在 FPGA 中设计和增强基于定点混沌图流密码的图像密码系统的安全性能

IF 1.2 Q3 MULTIDISCIPLINARY SCIENCES

Baghdad Science Journal Pub Date : 2024-05-25 DOI:10.21123/bsj.2024.10521

Ahmed Amir Salih, Zaid Abdulsattar Abdulrazaq, Harith Ghanim Ayoub

{"title":"在 FPGA 中设计和增强基于定点混沌图流密码的图像密码系统的安全性能","authors":"Ahmed Amir Salih, Zaid Abdulsattar Abdulrazaq, Harith Ghanim Ayoub","doi":"10.21123/bsj.2024.10521","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"تقترح هذه الورقة البحثية نظامًا جديدًا لتصميم تشفير الصور باستخدام الخرائط الفوضوية ذات النقطة الثابتة ومولدات التشفير المتسلسل (PN). يتكون النظام من خرائط فوضوية ثابتة مدمجة برقم إفتراضي (PN) مكون من 32 بت، يتم تنفيذها جميعًا باستخدام مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA) من خلال بيئة مولد النظام (XSG) . خرائط التشفير المعتادة المستخدمة في هذا العمل هي خرائط (Logistic) و (Lozi) وTent . تحدد متغيرات كل نوع من الخرائط حجم المفتاح المطلوبة لفك تشفير البكسل الأصلي للصورة الأصلية، حيث تحتوي خريطة (Logistic) على متغير واحد (r)، وتحتوي خريطة (Lozi) على متغيرين α و β، وتحتوي خريطة (Tent) على متغير واحد µ كانت الفكرة الرئيسية هي دمج متغير أخر وهو الرقم الإفتراضي (PN) لزيادة مساحة المفتاح، والتي تعد المقياس الرئيسي لتحسين الأمن ضد هجمات القوة القاهرة. تم اقتراح مولد بت عشوائي زائف (PRBG) مبتكر يعتمد على عملية XOR بين الخرائط الفوضوية هذه وأطلق عليه اسم FPCCM-PRBG (مولد بت عشوائي زائف بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). كما تم اقتراح طريقة أخرى تعتمد على أقل 8 بتات ذات دلالة من مولد الرقم الإفتراضي 32 بت وأطلق عليها اسم FPCCM-PRNBG (مولد بت عشوائي غير ثابتة بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). تم إختبار عشوائية المفاتيح المتولدة باستخدام اختبارات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، بما في ذلك اختبارات التردد والتردد أحادي البت والاختبار التنفيذي. كما تم تقييم أداء الأمن من خلال تحليل الهستوغرام، وتحليل معامل الارتباط، وإنتروبيا المعلومات، ومعدل تغيير البكسل، والتشابه البنيوي. يعتبر مولد النظام (XSG) أداة فعالة مضمنة في بيئة MATLAB/SIMULINK وتم استخدامها لتنفيذ العمل. تم تنفيذ النظام باستخدام طريقة المحاكاة المشتركة على لوحة ZYNQ 7000 SoC ZC702، مع مساحة مفتاح تبلغ (2^288) وسرعة تبلغ 269.32 ميجابايت/ثانية..","PeriodicalId":8687,"journal":{"name":"Baghdad Science Journal","volume":null,"pages":null},"PeriodicalIF":1.2000,"publicationDate":"2024-05-25","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"0","resultStr":"{\"title\":\"Design and Enhancing Security Performance of Image Cryptography System Based on Fixed Point Chaotic Maps Stream Ciphers in FPGA\",\"authors\":\"Ahmed Amir Salih, Zaid Abdulsattar Abdulrazaq, Harith Ghanim Ayoub\",\"doi\":\"10.21123/bsj.2024.10521\",\"DOIUrl\":null,\"url\":null,\"abstract\":\"تقترح هذه الورقة البحثية نظامًا جديدًا لتصميم تشفير الصور باستخدام الخرائط الفوضوية ذات النقطة الثابتة ومولدات التشفير المتسلسل (PN). يتكون النظام من خرائط فوضوية ثابتة مدمجة برقم إفتراضي (PN) مكون من 32 بت، يتم تنفيذها جميعًا باستخدام مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA) من خلال بيئة مولد النظام (XSG) . خرائط التشفير المعتادة المستخدمة في هذا العمل هي خرائط (Logistic) و (Lozi) وTent . تحدد متغيرات كل نوع من الخرائط حجم المفتاح المطلوبة لفك تشفير البكسل الأصلي للصورة الأصلية، حيث تحتوي خريطة (Logistic) على متغير واحد (r)، وتحتوي خريطة (Lozi) على متغيرين α و β، وتحتوي خريطة (Tent) على متغير واحد µ كانت الفكرة الرئيسية هي دمج متغير أخر وهو الرقم الإفتراضي (PN) لزيادة مساحة المفتاح، والتي تعد المقياس الرئيسي لتحسين الأمن ضد هجمات القوة القاهرة. تم اقتراح مولد بت عشوائي زائف (PRBG) مبتكر يعتمد على عملية XOR بين الخرائط الفوضوية هذه وأطلق عليه اسم FPCCM-PRBG (مولد بت عشوائي زائف بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). كما تم اقتراح طريقة أخرى تعتمد على أقل 8 بتات ذات دلالة من مولد الرقم الإفتراضي 32 بت وأطلق عليها اسم FPCCM-PRNBG (مولد بت عشوائي غير ثابتة بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). تم إختبار عشوائية المفاتيح المتولدة باستخدام اختبارات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، بما في ذلك اختبارات التردد والتردد أحادي البت والاختبار التنفيذي. كما تم تقييم أداء الأمن من خلال تحليل الهستوغرام، وتحليل معامل الارتباط، وإنتروبيا المعلومات، ومعدل تغيير البكسل، والتشابه البنيوي. يعتبر مولد النظام (XSG) أداة فعالة مضمنة في بيئة MATLAB/SIMULINK وتم استخدامها لتنفيذ العمل. تم تنفيذ النظام باستخدام طريقة المحاكاة المشتركة على لوحة ZYNQ 7000 SoC ZC702، مع مساحة مفتاح تبلغ (2^288) وسرعة تبلغ 269.32 ميجابايت/ثانية..\",\"PeriodicalId\":8687,\"journal\":{\"name\":\"Baghdad Science Journal\",\"volume\":null,\"pages\":null},\"PeriodicalIF\":1.2000,\"publicationDate\":\"2024-05-25\",\"publicationTypes\":\"Journal Article\",\"fieldsOfStudy\":null,\"isOpenAccess\":false,\"openAccessPdf\":\"\",\"citationCount\":\"0\",\"resultStr\":null,\"platform\":\"Semanticscholar\",\"paperid\":null,\"PeriodicalName\":\"Baghdad Science Journal\",\"FirstCategoryId\":\"1085\",\"ListUrlMain\":\"https://doi.org/10.21123/bsj.2024.10521\",\"RegionNum\":0,\"RegionCategory\":null,\"ArticlePicture\":[],\"TitleCN\":null,\"AbstractTextCN\":null,\"PMCID\":null,\"EPubDate\":\"\",\"PubModel\":\"\",\"JCR\":\"Q3\",\"JCRName\":\"MULTIDISCIPLINARY SCIENCES\",\"Score\":null,\"Total\":0}","platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"Baghdad Science Journal","FirstCategoryId":"1085","ListUrlMain":"https://doi.org/10.21123/bsj.2024.10521","RegionNum":0,"RegionCategory":null,"ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"Q3","JCRName":"MULTIDISCIPLINARY SCIENCES","Score":null,"Total":0}

引用次数: 0

摘要

本文提出了一种利用定点混沌图和序列加密发生器（PN）设计图像加密的新系统。该系统由嵌入 32 位 PN 的定点混沌映射组成，全部通过 XSG 系统生成器环境使用现场可编程门阵列（FPGA）实现。这项工作中通常使用的加密映射是 Logistic、Lozi 和 Tent。每种加密图的变量决定了解密原始图像的原始像素所需的密钥大小。 Logistic 加密图只有一个变量（r），Lozi 加密图有两个变量 α 和 β，Tent 加密图只有一个变量 µ。基于这些混沌图之间的 XOR 运算，一种新型伪随机比特生成器（PRBG）被提出，并命名为 FPCCM-PRBG（定点连续混沌图伪随机比特生成器）。另一种方法基于 32 位默认数字生成器的最小有效 8 位，被命名为 FPCCM-PRNBG（定点连续混沌图定点连续随机比特生成器）。所生成密钥的随机性通过了美国国家标准与技术研究院（NIST）的测试，包括频率、单比特频率和操作测试。安全性能通过直方图分析、相关系数分析、信息熵、像素变化率和结构相似性进行评估。系统发生器 (XSG) 是嵌入 MATLAB/SIMULINK 环境的强大工具，用于完成这项工作。该系统在 ZYNQ 7000 SoC ZC702 板上使用协同仿真方法实现，键空间为 (2^288)，速度为 269.32 MB/s。

本文章由计算机程序翻译，如有差异，请以英文原文为准。

查看原文本刊更多论文

Design and Enhancing Security Performance of Image Cryptography System Based on Fixed Point Chaotic Maps Stream Ciphers in FPGA

تقترح هذه الورقة البحثية نظامًا جديدًا لتصميم تشفير الصور باستخدام الخرائط الفوضوية ذات النقطة الثابتة ومولدات التشفير المتسلسل (PN). يتكون النظام من خرائط فوضوية ثابتة مدمجة برقم إفتراضي (PN) مكون من 32 بت، يتم تنفيذها جميعًا باستخدام مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA) من خلال بيئة مولد النظام (XSG) . خرائط التشفير المعتادة المستخدمة في هذا العمل هي خرائط (Logistic) و (Lozi) وTent . تحدد متغيرات كل نوع من الخرائط حجم المفتاح المطلوبة لفك تشفير البكسل الأصلي للصورة الأصلية، حيث تحتوي خريطة (Logistic) على متغير واحد (r)، وتحتوي خريطة (Lozi) على متغيرين α و β، وتحتوي خريطة (Tent) على متغير واحد µ كانت الفكرة الرئيسية هي دمج متغير أخر وهو الرقم الإفتراضي (PN) لزيادة مساحة المفتاح، والتي تعد المقياس الرئيسي لتحسين الأمن ضد هجمات القوة القاهرة. تم اقتراح مولد بت عشوائي زائف (PRBG) مبتكر يعتمد على عملية XOR بين الخرائط الفوضوية هذه وأطلق عليه اسم FPCCM-PRBG (مولد بت عشوائي زائف بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). كما تم اقتراح طريقة أخرى تعتمد على أقل 8 بتات ذات دلالة من مولد الرقم الإفتراضي 32 بت وأطلق عليها اسم FPCCM-PRNBG (مولد بت عشوائي غير ثابتة بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). تم إختبار عشوائية المفاتيح المتولدة باستخدام اختبارات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، بما في ذلك اختبارات التردد والتردد أحادي البت والاختبار التنفيذي. كما تم تقييم أداء الأمن من خلال تحليل الهستوغرام، وتحليل معامل الارتباط، وإنتروبيا المعلومات، ومعدل تغيير البكسل، والتشابه البنيوي. يعتبر مولد النظام (XSG) أداة فعالة مضمنة في بيئة MATLAB/SIMULINK وتم استخدامها لتنفيذ العمل. تم تنفيذ النظام باستخدام طريقة المحاكاة المشتركة على لوحة ZYNQ 7000 SoC ZC702، مع مساحة مفتاح تبلغ (2^288) وسرعة تبلغ 269.32 ميجابايت/ثانية..

求助全文

通过发布文献求助，成功后即可免费获取论文全文。去求助

来源期刊

Baghdad Science Journal MULTIDISCIPLINARY SCIENCES-

CiteScore

2.00

自引率

50.00%

发文量

102

审稿时长

24 weeks

期刊介绍： The journal publishes academic and applied papers dealing with recent topics and scientific concepts. Papers considered for publication in biology, chemistry, computer sciences, physics, and mathematics. Accepted papers will be freely downloaded by professors, researchers, instructors, students, and interested workers. ( Open Access) Published Papers are registered and indexed in the universal libraries.