SCD-CHAOS: динамическая S‑блок и хаотическое гибридное адаптивное шифрование изображений с многокартной диффузией

Почему важно скрывать изображения на крошечных устройствах

Умные камеры, дверные звонки, медицинские датчики и другие небольшие гаджеты всё чаще отправляют изображения через интернет. Если эти кадры идут «в открытую», подслушивающие злоумышленники могут шпионить за домом, состоянием здоровья или повседневными привычками людей. Надёжное шифрование может скрыть такую информацию, но многие традиционные методы слишком тяжёлы для маломощных микросхем. В этом исследовании предложен новый способ перемешивания изображений так, чтобы они выглядели как случайный шум, при этом алгоритм остаётся быстрым и рассчитанным на умеренное аппаратное обеспечение, используемое в устройствах Интернета вещей.

Новый поворот в цифровом замке и ключе

Авторы представляют SCD‑CHAOS — метод защиты изображений, специально разработанный для устройств с ограниченными ресурсами. Вместо опоры на традиционную математику банковских шифров он использует хаотические закономерности — системы, поведение которых непредсказуемо, хотя они следуют простым правилам. Два таких отображения, называемые Tent и Henon, комбинируются для генерации постоянно меняющегося секретного кода. Для тестирования каждое изображение сначала приводят к стандартному размеру 64 на 64 пикселя, затем каждый цветовой канал разделяется и переставляется на основе этого кода так, что соседние пиксели исходной фотографии оказываются далеко друг от друга в зашифрованной версии.

Как изображения разбирают и перемешивают

Внутри SCD‑CHAOS красный, зелёный и синий каналы изображения преобразуются в длинные последовательности чисел. Отображение Tent управляет тем, как меняются их позиции, разрушая узнаваемые формы и контуры. Одновременно отображение Henon задаёт, как изменяется яркость каждого пикселя. Два хаотических потока объединяются в гибридный ключ, различающийся для каждого пикселя. Этот ключ затем применяется в простой операции типа вкл/выкл, похожей на инверсию битов, которая дешёва в исполнении на крошечных процессорах, но очень сложна для восстановления без точно такого же ключа.

Таблица подстановки, меняющаяся как форма

Многие шифры используют фиксированную таблицу соответствий для замены каждого возможного значения пикселя на другое. Злоумышленники иногда могут воспользоваться закономерностями в таких таблицах. SCD‑CHAOS избегает этого, создавая новую таблицу — известную как S‑блок — при каждом шифровании изображения. Текущее состояние хаотических отображений определяет, как расположена таблица, поэтому даже если два изображения и пароли одинаковы, их зашифрованные выходы будут отличаться. Это постоянное изменение выравнивает статистику зашифрованного изображения, сглаживая гистограмму яркости так, что она близка к чистому шуму и почти ничего не выдаёт об исходном содержимом.

Испытание системы

Команда проверила, насколько хорошо их схема скрывает структуру, измеряя, насколько зашифрованные пиксели отличаются от исходных и друг от друга. Они сообщают, что почти каждый пиксель меняется при небольшом изменении ключа, а различия в яркости между парами зашифрованных изображений находятся на уровнях, ожидаемых для сильного шифра. Метрики случайности приближаются к идеальным значениям, сходство между оригиналом и зашифрованным изображением почти нулевое, в то время как совпадение между оригиналом и расшифрованным изображением практически идеально. Несмотря на сильную деструкцию, метод остаётся полностью обратимым при использовании правильного ключа.

Создано для реального мира малых устройств

Помимо теории, авторы реализовали SCD‑CHAOS на популярных бюджетных платах, таких как ESP32 и микроконтроллер ARM Cortex‑M4. Для умеренных размеров изображений шифрование и расшифровка занимают лишь доли секунды и требуют мало памяти и энергии — что критично для сенсоров на батарейном питании. Общее пространство возможных ключей чрезвычайно велико и недоступно для грубой силы. Проще говоря, исследование показывает, что можно превращать повседневные изображения в шум, который способен вернуть только предполагаемый получатель, оставаясь при этом в рамках жёстких ограничений по скорости и энергопотреблению современных подключённых устройств.

Цитирование: 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

Ключевые слова: шифрование изображений, безопасность IoT, хаотические отображения, лёгкая криптография, конфиденциальность данных