DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-92065-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40118872
تاريخ النشر: 2025-03-21
المؤلف: Wassim Alexan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تشفير الصور/الإشارات المعتمد على الفوضى
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث خوارزمية جديدة لتشفير الصور المتعددة (MIE) تهدف إلى تعزيز أمان الصور الفضائية، وهو أمر حاسم للأمن الوطني ومراقبة البيئة. تعالج خوارزمية MIE الثغرات في طرق التشفير الحالية من خلال استخدام مزيج من الأنظمة الفوضوية الفائقة، تحليل القيمة الفردية (SVD)، تشفير RC5 في وضع العد، تشفير هيل القائم على الفوضى، وصندوق S مخصص تم إنشاؤه من خلال خوارزمية بلوم بلوم شوب (BBS) المعدلة. تتضمن عملية التشفير دمج عدة صور فضائية في صورة معززة ومعالجة كل قناة RGB من خلال أربع مراحل: الارتباك الإضافي باستخدام مفتاح فوضوي فائق، تشفير RC5 مع عمليات XOR، تشفير هيل، والاستبدال باستخدام صندوق S المخصص. تشير النتائج التجريبية إلى أن خوارزمية MIE تظهر كفاءة تشفير متفوقة، وزيادة في العشوائية، ومقاومة قوية لمختلف الهجمات التحليلية، مما يضمن سرية وقوة الصور الفضائية.
تخلص الدراسة إلى أن خوارزمية MIE تحمي بشكل فعال سلامة وسرية بيانات الصور بينما تتيح قدرات التشفير في الوقت الحقيقي اللازمة لمعالجة الصور الفضائية عالية الإنتاجية. ومع ذلك، تحدد الدراسة قيدًا في اعتمادها على الحلول العددية للأنظمة الفوضوية الفائقة، مما يشير إلى أن استخدام الخرائط الفوضوية المنفصلة يمكن أن يحسن الكفاءة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تنفيذ خوارزمية MIE على مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة (FPGAs) لتقييم أدائها في إعدادات الأجهزة، مما قد يعزز سرعات المعالجة وقدرات التشفير. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الورقة على أهمية دمج رؤى التحليل التشفيري في تصميم خوارزميات تشفير الصور، لا سيما استخدام المفاتيح الديناميكية أو المفاتيح لمرة واحدة للتخفيف من هجمات تسرب المفاتيح.
النتائج
في هذا القسم، يتم تقييم أداء خوارزمية MIE المقترحة بدقة باستخدام جهاز كمبيوتر مزود بمعالج Intel® Core™ i7-7500U وذاكرة RAM سعة 8 جيجابايت. تتضمن التحليلات صورًا معالجة تم تغيير حجمها إلى 256 × 256 بكسل، مأخوذة من قواعد بيانات USC-SIPI وMAR20، مع التركيز على مقاييس مثل متوسط الخطأ التربيعي (MSE)، نسبة الإشارة إلى الضوضاء (PSNR)، ومتوسط الخطأ المطلق (MAE) لقياس تشويه الصورة واختلافات البكسل. بالإضافة إلى ذلك، يتم إجراء اختبارات الانتروبيا لتقييم العشوائية ومقاومة الصور المشفرة للهجمات الإحصائية، بينما يتم استخدام تحليل تحويل فورييه المنفصل (DFT) واختبارات الارتباط المتقاطع للبكسل لفحص أنماط المجال الترددي واضطرابات العلاقات المكانية، على التوالي.
تشمل التقييمات أيضًا تقييم حساسية خوارزمية MIE لتغيرات المدخلات، ومساحة المفاتيح الواسعة المصممة للتخفيف من هجمات القوة الغاشمة، وتطبيق اختبارات إحصائية من NIST لتحليل عشوائية الصور المشفرة بشكل أكبر. يتم قياس فعالية الخوارزمية من حيث وقت التشفير، جنبًا إلى جنب مع تحليل صندوق S لعدم الخطية (NL) والتعقيد. يتم استخدام إصدار 13.1 من Wolfram Mathematica® لهذه الحسابات، مستفيدًا من قدراته في المعالجة المتوازية. بشكل عام، تؤكد هذه التقييمات الشاملة على فعالية خوارزمية MIE في حماية الصور الفضائية.
المناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، يتم توضيح العناصر الأساسية لخوارزمية MIE (تشفير الصور المتعددة) المقترحة، مع تسليط الضوء على تكاملها لمجموعة متنوعة من الأنظمة الرياضية والتشفيرية والفوضوية لتعزيز القوة والكفاءة والأمان. يتم فحص تقنيات رئيسية مثل الارتباك الإضافي، تحليل القيمة الفردية (SVD)، تشفير RC5، وتشفير وضع العد. يستخدم الارتباك الإضافي الجمع المودولي لإخفاء أنماط البكسل في الصور، مما يضمن أن التغييرات الطفيفة في قيم البكسل تؤدي إلى تغييرات كبيرة في الناتج المشفر، مما يعيق الهجمات الإحصائية. يتم استخدام SVD لتحسين المصفوفات، مما يمكّن من إنشاء مفاتيح فعالة وتحليل تشفيري، بينما يُلاحظ أن تشفير RC5 يتمتع بمرونته وكفاءته في عمليات التشفير.
تتناول المناقشة أيضًا الأنظمة الفوضوية الفائقة، بما في ذلك الأنظمة الفوضوية الميمريستيفية والأنظمة الفوضوية 6D، التي يتم الاستفادة منها بسبب عدم قابليتها للتنبؤ في التطبيقات التشفيرية. يتم تقديم تشفير هيل كطريقة كلاسيكية تستخدم العمليات المصفوفية لتشفير الكتل، مما يعزز الأمان من خلال هيكلها الجبري. بالإضافة إلى ذلك، يتم تسليط الضوء على مولد الأعداد العشوائية الزائفة بلوم بلوم شوب (BBS) لأمانه القوي، الذي يعتمد على صعوبة حساب تحليل الأعداد الصحيحة. تجمع خوارزمية MIE المقترحة بين هذه العناصر المتنوعة لإنشاء إطار شامل لتشفير الصور الفضائية المعززة، مما يضمن أمانًا عاليًا وكفاءة حسابية مع معالجة خصائص الضوضاء المتأصلة في الصور الفضائية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-92065-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40118872
Publication Date: 2025-03-21
Author(s): Wassim Alexan et al.
Primary Topic: Chaos-based Image/Signal Encryption
Overview
The research paper presents a novel multiple image encryption (MIE) algorithm aimed at enhancing the security of satellite imagery, which is crucial for national security and environmental monitoring. The MIE algorithm addresses vulnerabilities in existing encryption methods by employing a combination of hyperchaotic systems, Singular Value Decomposition (SVD), counter mode RC5 encryption, a chaos-based Hill cipher, and a custom S-box generated through a modified Blum Blum Shub (BBS) algorithm. The encryption process involves merging multiple satellite images into an augmented image and processing each RGB channel through four stages: additive confusion with a hyperchaotic key, RC5 encryption with XOR operations, Hill cipher encryption, and substitution with the custom S-box. Experimental results indicate that the MIE algorithm exhibits superior encryption efficiency, enhanced randomness, and strong resistance to various cryptanalytic attacks, thereby ensuring the confidentiality and robustness of satellite imagery.
The study concludes that the MIE algorithm effectively safeguards image data integrity and confidentiality while enabling real-time encryption capabilities necessary for high-throughput satellite imagery processing. However, it identifies a limitation in its reliance on numerical solutions of hyperchaotic systems, suggesting that the use of discrete chaotic maps could improve efficiency. Future research directions include implementing the MIE algorithm on Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) to assess its performance in hardware settings, potentially enhancing processing speeds and encryption capabilities. Additionally, the paper emphasizes the importance of incorporating cryptanalysis insights into the design of image encryption algorithms, particularly the use of dynamic or one-time keys to mitigate key leakage attacks.
Results
In this section, the performance of the proposed MIE algorithm is rigorously evaluated using a computer with an Intel® Core™ i7-7500U CPU and 8 GB of RAM. The analysis involves processed images resized to 256 × 256 pixels, sourced from the USC-SIPI and MAR20 databases, with a focus on metrics such as Mean Squared Error (MSE), Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR), and Mean Absolute Error (MAE) to quantify image distortion and pixel discrepancies. Additionally, entropy tests are conducted to assess the randomness and resistance of the encrypted images to statistical attacks, while Discrete Fourier Transform (DFT) analysis and pixel cross-correlation tests are employed to examine frequency domain patterns and spatial relationship disruptions, respectively.
The evaluation also includes an assessment of the MIE algorithm’s sensitivity to input variations, its extensive key space designed to mitigate brute-force attacks, and the application of NIST statistical tests to further analyze the randomness of the encrypted images. The effectiveness of the algorithm is measured in terms of encryption time, alongside an analysis of the S-box for non-linearity (NL) and complexity. Wolfram Mathematica® version 13.1 is utilized for these computations, leveraging its parallel processing capabilities. Overall, these comprehensive evaluations underscore the MIE algorithm’s effectiveness in safeguarding satellite images.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the foundational elements of the proposed MIE (Multi-Image Encryption) algorithm are elaborated upon, highlighting its integration of various mathematical, cryptographic, and chaotic systems to enhance robustness, efficiency, and security. Key techniques such as additive confusion, Singular Value Decomposition (SVD), the RC5 block cipher, and counter mode encryption are examined. Additive confusion employs modular addition to obscure pixel patterns in images, ensuring that even minor changes in pixel values lead to significant alterations in the encrypted output, thus thwarting statistical attacks. SVD is utilized for matrix optimization, enabling effective key creation and cryptanalysis, while the RC5 cipher is noted for its adaptability and efficiency in encryption processes.
The discussion also delves into hyperchaotic systems, including memristive and 6D hyperchaotic systems, which are leveraged for their unpredictability in cryptographic applications. The Hill cipher is presented as a classical method that utilizes matrix operations for block encryption, enhancing security through its algebraic structure. Additionally, the Blum Blum Shub (BBS) pseudo-random number generator is highlighted for its robust security, relying on the computational difficulty of integer factorization. The proposed MIE algorithm combines these diverse elements to create a comprehensive framework for encrypting augmented satellite images, ensuring high security and computational efficiency while addressing noise characteristics inherent in satellite imagery.