[논문 리뷰] Image Encryption Decryption Using Chaotic Logistic Mapping and DNA Encoding

Sakshi Patel, K P Bharath외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 14.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 키 생성을 위한 혼돈 로지스틱 맵과 강화된 확산을 위한 DNA 인코딩을 조합한 새로운 이미지 암호화 기법을 제안한다. 32비트 ASCII 비밀 키를 통합하고 혼돈 동역학과 생물학적으로 영감을 받은 인코딩을 활용함으로써, 기존의 로지스틱 맵만을 사용한 암호화보다 PSNR 및 SSIM 지표에서 뛰어난 보안성과 강건성을 확보한다.

ABSTRACT

In this paper we have proposed a method that uses chaotic logistic mapping and DNA encoding to encrypt the image. A 32 bit ASCII private key is used to diffuse the image. The results demonstrated clearly show that encryption algorithm based on chaotic logistic mapping and DNA encoding gives better result than encrypting only with chaotic logistic mapping. The proposed method also takes into account the possible parametric like Peak Signal to Noise Ratio and Structure Similarity.

연구 동기 및 목표

• 혼돈 시스템과 생물학적으로 영감을 받은 DNA 인코딩을 융합하여 이미지 암호화 보안성을 향상시키기 위해.
• 낮은 확산성과 알려진/선택된 평문 공격에 취약한 전통적인 혼돈 이미지 암호화의 한계를 해결하기 위해.
• 혼돈 키 생성과 DNA 기반 비트 수준 변환의 이중 레이어 보안을 통해 암호화 품질을 향상시키기 위해.
• 피크 신호 대 잡음비 (PSNR) 및 구조적 유사도 (SSIM)와 같은 표준 지표를 사용하여 성능을 평가하기 위해.
• 혼합 기법이 단일 방법의 혼돈 로지스틱 맵 기반 암호화보다 우수하다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 32비트 ASCII 비밀 키를 사용하여 혼돈 로지스틱 맵을 초기화하여 가짜 랜덤 수열을 생성한다.
• 로지스틱 맵은 이미지의 픽셀 위치를 뒤섞는 데 사용되는 혼란을 유도하는 혼돈 수열을 생성한다.
• 변환된 이미지 데이터에 대해 픽셀 값들을 DNA 뉴클레오티드 시퀀스(A, T, C, G)로 변환하여 DNA 인코딩을 적용한다.
• DNA 규칙을 사용하여 XOR, 덧셈, 치환과 같은 DNA 연산을 수행하여 데이터를 더욱 확산시킨다.
• 최종적으로 DNA 복호화 및 역순서 정렬 단계를 적용함으로써 암호화된 이미지를 확보한다.
• 복호화 과정은 동일한 비밀 키와 동일한 DNA 규칙을 사용하여 단계를 반대로 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DNA 인코딩을 혼돈 로지스틱 맵에 통합할 경우 이미지 암호화 보안성이 상당히 향상되는가?
• RQ2 제안된 방법은 PSNR 및 SSIM 측면에서 로지스틱 맵만을 사용한 암호화와 비교해 어떻게 성능을 냈는가?
• RQ3 32비트 ASCII 키의 사용이 키 공간을 확대하고 암호 분석에 대한 저항력을 향상시키는가?
• RQ4 DNA 기반 확산이 암호화된 이미지의 통계적 상관관계를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ5 기존의 혼돈 암호화에 비해 알려진/선택된 평문 공격에 대해 제안된 기법이 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 단순히 로지스틱 맵만을 사용한 암호화보다 더 높은 PSNR 및 SSIM 값을 확보하여 암호화된 이미지에서 더 나은 구조적 및 시각적 품질 유지 능력을 보여준다.
• 혼돈 로지스틱 맵과 DNA 인코딩의 조합은 픽셀 값의 분포를 더욱 균일하게 만들어 통계적 공격에 대한 저항력을 높인다.
• 32비트 ASCII 비밀 키의 사용은 키 공간을 증대시켜 브루트 포스 공격을 계산적으로 불가능하게 만든다.
• DNA 인코딩 레이어는 확산을 크게 향상시켜 픽셀 상관관계를 감소시키고 암호화 출력의 무작위성을 증가시킨다.
• 이중 레이어 혼란 및 확산 메커니즘 덕분에 이중 레이어 혼란 및 확산 메커니즘 덕분에 알려진/선택된 평문 공격에 대해 강력한 저항성을 보여준다.
• 실증 결과는 하이브리드 기법이 보안성과 성능 지표 모두에서 단일 방법의 혼돈 암호화보다 뛰어나다는 것을 확인한다.