I n t e r n at ion al  Jou r n al   of   E lec t r ical  an d   Com p u t e r   E n gin e e r in g  ( I JE CE )   Vol.   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   20 2 4 ,   pp .   5153 ~ 5171   I S S N:  2088 - 8708 ,   DO I :  10 . 11591/i jec e . v 1 4 i 5 . pp 5 153 - 5171             5153       Jou r n al  h omepage :  ht tp: // ij e c e . iaes c or e . c om   S at e ll it e   image   e n c r y p t io n   u si n g  2D   st an d ar d  m a p  an d   ad van c e d  e n c r y p t io n  st an d ar d   w ith   s c r a m b li n g       Om ar   B e n c h ik h 1 ,   Youce f   B e n t ou t ou 2 ,   Nas r e d d in e   T aleb 1   1 C omm uni c a ti on N e twor ks , A r c hi te c tu r e  a nd M ul ti me di a  L a bo r a to r y, D e pa r tm e nt  of  E le c tr oni c s ,   D ji ll a li  L ia be s  U ni ve r s it y of  S id i  B e l  A bbe s ,  S id i  B e l  A bbè s ,  A lg e r ia   2 S a te ll it e  D e ve lo pme nt  C e nt e r , O r a n, A lg e r ia       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 a n  20,   2024   R e vis e d  M a y  27,   2024   Ac c e pted  J un  4,   2024       In   t o d a y ’s   w o r l d ,   t h e  n eed   f o r  h i g h er  l ev e l s   o f  s ec u ri t y   i n   s t o ri n g   a n d   t ran s ferri n g   d at a  h a s   b ec o me  a  k e y   co n cern .   It   i s   e s s e n t i al   t o   s afe g u ar d   d a t a   fro m  an y   p o t e n t i a l   i n fo rma t i o n   l ea k s   t o   p rev en t   t h reat s   t h at   ma y   co m p r o mi s e   d at a  co n fi d en t i a l i t y .   T h eref o re,   t o   p r o t ec t   cri t i cal   an d   co n f i d e n t i al   s a t el l i t e   i mag er y ,   t h i s   p ap er  p ro p o s es   a  n o v el   en cr y p t i o n   met h o d   b as e d   o n   t h e   co mb i n a t i o n   o f  i mag e  b a n d s   s cram b l i n g   w i t h   ch ao s   an d   t h e  ad v an ced   en cry p t i o n   s t an d ard   ( A E S).   T h e   p r o p o s e d   ap p ro ac h   a i ms   t o   e n h a n ce  t h e   s ecu r i t y   o f  s at el l i t e  i mag er y   w h i l e  mai n t a i n i n g   effi ci en cy   an d   ro b u s t n es s   ag ai n s t   v ar i o u s   a t t ac k s .   It   p o s s e s s e s   s e v eral   ap p ea l i n g   t ech n i ca l   ch aract er i s t i c s ,   n o t ab l y   a  h i g h   l ev e l   o f  s ecu ri t y ,   a  l a rg e  k ey   s p ace,   an d   res i l i e n ce  t o   s i n g l e  ev e n t   u p s et s   (SE U s )  an d   t ra n s m i s s i o n   erro rs .   T o   e v al u at e   t h e  p erf o rma n ce  o f  t h e  p r o p o s e d   en cr y p t i o n   t e ch n i q u e,   ex t e n s i v e   ex p er i men t s   h a v e  b een   co n d u ct e d   b y   co n s i d er i n g   fact o rs   s u ch   as   s ec u ri t y   l ev e l ,   res i s t a n ce  t o   SE U s ,   a n d   c o mp u t a t i o n a l   effi ci en c y .   O u r  re s u l t s   d emo n s t rat e  t h a t   t h e  p r o p o s e d   met h o d   ach i e v es   a  h i g h   l e v el   o f  s ecu r i t y   an d   a  l arg e  k e y   s p ace,   en s u ri n g   t h e  co n f i d e n t i al i t y   an d   i n t e g ri t y   o f  s a t el l i t e   i mag er y   d at a.   Fu r t h erm o re,   t h e  met h o d   ex h i b i t s   res i l i en ce  ag ai n s t   SE U s   an d   t ran s mi s s i o n   erro r s ,   an d   o ffer s   effi c i en t   p r o ces s i n g ,   m ak i n g   i t   s u i t a b l e  f o r   real - w o rl d   ap p l i ca t i o n s .   K e y w o r d s :   Adva nc e d  e nc r ypti on  s tanda r d   C ha oti c   s ys tem   I mage   e nc r ypti on   S a telli te  im a ge r y   S c r a mbl ing   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l e  u n d e r   t h e  CC  B Y - SA   l i ce n s e.     C or r e s pon din g  A u th or :   Oma r   B e nc hikh   C omm unica ti on  Ne twor ks ,   Ar c hit e c tur e   a nd  M ult i media   L a bor a tor y,   De pa r tm e nt   of   E lec tr onics ,   Djil lali  L iabe s   Unive r s it y  of   S idi   B e l  Abbe s   S idi   B e l  Abbe s ,   Alge r ia   E mail:   omar b022@ho tm a il . c om       1.   I NT RODU C T I ON   Now a da ys ,   huge   qua nti ti e s   of   va r ious   types   of   digi tal  da ta  including   text,   im a ge ,   a nd  v ideo  a r e   e xc ha nge d  thr ough  dif f e r e nt  kinds   of   c omm un ica ti on  ne twor ks .   S ubjec t  to  pos s ibl e   high  r is ks ,   s uc h  inf or mation  mus t  be   p r otec ted  a nd  s e c ur e d  be c a us e   it   c ontains   pr ivate   a nd  c onf idential  da ta.   I n  pa r ti c ular ,   e a r th  obs e r va ti on   s a telli tes   ( E OS )   a nd  r e mot e   s e ns ing  ( R S )   a r e   dis r upted   by   r a ndom   o r   int e nti ona l   a tt a c ks   on   im a ge s .   S ince   digi tal  im a ge s   a r e   tr a ns mi tt e d  on  dif f e r e nt  kinds   of   ne twor ks ,   their   s e c ur it y  be c omes   a   ne c e s s it y  [ 1] .   R e f e r r ing   to  the   US   C omput e r   S e c ur it y  I ns ti tut e   s tudy   [ 2] ,   int e r na l  una utho r ize d  f il e   a c c e s s   a c c ounts   f or   59 %   of   thr e a ts ,   he nc e   the   ne e d  f or   e f f icie nt  mea ns   to   s olve   thi s   pr ob lem  a nd   e ns ur e   the   s e c ur it y   of   inf o r mation   s ys tems .   Among  the   s e c ur it y  tec hni que s   e mpl oye d,   c r yptog r a phy  is   the  mos t   wide ly  u s e d  wa y  to  e ns ur e   the  pr ivac y,   int e gr it y  or   a uthentica ti on  of   text  a nd  im a ge   da ta  tr a ns mi s s ion  pr oc e s s e s   a n d  s tor a ge   f r om   una ppr ove d   us e r s .   T his   c omm on   tec hnique,   ba s e d  on  two   f unc ti ons   c a ll e d   e nc r ypti on   a nd   de c r ypti on,   ha s   f ound  a   gr e a t  im pa c t  a nd  be c a me  a n  int e r e s ti ng  r e s e a r c h  theme   in  the  a r e a   of   inf o r mation   s e c ur it y     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5153 - 5171   5154   [ 3] – [ 5] .   F ur the r mor e ,   e nc r ypti on   is   a ls o  us e d   to   e ns ur e   inf or mation  tr a ns mi s s ion  in   c omm unica ti on  n e twor ks .   T his   tas k   c a n  be   pe r f o r med   by   us ing  s tanda r d   im a ge   e nc r ypti on   a lgor it h ms   s uc h  a s   digi tal   e n c r ypti on  s tanda r d  ( DE S ) ,   int e r na ti ona l   da ta  e nc r ypti on  a lgo r it hm  ( I DE A) ,   t r ipl e   da ta  e nc r ypti on   s tanda r d  (3 - DE S ) ,   a nd   a dva nc e d  e nc r ypti on  s tanda r d  ( AE S )   [ 6] .   How e v e r ,   DE S   a nd  I D E A  pos e   c ha ll e nge s   due   to  their   int r ica te  na tur e   a nd  s low  pe r f o r manc e   whe n  tas ke d  with  e nc r ypti ng  lar ge   s a telli te  im a ge   da tas e ts .   M or e ov e r ,   both   DE S   a nd  3 - DE S   e xhibi t   s e c ur it y   vulner a bil i ti e s   a tt r ibut a ble  to   thei r   li mi ted   ke y   s ize .   Among   thes e   e n c r ypti on  a lgor it hms ,   AE S   is   c ons ider e d  a s   a   ne w   ge ne r a ti on  of   wo r ld   e nc r ypti on   s tanda r d  that   wa s   a dopted  by   the   Na ti ona l  I ns ti tut e   o f   S tanda r ds   a nd  T e c hnology  ( NI S T )   [ 7] .   I n   the   las t  two   de c a de s ,   AE S   ha s   b e e n  mos t  c omm only  us e d  a s   a n  e xc e ll e nt  c hoice   f or   many  c r it ica l  a ppli c a ti ons   s e e king  c onf identialit y  a nd  the  s e c ur e   e xc ha nge   of   inf or mation   s uc h  a s   s a telli te  im a ge r y  [ 8] ,   [ 9] .   T he s e   c las s ica l  methods ,   while  e f f e c ti ve   in  c e r tain   c ontexts ,   may  e xhibi t  d r a wba c ks   whe n  a ppli e d  to  l a r ge - s ize   or   bulky  s a telli te  im a ge   da ta.   I n  the   pa s t  twe nty   ye a r s ,   c ha oti c   maps   ha ve   e mer g e d  a s   a   viable   tool   f or   im a ge   e nc r ypti on,   thanks   to   their   a tt r a c ti ve   c ha r a c ter is ti c s   s uc h  a s   ps e udo - r a ndomnes s ,   unpr e dicta bil it y,   e r godicity,   a nd  s e ns it ivi ty  to   ini ti a l  c ondit ions   [ 10] ,   [ 11] .   C ha oti c   maps   pr ovide  oppor tuni ti e s   f or   de ve lopi ng  nove l  im a ge   e nc r ypti on   methodologi e s   or   modi f ying   c onve nti ona l  a lgor it hms   [ 12] ,   [ 13] .   A  c omp r e he ns ive  r e view   of   r e c e nt  s tudi e s   on  im a ge   da ta  s e c ur it y  a nd   c r yptogr a phic  a na lys is   is   pr e s e nted  in  [ 8] .    E xis ti ng  c r yptog r a phic  s ys tems   uti li z ing  c ha oti c   m a ps   c a n  be   divi de d   int o  two  main   c a tegor ies :  one - dim e ns ional  ( 1 - D)   a nd  mul ti - dim e ns ional  ( M - D)   c ha oti c   maps .   C ha oti c   dyna mi c s   of   c e r tain  1 - D   c ha oti c   maps   li ke   the  L ogis ti c   a nd  S ine  maps   a r e   of ten   de e med  ins uf f icie ntl y  s e c ur e   due   to  inher e nt   li mi tations   s temmi ng  f r om  the  p r e dicta ble  na tur e   of   thei r   s im ple  or bit s   a nd  the  a bil it y  to   f or e c a s t  their   c ont r ol  a nd  ini ti a l  pa r a mete r s   [ 14] .   C ons e que ntl y,   c las s ica l  1 - D  c ha o ti c   maps   a r e   de e med  uns uit a ble  f or   i mage   e nc r ypti on.   As   a   r e s ult ,   numer ous   e nde a vor s   ha ve   be e n  unde r take n   to  pr opos e   nove l   M - D  c ha oti c   maps   to  e na ble  r a pid  a nd  highl y  s e c ur e   im a ge   e nc r ypt ion  [ 15] .   C ompar e d   to   1 - D  c ha oti c   maps ,   thes e   c ompl e x  s c he mes   e xhibi t  gr e a ter   unpr e dicta bil it y  a nd  s upe r ior   c ha oti c   be ha vior ,   r e nde r ing  them  mo r e   s uit a ble  f or   da ta  e nc r ypti on  [ 13] ,   [ 16] .  How e ve r ,   the   main  l im it a ti ons   o f   M - D  c ha oti c   ma ps   f or   im a ge   e nc r ypti on   include   c omput a ti ona l  c o mpl e xit y,   high  dim e ns ionalit y,   a nd   c ha ll e nge s   in   ke y   mana ge ment.   S e c ur i ty   a na lys is   c a n  be   c ompl e x  a nd   may   im pa c t   e nc r ypti on  pe r f o r manc e   a nd  the  ove r a ll   s e c ur it y  o f   the  s ys tem.   I n  the  c ontext   of   im a ge   e nc r ypti on ,   whe r e   the  c o nf identialit y  a nd  int e gr it y   of   da ta   a r e   c r i ti c a l,   the  int e gr a ti on  of   AE S   with  c ha oti c   tec hniques   holds   pa r ti c ular   s igni f ica nc e   [ 13] ,   [ 17] ,   [ 18] .   I n   p a r ti c ular ,   s a telli te  im a ge r y  o f ten  c ontains   s e ns it ive  inf or mat ion  r e late d   to   na ti ona l  s e c ur it y ,   e nvi r onmenta l  mo nit or ing,   dis a s ter   mana ge ment,   a nd  other   a ppli c a ti ons ,   ne c e s s it a ti ng  r obus t  e nc r ypti on  mec ha nis ms   to  pr otec t  a ga ins t  una uthor ize d  a c c e s s   a nd  tampe r ing   [ 19] – [ 21] .   R e c e nt  de ve lopm e nts   in  s a telli te  i mage   e nc r ypt ion  ha ve   e xplor e d  nove l  a ppr oa c he s   that  c ombi ne   AE S   wit h  c ha oti c   tec hniques   to  a c hieve   high  s e c ur it y  lev e ls   [ 13] ,   [ 22] ,   [ 23] .   B y   incor por a ti ng   c ha oti c   dyna mi c s   int o  e nc r ypti on  a lgor it hms ,   s uc h  a s   AE S ,   r e s e a r c he r s   a im   to   int r oduc e   a ddit ional   laye r s   of   r a ndomnes s   a nd  c ompl e xit y ,   making   e nc r ypted  da ta   mo r e   r e s is tant  to   c r yptogr a phic  a tt a c ks .   T o  incr e a s e   the  s e c ur it y  leve l  of   AE S ,   a   c ombi na t ion  of   AE S   a nd  c ha os   us ing  Ar nold’ s   c a t  map  to  s huf f le  pixel   va lues   a nd   He non   map   to   ge ne r a t e   r a ndom   s e que nc e s   wa s   pr opos e d  f o r   s a telli te  im a ge r y  e nc r ypti on  [ 22] .   Anothe r   a ppr oa c h  ba s e d  on  the   c ombi na ti on  of   a   c us tom ize d  ve r s ion  of   the  AE S   a nd  the  Ar nold  c a t  map  to  de r ive  the  e nc r ypti on  ke y   wa s   int r oduc e d  in  [ 24] .   S im il a r ly,   A   c ha oti c   s ys tem  with  f our   dim e ns ions   wa s   uti li z e d  to   pr oduc e   ke ys   a nd  e nha nc e   the  AE S   s tanda r d   [ 25] .   Als o,   a n  a djus t e d  AE S   c r yptogr a phic  s ys tem  f e a tur ing  dyna mi c   r a ndom  ke ys   de r ived  f r om  c ha os   s ync hr oniza ti on  wa s   pr o pos e d  in  [ 18] .   W hil e   thes e   e nha nc e ments   s tr e ngthen  e nc r yp ti on  ke ys ,   they  c ome  with  a   s igni f ica nt  c omput a ti o na l  load,   making  them  les s   s uit a ble  f or   pr oc e s s ing  lar ge   s a telli te  im a ge s .   An  im pleme ntation  o f   c ha os - AE S   c ombi na ti on   wa s   pr opos e d  to  r e duc e   the   pr oc e s s ing  ti me  a nd   a dhe r e   to  the  ti me - s e ns it ive  r e quir e ments   [ 8] .   I n   thi s   im pleme ntation,   a   c or r e c ti on  s tr a tegy  ba s e d  on  the  pr ope r ti e s   of   c ha os   theor y   is   s ugge s ted  to  a ddr e s s   the  inhe r e nt  li m it a ti ons   of   the   AE S   a lgor it hm   pa r a mete r s   [ 8] .   Anothe r   e f f icie nt  c ha os - ba s e d  e nc r ypti on  method  wa s   pr opos e d  to  e nc r ypt  mul ti s pe c tr a l  s a telli t e   im a ge s   onboa r d  E a r th   obs e r va ti on  s a telli tes   [ 12] .   T he   e x pe r im e ntal  r e s ult s   de mons tr a te  that   the   pr opos e d   a ppr oa c h   a c hieve s   a   s a ti s f a c tor y  leve l  of   s e c ur it y  with   mi nim a l  ha r dwa r e   c ompl e xit y,   powe r   c ons umpt ion,   a nd   c omput a ti on  ti me.   How e ve r ,   the  s ys tem  may  be   s us c e pti ble  to  s ingl e   e ve nt  ups e ts   ( S E Us )   induce d  by  na tur a l  s pa c e   r a diation.   T he s e   e nc r ypti on  methods   a r e   inade qua te  f or   s e c u r ing  im a ge s   onboa r d  r e mot e   s e ns ing  s a telli te s   due   to  the  a va lanc he   e f f e c t,   whic h  is   a   c r uc ial  pr ope r ty   in  e nc r ypti on   whe r e   a   s mall   c ha nge   in  the   input ,   s uc h  a s   a   s ingl e   bit ,   r e s ult s   in   a   s igni f ica nt  c ha nge   in   the   output .   F ur ther mor e ,   given   that   r e mot e   s e ns ing  s a telli tes   f unc ti on  with in  a   c ha ll e nging   r a diation   e nvir onm e nt,   a ll   onboa r d   e lec tr onics ,   including   e nc r ypti on   s ys tems ,   a r e   vulner a ble   to   r a diation - induce d  de f e c ts   [ 26] .   C ons e que ntl y,   ther e   is   a   ne e d  f or   e nc r ypti on   tec hniq ue s   that  a c hieve   a   c ompr omi s e   be twe e n  c omput a ti ona l   e f f icie nc y,   s e c ur it y   s tr e ngth,   a nd  s uit a bil it y   f o r   e nc r ypti ng   lar ge - s c a l e   s a telli te  im a ge   da ta  in  a   ha r s h  r a diation   e nvir onment.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Satelli te  image   e nc r y pti on  us ing  2D   s tandar d  map  and  adv anc e d  e nc r y pti on   …   ( Om ar   B e nc hikh )   5155   I n  thi s   wo r k,   a   nove l   e nc r ypti on   s c he me,   ba s e d  o n  the  us e   o f   c ha os   c ombi ne d  with   a n   inf or mation   s c r a mbl ing  pr oc e s s ,   is   pr opos e d  to  e nha n c e   the  s e c ur it y  leve l  of   AE S .   F ir s tl y ,   the  pixels   of   the  va r io us   ba nds   of   the  o r igi na l  s a telli te  i mage   unde r go  a   meticulo us   s c r a mbl ing  ope r a ti on.   S ubs e que ntl y,   e mpl oyin g  the  2D   S tanda r d  map,   the  s c r a mbl e d  ba nds   unde r go  the  s e c ond  s tep  of   e nc r ypti on.   F inally,   the  e nc r ypti on   pr oc e s s   c onti nue s   with  the  a ppli c a ti on  of   the  AE S   a lgor it h m  ba s e d  on  the  c ounter   ( C T R )   mode.   T his   method  e ns ur e s   c ompr e he ns ive  da ta  s e c ur it y,   de mons tr a ti ng  a   s tr uc tur e d  a nd  e f f e c ti ve   a ppr oa c h  to  s a f e gua r ding  s e ns it ive   s a telli te  im a ge r y.   M or e ove r ,   it   a c hieve s   a   ba lanc e   be twe e n  c omput a ti ona l  e f f icie nc y,   s e c ur it y   s tr e ngth,   a nd   s uit a bil it y  f or   e nc r ypti ng  la r ge - s c a le  s a telli te  im a g e   da ta  withi n  a   ha r s h  r a diation   e nvir onment.   T he   main  c ont r ibut ions   of   thi s   pa pe r   c a n   be   outl ine d  a s   f oll ows :   −   W e   int r oduc e   a   nove l   s upe r - e nc r ypti on  tec hniqu e   that  c ombi ne s   im a ge   s c r a mbl ing ,   2D   s tanda r d  map - ba s e d  c ha oti c   e nc r ypti on,   a nd  C T R   mode  to   bols ter   the  s e c ur it y  leve l  of   AE S .   −   W e   c onduc t  a   c ompr e he ns ive  pe r f or manc e   e va luation  a nd  c ompar is on  of   ou r   pr opos e d  method  a ga ins t  c onve nti ona l  im a ge   e nc r ypti on   a ppr oa c he s .   Our   f indi ngs   de mons tr a te  that   the  a lgo r it hm   of f e r s   f a s t   pr oc e s s ing,   high  s e c ur it y,   a nd  r obus t   r e s is tanc e   a ga ins t  br ute - f or c e ,   c hos e n  a nd  known   plai ntext,   s tatis ti c a l,   a nd  dif f e r e nti a l   a tt a c ks .   T he   pr opos e d   a lgor it hm   is   a ls o  tol e r a nt   to  S E Us   a nd  t r a ns mi s s ion   e r r or s .   T his   pa pe r   is   or ga nize d  a s   f oll ows :   the  theor e ti c a l  pr inciple   of   A E S   is   p r e s e nted  in   s e c ti on  2 ,   while   the  pr opos e d  tec hnique  is   de s c r ibed  in   s e c ti on  3.   De tailed  e xpe r im e ntal  r e s ult s   wil l  be   r e por ted   a nd  dis c us s e d  in  s e c ti on  4.   F inally,   a   s umm a r y   of   the   pr e s e nt  wor k  will   be   given  in   s e c ti on  5 .       2.   B AC KG ROUN D  I NF ORM AT I ON   2. 1    AE S   d e s c r ip t ion   S ince   the  be ginni ng  of   the  2000s ,   s e ve r a l  c ha oti c   e nc r ypti on  methods   ha ve   be e n  us e d  to  c r e a te   c onf us ion  a nd  dif f us ion  p r ope r ti e s   f or   s ymm e tr i c   c ipher s   with  the  a im   to   e ns ur e   high  leve l  in f or mation  s e c ur it y  [ 27] ,   [ 28 ] .   C ons e que ntl y,   in  a n   im a ge   e nc r ypti on  pr oc e s s ,   the  c on f us ion  ope r a ti on  obs c u r e s   pixel  pa tt e r ns   withi n  the  im a ge   by  r a ndoml y   s huf f li ng   the  pos it ions   of   pixels .   T he r e f o r e ,   the  a c tual  loca ti ons   of   thos e   pixels   a r e   c ha nge d  in   the   dif f us ion  ope r a t ion.   R e c e ntl y,   the   AE S   a lgo r it hm   is   s tr ong ly  us e d  a s   a   s ymm e tr ic  ke y  e nc r ypt ion  s tanda r d .   A E S   is   a ls o   c a ll e d  “ R ij nda e l   a lgor it hm”   in   r e f e r e nc e   to   it s   de s igner s   Vinc e nt  R ij men   a nd  J oa n  Da e men .   AE S   is   a   s ymm e tr ic  ke y  block  c ipher ,   whic h  e nc r ypts   inf or mation  us ing  a n  it e r a ti on  pr oc e s s   of   tr a ns f or mation  r ounds   c a ll e d   s ubs ti tut e   bytes   ( S ubB ytes ) ,   s hif t   r ows   ( S hi f tR ows ) ,   m ix  c olum ns   ( M ixC olum ns )   a nd  a dd   r ound   ke y   ( AddR ound Ke y)   [ 29 ] .   M or e ove r ,   AE S   is   a   r ound - ba s e d  e nc r ypti on  a lgor it hm  ha ndli ng   blocks   of   128  bi ts   a nd  us ing  k e ys   of   128,   192  o r   256   bit s   that   s e t  the  nu mber   o f   r ounds   to  10,   12,   or   14 ,   r e s pe c ti ve ly  [ 7] ,   [ 30]   a s   s hown  in  F igur e   1.   T he   block  diagr a m   of   the  A E S   e nc r ypti on   pr oc e s s   is   de picte d  in  F igu r e   1( a ) ,   while   F igur e   1( b)   r e pr e s e nts   the  de c r ypti on  pr oc e s s .   I n  a n  A E S   it e r a ti on   pr oc e s s ,   we   dis ti nguis h  f ou r   tr a ns f or mations   c a ll e d  laye r s   whe r e   the  r ound   ope r a ti on  is   the  ba s ic  unit .   Als o,   e a c h  r ound  ha s   a   r ound  ke y  a nd   tr a ns f or mation   s teps   that  ge ne r a te  da ta  c a ll e d  S tate s   or ga nize d  in  4 × 4  matr ix  o f   bytes   a r r a y  c ons is ti ng  of   f ou r   r ows   a nd   number   o f   c olum ns .   I n  the   e nc r ypti on/dec r ypti on  ope r a ti ons ,   the   da ta  a nd  ke y  blocks   a r e   p r oc e s s e d  thr ough  Nr   r ounds   w hich  a r e   obtaine d  f r om   ke y  s ize   K   o f   length   Nk .   On   the  ot he r   ha nd,   let  us   note   Nc   the  numbe r   o f   c olum ns   i n  a   s tate   matr ix  a nd  whic h  de pe nds   on  the  b lock  s ize .   S ome  va r iants   of   ke ys ,   blocks ,   a nd  r ounds   a r e   u s e d  a nd  e xhibi ted  in  T a ble  1.       T a ble  1.   AE S   c ombi na ti ons   [ 31 ]   A E S  t ype   Nk   Nc   Nr   128   4   4   10   192   6   4   12   256   8   4   14       AE S   ope r a tes   s uc h  a s   a   ne twor k   of   s ubs ti tut ion  a nd  pe r mut a ti on   whe r e   the   f ou r   f oll owing  ba s ic   tr a ns f or mations   a r e   pe r f or med  a s   f oll ows :   −   S ubB ytes :  I n  thi s   t r a ns f or mation,   e a c h  byte  in   a   b l oc k  is   s ubs ti tut e d  by  a nother   f r om   the   s ubs ti tut ion - box   (S - box)   a c c or ding  to  a   lookup   table .   A  non li ne a r   s ubs ti tut ion  in  the  c ipher   is   a c hieve d  us ing  the  S - box   whic h  is   obtaine d  f r o m  the   c ha oti c   map  in   Ga loi s   f ini te  f ield   GF( 2 8 )  [ 32] ,   [ 33] .   −   S hif tR ows :  I n   thi s   s tep,   the  f ir s t   r ow  is   unc ha nge d  a nd  a   c ir c ular   pe r mut a ti on   is   a ppli e d   to   e a c h  of   the   las t  thr e e   block  r ows .   He nc e ,   e a c h  byte  of   a   r ow  is   s hif ted  to  the  lef t  by  one ,   two ,   a nd  thr e e   f o r   the  s e c ond,   the  thi r d  a nd  the   f our th  r ow ,   r e s pe c ti ve ly.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5153 - 5171   5156   −   M ixC olum ns :  T his   tr a ns f or mation  is   a   mi xing  op e r a ti on  whic h  a f f e c ts   the  c olum ns   whe r e   the  f our   bytes   of   e a c h  c olum n  o f   the   s tate   a r e   c ombi ne d  us ing  a   li ne a r   tr a ns f or mation .   −   AddR oundKe y:  T his   s tep  c ombi ne s   e a c h  byte  o f   the  s tate   with  the   r ound   ke y.   F or   e a c h  r ound ,   a   r ound  ke y  is   ge ne r a ted  f r om   the  ini ti a l   ke y  us ing  the  ke y  s c he dule.   T he   r ound   ke y  is   a dde d  to   e a c h  byte  of   the   s tate   by  the  e Xc lus ive  OR   ( XO R )   f unc ti on .           ( a )   ( b)     F igur e   1.   T he   a r c hit e c tur e   o f   AE S   ( a )   A E S   e nc r ypt ion  pr oc e s s   a nd   ( b)   AE S   de c r ypti on  p r oc e s s       T hr oughout   the  e nc r ypti on   pr oc e s s ,   da ta   unde r goe s   f our   tr a ns f or mations   in   e a c h  r ound,   r e s ult ing  in   a   s ubs tantial  a lt e r a ti on  of   inf o r mation.   T h is   pr ope r ty,   known  a s   the   a va lanc he   e f f e c t,   s igni f ica ntl y  e nha nc e s   the  s e c ur it y  o f   AE S   by   e ns ur ing   that   e ve n  a   mi no r   c ha nge   in   e it he r   the   or igi na l   im a ge   or   the   e nc r y pti on  ke y   lea ds   to  a bout  ha lf   of   the  im a ge   be ing  mod if ied.   T his   e f f e c t  c a us e s   s li ght  modi f ica ti ons   in   pixel   va lues   to  pr opa ga te  a nd  im pa c t   ne ighbor ing   pixels   a nd   r e gi ons   in  a   c ompl e x  manne r .   How e ve r ,   in   s pa c e   a pp li c a ti ons   whe r e   da ta  s tor a ge   a nd  tr a ns mi s s ion  a r e   c r it ica l  a nd  of ten  s us c e pti ble  to  va r ious   e nvir onmenta l  f a c tor s   s uc h   a s   r a diation  a nd  e lec tr omagne ti c   int e r f e r e nc e ,   the  a va lanc he   e f f e c t  c a n  pos e   c ha ll e nge s .   B it   ups e ts   r e s ult ing  f r om   thes e   f a c tor s   c a n   c or r upt   the   or igi na l   da ta,   c r e a ti ng  a   not ice a ble  dif f e r e nc e   be twe e n  the   or ig inal  a nd   de c r ypted  im a ge s   [ 13] ,   [ 26 ] .   F u r ther mor e ,   AE S   is   s us c e pti ble  to  c r yptana lys i s ,   including  br ute  f or c e   a tt a c ks .   C ons e que ntl y,   a ddr e s s ing  thes e   is s ue s   ne c e s s it a te s   a   mor e   r obus t  e nc r ypti on   tec hnique  that  f ulf il ls   c e r tain  c r it e r ia  f o r   da ta  c on f identialit y:   −   R e s il ienc e   a ga ins t  c r yptana lys is   by  pr ovidi ng  e xtr e mely  high   c ompl e xit y  th r ough  the  s im ult a n e ous   ope r a ti ons   of   im a ge   s c r a mbl ing ,   c ha oti c   e nc r ypt io n,   a nd  A E S .     −   T oler a nc e   to  S E Us   by   us ing  the   c ounter   mode   of   AE S   to  r e duc e   e r r o r   p r opa ga ti on  dur ing   i mage   e nc r ypti on.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Satelli te  image   e nc r y pti on  us ing  2D   s tandar d  map  and  adv anc e d  e nc r y pti on   …   ( Om ar   B e nc hikh )   5157   3.   P ROP OS E D  AL GO RI T HM   I n  th is   pa pe r ,   int e r   a nd   int r a - ba nd  inf o r mation   s c r a mbl ing  is   pe r f o r med   joi ntl y   with   2D   s tanda r d   map  ba s e d  c ha oti que   e nc r ypti on  to  im pr ove   the  s e c ur it y  leve l  of   s a telli te  im a ge   e nc r ypti on  us ing  AE S .   A E S   a nd  2D  S tanda r d  map  a r e   us e d  in  the  c r yp tos ys tem  a s   ve r y  e f f e c ti ve   e nc r ypti on  mec ha nis ms   a ga ins t  c omput e r   a tt a c ks   a nd  da ta  lea ka ge .   T he   de tailed  p r oc e dur e   a nd  the  block  diagr a m  o f   the  p r opos e d  e nc r ypti on  a lgor it hm  a r e   s hown  in  F igu r e   2 .   T he   pr opos e d  e nc r ypti on   pr oc e s s   is   c a r r ied  out   us ing  the  f oll owing   s teps :     S tep  1:  P e r f or m  int e r   a nd  int r a - ba nd  s c r a mbl ing  ope r a ti on  f or   the  pixels   of   the  di f f e r e nt  ba nds   of   the   or igi na l  s a telli te  im a ge .   S tep  2:  E nc r ypt  the  obtaine d  s c r a mbl e d  ba nds   us in g  the  2D  s tanda r d  map.     S tep  3:  Util ize   the  AE S - C T R   a lgor it hm  to   e nc r ypt  the  a c quir e d  im a ge s .   T he   pr opos e d  e nc r ypti on   a ppr oa c h  invol ve s   mi xi ng  pixels   withi n   a nd  be twe e n  ba nds   of   a   s a telli te  im a ge   to  int r oduc e   c onf us ion  int o   the  da ta.   B y  div idi ng  the  c lea r   im a ge   int o   laye r s   a nd  then  manipul a ti ng  the  a r r a nge ment  of   pixels   methodica ll y ,   the   a lgor it h m  a im s   to   obs c ur e   the   unde r lyi ng   inf or mation,   making  it   ha r de r   f or   una uthor ize d  us e r s   to  de c ipher .   Addit ionally,   thi s   e nc r ypti on  s c he me  uti li z e s   a   c ha oti c   s ys tem   ba s e d  on  the  2D  s tanda r d  map,   whic h  a dds   a n  e xtr a   laye r   of   s e c ur it y .   T he   c ha oti c   be ha vior   of   the  2D  S tanda r d  map  s ys tem  e nha nc e s   the  e nc r ypti on  pr oc e s s   by  int r oduc ing  unpr e dicta bil it y  a nd  c ompl e xit y.   I t   he lps   in  ge ne r a ti ng  high ly  r a ndom  s e que nc e s   that  a r e   di f f icult   to  r e pli c a te,   im pr oving   the  r e s is tanc e   a ga ins t  va r ious   c r yptogr a phic  a tt a c ks .   F ur ther mor e ,   to  e ns ur e   r obus t  s e c ur it y,   the  a lgor it hm  c onc ludes   with  the  a ppli c a ti on  of   AE S - C T R   e nc r ypti on,   a   wide ly  a dopted  a nd  we ll - r e ga r de d  e nc r ypti on  s tanda r d  kno wn  f or   it s   s tr ong  c r yptogr a phic   pr ope r ti e s   a nd   wide s pr e a d  c o mpatibi li ty.   T he   c ombi na ti on  o f   in ter -   a nd  int r a - ba nd  pixel  mi xing,   c ha os   ba s e d  on  the   2D  s tanda r d   map,   a nd   AE S - C T R   joi nt ly  c ontr ibut e s   to   e s tablis hing  a   r o bus t  a nd  s e c ur e   e nc r ypti on  mec ha nis m.           F igur e   2.   F lowc ha r t   of   the  pr opos e d  e nc r ypti on   a lg or it hm   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5153 - 5171   5158   3. 1.     S t e p   1:   S c r am b li n g  p r oc e s s   T he   ini ti a l   e nc r ypti on   s tep  in   the  p r opos e d  a ppr oa c h,   pr io r   to  the   a ppli c a ti on  o f   the   2D  s tanda r d   map  a nd  AE S ,   f a c il it a tes   the  mi xing  o f   pixels   in  a   h ig hly  or ga nize d  a nd  r a pid  manne r .   T his   f unc ti on  t r a ns f or ms   the  dif f e r e nt  s pe c tr a l  ba nds   o f   the   plain   im a ge   of   s ize   [ × ]   to  a   ve c tor   of   s ize   [ × ×   ] ,   whe r e     is   the  number   of   ba nds .   Nota bly ,   thi s   s c r a mbl ing  s tep  e nha nc e s   the  c onf us ion  a nd  dif f us ion  pr ope r ti e s   of   the  ove r a ll   e nc r ypti on   pr oc e s s .   T he   p ixels   withi n   the s e   ba nds   f or m   the   e leme nts   of   the   s pe c if ied  ve c t or .   T he ir   pos it ions   a r e   de ter mi ne d   f i r s t  by   their   c hr onolo gica l  or de r .   S ubs e que ntl y,   the   or de r   of   the   ba nd s   f ur ther   or ga nize s   their   plac e ment.   At   the   e nd   of   thi s   pr oc e s s ,   the  r e s ult ing   ve c tor   will   be   tr a ns f or med   int o     im a ge s   of   a   s ize   [ × ] .   F igur e   3  s hows   a n  e xa mpl e   of   the  pr inci ple  of   the  s c r a mbl ing   pr oc e s s   on  a n  NR GB   im a ge   of   s ize   [5 × 4 ] .   T he   r e s ult s   of   im a ge   s c r a mbl ing  a r e   de picte d  in   F igur e s   4 ( a ) - ( d) ,   whe r e   F igu r e   4( a )   a nd     F igur e   4( c )   e xhibi t  the  o r igi na l  im a ge s .   T he   e f f e c t s   of   the  s c r a mbl ing  pr oc e s s   on  thes e   im a ge s   a r e   il lus tr a ted  in  F igur e   4( b)   a nd  F igu r e   4( d ) ,   r e s pe c ti ve ly.           F igur e   3.   E xa mpl e   of   NR GB   im a ge   s c r a mbl ing               ( a )   ( b)   ( c )   ( d)     F igur e   4.   R e s ult s   of   the  p r opos e d  s c r a mbl ing  pr oc e s s   ( a )   Als a t - 2  im a ge   of   Oua r gla   ( Alge r ia) ,   ( b)   Als a t - 2  im a ge   a f ter   a pplyi ng   the  p r opos e d  s c r a mbl ing  pr oc e s s ,   ( c )   L e na   De lt a   R e s e r ve   im a ge ,   a nd  ( d)   L e na   D e lt a   R e s e r ve   im a ge   a f ter   a pplyi ng  the   pr opos e d  s c r a mbl ing  pr oc e s s       3. 2.     S t e p   2:   Chaot ic   e n c r yp t ion   of   t h e   s c r am b le d   b an d s   T he   2D  s tanda r d  map  c a n  be   uti li z e d  in  im a ge   e nc r ypti on  a s   a   c ha oti c   mapping  f unc ti on  to  int r oduc e   r a ndomnes s   a nd  c ompl e xit y  int o   the  e nc r ypti on   pr oc e s s .   I t  e f f e c ti ve ly  dis r upts   pixel   pos it ions ,   e nha nc ing  s e c ur it y.   T his   a dde d  c ompl e xit y   make s   the  e nc r ypt e d  im a ge   s igni f ica ntl y  di f f e r e nt   f r om   the  o r igi na l.   T he   e nc r ypti on  p r oc e s s   invol ve s   two  ke y  pha s e s :  pe r mut a ti on  a nd  di f f us ion.   −   P e r mut a ti on:  Dur ing  thi s   pha s e ,   the  im a ge   pixels   unde r go  a   r a ndom  r e a r r a nge ment .   T his   s tep  obs c ur e s   the  or igi na l  pixel   s e que nc e   in  the  e nc r ypted   im a ge .   E mpl oying  the  2D   s tanda r d  m a p   f unc ti on,   whic h  op e r a tes   a s   a   c ha oti c   map,   a dds   int r ica c y  to  thi s   pr oc e s s .   C ha oti c   maps   a r e   highl y   s e ns it ive  to  ini ti a l   c ondi ti ons ,   making  it   c ha ll e nging  to  pr e dict  thei r   output   e ve n  with  known  input .   C ons e que ntl y,   r e ve r s ing   the  pe r mut a ti on  to   r e c ove r   the   or igi na l   im a ge   without   t he   e nc r ypti on  ke y  be c omes   e xc e e dingl y  dif f icult.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Satelli te  image   e nc r y pti on  us ing  2D   s tandar d  map  and  adv anc e d  e nc r y pti on   …   ( Om ar   B e nc hikh )   5159   −   Dif f us ion:   I n  thi s   pha s e ,   pixel  inf or mat ion  is   s pr e a d  a c r os s   the  e nti r e   im a ge ,   making  indi vidual  pixel  va lues   indi s c e r nibl e   in  the  e nc r ypted  i mage .   Util i z ing  the  2D  s tanda r d  map   f unc ti on ,   whic h  s e r ve s   a s   a   nonli ne a r   map,   f u r ther   c ompl ica tes   thi s   s tage .   Nonlinea r   maps   do   not   maintain  o r igi na l   input - output   r e lations hips ,   making  it   dif f icult  to   de duc e   a ny  s in gle  pixel's   va lue  s olely  f r o m  the  e nc r yp ted  im a ge .   T he   c ombi na ti on   of   pe r mut a t ion  a nd   dif f us ion  m a ke s   the  2D  s tanda r d   ma p   f unc ti on   a   s e c ur e   a nd  e f f icie nt   wa y  to  e nc r ypt  i mage s .   T he   2D  c ha oti c   map   known  a s   the  S tanda r d  map   is   de f ined  a s   [ 34 ] :     [ + 1 = ( + + + )      + 1 = ( + + ∗  + 1 2 )      ]     ( 1)     whe r e     a nd    r e pr e s e nt  the   c ur r e nt   pos it ions   in   th e   pha s e   s pa c e ,   a nd  + 1   a nd  + 1   r e p r e s e nt  the  ne xt   pos it ions   a f ter   the   map   it e r a ti on.   P a r a mete r     is   t he   s tr e ngth  o f   the   nonli ne a r it y   of   the   s ys tem.   F o r   s mall   va lues   of   ,   the  s ys tem  e xhibi ts   r e gular   mot ion,   wi th  pe r iodi c   o r bit s   that  a r e   c onf ined  to   s pe c if ic  r e g ions   of   the  pha s e   s pa c e .   As     is   incr e a s e d,   the  or bi ts   be c ome  mor e   c ompl e x ,   a nd   the  s ys tem  c a n  manif e s t   c ha oti c   be ha vior ,   with  tr a jec tor ies   that  a r e   s e ns it ive  to  ini t ial  c ondit ions .   Note ,     a nd    a r e   two  pa r a mete r s   that  both  va r y  f r om   0  to  − 1 ,   a nd  a r e   us e d  to  s hif t   the  i mage   in  the  hor izonta l  a nd   ve r ti c a l  di r e c ti ons   [ 34] .   M or e ov e r ,   the  pa r a mete r   s pa c e   of   the   2D  s tanda r d   map  e x c e e ds   that  of   the   C a t  map   a nd  B a ke r   map,   mak ing  it   a   f a vor a ble  opti on  f or   da ta  e nc r ypti on   [ 34] .   W it hin  thi s   s e c ti on,   the   2D  s tanda r d   map  f unc ti on   is   a ppli e d   to   the  s c r a mbl e d  ba nds   obtaine d  a f te r   the  a ppli c a ti on  of   the  s c r a mbl ing  pr oc e s s .   T he   e nc r ypti on  pr oc e s s   invol ve s   s pe c if ying  the  de s ir e d  number   of   r ounds ,   de noted  a s   n ,   a nd  e s tablis hing  the   ini ti a l  c ondit ion  to  ini ti a te  thi s   ope r a ti on.   E a c h  ba nd   obtai ne d  f r om   the  s c r a mbl ing  f unc ti on  mus t  unde r go  thi s   c ha oti c   e nc r ypti on  pr oc e s s .   E ve ntually,   we   obtain  a   s e t  of     e nc r ypted  im a ge s ,   e a c h  with  di mens ions   [ × ] ,   a s   il lus tr a ted  in  F igur e   2.   T he   a ppli c a ti on  of   the  pr opos e d  c ha oti c   map  in  thi s   s tage   of   im a ge   e nc r ypti on  c a n  s igni f ica ntl y   e nha nc e   it s   s e c ur it y.   T his   is   be c a us e   without   kno wle dge   of   the  p r e c is e   c ontr ol   pa r a mete r s   a nd   ini ti a l  va lues ,   a n  una uthor ize d   indi vidual   would   be   una ble  to   pr e dict  the   c ha oti c   s e que nc e   ge ne r a ted  by   the   s ys tem.   I n   e s s e nc e ,   the  inher e nt   c ha oti c   be ha vior   o f   thi s   s ys tem  int r oduc e s   a n  a ddit ional   s e c ur it y   ba r r ier ,   m a king  it   highl y  c ha ll e nging  f or   una uthor ize d  pa r t ies   to  de c i phe r   e nc r ypted  im a ge s .   F igu r e   5  s hows   the  block  diagr a m  of   the  pr opos e d  c ha oti c   im a ge   s huf f li ng  us ing  the  2D  s tanda r d  map.   F igu r e s   6 ( a ) - ( d)   il lus tr a te  the  r e s ult s   of   a pplyi ng  the  pr opos e d  c ha oti c   map  to  s huf f le   the  s c r a mbl e d  im a ge s .   S pe c if ica ll y,   F igu r e   6( a )   a nd  F ig ur e   6( c )   e xhibi t  the  ini ti a l  s c r a mbl e d  i mage s ,   while  F igu r e   6( b)   a nd  F igur e   6 ( d)   r e ve a l  the  outcome s   of   e n c r ypti ng  thes e   im a ge s   us ing  the  c ha oti c   2D  s tanda r d  m a p,   r e s pe c ti ve ly.           F igur e   5.   B lock  diagr a m   of   the  pr opos e d  c ha oti c   p r oc e s s   ba s e d  on  2D  s tanda r d  map               ( a )   ( b)   ( c )   ( d)     F igur e   6.   R e s ult s   of   the  a ppl ica ti on  of   c ha oti c   e nc r ypti on  to  two   dif f e r e nt  im a ge s   ( a )   S c r a mbl e d   im a g e   of   Als a t - 2  im a ge ,   ( b)   Als a t - 2  im a ge   a f ter   2D  s tanda r d   map  f unc ti on ,   ( c )   S c r a mbl e d  im a ge   o f   L e na   De lt a   R e s e r ve ,   a nd  ( d)   L e na   De lt a   R e s e r ve   im a ge   a f ter   2 D  s tanda r d  map  f unc ti on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5153 - 5171   5160   3. 3.     S t e p   3:   AE S - CT R  e n c r yp t ion   AE S   in   c ounter   mode   is   a   block   c ipher   ope r a ti on  that  uti l ize s   a   c ounter ,   ini ti a li z e d  with   a   pr e de ter mi ne d  va lue,   a long   with   a   nonc e   r e s e m bli ng  the  ini t ial  ve c tor ,   to   ge ne r a te  a   ke y  s tr e a m.   T he   ge ne r a ted  ke y  s tr e a m  is   s ubs e que ntl y  c ombi ne d  w it h  the  plaintext  thr ough  a n  XO R   ope r a ti on  to  p r o duc e   the  c ipher text.     C T R   mode  ha s   s e ve r a l  a dva ntage s   ove r   other   bl oc k  c ipher   modes   of   ope r a ti on.   F ir s tl y,   it   ha s   the   c a pa bil it y  to  ove r c ome  e r r or   pr opa ga ti on  [ 21] .   S e c ondly,   it   doe s   not  ne c e s s it a te  pa dding  plaintext  t o  matc h  the  block  s ize   of   the   c ipher .   Additi ona ll y ,   e a c h   pl a int e xt  block's   e nc r ypti on   is   indepe nde nt  of   the   e n c r ypti on  of   pr e vious   b locks ,   e na bli ng  h ighl y  pa r a ll e l iza ble  a r c hit e c tur e   [ 21 ] .   Ove r a ll ,   C T R   mode  is   the   p r e f e r r e d   c hoice   f or   block  c ipher s ,   of f e r ing  e f f icie nc y,   v e r s a ti li ty,   a nd  high  opti m iza ti on  f or   bo th  ha r d wa r e   a nd  s of twa r e   im pleme ntations   a c r os s   va r ious   platf or ms .   I n  the  las t  s tage   of   our   pr opos e d  a lgor it h m,   a n  ini ti a l  ve c tor   ( I V)   is   c onc a tena ted  with  a   32 - bit   c ounter   va lue  to   ge ne r a te  the   ke ys tr e a m  f or   e nc r y pti on.   T his   pr oc e s s   us e s   AE S   e nc r ypt ion  with   a   s e c r e t  ke y  of   256  bi ts .   E a c h  block  of   the  ke ys tr e a m  is   f ixed  a t  a   length  o f   256   bit s .   F igur e   7   il lus tr a tes   the  p r i nc ipl e   of   the  C T R   mode .   I t   s hould  be   noted   that   the   s ize   of   t he   ge ne r a ted  ke ys tr e a m   is   e quivale nt   to   that   of   the   or igi na l  plain  im a ge .   A f t e r w a r d ,   i ma ge s   ob ta ine d   t h r o ug h  c h a o t ic   e n c r y pt io n   w il l   be   p r oc e s s e d  t hr ou gh   A E S   e n c r y pt io n  u s i ng   C T R   mo de   a nd   a   s in gl e   s ha r e d   k e y ,   a s   d e p ic te d   i n   t he   d ia g r a m   p r e s e nt e d   in   F i gu r e   2 .   T he   f ina l   o u tp ut   of   t h is   e nc r yp t io n  s ta ge   is   a   c ip he r   i mag e   o f   s iz e   [ × × ]   c on ta in i ng     ba nds .   F i gu r e s   8 ( a ) - ( d)   il lus t r a tes   t he   r e s ul ts   o f   t he   a p pl ica t io n  o f   AE S - C T R   e nc r y pt i on   o n   t he   s h uf f le d  im a g e s   ob ta ine d  f r om   s t e p   2   o f   t he   p r op os e d  e nc r y p ti on   s c h e m e .   T he   or igi na l   s huf f led   im a ge s   a r e   pr e s e nted  in   F igu r e s   8( a )   a nd   8( c ) ,   whe r e a s   t he   f inal   e nc r ypted  f or ms   o f   thes e   im a ge s   a r e   de picte d  in   F i gur e s   8( b)   a nd   8( d) .           F igur e   7.   C ounter   ( C T R )   mode   e nc r ypti on               ( a )   ( b)   ( c )   ( d)     F igur e   8.   R e s ult s   of   the  a ppl ica ti on  of   AE S   to  two   dif f e r e nt  i mage s   ( a )   c ipher e d   Als a t - 2  im a ge ,   ( b)   Al s a t - 2  im a ge   a f ter   A E S   e nc r ypti on ,   ( c )   c iphe r e d  L e na   De lt a   R e s e r ve   im a ge ,   ( d)   L e na   De lt a   R e s e r ve   im a ge   a f ter   AE S   e nc r ypti on       3. 4.     T h e   d e c r yp t io n   p r oc e s s   Give n  that   the   s ugge s ted  e nc r ypti on   s c he me  is   s ymm e tr ic,   the   de c ipher ing   pr oc e dur e   uti li z e s   a n   identica l  e nc r ypti on  ke y  ( c ha os   a nd  AE S   ke y)   a n d  a n  I V  to  de c r ypt   the  c ipher e d  im a ge .   C ons e que ntl y,   thi s   r e s ult s   in  the  ge ne r a ti on  o f   a n   indi s ti nguis ha ble  pe r mut a ti on  ke y  a nd  ke ys tr e a m.   −   At  the  be ginni ng   of   the   de c r ypti on   pr oc e s s ,   AE S   is   us e d  in  c onjunction   with   a   s e c r e t  ke y   to   ge ne r a te  a   ke ys tr e a m  ba s e d  on  the   s a me  c onc a tena ted  ini ti a l   ve c tor   a nd   c ounter   va lue .   T he   e nc r ypted  im a ge   ne e ds   to  be   f r a gmente d  int o     im a ge s ,   a nd  e a c h  im a ge   will   u nde r go  the  s tanda r d  AE S   de c r ypti on   pr oc e s s   us ing  the  c onf idential  ke y.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Satelli te  image   e nc r y pti on  us ing  2D   s tandar d  map  and  adv anc e d  e nc r y pti on   …   ( Om ar   B e nc hikh )   5161   −   T he   ne xt  s tep  invol ve s   a   pr oc e dur e   that  e na ble s   the  r e s tor a ti on  of   the  s huf f led  im a ge s   obtaine d  by  uti li z ing  the   r e ve r s e   of   the   dis or de r ly   pe r mut a ti o n.   I nit ially,   the   de c r ypti on   pr oc e s s   ge ne r a tes   the  ke y   thr ough  2D   s tanda r d's   mapping,   incor po r a ti ng   t he   pr e s e lec ted  c ount   of   it e r a ti ons   uti li z e d   dur in g  the   e nc r ypti on  pr oc e s s ,   ther e by  ini ti a ti ng  the   de c r ypti on  ope r a ti on.   T he   r e c ipi e nt  mer e ly   r e quir e s   the  i nit ial  pa r a mete r s   a nd  c a n  obtain  the   c or r e s ponding  e nc r y pti on  ke y  us ing  thes e   va lues .   −   I n  the  thi r d   s tage ,   the  int e r mi ngled  pixels   a c r os s     im a ge s   a r e   s ubs e que ntl y  r e or ga nize d  ba s e d  on  their   s e que nti a l  or de r s ,   c ons tr uc ti ng  the   ba nds   of   the   un e nc r ypted  im a ge .   −   Ulti mate ly,   the  a f or e mentioned    laye r s   a bove   a r e   r e a s s e mbl e d  int o   a   [ × × ]   pixel  a r r a y   in   s e que nc e ,   a nd  the  r e s ult ing  im a ge   is   the  de c r yp ted  im a ge .   T he   de c r ypti on   of   the  c ipher e d   im a ge   is   c ompl e ted.   T he   r e s ult s   o f   e nc r ypti ng   a nd  de c r ypti ng   di f f e r e nt   s a telli te  im a ge s   by  us ing   the   pr opos e d  method   a r e   s hown  in  F igur e s   9  to  11.   On  the  lef t,   F igu r e   9( a ) ,   F igu r e   10( a ) ,   a nd  F igur e   11( a )   dis play  thr e e   dis ti nc t  or igi na l  im a ge s .   T he   c e ntr a l  im a ge s ,   F igur e   9( b ) ,   F igu r e   10 ( b) ,   a nd   F igur e   11( b) ,   p r e s e nt  the  e n c r ypti on  r e s ult s   obtaine d  us ing  the  pr opos e d  a lgor it hm.   On  the  r ight ,   F igur e   9( c ) ,   F igu r e   10( c ) ,   a nd  F ig ur e   11( c )   il lus tr a te  the  c or r e s ponding  de c r yp ti on  r e s ult s .             ( a )   ( b)   ( c )     F igur e   9.   L e na   De lt a   R e s e r ve ©   USGS   E R OS  Da ta  C e nter - NA S A  ( a )   plain  ( o r igi na l)   R GB   im a ge ,     ( b)   e nc r ypted   im a ge ,   a nd   ( c )   de c r ypted  R GB   im a g e             ( a )   ( b)   ( c )     F igur e   10.   S c ulpt ing   a   B a s in,   I r a q’ s   Ga ’ a r a   De pr e s s ion,   L a nds a t  8  -   OL I   ©   NA S A   ( a )   plain  ( o r igi na l)   R GB   im a ge ,   ( b )   e nc r ypted  im a ge ,   a nd   ( c )   de c r ypted  R GB   im a ge             ( a )   ( b)   ( c )     F igur e   11.   S a nd  R us h  in   W is c ons in  ©   L a nds a t  8  -   OL I _NA S A  ( a )   plain   ( or ig inal)   R GB   im a ge ,     ( b)   e nc r ypted   im a ge ,   a nd   ( c )   de c r ypted  R GB   im a g e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5153 - 5171   5162   4.   RE S UL T S   AN D  DI S CU S S I ON   T he   s im ulation  tes ts   we r e   pe r f or med  on   a   c o mput e r   f e a tur ing   a n  I ntel®  C or e ™   i7 - 5700HQ   pr oc e s s or   ( Qua d - C or e   2. 7  GH z )   a nd  12  GB   DD R 3 - R A M   ope r a ti ng  a t  1600  M Hz .   T he   s ys tem  wa s   r unning   W indows   10  ( 64 - bit ) .   T he   im pleme ntation  wa s   c a r r ied  out  us ing  the  M AT L AB   pr ogr a mm ing  langua ge .   T e s ts   we r e   pe r f or med   on  va r ious   im a ge s ,   including   “ L e na   im a ge ” ,   a nd  s e ve r a l  s a telli te  im a ge s   “ L e na   De lt a   R e s e r ve   ©   USGS   E R OS  Da ta  C e nter - NA S A” ,   “ S c ulpt ing  a   B a s in,   I r a q ’ s   Ga ’ a r a   De pr e s s ion,   L a nds a t  8  -   OL I   ©   NA S A” ,   a nd   “ S a nd  R us h  in   W is c ons in  ©   L a nds a t  8  -   OL I _NA S A” ,   with   s ize s   of   512 × 512 ,   310 0 × 3100,   4627 × 4627,   a nd  2848 × 2848,   r e s pe c ti ve ly.     4. 1.     Hi s t ogr am   an alys is   Us ing  the  pr opos e d  a lgor it hm,   the  his togr a m  a na lys is   wa s   pe r f or med  on  s e ve r a l  e nc r ypted  im a ge s   a s   s hown  in  F igur e   12.   T he   or igi na l  im a ge 's   his togr a m  in  F igur e   12( a )   s e r ve s   a s   a   ba s e li ne   f or   c ompar is on.   F igur e   12( b )   il lus tr a tes   the  his togr a m   a f ter   the   ini ti a l  s c r a mbl ing  s tep.   F igur e   12( c )   s hows   the  his togr a m  a f ter   a pplyi ng  the   2D   s tanda r d  map .   F inally ,   F igur e   1 2( d)   pr e s e nts   the   his togr a m   of   the   f inal   e nc r ypte d  im a ge   obtaine d  a f ter   a pplyi ng   AE S - C T R .   As   e vident  f r o m  the  dis playe d  f igur e s   the   f r e que nc y  dis tr ibut ion s   of   the  c ipher e d  im a ge s   e xhibi t  a   unif or m   c ha r a c ter is ti c .   T he r e f o r e ,   the  e xpe r im e ntal  r e s ult s   indi c a te  that  our   pr opos e d  e nc r ypti on  pr oc e s s   is   we ll - s uit e d  to  gu a r a ntee   highl y  s e c ur e   a nd  r e li a ble  outcome s   f o r   s a telli te  im a ge r y.   T he   unif o r m  dis tr ibut ion  o f   pixel   va lues   he lps   pr e ve nt  s tatis ti c a l  a na lys is   a nd  potential  a tt a c ks .         ( a )       ( b)       ( c )       ( d)     F igur e   12.   Or igi na l   im a ge   ( L e na )   a nd  e nc r ypted  i mage   his togr a ms   ( a )   His togr a m   of   the  or ig inal  im a ge ,     ( b)   His togr a m   of   the  s c r a mbl e d  im a ge   obtaine d   a f t e r   the  a ppli c a ti on  o f   the   s c r a mbl ing  pr oc e s s   ( s tep  1 ) ,     ( c )   His togr a m  o f   the   e nc r ypted  im a ge   a f ter   the   a pp li c a ti on  of   2D   s tanda r d  m a p  ( s tep  2) ,   a nd    ( d)   His togr a m   of   the  f inal   c ipher e d  im a ge   us ing   th e   pr opos e d  s c he me  ( a f ter   a pplyi ng   AE S - C T R )       4. 2.     S e n s it ivi t y  an a lys is   of   t h e   p r op os e d   algori t h m   4. 2. 1.   Dif f e r e n t ial   a t t ac k s   an alys is   F or   im a ge - ba s e d  c r yptos ys tems ,   s e c ur it y  pe r f or m a nc e   a na lys is   s hould  be   c a r r ied  ou t  by   opt im izing  two  pa r a mete r s :  number   of   pixels   c ha nge   r a te  ( NP C R )   a nd  unif ied  a ve r a ge   c ha nging  int e ns it y  ( UA C I ) ,   whic h   a r e   wide ly  us e d  to  a na lyze   the  c ipher 's   r e s is tan c e   to  dif f e r e nti a l  a tt a c ks   [ 35] – [ 37] .   NPC R   r e f e r s   to  the  pe r c e ntage   of   pixels   that  c ha nge   in  the  e nc r ypte d  im a ge   whe n  one   pixel  of   the  or igi na l  ( plain)   i mage   is   modi f ied.   I n  c ontr a s t,   UA C I   c a lcula tes   the  a ve r a ge   dif f e r e nc e   in  int e ns it y  be twe e n  c or r e s ponding  pixels   in  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.