一種用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術仿真

李艷群　常征

摘 要： 為了提高敏感圖像的加密速度，保證敏感圖像的安全傳輸，提出一種用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術。給出敏感圖像快速加密的原理圖，介紹圖像注入技術的結構，邏輯控制層通過從TCP層接收到的接收端反饋信息對當前的網絡流量情況進行分析，通過調整UDP數據包的打包大小與注入時間，使UDP層能夠安全、快速地注入加密敏感圖像包。詳細分析了網絡流量的控制過程。在進行仿真實驗時，對一幅涉及軍事的敏感圖像進行加密，依次進行丟包率分析實驗和注入圖像質量分析實驗。實驗結果表明，該文方法丟包率低于雙正交變換方法，采用該文方法進行圖像注入得到的結果具有較高的可靠性；該文方法的像素相關系數和加密耗時均優于雙正交變換法，灰度直方圖和原圖灰度直方圖基本相同，注入圖像質量更佳。

關鍵詞： 敏感圖像； 快速加密； 圖像注入技術； 網絡流量

中圖分類號： TN911.73?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0088?04

Simulation of an image injection technology for sensitive image fast encryption

LI Yanqun， CHANG Zheng

（Department of Communication Technology， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China）

Abstract： In order to improve the sensitive image encryption speed， and ensure the secure transmission of the sensitive image， an image injection technology used for sensitive image fast encryption is put forward. The principle diagram of the sensitive image fast encryption is given. The structure of the image injection technology is introduced. The logic control layer can analyze the current network traffic situation by means of the receiving end feedback information received by the TCP layer. The adjustment of packaging size and injection duration of UDP data packets can make the UDP layer inject the encryption sensitive image package safely and quickly. The control process of the network traffic is analyzed in detail. In simulation experiment， a sensitive image involving military was encrypted， and the analysis experiments of packet loss rate and injection image quality were performed successively. The analysis conclusion are as follows： the packet loss rate of this method is lower than that of the biorthogonal transform method， and the image injection result got by this method has higher reliability； the pixel correlation coefficient and encryption time consumption of the method are better than those of the biorthogonal transform method； the gray histogram and original image gray histogram are basically the same， and the image injection quality is better.

Keywords： sensitive image； fast encryption； image injection technology； network traffic

0 引 言

隨著網絡通信和信息交換的日趨頻繁，怎樣保護用戶信息，尤其是國家重要部門的敏感信息在傳輸、存儲和使用過程中不被非法者盜取，成為亟需解決的問題[1]。因此，研究用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術非常有意義，為保障敏感圖像的安全傳輸提供重要技術支持[2?3]，已經變成有關學者探討的重要話題，受到越來越普遍的關注[4]。

現在，相關圖像注入的研究有很多，相關研究也取得了一定的成果。文獻[5]將人眼感興趣區視覺特性與漸進傳輸結合在一起，提出一種基于感興趣區漸進的圖像注入技術。該技術依據小波編碼的特點，利用碼流結構，在進行圖像注入時先漸進注入圖像中的感興趣區，然后注入圖像背景區，該方法保證了感興趣區的優先注入，但注入圖像所需的時間較長。文獻[6]設計了一種圖像注入系統，介紹了圖像傳輸、時序控制的實現過程，該系統基本能夠達到圖像注入速度的要求；但該系統不穩定，無法為不同平臺提供真實的圖像，適應性不高。文獻[7]提出一種復雜度相對較低的雙正交變換圖像注入技術，該技術首先對圖像進行壓縮，在此基礎上通過零樹編碼完成圖像注入，提高了圖像質量，但該方法所耗費的網絡能耗較高，而且實現過程過于復雜。本文提出一種用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術。給出敏感圖像快速加密的原理圖，介紹了圖像注入技術的結構，詳細分析了網絡流量的控制過程。在進行仿真實驗時，對一幅涉及軍事的敏感圖像進行加密，依次進行了丟包率分析實驗和注入圖像質量分析實驗，給出分析結論。

1 一種用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術

1.1 敏感圖像快速加密原理

圖像類信息數據量大，同時臨界數據間的相關性較高，對其加密具有更高的要求，為了快速實現敏感圖像的加密，本節引入圖像注入技術，將發送端信息直接傳輸至接收端。敏感圖像快速加密的原理圖如圖1所示。

1.2 圖像注入技術分析

1.2.1 加密敏感圖形注入技術設計

為了安全快速地實現加密敏感圖像的注入，本節提出一種TCP和UDP協議結合使用的圖像注入技術。如圖2所示，圖像注入技術構造區分為以下三層：頂層是邏輯控制層，其重要用在完成加密敏感圖像的分包重組、流量管制和丟包恢復，該層是圖像注入技術的重點；中間層是前向圖像注入層，主要負責控制輸送端向接收端輸送大量的圖像數據，該層主要根據UDP協議實現，以保障數據包的快速傳輸；底層是后向形狀信息輸送層，主要負責管理接收端向發送端反饋狀態信息，這層根據TCP協議達成，以保障狀態信息可靠、準確的傳輸。邏輯控制層經過從TCP層接收到的接收端反饋信息對目前的網絡流量狀況進行解析，通過調整UDP數據包的打包大小與注入時間，使UDP層可以安全、快速地注入加密敏感圖像包。根據上述進程，經過三層之間有機協作就能實現加密敏感圖像的注入。

1.2.2 圖像注入過程中的網絡流量控制

通過1.2.1節分析的過程可知，邏輯控制層對網絡流量的控制情況對加密敏感圖像的注入起到了至關重要的作用。因此，本節重點對網絡流量的控制進行分析。加密敏感圖像注入過程中的流量控制是通過發送端與接收端共同實現的，下面給出流量控制協議的數學模型。

流量控制把網絡劃分為以下三個情況分別進行治理：

（1） 網絡狀況差。發送端不能接收來自接收端的反饋信息，說明當前網絡無法進行圖像注入，停止注入加密敏感圖像。

（2） 網絡狀況好。這時圖像注入速度就可以達到設置的網絡可靠帶寬，無需對網絡流量實行調節管理，維持注入速度，直到單幀圖像不能完整接收，再次使用調節策略。

（3） 網絡狀況在上述兩種情況之間。這時可采用下述過程對網絡流量進行控制：注入第[n]幀加密敏感圖像時的平均速度可通過下式求出：

[Vnαn，βn，μn=0nDSi0nDTi=NCn-1?αn+DSn-1?μn-NFn-1μn+0n-1DSiDTn-1?μnμn-NFn-1-NCn-1?βn+0n-1DTi] （1）

式中：[αn]，[βn]，[μn]用于描述注入第[n]幀敏感加密圖像的速度調整因子，其值可經過網絡數據幀幀長可變長度設定；[DSi]和[DTi]分別用來表示注入第[i]幀加密敏感圖像時的數據包大小和數據包注入時間；[NCn]用來表示第[n]幀敏感加密圖像的注入狀況，成功注入則取1，反之取0；[NFn]用于描述第[n]幀加密名圖像中丟失數據包的數量。傳輸第[n]幀加密敏感圖像的瞬時速度可通過式（2）求出：

[Vnαn，βn，μn=DSnDTn =NCn-1×αn+DSn-1?μn-NFn-1μnDTn-1×μnμn-NFn-1-NCn-1?βn] （2）

式中：[αn]及[βn]是加速因子；[μn]是減速因子，它們的取值關鍵取決于網絡的穩定水平。瞬時速度的值主要取決于調節因子、丟包情況和前一幀加密敏感圖像注入的速度。在網絡狀態較好時，加速因子[αn]和[βn]的取值要讓圖像注入速度平穩提高，同時禁止注入速度到達網絡的穩定帶寬后產生頻繁震蕩；減速因子[μn]的取值要適合下述要求：當網絡產生瞬間抖動使得少量丟包的狀況下需小幅度的減少流量；當網絡產生較大水平的擁塞時需立即減少流量。最終，讓流量快速地跟隨網絡帶寬的改變而改變。

根據反饋信息，接收端及發送端一起完成流量管理。當接收端完整地接收到一幀圖像時，通過調整UDP數據包的打包大小和注入時間，讓UDP層可以安全、快速地注入加密敏感圖像包。

2 用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術仿真

實驗

2.1 加密敏感圖像

在進行仿真實驗時，首先對一幅數據是320×240的涉及軍事的敏感圖像進行加密，圖像深度是18，幀頻為150 f/s，敏感圖像和加密后圖像如圖3所示。

2.2 丟包率分析

為了驗證所分析圖像注入技術的可靠性，將雙正交變換方法作為對比，將圖像丟包率作為衡量標準進行分析。在對加密的敏感圖像進行注入的過程中，為了能夠觀察敏感圖像數據包總數，同時區別敏感圖像每包數據，需在每包數據之前添加2個字節。第一個字節代表加密敏感圖像的總包數；第二個字節代表每包數據的ID號。將圖像總包數、每包ID號和每包圖像數據打印出來，從而直觀地分析出每幅圖像的數據丟失狀態，打印結果如圖4所示。

依據打印的圖像數據，通過觀察每包數據的ID號來對丟包數量進行統計，從而求出該圖像的丟包率。為了避免偶然誤差，分別連續打印10幅采用本文方法和雙正交變換方法注入的加密敏感圖像數據，得到的測試結果如圖5所示。

分析圖5可知，采用本文方法的最高丟包率為0.16%左右，而采用雙正交變換方法的最高丟包率為0.72%左右，最低丟包率也在0.1%左右，說明采用本文方法進行圖像注入得到的結果具有較高的可靠性。

2.3 注入圖像質量分析

為了驗證注入圖像的質量，本文將相鄰像素相關系數作為衡量指標進行實驗分析，圖像像素相關系數越大，說明注入圖像質量越高，像素[x，y]相關系數的計算公式如下：

[Rxy=COVx，yDx?Dy] （3）

式中，[COVx，y]用于描述[x]，[y]之間的協方差，公式如下：

[COVx，y=Ex-Exy-Ey] （4）

式中：[Ex]為[x]的數學期望；[Dx]為[x]的方差。

公式描述如下：

[Ex=1ni=1nxi] （5）

[Dx=1ni=1nxi-Ex2] （6）

為了更加直觀地驗證本文方法的有效性，引入敏感圖像加密速度指標，將其和相關系數指標共同作為衡量注入圖像質量的標準。分別采用本文方法和雙正交變換方法對如圖6所示的像素關系進行相鄰像素相關系數及加密所需時間進行比較，得到的結果如表1所示。

由表1可知，本文方法和雙正交變換法從總體上看有顯著的提高，從相鄰像素相關系數指標進行分析，本文方法注入圖像和原始圖像的相似性更高，像素相關系數趨近于1，而雙正交變換法注入圖像卻和原始圖像相差較多，像素相關系數趨近于0。從加密時間的角度分析，本文方法的加密耗時明顯低于雙正交變換法，且一直低于雙正交變換法。因此，采用本文方法進行圖像注入的圖像質量更改，最終所需的加密時間更少。為了更加直觀地看出本文方法、雙正交變換方法下注入圖像與原圖的相關性，給出原圖灰度直方圖和兩種方法下注入圖像的灰度直方圖，如圖7～圖9所示。

分析圖7～圖9可以看出，本文方法下注入圖像的灰度直方圖和原圖灰度直方圖基本相同，而雙正交變換方法下的注入圖像灰度直方圖與原圖相差較大，說明本文方法的圖像注入性能更高。

3 結 論

在進行丟包率分析實驗時，采用本文方法的最高丟包率為0.16%左右，而采用雙正交變換方法的最高丟包率為0.72%左右，最低丟包率也在0.1%左右，說明采用本文方法進行圖像注入得到的結果具有較高的可靠性。在進行注入圖像質量分析實驗時，從相鄰像素相關系數指標進行分析，本文方法注入圖像和原始圖像的相似性更高，而雙正交變換法注入圖像卻和原始圖像相差較多。從加密時間的角度分析，本文方法的加密耗時明顯低于雙正交變換法，且一直低于雙正交變換法。因此，采用本文方法進行圖像注入的圖像質量更改，最終所需的加密時間更少。本文方法下注入圖像的灰度直方圖和原圖灰度直方圖基本相同，而雙正交變換方法下的注入圖像灰度直方圖與原圖相差較大，說明本文方法的圖像注入性能更高。

參考文獻

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