[논문 리뷰] Colored Image Encryption and Decryption Using Chaotic Lorenz System and DCT2

Mohammed Alsaedi|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 11.

Chaos-based Image/Signal Encryption인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 키 생성을 위해 혼돈론적 로렌츠 시스템과 에너지 농축을 위해 2차원 이산余弦변환(DCT2)을 조합한 안전한 색상 이미지 암호화 기법을 제안한다. 결정론적 혼돈을 이용해 키 동기화를 이루고, 저주파수 DCT 계수에 에너지를 집중시킴으로써, 이동 매개변수를 가진 세 개의 서로 다른 키를 고에너지 성분에 적용하여 비선형 스캐러빙을 구현함으로써 강한 상관관계 감소와 높은 보안성을 달성하였으며, 통계적 분석과 시뮬레이션 결과를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

In this paper, a scheme for the encryption and decryption of colored images by using the Lorenz system and the discrete cosine transform in two dimensions (DCT2) is proposed. Although chaos is random, it has deterministic features that can be used for encryption; further, the same sequences can be produced at the transmitter and receiver under the same initial conditions. Another property of DCT2 is that the energy is concentrated in some elements of the coefficients. These two properties are used to efficiently encrypt and recover the image at the receiver by using three different keys with three different predefined number of shifts for each instance of key usage. Simulation results and statistical analysis show that the scheme high performance in weakening the correlation between the pixels of the image that resulted from the inverse of highest energy values of DCT2 that form 99.9 % of the energy as well as those of the difference image.

연구 동기 및 목표

• 색상 이미지의 픽셀 상관관계를 감소시켜 통계적 공격에 강건한 이미지 암호화 방법을 개발하기.
• 로렌츠 혼돈 시스템의 결정론적이지만 예측 불가능한 성질을 활용해 송신기와 수신기에서 동기화된 키 생성하기.
• DCT2의 에너지 농축 성질을 활용해 가장 중요한 계수를 대상으로 하여 효율적이고 안전한 암호화 수행하기.
• 구성 가능한 이동 매개변수를 가진 다중 키 메커니즘을 도입하여 보안성과 키 민감도 향상하기.
• 통계적 분석과 시뮬레이션을 통해 성능 평가를 수행하여 상관관계, 엔트로피, 차이 이미지 지표에 중점을 두기.

제안 방법

• 로렌츠 시스템이 의사난수 키로 사용되는 혼돈 시퀀스를 생성하며, 동일한 초기 조건 하에서 암호화 및 복호화 단에서 동일한 키 스트림을 보장한다.
• 색상 이미지는 R, G, B 색상 채널로 분할되며, 각 채널은 공간 도메인 데이터를 주파수 도메인 계수로 변환하기 위해 DCT2 변환을 독립적으로 처리한다.
• DCT2 계수는 에너지 농축 기반으로 재정렬되며, 총 에너지의 99.9%를 차지하는 고에너지 성분이 수정 대상으로 지정된다.
• 세 개의 서로 다른 키가 다른 이동 매개변수를 가진 채널에 적용되어 혼돈 시퀀스 기반의 비선형 스캐러빙을 구현한다.
• 수정된 계수에 대해 역 DCT2를 적용하여 공간 도메인에서 암호화된 이미지를 재구성한다.
• 복호화는 동일한 키와 초기 조건을 사용하여 역 DCT2 및 키 동기화를 통해 원본 이미지를 복원하는 과정을 반복한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼돈론적 로렌츠 시스템이 이미지 암호화 및 복호화를 위한 동기화된 안전한 키를 효과적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 DCT2 기반의 에너지 농축이 암호화된 색상 이미지의 보안성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 다중 키, 다중 이동 매개변수 접근법은 픽셀 상관관계 감소 및 통계적 공격에 대한 저항력 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 가장 높은 에너지 DCT 계수만 수정하는 것이 이미지 품질과 보안성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 암호화된 이미지와 차이 이미지의 통계적 성질이 원본과 비교하여 어떻게 다를까?

주요 결과

• 제안된 기법은 암호화된 이미지에서 인접 픽셀 간의 상관관계를 크게 약화시키며, 특히 가장 높은 에너지 DCT2 계수를 뒤집음으로써 효과를 발휘한다.
• 원본 이미지와 암호화된 이미지 간의 차이 이미지는 낮은 상관관계를 보이며, 차별 공격에 대한 강력한 저항성을 나타낸다.
• DCT2의 에너지 농축 성질은 이미지 에너지의 99.9%를 소수의 계수에 집중시켜 암호화에 효율적으로 대상으로 삼을 수 있도록 한다.
• 다른 이동 매개변수를 가진 세 개의 서로 다른 키를 사용함으로써 키 민감도가 향상되고, 효과적인 키 공간이 증가하여 보안성이 향상된다.
• 통계적 분석 결과, 암호화된 이미지에서 높은 엔트로피와 균일한 분포가 확인되어 강력한 난수성과 암호 해독 공격에 대한 저항성을 나타낸다.
• 시뮬레이션 결과는 암호화 및 복호화 과정에서 최소한의 왜곡과 높은 정밀도 복원을 달성하며 높은 성능을 보임을 입증한다.