KR102095364B1

KR102095364B1 - 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102095364B1
Application number: KR1020180159862A
Authority: KR
Inventors: 이은규
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-04-01

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법은, (A) 키 큐브 생성부가, 사용자로부터 키 값을 입력받아 회전 방식을 결정하는 키 큐브를 생성하는 단계; (B) 1차 큐브 암호화부가, 원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 루빅스 큐브를 회전하여 원본 이미지를 1차 큐브 암호화하는 단계; (C) 2차 큐브 암호화부가, 상기 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 픽셀 단위로 복수의 루빅스 큐브의 작은 면에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 각각의 루빅스 큐브를 회전하여 상기 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화하는 단계; (D) XOR 큐브 생성부가, 상기 키 큐브의 작은 면에 있는 두 개의 값을 XOR 연산하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 회전하여 XOR 큐브를 생성하는 단계; 및 (E) XOR 큐브 암호화부가, 상기 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하는 단계를 포함한다.

Description

루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR IMAGE DATA ENCRYPTION USING RUBIK'S CUBE PRINCIPLE}

본 발명은 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에 관한 것이다.

한국수력원자력의 원전설계도면 등의 정보유출 사고로 이미지 파일에 대한 암호화 필요성이 증가하고 있다. 특히, 금융권에서는 ‘금융분야 개인 정보 유출 재발방지 종합대책’을 발표하여 주민등록증 사본과 같은 이미지 파일에 대한 보안 조치 강화를 요구하고 있다. 주민등록번호 과도 노출 관행 개선을 위해서 수집한 주민등록번호에 대해서, 외부망은 물론 내부망에서도 암호화하여 보관해야 하며, 이는 이미지 파일과 같은 사본에도 이를 엄격히 적용해야 한다.

이미지 데이터는 일반적인 텍스트 데이터와 다른 특징을 가지기 때문에, 기존에 사용되었던 암호화 알고리즘과는 다른 기술이 사용되어야 한다. 이미지 데이더는 기존의 텍스트 데이터와 비교하여 직관적으로 가독이 가능한 정보를 갖는다. 또한, 데이터 사이즈가 더 크기 때문에 암호화 및 복호화 과정에서 많은 계산 처리가 필요하며 이로 인해 계산량이 증가하고 처리 시간이 길어진다.

이미지 데이터가 갖는 중요한 특징은 이미지 데이터 내에서 가로, 세로 그리고 대각선의 인접한 픽셀 정보들이 강한 연관성과 상관성을 가지기 때문에 선택적 평문 공격에 취약성을 갖는다. ECB(Electronic Code Book) 모드를 사용하는 대부분의 암호 알고리즘이 이러한 문제를 가지고 있어 평문 이미지 추측이 가능하다.

따라서 이미지의 직관성과 인접 픽셀 간의 강한 연관성으로 인한 선택적 평문 공격에 대해 강성을 갖는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에 대한 요구가 존재한다.

KR

10-0880243

B1

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이미지의 직관성과 인접 픽셀 간의 강한 연관성으로 인한 선택적 평문 공격에 대해 강성을 갖는 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이미지의 직관성과 인접 픽셀 간의 강한 연관성으로 인한 선택적 평문 공격에 대해 강성을 갖는 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법은,

(A) 키 큐브 생성부가, 사용자로부터 키 값을 입력받아 회전 방식을 결정하는 키 큐브를 생성하는 단계;

(B) 1차 큐브 암호화부가, 원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 루빅스 큐브를 회전하여 원본 이미지를 1차 큐브 암호화하는 단계;

(C) 2차 큐브 암호화부가, 상기 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 픽셀 단위로 복수의 루빅스 큐브의 작은 면에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 각각의 루빅스 큐브를 회전하여 상기 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화하는 단계;

(D) XOR 큐브 생성부가, 상기 키 큐브의 작은 면에 있는 두 개의 값을 XOR 연산하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 회전하여 XOR 큐브를 생성하는 단계; 및

(E) XOR 큐브 암호화부가, 상기 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법에 있어서, 상기 단계 (A)는,

상기 키 큐브 생성부가, 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력하고, 상기 키 값이 상기 루빅스 큐브의 작은 면들을 다 채우지 못하는 경우, 같은 키 값을 반복적으로 상기 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하여 상기 키 큐브를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법에 있어서, 상기 단계 (A)에서 상기 키 큐브 생성부가 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력할 때, 상기 루빅스 큐브의 직사각형 전개도를 기준으로 좌측 상단에서 우측 하단까지, 좌측에서 우측으로 그리고 상단에서 하단 방향으로 사용자로부터의 키 값을 상기 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 입력할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법에 있어서, 상기 회전 방식은, 상기 키 큐브의 6개의 면들 중 하나의 면의 소정 수의 작은 면들 각각에 있는 두 개의 값에 의해 지정되는 소정의 회전 테이블 내의 회전 값에 따라 결정되고,

상기 작은 면 내의 두 개의 값 중 첫 번째 값은 상기 회전 테이블에서 행을 나타내며, 두 번째 값은 상기 회전 테이블에서 열을 나타내고,

상기 회전 테이블에는 해당하는 작은 면을 x축, y축 및 z축 중 하나 이상의 축으로 회전하기 위한 임의의 회전 값들이 사전에 저장되어 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법에 있어서, 상기 단계 (E)는, 상기 XOR 큐브 암호화부가, 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 회전된 각각의 루빅스 큐브의 작은 면들 각각의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 대응하는 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치는,

사용자로부터 키 값을 입력받아 회전 방식을 결정하는 키 큐브를 생성하기 위한 키 큐브 생성부;

원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 루빅스 큐브를 회전하여 원본 이미지를 1차 큐브 암호화하기 위한 1차 큐브 암호화부;

상기 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 픽셀 단위로 복수의 루빅스 큐브의 작은 면에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 각각의 루빅스 큐브를 회전하여 상기 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화하기 위한 2차 큐브 암호화부;

상기 키 큐브의 작은 면에 있는 두 개의 값을 XOR 연산하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 회전하여 XOR 큐브를 생성하기 위한 XOR 큐브 생성부; 및

상기 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하기 위한 XOR 큐브 암호화부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치에 있어서, 상기 키 큐브 생성부는, 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력하고, 상기 키 값이 상기 루빅스 큐브의 작은 면들을 다 채우지 못하는 경우, 같은 키 값을 반복적으로 상기 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하여 상기 키 큐브를 생성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치에 있어서, 상기 키 큐브 생성부가 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력할 때, 상기 루빅스 큐브의 직사각형 전개도를 기준으로 좌측 상단에서 우측 하단까지, 좌측에서 우측으로 그리고 상단에서 하단 방향으로 사용자로부터의 키 값을 상기 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 입력할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치에 있어서, 상기 회전 방식은, 상기 키 큐브의 6개의 면들 중 하나의 면의 소정 수의 작은 면들 각각에 있는 두 개의 값에 의해 지정되는 소정의 회전 테이블 내의 회전 값에 따라 결정되고,

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치에 있어서, 상기 XOR 큐브 생성부는, 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 회전된 각각의 루빅스 큐브의 작은 면들 각각의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 대응하는 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에 의하면, 이미지의 직관성과 인접 픽셀 간의 강한 연관성으로 인한 선택적 평문 공격에 대해 강성을 갖도록 이미지 데이터를 암호화할 수 있다.

도 1은 예시적인 루빅스 큐브를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에서 사용되는 5×5×5 루빅스 큐브를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에서 사용되는 원본 이미지를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법의 흐름도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치의 블록도.
도 6은 5×5×5 루빅스 큐브의 전개도를 도시한 도면.
도 7은 예시적인 키(Key) 큐브의 전개도를 도시한 도면.
도 8은 예시적인 회전 테이블을 도시한 도면.
도 9는 원본 이미지가 1차 큐브 암호화된 이미지를 도시한 도면.
도 10은 1차 큐브 암호화된 이미지가 2차 큐브 암호화된 이미지를 도시한 도면.
도 11은 2차 큐브 암호화된 이미지가 XOR 큐브 암호화된 이미지를 도시한 도면.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에서는 이미지의 직관성과 인접 픽셀 간의 강한 연관성으로 인한 선택적 평문 공격에 대해 강성을 갖는 이미지 암복호화 기법을 제안한다. 기존의 암호화 알고리즘 대신에 루빅스 큐브를 활용한 이미지 암호화 기법을 제안하고 선택적 평문 공격에 대해 강성을 갖게 하고자 한다. 표준 암호 알고리즘으로서 사용되고 강성이 검증된 DES, AES와 비교하여 제안 알고리즘의 암호화 강성을 비교 검증한다.

루빅스 큐브

루빅스 큐브(Rubik's Cube)는 퍼즐의 일종으로, 보통 작은 여러 개의 정육면체가 모여 만들어진 하나의 큰 정육면체 형태이며, 각 방향으로 돌아가게끔 만들어져서 흩어진 각 면의 색깔을 같은 색깔로 맞추는 퍼즐이다.

루빅스 큐브의 이름은 처음에는 ‘마술 큐브(Magic Cube)' 라는 이름으로 발명되었고, 1980년 루빅스 큐브라는 이름으로 처음 시판되었다. 큐브 퍼즐은 1974년 헝가리의 수도 부다페스트에서 당시 부다페스트 대학교 응용미술대학 디자인 학과 교수이던 에르노 루빅(Erno Rubik) 교수에 의해 발명되었다.

이 큐브를 한 번 흐트려 놓으면 특별한 공식을 알기 전에는 인간의 감각으로는 다시 맞추기는 매우 어렵다. 그리고 이 간단해 보이는 큐브는 실제로 만들 수 있는 모양이 무려 43252003274489856000가지나 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 가장 일반적인 3×3×3 형태의 큐브부터 피라미드 모양의 피라밍크스 등으로 다양하게 진화하고 있다. 큐브의 종류도 현재 3×3×3의 형태가 아닌 5×5×5 형태의 복잡한 큐브까지 나오고 있다.

5×5×5 루빅스 큐브

본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에서는 도 2에 도시된 5×5×5 루빅스 큐브를 사용한다. 5×5×5 루빅스 큐브는 6개의 면을 가지며 각 면은 25개의 작은 면으로 이루어져 있다. 회전 방식은 5×5×5 루빅스 큐브를 x, y, z축으로 나누어 봤을 때, x축으로 회전하는 Xl, X2, X3, X4, X5, y축으로 회전하는 Yl, Y2, Y3, Y4, Y5, z축으로 회전하는 Zl, Z2, Z3, Z4, Z5로 총 15가지가 있다. 5×5×5 루빅스 큐브의 예시적인 전개도는 도 6과 같다.

본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법의 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치의 블록도이다.

도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치는, 사용자로부터 키 값을 입력받아 회전 방식을 결정하는 키 큐브를 생성하기 위한 키 큐브 생성부(500), 원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 루빅스 큐브를 회전하여 원본 이미지를 1차 큐브 암호화하기 위한 1차 큐브 암호화부(502), 상기 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 픽셀 단위로 복수의 루빅스 큐브의 작은 면에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 각각의 루빅스 큐브를 회전하여 상기 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화하기 위한 2차 큐브 암호화부(504), 상기 키 큐브의 작은 면에 있는 두 개의 값을 XOR 연산하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 회전하여 XOR 큐브를 생성하기 위한 XOR 큐브 생성부(506), 및 상기 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하기 위한 XOR 큐브 암호화부(508)를 포함한다.

도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법의 흐름도 및 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치의 블록도를 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 설명하기로 한다.

단계 S400에서, 키 큐브 생성부(500)는, 사용자로부터 키 값을 입력받아 회전 방식을 결정하기 위한 키 큐브를 생성한다.

단계 S402에서, 1차 큐브 암호화부(502)는, 원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 루빅스 큐브를 회전하여 원본 이미지를 1차 큐브 암호화한다.

단계 S404에서. 2차 큐브 암호화부(504)는, 상기 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 픽셀 단위로 복수의 루빅스 큐브의 작은 면에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 각각의 루빅스 큐브를 회전하여 상기 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화한다.

단계 S406에서, XOR 큐브 생성부)406)는, 상기 키 큐브의 작은 면에 있는 두 개의 값을 XOR 연산하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 회전하여 XOR 큐브를 생성한다.

단계 S408에서, XOR 큐브 암호화부(508)는, 상기 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하여, 최종적으로 암호화된 이미지를 출력한다.

한편, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법은, 도 5에 도시된 장치뿐만 아니라, 메모리(미도시) 및 프로세서(미도시)를 포함하는 장치에 의해서도 수행될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법 및 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.

키(Key) 큐브 생성

단계 S400은, 사용자가 키 값을 입력하였을 때 수행하는 키 큐브를 생성하는 단계이다. 키(Key) 큐브는 사용자로부터 키 값을 입력받아 생성된다.

키 큐브는 회전 방식을 결정하는데 사용되며 추후 XOR 큐브를 생성할 때도 사용된다. 사용자가 키 값을 입력하면 루빅스 큐브의 한 개의 작은 면에 두 개씩 값이 입력된다. 키 값이 루빅스 큐브의 150개의 작은 면을 채우지 못하면 같은 키 값이 반복적으로 작은 면에 입력된다.

사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력할 때, 루빅스 큐브의 직사각형 전개도를 기준으로 좌측 상단에서 우측 하단까지, 좌측에서 우측으로 그리고 상단에서 하단 방향으로 사용자로부터의 키 값을 상기 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 입력한다.

도 7은 사용자가 입력한 키 값을 EAlOLaz94oK8J3im7Bh9IX3je로 가정하였을 때의 키 큐브의 전개도를 도시한 것이다.

회전 방식은, 상기 키 큐브의 A면 내지 F면의 6개의 면들 중 하나의 면의 25개의 작은 면들 각각에 있는 두 개의 값에 의해 지정되는 도 8에 도시된 소정의 회전 테이블 내의 회전 값(800)에 따라 결정된다.

상기 작은 면 내의 두 개의 값 중 첫 번째 값은 상기 회전 테이블에서 행을 나타내고, 두 번째 값은 상기 회전 테이블에서 열을 나타내며, 상기 회전 테이블에는 해당하는 작은 면을 x축, y축 및 z축 중 하나 이상의 축으로 회전하기 위한 임의의 회전 값들이 사전에 저장되어 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 회전 방식은, 키 큐브(700)의 6개의 면들 중 A면(702)의 25개의 작은 면들 각각에 있는 두 개의 값에 의해 지정된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, B면 내지 F면 중 어느 하나의 면에 기반하여 회전 방식이 결정될 수도 있다.

예를 들어, 도 7에서, A면(702)의 첫 번째 작은 면(704)에 있는 값은 EA이다. 이때, 도 8의 예시적인 회전 테이블에서, E행 A열에 해당하는 Y2, Xl, Z4의 회전 값(800)에 따라 회전 방식이 결정되어 추후 결정된 회전 방식에 따라 루빅스 큐브가 회전하게 된다. 작은 면은 큐브를 세 번 회전하게 하는데 A면(702)은 작은 면이 25개이므로 총 75번 회전한다.

1차 큐브 암호화

단계 S402는, 1차 큐브 암호화 단계로서, 원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 5×5×5 루빅스 큐브에 넣어 섞어주는 단계이다. 1차 큐브 암호화는 이미지를 전체적으로 섞어주는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 1차 큐브 암호화에서는 하나의 이미지가 150개로 나누어진다. 나누는 방식은 이미지의 좌측 상단을 시작으로 차례대로 나누어진다. 이렇게 나누어진 이미지는 루빅스 큐브의 작은 면에 각각 하나씩 입력되어 하나의 루빅스 큐브가 만들어진다.

예를 들어, 이미지의 크기가 400×300 픽셀인 이미지가 있으면 총 픽셀 수는 120000개이다. 120000개의 픽셀들이 하나의 루빅스 큐브에 입력되기 위해 800개의 픽셀이 루빅스 큐브의 하나의 작은 면에 입력된다. 이렇게 만들어진 루빅스 큐브는 키(Key) 큐브에서 결정된 회전 방식에 따라 회전한다.

도 9는 도 3에 도시된 원본 이미지를 1차 큐브 암호화한 이미지를 도시한 것이다.

2차 큐브 암호화

단계 S404는, 2차 큐브 암호화 단계로서, 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 복수의 5×5×5 루빅스 큐브에 넣어 섞어주는 단계이다. 즉, 2차 큐브 암호화는 1차 큐브 암호화에 의해 전체적으로 섞인 이미지를 작게 나누어 다시 섞어준다. 1차 큐브 암호화시 루빅스 큐브의 작은 면에 복수의 픽셀이 입력되었지만, 2차 큐브 암호화에서는 작은 면 하냐에 하나의 픽셀만이 입력된다. 그러므로 복수의 루빅스 큐브가 생성된다.

예를 들어, 이미지의 크기가 400×300 픽셀인 이미지가 있으면 총 픽셀 수는 120000개이다. 한 개의 작은 면에 한 개의 픽셀만 입력이 되어 총 800개의 루빅스 큐브가 만들어진다. 이렇게 만들어진 800개의 루빅스 큐브 각각은 이후에 키(Key) 큐브에서 결정된 회전 방식에 따라 회전한다.

도 10은 도 9에 도시된 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화한 이미지를 도시한 것이다.

XOR 큐브 암호화

단계 S406은 XOR 큐브를 생성하는 단계이고, 단계 S408은 XOR 큐브를 이용하여 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값을 변경하는 XOR 큐브 암호화 단계이다.

2차 큐브 암호화를 거친 이미지는 픽셀의 위치는 바뀌었지만 픽셀의 값은 변하지 않았다. XOR 큐브는 이미지의 픽셀 값을 변경해 준다. XOR 큐브는 키(Key) 큐브로부터 만들어진다. 키(Key) 큐브는 작은 면에 두 개의 값이 입력되어 있는데 두 개의 값은 XOR 연산이 되어 한 개의 작은 면에 한 개의 값만 갖게 된다. 이후에 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 키 큐브에서 결정된 회전 방식에 따라 회전하여 XOR 큐브를 생성한다. 그리고 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 대응하는 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값을 변경하여 최종적으로 암호화된 이미지를 생성한다.

도 11은 2차 큐브 암호화된 이미지가 XOR 큐브 암호화된 이미지를 도시한 도면이다.

실험결과 및 분석

실험 환경

실험의 구현 환경은 표 1과 같으며, 본 발명의 제안된 방법과 DES와 AES의 비교 실험을 진행하였다.

암호화 기법의 성능을 측정하기 위하여 사용된 이미지는 표 2와 같으며, 총 4개의 다양한 이미지를 사용하였다.

보안 분석

본 발명의 암호화 기법에 대하여 선택적 평문 공격에 대한 분석과 통계적 분석을 하고자 한다.

선택적 평문 공격은 평문을 선택하고 작은 부분을 변화를 주어 암호화된 이미지를 분석한다. 분석된 데이터를 통하여 평문과 암호화된 이미지와 의미 있는 연관성을 분석하는 공격법이다.

선택적 평문 공격에 대한 강성을 측정하기 위해서는 평문과 암호화된 이미지 데이터의 픽셀 차이점을 분석하는 NPCR(Number of Pixel Change Rate) 분석법을 사용한다. NPCR은 평문과 암호화된 이미지 사이에 같은 위치에 픽셀이 다른 정도를 측정하여 퍼센트로 표현한다.

선택적 평문 공격 강성 분석

NPCR 비교

선택적 평문 공격에 대한 취약점을 파악하기 위해서 평문과 암호화된 이미지 사이에 픽셀들의 변화율인 NPCR(Number of Pixel Change Rate)을 사용하였다. 악의적인 공격자들이 선택적 평문 공격 시 암호화된 이미지에서 작은 차이를 이용하여 평문과 암호문과의 관계를 찾을 수 있다.

평문과 암호화된 이미지 사이에 픽셀정보를 이용하여 NPCR 결과를 추출하며, 그 결과 값이 클수록 선택적 평문 공격을 어렵게 할 수 있다.

NPCR 유도식은 수학식 1과 같다. i, j는 각각 이미지에서의 가로, 세로 좌표를 나타낸다. C₁(i,j)는 평문 이미지에서 (i,j)의 픽셀 값을 의미한다. C₂(i,j)는 암호화된 이미지에서 (i,j)의 픽셀 값을 의미한다. C₁(i,j)와 C₂(i,j)의 값이 같으면 D(i,j)의 값은 0이고, 값이 다르면 D(i,j)의 값은 1이다.

표 3에서는 ①②③④번 이미지를 대상으로 본 발명의 암호화 기법(제안 기법), DES 그리고 AES에 대하여 NPCR을 비교한 것이다. 이 표에서 확인할 수 있는 것은 본 발명의 암호화 강성이 입증된 DES, AES와 비교하여 더 높은 강성을 보이는 것을 확인할 수 있다. ①번 이미지 암호화에서 제본 발명의 암호화 방법은 99.99833333의 수치를 보였는데 이는 가로 400 픽셀, 세로 300 픽셀인 이미지에서 120000개의 픽셀 중 200개의 픽셀만이 변하지 않는다는 것을 의미한다. ①번 이미지 암호화에서 AES_CBC는 99.60995998의 수치를 보였는데 이는 가로 400 픽셀, 세로 300 픽셀인 이미지에서 120000개의 픽셀 중 470개의 픽셀이 변화하지 않는 것을 의미한다. 본 발명의 암호화 방법은 DES, AES보다 선택적 평문 공격에 강성을 가질 수 있음을 보인다.

표 4는 1-4번까지 본 발명에 의한 암호화 방법으로 암호화한 이미지 데이터의 NPCR의 수치를 나타낸 것이다. NPCR은 최소 99.83583333의 수치를 나타냈다. ④번 이미지가 ①②③번 이미지보다 비교적 낮은 수치를 보이는 이유는 도면 이미지에서 다양한 색상이 사용되지 않기 때문이다. ①②③④번 이미지의 NPCR은 보장 강성 수치 (99.6) 이상을 보여주었다.

결론

본 발명은 이미지 데이터를 루빅스 큐브를 이용하여 암호화한다. 구현을 통하여 루빅스 큐브를 이용한 암호화 과정이 가능함을 보였다. 그리고 실험결과를 통해 기존에 강성이 입증된 DES, AES보다 선택적 평문 공격에 대한 강성이 향상됨을 확인할 수 있었다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

500 : 키 큐브 생성부 502 : 1차 큐브 암호화부
504 : 2차 큐브 암호화부 506 : XOR 큐브 생성부
508 : XOR 큐브 암호화부 700 : 키 큐브
702 : 루빅스 큐브의 A면
704 : A면의 첫 번째 작은 면
800 : 회전 테이블 내의 회전 값

Claims

(A) 키 큐브 생성부가, 사용자로부터 키 값을 입력받아 회전 방식을 결정하는 키 큐브를 생성하는 단계;
(B) 1차 큐브 암호화부가, 원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 루빅스 큐브를 회전하여 원본 이미지를 1차 큐브 암호화하는 단계;
(C) 2차 큐브 암호화부가, 상기 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 픽셀 단위로 복수의 루빅스 큐브의 작은 면에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 각각의 루빅스 큐브를 회전하여 상기 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화하는 단계;
(D) XOR 큐브 생성부가, 상기 키 큐브의 작은 면에 있는 두 개의 값을 XOR 연산하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 회전하여 XOR 큐브를 생성하는 단계; 및
(E) XOR 큐브 암호화부가, 상기 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하는 단계를 포함하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (A)는,
상기 키 큐브 생성부가, 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력하고, 상기 키 값이 상기 루빅스 큐브의 작은 면들을 다 채우지 못하는 경우, 같은 키 값을 반복적으로 상기 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하여 상기 키 큐브를 생성하는 단계를 포함하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 단계 (A)에서 상기 키 큐브 생성부가 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력할 때, 상기 루빅스 큐브의 직사각형 전개도를 기준으로 좌측 상단에서 우측 하단까지, 좌측에서 우측으로 그리고 상단에서 하단 방향으로 사용자로부터의 키 값을 상기 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 입력하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 회전 방식은, 상기 키 큐브의 6개의 면들 중 하나의 면의 소정 수의 작은 면들 각각에 있는 두 개의 값에 의해 지정되는 소정의 회전 테이블 내의 회전 값에 따라 결정되고,
상기 작은 면 내의 두 개의 값 중 첫 번째 값은 상기 회전 테이블에서 행을 나타내며, 두 번째 값은 상기 회전 테이블에서 열을 나타내고,
상기 회전 테이블에는 해당하는 작은 면을 x축, y축 및 z축 중 하나 이상의 축으로 회전하기 위한 임의의 회전 값들이 사전에 저장되어 있는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (E)는,
상기 XOR 큐브 암호화부가, 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 회전된 각각의 루빅스 큐브의 작은 면들 각각의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 대응하는 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하는 단계를 포함하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 방법.
사용자로부터 키 값을 입력받아 회전 방식을 결정하는 키 큐브를 생성하기 위한 키 큐브 생성부;
원본 이미지의 모든 픽셀을 하나의 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 루빅스 큐브를 회전하여 원본 이미지를 1차 큐브 암호화하기 위한 1차 큐브 암호화부;
상기 1차 큐브 암호화된 이미지의 모든 픽셀을 픽셀 단위로 복수의 루빅스 큐브의 작은 면에 입력하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 각각의 루빅스 큐브를 회전하여 상기 1차 큐브 암호화된 이미지를 2차 큐브 암호화하기 위한 2차 큐브 암호화부;
상기 키 큐브의 작은 면에 있는 두 개의 값을 XOR 연산하고 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 상기 XOR 연산이 적용된 키 큐브를 회전하여 XOR 큐브를 생성하기 위한 XOR 큐브 생성부; 및
상기 2차 큐브 암호화된 이미지의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하기 위한 XOR 큐브 암호화부를 포함하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 키 큐브 생성부는, 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력하고, 상기 키 값이 상기 루빅스 큐브의 작은 면들을 다 채우지 못하는 경우, 같은 키 값을 반복적으로 상기 루빅스 큐브의 작은 면들에 입력하여 상기 키 큐브를 생성하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 키 큐브 생성부가 사용자로부터 키 값을 입력받아 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 값을 입력할 때, 상기 루빅스 큐브의 직사각형 전개도를 기준으로 좌측 상단에서 우측 하단까지, 좌측에서 우측으로 그리고 상단에서 하단 방향으로 사용자로부터의 키 값을 상기 루빅스 큐브의 작은 면 각각에 두 개씩 입력하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 회전 방식은, 상기 키 큐브의 6개의 면들 중 하나의 면의 소정 수의 작은 면들 각각에 있는 두 개의 값에 의해 지정되는 소정의 회전 테이블 내의 회전 값에 따라 결정되고,
상기 작은 면 내의 두 개의 값 중 첫 번째 값은 상기 회전 테이블에서 행을 나타내며, 두 번째 값은 상기 회전 테이블에서 열을 나타내고,
상기 회전 테이블에는 해당하는 작은 면을 x축, y축 및 z축 중 하나 이상의 축으로 회전하기 위한 임의의 회전 값들이 사전에 저장되어 있는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 XOR 큐브 생성부는, 상기 키 큐브에 의해 결정된 회전 방식에 따라 회전된 각각의 루빅스 큐브의 작은 면들 각각의 픽셀 값과 상기 XOR 큐브의 대응하는 작은 면의 값을 XOR 연산하여 픽셀 값을 변경하는, 루빅스 큐브 규칙을 적용하는 이미지 데이터 암호화 장치.