[論文レビュー] Fisher-Yates Chaotic Shuffling Based Image Encryption

Swaleha Saeed, M. Sarosh Umar+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、鍵に依存する区分線形力学的写像（PWLCM）を用いてウェーブレット領域でフィッシャー＝イェイツシャッフルを実行する、安全なグレースケール画像暗号化方式を提案する。この手法はまず画像をハールウェーブレット変換し、近似係数に力学的シャッフルを適用した後、同一の力学的写像から得られるキーストリームを用いて自己鍵式の拡散とミキシングを実行し、高いエントロピー（最大7.9972）、NPCRが約99.64%に近く、統計的および微分攻撃に対して強い耐性を示す。

ABSTRACT

In Present era, information security is of utmost concern and encryption is one of the alternatives to ensure security. Chaos based cryptography has brought a secure and efficient way to meet the challenges of secure multimedia transmission over the networks. In this paper, we have proposed a secure Grayscale image encryption methodology in wavelet domain. The proposed algorithm performs shuffling followed by encryption using states of chaotic map in a secure manner. Firstly, the image is transformed from spatial domain to wavelet domain by the Haar wavelet. Subsequently, Fisher Yates chaotic shuffling technique is employed to shuffle the image in wavelet domain to confuse the relationship between plain image and cipher image. A key dependent piece-wise linear chaotic map is used to generate chaos for the chaotic shuffling. Further, the resultant shuffled approximate coefficients are chaotically modulated. To enhance the statistical characteristics from cryptographic point of view, the shuffled image is self keyed diffused and mixing operation is carried out using keystream extracted from one-dimensional chaotic map and the plain-image. The proposed algorithm is tested over some standard image dataset. The results of several experimental, statistical and sensitivity analyses proved that the algorithm provides an efficient and secure method to achieve trusted gray scale image encryption.

研究の動機と目的

• 空間ドメインにおけるシャッフルの限界を是正するため、ピクセルの再配置ですら統計的性質を破壊できないこと。
• 高ピクセル相関性を示す大容量画像データに適用する際、AES や DES のような従来の暗号方式が非効率的で、拡散性に欠けること。
• 区分線形力学的写像を用いてウェーブレットドメイン変換、力学的シャッフル、自己鍵式拡散を統合することで、セキュリティを強化すること。
• 包括的な暗号解析を通じて、統計的・微分的および既知平文／選択平文攻撃に対して耐性を持つことを確認すること。
• 軍事的・医療的システムにおけるリアルタイム応用に適した、高速で効率的かつ安全な画像暗号化手法を提供すること。

提案手法

• 画像はハールウェーブレット変換を用いて空間ドメインからウェーブレットドメインに変換され、シャッフルの対象は主に近似係数に集中する。
• 鍵に依存する区分線形力学的写像（PWLCM）が、フィッシャー＝イェイツシャッフル用のランダムインデックスを生成し、シャッフルが秘密で予測不能であることを保証する。
• フィッシャー＝イェイツシャッフルが、近似ウェーブレット係数に対してインプレースで適用され、位置のランダム化と空間相関の破壊が行われる。
• シャッフルされた近似係数は、同一のPWLCMから得られるキーストリームを用いて力学的に変調され、混乱と拡散が強化される。
• シャッフルされた画像に対して、PWLCMと元の平文画像から得られるキーストリームを用いた自己鍵式拡散処理が適用され、統計的パターンの隠蔽がさらに強化される。
• 拡散された画像とキーストリームとの間にミキシング処理が実行され、既知平文／選択平文攻撃に対する耐性が強化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間ドメインシャッフルと比較して、ウェーブレットドメインにおけるフィッシャー＝イェイツシャッフルは、グレースケール画像のピクセル相関を顕著に低減できるか？
• RQ2 鍵に依存する区分線形力学的写像（PWLCM）の統合は、シャッフルプロセスのランダムネスとセキュリティを向上させるか？
• RQ3 平文画像と力学的キーストリームの両方を用いた自己鍵式拡散は、統計的および微分暗号解析に対してどれほど耐性を向上させるか？
• RQ4 NPCR、エントロピー、相関係数といった提案された指標は、既知攻撃に対して暗号化方式の強固さをどのように示すか？
• RQ5 提案されたアルゴリズムは、軍事的・医療的画像システムのような帯域制限のある環境でも、リアルタイムでの安全な送信に十分な効率性を有しているか？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは平均情報エントロピー7.9970ビットを達成しており、理想的な値8に非常に近く、グレースケール値のほぼ一様分布と最小限の情報漏洩を示している。
• テストデータセット全体での平均NPCR値は99.63%であり、99.6094%の閾値を上回っており、平文の変更に対して高い感度と微分攻撃に対する強い耐性を確認している。
• 暗号画像における隣接ピクセル間の相関係数はほぼゼロにまで低下（例：Peppers画像の垂直方向で-0.0698）、効果的な拡散と空間冗長性の消失を示している。
• 標準的なグレースケール画像（例：Lenaでは14.12秒）において、暗号化および復号化時間は常に16秒未満であり、中程度のハードウェアでも効率的な性能を示している。
• 鍵の変更に対して極めて高い感度を示しており、1ビットの鍵変更で完全に異なる暗号画像が生成され、強力なアバランチ効果が確認された。
• ウェーブレット変換、力学的シャッフル、自己鍵式拡散の組み合わせにより、実用的で安全かつ効率的な画像暗号化方式が実現され、リアルタイムでの安全な送信に適している。