SCD-CHAOS: صندوق S ديناميكي وتشويش هجيني فوضوي لتشفير الصور باستخدام انتشار متعدد الخرائط

لماذا يهم إخفاء الصور على الأجهزة الصغيرة

الكاميرات الذكية، وأجراس الأبواب، وأجهزة الاستشعار الطبية وغيرها من الأدوات الصغيرة ترسل المزيد من الصور عبر الإنترنت. إذا سافرت هذه الصور مكشوفة، يمكن للتنصت أن يتجسس على منازل الناس أو صحتهم أو عاداتهم. يمكن للتشفير القوي أن يخفي هذه المعلومات، لكن العديد من الأساليب الكلاسيكية تكون ثقيلة جدًا على المعالجات منخفضة الطاقة. تقدم هذه الدراسة طريقة جديدة لتشويش الصور بحيث تبدو كضوضاء عشوائية، مع الحفاظ على سرعة كافية للتشغيل على العتاد المتواضع المستخدم في أجهزة إنترنت الأشياء.

لمسة جديدة على القفل والمفتاح الرقميين

يعرّف المؤلفون SCD-CHAOS، طريقة لحماية الصور مصممة خصيصًا للأجهزة ذات الموارد المحدودة. بدلاً من الاعتماد على الحسابات التقليدية المستخدمة في شفرات المستوى المصرفي، تستفيد الطريقة من أنماط فوضوية — أنظمة تتصرف بشكل غير متوقع رغم اتباعها قواعد بسيطة. يجمع النظام بین نمطين فوضويين، يُعرفان بخريطة التنت وخريطة هينون، لتوليد رمز سري متغير باستمرار. تُقاس كل صورة أولاً لتصبح بمقاس معياري 64×64 بكسل لأغراض القياس، ثم يُقسم كل طبقة لونية ويعاد ترتيبها بناءً على هذا الرمز بحيث يصبح البكسل المجاور في الصورة الأصلية بعيدًا في النسخة المشوشة.

كيف تُفكّك الصور وتُخلط

داخل SCD-CHAOS، تُحوّل أجزاء الأحمر والأخضر والأزرق من الصورة إلى سلاسل طويلة من الأرقام. تتحكم خريطة التنت في كيفية خلط مواضعها، مما يكسر الأشكال والحواف السهلة التمييز. في الوقت نفسه، تحرك خريطة هينون كيفية تغيير سطوع كل بكسل. تُدمج دفقات الفوضى الاثنين لتكوّن مفتاحًا هجينيًا يختلف لكل بكسل. ثم يُستخدم هذا المفتاح في عملية بسيطة على شكل تشغيل/إيقاف، شبيهة بقلب البتات، وهي عملية رخيصة الأداء على المعالجات الصغيرة لكنها صعبة للغاية في عكسها دون نفس المفتاح تمامًا.

جدول استبدال متغير الشكل

تستخدم العديد من الشفرات جدول بحث ثابت لاستبدال كل قيمة بكسل محتملة بأخرى. يمكن للمهاجمين في بعض الأحيان استغلال أنماط في تلك الجداول. يتجنب SCD-CHAOS ذلك عن طريق بناء جدول جديد، يُعرف باسم S-box، في كل مرة يُشفر فيها صورة. تحدد حالة الخرائط الفوضوية الحالية كيفية ترتيب الجدول، لذلك حتى لو كانت صورتان وكلمات المرور متماثلتين، فستختلف مخرجاتهما المشوشة. هذه التطورات المستمرة تُسوّي إحصائيات الصورة المشفّرة، مطبّعةً توزيعات السطوع بحيث تشبه الضوضاء النقية وتكشف القليل جدًا عن المحتوى الأصلي.

اختبار النظام

اختبر الفريق مدى إخفاء النظام للهيكل بقياس مقدار اختلاف البكسلات المشفّرة عن الأصل وعن بعضها البعض. أفادوا أن تقريبا كل بكسل يتغير عند تعديل المفتاح قليلًا، وأن فروق السطوع بين أزواج الصور المشفّرة تقع حول المستويات المتوقعة لشيفرة قوية. تقترب مقاييس العشوائية من قيمها المثالية، والتشابه بين الصور الأصلية والمشوشة يكاد يكون صفراً، بينما تتطابق الصور الأصلية والمفكّكة تقريبًا بشكل كامل. رغم أن الطريقة مدمرة للغاية لهيكل الصورة، فإنها تظل قابلة للعكس تمامًا عند استخدام المفتاح الصحيح.

مصمّم للعالم الواقعي للأجهزة الصغيرة

بعيدًا عن النظرية، نفذ المؤلفون SCD-CHAOS على لوحات منخفضة التكلفة شائعة مثل ESP32 وميكروكنترولر ARM Cortex-M4. لصيغ الصور المتواضعة، تستغرق عملية التشفير وفك التشفير أجزاء من الثانية وتستهلك ذاكرة وطاقة قليلة، وهو أمر حاسم لأجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية. نطاق المفاتيح الممكن ضخم للغاية، يفوق ما يمكن استكشافه بالقوة الغاشمة. ببساطة، تُظهر الدراسة أنه من الممكن تحويل الصور اليومية إلى ضوضاء لا يمكن فكها إلا بواسطة المتلقي المقصود، مع الالتزام بقيود السرعة والطاقة الصارمة للأجهزة المتصلة من الجيل القادم.

الاستشهاد: Yogi, B., Majumdar, R., Ghosh, P. et al. SCD-CHAOS: dynamic S-box and chaotic hybrid adaptive image encryption using multi-map diffusion. Sci Rep 16, 15818 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43981-z

الكلمات المفتاحية: تشفير الصور, أمن إنترنت الأشياء, الخرائط الفوضوية, تشفير خفيف الوزن, خصوصية البيانات