Efficient Image Cryptosystem based on Double Random Phase Encoding and Dynamic Chaotic Maps

Abstract

이 논문은 DRPE (Double Random Phase Encoding)과 혼돈 기반 암호화 기법을 통합 한 새로운 이미지 암호화 기술을 소개합니다. 이 연구의 주요 목표는 필요한 저장 공간을 줄이고 디지털 이미지 및 홀로그램의 보안을 강화하는 효율적인 암호화 기술을 제안하는 것입니다. 첫 번째 연구에서는 DRPE를 통해 얻은 암호화 된 이미지가 상당한 저장 공간을 차지하기 때문에 효율적인 압축 방식이 제안되고 암호화 된 데이터에 대한 압축의 영향이 분석됩니다. 제안 된 방식에서, JPEG (Joint Photography Experts Group) 및 JPEG2000 (JP2K) 압축 기술은 DRPE 알고리즘과 가상 광자 계수 이미징 기술을 결합하여 얻은 양자화 된 암호화 된 위상 이미지에 적용됩니다. DRPE 이미지 압축 성능을 확인하기 위해 등록 된 참조 이미지와 압축 된 입력 이미지 간의 비선형 상호 상관을 계산합니다. 실제로 보안 및 인증 요소를 완전히 보존하면서 압축 된 암호화 된 이미지 데이터를 얻을 수 있다는 실험을 통해 정량적으로 보여줍니다. 두 번째 연구에서 주요 목표는 DRPE 방법의 수치 구현에서 키 크기를 줄이는 것입니다. 이는 랜덤 위상 마스크 (RPM)를 혼돈 위상 마스크 (CPM)로 교체하여 달성 할 수 있습니다. 또한 CPM을 사용하여 다른 공격에서 기존 DRPE의 보안을 완전히 유지할 수 있습니다. 키와 평문 이미지를 사용하여 Lorentz 카오스 기능을 특정 시간 반복하여 RPM을 대체 할 수있는 균일 한 난수를 얻습니다. 실험은 제안 된 체계가 주요 변화에 매우 민감하고 통계적 공격에 대한 우수한 저항성을 보여 주었다. 마지막 작업은 미세한 구성에서 디지털 홀로그램으로 얻은 홀로그램 암호화를위한 새로운 기술을 소개합니다. 홀로그램은 CCD 카메라를 사용하여 축외 구성으로 광학적으로 기록되며, 푸리에 영역에서의 공간 필터링 기술에 의해 0 차 및 트윈 이미지 노이즈가 제거됩니다. 그 후, 푸리에 도메인에서 필터링 된 홀로그램은 비-비밀 염 값 및 비밀 키를 갖는 혼돈 동적 매핑에 의해 생성 된 일회성 혼돈 위상 마스크에 의해 왜곡된다. 비 비밀 소금 가치와 개인 혼란 키의 조합은 완벽한 앞으로 비밀 체계를 보장 할 수 있습니다. 결국, 임의의 평면 및 주어진 파장에서의 수치 적 프레 넬 전파는 왜곡 된 홀로그램을 백색 잡음으로 인코딩한다. 일회성 CPM 및 완벽한 순방향 보안 체계를 사용하여 기존의 광학 인코딩 기술의 보안을 강화할 수 있습니다. 또한, 매우 작은 크기의 카오스 키만 필요하므로 암호화-암호 해독 체계의 비밀 키 크기가 크게 줄어 듭니다. 다른 실험 결과는 제안 된 체계가 주요 변경 사항에 매우 민감하고 정확한 혼란 키, 정확한 전파 거리 및 파장을 알지 못한 채 선택한 평문, 선택된 암호문 공격 및 블라인드 해독에 견딜 수 있음을 보여줍니다.|This dissertation introduces novel image encryption techniques with the integration of double random phase encoding (DRPE) and chaotic-based cryptography approaches. The primary goal of this study is to propose efficient encryption techniques that reduce the required storage space and enhance the security of digital images and holograms. In the first study, due to that encrypted images obtained through DRPE occupy considerable storage space, efficient compression schemes are proposed and the effect of compression on the encrypted data is analyzed. In the proposed scheme, the Joint Photography Experts Group (JPEG) and JPEG2000 (JP2K) compression techniques are applied to the quantized encrypted phase images obtained by combining the DRPE algorithm with the virtual photon-counting imaging technique. We compute the nonlinear cross-correlation between the registered reference images and the compressed input images to verify the performance of the compression of DRPE images. Indeed, we show quantitatively through experiments that compressed encrypted image data can be achieved while security and authentication factors are completely preserved. In the second study, the primary objective is to reduce the key size in the numerical implementation of the DRPE method. This can be achieved by replacing random phase masks (RPM) with chaotic phase masks (CPM). Additionally, by using CPMs the security of conventional DRPE in different attacks can be completely preserved. By iterating the Lorentz chaotic function certain times using keys and plaintext image, uniform random numbers are obtained that can replace RPM. The experiments revealed that the proposed scheme is highly sensitive to the key changes and good resistance against statistical attacks. The last work introduces a new technique for the encryption of holograms obtained by digital holographic in the microscopic configuration. The hologram is optically recorded in off-axis configuration with a CCD camera and the zero-order and twin-image noises are eliminated by spatial filtering technique in the Fourier domain. Then, the filtered hologram in the Fourier domain is distorted by the one-time chaotic phase mask generated by chaotic dynamic mapping with the non-secret salt value and the secret key. The combination of non-secret salt value and private chaotic keys can guarantee a perfect forward secrecy scheme. Eventually, the numerical Fresnel propagation on an arbitrary plane and a given wavelength encodes the distorted hologram into white noise. By using one-time CPM and perfect forward secrecy scheme we can enhance the security of conventional optical encoding technique. Additionally, the size of the secret key for the encryption-decryption scheme is significantly reduced since we only need a very small size of the chaotic key. Different experimental results reveal that the proposed scheme is highly sensitive to the key changes and withstands against chosen-plaintext, chosen-ciphertext attacks, and blind decryption without knowing the exact chaotic keys, correct propagation distance, and wavelength.