Published March 25, 2021 | Version v1
Publication Open

A Symmetric Key Multiple Color Image Cipher Based on Cellular Automata, Chaos Theory and Image Mixing

Creators

  • 1. Anna University, Chennai

Description

The transmission of significant masses of sensitive and secret images over a public network is inevitable, and demands effective tools and technology to safeguard and conceal the data. In this paper, a symmetric multiple color image encryption technique is proposed by adopting a dual permutation and dual substitution framework. Firstly, the input images are combined into a large image and then segmented into many small and equal-sized pure-image elements. Secondly, using the elementary cellular automata Rule-30, these pure-image elements are permuted to obtain mixed-image elements. Thirdly, second-level permutation is undertaken on the mixed-image elements by applying zigzag pattern scanning. Fourthly, pixel values are substituted by employing the circular shift method; subsequently, second-level pixel substitution is realized through using chaotic random sequences from a 2D logistic map. Finally, the big encrypted image is segmented into smaller encrypted images. Additionally, the keys are calculated from the input images to attain input sensitivity. The efficiency of this method is quantified, based on the unified average changing intensity (UACI), information entropy, number of pixels change rate (NPCR), key sensitivity, key space, histogram, peak signal-to-noise ratio (PSNR) and correlation coefficient (CC) performance metrics. The outcome of the experiments and a comparative analysis with two similar methods indicate that the proposed method produced high security results.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

إن نقل كميات كبيرة من الصور الحساسة والسرية عبر شبكة عامة أمر لا مفر منه، ويتطلب أدوات وتكنولوجيا فعالة لحماية البيانات وإخفائها. في هذه الورقة، يتم اقتراح تقنية تشفير صور متعددة الألوان متماثلة من خلال اعتماد إطار تبديل واستبدال مزدوج. أولاً، يتم دمج صور الإدخال في صورة كبيرة ثم تقسيمها إلى العديد من عناصر الصورة النقية الصغيرة والمتساوية الحجم. ثانياً، باستخدام قاعدة الأتمتة الخلوية الأولية 30، يتم تبديل عناصر الصورة النقية هذه للحصول على عناصر صورة مختلطة. ثالثًا، يتم إجراء تبديل المستوى الثاني على عناصر الصور المختلطة من خلال تطبيق مسح نمط متعرج. رابعًا، يتم استبدال قيم البكسل باستخدام طريقة الإزاحة الدائرية ؛ بعد ذلك، يتم تحقيق استبدال البكسل من المستوى الثاني من خلال استخدام تسلسلات عشوائية فوضوية من خريطة لوجستية ثنائية الأبعاد. أخيرًا، يتم تقسيم الصورة المشفرة الكبيرة إلى صور مشفرة أصغر. بالإضافة إلى ذلك، يتم حساب المفاتيح من صور الإدخال لتحقيق حساسية الإدخال. يتم قياس كفاءة هذه الطريقة، بناءً على متوسط كثافة التغيير الموحدة (UACI)، وإنتروبيا المعلومات، وعدد معدل تغيير البكسل (NPCR)، وحساسية المفتاح، والمساحة الرئيسية، والمدرج التكراري، ونسبة إشارة الذروة إلى الضوضاء (PSNR) ومقاييس أداء معامل الارتباط (CC). تشير نتائج التجارب والتحليل المقارن بطريقتين متشابهتين إلى أن الطريقة المقترحة أسفرت عن نتائج أمنية عالية.

Translated Description (French)

La transmission de masses importantes d'images sensibles et secrètes sur un réseau public est inévitable et exige des outils et une technologie efficaces pour protéger et dissimuler les données. Dans cet article, une technique de cryptage d'image multicolore symétrique est proposée en adoptant un cadre de permutation double et de substitution double. Tout d'abord, les images d'entrée sont combinées en une grande image, puis segmentées en de nombreux éléments d'image pure de petite taille et de taille égale. Deuxièmement, en utilisant les automates cellulaires élémentaires Rule-30, ces éléments d'image pure sont permutés pour obtenir des éléments d'image mélangés. Troisièmement, une permutation de deuxième niveau est entreprise sur les éléments d'image mélangés en appliquant un balayage de motif en zigzag. Quatrièmement, les valeurs de pixels sont substituées en utilisant la méthode de décalage circulaire ; par la suite, la substitution de pixels de deuxième niveau est réalisée en utilisant des séquences aléatoires chaotiques à partir d'une carte logistique 2D. Enfin, la grande image cryptée est segmentée en images cryptées plus petites. De plus, les touches sont calculées à partir des images d'entrée pour atteindre la sensibilité d'entrée. L'efficacité de ce procédé est quantifiée, sur la base de l'intensité de changement moyenne unifiée (UACI), de l'entropie de l'information, du taux de changement du nombre de pixels (NPCR), de la sensibilité de la clé, de l'espace de la clé, de l'histogramme, du rapport signal sur bruit de crête (PSNR) et des mesures de performance du coefficient de corrélation (CC). Les résultats des expériences et une analyse comparative avec deux méthodes similaires indiquent que la méthode proposée a produit des résultats de haute sécurité.

Translated Description (Spanish)

La transmisión de masas significativas de imágenes sensibles y secretas a través de una red pública es inevitable y exige herramientas y tecnología efectivas para salvaguardar y ocultar los datos. En este documento, se propone una técnica de cifrado de imágenes simétricas de múltiples colores mediante la adopción de un marco de permutación dual y sustitución dual. En primer lugar, las imágenes de entrada se combinan en una imagen grande y luego se segmentan en muchos elementos de imagen pura de tamaño pequeño e igual. En segundo lugar, utilizando los autómatas celulares elementales Regla 30, estos elementos de imagen pura se permutan para obtener elementos de imagen mixta. En tercer lugar, la permutación de segundo nivel se lleva a cabo en los elementos de imagen mixta mediante la aplicación de escaneo de patrones en zigzag. En cuarto lugar, los valores de píxeles se sustituyen empleando el método de desplazamiento circular; posteriormente, la sustitución de píxeles de segundo nivel se realiza mediante el uso de secuencias aleatorias caóticas de un mapa logístico 2D. Finalmente, la imagen encriptada grande se segmenta en imágenes encriptadas más pequeñas. Además, las teclas se calculan a partir de las imágenes de entrada para lograr la sensibilidad de entrada. La eficiencia de este método se cuantifica en función de la intensidad de cambio promedio unificada (UACI), la entropía de la información, la tasa de cambio del número de píxeles (NPCR), la sensibilidad de la clave, el espacio de la clave, el histograma, la relación señal/ruido de pico (PSNR) y las métricas de rendimiento del coeficiente de correlación (CC). El resultado de los experimentos y un análisis comparativo con dos métodos similares indican que el método propuesto produjo resultados de alta seguridad.

Files

14766.pdf

Files (3.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:16f84d26ece9fe9b7749154472d29924
3.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مفتاح متماثل متعدد الألوان لتشفير الصور استنادًا إلى الأتمتة الخلوية ونظرية الفوضى وخلط الصور
Translated title (French)
Un chiffrement d'image multicolore à clé symétrique basé sur des automates cellulaires, la théorie du chaos et le mélange d'images
Translated title (Spanish)
Una clave simétrica de cifrado de imágenes de múltiples colores basada en autómatas celulares, teoría del caos y mezcla de imágenes

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3146276154
DOI
10.5755/j01.itc.50.1.28012

Is supplement to
https://openalex.org/W4298146494 (Other)
https://openalex.org/W4234083536 (Other)
https://openalex.org/W2616534394 (Other)
https://openalex.org/W2569422235 (Other)
https://openalex.org/W2382343007 (Other)
https://openalex.org/W2351069687 (Other)
https://openalex.org/W2176990737 (Other)
https://openalex.org/W2134670074 (Other)
https://openalex.org/W2101906472 (Other)
https://openalex.org/W176039795 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1858892799
  • https://openalex.org/W1966617449
  • https://openalex.org/W1975439487
  • https://openalex.org/W1986313783
  • https://openalex.org/W2000331453
  • https://openalex.org/W2010620862
  • https://openalex.org/W2027718862
  • https://openalex.org/W2057656886
  • https://openalex.org/W2065917971
  • https://openalex.org/W2074882608
  • https://openalex.org/W2077232550
  • https://openalex.org/W2091005484
  • https://openalex.org/W2202044034
  • https://openalex.org/W2288310969
  • https://openalex.org/W2315826304
  • https://openalex.org/W2425286230
  • https://openalex.org/W2468668898
  • https://openalex.org/W2561696003
  • https://openalex.org/W2574531940
  • https://openalex.org/W2578324953
  • https://openalex.org/W2766112633
  • https://openalex.org/W2766443371
  • https://openalex.org/W2807793115
  • https://openalex.org/W2895929913
  • https://openalex.org/W2901283152
  • https://openalex.org/W2902876973
  • https://openalex.org/W2913502935
  • https://openalex.org/W2914901001
  • https://openalex.org/W2955548329
  • https://openalex.org/W2981730353
  • https://openalex.org/W2994988297
  • https://openalex.org/W3012308848
  • https://openalex.org/W3045589614
  • https://openalex.org/W844048556