一種用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術(shù)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(shù)。給出敏感圖像快速加密的原理圖，介紹圖像注入技術(shù)的結(jié)構(gòu)，邏輯控制層通過從TCP層接收到的接收端反饋信息對當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)流量情況進(jìn)行分析，通過調(diào)整UDP數(shù)據(jù)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(xì)分析了網(wǎng)絡(luò)流量的控制過程。在進(jìn)行仿真實驗時，對一幅涉及軍事的敏感圖像進(jìn)行加密，依次進(jìn)行丟包率分析實驗和注入圖像質(zhì)量分析實驗。實驗結(jié)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(jìn)行圖像注入得到的結(jié)果具有較高的可靠性；該文方法的像素相關(guān)系數(shù)和加密耗時均優(yōu)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(zhì)量更佳。

關(guān)鍵詞： 敏感圖像； 快速加密； 圖像注入技術(shù)； 網(wǎng)絡(luò)流量

中圖分類號： TN911.73?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)絡(luò)通信和信息交換的日趨頻繁，怎樣保護(hù)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(shù)非常有意義，為保障敏感圖像的安全傳輸提供重要技術(shù)支持[2?3]，已經(jīng)變成有關(guān)學(xué)者探討的重要話題，受到越來越普遍的關(guān)注[4]。

現(xiàn)在，相關(guān)圖像注入的研究有很多，相關(guān)研究也取得了一定的成果。文獻(xiàn)[5]將人眼感興趣區(qū)視覺特性與漸進(jìn)傳輸結(jié)合在一起，提出一種基于感興趣區(qū)漸進(jìn)的圖像注入技術(shù)。該技術(shù)依據(jù)小波編碼的特點(diǎn)，利用碼流結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行圖像注入時先漸進(jìn)注入圖像中的感興趣區(qū)，然后注入圖像背景區(qū)，該方法保證了感興趣區(qū)的優(yōu)先注入，但注入圖像所需的時間較長。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種圖像注入系統(tǒng)，介紹了圖像傳輸、時序控制的實現(xiàn)過程，該系統(tǒng)基本能夠達(dá)到圖像注入速度的要求；但該系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法為不同平臺提供真實的圖像，適應(yīng)性不高。文獻(xiàn)[7]提出一種復(fù)雜度相對較低的雙正交變換圖像注入技術(shù)，該技術(shù)首先對圖像進(jìn)行壓縮，在此基礎(chǔ)上通過零樹編碼完成圖像注入，提高了圖像質(zhì)量，但該方法所耗費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)能耗較高，而且實現(xiàn)過程過于復(fù)雜。本文提出一種用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術(shù)。給出敏感圖像快速加密的原理圖，介紹了圖像注入技術(shù)的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了網(wǎng)絡(luò)流量的控制過程。在進(jìn)行仿真實驗時，對一幅涉及軍事的敏感圖像進(jìn)行加密，依次進(jìn)行了丟包率分析實驗和注入圖像質(zhì)量分析實驗，給出分析結(jié)論。

1 一種用于敏感圖像快速加密的圖像注入技術(shù)

1.1 敏感圖像快速加密原理

圖像類信息數(shù)據(jù)量大，同時臨界數(shù)據(jù)間的相關(guān)性較高，對其加密具有更高的要求，為了快速實現(xiàn)敏感圖像的加密，本節(jié)引入圖像注入技術(shù)，將發(fā)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(shù)分析

1.2.1 加密敏感圖形注入技術(shù)設(shè)計

為了安全快速地實現(xiàn)加密敏感圖像的注入，本節(jié)提出一種TCP和UDP協(xié)議結(jié)合使用的圖像注入技術(shù)。如圖2所示，圖像注入技術(shù)構(gòu)造區(qū)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(fù)，該層是圖像注入技術(shù)的重點(diǎn)；中間層是前向圖像注入層，主要負(fù)責(zé)控制輸送端向接收端輸送大量的圖像數(shù)據(jù)，該層主要根據(jù)UDP協(xié)議實現(xiàn)，以保障數(shù)據(jù)包的快速傳輸；底層是后向形狀信息輸送層，主要負(fù)責(zé)管理接收端向發(fā)送端反饋狀態(tài)信息，這層根據(jù)TCP協(xié)議達(dá)成，以保障狀態(tài)信息可靠、準(zhǔn)確的傳輸。邏輯控制層經(jīng)過從TCP層接收到的接收端反饋信息對目前的網(wǎng)絡(luò)流量狀況進(jìn)行解析，通過調(diào)整UDP數(shù)據(jù)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(jù)上述進(jìn)程，經(jīng)過三層之間有機(jī)協(xié)作就能實現(xiàn)加密敏感圖像的注入。

1.2.2 圖像注入過程中的網(wǎng)絡(luò)流量控制

通過1.2.1節(jié)分析的過程可知，邏輯控制層對網(wǎng)絡(luò)流量的控制情況對加密敏感圖像的注入起到了至關(guān)重要的作用。因此，本節(jié)重點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)流量的控制進(jìn)行分析。加密敏感圖像注入過程中的流量控制是通過發(fā)送端與接收端共同實現(xiàn)的，下面給出流量控制協(xié)議的數(shù)學(xué)模型。

流量控制把網(wǎng)絡(luò)劃分為以下三個情況分別進(jìn)行治理：

（1） 網(wǎng)絡(luò)狀況差。發(fā)送端不能接收來自接收端的反饋信息，說明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無法進(jìn)行圖像注入，停止注入加密敏感圖像。

（2） 網(wǎng)絡(luò)狀況好。這時圖像注入速度就可以達(dá)到設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)可靠帶寬，無需對網(wǎng)絡(luò)流量實行調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)策略。

（3） 網(wǎng)絡(luò)狀況在上述兩種情況之間。這時可采用下述過程對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)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(diào)整因子，其值可經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀幀長可變長度設(shè)定；[DSi]和[DTi]分別用來表示注入第[i]幀加密敏感圖像時的數(shù)據(jù)包大小和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的數(shù)量。傳輸?shù)赱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(guān)鍵取決于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定水平。瞬時速度的值主要取決于調(diào)節(jié)因子、丟包情況和前一幀加密敏感圖像注入的速度。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較好時，加速因子[αn]和[βn]的取值要讓圖像注入速度平穩(wěn)提高，同時禁止注入速度到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定帶寬后產(chǎn)生頻繁震蕩；減速因子[μn]的取值要適合下述要求：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)帶寬的改變而改變。

根據(jù)反饋信息，接收端及發(fā)送端一起完成流量管理。當(dāng)接收端完整地接收到一幀圖像時，通過調(diào)整UDP數(shù)據(jù)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(shù)仿真

實驗

2.1 加密敏感圖像

在進(jìn)行仿真實驗時，首先對一幅數(shù)據(jù)是320×240的涉及軍事的敏感圖像進(jìn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。在對加密的敏感圖像進(jìn)行注入的過程中，為了能夠觀察敏感圖像數(shù)據(jù)包總數(shù)，同時區(qū)別敏感圖像每包數(shù)據(jù)，需在每包數(shù)據(jù)之前添加2個字節(jié)。第一個字節(jié)代表加密敏感圖像的總包數(shù)；第二個字節(jié)代表每包數(shù)據(jù)的ID號。將圖像總包數(shù)、每包ID號和每包圖像數(shù)據(jù)打印出來，從而直觀地分析出每幅圖像的數(shù)據(jù)丟失狀態(tài)，打印結(jié)果如圖4所示。

依據(jù)打印的圖像數(shù)據(jù)，通過觀察每包數(shù)據(jù)的ID號來對丟包數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，從而求出該圖像的丟包率。為了避免偶然誤差，分別連續(xù)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(shù)據(jù)，得到的測試結(jié)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(jìn)行圖像注入得到的結(jié)果具有較高的可靠性。

2.3 注入圖像質(zhì)量分析

為了驗證注入圖像的質(zhì)量，本文將相鄰像素相關(guān)系數(shù)作為衡量指標(biāo)進(jìn)行實驗分析，圖像像素相關(guān)系數(shù)越大，說明注入圖像質(zhì)量越高，像素[x，y]相關(guān)系數(shù)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(xié)方差，公式如下：

[COVx，y=Ex-Exy-Ey] （4）

式中：[Ex]為[x]的數(shù)學(xué)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(biāo)，將其和相關(guān)系數(shù)指標(biāo)共同作為衡量注入圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。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(guān)系進(jìn)行相鄰像素相關(guān)系數(shù)及加密所需時間進(jìn)行比較，得到的結(jié)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(guān)系數(shù)指標(biāo)進(jìn)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(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)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(jìn)行圖像注入的圖像質(zhì)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(guān)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(jié) 論

在進(jìn)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(jìn)行圖像注入得到的結(jié)果具有較高的可靠性。在進(jìn)行注入圖像質(zhì)量分析實驗時，從相鄰像素相關(guān)系數(shù)指標(biāo)進(jìn)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(jìn)行圖像注入的圖像質(zhì)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。

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