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Real time hybrid medical image encryption algorithm combining memristor-based chaos with DNA coding

加密 混沌(操作系统) 记忆电阻器 计算机科学 编码(社会科学) 算法 图像(数学) 理论计算机科学 人工智能 数学 电子工程 计算机网络 工程类 计算机安全 统计
作者
Ahmet Şamil Demirkol,Muhammet Emin Şahin,Barış Karakaya,Hasan Ulutaş,Alon Ascoli,Ronald Tetzlaff
出处
期刊:Chaos Solitons & Fractals [Elsevier BV]
卷期号:183: 114923-114923 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.chaos.2024.114923
摘要

Image encryption is a commonly used method to secure medical data on a public network, playing a crucial role in the healthcare industry. Because of their complex dynamics, memristors are often used in developing novel chaotic systems that can improve the efficiency of encryption algorithms based on chaos. In this work, we propose a novel locally active memristor-based chaotic circuit model and present a real time hybrid image encryption application developed on a PYNQ-Z1 (Python Productivity for Zynq) low-cost FPGA board using Jupiter programming environment. The proposed hybrid algorithm combines memristor-based chaos with a DNA (deoxyribonucleic acid) encryption algorithm exploiting diffusion-confusion technique. We initially present a new compact and inductorless chaotic circuit, derive the model equations, and then verify its chaotic dynamics numerically through the investigation of the phase portraits, Lyapunov exponents and the bifurcation diagrams. We further implement the chaotic circuit experimentally with discrete elements. The randomness of the chaotic sequence is improved using Trivium and von Neumann post-processor algorithms and assessed through the NIST tests. Finally, the performance of the encryption algorithm is evaluated through various metrics, including histogram and correlation analyses, differential attack, information entropy, as well as data-loss and noise attack, demonstrating its security and suitability for real-time encryption systems.

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