مقاله روشی نوین برای رمزنگاری تصاویر دیجیتالی با استفاده از آشوب

بخشی از مقاله

چکیده: یکی از مهم ترین منابع اطلاعاتی که بشر امروزه با آن سر کار دارد،تصاویر دیجیتال میباشد. بنابراین حجم زیادی اطلاعاتی ارسالی و دریافتی این عصر توسط تصاویر انجام می شود. از طرف دیگر در ده گذشته شاهد رشد و پیشرفت سریع در روشهای پردازش تصاویر و اینترنت و ارتباطات شبکههای هستیم و نیاز شدید به حفظ امنیت و رمزنگاری را بیشتر از هر عصر دیگر نمایان ساخته است. با فرآیند رمزنگاری اطلاعات با انجام عملیات بههم ریختگی اطلاعات و تبدیل آنها به فرم و ساختاری غیر قابل فسخ، شرایطی فراهم میگردد که به غیر از کاربران مجاز، شخصی دیگر در صورت دسترسی به اطلاعات نتواند از آنها استفاده نماید. یکی از پرکاربرد ترین سیستمها در روشهای رمزنگاری تصویر، سیستمهای آشوب میباشد.

از جمله ویژگیهای منحصر به فرد سیستمهای آشوب وابستگی به شرایط اولیه و پارامترهای کنترلی همراه با ارگادیک بودن نمو آنها میباشد. بنابراین استفاده از آشوب در روشهای رمزنگاری پیچیدگی، انتشار و امنیت بالایی را فراهم میکند. در این مقاله یک روش جدید برای رمزنگاری تصویر با استفاده از توابع آشوب و عملگرهای جهش و ترکیب از عملگرهای مهم الگوریتم ژنتیک ارائه شده است. در این روش جدید برای رمزگذاری تصاویر با نگاشت منطقی تابع آشوب لجستیک و عملگرهای ترکیب الگوریتم ژنتیک در دو نوع متفاوت برای رمزنگاری استفاده شده است.

در این روش پیشنهادی تابع آشوب لجستیک برای رمزگذاری اولیه به کار گرفته شده است و تولید جمعیت اولیه الگوریتم ژنتیک و عملگرهای ترکیب الگوریتم ژنتیک برای بهبود فرآیند رمزگذاری تصویر استفاده گردیده است. تجزیه و تحلیل نتایج به دست آمده از آزمایشهای انجام شده، به وضوح، سطح بالای مقاومت روش پیشنهادی برای ضرایب همبستگی و تجزیه و تحلیل هیستوگرام تصاویر نیز کارایی بالای این روش را در مقایسه با سایر روشهای رمزگذاری تصویر، اثبات میکند و نشان میدهد استفاده از روشهای ترکیبی تابع آشوب و عملگرهای الگوریتم ژنتیک سطح امنیت و رمزنگاری را بالا میبرد.

.1 مقدمه

تصاویر از مهمترین منابع اطلاعاتی انسان هستند بهطوریکه حجم زیادی از اطلاعات دریافتی ما از تصاویر به دست می آید. پیشرفت سریع فنون پردازش تصویر و ارتباطات شبکهای طی دهه گذشته، نیاز شدید محققان به حفظ امنیت تصاویر خصوصاً به صورت بلادرنگ هنگام انتقال آنها تحت یک کانال ارتباطی را نمایان کرده است. برای مرتفع ساختن این مشکل، روشهای بسیار متفاوتی ارائه شده است. لذا با توجه به رشد روز افزون استفاده از شبکه و کاربردهای حیاتی آن، نیاز به رمزنگاری تصاویر از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

در سالهای اخیر، الگوریتمهای رمزنگاری تصویر با ساختار مخفی و پنهان بودن الگوریتم و کلید رمز منسوخ شده است .[10-1] در این دسته الگوریتمها علاوه بر نوع پیادهسازی روش رمزنگاری، طول و قدرت کلید مورد استفاده و مدیریت آن از اهمیت بسیار بالایی برخوردار هست، بهطوریکه کلید ضعیف یا خیلی کوتاه، فرآیند رمزنگاری تصویر را تضعیف خواهد نمود. الگوریتم رمزنگاری تصویر با کیفیت بالا، بایستی از عملکرد پیچیده قابل قبولی برخوردار باشد تا با اعمال تغییر کوچک در کلید و ساختار آن، تغییر بزرگی را در نتایج به دنبال داشته باشد تا در برابر حملاتی همچون حملات آماری از امنیت بالایی برخوردار باشد . یکی از پرکاربردترین سیستمها در روشهای رمزنگاری تصویر، سیستمهای آشوب میباشد .

[4] ازجمله ویژگیهای منحصر به فرد سیستمهای آشوب وابستگی به شرایط اولیه و پارامترهای کنترلی همراه با خاصیت ارگودیک آنها میباشد؛ بنابراین استفاده از آشوب در روشهای رمزنگاری پیچیدگی، انتشار و امنیت بالایی را فراهم میکند. با فرآیند رمزنگاری اطلاعات با انجام عملیات بههمریختگی اطلاعات و تبدیل آنها به فرم و ساختاری غیر قابل فسخ، شرایطی فراهم میگردد که به غیر از کاربران مجاز، شخص دیگری در صورت دسترسی به اطلاعات نتواند از آنها استفاده نماید.

فنآوری رمزنگاری، امکان مشاهده، مطالعه و تفسیر اطلاعات ارسالی توسط افراد غیرمجاز را سلب مینماید. اطلاعات رمزگذاری شده تنها توسط کاربر مجازی که دارای کلید رمزنگاری است از طریق فرآیند رمزگشایی به فرم اولیه تبدیل و مورداستفاده قرار خواهد گرفت. در این رابطه از الگوریتمهای پیشرفته ریاضی به منظور رمزنگاری اطلاعات، استفاده میشود. همچنین امروزه با توجه به پیشرفتهای اخیر در کنار روشها و الگوریتمهای رمزنگاری همچون AES، DES و RSA، الگوریتمهای نوین رمزنگاری اطلاعات مبتنی بر روش آشوب ارائه گردیده است.

سیستمهای آشوب با داشتن ویژگیهای منحصربهفرد از قبیل حساسیت به مقادیر اولیه، ساختار شبه تصادفی، غیرقابلپیشبینی بودن و عدم دورهای بودن، یک روش ایدئال برای رمزنگاری محسوب میشوند. لذا رمزنگاری تصاویر مبتنی بر تئوری آشوب، الگوریتمهای نوین مبتنی بر روش و کلید هستند که ایمنی اطلاعاتی بالا، قدرت عدم کشف و استخراج اطلاعات و بهبود فضای مناسب کلید رمز را ارائه میدهند . ازآنجا که این الگوریتمها بایستی ازلحاظ عملکرد قادر به برآورده ساختن معیارهای رمزنگاری باشند روز به روز بر تنوع ارائه و راهکارهای این دسته از الگوریتمهای رمزنگاری افزوده میشود.

.2 کارهای مرتبط

پارِک و همکاران [5] در سال 2006 یک الگوریتم رمزنگاری تصویر بر اساس نگاشت آشوب برای رمزنگاری تصویر ارائه داداندکه منجر به تولید فضای کلید کوچکتر و در نتیجه امنیت پایینتر شود؛ بنابراین تعدادی روش جدید برای توسعه طرحهای کارآمد رمزنگاری تصویر پیشنهاد شد. همچنین لیان از سیستم آشوب فضایی و زمانی برای رمزنگاری تصویر استفاده کرد و امنیت الگوریتم را به تفصیل، با جزئیات، تجزیه و تحلیل نمود و سازگاری خوب بین امنیت و بازدهی الگوریتم نشان داد. فِرِدریک [8] فرآیندی از رمزنگاری تصویر که که با تکرار عملیات جانشانی و انتشار ارائه داد. بعدها بسیاری دیگر این عقیده را به خوبی اجرا کردند .

[12-9] در مقاله [14]، پیسارچیک و همکارانش پیشنهاد کردند که پیکسلهای تصویر با استفاده از نگاشتهای آشوبی تشکیل دهند. تصویر رمز شده از طریق تکرار نگاشتهای آشوبی همراه با پارامترهای محرمانه سامانه و تعداد دور به دست میآید. در مقاله، پرینک و همکارانش [15] یک روش رمزنگاری تصویر با استفاده از دو نگاشت لجستیک و یک کلید خارجی ارائه دادند.چگونگی پذیرش مقاله به اطلاع مولف رابط خواهد رسید. با اینحال آخرین وضعیت مقالات در هر لحظه از طریق تارنمای کنفرانس قابل پیگیری میباشد. در صورت پذیرش، لازم است مولفین مقاله، اصلاحات خواسته شده داوران را در نسخه نهایی و در مدت زمان خواسته شده اعمال نموده و نسخه نهایی را از طریق تارنمای کنفرانس ارسال نمایند.

کوک و همکارانش [16]، یک سامانه رمزنگاری تصویر مبتنی بر آشوب سریع با معماری رمز جریانی پیشنهاد کردند. در طرح آنها، پیکسلهای تصویر اصلی با استفاده از یک دنباله کلید شبه تصادفی تولید شده از یک نگاشت مثلثی اریب و نگاشت چندبعدی پوشانده میشود . در مقاله، فردریچ [17] پیشنهاد کرد که یک طرح رمزنگاری تصویر بایستی شامل دو مرحله تکرار شونده باشد به صورت انتشار و اغتشاش آورده شود که تمام پیکسلهای تصویر به صورت کلی با استفاده از یک نگاشت آشوبی دوبعدی یا سهبعدی جایگشت یابند. پیکسل انتقالیافته به مکان جدید درواقع یک جانشان از پیکسل اولیه میباشد. در مرحله انتشار، مقادیر پیکسلها به خصوص به جمع آثار تمامی پیکسلهای قبل وابسته است.

لیان و همکارانش [18] از یک نگاشت استاندارد دو بعدی در فاز جانشانی و از یک نگاشت لجستیک در فاز انتشار استفاده کردند. پارامترها و مقادیر اولیه این دو نگاشت آشوبی به وسیله دنباله کلید تولیدی در هر دور مشخص میشود. معماری چنین سامانههای رمزنگاری بدین صورت است که شامل یک تعداد دور جانشانی و انتشار میباشند. در مقاله [10]، روش رمزنگاری تصویر بر اساس سیگنال آشوبی بر پایه جاذبهای پیتر د جونگ معرفی شده است .

در این روش تصویر به فضای موجک انتقال داده شده و سپس ضرایب موجک به طور مناسب رمزگذاری میشوند. تبدیل موجک به علت کاهش زمان محاسبه و همچنین افزایش امنیت تصویر، در رمزنگاری استفاده میشود. در مقاله [11] از تصاویر فراکتال به عنوان منابع تصادفی برای تولید یک کلید رمز قوی استفاده شده است. الگوریتم پیشنهاد شده میتواند قدرت کلید رمز را تعیین نماید. این الگوریتم هر سه لایهی تصویر را میتواند جداگانه رمزنگاری کند.

در مقاله [31] توسط اصفهانی و همکارانش یک روش جدید جهت رمز کردن تصاویر بر پایه توابع فوق آشوب و عملگر ترکیب ارائهشده است. در این روش از قابلیتهای توابع فوق آشوب که شامل حساسیت به مقادیر اولیه، رفتار شبه تصادفی و غیر تناوبی بودن توابع بهره گرفتهشده است. همچنین استفاده از عملگر ترکیب در ترکیب کردن مقدار پیکسلها باعث افزایش قدرت الگوریتم در برابر حملهکنندهها میشود.

روش ترکیبی در برابر بسیاری از الگوریتمهای حملهکننده از قدرت و امنیت کافی برخوردار است. علاوه بر این به جهت افزایش امنیت، رمزگذاری تصویر بهصورت برداری انجام میشود و ابعاد تصویر نیز به همراه مقادیر پیکسلها رمزگذاری میشود. بیشترین نسبت تفاوت بین تصویر رمز شده و تصویر اولیه 11 است این عدد نشان میدهد که تصویر رمز شده بهاندازه کافی با تصویر اولیه متفاوت است. در مقاله [32] توسط احمدزاده راجی و همکارانش، یک روش جدید رمزنگاری تصویر مبتنی بر توابع آشوب ارائهشده است. در این روش که کلید رشتهای آن با استفاده از نگاشتهای لجستیک نویزی ساخته میشود.

روش نوینی از رمزنگاری که بر اساس شبه دنبالههای آشوب طراحیشده است. این دنبالههای آشوب دارای کلیدهای مخفی است که به هم وابستهاند. از طرفی با استفاده از چند جایگشت و شیفت، همبستگی قوی بین پیکسلهای مجاور در تصویر اصلی کاهش دادهشده است. با استفاده از این نگاشتهای لجستیک نویزی میتوان از حملات تفاضلی جلوگیری کرد. این به این معنی است که حتی با تغییر یک بیت از تصویر اصلی، تصویر رمزنگاریشده تغییر بسیار زیادی خواهد کرد.

نتایج تجربی نشان میدهد که روش ارائهشده میتواند یک روش مؤثر برای رمزنگاری تصویر باشد در مقاله [33] توسط میر قدری و همکارانش، یک الگوریتم جدید برای رمزنگاری تصویر با استفاده از نگاشتهای آشوبی بیکر و هنون برای حفاظت از تبادل تصاویر دیجیتال به طریقی کارآمد و امن پیشنهاد دادهشده است. برای بررسی کارایی این طرح با استفاده از نرمافزار MATLAB آن را پیادهسازی نموده و بهمنظور بررسی میزان کارآمدی طرح پیشنهادی، آن را با استفاده از یک سری آزمونها و مقایسهها سنجیدهاند.

این آزمونها عبارتاند از: آزمون بصری، تحلیل فضای کلید، تحلیل هیستوگرام، آنتروپی اطلاعات، سنجش کیفیت رمزنگاری، تحلیل همبستگی، تحلیل تفاضلی و تحلیل حساسیت نسبت به کلید. با توجه به نتایج آزمونها و تحلیلهای صورت گرفته طرح پیشنهادی برای رمزنگاری تصویر، کارآمد میباشد. در مقاله [34] که توسط پزشکی و همکارانش ارائه شده است، هدف اصلی این پژوهش رمزنگاری توأم متن و تصویر در قالب یک تصویر رمز شده منفرد میباشد و ارسال آن در یک کانال ناامن ارتباطی است.

گیرنده تصویر رمزنگاریشده و کلید را دریافت نموده و با استفاده از کلید به تصویر اصلی دست مییابد. بررسیهای انجامشده نشان میدهد که الگوریتم پیشنهادی در مقابل حملات کاملاً مقاوم است. ضریب همبستگی پیکسلهای مجاور بهدستآمده همبستگی کم مابین پیکسلهای تصویر رمز شده را نشان میدهد، همچنین میزان شباهت تصویر رمزگشاییشده و تصویر اصلی نیز در حد مطلوبی برتری الگوریتم ارائهشده را بیان میدارد.

در مقاله [35] توسط حسنپور جلالآبادی و همکارانش الگوریتم جدید رمزنگاری تصویر با استفاده از الگوریتم ترکیبی بر اساس توابع فوق آشوب، تبدیل موجک و کلید فرکتالی ارائه شد. روش رمزنگاری پیشنهادی این مقاله، بر اساس ترکیب توابع آشوبی، تبدیل موجک و کلید فراکتالی میباشد. در مرحله اول، تصویر تقریب حاصل از تبدیل موجک تصویر اصلی استخراج میشود. مرحله دوم، رمزنگاری از طریق فراکتالها میباشد. از مزایای این مرحله، رمزنگاری جداگانه بر روی هر سه لایه تصویر میباشد. در مرحله سوم، جایگشت پیکسلی با استفاده از طرح مناسب بر پایه دنباله لجستیک انجام میشود.