T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Cont r ol   Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020 ,   pp.   289 ~ 300   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e F ir s G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I 10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i1. 13293     289       Jou r n al  h omepage ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   Ir is  i m age s e n c r y p t io n  b ase d   on  QR c o d e  a n d   c h aot i c  m a p         Rani ah   Ali  M u s t a f a Am al   Abd u lb a q M ar yoos h De n a   Nadi r   Geor ge Walee d   Ras h e e d   Hu m oo d   D ep ar t men t   o Co m p u t er  Sci en ce,   Co l l a g o E d u cat i o n ,   Mu s t a n s i ri y ah   U n i v er s i t y Iraq       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT     A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived   J un  10 ,   2019   R e vis e J ul  2 7 ,   2019   Ac c e pted  Aug   18,   2019       In   t h i s   p a p er  an   Iri s   i ma g i s   e n cry p t e d   b a s ed   o n   Q ( q u i ck   res p o n s e)     co d an d   ch a o t i map .   T h mai n   i d ea  o t h p ro p o s ed   s y s t em  i s   g e n erat i n g     Q co d d e p en d i n g   o n   t h i n p u t   t e x t   an d   t h en   ex t ract   t h feat u res   fr o Q R   co d b y   u s i n g   co n v o l u t i o n ,   t h es feat u res   are  u s e d   fo k ey   g en era t i o n .     A ft er  t h at   t h p ermu t ed   i ri s   i ma g e   i s   en cr y p t ed   b y   u s i n g   g en era t ed   k ey ,     aft er  t h a t   t h res u l t i n g   i ma g w i l l   b en cr y p t s   u s i n g   2 D   l o g i s t i map .     T h ran d o m n es s   o g en era t ed   k e y   i s   t e s t e d   u s i n g   t h e   meas u res   o N IS T ,     an d   q u al i t y   o i mag e s   t h a t   en cr y p t ed   i n   t h i s   met h o d   are  t e s t e d   b y   u s i n g   s e cu ri t y   an al y s i s   t e s t s   s u c h   as   PSN R,   U A CI,   N PCR,   h i s t o g r am,   co rrel at i o n   an d   en t r o p y .   T h s ec u ri t y   an a l y s i s   s h o w s   t h a t   t h p r o p o s ed   s y s t em  i s   s ecu re  fo i r i s   i mag en cr y p t i o n .     K e y w o r d s :   B inar iza ti on   His togr a e qua li z a ti on   I mage   e nc r ypti on   L ogis ti c   map   QR   c ode     Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din A u th or :   Ama Abdulba qi  M a r yoos h   De pa r tm e nt  of   C omput e r   S c ienc e ,   C oll a ge   o f   E duc a ti on,   M us tans ir iyah   Unive r s it y ,   I r a q.   E mail:   a malmar yoos h@uomus tans ir iyah. e du. iq       1.   I NT RODU C T I ON     At  thi s   ti me,   us e r s   a tt e mpt   to   s e lec a   s hor ter   pa s s wor to   a uthentica te  their   a c c ounts .   T he   pa s s wor may  be   e a s f or gott e n   a nd   it   c a be   e a s il a tt a c ke d.   W idely   us e tec hnologi e s   s uc a s   voice   r e c ognit ion,     B a r - c ode ,   F inger pr int   s c a nning,   i r is   r e c ognit ion   a n f a c e   r e c ognit ion  now   play  a im po r tant  r ole ,   pa r ti c ular ly   in  s e c ur it y - r e late a ppli c a ti ons   [ 1] .   T he   ba r   c ode   is   one   dim e ns ional  a nd  be c ome s   il legible  whe d a mage d.     B a r - c ode   ha s   s ome  dis a dva ntage   li ke   it   s tor e s   only   up   to   20   digi ts .   F or   thi s   r e a s on,   i n   the  ba r   c ode ,   w e   c a nnot   s tor e   pa s s wor ds   or   c ompl e ph r a s e s ,   s it   doe s n’ p r ovide  the   be s method  f or   a uthentica ti on.   QR   c ode s   a r e   2D   b a r c ode   c a be   r e a f r om   a ny   or ienta ti on   a nd   it   h a s   the  a bil it y   to   hold   up   to   4, 296   c ha r a c ter s   a lphabe ti c a ll y.   Anothe r   f e a tur e   of   QR   c ode   is   that  it   c a be   r e a a f ter   pa r tl da mage d.   M a ke   it s   f e a tur e   of   QR   c ode   ve r s tr ong  a nd  popular   in   the  s e c ur it a nd   a dve r ti s ing  indus tr [ 2] .   F o r   thi s   r e a s on,   QR   c ode   is   c hos e in   thi s   pa pe r .   S e ve r a publi s he wor ks   a r e   r e late to  the  ob jec ti ve s   of   thi s   wor f or   e xa mpl e ,   S im   Hie w     M oi  e a l.   [ 1]   pr e s e nt  a   ne a ppr oa c by  us ing  ir is   template   to  c r e a te  a   unique  a nd  mor e   s e c ur e   e nc r yp ti on  ke y   a nd  us e AE S   a lgor it hm  to  e nc r ypt  a nd  de c r ypt  da t a   of   identit da ta.   T e jas   M ohod  e a l.   [ 2]   im p leme n a   s ys tem   that  take s   pr ope r ti e s   of   both   ir is   a nd   QR   c ode thi s   e nha nc e s   s ys tem  is olation,   c os e f f e c ti ve   a nd  r e li a ble  s e c ur it y   s ys tem.   M .   A.   M ur il lo - E s c oba r   e a l.   [ 3 ]   pr opos e a   ne f inger pr int   template   pr otec ti on  ba s e on  logi s ti c   map  a nd  M ur il lo - E s c oba r s   a lgor it hm.   M oha mm a d   S olt a ni  a nd   Amid   Kha ti bi   B a r ds ir i   [ 4]   p r opos e a   hybr id   a lgor it hm  f or   e nc r ypti on   a nd  s tega nogr a phy,   the ge ne r a ted  the   QR - c ode   us ing  input   text   a nd  e nc r ypted    the  r e s ult ing  QR   im a ge   us ing  2D  logi s ti c   map  then   c onve r the  e nc r ypted  Q R   to  text,   a f ter   that  they  e nc r ypted  the  or igi na l   text  us ing  A E S   a lgo r it hm   a nd  hidi ng   it   us ing   L S B   a lgor it hm .   S r uthi   B .   As ok  e t   a [ 5 ]   e xtr a c ts     a   s e c r e ke y   f r om   ir is   im a ge   a nd  us e   it   to   e nc r ypt   da ta.   Nis hi   P r a s a e t   a l .   [ 6]   Us e d   thr e e   leve o f   s e c ur it f or   im a ge   e nc r ypti on.   T he y   us e logi s ti c   map,   s e c r e k e c r yptogr a phy,   a nd  QR   c ode s .   M .   M a r S ha nth R a ni  a nd   K.   R os e mar E uphr a s ia  [ 7]   pr opos e a n   e nc r ypti on  method   by   us ing  QR   c ode   f o r   mes s a ge   e nc r ypti on  a nd   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    289   -   300   290   ge ne r a te  a nother   QR   c ode   f or   a uthentica ti on  a nd   h idi ng  it   in  c ove r   im a ge .   A.   Hus a in  a nd  R .   Ali   [ 8 ]   i nc r e a s e d   the  s e c ur it of   f inge r   p r int   im a ge   ba s e on  QR   c ode   to  e xtr a c t   e nc r ypti on   ke y.   I n   thi s   pa pe r   ther e   is   a   we a kne s s   in  the  qua li ty   of   e nc r ypted  im a ge ,   s we   s ugge s a   modi f ying  f or   th is   method  to   g e be tt e r   r e s ult s .   I thi s   pa pe r ,   a   ne a lgor it hm  is   pr opos e f or   I r is   im a ge   e nc r ypti on  ba s e on  QR   c od e   f e a tur e   e xtr a c ti on  a nd  c ha oti c   map.   T his   a lgor it h will   incr e a s e   the  s e c ur it of   I r is   im a ge   by  us ing  QR   c ode   to  ge ne r a te  the  ke y,   high   dif f us ion   that  pr ovided   by  pe r mu tat io method  a nd  the  c ha oti c   s ys tem  that  pr ovides   the  c onf us ion.   T he   r a ndomnes s   of   the  ke that  ge ne r a ted  us ing  QR   c ode   wa s   tes ted  us ing  NI S T   tes ts   a nd  pr ove to  be   e f f icie nt.   T he   r e s ult s   of   thi s   wor k   a r e   c ompa r e with   the  r e s ult s   of   [ 8]   by  his togr a m ,   e ntr op y ,   UA C I ,   NPC R ,   c or r e lation  a nd  P S NR .   T he   e xpe r im e ntal  r e s ult s   s how  that  the  pr opos e a ppr oa c is   mor e   e f f icie nt  a nd  s e c ur e   f or   i r is   im a ge   e nc r ypti on.   T he   r e mi nde r   of   thi s   pa pe r   is   a r r a nge a s   f oll ows .   I n   s e c ti on  2   the   methods   tha us e in   pr opos e a lgor it h m   will   be   p r e s e nted.   I n   s e c ti on  3   t he   pr opos e method   is   de s c r ibed  in   de tails .   I n   s e c ti on  QR   ke NI S T   tes ts   will   be   d is play.   T he   s e c ur it y   a na lys is   is   s hown  in   s e c ti on  5.   F inally ,   the  c onc lus ions   a r e   s hown  in  s e c ti on  6.       2.   T HE ORE T I CA L   B AC KG ROUN D   2. 1.       Qu i c k   r e s p on s e   c od e   T he   quick  r e s pons e   ( QR )   C ode   wa s   f ir s de s igned  by  J a pa ne s e   c ompany  f or   c a r s   indus tr c a ll e De ns o - W a ve   in  1994  to  tr a c c a r   pa r ts .   QR   c ode   i s   kinds   of   ba r - c ode   that   c a be   r e c ognize   us ing   a   ba r - c ode   r e a de r .   I c a c ontain   e nc ode inf o r mat ion  li ke   we bs it e   UR L s ,   da ta,   a nd  texts ,   e tc.   T oda y ,   Q R   c ode s     a r e   wide ly  us e a s   i us e in   c ompanie s ,   bus ines s e s   a nd  gove r nment  de pa r t ments   be c a us e   of   thei r   r e li a bil it a nd  e a s e   of   us e   [ 2,   9] .   Als o,   QR   c a us e   in   s e c ur it pur pos e .   T he   inf or mation  c ontaine in   the  c ode   c a   be   e nc r ypted  a nd  de c r ypted  by  us ing  s pe c ial  s of twa r e   e ns ur ing  be tt e r   s e c u r it y.   QR   s tr uc tur e   i s   s hown     in  F igu re   1.   QR   c ode s   c ontain  many  a r e a s   that  e xp lain  a s   f oll ow:   a)   F inder   pa tt e r n :   I c ons is ts   of   s ymm e tr ica l   s tr uc tu r e s   a thr e e   c or ne r s   o f   the   QR   c ode   with   one   mi s s ing  a the  bott om   r ight .   E a c pa tt e r n   is   ba s e on  a   3x3  matr ix  of   blac modul e s   s ur r ounde by  whi te  mod ules   that  a r e   a ga in   s ur r ounde by   blac modul e s .   T he   f i nde r   pa tt e r ns   e na ble  the   de c ode r   s of twa r e   to  r e c ognize   the  QR   C ode   a nd  de ter mi ne   the   c or r e c o r ienta ti on   [ 10 ] .   b)   T im ing  pa tt e r n:  thi s   pa tt e r n   f or   dis c ove r ing  the  c e ntr a l   c oor dinate   of   e a c da ta  c e ll   the  QR   c ode   with  blac a nd  white  de s igns   a r e   plac e a lt e r na tely  in   tw o   plac e s   hor izonta ll y   a nd  ve r t ica ll be twe e the  f in de r   pa tt e r ns .   e ve if   the   c ode   is   d is tor ted  pa r ti a ll o r   a e r r o r   f or   the   c e ll   p it c h,   thi s   a ll ows   a c c ur a te  r e a di ng   of   c e ntr a c oor d inate s .   I t   tr a c ks   the  t im e   of   incomi ng  c ode   [ 11,   12 ].   c)   Alignm e nt  pa tt e r n:   a   model   f o r   c or r e c ti ng   the  d is tor ti on  of   the   c ode .   I t   is   pa r ti c ula r ly   e f f icie nt   f or   c or r e c ti ng  nonli ne a r   dis tor ti ons .   T he   c e ntr a c oor dinate   of   the  a li ne ment  pa tt e r will   be   dis c ove r e to   co r r e c the  dis tor ti on  o f   the   s ymbol .   F or   thi s   pu r po s e ,   a is olate blac c e ll   is   di r e c ted  in  the  c onjun c t ion  pa tt e r f or   ge tt ing   it   e a s to  de tec t   the  c e ntr a l   c oor dinate   of   the   a li gnment  pa tt e r n   [ 13 ] .   d)   Quie z one t his   a r e a   e mpt ies   f r o a ny   mar kings .   mar gin  s pa c e   is   ne e de f or   r e a ding  QR   c ode   r ig htl y.   T his   f r e e   z one   make s   the  QR   c ode   s ymbol   e a s to  r e a by  the  C C s e ns or   [ 14 ] .   e)   Da ta  a r e a i thi s   a r e a   the  QR   c ode   da ta  a nd  e r r or   c or r e c ti on  c ode   will   be   s tor e d .   T he   da ta  a r e a   is   r e pr e s e nt e by  the  g r e a r e a   in   F igu r e   1 .   T he   da ta  will   be   e nc ode int o   1’ s   a nd   0’ s .   T he   binar y   nu mb e r s   will   be   c onve r ted  int o   white   a nd  blac c e ll s   a nd  th e will   be   a r r a nge d   [ 14 ] .           F igur e   1.   QR   s tr uc tur e       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         I r is   image s   e nc r y pti on  bas e on  QR   c ode   and  c ha oti c   map  ( R aniah  A li   M us taf a )   291   2. 2.     L ogis t ic  m a p   one - dim e ns ional   logi s ti c   map  is   de s c r ibed  in  the   f oll owing   e q ua ti on :       + 1 = μ n   ( 1 n )   ( 1)     w he r e   x n   r e f e r   to  the  nth   output   a nd  μ   is   the  map’ s   p a r a mete r   a nd  the  r a nge   of   it   s hould  be   wi thi the  pe r iod   ( 3. 56,   4 ] .   T he   ini ti a va lue  x 0   a nd  μ   c a be   us e a s   a   ke of   e nc r ypti on  [ 15 ] .   W hil e   the  2D  logi s ti c   ha s   mor e   c ompl e be ha vior s   in   i mage   e nc r ypti on   than   a   1 logi s ti c   map  f or   thi s   r e a s on  thi s   pa pe r   us e   it   t e nc r ypt   im a ge s .   2D  logi s ti c   map  c a n   be   s how  a s   f oll ow   [ 4] :       + 1 =   ( 3 + 1 )   ( 1     )       + 1 =   ( 3 + 1 + 1   )   ( 1 )       w he r e   r   is   the  pa r a mete r   o f   s ys tem  a nd  ( x n   y n )   is   is   the  pa ir - wis e   point   a t he   it e r a ti on.   As   s hown  in    F igur e   the  s c a tt e r   plot   of   30 , 000  point s   of   2D  log is ti c   map  us ing  the  pa r a mete r   r   =   1. 19  a nd  the  ini ti a va lue   ( x 0   ,   y 0 )   a ( 0 . 8309, 0 . 3342) .           F ig ur e   2.   t r a jec tor o f   2D   logi s ti c   map  [ 4]       3.   P ROP OS E S CHE M E   T he   pr opos e s c he me  c ontains   thr e e   main   ope r a ti ons   a r e pe r mut a ti on ,   e nc r ypti on   with  QR   ke y   a nd  e nc r ypti on  with  2D   logi s ti c   map.   T he   ge ne r a s ys tem  s tr uc tur e   is   s hown  in   F igu r e   3.     3. 1.     P e r m u t at io n   m e t h od   P e r mut a ti on   is   mos s igni f ica nt   s tep  in   thi s   a lgor i t hm.   I wo r ks   to   block  the   high   c or r e lation   a mong  pixels   of   im a ge   to  incr e a s e   the  s e c ur it of   im a ge   e nc r ypti on  a lgor it hm .   I n   thi s   method  we   r e li e d   on  s c r a mbl ing  r ows   a nd  c olum ns   ba s e on  s um  invar ianc e   of   r ow  a nd  c ol umn  th r ough  c ir c ular   s hif t   pr oc e s s .     I the  be ginni ng   it   s hif ts   e a c r ow   in  im a ge   by  th e   tot a s um  o f   the   r ow  a nd   c olum n's   pixel  va lues   a nd  s a ve     the  r e s ult   in  a   va r iable ,   a nd  then  im pleme nt  the  s a me  method  in  e a c c olum a nd  s a ve   the  r e s ult   i a nother   va r iable .   F inally,   im pleme nt  Xor   ope r a ti on   be twe e the  two  r e s ult s .   F igur e   s hown  the  plain  ir is   i mage   a nd  the  r e s ult ing  im a ge   a f ter   pe r mu tation.     3. 2.     QR  k e ge n e r at ion   T he   f ir s s tep  is   ge ne r a ti ng  the  QR   c ode   de pe nding  on  the  input   text ,   then  im pleme nt  p r e pr oc e s s ing  ope r a ti ons   s uc a s   his togr a e qua li z a ti on   a nd  binar iza ti on  on   QR   im a ge .   Af ter   that   the  f e a tur e s   will     be   e xtr a c ted  f r om  QR   im a ge   by  us ing  c onvolut ion .   T he s e   f e a tur e s   a r e   r e pr e s e nti ng  a   r a ndom  ke wh ich  us e d   to  f ir s t   e nc r ypti on  p r oc e s s .     ( 2)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    289   -   300   292         ( a )         ( b)     F igur e   3.   Ge ne r a s tr uc tur e   of   pr opos e s ys tem   F igur e   4.   ( a )   P lain   ir is   i mage ,     ( b)   P e r mut e i r is   im a ge       3. 3.     Hi s t ogr am   e q u ali z at io n   I t’ s   a   method   f o r   a djus im a ge   c ontr a s t.   L e f   be   a n   i mage   r e pr e s e nted  a s   a   matr ix   r   c   of   int e ge r   pixel   in tens it ies   r a nging  f r om  to  L - 1.   W he r e   L   is   the  number   of   gr a leve va lues   in  im a ge ,   o f ten  256.     L e is   the  nor malize d   his togr a of   f   [ 16 ].     =   nu m b e r   of   pi x e ls   w i t h   i nt e nsi t y   n ot a l   nu m b er   of   pi x e ls   (3 )     T he   his togr a e qua li z e im a ge   g   will   be   de f ined   by :     ,   =   ( (     1 ) , = 0 )   (4 )     in  thi s   pa pe r ,   a f ter   tr a ns f or m   a ny  input   text  to   QR   c ode ,   the  ne xt  s tep  is   his togr a e qua li z a ti on  a nd  t he   r e s ult   of   thi s   s tep  s hown  in   T a ble  1 .         T a ble  1.   T he   r e s ult   f o r   QR   c ode ,   his togr a e qua li z a ti on  a nd  binar iza ti on   N o. bi of   te xt   8 - bi t   16 - bi t   24 - bi t   32 - bi t   40 - bi t   48 - bi t   Q R  C ode               H is to gr a E qua li z a ti on               B in a r iz a ti on                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         I r is   image s   e nc r y pti on  bas e on  QR   c ode   and  c ha oti c   map  ( R aniah  A li   M us taf a )   293   3. 4.     B in ar izat ion   B inar iza ti on  is   the  pr oc e s s   of   c onve r a   gr a leve i mage   to  binar im a ge ,   th is   s tep  is   a im por tant  s tep  to  dis ti nguis blac k - a nd - white  modul e   a c c ur a tely  in   QR   c ode   i mage s .   S o ,   we   pr opos e us e   bin a r iza ti on   ope r a ti on  to  e xt r a c the  f e a tur e s   f r om  QR   i mage .   I thi s   method,   the  QR   c ode   is   d ivi de int o   16x16 0 - bit   blocks .   T he   va lue  of   the  int e ns it of   thes e   blocks   is   a na lyze a nd  the  pixel  va lue  is   then   de ter mi ne d   a s   if     the  pixel   va lue  is   gr e a ter   than   the   a ve r a ge   in tens it of   that   block ,   o ther wis e   make   it   e qu a to  0 .   T a ble   s hows   the  r e s ult   of   QR   c ode ,   his togr a e qua li z a ti on  a n b inar iza ti on  f or   number   bit   of   text   ( 8 - bit ,   16 - bi t,   24 - bit ,     32 - bit ,   40 - bit ,   48 - bit ) .     3. 5.     F e a t u r e   e xt r ac t ion   u s in c on vol u t ion   T he   c onvolut ion  be twe e two  f unc ti ons   ( ) , ( )   whic we   de note  by  ( )   ( ) ,   the  c onvolut ion  gives   the  inver s e   L a plac e   tr a ns f or o f   a   pr oduc t   of   two  t r a ns f or med  f unc ti ons ,   f or   thi s   r e a s on  it s   a i mpor tant   c ons tr uc [ 17 ]:     L 1   ( F ( s )   G( s ) ) = ( )   ( t)   (5 )     If  ( ) , ( )   a r e   c a us a f unc ti ons   then  their   c onvolut ion   is   de f ined  by:     ( )   ( ) =   ( ) ( )  0   (6 )     the  pr opos e s ys tem  us e c onvolut ion   f or   e xtr a c t   t he   f e a tur e s   f r om   QR   c ode   to   ge ne r a te  r a ndom   ke y.   T a ble   2   s hows   the  mas ks   that  us e in  c onvolut ion,   a nd  the  be s r e s ult   his togr a e qua li z a ti on  a nd   c onvolut ion  il lus tr a te   in  the  T a ble   3.         T a ble  2.   T he   mas ks   that  us e in  c onvolut ion   M a tr ix   N o.   3x3 ma s ks   C onvolut io n M a tr ix     1       2       3       4       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    289   -   300   294   T a ble  3.   T he   be s r e s ult   of   his togr a e qua li z a ti on  a nd  c onvolut ion       3. 6.     E n c r yp t ion   a lgorit h m   I nput:   plain   im a ge   ( m ) ,   QR _k e y L og is ti c _k e y   Output:   e nc r ypted  im a ge   ( E )   S tep1:  r e a c olor e d   im a ge   ( m )   S tep2:  f or   c 1:  s ize   ( m )                                     I 1   c ir c ular _s hif ( s um   ( m   ( c olum n) ) )                         e nd                         f or   r 1:  s ize   ( m )                                   I 2   c ir c ular _s hif t   ( s um  ( m   ( r ow ) ) )                         e nd   p   xor   ( I 1 I 2 )   S tep3:  k   xor   ( Q R _k e y p )   S tep4:  E   xor   ( L ogis ti c _k e y k )   S tep5:  e nd       4.   S E CU RI T AN A L YSI S   I thi s   s e c ti on  we   pr e s e nt  a   s e r ies   o f   tes ts   r e s ult s   t pr oo f   the  e f f e c ti ve ne s s   of   the  p r opos e s c he me  a nd  c ompar e   the   r e s ult s   with   [ 8 ] .   I n   thi s   tes t   we   us e da tas e that  c a ptu r e by   M icha Dobe š   a nd  L ibor   M a c ha la.   T he   da tas e c ontains   3x128  i r is   im a ge s .   T he   ir is e s   im a ge s   we r e   s c a nne us ing  T OPC ON   T R C 50I opti c a l   de vice   c onne c ted  with  S ON DX C - 950P   3C C c a mer a   [ 18 ] .   T he   e xpe r im e nts   a r e   pe r f or med   vi a   M a tl a b   R 2013a   on  a   c omput e r   wi th  I n tel  C or e   i7   C P 1 . 9 GH z ,   8   GB   of   R AM .     4. 1.   QR   k e t e s t s   Af ter   f e a tur e s   e xtr a c ti on  f or QR   c ode .   T he   ge ne r a ted  ke is   tes ted  by  NI S T   tes ts ,   a nd  the  r e s ult s   o ke tes ts   a r e   il lus tr a ted  in   T a ble  4 .     4. 2.     Hi s t ogr am   an alys is   His togr a a na lys is   is   us e to  e xplain  the   dif f us i on  a nd  c onf us ion  c ha r a c ter is ti c   o f   the   e nc r ypti on   a lgor it hm.   T a ble   s hown   the  di f f e r e nc e   in   dis tr ib uted  of   im a ge   a mong   plain   ir is   i mage ,   i ts   pe r mut a ti on  a nd     it s   e nc r ypti on .     4. 3.     Cor r e lat ion   a n alys is   T he   c or r e lation  be twe e two  a djac e nt  pixels   in  the  or dinar im a ge   is   pe r mane ntl s tr ong,     a nd  the  va lues   of   c or r e lation  a r e   s c los e   to  1.   F or   thi s   r e a s on,   the  c or r e lation  mus be   r e duc e   s igni f ica ntl in  No   M a s k s     1   2   3   4   5   6   7   8   9   1     C onvo                       H is t   73   217   386   271   270   490   225   93   0   2     C onvo                     H is t   0   56   455   520   444   495   55   0   0   3     C onvo                       H is t   95   211   320   225   252   291   243   121   161   4     C onvo                       H is t   121   243   291   252   225   320   211   95   106   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         I r is   image s   e nc r y pti on  bas e on  QR   c ode   and  c ha oti c   map  ( R aniah  A li   M us taf a )   295   a e f f icie nt   e nc r ypti on   a lgor it hm   a nd  the   va lue   s c los e   to   0   [ 19 20 ] .   W e   c a c omput e   the   c o r r e lation  c oe f f icie nts   f or   thr e e   di r e c ti ons   hor izonta l,   ve r ti c a l ,   a nd  diagona l ,   a c c or ding   to  the   f oll owing   e qua ti ons :     c ov( x,   y ) = E {( x     E ( x) ) ( y E ( y ) ) }   ( 7)     r xy   = c ov ( x, y) D ( x)   D ( y)   ( 8)     ( ) =   1   = 1   ( 9)     ( ) =   1   ( ( ) ) 2 = 1   ( 10)     in  ( 3 ) ,   a nd   y   a r e   the  va lues   of   two   ne ighbor ing   pixels   in   the  im a ge ,   D( x)   a nd  E ( x )   a r e   the   va r ia nc e   a nd    the  e xpe c tation  of   x .   in   ( 9)   a nd  ( 10 )   is   the   numbe r   of   pixels   in  im a ge .   F ig ur e   5   s hown  the  ho r izonta l,   ve r ti c a an diagona c or r e lation  c oe f f icie nt  in   plain   a nd  e n c r ypted  ir is   im a ge .   T a ble   s hown  the  r e s ult s   o f   c o r r e lation   f or   s a mpl e   of   plain  ir is   im a ge s   a nd  e nc r ypted   im a g e s   a nd  c ompar e it   with   [ 8 ].       T a ble  4.   T e s ke r e s ult s   N o.   T e s T ype   P a r a me te r iz e  t e s t   N o.  T e s t   S uc c e s s   F a il ur e   %   1   G  us in g S H A - 1   A ppr oxi ma te  E nt r opy T E S T   255   255   0   100%       B L O C K  F R E Q U E N C Y  T E S T   255   255   0   100%       C U M U L A T I V E  S U M S   T E S T   510   503   7   98.6%       D is c r e te  F F T  T E S T   255   255   0   100%       F r e que nc y T E S T   255   253   2   99.2%       L E M P E L - Z I V   C O M P R E S S I O N  T E S T   255   253   2   99.2%       li ne a r - c ompl e xi ty   255   255   0   100%       N on pe r io di c - te mpl a te s   255   255   0   100%       ove r la ppi ng - te mpl a te s   37740   35855   1885   95%       r a ndom - e xc ur s io ns   255   255   0   100%       r uns   255   255   0   100%       S e r ia l   255   252   3   98.8%   2   L in e a r  C in gr ue nt ia l   A ppr oxi ma te  E nt r opy T E S T   128   128   0   100%       B L O C K  F R E Q U E N C Y  T E S T   128   123   5   96%       C U M U L A T I V E  S U M S  T E S T   256   248   8   96.8%       D is c r e te  F F T  T E S T   128   128   0   100%       F R E Q U E N C Y  T E S T   128   123   5   96%       L E M P E L - Z I V  C O M P R E S S I O N  T E S T   128   0   128   0%       li ne a r - c ompl e xi ty   128   128   0   100%       N on pe r io di c - te mpl a te s   18944   16675   2269   88%       ove r la ppi ng - te mpl a te s   128   128   0   100%       R A N K  T E S T   128   128   0   100%       R U N S  T E S T   128   126   2   98.4%       S E R I A L  T E S T   256   250   6   97.6%   3   B lu m - B lu m - S hub   A ppr oxi ma te  E nt r opy   128   128   0   100%       B L O C K  F R E Q U E N C Y  T E S T   128   125   3   97.6%       C U M U L A T I V E  S U M S   256   253   3   98.8%       D is c r e te  F F T   128   128   0   100%       F R E Q U E N C Y  T E S T   128   125   3   97.6%       L E M P E L - Z I V  C O M P R E S S I O N  T E S T   128   128   0   100%       li ne a r - c ompl e xi ty   128   128   0   100%       N on  pe r io di c - te mpl a te s   18944   16705   2239   88%       ove r la ppi ng - te mpl a te s   128   128   0   100%       R A N K  T E S T   128   128   0   100%       R U N S  T E S T   128   128   0   100%       S E R I A L  T E S T   256   255   1   99.6%   4   XOR   A ppr oxi ma te  E nt r opy   180   180   0   100%       B L O C K  F R E Q U E N C Y  T E S T   180   180   0   100%       D is c r e te  F F T   180   180   0   100%       C U M U L A T I V E  S U M S   362   362   0   100%       F R E Q U E N C Y  T E S T   180   179   1   99.4%       L O N G E S T  R U N S  O F  O N E S  T E S T   180   180   0   100%       L E M P E L - Z I V  C O M P R E S S I O N  T E S T   180   180   0   100%       R A N K  T E S T   180   180   0   100%       N O N P E R I O D I C  T E M P L A T E S  T E S T   26788   21429   5359   79.9%       R U N S  T E S T   180   177   3   98.3%       S E R I A L  T E S T   362   357   5   98.6%       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    289   -   300   296   T a ble  5.   His togr a a na lys is   of   o r igi na l ,   pe r mut e d   a nd  e nc r ypted  R GB   ir is   im a ge   D e s c r ip ti on   I ma ge   R , G  a nd B  ba nds  H is to gr a m   O r ig in a ir is  i ma ge       P e r mut e im a ge     A f te r  a dd  Q R  ke y     A f te r  a dd  L ogi s ti c   ke y             F igur e   5.   C or r e lation   of   two  ne ighbor ing   pixels   in   plain  a nd  e nc r ypted  i r is   im a ge     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         I r is   image s   e nc r y pti on  bas e on  QR   c ode   and  c ha oti c   map  ( R aniah  A li   M us taf a )   297   T a ble  6.   C ompar ing  c or r e lation  c oe f f icie nts   of   two   ne ighbor ing  pixels   in  the  p lain  a nd    e nc r ypted  im a ge s   be twe e pr opos e s ys tem  a nd  [ 8 ]   I ma ge s   C or r e la ti on of  pr opos e d s ys te m   C or r e la ti on of  A . H us a in  [ 8]   V e r ti c a l   H or iz ont a l   D ia gona l   V e r ti c a l   H or iz ont a l   D ia gona l     0.0738   0.0836   0.0743   0.0138   - 6.6318e - 04   0.01     - 0.0026   - 0.0015   0.0043   0.0743   0.0654   - 0.0529     0.0040   - 3.1145e - 04   0.0027   - 0.0041   0.0280   - 0.0143     3.5373e - 04   0.0046   0.0034   - 0.0184   0.0544   - 0.0165       4. 4.     I n f or m a t ion   e n t r op an a lys is   One   of   the  ve r y   im po r tant   mea s ur e   to   c omput e   t he   r a ndomnes s   is   inf o r mation   e ntr opy.   I c a n   be   c omput e by:     H ( m ) = p( m i ) log 2 1 p( m i ) 2 n - 1 i=0   ( 11)     in  ( 11) ,   is   a   s a mpl e ,   n   is   the  number   o f   s a mpl e s ,   a nd  p( m)   is   the  p r oba bil it of   s ymbol   m.     we   c a ge t   the   idea l   va lue   of   H( m )   a c c or ding  to   ( 11)   is   8,   thi s   mea n   that   r a ndom   in f or mation   in   im a ge   [ 21 ] .   T he   va lues   that  we   obtaine o f   in f or mation   e ntr opy   a r e   c los e r   to   e ight ,   thi s   pr oo f   that   the  pr opos e s c he me  ha s   we ll   r a ndom .   T a ble   7   il lus tr a te   the  va lues   of   inf o r m a ti on  e ntr opy   f o r   the   va r ious   plain   a nd   e nc r ypted   ir i s   im a ge s   a nd  c ompar e it   wi th  [ 8 ] .     4. 5.     Re s is t in d i f f e r e n t ial   at t ac k   an alys is   T he   a tt a c ke r s   typ ic a ll make   a   s mall   c ha nge   on   the   s e lec ted  plain   im a ge   a nd   then   note  the   c ha nge s   in   the  e nc r ypted  im a ge .   T hus ,   they  may  be   a ble  to  f ind  a   r e lations hip  be twe e the  plain  a nd  e nc r ypted    im a ge   [ 22 ] .   I or de r   to  know  the  e f f e c of   c h a nging  a   tee ny  por ti on  of   pixels   in  the  nor ma im a ge     on  the  e nc r ypted  im a ge ,   in  thi s   pa pe r   we   us e the  number   of   pixels   c ha nge   r a te  ( NPC R )   a nd  unif ied  a ve r a ge d   c ha nge int e ns it ( UA C I ) .   T he   N P C R   indi c a tor   c a be   us e to   know   the  number   of   dif f e r e nt  pixels   t ha ha ve   the  s a me  loca ti on  in  the   or igi na l   im a ge   a nd  in   it s   e nc r ypted  im a ge ,   a nd   it   is   de f ined  a s   f ol lows :     N P C R = D ( i, j) i , j w   x   h   x   1 0 0 %   ( 12)     he r e ,   w   a nd  h   a r e   the   width  a nd   he ight   o f   the   im a g e ,   C 1( i ,   j )   a nd   C 2( i,   j)   a r e   the   two  e nc r yp ted  im a ge s   whos e   c or r e s ponding  plain  im a ge s   I 1   ( i ,   j )   a nd  I 2   ( i,   j )   ha ve   on ly  one - pixel  va lue   dif f e r e nc e .   D   ( i ,   j)   =   0 ,   if     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    289   -   300   298   C1   ( i,   j)   =   C2   ( i ,   j ) e ls e   D( i ,   j )   =   1.   T he   UA C I   ind ica tor   is   us e to  know   the  e f f e c t   on  e nc r ypted  im a ge   if   one   pixel  is   c ha nge in  plain   im a ge ,   a nd  it   is   de f ined  a s   f oll ows :     U A CI = 1 w   x   h ( | C 1 ( i , j )   C 2 ( i , j ) | 255 i , j )   x   100%   ( 13)     the  idea va lue   of   NPC R   a nd  UA C I   a r e   99. 61   a nd  3 3. 46  [ 23 ,   24 ] .   I n   thi s   pa pe r   we   im pleme nt   NPC R   a n UA C I   mea s ur e s   on  f ou r   c olor   ir is   im a ge s   a nd   th e   r e s ult s   of   the  two   ind ica tor s   a r e   c los e   to   idea va lue.     T a ble  s hown  the   r e s ult s   of   NPC R   a nd   UA C I   in  p r opos e s c he me  a nd  c ompar e   it   with   [ 8 ].     4. 6.     P e ak   s ign al  t n o is e   r at io  ( P S NR )   P S NR   ( pe a s ignal  to  nois e   r a ti o )   a r e   mor e   popular   tes ts   f or   im a ge   e nc r ypti on  a lgo r it hms ;     P e a s ignal - to  nois e   r a ti c a n   be   uti li z e to   e va lu a te  a e nc ipher ing   s c he me.   I t   is   a   mea s ur e ment  th a point s   the  c ha nge s   in  pixel  va lues   be tw e e the  plain  im a g e   a nd  the  c ipher   im a ge .   T he   lowe r   va l ue   of   P S NR   r e pr e s e nts   be tt e r   e nc ipher ing  qua li ty .   T he   P S NR   f or mul a   is   e xpr e s s e in  e qua ti on  be ll ow:     P S N R = 10 log 10   [ M ×   N   × 255 2 ( P ( i , j )   C ( i , j ) ) 2 N 1 j = 0 M 1 i = 0 ]   ( 14)     whe r e   M   is   the  width   a nd   N   is   the   he ight   of   digi tal   im a ge .   P ( I ,   j )   is   pixel   va lue   of   the  p lain  im a ge   a nd   C ( I ,   j)   is   pixel  va lue  o f   the   c ipher   im a ge   [ 2 5 ] .   T a ble  8   s hown  the  r e s ult s   of   NPC R   a nd  UA C I   in   pr opos e s c he me  a nd   c ompar e   it   with   [ 8 ].     4. 7.     E n c r yp t ion   an d   d e c r yp t ion   t im e   an alys is   T he   e xe c uti on  ti me   of   im a ge   e nc r ypt ion  a nd   de c r ypti on  in   pr opos e s ys tem  a nd  the  c ompar is on     with  [ 8]   a r e   e xplains   in   T a ble  9 .       T a ble  7.   C ompar ing  I nf or mation   E nt r opy  o f   plain   a nd  e nc r ypted  ir is   i mage     be twe e pr opos e method  a nd  [ 8 ]   I ma ge s   E nt r opy of  pl a in  i ma ge s   E nt r opy of  p r opos e d s ys te m   E nt r op y of  A . H us a in  [ 8]     7 .2 3 4 2   7 .9 9 8 0   7 .9 9 7 4     7 .1 2 8 8   7 .9 9 8 9   7 .9 8 4 1     7 .3 2 0 4   7 .9 9 9 0   7 .9 9 7 1     7 .1 7 7 2   7 .9 9 9 1   7 .9 9 7 4   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.