DOI: https://doi.org/10.1007/s10586-024-04919-0
تاريخ النشر: 2025-04-28
المؤلف: Wassim Alexan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تشفير الصور/الإشارات المعتمد على الفوضى
نظرة عامة
تقدم البحث خوارزمية تشفير متعددة الصور جديدة (MIEA) تستفيد من المعالجة المتوازية لتعزيز أمان وكفاءة نقل الصور، لا سيما في سياق المعلومات الصناعية ومتطلبات عصر 5G. تقوم MIEA ببناء مكعب صورة عادي من صور متعددة وتستخدم مفاتيح تشفير عشوائية زائفة تم إنشاؤها من نظام تشين الفوضوي رباعي الأبعاد ومولد مورسين. تستخدم ستة صناديق S مبتكرة مشتقة من النظام الفوضوي، تطبق عبر قنوات RGB والاتجاهات المحورية لمكعب الصورة. تظهر الخوارزمية أمانًا عاليًا ومرونة ضد هجمات متنوعة، محققة معدل تشفير مثير للإعجاب يبلغ 96.4 ميغابت في الثانية ومساحة مفتاح قدرها $2^{4624}$. تشمل مقاييس الأداء متوسط خطأ مربع (MSE) قدره 10281.1، ونسبة ذروة الإشارة إلى الضوضاء (PSNR) تبلغ 8.07 ديسيبل، وانتروبيا المعلومات تبلغ 7.999، من بين أمور أخرى.
يخلص الدراسة إلى أن MIEA تقدم تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا تشفير الصور، مما يجعلها مناسبة لنقل البيانات الآمنة في الوقت الحقيقي في التطبيقات الصناعية. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تقييم مرونة الخوارزمية ضد التهديدات التشفيرية الناشئة، وتحسين تقنيات المعالجة المتوازية، واستكشاف تطبيقات FPGA لمعدلات تشفير أسرع. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح التكيف المحتمل لـ MIEA لتشفير أنواع بيانات الوسائط المتعددة الأخرى، مثل الفيديو والصوت، كمسار واعد لمزيد من التحقيق. بشكل عام، يضع هذا العمل أساسًا لحلول تشفير بيانات آمنة وفعالة تلبي المتطلبات المتطورة لشبكات الاتصال الحديثة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات الكبيرة التي تطرحها التقدمات السريعة في الشبكات اللاسلكية وإنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) فيما يتعلق بالخصوصية والأمان في المعلومات الصناعية. إن التوزيع الواسع للصور عبر منصات مختلفة يعقد تنفيذ سياسات الخصوصية الفعالة، لا سيما مع إدخال تقنيات الذكاء الاصطناعي لتحليل الصور التي تثير مزيدًا من المخاوف بشأن الخصوصية. بيانات الصور الحساسة في قطاعات مثل التصوير الطبي والعسكري معرضة لخطر الوصول غير المصرح به، مما قد يؤدي إلى عواقب وخيمة، بما في ذلك الاضطرابات التشغيلية والخسائر المالية. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لتطوير خوارزميات تشفير متخصصة مصممة لنقل ومشاركة بيانات الصور بشكل آمن.
تعتبر طرق التشفير التقليدية مثل معيار التشفير المتقدم (AES) ومعيار تشفير البيانات (DES) غير كافية لتشفير الصور بسبب التكرار الهيكلي الفطري للصور، مما يجعلها عرضة لهجمات النص الواضح المعروفة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الخوارزميات ليست مصممة لاستيعاب الخصائص الإدراكية الفريدة للصور، مما قد يؤدي إلى فقدان كبير في الجودة أثناء التشفير. لمعالجة هذه القيود، تقترح الورقة خوارزمية تشفير متعددة الصور جديدة (MIEA) تستخدم نظام تشين الفوضوي رباعي الأبعاد ومولد مورسين لتوليد مفاتيح عشوائية زائفة. تم تصميم هذه MIEA لتشفير فعال ومتزامن لعدة صور ملونة، محققة معدل تشفير مرتفع مع الحفاظ على القوة ضد تقنيات التحليل المختلفة. توضح الورقة هيكل الخوارزمية المقترحة وأدائها، مع التركيز على تطبيقاتها المحتملة في تأمين مجموعات البيانات الكبيرة من الصور الطبية.
طرق
في قسم “طرق”، يوضح المؤلفون تحليل الأداء والنتائج التجريبية لخوارزمية تشفير الصور المتعددة المقترحة (MIEA). قاموا بإجراء تجارب متنوعة لحساب مقاييس تقييم الأداء وقارنوا هذه المقاييس بتلك الموجودة في الخوارزميات الحالية الموثقة في الأدبيات الحديثة. استخدم التحليل مجموعة بيانات تتكون من 256 صورة ملونة، كل منها بأبعاد 256 × 256 بكسل. تم تنفيذ التجارب على جهاز مزود بمعالج AMD Ryzen 9 5900HX بسرعة 3.3 جيجاهرتز، وذاكرة وصول عشوائي سعتها 32 جيجابايت، وGPU من نوع Nvidia RTX 3070.
تم تقسيم مجموعة البيانات إلى قسمين: الأول يتضمن صورًا قياسية تُستخدم بشكل متكرر في أبحاث معالجة الصور والتشفير، مثل “Peppers” و “Mandrill”، بينما يتكون القسم الثاني من صور طبية، تم تصنيفها على أنها \( MI_i \) لـ \( i \in [1, 6] \). تقدم النتائج من هذه التجارب، المعروضة في الجداول 5 و 6، مقارنة شاملة لأداء MIEA المقترحة مقابل الخوارزميات المعروفة، مما يبرز فعاليتها في مهام تشفير الصور.
مناقشة
يوفر قسم المناقشة في الورقة مراجعة شاملة للمنهجيات الحالية في خوارزميات تشفير الصور المتعددة (MIEAs)، لا سيما تلك التي تستفيد من التشفير الكمي، ونظرية الفوضى، وتحويل فورييه الكسري (FrFT)، وترميز الحمض النووي، والتقنيات البصرية. يسلط الضوء على تطور تقنيات تشفير الصور، مع تقييم نقاط القوة والضعف في الأساليب المختلفة مع تحديد الفجوات التي تهدف الخوارزمية المقترحة إلى معالجتها. بشكل ملحوظ، يتم التأكيد على التشفير الكمي، لا سيما توزيع المفاتيح الكمية (QKD)، من أجل تعزيز الأمان. تشير القسم إلى عدة أعمال حديثة تدمج المبادئ الكمية مع تشفير الصور، مثل خوارزمية الضغط والتشفير متعددة الصور المعتمدة على الكوانتم لدai وآخرين، التي تستخدم تحويل كوزين الكمي المنفصل (QDCT) والأنظمة الفوضوية لتحسين الأمان والكفاءة.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة تطبيق الوظائف الفوضوية والفوضوية العالية في تشفير الصور، مشيرة إلى فعاليتها في تشويش بيانات الصور وتوفير أمان قوي ضد الهجمات. يتم ذكر أنظمة فوضوية متنوعة، بما في ذلك خريطة لوجيستية وخريطة هينون، لخصائصها الفريدة التي تؤثر على أداء التشفير. تختتم القسم بتلخيص التقدم في MIEAs مع الاعتراف بالتحديات المستمرة في الكفاءة الحاسوبية والأمان. تمهد الطريق لتقديم MIEA جديدة تدمج نقاط القوة في المنهجيات الحالية مع معالجة قيودها، مما يهدف إلى تعزيز المعايير العامة في مجال تشفير الصور.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10586-024-04919-0
Publication Date: 2025-04-28
Author(s): Wassim Alexan et al.
Primary Topic: Chaos-based Image/Signal Encryption
Overview
The research presents a novel multiple-image encryption algorithm (MIEA) that leverages parallel processing to enhance the security and efficiency of image transmission, particularly in the context of industrial informatics and the demands of the 5G era. The MIEA constructs a plain image cube from multiple images and employs pseudo-random encryption keys generated from the hyperchaotic 4D Chen system and the Mersenne Twister. It utilizes six innovative S-boxes derived from the hyperchaotic system, applied across the RGB channels and axial directions of the image cube. The algorithm demonstrates high security and resilience against various attacks, achieving an impressive encryption rate of 96.4 Mbps and a key space of $2^{4624}$. Performance metrics include a mean squared error (MSE) of 10281.1, a peak signal-to-noise ratio (PSNR) of 8.07 dB, and an information entropy of 7.999, among others.
The study concludes that the MIEA significantly advances image encryption technology, making it suitable for real-time secure data transmission in industrial applications. Future research directions include evaluating the algorithm’s resilience against emerging cryptographic threats, optimizing parallel processing techniques, and exploring FPGA implementations for faster encryption rates. Additionally, the potential adaptation of the MIEA for encrypting other multimedia data types, such as video and audio, is suggested as a promising avenue for further investigation. Overall, this work lays a foundation for secure and efficient data encryption solutions that meet the evolving demands of modern communication networks.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant challenges posed by the rapid advancements in wireless networks and the Industrial Internet of Things (IIoT) concerning privacy and security in industrial informatics. The widespread distribution of images across various platforms complicates the implementation of effective privacy policies, particularly as AI technologies for image analysis introduce further privacy concerns. Sensitive image data in sectors such as medical and military imaging are at risk of unauthorized access, which could lead to severe consequences, including operational disruptions and financial losses. Consequently, there is an urgent need for the development of specialized cryptographic algorithms tailored for the secure transmission and sharing of image data.
Traditional encryption methods like the Advanced Encryption Standard (AES) and Data Encryption Standard (DES) are inadequate for image encryption due to the inherent redundancy and structure of images, which make them susceptible to known-plaintext attacks. Additionally, these algorithms are not designed to accommodate the unique perceptual properties of images, which can lead to significant quality loss during encryption. To address these limitations, the paper proposes a novel Multiple-Image Encryption Algorithm (MIEA) that utilizes a 4D hyperchaotic Chen system and Mersenne Twister for generating pseudo-random keys. This MIEA is designed for efficient simultaneous encryption of multiple color images, achieving a high encryption rate while maintaining robustness against various cryptanalysis techniques. The paper outlines the structure of the proposed algorithm and its performance, emphasizing its potential applications in securing large datasets of medical images.
Methods
In the “Methods” section, the authors detail the performance analysis and experimental results of their proposed Multi-Image Encryption Algorithm (MIEA). They conducted various experiments to compute performance evaluation metrics and compared these metrics with those from existing algorithms documented in recent literature. The analysis utilized a dataset consisting of 256 color images, each with dimensions of 256 x 256 pixels. The experiments were executed on a machine equipped with a 3.3 GHz AMD Ryzen 9 5900HX processor, 32 GB of RAM, and an Nvidia RTX 3070 GPU.
The dataset was divided into two segments: the first included standard images frequently used in image processing and encryption research, such as “Peppers” and “Mandrill,” while the second segment comprised medical images, labeled as \( MI_i \) for \( i \in [1, 6] \). The findings from these experiments, presented in Tables 5 and 6, provide a comprehensive comparison of the proposed MIEA’s performance against established algorithms, highlighting its effectiveness in image encryption tasks.
Discussion
The discussion section of the paper provides a comprehensive review of existing methodologies in Multiple Image Encryption Algorithms (MIEAs), particularly those leveraging quantum cryptography, chaos theory, Fractional Fourier Transform (FrFT), DNA coding, and optical techniques. It highlights the evolution of image encryption techniques, assessing the strengths and weaknesses of various approaches while identifying gaps that the proposed algorithm aims to address. Notably, quantum cryptography, particularly Quantum Key Distribution (QKD), is emphasized for its potential to enhance security. The section cites several recent works that integrate quantum principles with image encryption, such as Dai et al.’s quantum-based multi-image compression and encryption algorithm, which utilizes the Quantum Discrete Cosine Transform (QDCT) and chaotic systems to improve security and efficiency.
Additionally, the paper discusses the application of chaotic and hyperchaotic functions in image encryption, noting their effectiveness in scrambling image data and providing robust security against attacks. Various chaotic systems, including the Logistic map and the Hénon map, are mentioned for their unique properties that influence encryption performance. The section concludes by summarizing the advancements in MIEAs while acknowledging persistent challenges in computational efficiency and security. It sets the stage for the introduction of a novel MIEA that incorporates the strengths of existing methodologies while addressing their limitations, thereby aiming to enhance the overall standard in the field of image encryption.