[論文レビュー] Security Improvement of an Image Encryption Based on mPixel-Chaotic-Shuffle and Pixel-Chaotic-Diffusion

Musheer Ahmad, Hamed D. Al-Sharari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 26被引用数 11

ひとこと要約

この論文では、mPixel-Chaotic-Shuffleを再考し、新しいPixel-Chaotic-Diffusion機構を導入することで、混沌的画像暗号化方式を改善した。両者に共通する混沌的シーケンスを用いることで、シャッフルと拡散の両方を実現している。強化された方式は chosen-plaintext 攻撃および known-plaintext 攻撃に対して耐性を示し、元のアルゴリズムと比較して優れた統計的特性を達成している。

ABSTRACT

In this paper, we propose to improve the security performance of a recently proposed color image encryption algorithm which is based on multi-chaotic systems. The existing cryptosystem employed a pixel-chaotic-shuffle mechanism to encrypt images, in which the generation of shuffling sequences are independent to the plain-image/cipher-image. As a result, it fails to the chosen-plaintext and known-plaintext attacks. Moreover, the statistical features of the cryptosystem are not up to the standard. Therefore, the security improvements are framed to make the above attacks infeasible and enhance the statistical features as well. It is achieved by modifying the pixel-chaotic-shuffle mechanism and adding a new pixel-chaotic-diffusion mechanism to it. The keys for diffusion of pixels are extracted from the same chaotic sequences generated in the previous stage. The simulation analyses and studies are performed to demonstrate that the updated version of cryptosystem has better statistical features and resistant to the chosen-plaintext and known-plaintext attacks than the existing algorithm.

研究の動機と目的

• マルチ混沌的システムに基づく既存の画像暗号化方式におけるセキュリティ上の脆弱性を是正すること。
• 平文画像に依存するシャッフルを導入することで、chosen-plaintext 攻撃および known-plaintext 攻撃に対する感受性を排除すること。
• 暗号化画像の統計的特徴を、標準的なセキュリティ基準を満たすように向上させること。
• シャッフル段階で使用された同じ混沌的シーケンスを拡散段階でも利用する新たな拡散機構を統合し、セキュリティを強化すること。
• 包括的なシミュレーションと分析を通じて、強化された方式の頑健性を検証すること。

提案手法

• 平文画像の画素値に基づいてシャッフルシーケンスを生成するように、mPixel-Chaotic-Shuffle機構を変更し、入力から独立した構造を排除した。
• 新しいPixel-Chaotic-Diffusion機構を導入し、拡散鍵をシャッフル段階で使用された同じ混沌的シーケンスから導出する。
• マルチ混沌的システムを用いて混沌的シーケンスを生成し、高いエントロピーと予測不能性を確保した。
• 拡散処理では、混沌的値を用いたビット単位のXOR演算とモジュロ加算を適用し、データ依存的な方法で画素強度を変更した。
• 暗号化プロセス全体を2段階に構成した：シャッフル段階と拡散段階で、両者とも同じ混沌的システムに依存する。
• セキュリティ評価は、統計的テスト、鍵感度分析、暗号解析耐性の検証を通じて実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平文画像に依存するシャッフルを導入することで、提案方式が chosen-plaintext 攻撃に対して耐性を示せるか？
• RQ2 データ依存的な拡散機構の統合により、known-plaintext 攻撃に対する耐性が向上するか？
• RQ3 暗号化画像の統計的特徴が、元の方式と比較してどの程度向上しているか？
• RQ4 シャッフルと拡散の両段階で共通する混沌的シーケンスを使用することで、全体のセキュリティがどの程度強化されるか？
• RQ5 強化された方式における鍵感度と拡散効果のレベルはどの程度か？

主な発見

• 平文画像に依存するシャッフルと拡散のおかげで、改善された方式は chosen-plaintext 攻撃および known-plaintext 攻撃に対して効果的に耐性を示した。
• 統計的分析の結果、暗号化画像は均等な画素分布を示し、隣接画素間の相関が低かった。
• 鍵の変更に対して高い感度を示し、わずかな鍵の変更に対しても多数の画素が変化した。
• 鍵の変更に伴う暗号化画像内の画素変更数は、全画素数の99％以上に達し、強力な拡散効果を示した。
• 提案手法は、理想の8.0に近い高いエントロピー値を達成しており、暗号化出力の高さのランダムネスを確認した。
• シミュレーション結果から、改善されたアルゴリズムが、すべてのテストされたセキュリティおよび統計的指標において、元の方式を上回ることが確認された。