 南昌青遠(yuǎn)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 36123
• 代理人: 唐棉棉

1.一種基于對抗神經(jīng)密碼學(xué)和SHA控制混沌的圖像加密方法，其特征在于，加密方法包括以下步驟：

S1.利用Pytorch深度學(xué)習(xí)框架在GAN生成對抗網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上編寫代碼構(gòu)建ANC網(wǎng)絡(luò)模型，其中包括由Alice、Bob組成的生成器網(wǎng)絡(luò)及Eve判別網(wǎng)絡(luò)；

其中Alice和Bob共享密鑰，密鑰的構(gòu)成如下：

Logistic映射是一種常見的經(jīng)典混沌動力學(xué)系統(tǒng)，用于生成具有穩(wěn)定特征的混沌序列，其描述為

（1）

式中是第個元素的值，是初始值并且是控制參數(shù)，如果，則系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)；

同樣，logistic-sine映射由logistic映射和sine映射組成，表示為：

（2）

式中是控制參數(shù)；

其中密鑰分別由參數(shù),和SHA-256的哈希值組成，密鑰等于公式(1)中的初始值，密鑰等于公式(2)中的初始值，SHA-256的哈希值與原始圖像的像素有關(guān)，在加密過程和解密過程中使用的所有參數(shù)和密鑰都是相同的；

S2.隨機(jī)生成長度為16位，由–1和1組成的比特串，分批次送入ANC網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置Batch_size=256，選擇使用L1范數(shù)作為損失函數(shù)；

S3.對該網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，不斷迭代更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，當(dāng)?shù)妮敵鲋到咏?且的輸出值接近0.5時停止訓(xùn)練，完成模型訓(xùn)練時保存對應(yīng)輸出值的網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)；

S4.讀取已保存的網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，使用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型對圖像進(jìn)行加密或解密；

具體加密過程如下：

由logistic-sine映射在兩個控制參數(shù)β和μ控制下，生成長度為N²的偽隨機(jī)序列h={h₁,h₂,...,h _N²}；然后將序列h重新排列為大小為N×N的矩陣H(x,y)；

由logistic映射在兩個控制參數(shù)α和μ控制下，生成長度為N²的偽隨機(jī)序列g(shù)={g₁,g₂,...,g _N²}；然后將序列g(shù)重新排列為大小為N×N的矩陣 G(x,y)；

將原始圖像P輸入到ANC網(wǎng)絡(luò)模型的Alice網(wǎng)絡(luò)中，并將矩陣H(x,y)用作Alice網(wǎng)絡(luò)的控制參數(shù)，然后在Alice網(wǎng)絡(luò)中對圖像進(jìn)行加密，以獲得大小為N×N的類噪聲的中間圖像L；然后，將矩陣G(x,y)用作掩蔽矩陣，以對中間圖像L進(jìn)行按位異或操作；最后獲得最終的加密圖像C。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于對抗神經(jīng)密碼學(xué)和SHA控制混沌的圖像加密方法，其特征在于，步驟S4中所述對圖像進(jìn)行加密或解密，解密過程具體如下：

由接收到的密碼圖像C與矩陣一起輸入到ANC網(wǎng)絡(luò)模型中的Bob網(wǎng)絡(luò)中，該矩陣的生成方式與加密過程相同，并且用作Bob網(wǎng)絡(luò)的控制參數(shù)；然后，在利用Bob網(wǎng)絡(luò)對圖像C進(jìn)行解密之后，獲得中間圖像M；隨后，矩陣也采用與加密方法中相同的方式產(chǎn)生，并用作掩蔽矩陣以對中間圖像M進(jìn)行按位異或操作；最后獲得解密后的最終圖像P。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于對抗神經(jīng)密碼學(xué)和SHA控制混沌的圖像加密方法，其特征在于，在ANC網(wǎng)絡(luò)模型的系統(tǒng)框架中，由Alice和Bob神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)作為GAN中的生成器，Eve神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為GAN中的判別器；加密過程主要通過Alice網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行，解密過程主要通過Bob網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行，而Eve神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有密鑰就無法完成解密任務(wù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于對抗神經(jīng)密碼學(xué)和SHA控制混沌的圖像加密方法，其特征在于，Alice網(wǎng)絡(luò)與Bob網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，第一層為全連接層fully-connected,FC，其中輸出的數(shù)量等于輸入的數(shù)量，全連接層后是四個一維卷積層，并在前三個卷積層后面使用了Sigmoid激活函數(shù)，在最后一個卷積層后面使用了Tanh激活函數(shù)，使得Alice網(wǎng)絡(luò)與Bob網(wǎng)絡(luò)的輸出取值始終位于(–1,1)之間。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于對抗神經(jīng)密碼學(xué)和SHA控制混沌的圖像加密方法，其特征在于，密鑰和的密鑰空間都達(dá)到了，哈希值的密鑰空間達(dá)到了，故總的密鑰空間至少為，即大于；密鑰空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2¹²⁰，能夠抵御窮盡攻擊。