PUKYONG

FSR과 CA 기반의 영상 암호화

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Alternative Title
Image Encryption based on FSR and CA
Abstract
In this paper, we propose a new method for image encryption based on the principles of FSR(Feedback Shift Register) and CA(Cellular Automata), in order to improve the security for image data that become increasingly important in information protection area.
FSR generates a sequence with the maximum cycle, and is often used in bit stream encryption. CA deals with the time and space in a discrete manner, where the status each cell can have is simultaneously renewed by local interactions. MLCA(Maximum Length Cellular Automata) can generate the PN(pseudo noise) sequence with the maximum cycle at a minimal cost, and will add noise to the target domain. On the other hand, CAT(Cellular Automata Transform) is a method that transforms a physical domain into a CA domain, using basis functions and conversion formulas generated by Gateway Values.
In this paper, we propose the image encryption method by applying the characteristics of FSR and Two-Dimensional CAT in a stepwise manner. FSR will generate a sequence with the maximum cycle that will be used as the basis image. This image will be converted through an XOR operation with the original image. Then, a Two-Dimensional CAT basis function will be generated and multiplied to the converted image to give a high-level encrypted image. Being a bit stream method, this method provides a quick encryption and high security.
Also we propose the image encryption method that applies MLCA, which has a boundary condition of NBCA and IBCA, and Two-Dimensional CAT in a stepwise manner. The MLCA method is processed in the following order. First, a transition matrix is created using the Wolfram Rule. Then, the transition matrix is in operation to the original image that is intended to be encrypted, which transfers the pixel values of the original image. Furthermore, a Two-Dimensional CAT basis functions are generated and applied to the converted image in order to encrypt it.
Finally, in order to verify the proposed method, we have performed stability analysis with respect to CA key space, pixel sensitivity and the histogram for general images, high-quality medical images, Web text, map images, and etc. As a result, it was confirmed that the methods could achieve a high encryption level. This method showed verification of no loss encryption method, which has restored the original images perfectly.
Author(s)
남태희
Issued Date
2010
Awarded Date
2010. 2
Type
Dissertation
Keyword
FSR(Feedback Shift Register) CA(Cellular Automata) CAT(Cellular Automata Transform) MLCA(Maximum Length Cellular Automata)
Publisher
부경대학교
URI
https://repository.pknu.ac.kr:8443/handle/2021.oak/9954
http://pknu.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001955712
Alternative Author(s)
Nam, Tae Hee
Affiliation
부경대학교 일반대학원
Department
대학원 전자공학과
Advisor
김석태
Table Of Contents
제 1 장 서 론 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

제 2 장 CA와 수열의 수학적 성질 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6
2.1 CA의 정의와 분류 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6
2.1.1 CA의 정의 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6
2.1.2 CA의 분류 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11
2.2 CA의 상태 전이 행렬과 특성다항식 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13
2.2.1 CA의 상태 전이 행렬 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13
2.2.2 CA의 특성다항식 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 16
2.3 여원 CA의 정의 및 성질 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 18
2.4 LFSR의 구조 및 성질 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 18
2.5 NFSR의 정의 및 성질 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21
2.6 CAT 정의 및 성질 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 22
2.6.1 CAT를 영상처리에 적용한 예 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26

제 3 장 FSR과 2차원 CAT를 이용한 영상 암호화 ・・・・・・・・・・・ 30
3.1 LFSR과 2차원 CAT를 이용한 단계적 영상 암호화 ・・・・・30
3.1.1 제안된 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 30
3.1.2 실험 및 평가 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 34
3.1.3 CA 키 공간 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 36
3.1.4 결과 및 고찰 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 38
3.2 비선형 FSR과 2차원 CAT을 이용한 영상 암호화 ・・・・・ 40
3.2.1 제안된 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 40
3.2.2 실험 및 평가 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 43
3.2.3 안정성 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50
3.2.3.1 CA 키 공간 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50
3.2.3.2 엔트로피 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50
3.2.3.3 픽셀의 민감도 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 51
3.2.4 결과 및 고찰 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 54
3.3 비선형 FSR과 여원 MLCA를 이용한 영상 암호화 ・・・・ 56
3.3.1 제안된 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 56
3.3.2 실험 및 평가 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59
3.3.3 결과 및 고찰 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 61
3.4 각 제안된 방법의 비교 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 63

제 4 장 MLCA와 2차원 CAT를 이용한 영상 암호화 ・・・・・・・ 65
4.1 90/150 NBCA 구조를 이용한 영상 암호화 ・・・・・・・・・・・・ 66
4.1.1 제안된 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 66
4.1.2 실험 및 평가 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 69
4.1.3 결과 및 고찰 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 72
4.2 두 개의 선형 MLCA을 이용한 영상 암호화 ・・・・・・・・・・ 74
4.2.1 제안된 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74
4.2.2 실험 및 평가 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 78
4.2.3 결과 및 고찰 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 81
4.3 IBCA에 기초한 여원 MLCA와 2차원 CAT를 이용한 영상
암호화 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83
4.3.1 제안된 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83
4.3.2 암호화 방법 및 과정 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 86
4.3.3 실험 및 평가 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 89
4.3.4 안정성 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 91
4.3.4.1 키 민감도 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 91
4.3.4.2 CA 키 공간 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 92
4.3.4.3 엔트로피 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 93
4.3.5 결과 및 고찰 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 94
4.4 여원MLCA와 2차원 CAT를 이용한 새로운 영상 암호화 96
4.4.1 제안된 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 96
4.4.2 암호화 방법 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 97
4.4.3 실험 및 평가 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 99
4.4.4 안정성 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101
4.4.4.1 키 민감도 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101
4.4.4.2 CA 키 공간 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 102
4.4.4.3 픽셀의 민감도 분석 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 102
4.4.5 결과 및 고찰 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・103
4.5 각 제안된 방법의 비교 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・106

제 5 장 결 론 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 108

참고 문헌 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 110
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