[论文解读] Color Image Encryption Based on Chaotic Block Permutation and XOR Operation

Raneem A. Aboughalia, Osama A. S. Alkishriwo|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2018

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 7被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于混沌块置换与XOR运算的彩色图像加密方案，以提升安全性和速度。通过将图像划分为多个块，利用混沌映射生成两组密钥流，使用其中一组密钥流对图像块进行置换，另一组密钥流通过XOR运算实现置乱，从而实现高安全性、大密钥空间，并有效抵抗常见攻击，经全面性能分析验证。

ABSTRACT

In this paper, chaotic block image permutation and XOR operation are performed to achieve image encryption. The studied method of encryption makes use of chaotic systems properties for secure and speed image encryption. Firstly, the original image is divided into blocks of equal size. Then, two chaotic maps are used to generate two key streams which are permuted among themselves to produce one key steam. The image blocks are then shuffled using part of key stream. Finally, scrambled image is diffused by XOR operation with the key stream to get the encrypted image. The experimental results of several performance analyses about the pixel correlation, various statistical analysis, information entropy analysis, differential analysis, the key space and key sensitivity analysis, show that the algorithm can resist several know attacks effectively and has the advantages of large key space, high security, and high speed, assuring safety performance and secure image encryption.

研究动机与目标

• 开发一种适用于实时应用的快速且安全的彩色图像加密方法。
• 利用混沌系统生成复杂且不可预测的密钥流，以增强密码强度。
• 通过有效结合置换与置乱，解决现有图像加密方案中的安全漏洞。
• 确保对统计攻击、差分攻击和暴力破解攻击具有高度抵抗能力。
• 实现大密钥空间和对密钥变化的高度敏感性，以保障强大安全性。

提出的方法

• 将原始彩色图像划分为大小相等的图像块，以支持并行处理。
• 使用两个混沌映射（例如逻辑斯蒂映射和帐篷映射）生成两组独立的密钥流。
• 将两组密钥流相互置换，生成一组更复杂的单一密钥流。
• 利用生成的密钥流的一部分对图像块进行置换，以破坏像素间的空间相关性。
• 对置换后的图像使用剩余密钥流进行XOR运算置乱，实现像素级别的扩散。
• 完成全部置乱后获得最终加密图像，确保高度随机性和安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 混沌块置换与XOR置乱相结合是否能显著提升彩色图像加密的安全性？
• RQ2 所提出的方法在面对统计攻击、差分攻击和已知/ chosen-plaintext攻击时表现如何？
• RQ3 所提加密方案的密钥空间大小和密钥敏感性如何？
• RQ4 该方法在多大程度上降低了像素相关性并提高了信息熵？
• RQ5 该算法在实际应用中如何在加密速度与安全性之间取得平衡？

主要发现

• 所提方法的密钥空间超过10^110，使暴力破解在计算上不可行。
• 加密图像中像素相关性值降至接近零，表明空间冗余被有效破坏。
• 信息熵值接近理想的8.0，证实加密输出具有高度随机性。
• 该算法对密钥变化表现出高度敏感性，密钥发生微小改变时，像素差异数（NPCR > 99.6%）和统一平均变化强度（UACI ≈ 33.4%）显著升高。
• 统计与差分分析结果表明，该方法对常见密码分析攻击具有强抵抗能力。
• 由于采用分块处理及高效利用混沌映射与XOR运算，该方法实现了高速加密。