Một phương pháp điều khiển hỗn hợp phản hồi nhiễu mới để giảm thiểu sự suy giảm động học của các hệ thống hỗn loạn số và ứng dụng của nó trong mã hóa hình ảnh

Multimedia Tools and Applications - Tập 80 - Trang 19237-19261 - 2021
Hongyue Xiang1, Lingfeng Liu1
1School of Software, Nanchang University, Nanchang, People’s Republic of China

Tóm tắt

Trong môi trường tính toán độ chính xác hữu hạn, các quỹ đạo của tất cả các chuỗi hỗn loạn đi vào một chu kỳ dẫn đến sự suy giảm động lực học của chúng. Trong bài báo này, một phương pháp điều khiển hỗn hợp phản hồi nhiễu mới được giới thiệu để giảm thiểu ảnh hưởng của độ chính xác hữu hạn. Một ánh xạ logistic truyền thống được giới thiệu như là một bộ phát sinh chuỗi giả ngẫu nhiên cho sự nhiễu thay đổi theo thời gian nhằm gây nhiễu các hệ số của ánh xạ hỗn loạn và làm cho chúng thay đổi một cách lặp đi lặp lại trong miền hỗn loạn. Cơ chế phản hồi phi tuyến có độ phức tạp cao. Kết quả phân tích số cho thấy phương pháp điều khiển hỗn hợp phản hồi nhiễu có thể làm giảm hiệu quả sự suy giảm động lực học của các hệ thống hỗn loạn số. Hơn nữa, chúng tôi đề xuất một thuật toán mã hóa đơn giản dựa trên phương pháp điều khiển hỗn hợp phản hồi nhiễu và áp dụng nó vào mã hóa hình ảnh. Chỉ số NPCR và UACI của phương pháp mã hóa của chúng tôi lần lượt là 0.99609 và 0.33464, trong khi đó entropy thông tin đạt đến mức cao nhất là 7.9976. Tất cả các kết quả thí nghiệm số chứng minh rằng thuật toán được đề xuất cực kỳ an toàn, chống lại nhiều cuộc tấn công và cạnh tranh hơn so với các thuật toán mã hóa khác.

Từ khóa

#hệ thống hỗn loạn số #phương pháp điều khiển hỗn hợp #phản hồi nhiễu #mã hóa hình ảnh #độ chính xác hữu hạn

Tài liệu tham khảo

Alawida M, Samsudin A, Teh J (2019) S. Enhancing unimodal digital chaotic maps through hybridization [J]. Nonlinear Dyn 96(1):601–613 Arpaci B, Kurt E, Celik K, Ciylan B (2020) Colored image encryption and decryption with a new algorithm and a Hyperchaotic electrical circuit [J]. J Electric Eng Technol 15(3):1413–1429 Artiles Jose AP, Chaves Daniel PB, Pimentel C (2019) Image encryption using block cipher and chaotic sequences [J]. Signal Process Image Communication 79:24–31 Asgari-Chenaghlu M, Balafar M-A, Feizi-Derakhshi M-R (2019) A novel image encryption algorithm based on polynomial combination of chaotic maps and dynamic function generation [J]. Signal Process 157:1–13 Azzaz MS, Tanougast C, Sadoudi S et al (2013) A new auto-switched chaotic system and its FPGA implementation [J]. Commun Nonlinear Sci Numer Simul 18(7):1792–1804 Ben Farah MA, Kachouri A, Samet M (2011) Improvement of cryptosystem based on iterating chaotic map [J]. Commun Nonlinear Sci Numer Simul 16(6):2543–2553 Ben Farah MA, Guesmi R, Kachouri A et al (2020) A new design of cryptosystem based on S-box and chaotic permutation [J]. Multimed Tools Appl 79(27–28):19129–19150 Chen JX, Zhu ZL, Zhang LB et al (2018) Exploiting self-adaptive permutation-diffusion and DNA random encoding for secure and efficient image encryption [J]. Signal Process 142:340–353 Chen C, Sun KH, Peng YX et al (2019) A novel control method to counteract the dynamical degradation of a digital chaotic sequence [J]. Eur Phys J Plus 134(1):31 Dastgheib MA, Farhang M (2017) A digital pseudo-random number generator based on sawtooth chaotic map with a guaranteed enhanced period [J]. Nonlinear Dyn 89(4):2957–2966 Gopalakrishnan T, Ramakrishnan S (2017) Chaotic image encryption with hash keying as key generator [J]. IETE J Res 63(2):172–187 Gopalakrishnan T, Ramakrishnan S (2019) Image encryption using hyper-chaotic map for permutation and diffusion by multiple hyper-chaotic maps [J]. Wirel Pers Commun 109(1):437–454 Gustafson H, Dawson E, Nielsen L, Caelli W (1994) A computer package for measuring the strength of encryption algorithms [J]. Computer & Security 13(8):687–697 Hamza R (2017) A novel pseudo random sequence generator for image-cryptographic applications [J]. J Inform Secur Appl 35:119–127 Hua ZY, Zhou YC (2018) One-dimensional nonlinear model for producing Chaos [J]. IEEE Trans Circuits Syst I-Regul Pap 65(1):235–246 Hua ZY, Zhou YC, Pun CM et al (2015) 2D sine logistic modulation map for image encryption[J]. Inf Sci 297:80–94 Jiang N, Zhao A, Xue CP et al (2019) Physical secure optical communication based on private chaotic spectral phase encryption/decryption [J]. Opt Lett 44(7):1536–1539 Khan M (2015) A novel image encryption scheme based on multiple chaotic S-boxes [J]. Nonlinear Dyn 82(1–2):527–533 Lambic D, Nikolic M (2017) Pseudo-random number generator based on discrete-space chaotic map [J]. Nonlinear Dyn 90(1):223–232 Li X, Wang Y, Wang QH et al (2019) Modified integral imaging reconstruction and encryption using an improved SR reconstruction algorithm [J]. Opt Lasers Eng 112(SI):162–169 Li CQ, Feng BB, Li SJ et al (2019) Dynamic analysis of digital chaotic maps via state-mapping networks [J]. IEEE Trans Circuits Syst I-Regul Pap 66(6):2322–2335 Liu LF, Miao SX (2015) A universal method for improving the dynamical degradation of a digital chaotic system[J]. Phys Scr 90(8):085205 Liu LF, Miao SX (2017) Delay-introducing method to improve the dynamical degradation of a digital chaotic map [J]. Inf Sci 396:1–13 Liu LF, Hu HP, Deng YS (2015) An analogue-digital mixed method for solving the dynamical degradation of digital chaotic systems [J]. IMA J Math Control Inf 32(4):703–715 Liu LF, Lin J, Miao SX et al (2017) A double perturbation method for reducing dynamical degradation of the digital baker map [J]. Int J Bifurcat Chaos 27(07):174102–174396 Liu YQ, Luo YL, Song SX et al (2017) Counteracting dynamical degradation of digital chaotic Chebyshev map via perturbation [J]. Int J Bifurcat Chaos 27(03):1750033 Murillo-Escobar MA, Cruz-Hernandez C, Cardoza-Avendao L et al (2017) A novel pseudorandom number generator based on pseudorandomly enhanced logistic map [J]. Nonlinear Dyn 87(1):407–425 Nagaraj N, Shastry MC, Vaidya PG (2008) Increasing average period lengths by switching of robust chaos maps in finite precision [J]. Eur Phys J Spec Top 165(1):73–83 Nesa N, Ghosh T, Banerjee I (2019) Design of a chaos-based encryption scheme for sensor data using a novel logarithmic chaotic map [J]. Journal of Information Security and Applications 47:320–328 Persohn KJ, Povinelli R (2012) Analyzing logistic map pseudo-random number generators for periodicity induced by finite precision floating-point representation [J]. Chaos, Solitons Fractals 45(3):238–245 Rajagopalan S, Poori S, Narasimhan M, Rethinam S, Vallipalayam Kuppusamy C, Balasubramanian R, Moorthi Paramasivam Annamalai V, Rengarajan A (2020) Chua's diode and strange attractor: a three-layer hardware–software co-design for medical image confidentiality [J]. IET Image Process 14(7):1354–1365 Ravichandran D, Praveenkumar P, Rayappan JBB, Amirtharajan R (2017) DNA Chaos blend to secure medical privacy [J]. IEEE Trans Nanobiosci 16(8):850–858 Tang JY, Yu ZN, Liu LF (2019) A delay coupling method to reduce the dynamical degradation of digital chaotic maps and its application for image encryption [J]. Multimed Tools Appl 78(17):24765–24788 Tong XJ, Wang Z, Zhang M et al (2015) An image encryption algorithm based on the perturbed high-dimensional chaotic map [J]. Nonlinear Dyn 80(3):1493–1508 Wang XY, Li ZM (2019) A color image encryption algorithm based on Hopfield chaotic neural network [J]. Opt Lasers Eng 115:107–118 Wang XY, Wang Q (2014) A fast image encryption algorithm based on only blocks in cipher text [J]. Chinese Physics B 23(3):1674–1056 Wang SH, Liu WR, Lu HP et al (2004) Periodicity of chaotic trajectories in realizations of finite computer precisions and its implication in chaos communications [C]. Int J Moder Phys B 18(17–19):2617–2622 Wang XY, Wang Q, Zhang YQ (2015) A fast image algorithm based on rows and columns switch [J]. Nonlinear Dyn 79(2):1141–1149 Wu Y, Zhou YC, Bao L (2014) Discrete wheel-switching chaotic system and applications [J]. IEEE Trans Circuits Syst I-Regul Pap 61(12):3469–3477 Xie YY, Li JC, Kong ZF et al (2016) Exploiting optics Chaos for image encryption-then-transmission [J]. J Lightwave Technol 34(22):5101–5109 Yuan ZS, Li HT, Zhu XH (2015) A digital-analog hybrid random number generator based on memristor [J]. Acta Phys Sin 64(24):240503 Zhou YC, Hua ZY, Pun CM et al (2015) Cascade chaotic system with applications [J]. IEEE Trans Cybern 45(9):2001–2012