sapiСистемный анализ и прикладная информатика«System analysis and applied information science»2309-49232414-0481Belarusian National Technical Universitysapi-107Research ArticleЗащита информацииInformation securityАЛГОРИТМ ШИФРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУМЕРНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ ОТОБРАЖЕНИЙIMAGE ENCRYPTION ALGORITHM USING TWO-DIMENSIONAL CHAOTIC MAPSСидоренкоА. В.SidorenkoA. V.

Сидоренко Алевтина Васильевна — кафедра физики и аэрокосмических технологий, профессор

sidorenkoa@yandex.ruШакинкоИ. В.ShakinkoI. V.

Шакинко Иван Владимирович — кафедра телекоммуникаций и информационных технологий, аспирант

sidorenkoa@yandex.ruСидоренкоЮ. В.SidorenkoYu. V.

Сидоренко Юлия Владимировна — кандидат физико–математических наук, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, доцент

sidorenkoa@yandex.ruБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus201626072016024449Copyright © Сидоренко А.В., Шакинко И.В., Сидоренко Ю.В., 20162016Сидоренко А.В., Шакинко И.В., Сидоренко Ю.В.Sidorenko A.V., Shakinko I.V., Sidorenko Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sapi.bntu.by/jour/article/view/107

Предложен новый алгоритм шифрования изображений на основе динамического хаоса. При этом для шифрования используется модифицированная процедура перестановки элементов. Процедура же изменения значений элементов производится с учетом проведенной перестановки. Модифицированная процедура перестановки включает в себя следующие этапы: (1) формирование таблицы перестановки, (2) перестановку блоков изображения, (3) перестановку внутри областей изображения. Процедура «перестановка блоков – перестановка элементов внутри областей» проводится определенное количество раз q. В данной работе использовалось значение q=3. При проведении второй процедуры изменения значений к элементам изображения добавляется псевдослучайная последовательность G, для формирования которой предлагается следующий алгоритм. Он заключается в: (1) формировании распределения элементов гаммы G по значениям яркостей; (2) инициализации элементов гаммы G; (3) перестановке элементов гаммы G. Модифицированная процедура перестановки, как показали расчеты, позволяет уменьшить количество вычислений новых позиций элементов с использованием хаотических отображений в a раз. В данной работе использовались значения a, равные 16 и 64. Для осуществления предлагаемой процедуры изменения значений элементов требуется формирование d псевдослучайных значений из интервала [0, 1) с равномерным законом распределения. При этом для большинства практических задач достаточным является значение d=256. Проведено тестирование предлагаемого алгоритма, которое заключается в следующем. Вычислены значения коэффициентов корреляции между исходным и зашифрованным изображениями, между соседними элементами (пикселями) зашифрованного изображения в вертикальном, горизонтальном, диагональном направлениях. Проведена оценка ключевой чувствительности алгоритма шифрования. Также определяются: нормированное среднее изменение интенсивности (UACI) и отношение количества различающихся бит к общему количеству бит изображения. Результаты тестирования предлагаемого алгоритма свидетельствуют о его работоспособности и возможности применения в задачах защиты информации в виде изображений.

A new image encryption algorithm based on dynamic chaos is proposed. The encryption is performed using the modified element permutation procedure. The element value changing procedure is carried with regard to the performed permutation. The modified permutation procedure includes the following steps: (1) permutation table creation; (2) permutation of image blocks, (3) element permutation in the image regions. The procedure «block permutations – permutation in the image regions» is performed q times – for this study q = 3. The second element value changing procedure is realized with the use of the pseudorandom sequence G that is added to the image elements. The following algorithm is proposed for the formation of this pseudorandom sequence: (1) the formation of the sequence G element distribution by brightness; (2) sequence G element initialization; (3) permutation of the sequence G elements. It is shown that, owing to the modified permutation procedure, the amount of calculations for new positions of the elements using chaotic maps is reduced by a factor of a – in this study a is equal to 16 and 64. The implementation of the proposed element value changing procedure necessitates the formation of d pseudorandom values from the interval [0, 1) with a uniform distribution. Actually, for the majority of practical cases d = 256 is applicable. The proposed algorithm has been tested as follows. The correlation coefficients have been computed for the original and encrypted images, and also for the adjacent elements in the vertical, horizontal, diagonal directions. The algorithm key sensitivity has been evaluated. Besides, the values of the unified average change intensity (UACI) and the ratios of differing bits to the total number of bits have been determined. As demonstrated by the testing results, the proposed algorithm is highly operable and may be successfully used to solve the tasks of information security.

динамический хаосхаотическое отображениешифрованиеизображениеинформационная безопасностьdynamic chaoschaotic mapencryptionimageinformation securityReferencesCheng, P. A fast image encryption algorithm based on chaotic map and lookup table / P. Cheng [et al.] // Nonlinear Dynamics. – 2015. – Vol. 79, Issue 3. – P. 2121–2131.Cheng, P. A fast image encryption algorithm based on chaotic map and lookup table / P. Cheng [et al.] // Nonlinear Dynamics. – 2015. – Vol. 79, Issue 3. – P. 2121–2131.Hanchinamani, G. Image encryption based on 2-D Zaslavskii chaotic map and pseudo Hadmard transform / G. Hanchinamani, L. Kulakami // Int. J. of Hybrid Information Technology. – 2014. – Vol. 7, Issue 4. – P. 185–200.Hanchinamani, G. Image encryption based on 2-D Zaslavskii chaotic map and pseudo Hadmard transform / G. Hanchinamani, L. Kulakami // Int. J. of Hybrid Information Technology. – 2014. – Vol. 7, Issue 4. – P. 185–200.Gschwandtner, M. Transmission error and compression robustness of 2D chaotic map image encryption schemes / M. Gschwandtner, A. Uhl, P. Wild // EURASIP J. on Information Security [Electronic resource]. – 2007. – Mode of access: http://jis.eurasipjournals.com/content/2007/1/048179. – Date of access: 08.04.2015.Gschwandtner, M. Transmission error and compression robustness of 2D chaotic map image encryption schemes / M. Gschwandtner, A. Uhl, P. Wild // EURASIP J. on Information Security [Electronic resource]. – 2007. – Mode of access: http://jis.eurasipjournals.com/content/2007/1/048179. – Date of access: 08.04.2015.Wong, K. Image encryption using chaotic maps / K. Wong // Intelligent computing based on chaos / L. Kocarev [et al.]. – Berlin, 2009. – Ch. 16. – P. 333–354.Wong, K. Image encryption using chaotic maps / K. Wong // Intelligent computing based on chaos / L. Kocarev [et al.]. – Berlin, 2009. – Ch. 16. – P. 333–354.Харин, Ю. С. Математические и компьютерные основы статистического анализа данных и моделирования : учебное пособие / Ю. С. Харин, В. И. Малюгин, М. С. Абрамович. – Минск : БГУ, 2008. – 455 с.Kharin, Yu. S. Mathematical and computer basics of statistical data analysis and modeling: textbook / Yu. S. Kharin, V. I. Malugin, M. S. Abramovich. – Minsk : BSU, 2008. – 455 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.