I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b er   20 24 ,   p p .   6 6 7 5 ~ 6 6 8 8   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 14 i 6 . pp 6 6 7 5 - 6 6 8 8           6675       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Enha nced Vigene re e ncry p tion te c hnique  for colo r i ma g es  a cting a t  th e pi x el  level       Abdelh a k im   Chem la l 1 ,   H a s s a n T a bti 2 ,   H a m id E l Bo ura k k a di 1 ,   H icha m   Rr g ho ut 1 ,   Abdella t if   J a rj a r 1 ,  Abdelh a m id B e na zz i 1   1 M A TSI   La b o r a t o r y ,   H i g h   S c h o o l   o f   Te c h n o l o g y ,   M o h a mm e d   F i r st   U n i v e r si t y ,   O u j d a ,   M o r o c c o   2 LSI A   La b o r a t o r y ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   Te c h n o l o g y ,   S i d i   M o h a me d   B e n   A b d e l l a h   U n i v e r si t y ,   F e z ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   1 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u l 2 4 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   1 4 ,   2 0 2 4       Th e   p ix e l   u n it   is  a n   e ss e n ti a l  c o m p o n e n t  o f   m a n y   e n c ry p ti o n   sc h e m e s.  In   t h e   b e g in n i n g   tw o   su b stit u ti o n   tab les ,   se p a ra tely   c o n str u c ted   fr o m   c h a o ti c   m a p s  n a m e ly ,   th e   l o g isti c   m a p ,   sla n ted   ten t  m a p ,   a n d   t h e   AJ   m a p ,   wh ich   h a s a   v e ry   h ig h   L y a p u n o v   e x p o n e n t  a n d   is  v e ry   se n sit iv e   to   sta rt  fa c to rs,   a r e   u se d   to   m a k e   m o d ifi c a ti o n s  a t  t h e   p i x e l   lev e l.   Th e se   S - Bo x e s  h a v e   a   m a x imu m   p e rio d   a n d   a re   p r o d u c e d   fro m   s e v e ra l  li n e a r  c o n g ru e n t ial  g e n e ra to rs.  T h is  a p p ro a c h   u se s  n e wly   d e v e l o p e d   c o n f u sio n   a n d   d iff u sio n   f u n c ti o n s   c o n n e c ted   to   th e   re c e n tl y   b u il t  su b stit u ti o n   tab les   to   p e rfo rm   a   re fin e d   Vig e n e re   stra teg y .   Th e   p u rp o se   o f  th is  c h a in in g   is  to   d e fe n d   th e   sy st e m   fro m   d iffere n ti a l  a ss a u lt s.  Ex ten siv e   si m u latio n s  o n   a   v a riet y   o f  ima g e   f o rm a ts an d   siz e s c o n firm o u r   p r o c e ss ’ s ro b u s tn e ss   a g a in st i d e n ti fie d   d a n g e rs.   K ey w o r d s :   B r o ad ca s t f u n ctio n   C h ao tic  m ap   Dif f u s io n   E n h an ce d   Vig en er e   S - B o x   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Hass an   T ab ti   L SIA   L ab o r ato r y ,   Facu lty   o f   Scien ce   an d   T ec h n o lo g y ,   Sid i  Mo h am ed   B en   Ab d ellah   Un iv er s ity   Fez - 3 0 0 0 0 ,  Mo r o cc o   E m ail: h ass an . tab ti1 @ u s m b a. ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   I n f o r m atio n   s ec u r ity   in v esti g atio n s   d u r i n g   n etwo r k   tr an s m is s io n   ar e  n o w  a   well - k n o wn   f ield   o f   s tu d y .   On e   im p o r tan t  p ar ticip an t  in   t h is   co n tex t   is   en cr y p ti o n   tech n o lo g y ,   wh ich   u s es  b o th   s y m m etr ic   an d   asy m m etr ic  en cr y p tio n   tech n i q u es  in   th e  f ield   o f   cr y p to g r a p h y   [ 1 ] .   Sy m m etr ic  en cr y p tio n ,   wh ich   is   k n o wn   f o r   it  is   ef f ec tiv en ess ,   in cr ea s ed   s ec u r ity ,   an d   q u ick   en c r y p ti o n   s p ee d   th an k s   to   a  b ig   k ey ,   d ep en d s   o n   th e  s af e  s to r ag e  o f   th e  cip h er in g   k ey .   T h is   alg o r ith m   en tails   m in im al  co m p u tatio n ,   en s u r in g   a  h ig h   lev el  o f   p r o tectio n   an d   s wif t  en cr y p tio n   wh en   e m p lo y in g   an   ex te n d ed   k ey .   T h is   m eth o d ’ s   d ata  tr a n s f er   s ec u r ity   d ep en d s   o n   k ee p in g   th e  en cr y p tio n   k ey   s af e.   C o n v er s ely ,   asy m m etr ic  cip h er in g   is   ap p r o p r iate  f o r   lim i ted   d ata  en cr y p tio n ,   s u ch   p ass wo r d s ,   ev en   if   it  o f f er s   g r ea t  s ec u r ity   d u e  to   it  is   lar g e  en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   tim e.   I n   th is   in s tan ce ,   th e   k ey   an d   th e   alg o r ith m   ar e   b o th   n ec ess ar y   f o r   d ata  tr an s f er   s ec u r ity .   Kir ch h o f f ’ s   p r in ci p le  s tates  th at  th e  cip h er in g   k ey ,   n o t th e  alg o r ith m ,   h as a   m ajo r   r o le  in   th e  k ey   s y s tem ’ s   s ec u r ity .   Ma n y   im ag e  cip h er in g   tech n iq u es  u s e  s y m m etr y   th eo r y   id ea s   to   o v er co m e  th ese  d if f icu lties ,   an d   th is   s tu d y   tak es  a  s im ilar   ap p r o ac h   b ased   o n   s im ilar   k in d s   o f   alg o r ith m s .   A  n u m b er   o f   p ictu r e  e n cr y p t io n   ap p r o ac h es  h av e  b ee n   s u cc ess f u lly   cr ac k ed ,   d esp ite  r e s ea r ch er s ’   o n g o in g   e f f o r ts   to   s tr en g th e n   th e  s ec u r ity   o f   ci p h er in g   m et h o d s   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   Nu m er o u s   ac ad e m ics  h av e  r eso r ted   to   m u lti - r o u n d   e n cr y p tio n   tec h n iq u es  in   o r d er   t o   in cr ea s e  s ec u r ity   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   B u t  th er e  is   a   m ajo r   tim e  p en alty   ass o ciate d   with   th is   s tr ateg y .   C er tain   au th o r s   h av e  s u g g es ted   en cr y p tio n   tech n iq u es  th at  tar g et  p ar ticu lar   asp ec ts   o f   th e  im ag es  [ 6 ] ,   [ 7 ] .   A  cip h er in g   ar ch itectu r e  f o r   m ed ical  im ag es  b ased   o n   an   o p tim al  g am e  th eo r y   m eth o d   was  in tr o d u ce d   b y   Pi n g   et  a l .   [ 7 ] ,   d em o n s tr atin g   f lex ib ilit y   an d   d ep e n d ab ilit y   in   p r o tectin g   m ed ical   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 6 7 5 - 6 6 8 8   6676   im ag es  f r o m   attac k s .   A  h y b r id   im ag e   en cr y p tio n   ar ch itectu r e   u s in g   af f in e   an d   s u b s titu tio n   alg o r ith m s   with   an   ex p an d e d   lo g is tic  m ap   was  p r o p o s ed   in   [ 8 ] ,   [ 9 ] ,   an d   it  s h o wed   g o o d   s ec u r ity   p er f o r m a n ce   in   ex p er im e n ts .   B ased   o n   th ese  d is co v er ies,  we  s u g g est  u s in g   cu r r en t  tech n o lo g y   t o   r ec o g n ize  th e  ar ea   o f   th e  f ac e  co n to u r   wh ile  en cr y p tin g   p h o to g r ap h s   o f   p eo p le,   en ab lin g   th e  s p ec if ic  en cr y p tio n   o f   th ese  ar ea s .   An   ex tr a  lay er   o f   en cr y p tio n   is   ap p lied   to   th e   co m p lete  im ag e  o n ce   th e  f ac e  p o r tio n   h as  b ee n   en c r y p ted .   T h is   m eth o d   d em o n s tr ates  h ig h er   en cr y p ti o n   ef f ec tiv e n ess   as  co m p ar e d   to   co n v en tio n al  o n e - r o u n d   en cr y p tio n .   Priv ate  f ea tu r es  lik e  th e  f ac e   ar e  u n r ec o g n izab le  a n d   u n r ec o v er ab l e  ev en   in   t h e  f ac e  o f   alg o r ith m ic  attac k s .   T h ese  m eth o d s   en tail  f aster   an d   s h o r ter   tim es  f o r   b o th   d ata  e n cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   th a n   m u lt i - r o u n d   en cr y p tio n   ap p r o ac h es.   R esear ch er s   h av e  m eth o d ically   ex am in ed   th e  p r o p er ties   o f   p s eu d o   r an d o m n ess   an d   s en s itiv ity   to   b eg in n in g   v alu es  as  ch ao s   th eo r y   d e v elo p s   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   Div er s e  d o m ain s ,   in clu d in g   g en etic  alg o r ith m s     [ 1 2 ] – [ 1 6 ] ,   3 D  ch ao tic  m ap s   [ 1 6 ] ,   o n e - tim e  k ey s   [ 1 7 ] ,   co m p r ess iv e  s en s in g   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] ,   an d   p er ce p tr o n - lik e   n etwo r k s   [ 2 0 ] ,   h av e  g iv en   r is e   to   a  v ar iety   o f   c h ao tic  p ictu r e  en cr y p tio n   s ch em es.  I n   o r d er   t o   h an d le  p r o b lem s   with   d y n am ic   d eg r ad atio n ,   Qo b b i   et  a l.   [ 2 1 ]   cr ea ted   an   en cr y p tio n   a r ch itectu r e   in   t h eir   wo r k   th at  u s es  r ep lace m en t - d if f u s io n   p r o ce s s es  with   s tan d ar d   an d   lo g is tic  m ap s .   Ak r aa m   et  a l.   [ 2 2 ]   s h o wed   h o w   alg o r ith m ic   s ec u r ity   co u ld   b e  jeo p ar d ized   b y   u s in g   Ar n o l d ’ s   ch ao tic  s eq u en ce s   as  k ey s .   W an g   an d   L iu   [ 2 3 ]   ad d r ess ed   wo r r ies  r eg ar d in g   d y n am ic  d eg r ad atio n   in   ch ao tic  cr y p t o g r ap h y   b y   p r esen tin g   th e o r etica l  p r o o f   o f   th e  s ec u r ity   o f   ch ao tic   f lo wch ar t   cip h er   s y s tem s ,   d e m o n s tr atin g   th at  al g o r ith m ic   s ec u r ity   is   n o t  en d an g e r ed   b y   ch ao tic  s eq u en ce s .   Ad d itio n a lly ,   b y   in teg r atin g   s p ac e,   d o m ain s ,   an d   tim e,   Kan g   et  a l.   [ 2 4 ]   s u g g ested   an   en cr y p tio n   ar ch itectu r e  t h at  en h an ce s   s ec u r ity   b y   c o m b i n in g   a  lo g is tic  m ap   with   a  n o v el   r ea lity - p r eser v in g   p ar am eter   o f   f r ac tio n al  t r an s f o r m .   Z h an g   an d   W ei  [ 2 5 ]   p r o p o s ed   a  n o v el  a r ch itectu r e   in   th eir   p ap e r   f o r   en cr y p tin g   co lo r   im ag es.  T h is   ar ch itectu r e  co m b in es  th e   L o r en z   ch ao tic  s y s tem   with   DNA  co m p u tin g ,   cr ea tin g   a  ch a o tic  s y s tem   with   s p atial  an d   tem p o r al  p ar am ete r s   [ 2 6 ] ,   [ 2 7 ] .   Mo s t  tr ad itio n al  s y s tem s   ar e  s till   s u s ce p tib le  to   s tati s tical  an d   f r eq u en cy   attac k s .   Ad d itio n ally ,   if   th er e  is   n o   c h ain in g   b etwe en   t h e  cip h er   an d   t h e  s u b s eq u e n t  p lain   b lo ck s ,   m o s t  s y s tem s   ar e  also   s u s ce p tib le  to   d if f er en tial  attac k s .   Mo r eo v er ,   th is   m eth o d   wo r k s   esp ec ially   well  f o r   en c r y p tin g   b i g   d at asets   with   a  lo t  o f   r ed u n d an cy   an d   s ig n if ican t  c o r r elatio n s .   Ou r   co n tr ib u tio n   is   to   elab o r ate  a  p r o ce d u r e   f o r   cr ea tin g   f r esh   s u b s titu tio n   tab les with   v ar y in g   s izes,  ac h iev ed   th r o u g h   th e  u tili za tio n   o f   m u ltip le  ( L C G) .   Fu r th er m o r e ,   it will  in tr o d u ce   a   g en etic  c r o s s o v er   m eth o d   tailo r ed   f o r   en c r y p tin g   ex ten s iv e   d atasets .   T h is   m et h o d   in co r p o r ates  a n   en h an ce d   Vig en e r e  tech n iq u e  v er s io n ,   in teg r atin g   th e  n e wly   g en e r ated   s u b s titu tio n   ta b les  to   b o ls ter   th e   p r eser v atio n   o f   th e   p lain   im a g e’ s   in teg r ity .   T h e  r ec o m m e n d ed   e n cr y p tio n   ar ch itectu r e   s ig n if ican tly   r ed u ce s   en cr y p tio n   tim e  co m p ar e d   to   th o s e  s u g g ested   b y   o th er   s ch o lar s .   T h e  co n tr o l  p ar a m eter s   an d   k ey s   ar e  g en er ated   r a p id ly   f r o m   n u m er o u s   lin ea r   co n g r u en t  g e n er ato r s   b ased   o n   ch ao tic  m ap s .   T h e   alg o r ith m   ex h i b its   o u ts tan d in g   s ec u r ity ,   as  ev id e n ce d   b y   t h e  s im u latio n ,   s ec u r i ty ,   an d   co m p ar ativ e   r esu lts   with   o th er   alg o r ith m s ,   s h o wca s in g   its   ab ilit y   to   with s tan d   ty p ical  attac k s .   T h e  p r esen t  p ap er   is   d iv id e d   in to   s ep ar ate  p iece s   f o r   th e  r em ain d er   o f   it.  T h ese  co m p r is e  an   in tr o d u ctio n   to   th e  th e o r etica l  b ac k g r o u n d ,   in tr o d u cin g   th e  b asis   o f   ch ao tic  s eq u en ce s   an d   g en etic  o p e r ato r s   p r o ce d u r es;  an   o u tlin e  o f   th e  s u g g ested   m eth o d o lo g y ,   ex p lain in g   th e  d etails  o f   th e  cip h er i n g   an d   th eir   r e v er s e  p r o ce d u r es;  an   ex p er im e n tal  r esu lts   s ec tio n ,   p r esen tin g   r ese ar ch   r esu lts ,   co m p ar is o n s ,   an d   d is cu s s io n s   with   th eir   co u n te r p ar t m et h o d s ; a n d   a  co n clu s io n   s ec tio n   r ec ap itu l atin g   th e  r esu lts .       2.   M E T H O D    Ou r   tech n iq u e  co n s is ts   o f   d ev elo p in g   two   lar g e  s u b s titu tio n   tab les.  T h ese  two   tab les  wi ll  b e  u s ed   to   im p lem en t  a  n ew  e n h an ce m en t  o f   th e   tr ad itio n al  Vig e n e r e  alg o r ith m .   T h is   tech n i q u e   ap p lies   co n f u s io n   f u n ctio n s   attac h ed   to   SB o x es a n d   is   co m p o s ed   f r o m   th e  f o llo win g   ax es.     2 . 1 .     Select ed  cha o t ic   s equen ce s   T h e  th r ee   ch a o tic  m ap s   th at  w e  h av e   s elec ted   to   g u a r an tee  t h e  ef f ec tiv e   o p er atio n   o f   o u r   s y s tem   ar e   th e  s k ew  ten t  m ap ,   th e  AJ  m ap ,   an d   th e  lo g is tics   ca r d s .   T h ese  ar e  th e  ca r d s   th at  ar e  u s ed   th e  m o s t  in   th e  cr y p to g r ap h y   d o m ain .   T h is   ch o ice  was  m ad e  b ec au s e  o f   th e ir   o u ts tan d in g   r ea ctiv ity   to   b e g in n in g   c o n d itio n s   an d   ea s e  o f   c o n f ig u r atio n .     2 . 1 . 1 .   T he  lo g is t ic  m a p   T h is   m ap   ( )   [ 2 8 ]   is   a  s eq u en ce   ex p r ess ed   b y   a  s im p le  s ec o n d - d eg r ee   p o ly n o m ial  d ef in ed   r ec u r r en tly   b y   ( 1 ) .   I   i t  h as  h ig h   s en s itiv ity   to   in itial  co n d itio n s   an d   is   ea s y   to   co n f ig u r e  in   an y   cr y p to s y s tem .   T h is   ch ar ac ter is tic  is   co n f ir m e d   b y   th e  ca lcu lated   v al u e  o f   th e  L y ap u n o v   e x p o n en t.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       E n h a n ce d   V ig e n ere  en cryp tio n   tech n iq u e  fo r   co lo r   ima g es a ctin g   a t th e  p ixel  leve l   ( A b d elh a kim  C h emla l )   6677   {     0 ∈ ] 0 , 5     1 [             ,       ∈ [ 3 , 75     4 ]     + 1 = ( 1 − )   ( 1 )     2 . 1 . 2 .   T he  s k ewe d t ent   m a p  ( SK T M )   T h is   m ap   (   )   [ 2 9 ]   is   a  s eq u en ce   ex p r ess ed   b y   a  s im p le   s ec o n d - d eg r ee   p o ly n o m ial  d e f in ed   r ec u r r en tly   b y   ( 2 ) .   I   i t  h as  h ig h   s en s itiv ity   to   in itial  co n d itio n s   an d   is   ea s y   to   co n f ig u r e  in   an y   cr y p to s y s tem .   T h is   ch ar ac ter is tic  is   co n f ir m e d   b y   th e  ca lcu lated   v al u e  o f   th e  L y ap u n o v   e x p o n en t.     { v 0 ∈ ] 0       1 [               p ∈ ] 0 . 5       1 [ v n + 1 =   {   ( ) − 1 v n                           if     0 < v n < p   ( 1 − ) − 1     ( 1 − v n )       if   p < v n   < 1   ( 2 )     2 . 1 . 3 .   A. J .   m a p   T h is   m ap   ( )   [ 2 8 ]   is   a  s eq u en ce   e x p r ess ed   b y   a  f ir s t - d eg r ee   p o l y n o m ial  d ef i n ed   r ec u r r en tly   b y   ( 3 ) .   I   i t  h as  h ig h   s en s itiv ity   to   in it ial  co n d itio n s   an d   is   ea s y   to   c o n f ig u r e  in   an y   cr y p to s y s tem .   T h is   ch ar ac ter is tic   is   co n f ir m ed   b y   th e  ca lc u lated   v alu e  o f   th e  L y a p u n o v   e x p o n en t.     { 0 ∈ [   ( 1 + ) − 1             ( 1 + ) − 1 ]                 ∈ [ 1 . 47               ]   ( ) = + 1 { 2                  0 ≤ ≤   ( 1 + ) − 1 −            ( 1 + ) − 1 ≤ ≤ 1   ( 3 )     T h e  h y b r id izatio n   em p lo y m e n t  o f   t h r ee   c h ao tic  m a p s   h as  th e  ad v a n tag e  o f   d er iv in g   all  es s en tial  p ar am eter s   r eq u ir ed   f o r   o u r   in n o v ativ e  a r ch itectu r e  ef f icien c y   an d   ef f e ctiv en ess .   B ased   o n   th e  co n s tr u ctio n   o f   m u ltip le  s u b s titu tio n   tab les  u s in g   p s eu d o r an d o m   lin ea r   c o n g r u en tial   g en er at o r s   an d   a  g en etic  c r o s s o v er   ac tin g   at   th e  b it  lev el  u n d er   th e   co n t r o l  o f   a  cr o s s o v er   tab le  c o n s tr u ct ed   f r o m   th e   ch ao tic  m a p s   u s ed .   Ou r   m eth o d   is   d escr ib ed   in   th e   n ex t su b - s ec tio n s .     2 . 2 .     Su bk ey s   des ig n   I t  is   n ec ess ar y   to   g en er ate  m a n y   p s eu d o - r an d o m   v ec to r s   in   o r d er   f o r   th e  en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce s s   to   f u n ctio n   p r o p er ly .   Utilizin g   th ese  v ec to r s ,   an   a lg o r ith m   is   cr ea ted   th at  ca n   h an d le  an y   k n o wn   ass au lt.  T h e  f o llo win g   s tag es  ar e  tak en   in   t h is   co n s tr u ctio n .     2 . 2 . 1 .   Co ns t ruct ing   cipherin g   pa ra m e t er s   I n   t h i s   p h a s e ,   a n   a d v a n c e d   Vi g e n e r e   c i p h e r   i s   a p p l i e d   a t   th e   p i x e l   l e v e l ,   r e q u i r i n g   t h e  c r e a t i o n   o f   s p e c i f i c   p a r a m et e r s   t o   e n s u r e   r o b u s t   e n c r y p t i o n .   T h e s e   i n c l u d e   i )   X T   c o n f u s i o n   a n d   d i f f u s i o n   p r o c e s s   t a b l e s   to   m a n i p u l a t e   p i x el   d at a   a n d   e n h a n c e   s e c u r i t y ,   ii )   B T   b i n a r y   t a b l e s   f o r   c o n t r o l li n g   a n d   g u id i n g   t h e   e n c r y p t i o n   p r o c e s s ,   a n d   i ii )   W S 1   a n d   W S2   s u b s t i t u t i o n   t a b l es   f o r   e f f e c t iv e   d a t a   s u b s ti t u t i o n   a n d   t r a n s f o r m a t i o n .   T o g e t h e r ,   t h e s e   c o m p o n e n t s   w o r k   i n   c o n c e r t   t o   b o l s t e r   t h e   c i p h e r ’ s   e f f ec t i v e n e s s   a n d   i m p r o v e   o v e r a l l   d a t a   p r o t e c t i o n .     2 . 2 . 2 .   ( XT )  T a ble c re a t io n    T h e  p u r p o s e  o f   th e   tab le  ( XT )   o f   s ize  ( 3   n m ; 5 )   with   co e f f ici en ts   in   ( G 256 )   is   to   f u n ctio n   as  d if f u s io n   an d   aliasin g   o n   th e   lev el  o f   th e  o r ig in al  im a g e  p i x els.  Alg o r ith m   1   d escr ib es  h o w  to   b u ild   s u ch   a  tab le.   E v er y   in d iv id u al  c o lu m n   with in   th e   tab le  ( XT )   s ig n if ies  an   in d e p en d en t  p s eu d o - r an d o m   v ec t o r   d i s tin ct  f r o m   th e   r em ain in g   v ec to r s .     Alg o r ith m   1 .   ( XT )   d esig n   1.        = 1      3      2.    ( ; 1 ) =    ( ( | ( ) − ( ) ∗ ( ) | ∗ 10 12 ) , 252 ) ) + 3   3.    ( ; 2 ) =    ( ( ( ( ) + ( ) ) ∗ 10 10 ) , 254 ) ) + 1   4.    ( ; 3 ) =  ( (  ( ( ) ; ( ) ) ∗ 10 11 ) , 254 ) + 1   5.    ( ; 4 ) =  ( ( ( ( ) + 2 ∗ ( ) + ( ) 4 ∗ 10 11 ) , 253 ) + 2   6.    ( ; 5 ) =  ( ( ( ( ) ∗ 10 6 + ( ) ∗ 10 7 ) , 253 ) + 2   :           2 . 2 . 3 .   ( BT )  B ina ry   t a bles   des ig n    T h e  tab le  ( XT ) ,   s ized   ( 3   n m ;  5 )   an d   c o m p o s ed   o f   c o ef f icie n ts   in   G2 5 6 G{2 5 6 }G2 5 6 ,   is   d esig n ed   to   f ac ilit ate  d if f u s io n   an d   aliasin g   at  t h e  p i x el  lev el  o f   t h e  o r ig in al  im ag e,   en h an cin g   th e   en cr y p tio n   p r o ce s s .   Alg o r ith m   1   o u tlin es th e  m eth o d   f o r   co n s tr u ctin g   th is   tab le,   en s u r in g   th at  ea c h   co lu m n   with in   ( XT )   r e p r esen ts   a  u n iq u e   p s eu d o - r an d o m   v ec t o r ,   d is tin ct  f r o m   th e  o th er s .   T h is   ap p r o ac h   g u ar an tees  th a t  th e  d if f u s io n   an d   aliasin g   ef f ec ts   ar e  ap p lied   e f f ec tiv ely ,   co n tr ib u tin g   t o   th e  o v er all  s ec u r ity   o f   im ag e   en c r y p tio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 6 7 5 - 6 6 8 8   6678   Alg o r ith m   2 .   ( B T )   d esig n   1.      = 1      3    / /            2.      ( ) >  ( ( ) ; ( ) )   ℎ      3.    ( ; 1 ) = 0       ( ; 1 ) = 1   :        //            4.       ( ; 1 ) ≥ T ( i ; 5 ) ℎ      5.    ( ; 2 ) = 0       ( ; 2 ) = 1   6.      :         2 . 2 . 4 .   Su bs t it utio n   m a t rix   co m pu t a t io n    T o   en h a n ce   th e   d esig n   o f   n ew  B o x es,  we  will  o f f er   k e y   m ath em atica l  r e m in d er s   th at  lev er ag e   v ar io u s   lin ea r   co n g r u en ce   g e n er ato r s .   T h ese  g en er ato r s   p lay   a  cr u cial  r o le  in   p r o d u cin g   p s eu d o - r an d o m   s eq u en ce s   th at  ca n   b e  u tili ze d   f o r   co n s tr u ctin g   e f f ec tiv e  cr y p to g r ap h ic  tab les.  B y   ap p ly i n g   th ese  r em in d e r s ,   th e  d esig n   p r o ce s s   will b en ef it f r o m   im p r o v ed   r a n d o m n ess   an d   s ec u r ity   in   th e  g e n er ated   b o x es .     2 . 2 . 5 .   M a t hem a t ics re m ind er   A  li n ea r   co n g r u en ce   g e n e r a to r   is   a   r ea l s eq u en ce   d e f i n e d   b y   t h r ee   i n it ial   p a r a m et e r s   an d   g iv en   b y   ( 4 ) :      ( 0 ; ; ; )   { 0 =   (       ) + 1 =  ( + ; )   ( 4 )     ( 0 ; ; ; )   is   ca lled   a  lin ea r   co n g r u en tial   g en er ato r .   A  g o o d   ( L C G)   is   a   p er io d ic  s eq u en ce ,   with   a  m a x im u m   p er io d   e q u al  to   ( m ) .   T h is   p er io d   is   r ea ch ed   u n d er   th e   co n d itio n s   o f   th e  th e o r em   o f   Hu ll   an d   Do b ell  wh ich   o f f er s   a  n ec ess ar y   a n d   s u f f icie n t c o n d itio n   f o r   a  ( L C G)   to   p r esen t th e  p s eu d o - r an d o m   attr i b u te.   a.   Hu ll - Do b ell  th eo r em   ( 1 9 6 2 )   All  lin ea r   co n g r u en ce   g en er at o r s   ( L C Gs)  th at  ad h er e   to   th e  p r ev io u s ly   o u tlin ed   th eo r em   d em o n s tr ate   m ax im u m   p er io d icity ,   as  estab lis h ed   b y   Alg o r ith m   3 .   T h is   alg o r ith m   d etails  th e  c o n d itio n s   u n d er   wh ich   L C Gs ac h iev e  th eir   lo n g est p o s s ib le  s eq u en ce   len g th   b ef o r e  r ep ea tin g .   B y   f o llo win g   th ese  g u id elin es,  o n e   ca n   en s u r e  th at  th e  L C Gs   u s ed   w ill  p r o v id e  o p tim al  p s eu d o - r a n d o m n ess   an d   p er io d   d u r atio n   f o r   cr y p t o g r a p h ic   ap p licatio n s .     Alg o r ith m   3 .   Hu ll a n d   D o b ell  ter m s   1.   0                 ⟦ 0         ;     − 1 ⟧     2.   ∧ = 1 ;   ∧ = 1   3.      ℎ                     , ℎ      a.         ℎ      − 1 .   b.      4 /     ℎ    4 / − 1     b.   Par ticu lar   ca s e  ( = 2 )   A  v er y   in ter esti n g   p ar ticu lar   c ase  in   th e  f ield   o f   co lo r   im ag e  cr y p to g r ap h y   is   m = 2 k .      ( 0 ; ; ; 2 ) :   { 0 =    2 + 1 =  ( + ; 2 )   ( 5 )     T h is   g en er ato r   h as a   p er i o d   o f       2 − 1   ,   if   an d   o n ly   i f :      ( 0 ; ; ; 2 ) : { 0 =     2 =  ( 2ℎ + 1 ; 2 ) =  ( 4 + 1 ; 2 )   ( 6 )     T h ese  g en er ato r s   ar e  u s ed   to   c r ea te  two   s u b s titu tio n   tab les   ( W S1 )   a n d   ( W S2 ) ,   wh o s e  s izes ( 2 5 6 ; 2 5 6 ) .     2 . 2 . 6 .   ( LG 1)   P a ra m et er   t a ble desig n   An   ( L C G)   is   r ec u r r en tly   d eter m in ed   b y   th e  s y s tem   ( 7 ) ,   s atis f y in g   th e  cr iter ia  o u tlin ed   in   th e  Hu ll a n d   Do b ell  th eo r em .     (  ) : {         0 = + 1 =  (  + ; 256 ) 0 ∈   ⟦ 0     ;   255 , ⟧     ≡ 1   [ 2 ]         = 2 + 1 ≡ 1     [ 4 ] ,       = 4 + 1   ( 7 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       E n h a n ce d   V ig e n ere  en cryp tio n   tech n iq u e  fo r   co lo r   ima g es a ctin g   a t th e  p ixel  leve l   ( A b d elh a kim  C h emla l )   6679   T h e  th r ee   p a r am eter s   ( s 0 , a , b )   o f   ( L C G)   u s ed   in   o u r   alg o r ith m   f o r   t h e  d e v elo p m e n t  o f   two   s u b s titu tio n   tab les  ( SW 1 )   an d   ( SW 2 )   will  b e  r eta in ed   in   th e  ar r ay   ( L G 1 )   o f   s ize  ( 3 ; 3   n m ) ,   b y   t h e  s u b s eq u en t  s tep s :  i)   th e  in itial   v alu e  o f   th e   g en e r ato r   in   ( G 256 ) ,   d en o ted   as  ( s 0 ) ,   will  b e   p r esen t   in   th e  f ir s t  lin e  as  a  p s eu d o - r a n d o m   s ee d ;     ii)  th e  s ec o n d   lin e  will  s to r e  th e  m u ltip lier   p ar am eter   v alu es  ( = 4 + 1 ) ;  an d   iii)  th e  th ir d   o n e  will  s to r e  th e   b ias p ar am eter   v alu es ( = 2 + 1 ) .   Fig u r e  1   d ep ict  a n   ex am p le  to   clar if y   th e  d is tr ib u tio n   o f   t h e  ( L C G) .           Fig u r e  1 .   E x am p le  o f   th e  ( L C G)   d is tr ib u tio n       T h ese  g en er at o r s ,   wh ich   s atis f y   th e   Hu ll  an d   Do b ell  t h eo r em ,   p r o d u ce   n o n - lin ea r   p er m u tatio n s   o f   s ize  2 5 6 ,   s to r ed   in   two   tab les  ( W S1 )   an d   ( W S2 )   ea ch   o f   s ize  ( 2 5 6 × 2 5 6 ) ,   an d   u s ed   as  S - b o x es.   First,  we  will   p lace   th e  p ar am eter s   o f   ea ch   ( L C G)   in   a  tab le  ( L G1 )   o f   s ize  ( 3 × 2 5 6 ) .   −   T h e  f ir s t r o w  co n tain s   th e  v alu es o f   th e  p ar a m eter s   ( s )   wh ich   co n s titu te  th e  s ee d   o f   th e   g en e r ato r .   −   T h e  s ec o n d   r o w  co n tain s   th e  v alu es o f   th e  m u ltip lier   ( a) .   −   T h e  th ir d   r o w  s to r es th e  v al u e s   o f   th e  p ar a m eter   ( b ) .     −   T h e  tab le  ( L G1 )   u tili ze d   f o r   th e  d ev elo p m en t o f   th e  S - b o x   is   g iv en   b y   th e  Alg o r ith m   4.     Alg o r ith m   4 .   ( L G1 )   T ab le  d es ig n   1.      = 1      3    2.       ( ; 2 ) = 0   ℎ    3.    1 ( 1 , ) =  ( ; 3 )   4.    1 ( 2 , ) =  ( 1 + 4 ∗  ( ; 2 ) , 256 )   5.    1 ( 3 , ) =  ( 1 + 2 ∗  ( ; 3 ) , 256 )   6.      7.    1 ( 1 , ) =  ( ; 2 )   8.    1 ( 2 , ) =  ( 1 + 4 ∗  ( ; 1 ) , 256 )   9.    1 ( 3 , ) =  ( 1 + 2 ∗  ( ; 4 ) , 256 )   10.   Next j     T h e  g u id e d   s tr u ctu r e  b y   p s e u d o r a n d o m   v ec to r s ,   ex h ib its   h ig h   s en s itiv ity   to   alter atio n s   in   an y   co n s titu en t  o f   a  p r i v ate  k ey ;   th is   r ein f o r ce s   th e   r o b u s tn ess   o f   a  s y s tem .  T o   g iv e   th e  p s eu d o - r an d o m   asp ec t  to   th e  S - B o x es  co n s tr u ctio n ;  we  ar e  g o in g   to   u s e  th e  tab les  ( T C 1 )   o f   s ize  ( 2 5 6 ;4 ) .   T h e  S - B o x   ( W S1 )   is   en tire ly   g o v er n ed   b y   ( G 256 )   r ea r r an g e m en ts   o f   th e  tab le  ( T C 1 )   o f   s ize  ( 2 5 6 , 4 ) .   A n   ex am p le  is   g iv e n   in   Fig u r e  2 .           Fig u r e  2 .   E x am p le  o f   ( L G1 )   in   G1 6       a.   ( TC 1 )   T ab le  cr ea tio n     T h e  tab le   ( T C 1 )   o f   s ize  ( 4 ×2 5 6 ) ,   is   co n s tr u cted   f o r   t h e  s elec tio n   o f   g e n er ato r s   f o r   th e   d ev elo p m en t   o f   th e  two   S - B o x es ( SW 1 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 6 7 5 - 6 6 8 8   6680   −   T h e  f ir s t  r o w  o f   tab le  ( TC 1 )   is   th e  p er m u tatio n   ( P1 )   o b tain e d   b y   a  d escen d in g   s o r t  o f   th e  f ir s t  2 5 6   v alu es  o f   th e  v ec t o r   ( XT   ( :4 ) ) ,   u s ed   t o   s elec t th e  r o w  wh er e  t h e  ch o s en   g en er ato r   will b e  p lace d .   −   T h e  s ec o n d   lin e  o f   th e  ta b le  ( TC 1 )   is   th e  p er m u tatio n   ( P2 )   o b tain ed   b y   a n   ascen d in g   s o r t in g   o f   th e  f ir s t  2 5 6   v al u es o f   th e   v ec to r   ( XT   ( :2 ) ) ,   u s ed   t o   s elec t th e  in d ex   o f   th e  v alu e  o f   th e   ( ) .   −   T h e  th ir d   lin e  o f   th e  tab le  (  1 )   is   th e  p er m u tatio n   ( P3 )   o b tain ed   b y   an   ascen d i n g   s o r tin g   o f   th e   f ir s t  2 5 6   v alu es o f   th e  v ec to r   ( XT   ( :2 ) ) ,   u s ed   to   s elec t th e  in d e x   o f   t h e   v alu e  o f   th e  m u ltip lier   ( ) .   −   T h e  f o u r th   lin e   o f   th e  tab le  ( TC 1 )   is   th e  p er m u tatio n   ( P4 )   o b tain ed   b y   a n   in cr ea s in g   s o r tin g   o f   th e  f ir s t  2 5 6   v al u es o f   th e   v ec to r   ( XT   ( :3 ) ) ,   u s ed   t o   s elec t th e  in d ex   o f   th e  v alu e  o f   th e   p ar am eter   ( ) .   An   ex am p le  o f   ( T C 1 )   ta b le  in   G1 6   is   d ep icted   in   Fig u r e  3 .           Fig u r e  3 .   E x am p le  o f   ( T C 1 )   ta b le  in   G1 6       b.   ( WS 1 )   T ab le  co m p u tatio n     T h e  co n s tr u ctio n   o f   th e  s u b s titu tio n   m atr ix   ( W S1 )   is   g u id e d   b y   tab les  ( T C 1 )   an d   ( L G1 ) ,   with   th e   p r o ce s s   m eticu lo u s ly   d etailed   in   Alg o r ith m   5 .   T h ese  tab les  p r o v id e  t h e  n ec ess ar y   p ar am ete r s   an d   co n tr o ls   f o r   g en er atin g   W S1 ,   en s u r i n g   its   ef f ec tiv en ess   in   c r y p t o g r ap h ic   ap p licatio n s .   B y   f o llo win g   th e  s tep s   o u tlin ed   in   Alg o r ith m   5 ,   o n e  ca n   ac cu r a tely   co n s tr u ct  W S1   to   en h a n ce   th e  o v er all  s ec u r ity   a n d   f u n ctio n ality   o f   th e   en cr y p tio n   s ch em e.   An   ex am p le  ab o u t h o w  to   co m p u te  th e   ( W S1 )   tab le  is   d ep icted   in   Fig u r e  4 .     Alg o r ith m   5 .   ( W S1 )   S - B o x es c o m p u tatio n   1.      = 1      256   2.   =    1 (  1 ( , 2 ) ;     3.   =  1 (  1 ( , 1 ) ;     4.   =    1 (  1 ( , 3 )   5.      = 1      256   6.   =  ( ∗ + ; 256 ) ;     7.    1 (  1 ( , 4 ) , ) = ;         8.   = :    ,           Fig u r e  4 .   E x am p le  o f   ( W S1 )   c o m p u tatio n       c.   ( TC 2 )   Desig n     T h e  tab le   ( T C 2 )   o f   s ize  ( 4 ×2 5 6 ) ,   is   co n s tr u cted   f o r   t h e  s elec tio n   o f   g e n er ato r s   f o r   th e   d ev elo p m en t   o f   th e  two   S - B o x es ( SW 2 ) .     −   T h e  f ir s t  r o w  o f   tab le   ( TC 2 )   i s   th e  p er m u tatio n   ( Q1 )   o b tain ed   b y   a  d escen d in g   s o r t  o f   t h e   f ir s t  2 5 6   v al u es  o f   th e  v ec t o r   ( XT   ( :3 ) ) ,   u s ed   t o   s elec t th e  r o w  wh er e  t h e  ch o s en   g en er ato r   will b e  p lace d .   −   T h e  s ec o n d   lin e  o f   th e  ta b le  ( TC 2 )   is   th e  p er m u tatio n   ( Q2 )   o b tain ed   b y   an   ascen d in g   s o r tin g   o f   th e  f ir s t  2 5 6   v al u es o f   th e   v ec to r   ( XT   ( :1 ) ) ,   u s ed   t o   s elec t th e  in d ex   o f   th e  v alu e  o f   th e   ( ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       E n h a n ce d   V ig e n ere  en cryp tio n   tech n iq u e  fo r   co lo r   ima g es a ctin g   a t th e  p ixel  leve l   ( A b d elh a kim  C h emla l )   6681   −   T h e  th ir d   lin e   o f   t h e  tab le  ( TC 2 )   is   th e  p er m u tatio n   ( Q3 )   o b t ain ed   b y   an   ascen d i n g   s o r tin g   o f   th e  f i r s t  2 5 6   v alu es o f   th e  v ec to r   ( XT   ( :4 ) ) ,   u s ed   to   s elec t th e  in d e x   o f   t h e   v alu e  o f   th e  m u ltip lier   ( ) .   −   T h e  f o u r th   lin e  o f   th e  tab le  ( TC 2 )   is   th e  p er m u tatio n   ( Q4 )   o b tain ed   b y   an   i n cr ea s in g   s o r tin g   o f   t h e  f ir s t  2 5 6   v al u es o f   th e   v ec to r   ( XT   ( :5 ) ) ,   u s ed   t o   s elec t th e  in d ex   o f   th e  v alu e  o f   th e   p ar am eter   ( ) .     Alg o r ith m   6 .   ( T C 2 )   C o m p u tatio n   1.      = 1      256   2.    2 ( , 1 ) = 1 ( )     3.    2 ( , 2 ) = 2 ( )   4.    2 ( , 3 ) = 3 ( )   5.    2 ( , 4 ) = 4 ( )   6.          d.   ( WS 2 )   C o m p u tatio n     Un d er   th e  co n tr o l  o f   ta b les  ( T C 2 )   an d   ( L G1 )   t h e  co n s tr u c tio n   o f   th e  s u b s titu tio n   m atr i x   ( W S2 )   is   g iv en   b y   Alg o r ith m   7 .   T h e  c o n s tr u ctio n   o f   th e  tab le  ( W S2 )   is   s im ilar   to   th at  o f   ( W S1 )   b y   co n s id er in g   th e   tab les ( T C )   an d   ( L G1 ) .     Alg o r ith m   7 .   ( W S2 )   S - B o x   d e s ig n   1.      = 1      256   2.   ℎ =  1 (  2 ( , 1 ) ) ;     3.   =    1 (  2 ( , 2 ) ) ;     4.   =    1 (  1 ( , 3 ) )   5.      = 1      256   6.   =  ( ∗ ℎ + ; 256 )   7.    2 (  2 ( , 4 ) , ) = + 1   8.   ℎ = ;   :     ,     e.   Pix el  tr an s cr ip tio n   b ased   o n   S - b o x es   T h e  two   s u b s titu tio n   tab les  w ill  b e  em p lo y ed   to g eth e r   to   tr an s f o r m   t h e  p ix el   v alu es  o f   t h e  o r i g in al  im ag e  u s in g   th e  ( VG)   f u n cti o n .   T h is   tr an s f o r m atio n   p r o c ess ,   wh ich   co n v er ts   th e  i th   p ix el  ( ) ( )   in to   ( ) ( ) ,   is   p r ec is ely   d ef in e d   b y   Alg o r ith m   8 .   B y   ap p ly in g   Alg o r ith m   8 ,   th e   ( VG)   f u n ctio n   en s u r e s   th at  ea ch   p ix el' s   v alu e  is   ac cu r ately   an d   s ec u r ely   alter ed ,   lev e r ag in g   th e  co m b in e d   ef f ec ts   o f   th e  s u b s titu tio n   tab les.     Alg o r ith m   8 .   ( )   p ix el  en cr y p tio n    ( ( ) ) = ( )       ( ; 2 ) = 0   ℎ    :    ( ) =    1 (  ( ; 2 ) ,  2 (  ( ; 3 ) , ( ) ⊕  ( ; 4 ) ) ) ⊕  ( ; 1 )        :      ( ) =  2 (  ( ; 3 ) ,  1 (  ( ; 1 ) , ( ) ⊕  ( ; 5 ) ) ⊕  ( ; 2 )     :            T h is   s tag e  o f   th e  en cr y p tio n   p r o ce s s   u s es  two   n ested   S - B o x es  an d   th e  d ec is io n   v ec to r    ( )   to   in cr ea s e  th e  co m p le x ity   o f   th e  s u b s titu tio n   an d   co n f u s io n   f u n ctio n s .   A  u n i q u e  cip h er in g   an d   d is tr ib u tio n   ex p r ess io n   will  ar is e  f r o m   ev en   a  litt le  m o d if icatio n   to   a  p r iv ate  k ey   p ar am ete r ,   p r o d u ci n g   a  u n iq u e  cip h e r   p ictu r e.   W h ile  ( )   r etu r n s   th e  tr an s f o r m atio n   o f   th e  p ix el  ( ) .     2 . 3 .     P re pa r a t io n o f   t he  ima g e  f o r  ciphering   Prio r   to   en cr y p tio n ,   it  is   n ec ess ar y   to   p r ep ar e   an y   in itial  im ag e  u s in g   th e   f o llo win g   s t ep s   as  th e   f o u n d atio n   f o r   th is   tech n iq u e.   T h e  s tep s   ar e  p lain   im ag e  v ec to r izatio n   an d   in itializatio n   co n s tan t  d esig n .   T h e   f o llo win g   ar e   th e  d etails o f   ea ch   s tep .     2 . 3 . 1 .   P la in im a g e  v ec t o riza t i o n   Af ter   ex tr ac tio n   o f   th e  th r ee   r ed ,   g r ee n ,   an d   ( R GB )   co lo r   ch an n els  an d   th eir   tr an s f o r m atio n   in to   s ize  v ec to r s   (  ) , (  ) , (  ) ,   ea ch   o f   d im e n s io n   ( 1 ,   n m ) ,   a  co n ca ten atio n   is   p er f o r m ed ,   lead in g   to   co n f u s io n   with   th e  v ec to r   ( V3 ) .   T h is   p r o ce s s   g en er ates th en   v ec to r   X ( x 1 , x 2 , . . . . . . . . , x 3 n m ) ,   as o u tlin ed   in   Alg o r ith m   9.     Alg o r ith m   9 .   T r an s itio n in g   to   v ec to r   ( X)   a.      = 2         b.       ( ; 1 ) = 0   ℎ    c.   ( 3 − 2 ) =  ( ) ⊕  ( ( 3 − 2 ) ; 4 )   d.   ( 3 − 1 ) =  ( ) ⊕  ( ( 3 − 1 ) ; 3 )   e.   ( 3 ) =  ( ) ⊕  ( ( 3 ) ; 1 )   f.      g.   ( 3 − 2 ) =  ( ) ⊕  ( ( 3 − 2 ) ; 1 )   h.   ( 3 − 1 ) =  ( ) ⊕  ( ( 3 − 1 ) ; 4 )   i.   ( 3 ) =  ( ) ⊕  ( ( 3 ) ; 3 )   j.       :          T h e  d ec is io n   v ec to r   ( C R )   g o v er n s   th is   tr a n s itio n   to   v ec to r   n o tatio n .   W h ile  t h e  h ig h   c o r r elatio n   b etwe en   p ix els is   s o m ewh at  less en ed   in   th is   s tag e,   th e  en cr y p tio n   is   s till   s tr o n g   en o u g h   t o   with s tan d   s tatis tica l   an d   b r u te  f o r ce   attac k s   as  d ep i cted   in   T ab le  1 .   T h is   is   d em o n s tr ated   b y   th e  f i g u r e  th at  f o ll o ws.  T o   d ef en d   o u r   s y s tem   f r o m   d if f er e n tial  ass a u lts ,   we  will  em p lo y   th e  en cr y p tio n   f u n ctio n s ,   th e  b r o ad ca s t  f u n ctio n s ,   an d   th e   two   S - B o x es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 6 7 5 - 6 6 8 8   6682   T ab le  1 .   First s tag e  o f   im ag e   c ip h er in g   p r o ce s s   I mag e   H i st o g r a ms   En t r o p y   P l a i n   C i p h e r   P l a i n   C i p h e r         4 . 5 6 8 7   7 . 9 9 9 6       2 . 3 . 2 .   I nitia liza t io n c o ns t a nt  des ig n   Usi n g   Alg o r ith m   1 0 ,   a  co n s ta n t  ( I V)   is   co m p u ted   f r o m   th e  p lain   im ag e  in   o r d e r   to   ch an g e  th e  v alu e  o f   th e  s ee d   p i x el  an d   s tar t th e  cip h er in g   p r o ce s s .   I t is n o tewo r th y   to   n o te  th at  th e  ca lc u lated   co n s tan t is clo s ely   r elate d   to   th e  v ec to r   ( B T   ( :2 ) )   an d   th e  u n p r o ce s s ed   im ag e.   A n y   s m all  ch an g e  to   th e  p lain   i m ag e  o r   an y   o f   th e   p r iv ate  k e y ’ s   p a r am eter s   will  p r o d u ce   a   u n iq u e  c o n s tan t  an d ,   in   t u r n ,   a  n ew  cip h er   p ictu r e.   T h is   d em o n s tr ates  h o w  s en s itiv ely   an d   e n tire ly   d ep en d en t t h e  en cr y p tio n   p r o ce d u r e  is   o n   t h e  in p u t v ar iab les.     Alg o r ith m   1 0 .   First in itializati o n   v alu e   ca lcu latio n   1.    = 0   2.      = 2      3    3.       ( ; 2 ) = 0   ℎ    4.    = ( ) ⨁  ⨁ XT ( i ; 3 )   5.    :   = ( ) ⨁  ⨁ XT ( i ; 5 )   6.          2 . 4 .     E ncry ptio n sy s t em   pro c ess   T h e  co m p u ted   co n s tan t  s er v es  s o lely   to   alter   th e   s ee d   p ix el’ s   v alu e  a n d   in itiate  th e   cip h er in g   p r o ce s s .   Fig u r e  5   d ep icts   th e  i m p r o v e d   en c r y p tio n   p r o ce d u r e  in v o lv in g   S - b o x es  an d   P - b o x es.  I n   ( 8 )   p r o v id es  th e  ad v an ce d   b r o ad ca s tin g   f u n ctio n   ( ( ) )   f o r   t h is   en cr y p tio n   s tag e,   wh ic h   is   b ased   o n   n ested   S - B o x es   ( W S1 )   an d   ( W S2 ) .     ( ( ) )   =  1 ( XT ( i ; 1 ) ,  2 ( XT ( i ; 2 ) ; ( ) ⨁ ( + 1 ) ) )   ( 8 )           Fig u r e  5 .   First s tag e  o f   im a g e  cip h er in g   p r o ce s s       T h is   o p er atio n   ca n   b e  g iv en   b y   Alg o r ith m   1 1 .   T h e  o b tain ed   v ec to r   ( Y)   th at  s ig n if ies  th e  en cr y p ted   im ag e  is   a  s et  o f   co o r d in ate s   co r r esp o n d in g   to   n u cle o tid es.  T h e  f ir s t - r o u n d   e n cr y p tio n   tim e  is   g iv en   i n     T ab le  1 .   T h is   o p er atio n   ca n   b e  g iv en   b y   Alg o r ith m   1 2 .   T h e  r esu ltin g   v ec to r   ( Y)   r e p r ese n tin g   th e  e n cr y p te d   im ag e  is   a  s et  o f   n u cleo tid e  co o r d in ates.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       E n h a n ce d   V ig e n ere  en cryp tio n   tech n iq u e  fo r   co lo r   ima g es a ctin g   a t th e  p ixel  leve l   ( A b d elh a kim  C h emla l )   6683   Alg o r ith m   1 1 .   First s tag e  o f   i m ag e  cip h er i n g   alg o r ith m           1.   ( 1 ) =  (  ( 1 ; 1 ) ⊕ ( 1 ) ) ⊕  (  )      = 2      3    //  Next Pixel Encryption   2.   ( ( ) )   =  (  ( ; 1 ) ⊕ ( − 1 ) ) ⨁ ( )   3.    ( ; 2 ) = 0   ℎ    4.   ( )   =  ( ( ( ) )   ) ⊕  ( ; 3 )   5.      6.   ( )   =  ( ( ( ) )   ) ⊕  ( ; 2 ) :         Alg o r ith m   1 2 .   First s tag e  o f   i m ag e  cip h er i n g   alg o r ith m           1.   ( 1 ) =  (  ( 1 ; 1 ) ⊕ ( 1 ) ) ⊕  (  )   2.      = 2      3    // Next Pixel Encryption   3.   ( ( ) )   =  (  ( ; 1 ) ⊕ ( − 1 ) ) ⨁ ( )   4.    ( ; 2 ) = 0   ℎ    5.   ( )   =  ( ( ( ) )   ) ⊕  ( ; 3 )   6.      7.   ( )   =  ( ( ( ) )   ) ⊕  ( ; 2 ) : n       2 . 5 .     Dec ry pti o n pro ce du re   I n   o u r   m eth o d ,   we  u s e  a  b r o ad ca s t  im p lem en tatio n   as  p ar t  o f   a  s y m m etr ic  en cr y p tio n   s y s tem .   C o n s eq u en tly ,   as  p ar t  o f   th e  d ec r y p tio n   p r o ce s s ,   d ec r y p tio n   f u n ctio n s   ar e  u s ed ,   s tar tin g   with   th e  last   b lo ck .   E v er y   o p er atio n   u s ed   in   o u r   m eth o d   is   r ev er s ib le,   wh ich   e n s u r es  th at  a   d ec r y p tio n   f u n ctio n   is   av ailab le.   T h e   v ar io u s   s tag es  in   th e  d ec r y p tio n   p r o ce d u r e  ar e  d escr ib ed :  i )   v ec to r izatio n   o f   th e  en c r y p t ed   im ag e;  ii)  in itial   r o u n d   o f   d ec r y p tio n   f o r   th e   r ec ip r o ca l  g en er atio n   o f   t h e  Vig en er e  m at r ix ;  a n d   iii)  r ec ip r o ca l  o f   Vig en er e   m atr ix   co n s tr u ctio n .       2 . 5 . 1 .   Vig ener e  m a t rix   re cip ro ca l   T h e  in v er s e  Vig e n er e  tr a n s f o r m atio n   n ee d s   to   b e   ap p lied   u s in g   Alg o r ith m   1 3 .   W e  ca n   d er iv e  th e   s u b s titu tio n   tr ad itio n al   f u n ct io n   r ec ip r o ca l  s h o wn   in   ( 9 ) ,   b y   ap p ly in g   th e   s am e  lo g ic  as  Vig en er e ’ s   co n v en tio n al  tech n iq u e.        =  ( , )   ℎ      =  ( , )   ( 9 )     Alg o r ith m   1 3 .   Vig en e r e  r ec ip r o ca l        = 1          256        = 1          256    ( ,  ( , ) ) =     ;      ( ( ,  ( , ) ) = ;        ,     2 . 5 . 2 .   Vig ener e’ s   re v er s e  f o r m ula   Alg o r ith m   1 4   o u tlin es  th e  Vig en er e   tr an s f o r m atio n ,   a  m eth o d   u s ed   t o   en co d e  p la in tex t  in to   cip h er tex t  u s in g   a  d esig n ate d   k ey .   C o n v er s ely ,   it  p r o v i d es  th e  m ea n s   to   r ev er s e  t h is   tr an s f o r m atio n ,   d ec r y p tin g   cip h er tex t  b ac k   in to   its   o r ig in al  p lain tex t  f o r m .   T h is   in v er s e  p r o ce s s   is   i n teg r al  f o r   s ec u r ely   r ec o v er in g   p lain tex t  f r o m   e n cr y p ted   d ata,   en s u r i n g   co n f id en tiality   an d   d ata   in teg r ity   in   cr y p to g r a p h ic   ap p licatio n s .   T h is   alg o r ith m   is   f u n d am e n tal  in   co m p r eh en d in g   th e  b id ir ec tio n al  n at u r e  o f   t h e  Vig en er e  cip h er ,   f ac ilit atin g   b o th   e n cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   o p er atio n s   ef f ec tiv ely .     Alg o r ith m   1 4 .   Vig en e r e  r ec ip r o ca l    ( ( ) ) = ( )       ( ; 2 ) = 0   ℎ  :     ( ) =  2 (  ( ; 3 ) ,  1 (  ( ; 2 ) , ( ) ⊕  ( ; 1 ) ) )   ⊕  ( ; 4 ) :    :    ( ) =  1 (  ( ; 1 ) ,  2 (  ( ; 3 ) , ( ) ⊕  ( ; 2 ) ) )   ⊕  ( ; 5 ) :           2 . 5 . 3 .   Rev er s e  diff us io n   T h e  eq u atio n   ( 1 0 )   s p ec if ies  t h e  in v er s e   o f   th e  d if f u s io n   f u n ctio n   u s ed   in   o u r   s ch em e,   wh i ch   p lay s   a  ce n tr al  r o le  in   s p r ea d in g   th e  i n p u t  d ata  t o   en h a n ce   s ec u r ity .   T h is   f u n ctio n   en s u r es  th at  ch an g es  in   an y   p ar t  o f   th e  in p u t  a r e  p r o p a g ated   th r o u g h o u t  t h e  o u t p u t,  wh ic h   is   cr u cial  f o r   m ain tain in g   r o b u s tn ess   ag ain s t   cr y p to g r ap h ic  attac k s .   Un d er s tan d in g   an d   im p lem en tin g   ( 1 0 )   is   ess en tial  f o r   ef f icien tl y   r ec o n s tr u ctin g   th e  o r ig in al  d ata  f r o m   its   d if f u s e d   f o r m ,   th er e b y   co m p letin g   th e  en cr y p tio n - d ec r y p tio n   cy cle  with   ac cu r ac y .   I n teg r atin g   th e  in v er s e  o f   t h e  d if f u s io n   f u n ctio n   is   ess en tial  f o r   ac h iev in g   r eliab le   d ata  r ec o v er y   an d   m ain tain in g   th e  i n teg r ity   o f   s e n s itiv e  in f o r m atio n   in   o u r   cr y p to g r ap h ic  f r am ewo r k .     − 1 ( ′ ( ) ) =  (  ( ) ,  (  ( ) , ′ ( ) ) ⨁ ( − 1 )   ( 1 0 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 6 7 5 - 6 6 8 8   6684   3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   I n   th is   s ec tio n ,   a  s ig n if ican t  n u m b er   o f   r an d o m ly   s elec ted   i m ag es  f r o m   a  lar g e  d atab ase  will  b e  th e   s u b ject  o f   an   ev alu atio n   o f   o u r   in n o v ativ e  al g o r ith m .   W e  will  co m p ar e  th e  p er f o r m a n ce   r e s u lts   o b tain ed   with   th o s e  o f   alter n ativ e  alg o r ith m s   to   h ig h lig h t  th e  e f f ec tiv en ess   an d   s u p er io r ity   o f   o u r   ap p r o ac h .   T h is   ev alu atio n   aim s   to   d em o n s tr ate  th e  e f f e ctiv en ess   o f   th e  alg o r ith m   in   h an d lin g   d iv er s e  im a g e  d at a  an d   to   s h o w  its   co m p etitiv e  ad v a n tag e  o v er   e x is tin g   m eth o d s .     3 . 1 .     K ey - s pa ce   a na ly s is   I n   cr y p tan aly s is ,   a  b r u te  f o r ce   attac k   in v o l v es  s y s tem atica ll y   test in g   ev er y   p o s s ib le  co m b in atio n   in   o r d er   to   u n co v er   th e   en cr y p tio n   k ey .   T h e  f ea s ib ilit y   o f   s u ch   attac k s   d ec r ea s es  s ig n i f ican tly   f o r   lar g er   en cr y p tio n   k e y s ,   as  th e   s h ee r   n u m b er   o f   p o s s ib le  co m b in ati o n s   m ak es  e x h au s tiv e  test in g   im p r ac tical.   I n   o u r   alg o r ith m ,   th e  s ec r et  k ey   is   d esig n ed   to   b e  lar g er   th a n   2 128 ,   en s u r in g   r o b u s t  r esis tan ce   to   b r u te  f o r ce   attac k s ,   as  n o ted   in   r ef er e n ce s   [ 2 9 ] .   I n   th is   cr y p to g r a p h ic  a p p r o ac h ,   a  s ec r et  k ey   is   g e n er ated   f r o m   th e   co m b in ed   p ar am eter s   o f   th r ee   wid ely   u s ed   ch ao tic  m a p s ,   with   a  t o tal  o f   s ix   p ar am eter s   en c o d ed   in   3 2   b its   ea ch ,   r esu ltin g   in   a  r o b u s t k e y   s ize  o f   ( 2 6 ∗ 32 ) = ( 2 1 92 ) ≫ ( 2 100 ) .     3 . 2 .     Ana ly s is   o f   t he  s ens it iv it y   o f   a   s ec re t   k ey   W ith in   o u r   ap p r o ac h ,   ea ch   ch ao tic  m ap   ex h ib its   a  h ig h   s en s itiv ity   to   in itial  co n d itio n s ,   en s u r in g   th at  ev en   s m all  ch an g es  in   p ar am eter s   d u r in g   k ey   r e g en er atio n   r esu lt  in   co m p letely   d if f er en t  k ey s   an d   d iv er g e n t   ch ao tic  v ec to r s .   T h is   s en s itiv ity   p lay s   a  c r u cial  r o le  in   o u r   n o v el  tech n o lo g y ,   w h ich   is   v i s u ally   illu s tr ated   in   Fig u r e  6 ,   wh ich   s h o ws  th e   d is tin ct  an d   d if f e r en t r esu lts   p r o d u ce d   b y   d if f er e n t  in itial  co n d it io n s   an d   p ar a m eter   p er tu r b atio n s   with in   th e   ch ao tic  m ap s .   T h is   f ea t u r e  u n d er s co r es  th e  r o b u s tn ess   an d   u n p r ed ictab ilit y   o f   o u r   cr y p to g r ap h ic  ap p r o ac h ,   en h a n cin g   s ec u r ity   b y   g en er atin g   u n iq u e  k e y s   th at  ar e  r esis ta n t  to   r ep licatio n   o r   p r ed ictio n .   W e  o b s er v e  t h at  a  d is tu r b an ce   o f   a  s in g le  v ar iab le  o f   th e  o r d er   o f   ( 1 0 - 7 )   i s   n o t  s u f f icien t  to   p r ec is ely   r ec o n s tr u ct  th e   p lain tex t im ag e.           Fig u r e  6 .   Sen s itiv ity   o f   cip h er i n g   k ey       3 . 3 .     St a t is t ica l a t t a ck  s ec urit y   T o   v alid ate   th e  r esil ien ce   o f   o u r   n o v el   en cr y p tio n   tech n iq u e  f o r   m e d ical  an d   co lo r   im a g es  ag ain s t   s tatis t ical  attac k s ,   ex ten s iv e  te s tin g   h as  b ee n   co n d u cted ,   f o c u s in g   o n   s ev er al  n o tab le  ex p e r im en ts .   T h ese  test s   wer e  d esig n ed   to   ass ess   th e  alg o r ith m ’ s   ab ilit y   to   with s tan d   v ar io u s   s tatis tical  an aly s es  co m m o n l y   u s ed   in   cr y p tan aly s is   an d   im ag e  p r o c ess in g .   T h e  r esu lts   h ig h lig h t  k ey   f in d in g s   th at  d em o n s tr ate   th e  ef f ec tiv en ess   o f   o u r   en c r y p tio n   m eth o d   in   m ain tain in g   im ag e   s ec u r ity   an d   in teg r ity   u n d er   r ig o r o u s   ex am in atio n .     3 . 3 . 1 .   Ana ly s is   o f   his t o g ra m s   T h e  f lo wc h ar t  illu s tr ates  th e  f r eq u e n cy   d is tr ib u tio n   o f   p ix els  s h ar in g   id e n tical  g r e y   lev els,  wh er e   ea ch   v er tical  b a r   alo n g   th e   x - ax is   r ep r esen ts   o cc u r r en ce s   r a n g in g   f r o m   ze r o   to   2 5 5   le v els  with in   th e  im ag e .   Fro m   a  cr y p to g r ap h ic  s tan d p o in t,  an aly zin g   th e  co lo r   d is tr ib u tio n   in   en cr y p ted   im ag es  is   cr itical   as  i t  ca n   u n v eil  in s ig h ts   in to   th e  o r ig in al  co n ten t.  C o n v er s ely ,   a  u n if o r m ly   d is tr ib u ted   h is to g r a m   i n   en cr y p ted   im a g es  s u g g ests   a  r o b u s t  en cr y p tio n   p r o ce s s   th at  o b s cu r es  an y   id e n tifia b le  p atter n s   f r o m   th e  o r ig in al  d ata.   T ab le  2   d is p lay s   th e  s im u latio n   o u tc o m es  o f   o u r   s y s tem ,   p r o v id i n g   em p ir ical  ev i d en ce   o f   its   p er f o r m an ce   an d   ef f ec tiv en ess   in   p r o tectin g   i m ag e  in teg r ity   an d   co n f id en t iality .   T h is   s tu d y   d em o n s tr at es  th at  o u r   m eth o d   co n s is ten tly   g en er ates  en cr y p ted   im ag es  with   s m o o th ed   h is to g r am s   ac r o s s   v ar io u s   test   s ce n ar io s .   T h e  u n if o r m ity   o b s er v ed   in   t h ese  h is to g r am s   p r o v id es  s tr o n g   d e f en s e  ag ain s t  p o ten tial  attac k s   th at  aim   to   ex p lo it  h is to g r am   ch ar ac te r is tics   f o r   d ec r y p tio n   o r   a n aly s is   p u r p o s es .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.