DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33365-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554824
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Mahmoud Karmany وآخرون
الموضوع الرئيسي: تشفير الصور/الإشارات المعتمد على الفوضى
نظرة عامة
تتناول هذه البحث التحدي الحاسم المتمثل في تأمين المعلومات البصرية ضد التهديدات السيبرانية المتقدمة من خلال اقتراح إطار تشفير صور متعدد المراحل. يدمج الإطار نظام لورينز الفوضوي، وخوارزمية التجزئة الآمنة 256 (SHA-256)، والمشي الكمي المستوحى من الزمن المتقطع (DTQWs) لتعزيز حساسية المفتاح والاستبدال الديناميكي. ينتج نظام لورينز تسلسلات انتشار حساسة للغاية من خلال عمليات معيارية بتية، بينما يقوم DTQW ببناء صناديق استبدال (S-Boxes) تعتمد على النص العادي لتحسين الارتباك وتقليل القابلية للتنبؤ الإحصائي. تقدم خوارزمية SHA-256 تجزئة تعتمد على الجلسة مع معلمات دوران العملة الكمية، مما يضمن التطور الديناميكي وحساسية النص العادي الجوهرية أثناء التشفير.
تؤكد المحاكاة الواسعة على أداء أمان المخطط المقترح، حيث تحقق قيمة إنتروبيا تبلغ 7.9999، ومعدل تغيير عدد البكسلات (NPCR) بنسبة 99.6%، وقيمة شدة متوسطة موحدة (UACI) تبلغ 33.5%. معامل الارتباط قريب من الصفر، مما يشير إلى عشوائية قوية، وتم تأكيد دقة فك التشفير مع نسبة إشارة إلى ضوضاء (PSNR) تساوي اللانهاية ومعامل ارتباط موحد (NCC) يساوي 1 لاسترداد بدون فقد. مقارنة بتقنيات التشفير الفوضوية والمستوحاة من الكم الموجودة، يظهر هذا الإطار متانة فائقة ضد الهجمات الإحصائية والتفاضلية، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتواصل الآمن للصور في أنظمة الوسائط المتعددة من الجيل التالي. ستهدف الأبحاث المستقبلية إلى توسيع هذا النموذج ليشمل الصور الملونة وثلاثية الأبعاد، واستكشاف جدولة المفاتيح التكيفية العصبية، والتحقيق في النشر في الوقت الحقيقي من خلال تسريع FPGA/GPU.
نقاش
تحدد قسم النقاش في ورقة البحث الأسس الرياضية والتشفيرية لمخطط التشفير المقترح الذي يدمج نظام لورينز الفوضوي، والإضافة المعيارية، والمشي الكمي المستوحى من الزمن المتقطع (DTQWs). يتم تعريف نظام لورينز بواسطة مجموعة من المعادلات التفاضلية العادية غير الخطية، التي تولد تسلسلات فوضوية تستخدم لتوليد المفاتيح والانتشار العالي في عملية التشفير. يتم استخدام عملية الإضافة المعيارية لتحويلات بكسل، مما يضمن بقاء قيم البكسل ضمن نطاق التدرج الرمادي. يقدم DTQWs مبادئ كمية مثل التراكب والتشابك، مما يعزز تعقيد وأمان التشفير من خلال توليد صناديق S ديناميكية حساسة للظروف الأولية وتغيرات النص العادي.
تتم هيكلة عملية التشفير في ثلاث مراحل، باستخدام تسلسلات فوضوية لأداء الإضافة المعيارية على مستوى البكسل تليها الاستبدالات من خلال DTQWs. يسمح هذا التصميم بارتباك تكيفي وانتشار محدد للجلسة، مما يحسن بشكل كبير المقاومة للهجمات التحليلية. تعكس عملية فك التشفير خطوات التشفير، مما يضمن إمكانية إعادة بناء الصورة الأصلية بدقة. تظهر مقاييس التقييم فعالية المخطط المقترح، مع نتائج تشير إلى إنتروبيا عالية، وتوزيعات هيستوغرام موحدة، ومعاملات ارتباط منخفضة بين البكسلات المجاورة، مما يؤكد متانته ضد الهجمات الإحصائية. بشكل عام، يعزز دمج الديناميات الفوضوية، ودوال التجزئة، والمبادئ الكمية ضمن إطار متماسك أمان وكفاءة نقل الصور الرقمية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33365-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554824
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Mahmoud Karmany et al.
Primary Topic: Chaos-based Image/Signal Encryption
Overview
This research addresses the critical challenge of securing visual information against advanced cyber threats by proposing a novel multistage image encryption framework. The framework integrates the Lorenz chaotic system, Secure Hash Algorithm 256 (SHA-256), and Discrete Time Quantum-inspired Walks (DTQWs) to enhance key sensitivity and dynamic substitution. The Lorenz system generates highly sensitive diffusion sequences through bitwise modular operations, while the DTQW constructs plaintext-dependent Substitution Boxes (S-Boxes) to improve confusion and reduce statistical predictability. The SHA-256 hash introduces session-dependent quantum coin rotation parameters, ensuring dynamic evolution and intrinsic plaintext sensitivity during encryption.
Extensive simulations validate the proposed scheme’s security performance, achieving an entropy value of 7.9999, a Number of Pixels Change Rate (NPCR) of 99.6%, and a Unified Average Intensity Value (UACI) of 33.5%. The correlation coefficients are close to zero, indicating strong randomness, and the decryption fidelity is confirmed with a Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) of infinity and a Normalized Correlation Coefficient (NCC) of 1 for lossless recovery. Compared to existing chaotic and quantum-inspired encryption techniques, this framework demonstrates superior robustness against statistical and differential attacks, making it a promising candidate for secure image communication in next-generation multimedia systems. Future research will aim to extend this model to color and 3D imagery, explore neural-adaptive key scheduling, and investigate real-time deployment through FPGA/GPU acceleration.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the mathematical and cryptographic foundations of a proposed encryption scheme that integrates the Lorenz chaotic system, modular addition, and discrete-time quantum-inspired walks (DTQWs). The Lorenz system is defined by a set of nonlinear ordinary differential equations, which generate chaotic sequences used for key generation and high diffusion in the encryption process. The modular addition operation is employed for pixel-wise transformations, ensuring that pixel values remain within the grayscale range. The DTQWs introduce quantum principles such as superposition and entanglement, enhancing the encryption’s complexity and security through the generation of dynamic S-boxes that are sensitive to initial conditions and plaintext variations.
The encryption process is structured in three stages, utilizing chaotic sequences to perform pixel-wise modular addition followed by substitutions through DTQWs. This design allows for adaptive confusion and session-specific diffusion, significantly improving resistance to cryptanalytic attacks. The decryption process mirrors the encryption steps, ensuring that the original image can be accurately reconstructed. Evaluation metrics demonstrate the effectiveness of the proposed scheme, with results indicating high entropy, uniform histogram distributions, and low correlation coefficients between adjacent pixels, confirming its robustness against statistical attacks. Overall, the integration of chaotic dynamics, hash functions, and quantum principles within a cohesive framework enhances the security and efficiency of digital image transmission.