بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با گسترش روزافزون ارتباطات دیجیتالی و علوم کامپیوتر حفظ امنیت برای تصویر، ویدئو و سایر اطلاعات دیجیتالی، توجه زیادی را به خود جلب کرده است و رمزنگاری یکی از راه های حفظ امنیت برای این نوع اطلاعات به حساب می آید. رمزنگاری تصویر، با توجه به خصوصیات ذاتی تصویر از جمله، حجم بالای داده و وجود همبستگی زیاد بین پیکسلها، دارای تفاوتهایی با رمزنگاری متن است.
به همین علت، روشهای کلاسیک رمزنگاری، روشهای مناسبی برای استفاده در رمزنگاری تصاویر نیستند. از اینرو محققان، روشهای جدیدی را برای رمزنگاری تصاویر ارائه دادهاند. در این میان، روشهایی مبتنی بر توابع آشوب هستند، با دارا بودن ویژگیهای مثبت فراوان، توجه زیادی را به خود جلب نمودهاند. هدف ما در این مقاله مطالعه و ارزیابی روش های ارائه شده بر پایه استفاده از مزایای توابع آشوب در رمزنگاری تصاویر است.
-1 مقدمه
با استفاده گستردهی کامپیوترها و فراگیر شدن اینترنت، انتقال دادههای تصویری روز به روز در حال افزایش است. دادههای تصویری یکی از اساسیترین و مهمترین ابزارهای بیان اطلاعات برای انسان هستند. در نتیجه نیاز است تا دادهها و اطلاعات تصویری از قبیل تصاویری که با ماهوارهها نظامی فرستاده میشوند و عکسبرداریهایی که توسط سیستمهای تسلیحاتی جدید و یا نمودارها و نقشههای سازمانها و موسسات مهم و حساس و غیره، توسط فرستنده و گیرنده رمز شوند مطابق با قوانین ارتباطی حاکم، این اطلاعات باید با حفظ محرمانگی کامل انتقال یابند. بنابراین؛ امنیت اطلاعات تصویری بسیار اهمیت مییابد.
تصاویر و رمزنگاری آنها بعنوان یکی از انواع دادههای چند رسانهای توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کردهاند - Shrivas . - et al, 2015 اگر به دادههای تصویری تنها به عنوان رشتهای از بیتها توجه شود در این صورت هیچ اختلافی اساسی میان رمزنگاری تصویر و سایر الگوریتمهای رمزنگاری داده وجود ندارد. بنابراین دادههای تصویری میتوانند همانند رشتهای از بیتها به عنوان ورودی به سیستمهای رمزنگاری سنتی وارد شوند. به این نوع از الگوریتمهای رمزنگاری داده الگوریتمهای ساده میگویند. با توجه به اندازهی تصاویر ثابت و مقایسهی آن با اندازهی دادههای متنی الگوریتمهای ساده نمیتوانند سرعت مورد نیاز برای انتقال و یا دیگر کاربردهای فرایندهای بلادرنگ تصاویر ثابت فراهم نمایند.
دو سطح امنیتی متفاوت برای الگوریتمهای رمزنگاری تصویر در نظر گرفته شده است: رمزنگاری امنیتی کم و رمزنگاری امنیتی بالا. در رمزنگاری امنیت پایین کیفیت ظاهری تصاویر رمزشده در مقایسه با تصویر اصلی کاهش مییابد. اما محتوای تصویر همچنان تا حدودی واضح باقی مانده و برای بیننده نیز امکان تشخیص تصویر اصلی از روی تصویر رمزشده وجود دارد. در مورد امنیت سطح بالا، تصویر اصلی کاملا بهم ریخته و تصویر رمزشده مانند یک نویز تصادفی به نظر میرسد.
در این مورد بیننده قادر به آشکارسازی تصویر ابتدایی از تصویر رمزشده نمیباشد. در طراحی یک سیستم رمزنگاری تصاویر ثابت، لازم است تا از رمزنگاری بیت به بیت و با این حال از امنیت سیستم رمزنگاری نیز اطمینان حاصل شود. یک سیستم رمزنگاری تصویر باید هموراه خصوصیات زیر را داشته باشد. در این مقاله به بررسی روش های ارائه شده برای رمزنگاری تصویر با استفاده از نگشت آشوب پرداخته می شود.
2 معیارهای بررسی یک الگوریتم رمزنگاری تصویر
برای بررسی کارایی یک الگوریتم رمزنگاری تصویر باید معیارهایی تعیین شود تا روشهای موجود در چارچوب آن معیارها مورد بررسی قرار گیرند. معیارهای قابل بررسی برای یک روش رمزنگاری تصویر را میتوان به شرح زیر تقسیمبندی کرد:
-1-2 امنیت
امنیت یک دیدگاه رمزنگاری دو جنبه دارد. یکی امنیت رمز و دیگری اهمیت و مناسبت داده تحت رمزنگاری. سطوح امنیت در سه قالب ضعیف، متوسط و بالا ارزیابی میشوند و اگر وابسته به میزان داده رمز شده باشند، میتوانند ویژگیهای دیگری از قبیل میزانپذیری، داشته باشند. سطح امنیت مورد نیاز برای کاربردهای ماهوارهای گوناگون متفاوت است، بنابراین امنیتی که ما از یک روش رمزنگاری انتظار داریم کاملاً وابسته به نوع کاربرد تصویر یا ویدئوی تحت رمزنگاری خواهد بود.
-2-2 سرعت
در ارتباطات ماهوارهای با توجه سطح حفاظتی که مد نظر است، تاخیر مشخصی برای مکانیزمهای رمز نگاری تعریف میشود. کل زمان مورد نیاز برای رمزنگاری شامل دو بخش خواهد بود. زمان انجام رمزنگاری که آن را با Time - E - نشان خواهیم داد و زمان مورد نیاز برای شناسایی بخشهایی که در ارتباط با رمزنگاری است و میتواند شامل تجزیه رشته بیت یا هر پیشپردازش دیگری باشد و با Time - P - بیان میشود. این زمانها براساس صفر، کم، متوسط و زیاد ارزیابی شده و میتوانند مشخصههای دیگری از قبیل میزانپذیری داشته باشند.
-3-2 قبول رشته بیت
یک طرح رمزنگاری تصویر را قبول کننده رشته بیت گویند، اگر رشته بیت حاصل از رمزنگاری مطابق تعریف رشته بیت سیستم فشردهسازی در حال استفاده باشد. قبول رشته بیت برای هر طرح رمزنگاری که در حین فشردهسازی اجرا میشود ماندگار است. اما روشهای رمزنگاری که روی رشته بیت اعمال میشوند هیچ اطمینانی نسبت به قبول رشته بیت ارائه نداده و حاصل رمزنگاری یک رشته بیت ساخت نیافته است که سیستم پخشکننده نمیتواند آن را کدگشایی کند - Kumar et al,. - 2015
-4-2 پردازش رشته بیت
یکی از ویژگیهای طرحهای رمزنگاری تصویر اینست که آیا آنها میتوانند مستقیماً بر روی یک رشته بیت معین بکار برده شوند یا رشته بیت باید قبل از رمزنگاری کدگشایی شود. این ویژگی معنی پردازش رشته بیت را ارائه داده و با بله یا خیر ارزیابی میشود.
-5-2 تاثیر بر میزان فشردگی
بسیاری از طرحهای رمزنگاری ویدئو و تصویر اندازه فایل تصویری را نسبت به زمانی که فشردهسازی بدون رمزنگاری بکار رفته است، افزایش میدهند. این ویژگی با بله، نرمال و خیر ارزیابی میگردد.
-3 اعمال توابع آشوب در رمزنگار تصویر
از توابع نگاشت مهمی که در اکثر روشهای رمزنگاری تصویر مورد استفاده قرار می گیرد نگاشت اشوب - ارنولد چن، لجستیک - است که در این بخش به مطالعه توابع پرداخته شده است: q و t پارامترهای کنترلی ماتریس A هستند که باید طوری انتخاب شوند که دترمینان ماتریس A برابر با یک باشد. ابن دو پارامتر بخشی از کلید رمزگشایی خواهند. Mod به معنای باقیمانده تقسیم هر یک از مولفهها بر n است. این کار به این منظور صورت میگیرد که مقادیر تولید شده از اندازه ابعاد ماتریس تصویر فراتر نرود. پیکسلهای یک تصویر با نگاشت آرنولد تغییر مکان داده و تصویر غیر قابل فهم میشود و اگر این تکرارها به تعداد کافی صورت بگیرد تصویر اصلی مجددا به دست میآید.
