With the advent of digital communication, securing digital images during transmission and storage has become a critical concern. The traditional s-box substitution methods often fail to effectively conceal the information within highly auto-correlated regions of an image. This paper addresses the security issues presented by three prevalent S-box substitution methods, i.e., single S-box, multiple S-boxes, and multiple rounds with multiple S-boxes, especially when handling images with highly auto-correlated pixels. To resolve the addressed security issues, this paper proposes a new scheme SRSS-the Single Round Single S-Box encryption scheme. SRSS uses a single S-box for substitution in just one round to break the pixel correlations and encrypt the plaintext image effectively. Additionally, this paper introduces a new Chaos-based Random Operation Selection System-CROSS, which nullifies the requirement for multiple S-boxes, thus reducing the encryption scheme's complexity. By randomly selecting the operation to be performed on each pixel, driven by a chaotic sequence, the proposed scheme effectively scrambles even high auto-correlation areas. When compared to the substitution methods mentioned above, the proposed encryption scheme exhibited exceptionally well in just a single round with a single S-box. The close-to-ideal statistical security analysis results, i.e., an entropy of 7.89 and a correlation coefficient of 0.007, validate the effectiveness of the proposed scheme. This research offers an innovative path forward for securing images in applications requiring low computational complexity and fast encryption and decryption speeds.


翻译:随着数字通信的发展,在传输和存储过程中保护数字图像已成为关键问题。传统的S盒替换方法往往无法有效隐藏图像高度自相关区域内的信息。本文针对三种常见的S盒替换方法(即单S盒、多S盒以及多轮多S盒方法)在处理高度自相关像素图像时存在的安全问题进行了研究。为了解决这些安全问题,本文提出了一种新方案——单轮单S盒(SRSS)加密方案。SRSS仅在一轮中使用单个S盒进行替换,即可打破像素相关性并有效加密明文图像。此外,本文还引入了一种新型混沌随机操作选择系统(CROSS),该系统消除了对多个S盒的需求,从而降低了加密方案的复杂度。通过由混沌序列驱动,随机选择对每个像素执行的操作,所提方案即使对高自相关性区域也能有效置乱。与上述替换方法相比,所提加密方案在仅使用单轮单S盒的情况下表现出色。接近理想的统计安全分析结果(即熵值为7.89,相关系数为0.007)验证了所提方案的有效性。本研究为在对计算复杂度要求低且加解密速度快的应用中保护图像提供了一条创新路径。

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