[논문 리뷰] Fisher-Yates Chaotic Shuffling Based Image Encryption

Swaleha Saeed, M. Sarosh Umar외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 28.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 13인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 파라미터에 따라 결정되는 조각별 선형 혼돈 맵(PWLCM)을 사용하여 웨이블릿 도메인에서 푸르스-예이츠 셔플링을 적용한 안전한 회색조 이미지 암호화 기법을 제안한다. 방법은 먼저 이미지를 하르 웨이블릿 변환을 통해 변환하고, 근사 계수에 혼돈 셔플링을 적용한 후, 동일한 혼돈 맵에서 유도된 키스트림을 사용하여 자체 키 기반 확산 및 혼합을 수행하여 높은 엔트로피(최대 7.9972), NPCR 값이 약 99.64%에 근접하고 통계적 및 차등 공격에 강한 저항성을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이미지 암호화에서 공간 도메인 셔플링의 한계를 해결하기 위해, 픽셀 재정렬에도 불구하고 통계적 성질을 해치지 않는 문제를 해결하고자 한다.
• 대규모 이미지 데이터에서 픽셀 간 상관관계가 높은 경우 기존 암호화 방식인 AES 및 DES의 비효율성과 열악한 확산 성능을 해결하고자 한다.
• 조각별 선형 혼돈 맵를 활용한 웨이블릿 도메인 변환, 혼돈 셔플링, 자체 키 기반 확산의 조합을 통해 보안성을 향상시키고자 한다.
• 종합적인 암호 해석 분석을 통해 통계적, 차등 공격 및 알려진/선택 평문 공격에 대한 강건성을 확보하고자 한다.
• 군사 및 의료 시스템과 같은 실시간 응용에 적합한 빠르고 효율적이며 안전한 이미지 암호화 방법을 제공하고자 한다.

제안 방법

• 이미지가 공간 도메인에서 하르 웨이블릿 변환을 통해 웨이블릿 도메인으로 변환되며, 셔플링을 위해 근사 계수에 집중한다.
• 키에 따라 결정되는 조각별 선형 혼돈 맵(PWLCM)이 푸르스-예이츠 셔플링을 위한 무작위 인덱스를 생성하여 셔플링이 비밀이 되고 예측 불가능하게 보장한다.
• 푸르스-예이츠 셔플링이 근사 웨이블릿 계수에 대해 직접 적용되어 위치를 무작위화하고 공간 상관관계를 파괴한다.
• 셔플된 근사 계수는 동일한 PWLCM에서 생성된 키스트림을 사용하여 혼돈적으로 변조되어 혼란도와 확산도를 향상시킨다.
• 셔플된 이미지에 대해 PWLCM에서 유도된 키스트림과 원본 평문 이미지를 기반으로 한 자체 키 기반 확산 과정을 적용하여 통계적 패턴을 더욱 은폐한다.
• 확산된 이미지와 키스트림 간의 혼합 연산을 수행하여 알려진/선택 평문 공격에 대한 저항력을 강화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간 도메인 셔플링에 비해 웨이블릿 도메인 내 푸르스-예이츠 셔플링이 회색조 이미지의 픽셀 상관관계를 현저히 감소시키는가?
• RQ2 키에 따라 결정되는 조각별 선형 혼돈 맵(PWLCM)의 통합이 셔플링 과정의 무작위성과 보안성을 향상시키는가?
• RQ3 평문 이미지와 혼돈 키스트림을 모두 활용한 자체 키 기반 확산이 통계적 및 차등 암호 분석에 대한 저항성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 NPCR, 엔트로피, 상관 계수와 같은 제안된 지표들이 알려진 공격에 대한 암호화 기법의 강건성을 어떻게 입증하는가?
• RQ5 제안된 알고리즘이 군사 또는 의료 영상 시스템과 같은 대역폭 제약 환경에서 실시간 보안 전송에 충분히 효율적인가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 평균 정보 엔트로피가 7.9970비트를 기록하여 이상치인 8에 매우 가까운 수준을 보이며, 회색 수준 값의 근사 균일 분포와 최소한의 정보 泄露를 의미한다.
• 시험 데이터셋 전체에 걸쳐 평균 NPCR 값은 99.63%로, 99.6094%의 기준을 초과하여 평문 변경에 대한 높은 민감도와 차등 공격에 대한 강력한 저항성을 확인한다.
• 암호화 이미지 내 인접 픽셀 간 상관계수는 근본적으로 0에 수렴(예: Peppers의 수직 방향에서 -0.0698)하여 효과적인 확산과 공간 레이더의 손실을 입증한다.
• 표준 회색조 이미지에 대해 암호화 및 복호화 시간이 항상 16초 이내로 유지되며(예: Lena의 경우 14.12초), 보통 하드웨어에서도 높은 성능을 보인다.
• 키 변경에 매우 민감하여 단 한 비트의 키 변경만으로도 완전히 다른 암호화 이미지가 생성되며, 강력한 앤젤 효과를 확인한다.
• 웨이블릿 변환, 혼돈 셔플링, 자체 키 기반 확산의 조합은 실시간 보안 전송에 적합한 강력하고 안전하며 효율적인 이미지 암호화 기법을 제공한다.