[论文解读] An Inter-Component Pixels Permutation Based Color Image Encryption Using Hyper-chaos

Musheer Ahmad, Hamed D. Al-Sharari|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用 6

一句话总结

本文提出一种基于三维Arnold变换进行分量间像素置换、并利用二维超混沌映射实现混淆的超混沌彩色图像加密方案。该方法通过从明文图像中提取参数并采用密文块链接模式，使加密过程依赖于明文图像，从而确保高安全性并抵抗密码分析攻击，在基于仿真的评估中表现出优异性能。

ABSTRACT

In this paper, a simple and robust color image encryption algorithm based on high-dimensional chaotic maps is proposed. The algorithm employs a 3D Arnold transform to perform inter-component shuffling of plain-image, while a 2D hyper-chaotic map is used to confuse the relationship between the encrypted image and plain-image. The control parameters of Arnold transform are extracted from pending plain-image, thereby establishing a dependency to the plain-image. The confusion process is carried out in cipher-block chaining mode to make it dependent to the encrypted image. This makes the algorithm able to resist the cryptographic attacks. The performance of the proposed algorithm is analyzed through computer simulations. The experimental analyses show that the proposed algorithm has desirable properties of high security, robustness to cryptographic attacks and practicability to protect multimedia color images.

研究动机与目标

• 设计一种对密码分析攻击具有强抵抗能力且计算高效的彩色图像加密算法。
• 利用高维混沌系统增强彩色图像加密中的混淆与扩散特性。
• 通过从图像本身动态提取参数，建立加密过程与明文图像之间的依赖关系。
• 在混淆阶段采用密文块链接（CBC）模式，提升算法的鲁棒性。
• 通过仿真验证，确保该方法在多媒体彩色图像保护中的实际可用性。

提出的方法

• 该算法使用三维Arnold变换对图像的R、G、B三个颜色分量中的像素进行置换。
• 三维Arnold变换的控制参数由明文图像生成，确保加密过程与图像内容相关。
• 采用二维超混沌映射生成伪随机序列，实现混淆，破坏明文与密文图像之间的统计关联。
• 混淆过程以密文块链接（CBC）模式实施，使每一步的加密结果依赖于前一密文块。
• 分量间置换与超混沌混淆的结合显著提升了对已知攻击的抵抗能力。
• 整个加密流程设计高效，适用于实时多媒体应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 分量间像素置换在多大程度上提升了彩色图像加密的安全性？
• RQ2 使用超混沌系统在多大程度上增强了混淆效果并提高了对密码分析的抵抗能力？
• RQ3 从明文图像中动态提取参数是否能增强加密过程的依赖性与安全性？
• RQ4 采用密文块链接模式对加密方案的安全性与鲁棒性有何影响？
• RQ5 该算法在安全性与效率方面的实际性能特征如何？

主要发现

• 所提算法因通过动态提取参数实现与明文图像的强依赖关系，因而具备高安全性。
• 采用二维超混沌映射有效破坏了统计关联性，显著降低了密文图像中相邻像素之间的相关性。
• 仿真结果表明，该算法能有效抵抗常见密码分析攻击，包括选择明文攻击与已知明文攻击。
• 该算法在实际多媒体图像加密应用中表现出良好的鲁棒性与实用性。
• 三维Arnold置换与超混沌混淆的结合显著提升了扩散与混淆特性。
• 该方法计算效率高，适用于彩色图像的实时传输。