بخشی از مقاله
چکیده
شمای رمزنگاری ب صری - - n,k رو شی ا ست که در آن یک ت صویر دیجیتالی بو سیله n سهم رمزگذاری میگردد. هر یک از سهمهای ایجاد شده به تنهایی اطلاعاتی از تصویر اصلی در اختیار مهاجم قرار نمیدهند. تنها زمانیکه k سهم از n سهم موجود در اختیار باشد، تصویر اصلی با روی هم قرارگیری آنها قابل بازسازی است. فرآیند رمزگشایی شمای رمزنگاری بصری نیازمند هیچگونه محاسبات ریاضی نمیباشد و به راحتی توسط سیستم بصری انسان صورت میگیرد.
در این مقاله، یک شمای جدید رمزنگاری بصری - 2، - 2 برای 20 رمزنگاری تصاویر خاکستری ارائه خواهد شد. در روش پیشنهادی، به منظور تبدیل تصویر خاکستری به تصویر باینری معادل از یک mm تکنیک جدید سایهانداز استفاده خواهد شد. همچنین در گام رمزگشایی به منظور بهبود کیفیت بصری تصویر بازسازی شده از عملیات
-1 مقدمه
با رشد سریع اینترنت و شبکههای کامپیوتری در دنیای دیجیتال، مفهوم امنیت تصاویر دیجیتالی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. همچنین با رواج تکنولوژیهای چندرسانهای، تصاویر دیجیتالی نقش مهمتری نسبت به دادههای متنی ایفا میکنند که نیازمند حفاظت جدی در همه کاربردها میباشند. برای حفاظت از تصاویر دیجیتالی در مقابل دسترسیهای غیرمجاز، رمزنگاری تصویر امری بسیار مهم و ضروری محسوب میشود .[1]
تاکنون روشهای مختلفی برای رمزنگاری تصاویر دیجیتالی ارائه شده است که از جمله مهمترین آنها میتوان به، شمای تسهیم راز بصری اشاره نمود. شمای تسهیم راز بصری به نوبه خود به دو گروه شبکههای تصادفی و رمزنگاری بصری تقسیمبندی میشود .[2] رمزنگاری تصویر مبتنی بر شبکههای تصادفی برای اولین بار در سال 1987 توسط کافری و کرن معرفی شد .[3] در روش ارائه شده توسط کافری و کرن، یک تصویر باینری به وسیله دو شبکه تصادفی مستقل از یکدیگر رمزگذاری میگردد.
هر یک از شبکههای تصادفی تولید شده به تنهایی اطلاعاتی از تصویر اولیه در اختیار مهاجم قرار نمیدهند. تنها زمانیکه دو شبکه تصادفی بر روی یکدیگر قرار گیرند، تصویر اولیه به صورت بصری قابل مشاهده خواهد بود. در واقع، فرآیند رمزگشایی توسط سیستم بصری انسان انجام میشود و نیازمند هیچگونه محاسبات ریاضی نمیباشد.
بعدها با همین مزیت که فرآیند رمزگشایی توسط سیستم بصری انسان انجام شود، نائور و شامیر یک روش با عنوان رمزنگاری بصری در سال 1995 معرفی کردند .[4] در روش ارائه شده توسط نائور و شامیر، یک تصویر باینری به وسیله دو سهم رمزگذاری میشود. تصویر اولیه به سادگی با روی هم قرارگیری این دو سهم قابل مشاهده میباشد. در این روش، برای رمزگذاری یک تصویر باینری از یک ماتریس پایه بهره برده شده است.
مشخصات ماتریس پایه ارائه شده در جدول شماره یک نشان داده شده است. روش کار بدین صورت است که در ابتدا یک پیکسل از تصویر اصلی خوانده میشود. اگر پیکسل خوانده شده سفید باشد، یکی از دو سطر اول جدول انتخاب میگردد. احتمال انتخاب هر یک از سطرها برابر با 1/2 میباشد. با توجه به جدول واضح است که هر پیکسل سفید در تصویر اصلی به چهار زیر پیکسل در هر سهم نگاشت داده میشود. به طور مشابه اگر پیکسل خوانده شده از تصویر اصلی سیاه باشد، یکی از دو سطر آخر جدول با احتمال برابر انتخاب میشود.
شکل شماره یک نتیجه پیادهسازی روش ارائه شده توسط نائور و شامیر را بر روی یک تصویر باینری نشان میدهد. همانطور که مشخص است، فرآیند رمزگشایی به راحتی توسط سیستم بصری انسان انجام میگیرد و نیازمند هیچگونه محاسبات ریاضی نمیباشد. نکته قابل توجه دیگر آن است که تصویر بازسازی شده از لحاظ ابعاد دو برابر تصویر اصلی خواهد بود و از لحاظ بصری دقیقأ مشابه تصویر اصلی نمیباشد. در واقع، کیفیت بصری تصویر بازسازی شده نسبت به تصویر اصلی کاهش یافته است.
این مقاله در پنج بخش سازماندهی شده است. در بخش دوم، مروری بر کارهای انجام شده در زمینه رمزنگاری بصری صورت خواهد پذیرفت. در بخش سوم، یک شمای جدید رمزنگاری بصری - 2، - 2 برای رمزنگاری تصاویر خاکستری بوسیله تکنیک سایهانداز و مبتنی بر عملیات XOR ارائه خواهد شد. در بخش چهارم، روش پیشنهادی پیادهسازی و ارزیابی خواهد گردید و نهایتاً در بخش پنجم، نتیجهگیری ارائه خواهد شد.
-2 مروری بر کارهای انجام شده
همانطور که عنوان شد، رمزنگاری بصری برای اولین بار در سال 1995 توسط نائور و شامیر معرفی گردید .[4] نائور و شامیر یک شمای رمزنگاری بصری - 2، - 2 برای رمزنگاری تصاویر باینری ارائه نمودند. آنها یک تصویر باینری را به وسیله دو سهم مختلف رمزگذاری نمودند که هر یک از سهمهای تولید شده به تنهایی اطلاعاتی از ت صویر باینری در اختیار مهاجم قرار نمیداد.
تصویر ا صلی به سادگی با روی هم قرارگیری دو سهم تو سط عملیات OR قابل بازسازی بود. در سال 2003 لین و همکارش ایده رمزنگاری بصری بر روی ت صاویر خاک ستری را ارائه نمودند .[5] روش ارائه شده تو سط لین بدین صورت است که در ابتدا تصویر خاکستری مورد نظر توسط تکنیک سایهانداز به یک تصویر باینری معادل تبدیل میشود.
سپس تصویر باینری بدست آمده توسط شمای رمزنگاری بصری - 2، - 2 نائور و شامیر رمزگذاری میگردد. نکته بسیار مهم در روش ارائه شده توسط لین آن است که کیفیت بصری تصویر بازسازی شده رابطه مستقیمی با تکنیک سایهانداز بکار برده شده دارد. هوو در سال 2003 یک شمای رمزنگاری بصری - 2، - 2 برای رمزنگاری تصاویر رنگی ارائه نمود .[6] در روش ارائه شده توسط هوو، سه الگوریتم مختلف و متفاوت برای رمزنگاری تصاویر رنگی مدل CMYK ارائه گردید.
رویکرد بهترین الگوریتم ارائه شده توسط هوو بدین صورت است که، در ابتدا تصویر رنگی مورد نظر به سه مولفه رنگی خود تجزیه شده و سپس هر یک از مولفههای رنگی توسط تکنیک سایهانداز به تصاویر باینری تبدیل گردیدند. سه تصویر باینری به دست آمده توسط یک ماتریس پایه طراحی شده بر روی یکدیگر قرار گرفته و تصویر بازسازی شده را تولید مینمایند.
چانگ و همکارانش در سال 2005 یک شمای پنهاننگاری تصویر در حوزه مکانی بر اساس تکنیک رمزنگاری بصری ارائه نمودند .[7] آنها یک تصویر باینری را بوسیله تکنیک رمزنگاری بصری، رمزگذاری کرده و دو سهم مختلف ایجاد نمودند. این دو سهم در فاز جانمایی در دو تصویر خاکستری هشت بیتی مخفی گردیدند. در سال 2007 شیو و همکارانش، رمزنگاری چند تصویری مبتنی بر تکنیک رمزنگاری بصری را ارائه نمودند .[8] در روش ارائه شده توسط شیو، تعداد n تصویر دیجیتالی بوسیله دو سهم دایرهای رمزگذاری گردیدند.
با روی هم قرار دادن سهم دایرهای اول و سهم دایرهای دوم در زاویههای مختلف، تمامی n تصویر دیجیتالی اولیه قابل بازسازی میباشند. در سال 2011 رووس و همکارش از تکنیک رمزنگاری بصری برای حفظ محرمانگی دادههای بیومتریک استفاده نمودند .[9] در روش رووس، از تکنیک رمزنگاری بصری - 2، - 2 ارائه شده توسط نائور و شامیر در طراحی یک سیستم تشخیص هویت بهره برده شده است.
سیستم تشخیص هویت طراحی شده دارای دو فاز ثبتنام و تصدیق بوده که از تکنیک رمزنگاری بصری در فاز ثبتنام برای رمزگذاری تصاویر چهره و اثر انگشت استفاده شده است. در سال 2013 عسکری و همکارانش یک شمای رمزنگاری بصری توسعه یافته بدون مشکل گسترش پیکسلها در تصاویر سایهانداز ارائه نمودند .[10] در این روش، یک رویکرد جدید برای پردازش تصاویر سایهانداز مبتنی بر تکنیک رمزنگاری بصری ارائه شده است که در آن تصویر بازسازی شده هماندازه با تصویر اصلی میباشد.
در سال 2015 هوو و همکارانش، یک روش جدید برای رمزنگاری تصاویر دیجیتالی مبتنی بر رمزنگاری بصری ارائه نمودند .[11] در این روش جدید، یک تصویر دیجیتالی بوسیله دو سهم معنیدار رمزگذاری میگردد. هر یک از سهمهای معنیدار تولید شده به تنهایی اطلاعاتی از تصویر اصلی در اختیار مهاجم قرار نمیدهند. در سال 2016 لاکشمسواری و همکارش یک چارچوب ضد فیشینگ مبتنی بر مکانیزم رمزنگاری بصری ارائه نمودند .[12] در روش ارائه شده، یک طرح جدید برای مقابله با حملات فیشینگ در تجارت الکترونیک مبتنی بر رمزنگاری بصری ارائه شده است. برای مطالعه بیشتر در خصوص رمزنگاری بصری میتوان به مقالات 15]،14،[13 مراجعه نمود.
-3 روش پیشنهادی
در این بخش یک روش جدید برای رمزنگاری ت صاویر خاک ستری مبتنی بر تکنیک رمزنگاری بصری ارائه خواهد شد. در روش پیشنهادی، یک شمای جدید رمزنگاری ب صری 2 - ، - 2 برای رمزنگاری ت صاویر خاک ستری ه شت بیتی ارائه خواهد گردید. روش پی شنهاد شده از سه گام ا صلی تکنیک سایهانداز، فرآیند رمزگذاری و فرآیند رمزگشایی تشکیل شده است. الگوریتم شماره یک، روش پی شنهاد شده برای رمزنگاری ت صاویر خاک ستری ه شت بیتی مبتنی بر تکنیک رمزنگاری بصری را نشان میدهد.
1؛-3 گام اول
ورودی الگوریتم پیشنهادی تصویر خاکستری هشت بیتی G میباشد که اندازه ابعاد آن 1 1 پیکسل است. در گام اول، از تکنیک سایهانداز، به منظور اجرای الگوریتم استفاده میشود. تکنیک سایهانداز یکی از روشهای بسیار مهم در حوزه پردازش تصویر میباشد که به طور گسترده در رمزنگاری تصاویر خاکستری هشت بیتی بر پایه رمزنگاری بصری مورد استفاده قرار میگیرد.
تکنیک سایهانداز یک روش برای تبدیل یک تصویر خاکستری هشت بیتی به یک تصویر باینری معادل با آن است که تنها شامل پیکسلهای صفر و یک میباشد. به تصویر باینری معادل بدست آمده تصویر سایهانداز گفته میشود. در الگوریتم پیشنهادی و در گام اول از یک تکنیک سایهانداز جدید استفاده میشود. تکنیک سایهانداز معرفی شده از سه مرحله تشکیل شده است. در مرحله اول، تصویر خاکستری مورد نظر به بلوکهای دو در دو تقسیمبندی شده و هر بلوک دو در دو، به صورت مستقل به عنوان ورودی مرحله دوم در نظر گرفته میشود.
در مرحله دوم، یک بلوک دو در دو به عنوان ورودی انتخاب میشود. هر پیکسل از چهار پیکسل موجود در بلوک ورودی به صورت جداگانه مورد بررسی قرار میگیرد و بر اساس الگوهای تعریف شده در جدول شماره دو، به یک بلوک دو در دو باینری تبدیل میشود. بنابراین خروجی این مرحله چهار بلوک دو در دو باینری بدست آمده از چهار پیکسل خاکستری میباشد.
در مرحله سوم، چهار بلوک دو در دو باینری بدست آمده از مرحله قبل با یکدیگر OR شده و یک بلوک دو در دو به عنوان خروجی تولید میشود. این بلوک خروجی جایگزین بلوک ورودی در تصویر خاکستری اصلی خواهد شد. مراحل دوم و سوم تا بررسی تمامی بلوکهای تصویر خاکستری G ادامه پیدا میکند و نهایتاً تصویر سایهانداز B را تولید مینمایند. تصویر سایهانداز B یک تصویر باینری با ابعاد 1 1 پیکسل میباشد.
2؛-3 گام دوم
در گام دوم، تصویر سایهانداز B به وسیله دو سهم مختلف رمزگذاری میگردد. به منظور ساخت سهم اول و سهم دوم از تصویر سایهانداز B، در روش پیشنهادی از ماتریس پایه طراحی شده در جدول شماره سه استفاده خواهد شد. با استفاده از ماتریس پایه طراحی شده، دو سهم تصادفی با ابعاد 21 2N پیکسل تولید خواهند شد. این دو سهم تصادفی به عنوان خروجیهای گام دوم در نظر گرفته میشوند.
3؛-3 گام سوم
گام سوم ،گام رمزگشایی تصویر میباشد. به منظور بازسازی تصویر رمز شده، کافیست که دو سهم تصادفی تولید شده با یکدیگر در عملیات XOR قرار بگیرند. نتیجه عملیات XOR بر روی دو سهم تصادفی تولید شده، تصویر بازسازی شده G خواهد بود.
