DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95995-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40269024
تاريخ النشر: 2025-04-23
المؤلف: Akshat Tiwari وآخرون
الموضوع الرئيسي: تشفير الصور/الإشارات المعتمد على الفوضى
نظرة عامة
في سياق زيادة التهديدات الأمنية للمعلومات متعددة الوسائط الحساسة المرسلة عبر الشبكات العامة، يقدم هذا البحث تقنية تشفير جديدة تُدعى OptiSecure-3D، والتي تستخدم خرائط فوضوية ثلاثية الأبعاد قائمة على معلمات محسّنة لتشفير الصور. يدمج الخوارزمية ثلاثة مكونات رئيسية: مشفر تلقائي مكدس (SAE)، خريطة فوضوية محسّنة، ووحدة تشفير/فك تشفير. يتم التحقق من فعالية خوارزمية OptiSecure-3D من خلال اختبارات متنوعة، بما في ذلك العشوائية، ارتباط جيران البكسلات، والتحليل التفاضلي، مما ينتج عنه متوسط انتروبيا يبلغ حوالي 7.9، ومتوسط معدل تغيير عدد البكسلات (NPCR) يبلغ حوالي 99.8، ومتوسط شدة التغيير الموحد (UACI) يبلغ حوالي 33.46. تشير هذه النتائج إلى مستوى عالٍ من الأمان والصلابة، خاصة في مقاومة التحليل التشفيري والحفاظ على جودة الصورة بعد فك التشفير.
يؤكد البحث على نهج التقييم الشامل لخوارزمية OptiSecure-3D، التي تختبر بدقة عدة جوانب حاسمة من التشفير، على عكس الدراسات التقليدية التي قد تركز على مقاييس أقل. تظهر النتائج قدرة الخوارزمية على إنتاج نص مشفر متشتت للغاية، والحفاظ على ارتباط بكسلات منخفض، وإظهار حساسية قوية للمفتاح، خاصة تحت هجمات الضوضاء. ومع ذلك، يعترف المؤلفون بالقيود مثل الحمل الحاسوبي المحتمل والتحديات في التكيف مع تنسيقات الوسائط المتعددة الديناميكية. تهدف الأعمال المستقبلية إلى توسيع هذا البحث ليشمل تطبيقات الفيديو المباشر، مع معالجة المطالب المتطورة لأمان البيانات في شبكات الاتصال الرقمية الحديثة.
الطرق
تقدم المنهجية المقترحة، التي تُسمى OptiSecure-3D، تقنية جديدة لتشفير الصور تهدف إلى تعزيز الاتصال الآمن. تستخدم هذه الطريقة خريطة فوضوية ثلاثية الأبعاد قائمة على معلمات محسّنة، والتي تشكل أساس عملية التشفير. يتكون نموذج OptiSecure-3D من ثلاثة مكونات أساسية: التشفير التكيفي الآمن (SAE)، خريطة فوضوية قائمة على معلمات محسّنة، ووحدة التشفير/فك التشفير. تعمل هذه العناصر معًا لتوفير إطار قوي لتشفير الصور بشكل آمن.
تم توضيح الخوارزمية التفصيلية لمنهجية OptiSecure-3D في الخوارزمية 1، التي توضح العملية خطوة بخطوة المعنية في تشفير وفك تشفير الصور. يتم توضيح كل مكون بشكل أكبر في الأقسام الفرعية التالية، مع التأكيد على فعالية وأمان النهج المقترح في حماية بيانات الصور أثناء النقل.
النتائج
في قسم النتائج، يتم تقييم أداء نموذج OptiSecure-3D المقترح من خلال تحقيقات تجريبية أجريت على معالج Intel Core i5 مع 8 جيجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي. تم تنفيذ المحاكاة باستخدام Python، مع مكتبات TensorFlow وMatplotlib، بالإضافة إلى مكتبة تشفير لتسهيل التحليل.
شمل التقييم اختبار النموذج على مجموعات بيانات مرجعية، بما في ذلك set5 وset14 وصور MRI، بالإضافة إلى صور إضافية مأخوذة من مجالات متنوعة، بما في ذلك التصوير الطبي. يتم مناقشة نتائج هذه الاختبارات بالتفصيل في الأقسام الفرعية التالية، مع تسليط الضوء على فعالية وقابلية تطبيق نموذج OptiSecure-3D في سياقات متنوعة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في البحث الضوء على الأهمية المتزايدة لتأمين بيانات الصور في سياق زيادة استخدام الإنترنت وتقنيات الاتصال. يؤكد على الثغرات المرتبطة بتسرب المعلومات والحاجة إلى طرق تشفير قوية لحماية البيانات الحساسة. يتم استكشاف تقنيات التشفير المختلفة، وخاصة تلك القائمة على الأنظمة الفوضوية، لفعاليتها في تعزيز أمان الصور. تُلاحظ طرق التشفير الفوضوية لكفاءتها، وحساسيتها للظروف الأولية، وقدرتها على إنتاج نتائج غير متوقعة، مما يجعلها مناسبة للاتصال الآمن بالصور.
تتم مناقشة العديد من التقدمات الحديثة في خوارزميات التشفير الفوضوي، بما في ذلك استخدام تحويلات الموجات المتقطعة من عدد صحيح إلى عدد صحيح (IIDWT) لإخفاء البيانات الهشة، والنماذج الفوضوية العالية للأمان في الاتصال، وطرق مبتكرة مثل خوارزمية سرب الأسماك الاصطناعية لتوليد الخرائط الفوضوية. كما يستعرض القسم دمج تقنيات التعلم العميق والتحسين، مثل التطور التفاضلي، لتعزيز أداء الخرائط الفوضوية في تشفير الصور. يتم تقديم مقاييس رئيسية لتقييم فعالية التشفير، بما في ذلك انتروبيا المعلومات، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (PSNR)، وارتباط جيران البكسلات، كمؤشرات حاسمة لصلابة وأمان طرق التشفير المقترحة. بشكل عام، تؤكد النتائج على ضرورة البحث والتطوير المستمر في تقنيات التشفير لمواجهة التحديات الأمنية المتطورة في الاتصال الرقمي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95995-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40269024
Publication Date: 2025-04-23
Author(s): Akshat Tiwari et al.
Primary Topic: Chaos-based Image/Signal Encryption
Overview
In the context of increasing security threats to sensitive multimedia information transmitted over public networks, this paper introduces a novel encryption technique called OptiSecure-3D, which employs optimized parameter-based 3D chaotic maps for image encryption. The algorithm integrates three key components: a stacked autoencoder (SAE), optimized chaotic mapping, and an encryption/decryption module. The effectiveness of the OptiSecure-3D algorithm is validated through various tests, including randomness, pixel adjacency correlation, and differential analysis, yielding a mean entropy of approximately 7.9, a mean number of pixels changing rate (NPCR) of about 99.8, and a unified average changing intensity (UACI) of approximately 33.46. These results indicate a high level of security and robustness, particularly in resisting cryptanalysis and maintaining image quality post-decryption.
The paper emphasizes the comprehensive evaluation approach of the OptiSecure-3D algorithm, which rigorously tests multiple critical aspects of encryption, unlike conventional studies that may focus on fewer metrics. The results demonstrate the algorithm’s capability to produce highly diffused ciphertext, maintain low pixel correlation, and exhibit strong key sensitivity, particularly under noise attacks. However, the authors acknowledge limitations such as potential computational overhead and challenges in adapting to dynamic multimedia formats. Future work aims to extend this research to live-streaming video applications, addressing the evolving demands for data security in modern digital communication networks.
Methods
The proposed methodology, termed OptiSecure-3D, introduces a novel image encryption technique aimed at enhancing secure communication. This method employs an optimized parameter-based 3D chaotic map, which serves as the foundation for the encryption process. The OptiSecure-3D model comprises three core components: the Secure Adaptive Encryption (SAE), the optimized parameter-based chaotic mapping, and the encryption/decryption module. These elements work in conjunction to provide a robust framework for the secure encryption of images.
The detailed algorithm for the OptiSecure-3D methodology is outlined in Algorithm 1, which illustrates the step-by-step process involved in the encryption and decryption of images. Each component is further elaborated in subsequent sub-sections, emphasizing the effectiveness and security of the proposed approach in safeguarding image data during transmission.
Results
In the Results section, the performance of the proposed OptiSecure-3D model is assessed through experimental investigations conducted on an Intel Core i5 processor with 8 GB of RAM. The simulations were implemented using Python, with the TensorFlow and Matplotlib libraries, alongside a cryptography library to facilitate the analysis.
The evaluation involved testing the model on benchmark datasets, specifically set5, set14, and MRI images, as well as additional images sourced from various domains, including medical imaging. The results from these tests are discussed in detail in the subsequent sub-sections, highlighting the effectiveness and applicability of the OptiSecure-3D model in diverse contexts.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the growing importance of securing image data in the context of increased internet usage and communication technologies. It emphasizes the vulnerabilities associated with information leakage and the need for robust encryption methods to protect sensitive data. Various encryption techniques, particularly those based on chaotic systems, are explored for their effectiveness in enhancing image security. Chaotic encryption methods are noted for their efficiency, sensitivity to initial conditions, and ability to produce unpredictable outcomes, making them suitable for secure image communication.
Several recent advancements in chaotic encryption algorithms are discussed, including the use of Integer-to-Integer Discrete Wavelet Transforms (IIDWT) for fragile data hiding, hyperchaotic models for secure communication, and innovative approaches like the artificial fish swarm algorithm for generating chaotic maps. The section also reviews the integration of deep learning and optimization techniques, such as differential evolution, to enhance the performance of chaotic maps in image encryption. Key metrics for evaluating encryption effectiveness, including information entropy, Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR), and pixel adjacency correlation, are presented as critical indicators of the robustness and security of the proposed encryption methods. Overall, the findings underscore the necessity for continuous research and development in encryption technologies to address the evolving security challenges in digital communication.