一种用于敏感图像快速加密的图像注入技术仿真

李艳群　常征

摘 要： 为了提高敏感图像的加密速度，保证敏感图像的安全传输，提出一种用于敏感图像快速加密的图像注入技术。给出敏感图像快速加密的原理图，介绍图像注入技术的结构，逻辑控制层通过从TCP层接收到的接收端反馈信息对当前的网络流量情况进行分析，通过调整UDP数据包的打包大小与注入时间，使UDP层能够安全、快速地注入加密敏感图像包。详细分析了网络流量的控制过程。在进行仿真实验时，对一幅涉及军事的敏感图像进行加密，依次进行丢包率分析实验和注入图像质量分析实验。实验结果表明，该文方法丢包率低于双正交变换方法，采用该文方法进行图像注入得到的结果具有较高的可靠性；该文方法的像素相关系数和加密耗时均优于双正交变换法，灰度直方图和原图灰度直方图基本相同，注入图像质量更佳。

关键词： 敏感图像； 快速加密； 图像注入技术； 网络流量

中图分类号： TN911.73?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

随着网络通信和信息交换的日趋频繁，怎样保护用户信息，尤其是国家重要部门的敏感信息在传输、存储和使用过程中不被非法者盗取，成为亟需解决的问题[1]。因此，研究用于敏感图像快速加密的图像注入技术非常有意义，为保障敏感图像的安全传输提供重要技术支持[2?3]，已经变成有关学者探讨的重要话题，受到越来越普遍的关注[4]。

现在，相关图像注入的研究有很多，相关研究也取得了一定的成果。文献[5]将人眼感兴趣区视觉特性与渐进传输结合在一起，提出一种基于感兴趣区渐进的图像注入技术。该技术依据小波编码的特点，利用码流结构，在进行图像注入时先渐进注入图像中的感兴趣区，然后注入图像背景区，该方法保证了感兴趣区的优先注入，但注入图像所需的时间较长。文献[6]设计了一种图像注入系统，介绍了图像传输、时序控制的实现过程，该系统基本能够达到图像注入速度的要求；但该系统不稳定，无法为不同平台提供真实的图像，适应性不高。文献[7]提出一种复杂度相对较低的双正交变换图像注入技术，该技术首先对图像进行压缩，在此基础上通过零树编码完成图像注入，提高了图像质量，但该方法所耗费的网络能耗较高，而且实现过程过于复杂。本文提出一种用于敏感图像快速加密的图像注入技术。给出敏感图像快速加密的原理图，介绍了图像注入技术的结构，详细分析了网络流量的控制过程。在进行仿真实验时，对一幅涉及军事的敏感图像进行加密，依次进行了丢包率分析实验和注入图像质量分析实验，给出分析结论。

1 一种用于敏感图像快速加密的图像注入技术

1.1 敏感图像快速加密原理

图像类信息数据量大，同时临界数据间的相关性较高，对其加密具有更高的要求，为了快速实现敏感图像的加密，本节引入图像注入技术，将发送端信息直接传输至接收端。敏感图像快速加密的原理图如图1所示。

1.2 图像注入技术分析

1.2.1 加密敏感图形注入技术设计

为了安全快速地实现加密敏感图像的注入，本节提出一种TCP和UDP协议结合使用的图像注入技术。如图2所示，图像注入技术构造区分为以下三层：顶层是逻辑控制层，其重要用在完成加密敏感图像的分包重组、流量管制和丢包恢复，该层是图像注入技术的重点；中间层是前向图像注入层，主要负责控制输送端向接收端输送大量的图像数据，该层主要根据UDP协议实现，以保障数据包的快速传输；底层是后向形状信息输送层，主要负责管理接收端向发送端反馈状态信息，这层根据TCP协议达成，以保障状态信息可靠、准确的传输。逻辑控制层经过从TCP层接收到的接收端反馈信息对目前的网络流量状况进行解析，通过调整UDP数据包的打包大小与注入时间，使UDP层可以安全、快速地注入加密敏感图像包。根据上述进程，经过三层之间有机协作就能实现加密敏感图像的注入。

1.2.2 图像注入过程中的网络流量控制

通过1.2.1节分析的过程可知，逻辑控制层对网络流量的控制情况对加密敏感图像的注入起到了至关重要的作用。因此，本节重点对网络流量的控制进行分析。加密敏感图像注入过程中的流量控制是通过发送端与接收端共同实现的，下面给出流量控制协议的数学模型。

流量控制把网络划分为以下三个情况分别进行治理：

（1） 网络状况差。发送端不能接收来自接收端的反馈信息，说明当前网络无法进行图像注入，停止注入加密敏感图像。

（2） 网络状况好。这时图像注入速度就可以达到设置的网络可靠带宽，无需对网络流量实行调节管理，维持注入速度，直到单帧图像不能完整接收，再次使用调节策略。

（3） 网络状况在上述两种情况之间。这时可采用下述过程对网络流量进行控制：注入第[n]帧加密敏感图像时的平均速度可通过下式求出：

[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]帧敏感加密图像的速度调整因子，其值可经过网络数据帧帧长可变长度设定；[DSi]和[DTi]分别用来表示注入第[i]帧加密敏感图像时的数据包大小和数据包注入时间；[NCn]用来表示第[n]帧敏感加密图像的注入状况，成功注入则取1，反之取0；[NFn]用于描述第[n]帧加密名图像中丢失数据包的数量。传输第[n]帧加密敏感图像的瞬时速度可通过式（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]是减速因子，它们的取值关键取决于网络的稳定水平。瞬时速度的值主要取决于调节因子、丢包情况和前一帧加密敏感图像注入的速度。在网络状态较好时，加速因子[αn]和[βn]的取值要让图像注入速度平稳提高，同时禁止注入速度到达网络的稳定带宽后产生频繁震荡；减速因子[μn]的取值要适合下述要求：当网络产生瞬间抖动使得少量丢包的状况下需小幅度的减少流量；当网络产生较大水平的拥塞时需立即减少流量。最终，让流量快速地跟随网络带宽的改变而改变。

根据反馈信息，接收端及发送端一起完成流量管理。当接收端完整地接收到一帧图像时，通过调整UDP数据包的打包大小和注入时间，让UDP层可以安全、快速地注入加密敏感图像包。

2 用于敏感图像快速加密的图像注入技术仿真

实验

2.1 加密敏感图像

在进行仿真实验时，首先对一幅数据是320×240的涉及军事的敏感图像进行加密，图像深度是18，帧频为150 f/s，敏感图像和加密后图像如图3所示。

2.2 丢包率分析

为了验证所分析图像注入技术的可靠性，将双正交变换方法作为对比，将图像丢包率作为衡量标准进行分析。在对加密的敏感图像进行注入的过程中，为了能够观察敏感图像数据包总数，同时区别敏感图像每包数据，需在每包数据之前添加2个字节。第一个字节代表加密敏感图像的总包数；第二个字节代表每包数据的ID号。将图像总包数、每包ID号和每包图像数据打印出来，从而直观地分析出每幅图像的数据丢失状态，打印结果如图4所示。

依据打印的图像数据，通过观察每包数据的ID号来对丢包数量进行统计，从而求出该图像的丢包率。为了避免偶然误差，分别连续打印10幅采用本文方法和双正交变换方法注入的加密敏感图像数据，得到的测试结果如图5所示。

分析图5可知，采用本文方法的最高丢包率为0.16%左右，而采用双正交变换方法的最高丢包率为0.72%左右，最低丢包率也在0.1%左右，说明采用本文方法进行图像注入得到的结果具有较高的可靠性。

2.3 注入图像质量分析

为了验证注入图像的质量，本文将相邻像素相关系数作为衡量指标进行实验分析，图像像素相关系数越大，说明注入图像质量越高，像素[x，y]相关系数的计算公式如下：

[Rxy=COVx，yDx?Dy] （3）

式中，[COVx，y]用于描述[x]，[y]之间的协方差，公式如下：

[COVx，y=Ex-Exy-Ey] （4）

式中：[Ex]为[x]的数学期望；[Dx]为[x]的方差。

公式描述如下：

[Ex=1ni=1nxi] （5）

[Dx=1ni=1nxi-Ex2] （6）

为了更加直观地验证本文方法的有效性，引入敏感图像加密速度指标，将其和相关系数指标共同作为衡量注入图像质量的标准。分别采用本文方法和双正交变换方法对如图6所示的像素关系进行相邻像素相关系数及加密所需时间进行比较，得到的结果如表1所示。

由表1可知，本文方法和双正交变换法从总体上看有显著的提高，从相邻像素相关系数指标进行分析，本文方法注入图像和原始图像的相似性更高，像素相关系数趋近于1，而双正交变换法注入图像却和原始图像相差较多，像素相关系数趋近于0。从加密时间的角度分析，本文方法的加密耗时明显低于双正交变换法，且一直低于双正交变换法。因此，采用本文方法进行图像注入的图像质量更改，最终所需的加密时间更少。为了更加直观地看出本文方法、双正交变换方法下注入图像与原图的相关性，给出原图灰度直方图和两种方法下注入图像的灰度直方图，如图7～图9所示。

分析图7～图9可以看出，本文方法下注入图像的灰度直方图和原图灰度直方图基本相同，而双正交变换方法下的注入图像灰度直方图与原图相差较大，说明本文方法的图像注入性能更高。

3 结 论

在进行丢包率分析实验时，采用本文方法的最高丢包率为0.16%左右，而采用双正交变换方法的最高丢包率为0.72%左右，最低丢包率也在0.1%左右，说明采用本文方法进行图像注入得到的结果具有较高的可靠性。在进行注入图像质量分析实验时，从相邻像素相关系数指标进行分析，本文方法注入图像和原始图像的相似性更高，而双正交变换法注入图像却和原始图像相差较多。从加密时间的角度分析，本文方法的加密耗时明显低于双正交变换法，且一直低于双正交变换法。因此，采用本文方法进行图像注入的图像质量更改，最终所需的加密时间更少。本文方法下注入图像的灰度直方图和原图灰度直方图基本相同，而双正交变换方法下的注入图像灰度直方图与原图相差较大，说明本文方法的图像注入性能更高。

参考文献

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[2] 张玉明，刘家保.基于复合混沌及LSB的图像加密和隐藏技术[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2014，31（11）：50?55.

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